WO2014102407A1 - Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas y método de funcionamiento - Google Patents

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WO2014102407A1
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steam
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Juan Pablo NUÑEZ BOOTELLO
Rafael OLAVARRÍA RODRÍGUEZ ARANGO
Francisco MARTÍN DE OLIVA FERRARO
Manuel MARTÍN SÁNCHEZ
José BARRAGÁN JIMÉNEZ
Sonia FERERES RAPOPORT
Román KORZYNIETZ
Antonio Esteban Garmendia
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Definitions

  • the present invention belongs to the field of solar technology. Specifically to the sector of hybrid solar plants that combine solar energy with natural gas.
  • Hybrid gas-solar combined cycle plants combine the benefits of solar energy with those of a combined cycle. While a conventional combined cycle plant is formed by a gas turbine, a heat recovery unit and a steam turbine, in the case of a solar hybrid plant, solar energy is used as auxiliary energy that will allow the performance of the cycle to be inau decrease emissions.
  • the operation of a gas-solar combined cycle hybrid plant is similar to that of a conventional combined cycle plant.
  • the operation of the gas cycle is analogous in both technologies.
  • the auxiliary energy contribution from the solar field is carried out in the Brayton cycle, in such a way that the solar resource partially replaces the use of fossil fuel. Therefore, in this type of power plants, the design and integration of the solar field in the conventional system is critical for the correct operation of the plant.
  • the use of said cooler makes it possible to reduce the work done by the high pressure compressor and also allows to increase the power of the gas turbine, increasing the air density of the inlet by cooling said stream and therefore, in times of high temperatures, maintain the nominal powers without having to spend excessively the fuel.
  • the doctoral thesis plant includes two gas turbines.
  • the use of the cold sky as a heat sink for radiant sources on the earth's surface is a cooling technique that can be used at night to, through the use of a thermal storage system (cool thermal energy storage CTES or " cold storage "in Spanish) lower the temperature of a fluid.
  • CTES thermal energy storage
  • areas with low humidity such as deserts and areas with high altitude compared to sea level can generate large temperature drops.
  • Differences of up to 400 ° C have been measured for thermally isolated quasi-black bodies in the Atacama desert in Chile (Eriksson and Granqvist). This already known phenomenon, also called “cold sky” effect, will be applied in the plant of the invention in question.
  • the present invention aims to provide a solar-gas hybrid plant that increases the solar index of hybrid gas-solar combined cycle plants of the state of the art, operates with greater reliability and efficiency of the receiver, decreases the cost of the plants and the thermal losses by the transport of the first heat transfer fluid to the gas turbine and avoids the other problems found so far.
  • the invention consists of a hybrid solar-gas combined cycle plant comprising two cycles, the first of which has gas (preferably air) as the working fluid, and the second cycle has steam as a working fluid and salt or water as a heat transfer fluid.
  • the plant has, among other elements,: at least two solar receivers (one of which is preferably a gas receiver), at least one gas turbine with a cooling exchanger (intercooler in English), natural gas supply, at least one turbine of steam and storage systems.
  • the operating conditions of the plant are modified with respect to the usual conditions of hybrid plants of the state of the art that conform to a Brayton cycle.
  • the purpose of the invention is to increase the solar index (SS, "solar share") of the hybrid gas-solar combined cycle plants of the state of the art that work with natural gas without the need to increase the air temperature of the receiver ( objective temperature), so that the new conditions provide reliability to the plant, these conditions being lower in operating temperature in the receiver than those of the usual Brayton cycles. Because of this increase of the solar index, the plant of our invention will be denominated from now on hybrid plant of solar-gas combined cycle against gas-solar state of the art.
  • an outlet temperature of the first fluid (gas, preferably air) is lower in the receiver than in the state of the art, the temperatures reached in it are also lower, and materials less demanding in terms of thermal fatigue can be used, reducing the cost of the receiver, and thus achieving greater reliability of the plant.
  • a cooling exchanger which lowers the entry temperature to the receiver.
  • a cold storage consisting of a cooling tank of the first one may be employed.
  • This third fluid which can be water
  • This third fluid is cooled due to the "cold sky” effect, which causes that during the night, a horizontal surface on the earth emits more radiation than it receives and cools.
  • Said water which has been cooled at night, is at a temperature below room temperature per day and allows the reduction of the ambient temperature of the first fluid prior to the compressor with gas turbine cooling exchanger .
