WO2015011318A1 - Procedimiento de acumulación de energía térmica en un dispositivo con fluido condensable - Google Patents

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José María MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA
Rafael Rubén AMENGUAL MATAS
Antonio Rovira De Antonio
Rubén ABBAS CÁMARA
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Universidad Politecnica de Madrid
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Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED
Universidad Politecnica de Madrid
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the sector of the technique to which the invention belongs is that of the thermosolar power generation plants by means of a thermodynamic cycle that uses as a working fluid one of a condensable nature, with phase changes from liquid to steam and from vapor to liquid . More specifically, the invention falls within the field of solar thermal power plants equipped with a storage system, whose objective is to increase the technical availability of the plant during a period of operation greater than what would be had if the operation were limited exclusively to the hours of the day when there is solar irradiation.
  • the invention is especially suitable in solar thermal power plants with direct steam generation (GDV), in which operation with saturated steam is usual, although it can also be used in other types of power plants, since operation in parallel with many of the power production systems already known in the prior art.
  • GDV direct steam generation
  • the choice of storage type depends on aspects related to each of the available solar technologies, through the type of heat transfer fluid used and the thermal level that can be achieved.
  • One of the most important factors is the thermal capacity of the system, understood as the amount of energy that it is able to assimilate during charging and to provide during discharge.
  • the storage system must meet a series of general requirements such as:
  • the salts can be used in both high and medium concentration solar fields, on which the thermal level reached will depend.
  • the first is its high freezing point, which always requires keeping the temperature above that point;
  • the second is its high price, which may increase the cost of the plant, given the high volume of fluid that is necessary if the storage capacity is not too small. Therefore, the convenience of finding an alternative storage fluid without these inconveniences is considered.
  • the first one that is obvious to consider is water, which is abundant and cheap, has a high specific heat in its liquid phase and has a significantly less problematic freezing point than that of molten salts.
  • the present invention also takes advantage of the condensable nature of water vapor, using the thermal exchange that occurs in condensable fluids between latent heat and sensible heat.
  • the water has, however, two drawbacks for use in thermal storage systems: on the one hand, its saturation temperature is low at near atmospheric pressures (100 ° C at 1 bar); on the other hand, at still relatively low temperatures its vapor pressure is high (the critical temperature and pressure are 374 ° C and 221 bar).
  • these drawbacks are overcome by prescribing a continuous variation of the pressure within a design window with suitable values for the production of mechanical power in Rankine cycles with steam turbines.
  • the invention postulates the viability of a storage system for solar thermal power plants that uses a condensable fluid as a heat carrier. Viability means that during the discharge it is able to produce the nominal power over a prolonged period of time, with a simple design and an acceptable cost.
  • thermal storage systems There is a wide variety of thermal storage systems. Most of them use a fluid from which their sensitive heat is used, which increases during loading and decreases during discharge based on increasing and decreasing, respectively, the temperature of the fluid during these processes.
  • European patent application EP 2 096 305 A1 "Installation denialation d' réelle firm working from energy soleire" is an example of a storage system that uses phase change heat - in this case of fusion -, since that the thermal energy collected in a solar field is stored in the form of latent heat by melting an organic or mineral material contained in a plurality of watertight capsules, in which the temperature is maintained between 100 ° C and 130 ° C.
  • the heat transfer fluid, which exchanges heat, on the one hand with the solar field, on the other hand with the storage fluid and, finally, with the working fluid of the thermodynamic cycle in the steam generator for the turbine, is water with a temperature 150 ° C maximum, at a maximum pressure of 6 bar.
  • the heat transfer fluid and the working fluid of the thermodynamic cycle are different and the heat exchange between them is produced by the interposition between the two of a transmission surface;
  • the temperature range of the thermodynamic cycle is limited by that of the heat transfer fluid, which implies that the working fluid of the thermodynamic cycle is an organic fluid such as butane or propane.
  • the pressure and temperature of the heat accumulator in all the aforementioned background devices are kept constant in the values corresponding to the phase change, unlike what happens in the present invention, in which the pressure and the temperature of the accumulator vary from continuous way both in loading and unloading.
  • the cited patents exclusively propose the use of the latent heat of the phase change, while the principle of the present invention is that of the interconversion between the latent and the sensible heat, in both directions, during the loading and unloading of the system.
  • the present invention does not need the use of different materials in the contents of the accumulator and the heat transfer circuits, since the use of a single fluid that simultaneously acts as accumulator fluid and working fluid of the thermodynamic cycle is proposed.
  • the invention relates to a process of accumulation of solar thermal energy by means of a condensable fluid, which comprises the following processes: - Transmission of heat to the condensable fluid, which receives that heat either directly from a solar field or from another fluid that has evolved in a solar field. Said heat transfer is carried out in at least two heat exchangers: a preheater (through which subcooled liquid circulates which is heated to a temperature close to saturation) and a steam generator (in which the boiling takes place of saturated liquid). At the exit of the preheater, the liquid is conducted to a hot boiler, from which a fraction is extracted that is taken to the steam generator, where a part of the liquid is converted into saturated steam, then returning the mixture thus obtained to the hot boiler of the liquid and vapor phases.
  • a preheater through which subcooled liquid circulates which is heated to a temperature close to saturation
  • a steam generator in which the boiling takes place of saturated liquid
  • Said steam turbine comprises at least one high pressure body and a low pressure body, the steam expanding in said high pressure and low pressure bodies.
  • the procedure also includes the existence of:
  • a phase of storage or loading of energy in which the hot boiler is filled with condensable fluid, which increases pressure and temperature due to heat exchange in the preheater and steam generator. Inside the hot boiler, the liquid phase and the vapor phase coexist in equilibrium, both in saturation conditions. The energy is stored in the hot boiler in the form of sensible heat and latent heat of the condensable fluid.
  • a phase of energy discharge in which the hot boiler is gradually emptied of condensable fluid.
  • the emptying takes place through the evaporation of the liquid phase, which is transformed into saturated steam that leaves the hot boiler due to pressure differences, to feed the high body of the turbine.
  • the pressure and temperature of the fluid inside the hot boiler are gradually decreasing during the discharge phase.
  • the supply with saturated steam to the high pressure body of the turbine is carried out from the hot boiler through a valve that reduces the pressure by rolling, so that said steam supply to the turbine inlet takes place at a constant pressure that matches the minimum that will be in the hot boiler at the end of the discharge.
  • the constancy of the turbine inlet pressure allows the power obtained during the discharge to be kept constant.
  • the storage system object of the invention operates in parallel with a conventional solar power plant equipped with a steam turbine common to both devices.
  • the storage load takes place simultaneously with the normal operation of the conventional solar power plant, so that the storage is being loaded while the solar input is greater than the nominal required for the production of the steam consumed by the turbine during its normal operation in presence of solar radiation.
  • the download can work according to two different modes:
  • the discharge is combined with the normal use of the plant, providing an additional steam flow that supplements that produced in the conventional plant.
  • the power is thus increased above the value corresponding to the normal operation of the solar power plant without storage. If, at any given time, the existing solar radiation is only enough for the conventional plant to operate at partial load, the power supplement obtained with the discharge allows the operation to approach that of the nominal conditions, which brings the compliance with the operation requirement closer stable power block. If the solar radiation present exceeds that necessary for the full-load operation of the conventional plant, the discharge in these conditions allows to reach a power higher than the nominal one, although this case has to be considered as exceptional.
  • the use of the discharge is reserved for moments of absence of solar radiation, thus obtaining an extension of the period of daily use of the plant. During this extension only the nominal power corresponding to the storage system is supplied.
  • the pressure and temperature at which the liquid and steam coexist in the hot boiler vary continuously over time, increasing during storage loading and decreasing during discharge, which is why the term “pressure” is used slider "in the title of the invention.
  • the range of variation of the pressure inside the hot boiler is prescribed as follows: on the one hand, the minimum pressure (the one that reigns when the discharge ends and the loading begins) is such that, with that value of the pressure of the steam in the turbine intake, it develops the nominal power with which the storage is designed; on the other hand, the maximum pressure is the saturation pressure at the highest temperature at which steam is produced in the steam generator, which will be the nominal temperature at the end of the charging process.
  • the maximum pressure must be less than the critical pressure of the working fluid, so that at the beginning of the discharge there is saturated steam at the inlet of the turbine.
  • the duration of a discharge process depends on the mass of working fluid stored in the hot boiler at the end of the loading process. This mass is prescribed as a design value of the installation, chosen arbitrarily, on which, in turn, the volume of the hot boiler depends.
  • the invention also relates to a device for the accumulation of solar thermal energy by means of a condensable fluid, which is used in the procedure described previously. Said device adjusts to a thermodynamic cycle of the "Rankine" type, in which a steam turbine generates mechanical work on its axis.
  • the device comprises:
  • At least two heat exchangers in which the condensable fluid receives heat, either from a solar field by direct radiation, or by convection from another heat transfer fluid that has previously evolved in a solar field, performing said heat exchange in a preheater and steam generator.
  • the condensable fluid in the liquid phase is stored in a hot boiler, from which a fraction of said condensable fluid that is taken to the steam generator, where it partially evaporates, is removed. the liquid-vapor mixture thus obtained is conducted again to the hot boiler.
  • a steam turbine comprising at least one high pressure body and a low pressure body, the steam expanding in said high pressure and low pressure bodies.
  • a condenser arranged at the outlet of the low pressure body of the turbine.
  • a cold boiler in which the fluid that evolves in the high pressure and low pressure bodies of the turbine is collected.
  • the device is such that in the hot boiler the liquid phase and the vapor phase of the working fluid coexist in equilibrium at a pressure within a range whose limits are prescribed so that, on the one hand, the maximum value is less than the Critical pressure and, on the other hand, the minimum value is such that the nominal power of the storage facility is obtained with it.
  • the volume of the hot boiler is such that in its interior the mass of condensable fluid existing at the end of the discharge is added together with the total mass of working fluid necessary to keep the turbine running in its nominal condition for the entire time prescribed for download.
  • the power obtained in the turbine shaft is constant over time. This is achieved thanks to a control system that acts by means of a rolling valve on the inlet pressure to the high pressure body of the turbine.
  • Figure 1 shows a diagram of the device described in the invention, in which the different components necessary for its operation are appreciated, with direct generation of steam in the solar field.
  • Figure 2 shows a variant of the device described in the invention, in which heat is transmitted to the working fluid by means of a heat transfer fluid which, in turn, receives heat from the solar field.
  • FIG. 3 shows a thermodynamic diagram hs (enthalpy-entropy) in which a line of steam expansion in its transit through the turbines in which the mechanical power is obtained is represented.
  • thermodynamic states of the working fluid in its transit along the cycle are also indicated in Figure 1. These states are indicated below, some of which are also represented in Figure 3:
  • the invention is based on the transfer of fluid between two tanks or reservoirs, in which the higher temperature serves as a reservoir of thermal energy, to the use of what happens in other thermofluidodynamic accumulation systems.
  • the transfer between both tanks is carried out by means of a condensable fluid, which crosses a series of elements that are consubstantial with a thermodynamic cycle of the "Rankine" type, which is the most commonly used in solar thermal power plants of electric power generation
  • FIG. 1 and 2 A preferred embodiment of the invention is illustrated in Figures 1 and 2, in which a power installation is used which evolves in a Rankine cycle as is known in the state of the art.
  • the fundamental elements of said installation are described below, with the idea of facilitating the understanding and the final scope of the invention.
  • the working fluid of the power cycle evolves by at least two heat exchangers, in which the energy exchange with the solar field is carried out.
  • One of these heat exchangers acts as a preheater (1) for the working fluid of the Rankine cycle, while the other heat exchanger is a steam generator (2).
  • the thermal exchange can take place either by directly receiving the working fluid, the solar radiation, as shown in Figure 1, or by interposition of a heat transfer fluid, which will be the one who receives the solar radiation to then transfer that energy by Convection to the working fluid, as shown in Figure 2.
  • the working fluid of the Rankine cycle initially evolves through the preheater (1), then through the hot boiler (3), since then it passes through the steam generator (2), to return from there to the hot boiler (3).
  • the heat transfer fluid that comes from the solar field enters the steam generator (2) under thermodynamic conditions "J”, exits the steam generator (2) and enters the preheater ( 1) in thermodynamic conditions "K", leaving after the preheater (1) in other conditions "L".
  • a fraction of the liquid phase of the working fluid accumulated in the hot boiler (3) passes to the steam phase by boiling.
  • a recirculation pump (1 1) so that said fraction of the liquid phase of the working fluid accumulated in the hot boiler (3) is pumped into the steam generator (2).
  • This recirculation pump (1 1) can be omitted if natural circulation is used, as is common in steam generators of conventional boilers.
  • the hot boiler (3) acts as a storage tank for thermal energy.
  • a first mode of operation called charging mode
  • liquid water and water vapor are stored, which are in thermodynamic equilibrium under saturation conditions and increase their pressure and temperature as the Loading process.
  • the discharge mode the steam inside the hot boiler (3) is discharged into the high body of the turbine (5) and the liquid water evaporates to replenish the liquid-vapor balance in the inside the hot boiler (3), whose pressure and temperature decrease progressively.
  • the hot boiler (3) also fulfills the function of separator of the liquid and steam phases, which are mixed inside the steam generator tubes (2) and coexist separately inside the hot boiler (3).
  • thermodynamic conditions "A" see Figure 3
  • the function of said rolling valve (12) is to reduce the vapor pressure, from the value inside the boiler (3), to a value of the turbine feed pressure (5) such that the power that This develops on its axis be constant.
  • the passage of the working fluid through the laminating valve (12) is an isenthalic process, so that the steam, at the outlet of the valve (12), is in thermodynamic conditions "B".
  • the turbine comprises at least one high pressure body (5) and a low pressure body (6).
  • the high pressure body (5) of the turbine mechanical work is obtained during the discharge of the storage, by expansion of the steam coming from the hot boiler (3).
  • the working fluid is in thermodynamic conditions "B" (as can be seen in Figure 3), and at the outlet of the high pressure body (5) of the turbine, the working fluid is in thermodynamic conditions "C".
  • the working fluid passes through a moisture separator (7), whose function is to dry the wet steam obtained in the last steps of the high pressure body (5) of the turbine.
  • the liquid phase obtained in the moisture separator (7) which is in thermodynamic conditions "F"
  • the steam obtained in the moisture separator (7) enters the low pressure body (6) of the turbine.
  • the fluid that has been turbinated during the discharge process is stored and in its interior the liquid and vapor phases of the working fluid also coexist.
  • the cold boiler (4) also acts as a degasser for the installation, so that it serves to extract non-condensable gases that may have been introduced into the working fluid circuit.
  • the condensed liquid that accumulates in the cold boiler (4) is conducted, by means of a feed pump (10), to the preheater (1) during storage loading.
  • the working fluid is preheated from the temperature it has when leaving the feed pump (10) to that which exists in the hot boiler (3).
  • the saturation pressure in each of the boilers (3 and 4) varies over time continuously as the temperature changes, both during loading and during unloading, which explains the designation of sliding pressure in the title of the invention.
  • the pressure decreases during the discharge and increases during loading, in both cases appreciably, while in the cold boiler (4) that variation is small, since the pressure remains the same as the pressure steam extraction from the low pressure body (6) of the turbine to the cold boiler (4).
  • Figure 3 shows a thermodynamic diagram hs (enthalpy-entropy) in which a steam expansion line has been represented in its transit through the two turbine bodies, from when it leaves the hot boiler (3) until it arrives to the condenser (8).
  • the expansion line represented by the union of the thermodynamic states corresponding to the different intermediate points that exist in the installation, is modified over time as the discharge process progresses.
  • the preferred assembly of the invention entails the use of a steam turbine cycle with two particularities. On the one hand, it is a cycle with a single intermediate steam extraction, which leads to the cold boiler (4). On the other hand, the hot boiler (3) and the cold boiler (4) (which, as already indicated, also acts as a degasser) are used as storage of the working fluid, Therefore, the dimensions of these deposits are determined by the thermal capacity with which the storage system is designed.
  • the process of accumulation of solar thermal energy consists of a mode or phase of energy charge, and another mode or phase of energy discharge.
  • Charging can take place in parallel with the "normal" use of a solar thermal power plant that operates with a conventional Rankine cycle, so that storage is being charged while the solar input is greater than the nominal required to keep the cycle running. in its design values.
  • a conventional boiler (not shown in Figures 1 and 2) of small size - and of less thermal inertia than storage - can be provided, in parallel with the hot boiler (3), fed by steam produced conventionally in the solar field.