  • the use of the refrigeration exchanger with or without the cold storage allow a reduction of the work done by the compressor and the consequent increase of the useful work in the gas turbine. Thanks to this, for the same flow of fluid, the production of electricity is greater than in plants that do not include said refrigeration exchanger and with or without cold storage.
  • the second cycle has water or salts as heat transfer fluid and steam as working fluid. It has at least one steam turbine, to which steam comes from either directly from at least a second steam receiver, or of a heat exchanger fluid heat-water having said heating fluid being heated in the second receiver of the tower and this heat transfer fluid being preferably salts.
  • the plant includes energy storage, which allows working at times when there is no solar input, as well as improving receiver control during transients (cloud passage).
  • This storage can be in salts or in saturated water / steam under pressure depending on the heat transfer fluid used in the second receiver.
  • the system can have at least one storage tank in salts, and preferably two tanks, one cold and one hot.
  • the salt will be circulated from the hot tank to a water-salt interchanger, where steam is generated, to later use that steam in the steam turbine for the generation of electricity; the cold salt that has given its heat to the steam, goes to the cold tank and from there it is recirculated back to the receiver of the tower.
  • the temperature of the first fluid at the output of the receiver lower than the state of the art, will also allow, since it is similar to the fluid outlet temperature of the second receiver, both share the same path of descent from the tower, in order to share the same insulation and thus reduce costs.
  • the first cycle of the plant can be a closed Bryton cycle, in which the fluid from the gas turbine will be recirculated after the heat recuperator leaves the compressor.
  • the gas turbine fluid is circulated from the high pressure compressor directly to the combustion chamber of the gas turbine.
  • the configuration of the plant allows the first fluid does not circulate through the solar receiver, so the plant can operate 24 hours a day.
  • the first cycle whose working fluid is gas, comprises the following stages:
  • the second cycle where the working fluid is always steam and if the heat transfer fluid is water, it comprises the following stages:
  • the salts are conducted to the receiver and the salt cycle starts again and the steam leaving the exchanger is expanded in a steam turbine generating electricity
  • the salt cycle is:
  • the salts after the outlet of the receiver, are stored in at least one hot tank and the hot tank will go to the salt / water exchanger,
  • the salts are conducted to at least one cold tank, where they are stored until the solar contribution returns and they are passed through the receiver starting the salt cycle.
  • the described plant configuration allows to increase the solar index of the gas-solar combined cycle plants of the state of the art, to operate with greater reliability and efficiency of the receiver, to reduce the cost of the plant and the thermal and pressure losses by the transport of the first heat transfer fluid to the gas turbine. All this translates into an increase in production and a reduction in the amount of heat required from both solar and natural gas.
  • the proposed plant configuration has a certain flexibility in hybridization, being applicable both to plants in which the contribution of natural gas is small (gas turbines of the order of MWe), and plants with turbines of the order of tens of MWe.
  • Gas transport pipes (preferably air).
  • FIGS. 1 and 2 two preferred embodiments of the invention, illustrated in FIGS. 1 and 2, will now be described.
  • Another of the options available to the plant in this first cycle is to directly direct the air from the high pressure compressor (3) to the combustion chamber (5) and the gas turbine (4) avoiding the passage through the air receiver (11), in order not to have to stop the operation of the plant in periods without sun, at night or in the case for example of maintenance of said receiver (11).
  • the displacement of the steam to the turbine is done through a pipe (19) (figure 3) surrounded by a set of air pipes (20) so that both can share the same insulator (21).
  • the steam leaving the steam turbine (7) is passed through a condenser (14), part of the condensed liquid is recirculated to the steam receiver (12) to start the cycle again and the other remaining part is passed through a heat recuperator (10) that takes advantage of the heat of the gases detached in the gas turbine (4) and generating heat that is incorporated into the heated steam in the receiver (12) to continue the cycle.
  • the first cycle remains the same, that is, the air from the cold storage tank (13) is introduced into the low pressure compressor (1) at approximately 20 ° C. At the outlet of this compressor in order to cool down the air is passed by a cooling exchanger (2) to subsequently introduce it at 250 0 C in a high compressor (3). This compressed air is passed through an air receiver (11) in order to increase the temperature to 600 ° C, at the outlet it is conducted through a down pipe (20, figure 3) to the combustion chamber ( 5). There the air reaches 1400 ° C to later go through a gas turbine (4) and generate electricity (6).
  • the molten salts are heated in a salt receptor (17). These salts are stored in a hot tank (15) that will be used during the hours in which solar input is not available to pass them through a salt / water exchanger (18) in order to generate steam. After the salt / water exchanger (18), the salts are conducted to a cold tank (16), where they are stored until they are again passed through the receiver (17) and the salt cycle begins again.
  • the displacement of the molten salts from the receiver (17) to the hot storage tank (15) is done through a pipe (19, figure 3) surrounded by a set of air pipes (20) so that both can share the same insulator (21).
  • This system is specially designed for application in solar energy collection structures, but its extension to other fields of the industry that require similar characteristics is not ruled out.

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Abstract

Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas y método de funcionamiento con dos circuitos, uno de aire y otro de vapor, el de aire con turbina de gas con intercambiador de refrigeración con aporte de gas natural, y el de vapor con turbina de vapor así como sistemas de almacenamiento. El circuito de vapor puede contar con receptor solar de vapor o de sales. Esta planta permite trabajar de manera más fiable al reducir la temperatura de trabajo del aire en el receptor.

Description

PLANTA HÍBRIDA DE CICLO COMBINADO SOLAR-GAS Y MÉTODO DE
FUNCIONAMIENTO
Sector técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de la tecnología solar. Concretamente al sector de las plantas solares híbridas que combinan la energía solar con el gas natural.
Antecedentes de la invención
Las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar combinan los beneficios de la energía solar con los de un ciclo combinado. Mientras una planta convencional de ciclo combinado está formada por una turbina de gas, un recuperador de calor y una turbina de vapor, en el caso de una planta híbrida solar, se utiliza la energía solar como energía auxiliar que permitirá inaementar el rendimiento del ciclo y disminuir las emisiones.
El funcionamiento de una planta híbrida de ciclo combinado gas-solar es semejante al de una planta de ciclo combinado convencional. El funcionamiento del ciclo de gas es análogo en ambas tecnologías. El aporte energético auxiliar procedente del campo solar se realiza en el ciclo Brayton, de tal forma que el recurso solar sustituye parcialmente el uso del combustible fósil. Por todo ello, en este tipo de centrales, el diseño e integración del campo solar en el sistema convencional es crítico para el correcto funcionamiento de la central.
En el estado del arte se encuentran diferentes referencias a plantas híbridas con energía solar en la que aparece un ciclo Brayton. Un ejemplo de ello es la patente WO2008153946. En este documento la planta está compuesta por un ciclo Brayton y un segundo ciclo Rankine para generar electricidad y cuyo fluido de trabajo por lo tanto es vapor. Esta patente incluye además el almacenamiento del primer fluido de trabajo calentado previamente mediante energía solar de alta concentración. El inconveniente que presenta esta planta es que para asegurar índices solares elevados ("solar share" (SS) en la terminología inglesa, definido como el cociente entre el calor aportado por el campo solar y el calor proveniente de quemar gas natural, SS = Qsolar/Qgas natural) se debe trabajar a temperaturas de salida del receptor de al menos de 800°C. Estas condiciones no hacen fiable o segura la planta ya que son temperaturas muy elevadas de trabajo para los distintos componentes. Las experiencias en relación a receptores de aire, indican que una temperatura de salida del receptor de 600°C permite operar las plantas con mayor seguridad. Receptores de aire como por ejemplo el SOLAIR-TSA presentaban además a dicha temperatura la mayor eficiencia.
Otro inconveniente que tiene el trabajar con temperaturas superiores a 600°C es que por ser las plantas del estado del arte de alta potencia, la turbina de gas debe estar instalada a ras de suelo, por ello, mantener una temperatura más elevada a la salida del receptor (con el fin de aumentar el índice solar) hace que la tubería de bajada a la unidad de turbina de gas tenga más perdidas de calor y sufra más estrés térmico. Otro ejemplo en el estado del arte está descrito en la tesis doctoral "Thermoeconomic analysis and optimisation of air-based bottoming cycles for wáter-free hybrid solar gas-turbine power plants", de Raphaél Sandoz y publicada en 2012. En esta tesis se divulga un ciclo combinado híbrido gas-gas y la utilización de un intercambiador de refrigeración entre un compresor de baja y alta presión previo a una etapa de recuperación tras la segunda turbina de gas. El uso de dicho refrigerador permite reducir el trabajo realizado por el compresor de alta presión y permite además aumentar la potencia de la turbina de gas, aumentando la densidad del aire de la entrada por enfriamiento de dicha corriente y por lo tanto, en épocas de altas temperaturas, mantener las potencias nominales sin tener que gastar excesivamente el combustible. La planta de la tesis doctoral incluye dos turbinas de gas.