  • the pressure of the steam supply to the turbine is kept constant, which has a design similar to that of a conventional turbine, particularly in relation to the arrangement of the usual regenerative pre-heaters in that type of plant.
  • the discharge can be combined with the normal operation of the conventional plant or it can be reserved for when there is no solar radiation.
  • the discharge increases the power obtained in normal use, providing an additional steam flow, which is added to that produced for the conventional cycle.
  • the discharge allows to extend the period of daily use of the plant.
  • the circuits of the conventional power plant in particular those that lead to the regenerative pre-heaters, can be closed, if appropriate.
  • the fluid path through the different parts of the storage device is identical in the two discharge modes and fulfills the same functions. For that reason, it is sufficient to describe the operation of the invention only once and it has been considered pertinent to carry out that description in the way in which the discharge is not simultaneous with the normal use of the conventional exchange, in which case the discharge and Charges take place as explained below.
  • the saturated steam from the hot boiler (3) flows by pressure difference, first to the high pressure body (5) of the turbine, then to the low pressure body (6) and, after condensing in the condenser (8), the condensate pump (9) Transfer to the cold boiler (4), where it accumulates until the charging process begins.
  • the steam is generated in the hot boiler (3) by the evaporation of the accumulated liquid during the loading phase.
  • the hot boiler (3) has the appropriate thermal insulation (not shown in figures 1 and 2), thanks to which the discharge is adiabatic.
  • the saturation pressure in the hot boiler (3) decreases as the steam flows to the turbine, due to the drop in temperature involved in the evaporation of liquid to restore the liquid-vapor balance in the hot boiler (3).
  • evaporation takes place by a mechanism of exchange between the sensible heat, which yields the liquid-vapor mixture in equilibrium, and the latent heat, which absorbs the mass of liquid that evaporates.
  • the hot boiler (3) contains a volume of liquid equal to the minimum preset for that tank, at a relatively low temperature, since it is the one that remained inside the hot boiler (3) at the end of the discharge process previous.
  • the feed pump (10) transfers liquid from the cold boiler
  • the load ends well when, once the hot boiler (3) is filled with the preset maximum volume of liquid, the temperature and the set pressure are reached; or when there is no more radiation left over for loading the storage system.
  • the loading and unloading are, therefore, opposite processes: in the discharge the hot boiler (3) is emptied of liquid that evaporates to supply the turbine with a certain saturated steam flow at decreasing pressure, while in the load the Hot boiler (3) is filled with saturated liquid, increasing the saturation pressure thanks to preheating in the preheater (1) and the production of saturated steam in the steam generator (2).
  • the main prescription of the invention is that the mass of liquid in the hot boiler (3) is such that the range of variation of the pressure (and temperature) inside it during the discharge does not exceed a preset value, so that during the entire discharge process the vapor pressure remains above the minimum threshold that ensures the operation of the turbine producing a constant power equal to the nominal discharge of the storage. In the absence of regulation systems, the power obtained in the turbine would be continuously decreasing during discharge. To avoid that the variation of the pressure in the hot boiler (3) entails a variation in the power produced, the turbine is equipped with its own regulation system that makes it compatible with the requirement of stability in the power required in the interconnected systems of electric power generation.
  • a regulation system can make the power obtained constant over time; The lower that constant power is, compared to the maximum achievable during the initial phase of the unregulated system discharge, the greater the total power production time.
  • the simplest regulation system consists of rolling the steam at the entrance to the high pressure body (5) of the turbine with the rolling valve (12), lowering its pressure to constant enthalpy. Under these conditions, the discharge is prolonged until the pressure in the hot boiler (3) - which continues to drop gradually - matches the design pressure at the turbine inlet, which remains substantially constant throughout the entire discharge. .
  • the invention presents as a difference the much larger mass of liquid that resides in the hot boiler (3).
  • the main advantage is the simplicity and the use of feasibility concepts demonstrated in conventional plants.
  • the absence of the inconveniences associated with other storage systems can also be mentioned.
  • the capacity of the system is greatly increased to equal volume of the tank and the pressure of the steam used, since the two-phase equilibrium gives the hot boiler (3) much thermal inertia (by the highest density of the liquid phase) and, therefore, much more operability than a simple steam tank.
  • the problems of salt freezing are avoided.
  • N-pentane is an interesting option as a working fluid, but it is possible to consider many other alternatives.

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Abstract

Procedimiento de acumulación de energía termosolar,que comprende una fase de carga de energía, en la que un fluido condensable recibe calor de origen termosolar y se acumula en un calderín caliente(3),que aumenta de presión y temperatura a medida que se llena de fluido en equilibrio líquido-vapor; y una fase de descarga de energía, en la que la presión y la temperatura disminuyen al enviarse el vapor del calderín caliente (3) a los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de una turbina, tras lo cual el fluido se acumula en un calderín frío (4). El dispositivo empleado para implementar el citado procedimiento tiene un sistema de control que actúa sobre una válvula (12) que permite mantener constante la potencia producida.

Description

PROCEDIMIENTO DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA EN UN
DISPOSITIVO CON FLUIDO CONDENSABLE
DESCRIPCIÓN
Sector de la técnica
El sector de la técnica al que pertenece la invención es el de las centrales termosolares de generación de electricidad por medio de un ciclo termodinámico que utiliza como fluido de trabajo uno de naturaleza condensable, con cambios de fase de líquido a vapor y de vapor a líquido. Más concretamente, la invención se encuadra en el campo de las centrales termosolares dotadas de un sistema de almacenamiento, cuyo objetivo es aumentar la disponibilidad técnica de la central durante un periodo de operación mayor que el que se tendría si el funcionamiento se limitase exclusivamente a las horas del día en las que existe irradiación solar.
La invención resulta especialmente adecuada en centrales termosolares con generación directa de vapor (GDV), en las que es usual el funcionamiento con vapor saturado, si bien también puede usarse en otros tipos de centrales, ya que es posible el funcionamiento en paralelo con muchos de los sistemas de producción de potencia ya conocidos en el Estado de la Técnica.
Problema técnico que se quiere resolver
La disponibilidad del recurso primario de una central eléctrica termosolar sin ningún sistema de almacenamiento está ligada a la presencia de la radiación procedente del sol, por lo que es de carácter cíclico y está, por tanto, desacoplada de las necesidades de consumo energético. Por otra parte, los sistemas de producción de potencia de las centrales eléctricas requieren un funcionamiento lo más estable posible, particularmente si están basados en turbinas, ya que estas máquinas tienen elevadas inercias termomecánicas y responden mal a los cambios de carga, por no mencionar las dificultades que entrañan los arranques y paradas demasiado frecuentes. En aquellos casos en los que una central termosolar dispone de un sistema de almacenamiento, éste permite adaptar la producción de energía térmica del campo solar, que varía con el ciclo solar diario y las inestabilidades meteorológicas, de manera que se satisfaga el requisito de operación estable del bloque de potencia. A la estabilidad de funcionamiento se añade una segunda característica, también de gran importancia, que es la posibilidad de prolongar el periodo de funcionamiento de la central más allá de aquél en el que el sol está presente. Se consigue así la posibilidad de gestionar la producción de potencia en función de su demanda. La gestionabilidad energética redunda en un aumento del rendimiento global de la central y de su disponibilidad, lo que, a su vez, conlleva una mejor viabilidad económica, reduce la necesidad de mantenimiento, aumenta la expectativa de vida útil y, por ende, dota a la central de un argumento competitivo frente a otros sistemas de producción de energía de naturaleza renovable como las eólicas o las fotovoltaicas, que carecen de esa posibilidad.
La elección del tipo de almacenamiento depende de aspectos vinculados a cada una de las tecnologías solares disponibles, a través del tipo de fluido caloportador utilizado y del nivel térmico que se pueda alcanzar. Uno de los factores más importantes es la capacidad térmica del sistema, entendida como la cantidad de energía que es capaz de asimilar durante la carga y de proporcionar durante la descarga.
El sistema de almacenamiento ha de cumplir con una serie de requisitos generales tales como:
• Alta densidad energética del medio de almacenamiento.
• Buena tasa de transferencia térmica entre el fluido calorífero del campo solar y el medio de almacenamiento (si son distintos).
• Rango de temperaturas acorde con la aplicación.
• Estabilidad mecánica y química del medio de almacenamiento.