Otra referencia en el estado del arte es la patente WO2012042655. En este documento se describe un sistema de turbina de gas en el que se incluye un sistema adicional de tuberías para pulverizar agua con el fin de disminuir la temperatura de entrada al compresor. Un concepto similar al intercambiador de refrigeración. El inconveniente que presenta este sistema de refrigeración es que está limitado el descenso de temperatura ya que el agua que se pulveriza es a temperatura ambiente, además de necesitar un aporte de agua por encima de lo deseado.
En cuanto a los sistemas de almacenamiento, empleados en el estado del arte, en plantas solares termoeléctricas se viene empleando o bien almacenamiento en agua saturada/vapor a presión o en sales fundidas.
Otro tipo de almacenamiento no aplicado hasta ahora en plantas solares, pero sí en otras aplicaciones, es el denominado "almacenamiento frío" que se basa en el enfriamiento de un fluido gracias a la emisión por radiación al cielo durante la noche, a la cual llamaremos "radiación nocturna". Si se define como temperatura de cielo la de un cuerpo negro con una emisión de potencia por unidad de superficie igual a la que recibe la Tierra en la misma área, resulta que esta temperatura es inferior a la temperatura ambiente, lo que da lugar a que, durante la noche, una superficie horizontal sobre la tierra emita hacia el cielo más radiación de la que recibe y, por consiguiente, que se enfríe. Así pues, el uso del cielo frío como sumidero de calor para fuentes radiantes sobre la superficie terrestre es una técnica de enfriamiento que se puede utilizar durante la noche para, mediante la utilización de un sistema de almacenamiento térmico (cool thermal energy storage CTES ó "almacenamiento frío" en español) bajar la temperatura de un fluido. Así, zonas con baja humedad como los desiertos y zonas con altura elevada frente al nivel del mar pueden generar amplias caídas de temperatura. Diferencias de hasta 400 °C se han medido para cuerpos quasi negros aislados térmicamente en el desierto de Atacama en Chile (Eriksson and Granqvist). Este fenómeno ya conocido, denominado también efecto de "cielo frío" será aplicado en la planta de la invención que nos ocupa.
Por todo ello, la presente invención tiene como objetivo proporcionar una planta híbrida solar-gas que aumenta el índice solar de las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte, opera con una mayor fiabilidad y eficiencia del receptor, disminuye el coste de las plantas y las perdidas térmicas por el transporte del primer fluido caloportador a la turbina de gas y evita los demás problemas encontrados hasta el momento.
Descripción de la invención
La invención consiste en una planta híbrida de ciclo combinado solar-gas que comprende dos ciclos, el primero de ellos tiene como fluido de trabajo gas (preferentemente aire) y el segundo ciclo tiene como fluido de trabajo vapor y como fluido caloportador sal o agua.
La planta cuenta entre otros elementos con: al menos dos receptores solares (siendo uno de ellos de gas preferentemente de aire), al menos una turbina de gas con intercambiador de refrigeración (intercooler en inglés), aporte de gas natural, al menos una turbina de vapor y sistemas de almacenamiento.
Gracias a la configuración de la planta de la invención que nos ocupa y que se describirá a continuación, las condiciones de operación de la planta se modifican con respecto a las condiciones habituales de las plantas híbridas del estado del arte que se ajustan a un ciclo Brayton. La finalidad de la invención es aumentar el índice solar (SS, "solar share") de las planta híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte que trabajan con gas natural sin necesidad de aumentar la temperatura de salida del aire del receptor (temperatura objetivo), de manera que las nuevas condiciones aporten fiabilidad a la planta, siendo estas condiciones inferiores en temperatura de operación en el receptor a las de los ciclos Brayton habituales. Debido a este aumento del índice solar, la planta de nuestra invención será denominada de ahora en adelante planta híbrida de ciclo combinado solar-gas frente a las de gas-solar del estado del arte.
Si se consigue una temperatura de salida del primer fluido (gas, preferentemente aire) inferior en el receptor a las del estado del arte, las temperaturas que se alcanzan en éste son también inferiores, pudiéndose emplear materiales menos exigentes en cuanto a fatiga térmica, reduciendo el coste del receptor, y consiguiendo así una mayor fiabilidad de la planta.