• Reversibilidad completa para un gran número de ciclos de carga/descarga del proceso.
• Bajas pérdidas térmicas.
• Facilidad de regulación y control.
De entre los distintos sistemas posibles, tal vez el más comúnmente empleado en la fecha de redacción de esta solicitud de patente sea el que emplea sales fundidas como fluido de almacenamiento, ya que éstas satisfacen en buena medida los requisitos expuestos anteriormente. Las sales se pueden emplear en campos solares tanto de elevada como de media concentración, de lo que dependerá el nivel térmico que se alcance. Sin embargo, presentan dos inconvenientes señalados, uno de carácter técnico y otro económico: el primero es su elevado punto de congelación, lo que requiere mantener siempre la temperatura por encima de ese punto; el segundo es su alto precio, lo que puede encarecer el coste de la central, dado el elevado volumen de fluido que es necesario si se quiere que la capacidad del almacenamiento no sea demasiado pequeña. Se plantea, por tanto, la conveniencia de encontrar un fluido de almacenamiento alternativo sin esos inconvenientes. De entre todos los posibles, el primero que resulta obvio considerar es el agua, que es abundante y barata, posee un elevado calor específico en su fase líquida y tiene un punto de congelación notablemente menos problemático que el de las sales fundidas. La presente invención saca provecho, además, de la naturaleza condensable del vapor de agua, utilizando el intercambio térmico que se produce en los fluidos condensables entre el calor latente y el calor sensible.
El agua presenta, no obstante, dos inconvenientes para ser usada en sistemas de almacenamiento térmico: por una parte, su temperatura de saturación es baja a presiones cercanas a la atmosférica (100 °C a 1 bar); por otra parte, a temperaturas aún relativamente bajas su presión de vapor es elevada (la temperatura y presión críticas son 374 °C y 221 bar). En la presente invención se soslayan esos inconvenientes prescribiendo una variación continua de la presión dentro de una ventana de diseño con valores adecuados para la producción de potencia mecánica en ciclos de Rankine con turbinas de vapor.
Si bien el agua es la principal alternativa contemplada, la invención no es limitativa en ese sentido y puede aplicarse también con otros fluidos condensables, con el mismo principio de funcionamiento.
La invención postula la viabilidad de un sistema de almacenamiento para centrales termosolares que emplee un fluido condensable como caloportador. Por viabilidad se entiende que durante la descarga sea capaz producir la potencia nominal a lo largo de un periodo de tiempo prolongado, con un diseño sencillo y un coste aceptable. Antecedentes de la invención
Existe una amplia variedad de sistemas de almacenamiento térmico. La mayor parte de ellos utilizan un fluido del que se aprovecha su calor sensible, que aumenta durante la carga y disminuye durante la descarga a base de aumentar y disminuir, respectivamente, la temperatura del fluido durante esos procesos.
Mucho menos frecuentes son los sistemas que se valen, no del calor sensible, sino del calor latente de cambio de fase, bien sea de fusión-congelación (en el paso de sólido a líquido y viceversa) o de evaporación-condensación (en el paso de líquido a vapor y viceversa).
La solicitud de patente europea EP 2 096 305 A1 "Installation de génération d'énergie électrique á partir d'énergie solaire" constituye un ejemplo de sistema de almacenamiento que se vale del calor de cambio de fase -en este caso de fusión-, ya que la energía térmica recolectada en un campo solar se almacena en forma de calor latente mediante la fusión de un material orgánico o mineral contenido en una pluralidad de cápsulas estancas, en las que la temperatura se mantiene entre 100 °C y 130 °C. El fluido caloportador, que intercambia calor, por una parte con el campo solar, por otra parte con el fluido del almacenamiento y, por último con el fluido de trabajo del ciclo termodinámico en el generador de vapor para la turbina, es agua con una temperatura máxima de 150 °C, a una presión máxima de 6 bar. El fluido caloportador y el fluido de trabajo del ciclo termodinámico son diferentes y el intercambio de calor entre ellos se produce por la interposición entre los dos de una superficie de transmisión; el rango de temperaturas del ciclo termodinámico queda limitado por el del fluido caloportador, lo que conlleva la necesidad de que el fluido de trabajo del ciclo termodinámico sea un fluido orgánico como el butano o el propano.
La solicitud de patente francesa FR 2 454 599 A "Procédé d'amélioration de l'échange de chaleur dans un accumulateur de chaleur latente et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé" también usa el principio de acumulación por calor latente de fusión. En esa invención se propone el uso de un agente de dispersión (aceite de parafina), puesto en contacto con la materia que acumula calor latente de fusión pero inmiscible con ella, de manera que esta última se transforma en un lecho fluido que mejora la transmisión de calor con el fluido caloportador, gracias al aumento del coeficiente de transferencia térmica de las superficies de intercambio y a que la totalidad de las partículas de las que consta la materia acumuladora entra en contacto con las citadas superficies. Al igual que en el caso anterior, la materia que acumula el calor es distinta de la que se emplea en los circuitos caloportadores (agua y una mezcla de agua y glicol). La invención citada no especifica la finalidad de la energía térmica acumulada, si bien se mencionan como aplicaciones posibles la calefacción y el agua caliente sanitaria. No se contempla la posibilidad de realizar ningún ciclo termodinámico, lo que sería difícil a la vista de las características reivindicadas.
La solicitud de patente estadounidense US 2002/0153004 A1 "Solar heat harnessing system" utiliza también el principio de aprovechamiento de calor latente pero, en este caso, de evaporación-condensación. El fluido acumulador de calor propuesto es agua que entra en forma de gotas finamente atomizadas (para facilitar su evaporación) al interior de una cavidad existente en un captador de energía solar, en cuyo interior las gotas se evaporan a presión cercana a la presión atmosférica. El vapor así obtenido es aspirado por una bomba de vacío y cede calor por condensación a otro circuito en el que se obtiene agua caliente o vapor. El acumulador propiamente dicho es un depósito que contiene vapor a presión atmosférica, lo que limita seriamente la cantidad de energía que se puede almacenar con ese dispositivo.
La presión y la temperatura del acumulador de calor en todos los dispositivos antecedentes mencionados se mantienen constantes en los valores correspondientes al cambio de fase, a diferencia de lo que sucede en la presente invención, en la que la presión y la temperatura del acumulador varían de manera continua tanto en la carga como en la descarga. Las patentes citadas plantean exclusivamente el aprovechamiento del calor latente del cambio de fase, mientras que el principio de la presente invención es el de la interconversión entre el calor latente y el sensible, en ambos sentidos, durante la carga y la descarga del sistema. Además, la presente invención no necesita el uso de materias diferentes en el contenido del acumulador y de los circuitos caloportadores, ya que se plantea el uso de un único fluido que hace simultáneamente las veces de fluido acumulador y de fluido de trabajo del ciclo termodinámico.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que comprende los siguientes procesos: - Transmisión de calor al fluido condensable, que recibe ese calor procedente bien directamente de un campo solar o bien procedente de otro fluido que ha evolucionado en un campo solar. Dicha transmisión de calor se realiza en, al menos, dos intercambiadores de calor: un precalentador (por el que circula líquido subenfriado que se calienta hasta una temperatura cercana a la de saturación) y un generador de vapor (en el que tiene lugar la ebullición del líquido saturado). A la salida del precalentador el líquido se conduce a un calderín caliente, de cuyo interior se extrae una fracción que se conduce al generador de vapor, donde una parte del líquido se convierte en vapor saturado, retornando a continuación al calderín caliente la mezcla así obtenida de las fases líquida y vapor.
- Suministro de vapor saturado a una turbina de vapor. Dicha turbina de vapor comprende, al menos, un cuerpo de alta presión y un cuerpo de baja presión, expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión y baja presión.
- Recolección del fluido condensable que evoluciona en los cuerpos de alta presión y baja presión de la turbina en un calderín frío, que hace también las veces de desgasificador. La fase líquida del fluido condensable se transporta desde el calderín frío primero al precalentador, luego al calderín caliente y, de ahí al generador de vapor, para acabar de nuevo en el calderín caliente.
El procedimiento, además, comprende la existencia de:
- Una fase de almacenamiento o carga de energía, en la que el calderín caliente se va llenando de fluido condensable, que aumenta de presión y temperatura debido al intercambio de calor en el precalentador y el generador de vapor. En el interior del calderín caliente coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor, ambas en condiciones de saturación. La energía se almacena en el calderín caliente en forma de calor sensible y calor latente del fluido condensable.