Para conseguir un aumento del índice solar con una temperatura en el receptor inferior a la del estado del arte se hace uso de un intercambiador de refrigeración que disminuye la temperatura de entrada al receptor. El aporte solar deseado para aumentar la temperatura del primer fluido en el receptor desde la temperatura de entrada hasta la temperatura de salida (temperatura objetivo) es en este caso mayor al de las plantas híbridas convencionales para una misma temperatura de salida objetivo, ya que se aumenta el incremento de temperatura que se tiene en el receptor solar, de esta manera, el índice solar aumenta, pues SS = Qsolar/ Q gas natural. Previo al empleo del intercambiador de refrigeración y con el fin de poder disminuir más la temperatura de entrada del primer fluido al receptor, además de dicho intercambiador de refrigeración y de manera opcional, puede emplearse un almacenamiento frío que consiste en un tanque de enfriamiento del primer fluido a partir de un intercambiador con un tercer fluido. Este tercer fluido, que puede ser agua, es enfriado debido al efecto de "cielo frío", que provoca que durante la noche, una superficie horizontal sobre la tierra emita más radiación de la que recibe y se enfríe. Dicho agua, que se ha enfriado por la noche, por el día se encuentra a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente y permite la reducción de la temperatura ambiente del primer fluido de manera previa al compresor con intercambiador de refrigeración de la turbina de gas. El empleo del intercambiador de refrigeración con o sin el almacenamiento en frío permiten, una disminución del trabajo realizado por el compresor y el consiguiente aumento del trabajo útil en la turbina de gas. Gracias a esto, para un mismo caudal de fluido, la producción de electricidad es mayor que en plantas que no incluyan dicho intercambiador de refrigeración y con o sin el almacenamiento en frío.
El segundo ciclo, tiene como fluido caloportador agua o sales y como fluido de trabajo el vapor. Cuenta con al menos una turbina de vapor, a la que llega el vapor procedente o bien directamente de al menos un segundo receptor de vapor, o bien de un intercambiador de calor fluido caloportador-agua habiendo sido calentado dicho fluido caloportador en el segundo receptor de la torre y siendo este fluido caloportador preferentemente sales.
Además la planta incluye almacenamiento de energía lo que permite trabajar en horas en las que no hay aporte solar, asi como mejorar el control del receptor durante los transitorios (paso de nubes).
Este almacenamiento puede ser en sales o en agua saturada/vapor a presión dependiendo del fluido caloportador empleado en el segundo receptor. De esta manera, si el fluido caloportador del segundo receptor es sal fundida, el sistema puede contar con al menos un tanque de almacenamiento en sales, y preferentemente dos tanques uno frío y uno caliente. En tal caso, la sal será circulada desde el tanque caliente a un íntercambiador agua-sales, donde se genera vapor, para posteriormente utilizar ese vapor en la turbina de vapor para la generación de electricidad; la sal fría que ha cedido su calor al vapor, se dirige al tanque frío y de ahí es recirculada de nuevo al receptor de la torre.
Gracias al sistema anteriormente escrito, la temperatura del primer fluido a la salida del receptor, más baja que las del estado del arte, permitirá además que, al ser ésta similar a la temperatura de salida del fluido del segundo receptor, ambos compartan un mismo camino de bajada desde la torre, con el fin de compartir un mismo aislante y reducir así costes.
Esto permite conseguir una mayor sencillez del sistema al reducir el número de aislantes para tuberías independientes de bajada, reducir por tanto los costes de la planta y las pérdidas de calor que se produce en las plantas del estado del arte que se ven obligadas a transportar aire a grandes temperaturas desde lo alto de la torre al suelo donde se encuentra situada la turbina.
Además y de manera opcional, el primer ciclo de la planta puede ser un ciclo Bryton cerrado, en el que el fluido procedente de la turbina de gas se recirculara tras la salida del recuperador de calor hacia el compresor.
Para las horas del día donde no hay radiación solar o bien para los periodos de mantenimiento del receptor, el fluido de la turbina de gas se hace circular desde el compresor de alta presión directamente hacia la cámara de combustión de la turbina de gas. En este caso la configuración de la planta permite que el primer fluido no circule por el receptor solar, pudiendo así la planta operar durante las 24 horas del día.
Así pues, el método de trabajo de la planta es como se describe a continuación. El primer ciclo, cuyo fluido de trabajo es gas, comprende las siguientes etapas:
- el gas se introduce en un compresor de baja presión,
- a la salida de este compresor se hace pasar el gas por un intercambiador de refrigeración,
- posteriormente se introduce en un compresor de alta presión,
- opcionalmente se hace pasar por un receptor solar con el objetivo de aumentar la temperatura, (si hay sol y el receptor está en correcto funcionamiento, si no pasaría directamente a la cámara de combustión de gas natural)
- a continuación se conduce hasta la cámara de combustión,
- para posteriormente pasar por una turbina de gas y generar electricidad.