- Una fase de descarga de la energía, en la que el calderín caliente se vacía progresivamente de fluido condensable. El vaciado tiene lugar por medio de la evaporación de la fase líquida, que se transforma en vapor saturado que abandona el calderín caliente por diferencia de presiones, para alimentar al cuerpo de alta de la turbina. La presión y la temperatura del fluido en el interior del calderín caliente van disminuyendo progresivamente durante la fase de descarga.
En el procedimiento, el suministro con vapor saturado al cuerpo de alta presión de la turbina se realiza desde el calderín caliente a través de una válvula que reduce la presión por laminado, de manera que dicho suministro de vapor a la entrada de la turbina tiene lugar a una presión constante que coincide con la mínima que habrá en el calderín caliente al final de la descarga. La constancia de la presión de entrada a la turbina permite mantener constante la potencia obtenida durante la descarga.
Además, el almacenamiento del calor en el calderín caliente se realiza de forma adiabática.
El sistema de almacenamiento objeto de la invención funciona en paralelo con una central solar convencional de producción de potencia equipada con una turbina de vapor común a ambos dispositivos. La carga del almacenamiento tiene lugar simultáneamente con el funcionamiento normal de la central solar convencional, de tal modo que el almacenamiento se va cargando mientras el aporte solar es mayor que el nominal necesario para la producción del vapor que consume la turbina durante su funcionamiento normal en presencia de radiación solar. La descarga puede funcionar con arreglo a dos modos diferentes:
- En un primer modo de funcionamiento, la descarga se simultanea con el uso normal de la central, suministrando un caudal de vapor adicional que suplementa al producido en la central convencional. Se incrementa así la potencia por encima del valor correspondiente al funcionamiento normal de la central solar sin almacenamiento. Si, en un momento dado, la radiación solar existente solamente alcanza para que la central convencional funcione a carga parcial, el suplemento de potencia obtenido con la descarga permite acercar el funcionamiento al de las condiciones nominales, lo que acerca el cumplimiento del requisito de operación estable del bloque de potencia. Si la radiación solar presente supera a la necesaria para el funcionamiento a plena carga de la central convencional, la descarga en esas condiciones permite alcanzar una potencia superior a la nominal, si bien ese caso ha de considerarse como excepcional.
- En un segundo modo de funcionamiento, la utilización de la descarga se reserva para los momentos de ausencia de radiación solar, obteniéndose así una prolongación del periodo de utilización diario de la central. Durante esa prolongación se suministra solamente la potencia nominal correspondiente al sistema de almacenamiento.
Normalmente, los ciclos de carga y descarga de energía se suceden uno a otro en el tiempo, pudiendo comenzar la descarga una vez que ha terminado la carga inmediatamente anterior. No obstante, la carga y la descarga también pueden tener lugar simultáneamente, siempre que exista radiación solar. Las alternativas de funcionamiento simultáneo o alterno de la carga y la descarga son compatibles en la invención y la utilización de una u otra no altera el procedimiento descrito ni el dispositivo empleado para llevarlo a cabo.
La presión y la temperatura a la que coexisten el líquido y el vapor en el calderín caliente varían de forma continua a lo largo del tiempo, aumentando durante la carga del almacenamiento y disminuyendo durante la descarga, razón por la que se emplea el término "presión deslizante" en el título de la invención. El rango de variación de la presión en el interior del calderín caliente se prescribe del siguiente modo: por una parte, la presión mínima (la que reina cuando finaliza la descarga y comienza la carga) es tal que, con ese valor de la presión del vapor en la admisión de la turbina, ésta desarrolla la potencia nominal con la que se diseña el almacenamiento; por otra parte, la presión máxima es la presión de saturación a la mayor de las temperaturas a las que se produce el vapor en el generador de vapor, que será la temperatura nominal al terminar el proceso de carga. La presión máxima debe ser menor que la presión crítica del fluido de trabajo, de manera que al inicio de la descarga se tenga vapor saturado a la entrada de la turbina.
El tiempo que dura un proceso de descarga, para un rango de presiones dado, depende de la masa de fluido de trabajo almacenada en el calderín caliente al finalizar el proceso de carga. Esa masa se prescribe como un valor de diseño de la instalación, escogido arbitrariamente, del que, a su vez depende el volumen del calderín caliente.
La invención también se refiere a un dispositivo de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que se emplea en el procedimiento descrito previamente. Dicho dispositivo se ajusta a un ciclo termodinámico de tipo "Rankine", en el que una turbina de vapor genera en su eje trabajo mecánico. El dispositivo comprende:
- Al menos dos intercambiadores de calor, en los que el fluido condensable recibe calor, bien desde un campo solar por radiación directa, o bien por convección desde otro fluido caloportador que ha evolucionado previamente en un campo solar, realizando dicho intercambio de calor en un precalentador y un generador de vapor. De esta manera, a la salida del precalentador, el fluido condensable en fase líquida se almacena en un calderín caliente, de cuyo interior se extrae una fracción de dicho fluido condensable que se conduce al generador de vapor, donde se evapora parcialmente, tras lo cual la mezcla líquido-vapor así obtenida se conduce de nuevo al calderín caliente. - Una turbina de vapor que comprende, al menos, un cuerpo de alta presión y un cuerpo de baja presión, expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión y baja presión.
- Un condensador, dispuesto a la salida del cuerpo de baja presión de la turbina.
- Un calderín frío, en el que se recoge el fluido que evoluciona en los cuerpos de alta presión y baja presión de la turbina.
El dispositivo es tal que en el calderín caliente coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor del fluido de trabajo a una presión comprendida dentro de un intervalo cuyos límites se prescriben de manera que, por una parte, el valor máximo es menor que la presión crítica y, por otra parte, el valor mínimo es tal que con él se obtiene la potencia nominal de la instalación de almacenamiento.
El volumen del calderín caliente es tal que en su interior se acumulan la masa de fluido condensable existente al final de la descarga sumada a la totalidad de la masa de fluido de trabajo necesaria para mantener a la turbina funcionando en su condición nominal durante todo el tiempo prescrito para la descarga.
Mediante este dispositivo, la potencia que se obtiene en el eje de la turbina es constante a lo largo del tiempo. Esto se consigue gracias a un sistema de control que actúa por medio de una válvula de laminación sobre la presión de entrada al cuerpo de alta presión de la turbina.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un esquema del dispositivo descrito en la invención, en el que se aprecian los diferentes componentes necesarios para su funcionamiento, con generación directa de vapor en el campo solar. La figura 2 muestra una variante del dispositivo descrito en la invención, en la que el calor se transmite al fluido de trabajo por mediación de un fluido caloportador que, a su vez, recibe calor del campo solar.
La figura 3 muestra un diagrama termodinámico h-s (entalpia-entropía) en el que se ha representado una línea de expansión del vapor en su tránsito a través de las turbinas en las que se obtiene la potencia mecánica. Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos que la integran:
1 Precalentador del fluido de trabajo empleado durante la carga del almacenamiento.
2 Generador de vapor del fluido de trabajo, empleado durante la carga del almacenamiento.
3 Calderín caliente.
4 Calderín frío, que también sirve como desgasificador.
5 Cuerpo de alta presión de la turbina.
6 Cuerpo de baja presión de la turbina.
7 Separador de humedad.
8 Condensador del fluido de trabajo que abandona la turbina.
9 Bomba de condensado.
10 Bomba de alimentación del fluido de trabajo durante la carga del almacenamiento.
1 1 Bomba de recirculación del fluido de trabajo por el generador de vapor.
12 Válvula de laminación del fluido de trabajo que entra en el cuerpo de alta presión de la turbina.
13 Válvula de laminación del fluido extraído entre los dos cuerpos de la turbina. 14 Campo de colectores para recepción de la radiación solar en la variante con fluido caloportador en el campo solar.
En la figura 1 se señalan también los diferentes estados termodinámicos del fluido de trabajo en su tránsito a lo largo del ciclo. Se indican a continuación estos estados, algunos de los cuales también aparecen representados en la figura 3:
A Salida del vapor del calderín caliente.
B Entrada del vapor al cuerpo de alta presión de la turbina.
C Salida del vapor del cuerpo de alta presión de la turbina y entrada al separador de humedad.
D Salida del vapor del separador de humedad y entrada al cuerpo de baja presión de la turbina.
E Salida del vapor del cuerpo de baja presión de la turbina y entrada al condensador.
F Salida del líquido acumulado en el separador de humedad.
G Extracción de vapor en cuerpo de baja presión de la turbina. Además del fluido de trabajo que atraviesa la turbina, existen otros fluidos relevantes, como el fluido de refrigeración del condensador y -en la variante en la que no se recurre a la generación directa de vapor en el campo solar- el fluido caloportador que transfiere energía desde el campo solar a los intercambiadores de calor del almacenamiento, cuyos estados termodinámicos están señalados en la figura 2 mediante los puntos:
H Entrada del fluido refrigerante al condensador.
I Salida del fluido refrigerante del condensador.
J Salida del fluido caloportador del campo solar y entrada al generador de vapor. K Salida del fluido caloportador del generador de vapor y entrada al precalentador.
L Salida del fluido caloportador del precalentador y vuelta hacia el campo solar.
Por último, la radiación solar se indica en las figuras 1 y 2 mediante los símbolos:
R Radiación solar incidente en el precalentador en la variante con generación directa de vapor.
R2 Radiación solar incidente en el generador de vapor en la variante con generación directa de vapor.
R Radiación solar incidente en el campo solar en la variante con fluido caloportador en el campo solar.
Descripción detallada de una forma de realización de la invención
La invención se basa en el trasvase de fluido entre dos tanques o depósitos, en los que el de mayor temperatura hace las veces de reservorio de energía térmica, al uso de lo que sucede en otros sistemas de acumulación termofluidodinámicos. El trasvase entre ambos tanques se realiza por medio de un fluido condensable, que atraviesa en su recorrido una serie de elementos que son consustanciales con la realización de un ciclo termodinámico de tipo "Rankine", que es el más comúnmente empleado en las centrales termosolares de generación de energía eléctrica.
Una forma preferente de realización de la invención se ilustra en las figuras 1 y 2, en las que se emplea una instalación de potencia que evoluciona en un ciclo Rankine según se conoce en el estado de la técnica. A continuación se describen los elementos fundamentales de dicha instalación, con idea de facilitar la comprensión y el alcance final de la invención. El fluido de trabajo del ciclo de potencia evoluciona por, al menos, dos intercambiadores de calor, en los que se realiza el intercambio energético con el campo solar. Uno de estos intercambiadores de calor hace de precalentador (1) del fluido de trabajo del ciclo Rankine, mientras que el otro intercambiador de calor es un generador de vapor (2). El intercambio térmico puede tener lugar bien recibiendo directamente el fluido de trabajo la radiación solar, como está representado en la figura 1 , o bien por interposición de un fluido caloportador, que será quien reciba la radiación solar para, a continuación, ceder esa energía por convección al fluido de trabajo, como está representado en la figura 2. Como se aprecia en las figuras 1 y 2, el fluido de trabajo del ciclo Rankine evoluciona inicialmente por el precalentador (1), después por el calderín caliente (3), y a continuación pasa a través del generador de vapor (2), para volver de ahí al calderín caliente (3). Por otro lado, en la variante representada en la figura 2, el fluido caloportador que procede del campo solar entra al generador de vapor (2) en unas condiciones termodinámicas "J", sale del generador de vapor (2) y entra al precalentador (1) en unas condiciones termodinámicas "K", saliendo después del precalentador (1) en otras condiciones "L". En el generador de vapor (2), una fracción de la fase líquida del fluido de trabajo acumulado en el calderín caliente (3), pasa a fase vapor por ebullición. En algunas configuraciones, existe una bomba de recirculación (1 1), de manera que dicha fracción de la fase líquida del fluido de trabajo acumulado en el calderín caliente (3) se bombea hacia el generador de vapor (2). Esta bomba de recirculación (1 1) puede omitirse en caso de emplear circulación natural, como es frecuente en los generadores de vapor de las calderas convencionales.
El calderín caliente (3) hace las veces de depósito acumulador de energía térmica. En un primer modo de funcionamiento, llamado modo de carga, en el calderín caliente (3) se almacenan agua líquida y vapor de agua, que se encuentran en equilibrio termodinámico en condiciones de saturación y van aumentando su presión y temperatura a medida que avanza el proceso de carga. En un segundo modo de funcionamiento, llamado modo de descarga, el vapor del interior del calderín caliente (3) se descarga en el cuerpo de alta de la turbina (5) y el agua líquida se evapora para reponer el equilibrio líquido-vapor en el interior del calderín caliente (3), cuya presión y temperatura disminuyen progresivamente. El calderín caliente (3) también cumple la función de separador de las fases líquida y vapor, que están mezcladas en el interior de los tubos del generador de vapor (2) y coexisten separadas en el interior del calderín caliente (3). El vapor acumulado en el calderín caliente (3) sale de éste en unas condiciones termodinámicas "A" (véase la figura 3) para alimentar al cuerpo de alta presión de la turbina (5), pasando previamente a través de una válvula de laminación (12). La función de dicha válvula de laminación (12) es reducir la presión del vapor, desde el valor que tiene en el interior del calderín (3), hasta un valor de la presión de alimentación a la turbina (5) tal que la potencia que esta desarrolla en su eje sea constante. El paso del fluido de trabajo por la válvula de laminación (12) es un proceso isentálpico, de manera que el vapor, a la salida de la válvula (12), está en unas condiciones termodinámicas "B".
La turbina comprende, al menos, un cuerpo de alta presión (5) y un cuerpo de baja presión (6). En el cuerpo de alta presión (5) de la turbina se obtiene trabajo mecánico durante la descarga del almacenamiento, por expansión del vapor procedente del calderín caliente (3). A la entrada del cuerpo de alta presión (5) de la turbina, el fluido de trabajo se encuentra en unas condiciones termodinámicas "B" (como puede verse en la figura 3), y a la salida del cuerpo de alta presión (5) de la turbina, el fluido de trabajo se encuentra en unas condiciones termodinámicas "C".
A la salida del cuerpo de alta presión (5) de la turbina, el fluido de trabajo pasa por un separador de humedad (7), cuya función es secar el vapor húmedo obtenido en los últimos escalonamientos del cuerpo de alta presión (5) de la turbina. La fase líquida obtenida en el separador de humedad (7), que se encuentra en unas condiciones termodinámicas "F", pasa por una válvula de laminación (13) que reduce la presión del líquido extraído; dicho líquido se conduce al calderín frío (4). Por otro lado, el vapor obtenido en el separador de humedad (7) entra al cuerpo de baja presión (6) de la turbina.
En el cuerpo de baja presión (6) de la turbina, el vapor prosigue la expansión tras el secado obtenido en el separador de humedad (7). En un punto intermedio de la expansión en el cuerpo de baja presión (6) de la turbina se procede a efectuar una extracción de vapor que, en condiciones termodinámicas "G", se conduce al calderín frío (4). El resto del vapor evoluciona en el cuerpo de baja presión (6) de la turbina, hasta que la abandona en unas condiciones termodinámicas Έ", previas a su paso por el condensador (8). Un fluido refrigerante del condensador, que pasa de condiciones termodinámicas "H" a Ί", enfría el fluido de trabajo que pasa por el condensador (8). El fluido de trabajo del ciclo Rankine, una vez condensado, se bombea mediante una bomba de condensado (9), que lo conduce hacia el calderín frío (4). En el calderín frío (4) se almacena el fluido que se ha turbinado durante el proceso de descarga y en su interior coexisten también las fases líquida y vapor del fluido de trabajo. El calderín frío (4) hace también las veces de desgasificador de la instalación, de manera que sirve para la extracción de los gases no condensables que se hayan podido introducir en el circuito del fluido de trabajo. El líquido condensado que se acumula en el calderín frío (4) se conduce, mediante una bomba de alimentación (10), al precalentador (1) durante la carga del almacenamiento. Así, el fluido de trabajo se precalienta desde la temperatura que tiene al salir de la bomba de alimentación (10) hasta la que existe en el calderín caliente (3).