El segundo ciclo, donde el fluido de trabajo es siempre vapor y si el fluido caloportador es agua comprende las siguientes etapas:
- calentamiento del fluido caloportador (agua) en un receptor solar,
- expansión del fluido de trabajo (vapor) en una turbina de vapor generando electricidad,
- el vapor que sale de la turbina de vapor se hace pasar por un condensador para su posterior reutilización.
Si el segundo ciclo utiliza como fluido caloportador sales en lugar de agua las etapas de este segundo ciclo son:
- calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor de sales,
- estas sales se conducen a un intercambiador sales/agua con el fin de generar vapor,
- tras el intercambiador de sales/agua, las sales se conducen al receptor y vuelve a empezar el ciclo de sales y el vapor que sale del intercambiador se expansiona en una turbina de vapor generando electricidad,
- el vapor que sale de la turbina de vapor se hace pasar por un condensador para su posterior reutilización.
En el caso de querer almacenar calor para su posterior utilización en los períodos en los que no se disponga de aporte solar el ciclo de sales es:
- las sales, tras la salida del receptor, se almacenan en al menos un tanque caliente y del tanque caliente irán al intercambiador sales/agua,
- y tras el intercambiador de sales/agua, las sales se conducen hasta al menos un tanque frío, donde se almacenan hasta que de nuevo vuelva el aporte solar y se hagan pasar por el receptor comenzando el ciclo de sales. La configuración de planta descrita permite, aumentar el índice solar de las plantas híbridas de ciclo combinado gas-solar del estado del arte, operar con una mayor fiabiltdad y eficiencia del receptor, disminuir el coste de la planta y las perdidas térmicas y de presión por el transporte del primer fluido caloportador a la turbina de gas. Todo esto se traduce en un aumento de la producción y en una reducción del aporte de calor necesario tanto solar como de gas natural. La configuración de planta propuesta cuenta con una cierta flexibilidad en la hibridación, pudiéndose aplicar tanto a plantas en las que el aporte de gas natural es pequeño (turbinas de gas del orden de MWe), como plantas con turbinas del orden de decenas de MWe.
Descripción de ios dibujos
Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se acompaña un juego de dibujos donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
- Figura 1: Planta solar híbrida con dos receptores, intercambiador de refrigeración y almacenamiento en agua saturada/vapor a presión.
- Figura 2: Planta solar híbrida con dos receptores, intercambiador de refrigeración y almacenamiento en sales.
- Figura 3: Tuberías de subida y bajada de fluidos.
Correspondiendo las referencias de las figuras a los siguientes elementos:
1. Compresor de baja.
2. Intercambiador de refrigeración.
3. Compresor de alta.
4. Turbina de gas.
5. Cámara de combustión.
6. Generador de electricidad.
7. Turbina de vapor.
9. Tanque de almacenamiento de agua saturada/vapor a presión.
10. Recuperador de calor.
11. Receptor de aire.
12. Receptor de vapor.
13. Tanque de almacenamiento frío.
14. Condensador.
15. Tanque de almacenamiento caliente de sales fundidas.
16. Tanque frío de sales.
7. Receptor de sales. 18. Intercambiador sales/agua.
19. Tubería de transporte de sales o vapor.
20. Tuberías de transporte de gas (preferentemente aire).
21. Aislante común a las tuberías de aire y vapor.
Realización preferente de la invención
Para lograr una mayor comprensión de la invención a continuación se van a describir dos realizaciones preferentes de la invención, ilustradas en las figuras 1 y 2.
En la figura 1 , en el primer ciclo, el aire procedente del tanque de almacenamiento frío (13) se introduce en el compresor de baja presión (1), aproximadamente a 20°C. A la salida de este compresor, con el fin de bajar la temperatura (para aumentar el índice solar sin necesidad de aumentar la temperatura del aire a la salida del receptor hasta 800° C), se hace pasar el aire por un intercambiador de refrigeración (2) para posteriormente introducirlo en un compresor de alta presión (3). Este aire comprimido, que se encuentra a 250 °C se hace pasar por un receptor solar de aire (11) con el objetivo de aumentar la temperatura hasta 600°C. A la salida se conduce a través de una tubería de bajada (20) (figura 3) hasta la cámara de combustión (5). Allí el aire alcanza los 1400°C para posteriormente pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6).