Una característica común que se da tanto en el calderín caliente (3) como en el calderín frío (4), es que en ambos calderines existe un equilibrio líquido/vapor en el que ambas fases están saturadas, por lo cual la presión y la temperatura en su interior, en un instante dado, son las de saturación. La presión de saturación en cada uno de los calderines (3 y 4) varía con el tiempo de manera continua al modificarse la temperatura, tanto durante la carga como durante la descarga, lo que explica la designación de presión deslizante que figura en el título de la invención. En el calderín caliente (3) la presión disminuye durante la descarga y aumenta durante la carga, en ambos casos de manera apreciable, mientras que en el calderín frío (4) esa variación es pequeña, ya que la presión permanece igual a la de la extracción de vapor desde el cuerpo de baja presión (6) de la turbina hacia el calderín frío (4).
La figura 3 muestra un diagrama termodinámico h-s (entalpia-entropía) en el que se ha representado una línea de expansión del vapor en su tránsito a través de los dos cuerpos de la turbina, desde que sale del calderín caliente (3) hasta que llega al condensador (8). La línea de expansión, representada por la unión de los estados termodinámicos correspondientes a los distintos puntos intermedios que existen en la instalación, se va modificando con el paso del tiempo a medida que avanza el proceso de descarga.
El montaje preferente de la invención conlleva la utilización de un ciclo de turbina de vapor con dos particularidades. Por un lado, se trata de un ciclo con una única extracción intermedia de vapor, que se conduce al calderín frío (4). Por otro lado, el calderín caliente (3) y el calderín frío (4) (que, como ya se ha indicado, también hace las veces de desgasificador) se utilizan como almacenamiento del fluido de trabajo, por lo que las dimensiones de esos depósitos quedan determinadas por la capacidad térmica con la que se diseña el sistema de almacenamiento.
Como ya se ha dicho, y se explica de forma detallada más adelante, el procedimiento de acumulación de energía termosolar consta de un modo o fase de carga de energía, y otro modo o fase de descarga de energía. La carga puede tener lugar en paralelo con el uso "normal" de una central termosolar que funciona con un ciclo de Rankine convencional, de tal modo que el almacenamiento se va cargando mientras el aporte solar es mayor que el nominal necesario para mantener funcionando dicho ciclo en sus valores de diseño. Para ello, se puede disponer, en paralelo con el calderín caliente (3), de un calderín convencional (no representado en las figuras 1 y 2) de pequeño tamaño -y de menor inercia térmica que el del almacenamiento-, alimentado por vapor producido por vía convencional en el campo solar. En ese calderín "convencional" se mantiene constante la presión del vapor de alimentación a la turbina, que tiene un diseño análogo al de una turbina convencional, particularmente en lo relativo a la disposición de los precalentadores regenerativos usuales en ese tipo de centrales.
La descarga se puede simultanear con el funcionamiento normal de la central convencional o bien puede reservarse para cuando no exista radiación solar.
En el primer caso, la descarga incrementa la potencia obtenida en el uso normal, suministrando un caudal de vapor adicional, que se suma al producido para el ciclo convencional. En el segundo caso, la descarga permite prolongar el periodo de utilización diario de la central. Durante la descarga en el modo de ausencia de radiación solar se pueden cerrar, si se estima conveniente, los circuitos propios de la central convencional, en particular los que conducen a los precalentadores regenerativos, en caso de que existan.
El recorrido del fluido por las diferentes partes del dispositivo de almacenamiento es idéntico en los dos modos de descarga y cumple las mismas funciones. Por esa razón, es suficiente con describir el funcionamiento de la invención una única vez y se ha considerado pertinente efectuar esa descripción en el modo en que la descarga no es simultánea con el uso normal de la central convencional, en cuyo caso la descarga y la carga tienen lugar de la manera explicada a continuación. Durante la descarga, el vapor saturado del calderín caliente (3) fluye por diferencia de presiones, primero hacia el cuerpo de alta presión (5) de la turbina, después hacia el cuerpo de baja presión (6) y, tras condensar en el condensador (8), la bomba de condensado (9) lo traslada al calderín frío (4), donde se va acumulando hasta que comience el proceso de carga. El vapor se genera en el calderín caliente (3) por la evaporación del líquido acumulado durante la fase de carga. El calderín caliente (3) dispone del aislamiento térmico adecuado (no representado en las figuras 1 y 2), gracias al cual la descarga es adiabática. La presión de saturación en el calderín caliente (3) disminuye a medida que el vapor fluye hacia la turbina, debido a la bajada de temperatura que conlleva la evaporación de líquido para restaurar el equilibrio líquido-vapor en el calderín caliente (3). En efecto, la evaporación tiene lugar por un mecanismo de intercambio entre el calor sensible, que cede la mezcla líquido-vapor en equilibrio, y el calor latente, que absorbe la masa de líquido que se evapora.
Al principio de la carga, el calderín caliente (3) contiene un volumen de líquido igual al mínimo prefijado para ese tanque, a una temperatura relativamente baja, ya que es la que quedó dentro del calderín caliente (3) al terminar el proceso de descarga anterior. Durante la carga, la bomba de alimentación (10) trasvasa líquido desde el calderín frío
(4) hacia el calderín caliente (3), haciendo pasar dicho líquido primero por el precalentador (1), en el que se precalienta, bien recibiendo calor directamente desde el campo solar (figura 1), o bien cambiando calor con el fluido calorífero del campo solar (figura 2). La masa total de líquido trasladado desde el calderín frío (4) al calderín caliente (3) es igual a la masa de vapor que pasa a través del cuerpo de alta presión
(5) de la turbina durante la descarga. También forma parte del proceso de carga el intercambio en el generador de vapor (2), que tiene lugar en paralelo con el trasvase de líquido, antes descrito, desde el calderín frío (4) hacia el calderín caliente (3). En el generador de vapor (2), una fracción del líquido saturado extraído del calderín caliente (3) pasa a vapor saturado antes de retornar a dicho calderín caliente (3). La presión en el calderín caliente (3) va creciendo a medida que van subiendo la masa almacenada y la temperatura en su interior; esta última crece, por una parte, gracias al precalentam iento en el precalentador (1) y, por otra parte, por la producción de vapor saturado en el generador de vapor (2), que puede condensar dentro del calderín caliente (3) para mantener el equilibrio, liberando entonces calor latente de condensación que, en ese caso, hace aumentar el calor sensible de la mezcla líquido- vapor. La carga termina bien cuando, una vez lleno el calderín caliente (3) con el volumen máximo prefijado de líquido, se alcanzan la temperatura y la presión de consigna; o bien cuando no hay más radiación sobrante para la carga del sistema de almacenamiento. La carga y la descarga son, por tanto, procesos opuestos: en la descarga se vacía el calderín caliente (3) de líquido que se evapora para suministrar a la turbina un cierto caudal de vapor saturado a presión decreciente, mientras que en la carga el calderín caliente (3) se llena de líquido saturado, aumentando la presión de saturación gracias al precalentamiento en el precalentador (1 ) y a la producción de vapor saturado en el generador de vapor (2).
La prescripción principal de la invención es que la masa de líquido del calderín caliente (3) sea tal que el intervalo de variación de la presión (y temperatura) en su interior durante la descarga no sobrepase un valor prefijado, de manera que durante todo el proceso de descarga la presión del vapor permanezca por encima del umbral mínimo que asegura el funcionamiento de la turbina produciendo una potencia constante igual a la nominal de descarga del almacenamiento. En ausencia de sistemas de regulación, la potencia obtenida en la turbina sería continuamente decreciente durante la descarga. Para evitar que la variación de la presión en el calderín caliente (3) conlleve una variación en la potencia producida, la turbina está dotada de un sistema de regulación propio que la hace compatible con el requisito de estabilidad en la potencia necesario en los sistemas interconectados de generación de energía eléctrica.
Un sistema de regulación puede hacer que la potencia obtenida sea constante en el tiempo; cuanto menor sea esa potencia constante, en comparación con la máxima alcanzable durante la fase inicial de la descarga del sistema sin regular, mayor será el tiempo total de producción de potencia. El sistema de regulación más sencillo consiste en laminar el vapor a la entrada en el cuerpo de alta presión (5) de la turbina con la válvula de laminación (12), bajando su presión a entalpia constante. En esas condiciones, la descarga se prolonga hasta que la presión en el calderín caliente (3) - que sigue bajando de manera gradual- se iguale con la presión de diseño a la entrada de la turbina, que se mantiene sensiblemente constante durante toda la descarga.