Otra de las opciones con las que cuenta la planta en este primer ciclo es la de dirigir directamente el aire procedente del compresor de alta presión (3) a la cámara de combustión (5) y a la turbina de gas (4) evitando el paso por el receptor de aire (11), con el fin de no tener que parar el funcionamiento de la planta en periodos sin sol, por la noche o en el caso por ejemplo de mantenimiento de dicho receptor (11 ).
En la figura 1 , se observa un segundo ciclo, que cuenta como fluido caloportador con agua y como fluido de trabajo con vapor, que se genera en un receptor solar de vapor (12). Parte del vapor se expande en la turbina de vapor (7) generando electricidad (6) y parte se almacena en un tanque de agua saturada/vapor a presión (9) que se utilizará en las horas en las que no se disponga de aporte solar.
El desplazamiento del vapor a la turbina se hace a través de una tubería (19) (figura 3) rodeada de un conjunto de tuberías de aire (20) de manera que ambas pueden compartir un mismo aislante (21). El vapor que sale de la turbina de vapor (7) se hace pasar por un condensador (14), parte del liquido condensado se recircula al receptor de vapor (12) para empezar de nuevo el ciclo y la otra parte restante se hace pasar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendidos en la turbina de gas (4) y que genera calor que se incorpora al vapor calentado en el receptor (12) para continuar el ciclo.
En la figura 2, el primer ciclo se mantiene igual, es decir, el aire procedente del tanque de almacenamiento frío (13) se introduce en el compresor de baja presión (1) aproximadamente a 20 °C. A la salida de este compresor con el fin de bajar la temperatura se hace pasar el aire por un intercambiador de refrigeración (2) para posteriormente introducirlo a 250 0 C en un compresor de alta (3). Este aire comprimido se hace pasar por un receptor de aire (11 ) con el objetivo de aumentar la temperatura hasta 600°C, a la salida se conduce a través de una tubería de bajada (20, figura 3) hasta la cámara de combustión (5). Allí el aire alcanza los 1400°C para posteriormente pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6).
En la figura 2, a diferencia de la figura 1, en el segundo ciclo, se utiliza como fluido caloportador sales mientras que el fluido de trabajo sigue siendo vapor. El vapor se genera en un intercambiador de sales/ agua (18). El vapor se introduce posteriormente en una turbina (7) para generar electricidad (6). El vapor que sale de la turbina se hace pasar por un condensador (14), parte del liquido condensado se recircula al intercambiador sales/agua (18) para generar vapor y empezar de nuevo el ciclo y la parte restante se hace pasar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendidos en la turbina de gas (4) y que genera vapor que se incorpora al vapor generado en el intercambiador sales/agua (18) para continuar el ciclo.
En este ciclo las sales fundidas se calientan en un receptor de sales (17). Estas sales se almacenan en un tanque caliente (15) que se utilizará en las horas en las que no se disponga de aporte solar para hacerlas pasar por un intercambiador sales/agua (18) con el fin de generar vapor. Tras el intercambiador de sales/agua (18), las sales se conducen hasta un tanque frío (16), donde se almacenan hasta que de nuevo se hacen pasar por el receptor (17) y vuelve a empezar el ciclo de sales. El desplazamiento de las sales fundidas desde el receptor (17) hasta el tanque de almacenamiento caliente (15) se hace a través de una tubería (19, figura 3) rodeada de un conjunto de tuberías de aire (20) de manera que ambas pueden compartir un mismo aislante (21).
Este sistema está especialmente diseñado para su aplicación en estructuras de captación de energía solar, pero no se descarta su extensión a otros campos de la industria que requieran características similares.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas, caracterizada porque está formada por dos ciclos: un primer ciclo cuyo fluido de trabajo es gas que comprende un compresor de baja presión (1 ) que se conecta a un intercambiador de refrigeración (2), el cual tiene conectada su salida a un compresor de alta presión (3) que está directamente conectado a al menos un receptor solar de gas (11) y a una cámara de combustión (5), la salida del receptor (11 ) se conecta a la cámara de combustión (5) y la salida de la cámara de combustión (5) se conecta a al menos una turbina de gas (4), la cual se conecta a un generador de electricidad (6) y un segundo ciclo con un fluido caloportador para la generación de vapor como fluido de trabajo, que comprende al menos un receptor solar (12 ó 17) y una turbina de vapor (7), contando la planta con al menos un tanque de almacenamiento.
2. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1 , caracterizada porque en el segundo ciclo el fluido caloportador es agua y el receptor solar es de vapor (12), estando conectada la salida del receptor (12) a una turbina de vapor (7) y la salida de dicha turbina (7) por un lado a un generador de electricidad (6) y por otro a un condensador (14), estando conectada la salida de dicho condensador a un recuperador de calor (10).
3. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1 , caracterizada porque en el segundo ciclo el fluido caloportador son sales, y el receptor solar es de sales (17) y se conecta a un intercambiador de sales/agua (18), conectado a su vez con al menos un tanque caliente (15) para el almacenamiento de sales y con al menos un tanque frío (16) de almacenamiento de sales.
4. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1 , caracterizada porque la bajada y subida de fluidos se hace a través de una tubería (19) rodeada de un conjunto de tuberías de gas (20) de manera que ambas comparten un mismo aislante (21).
5. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 1 , caracterizada porque incluye un tanque de almacenamiento frío (13) cuya salida se conecta a la entrada del compresor de baja presión (1), dicho tanque (13) consiste en un tanque de enfriamiento del gas a partir de un intercambiador con otro fluido (puede ser agua fría).
6. Planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el gas del primer ciclo es aire y el almacenamiento se realiza en un tanque de agua saturada/vapor a presión.
7. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas descrita en las reivindicaciones anteriores caracterizado porque tiene dos ciclos de funcionamiento, donde el primer ciclo tiene como fluido de trabajo un gas y comprende las siguientes etapas:
- el gas se introduce en compresor de baja presión (1),
- a la salida de este compresor (1 ) se hace pasar el gas por un intercambiador de refrigeración (2),
- posteriormente se introduce en un compresor de alta presión (3),
- a continuación se conduce hasta la cámara de combustión (5),
- para posteriormente pasar por una turbina de gas (4) y generar electricidad (6); el segundo ciclo, donde el fluido de trabajo es vapor y que comprende las etapas esenciales de:
- calentamiento de un fluido caloportador en un receptor solar (12 ó 17) para la posterior generación del fluido de trabajo (vapor),
- expansión del vapor en la turbina (7) generando electricidad (6),
- el vapor que sale de la turbina de vapor (7) se hace pasar por un condensador (14) para su posterior reutilización.
8. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 7 caracterizado porque el gas comprimido procedente del compresor de alta presión (3) se hace pasar por un receptor solar (11) con el objetivo de aumentar la temperatura, antes de introducirlo en la cámara de combustión (5).
9. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque el fluido procedente de la turbina de gas (4) se recirculara a un recuperador de calor (10) hacia el compresor de baja (1).
10. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque parte del agua que sale del condensador (14) se hace pasar por un recuperador de calor (10) que aprovecha el calor de los gases desprendidos en la turbina de gas (4) y que genera vapor que se incorpora al vapor calentado para continuar el ciclo.
11. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 ó 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el fluido caloportador es agua y el receptor solar es de vapor (12).
12. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 6 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el receptor solar es de sales y tras la etapa del calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor solar (17) estas sales se conducen a un intercambiador sales/agua (18) donde se genera el vapor y a continuación las sales se conducen al receptor (17) y vuelve a empezar el ciclo de sales.
13. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 6 8 caracterizado porque en el segundo ciclo el receptor solar es de sales y tras la etapa del calentamiento del fluido caloportador (sales) en un receptor solar (17):
- estas sales se almacenan en al menos un tanque caliente (15) y del tanque caliente (15) irán al intercambiador sales/agua (18) donde se genera el vapor,
- y tras el intercambiador de sales/agua (18), las sales se conducen hasta al menos un tanque frío (16), donde se almacenan hasta que de nuevo vuelva el aporte solar y se hagan pasar por el receptor (17) comenzando el ciclo de sales.
14. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 12 ó 13 caracterizado porque el agua que sale del condensador (14) se circula parte a un intercambiador de sales/agua (18) para la generación de vapor y parte a un recuperador de calor (10).
15. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones 7 6 8 caracterizado porque el gas que sale del receptor solar (11 ) está a la misma temperatura que el vapor o las sales que salen del receptor solar (12 6 17).
16. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el gas es aire.
17. Método de funcionamiento de la planta híbrida de ciclo combinado solar-gas según reivindicación 16 caracterizado porque:
- el aire se introduce en el compresor de baja presión (1 ) a aproximadamente 20 °C ,
- el aire que sale del compresor de alta presión (3) se encuentra a 250 °C y se hace pasar por un receptor solar de aire (11 ) aumentando la temperatura hasta 600°C,
- y en la cámara de combustión (5) el aire alcanza 1400°C.
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