Frente a una central solar convencional con ciclo de Rankine, la invención presenta como diferencia la masa mucho mayor de líquido que reside en el calderín caliente (3). Pero, en lo que a los aspectos constructivos se refiere, no aparece ninguna complicación -aparte del tamaño que requiere el calderín caliente (3)-, por lo que se puede decir que la principal ventaja es la sencillez y la utilización de conceptos de viabilidad demostrada en centrales convencionales. Puede mencionarse también la ausencia de los inconvenientes asociados a otros sistemas de almacenamiento. En comparación con los sistemas que emplean depósitos de vapor a presión, se aumenta considerablemente la capacidad del sistema a igualdad de volumen del tanque y de presión del vapor empleado, ya que el equilibrio bifásico confiere al calderín caliente (3) mucha inercia térmica (por la mayor densidad de la fase líquida) y, por tanto, mucha más operatividad que un simple tanque de vapor. En comparación con los sistemas que emplean tanques de sales fundidas, que es el dispositivo más comúnmente empleado, se evitan los problemas de congelación de las sales.
El hecho de alimentar la turbina con vapor saturado conlleva la posibilidad de encontrar problemas de humedad en la zona de baja presión de la línea de expansión. De ahí que sea necesario escoger cuidadosamente las condiciones termodinámicas del vapor a la entrada de la turbina. Además, estos problemas se pueden atenuar utilizando deshumidificadores internos con purgas de agua, al estilo de los que existen en algunas turbinas para centrales nucleares (con ranuras en el dorso de los álabes de baja para canalizar la fracción condensada hacia las purgas). También se puede recurrir al separador de humedad (7) interpuesto entre el cuerpo de alta presión (5) de la turbina y el cuerpo de baja presión (6) de la turbina, como se aprecia en las figuras 1 y 2. La fracción líquida obtenida en el separador se conduce hacia el calderín frío (4) tras laminarla en la válvula (13) para reincorporarla al ciclo.
También se puede estudiar la posibilidad de usar un fluido condensable orgánico, con una forma de su curva de saturación tal que a la salida de la turbina no haya vapor húmedo. El n-pentano es una opción interesante como fluido de trabajo, pero es posible considerar muchas otras alternativas.
La presente invención no debe considerarse limitada por la forma de realización particular aquí descrita. Los expertos en la materia pueden ser capaces de obtener otras configuraciones a la vista de la presente descripción. Por tanto, el ámbito de protección de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que comprende los siguientes procesos:
- transmisión de calor al fluido condensable, que recibe ese calor procedente bien directamente de un campo solar o bien procedente de otro fluido que ha evolucionado en un campo solar, realizándose dicha transmisión de calor en, al menos, dos intercambiadores de calor: un precalentador (1), por el que circula líquido subenfriado que se calienta hasta una temperatura cercana a la de saturación, y un generador de vapor (2), en el que tiene lugar una ebullición del líquido saturado;
- transporte del líquido a la salida del precalentador (1) hacia un calderín caliente (3), de cuyo interior se extrae una fracción que se conduce al generador de vapor (2), donde una parte del líquido se convierte en vapor saturado, retornando a continuación al calderín caliente (3) la mezcla así obtenida de las fases líquida y vapor;
- suministro de vapor saturado a una turbina de vapor que comprende, al menos, un cuerpo de alta presión (5) y un cuerpo de baja presión (6), expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6);
- recolección del fluido condensable que evoluciona en los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina en un calderín frío (4), y transporte de la fase líquida del fluido condensable desde el calderín frío (4), primero al precalentador (1), luego al calderín caliente (3) y, de ahí, al generador de vapor (2);
caracterizado por que comprende:
- una fase de carga de energía, en la que el calderín caliente (3) se va llenando de fluido condensable, que aumenta de presión y temperatura debido al intercambio de calor en el precalentador (1) y el generador de vapor (2); en el interior del calderín caliente (3) coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor, ambas en condiciones de saturación, de modo que la energía se almacena en el calderín caliente (3) en forma de masa de fluido condensable con alta entalpia;
- una fase de descarga de la energía, en la que el calderín caliente (3) se vacía progresivamente de fluido condensable; así, el vaciado tiene lugar por medio de la evaporación de la fase líquida, que se transforma en vapor saturado que abandona el calderín caliente (3) por diferencia de presiones, para alimentar al cuerpo de alta de la turbina (5), de modo que la presión y la temperatura del fluido en el interior del calderín caliente (3) van disminuyendo progresivamente durante la fase de descarga. 2 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según la primera reivindicación caracterizado por que:
- el intervalo de variación de la presión dentro del calderín caliente (3) tiene prescritos sus límites con unas presiones de consigna mínima y máxima entre las que se ha de operar, tales que:
- la presión mínima, que es la existente cuando finaliza la descarga y comienza la carga, es tal que, con ese valor de la presión del vapor en la admisión de la turbina, ésta desarrolla la potencia nominal con la que se diseña el almacenamiento;
- la presión máxima, que es la presión de saturación a la temperatura existente al terminar el proceso de carga, es menor que la presión crítica del fluido de trabajo, de modo que al inicio de la descarga se tiene vapor saturado a la entrada de la turbina;
- la masa de fluido de trabajo almacenada en el calderín caliente (3) al inicio de la descarga se escoge arbitrariamente como una variable de diseño de la instalación, de la que depende el tiempo que dura un proceso de descarga, para un rango de presiones dado; y
- el almacenamiento del calor en el calderín caliente (3) se realiza de forma adiabática.
3 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el suministro con vapor saturado al cuerpo de alta presión (5) de la turbina se realiza desde el calderín caliente (3) a través de una válvula de laminación (12), de manera que dicho suministro de vapor a la entrada del cuerpo de alta presión (5) de la turbina tiene lugar a una presión tal que se mantiene constante la potencia producida en la turbina.
4 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la carga del almacenamiento y el funcionamiento de la turbina de producción de potencia tienen lugar al mismo tiempo, de tal modo que el almacenamiento se va cargando mientras el aporte solar es mayor que el nominal necesario para la producción del vapor que consume la turbina.
5 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la descarga suplementa la potencia obtenida en el uso normal, gracias al suministro de un caudal de vapor adicional al que produce la central convencional sin almacenamiento.
6 - Procedimiento de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las fases de carga de energía y descarga de energía se realizan de forma no simultánea, sucediéndose en el tiempo de forma alterna, comenzando la descarga una vez que ha terminado la carga inmediatamente anterior, reservándose la descarga para los momentos de ausencia de radiación, lo que prolonga el periodo de utilización diario de la central.
7 - Dispositivo de acumulación de energía termosolar mediante un fluido condensable, que se emplea en el procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y se ajusta a un ciclo termodinámico Rankine en el que una turbina de vapor genera en su eje trabajo mecánico, que comprende:
- al menos dos intercambiadores de calor, en los que el fluido condensable recibe calor, bien desde un campo solar por radiación directa, o bien por convección desde otro fluido caloportador que ha evolucionado previamente en un campo solar, realizando dicho intercambio de calor en un precalentador (1) y un generador de vapor (2), de manera que a la salida del precalentador (1), el fluido condensable se almacena en un calderín caliente (3), y una fracción de dicho fluido condensable almacenado en el calderín caliente (3) evoluciona al generador de vapor (2), evaporándose parcialmente y conduciéndose de nuevo al calderín caliente (3);
- una turbina de vapor que comprende, al menos, un cuerpo de alta presión (5) de la turbina y un cuerpo de baja presión (6) de la turbina, expandiéndose el vapor en dichos cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina;
- un condensador (8) y un calderín frío (4), en el que se recoge el vapor que evoluciona en los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina;
caracterizado por que
- en el calderín caliente (3) coexisten en equilibrio la fase líquida y la fase vapor del fluido de trabajo, siendo esta última la que aporta el caudal de alimentación al cuerpo de alta presión (5) de la turbina, ;
- el volumen del calderín caliente (3) es tal que en su interior se acumulan la masa de fluido condensable existente al final de la descarga sumada a la totalidad de la masa de fluido de trabajo necesaria para mantener los cuerpos de alta presión (5) y baja presión (6) de la turbina funcionando en su condición nominal durante todo el tiempo prescrito para la descarga.
8 - Dispositivo de acumulación de energía termosolar según la reivindicación 7, caracterizado por que existe un sistema de control que actúa, gracias a una válvula de laminación (12), sobre la presión de entrada al cuerpo de alta presión (5) de la turbina, de tal modo que la potencia que se obtiene en el eje de la turbina es constante a lo largo del tiempo que dura la descarga.
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