WO2016193510A1 - Planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento - Google Patents
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- the high efficiency solar power plant consists of at least two cycles for the production of electrical energy: a closed and regenerative main Brayton cycle whose working fluid is a supercritical fluid and at least one tail cycle, which can be a Brayton cycle or a closed Rankine cycle that employs a working fluid that may be the same or different from the working fluid of the main Brayton cycle.
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Abstract
Planta solar de potencia de alta eficiencia que comprende un ciclo Brayton principal (14) cerrado y regenerativo que trabaja con un fluido supercrítico y al menos un ciclo de cola cerrado, que puede ser un ciclo Rankine (15) o un ciclo Brayton (16). El ciclo Brayton principal (14) comprende una fuente de calor que comprende un receptor solar (1), un expansor (2), un generador (3) de corriente eléctrica, un recuperador primario de calor (4),opcionalmente un intercambiador de calor (5), un recuperador secundario de calor (6), un refrigerador (7), un compresor (8) y una bomba (9). En una realización preferente, un ciclo Rankine de cola (15) se conecta con el ciclo principal (14) a través del intercambiador de calor (5), mientras que un ciclo Brayton de cola (16) se conecta con el ciclo principal (14) mediante el recuperador primario de calor (4).
Description
PLANTA SOLAR DE POTENCIA DE ALTA EFICIENCIA Y SU PROCEDIMIENTO DE
FUNCIONAMIENTO Sector técnico de la invención
La presente invención se refiere a una planta solar de potencia de alta eficiencia y su procedimiento de funcionamiento para aplicaciones solares mediante el uso de fluidos, al menos uno de ellos en condiciones supercríticas.
Antecedentes de la invención
En la actualidad se está profundizando en el desarrollo de plantas de ciclos supercríticos tanto de C02 como de vapor. La principal ventaja de estos ciclos es la elevada temperatura y presión a la entrada de la turbina, lo que permite aumentar la eficiencia global del ciclo. En esta línea se está estudiando la integración de la tecnología termosolar en ciclos supercríticos. En desarrollos previos, aunque no particularmente para aplicaciones solares, se encuentra la patente US2013/0269334 donde se presenta una combinación de ciclos Brayton y Rankine. Tanto en el ciclo Brayton, que utiliza C02 supercrítico, como en el ciclo Rankine, que utiliza vapor sobrecalentado, el aporte de calor proviene de una misma fuente externa mediante el uso de al menos un intercambiador de calor. La fuente de calor consiste en los gases de escape de una turbina de gas convencional y el calor aportado proviene exclusivamente de combustibles fósiles. Respecto al ciclo de C02 supercrítico, el aumento de presión se realiza empleando exclusivamente compresores.
En el campo de la hibridación solar-gas de ciclos de C02 supercrítico se encuentra la patente US2013/01 18145. El ciclo de C02 supercrítico propuesto consiste en un ciclo Brayton simple regenerativo. El aporte de calor se realiza en primer lugar en un receptor solar y en segundo lugar en un combustor de gas natural, empleando la energía solar para suplementar la combustión. En caso de que la radiación solar no sea suficiente o nula la operación será 100% gas. Esta invención incluye una única turbina, en la que el fluido de trabajo será C02 supercrítico, por lo que la eficiencia obtenida será inferior al caso propuesto en la presente invención, donde se incorpora un ciclo Rankine supercrítico de cola.
Un desarrollo relativo a la integración entre energía solar y ciclos combinados se describe en la patente US2011/0233940. Esta configuración consiste en un ciclo combinado donde se incorpora la energía solar siguiendo diferentes esquemas. En un primer esquema el aporte solar se integra tanto en el ciclo Brayton abierto como en el Rankine de forma independiente. En el segundo y tercer caso ambos receptores están
interconectados. Finalmente en el cuarto caso, la energía solar se emplea exclusivamente en el ciclo Brayton. En este caso el ciclo Brayton no es regenerativo, es decir, nada de la energía disponible en los gases de escape se emplea para precalentar la entrada al mismo ciclo Brayton. Otra limitación se encuentra en el tipo de fluido a emplear; al no disponer de bomba tras el compresor, está limitado el uso de fluidos supercríticos en el ciclo Brayton. En este mismo ámbito, la integración de la energía solar en ciclos combinados, se encuentra la patente ES2480915A1. Al igual que en la invención anterior, el aporte de calor se realiza secuencialmente: primero en un receptor solar y posteriormente en una cámara de combustión, sin embargo, este caso también presenta la limitación en el tipo de fluido a emplear en el ciclo Brayton, no permitiendo el uso de fluidos supercríticos.
La solución descrita en la presente invención consiste en una configuración de planta cuya finalidad es, por un lado, poder funcionar a carga parcial con aporte 100% solar (y siempre que haya radiación suficiente), pudiendo ser en ese caso independiente del suministro de combustibles fósiles (solo empleados en caldera auxiliar para casos puntuales de transitorios, es decir, paso de nubes etc..) y, por otro lado, conseguir maximizar la producción sin reducir la eficiencia de la planta.
Descripción de la invención
La planta solar de potencia de alta eficiencia consta de al menos dos ciclos para la producción de energía eléctrica: un ciclo Brayton principal cerrado y regenerativo cuyo fluido de trabajo es un fluido supercrítico y al menos un ciclo de cola, que puede ser un ciclo Brayton o un ciclo Rankine cerrado que emplea un fluido de trabajo que puede ser igual o diferente al fluido de trabajo del ciclo Brayton principal.
El ciclo Brayton principal consta de los siguientes elementos: al menos una fuente de calor que comprende un receptor solar para aumentar la temperatura de su fluido de trabajo supercrítico previamente comprimido, un expansor conectado a la fuente de calor configurado para convertir la energía térmica contenida en el fluido supercrítico en energía mecánica, un generador que convierte dicha energía mecánica en energía eléctrica, un recuperador primario de la energía térmica contenida en los gases de escape del expansor, un recuperador secundario situado después del recuperador primario de calor para aprovechar la energía del fluido. A continuación del recuperador secundario se sitúa un refrigerador donde se enfría el fluido hasta temperatura ambiente, un compresor y una bomba que permite impulsar de nuevo el fluido (ya en estado líquido) hasta la fuente de calor.
Tanto el recuperador primario como el secundario son intercambiadores de calor que
permiten la transferencia de calor entre fluidos.
Opcionalmente, el ciclo Brayton principal puede incluir un intercambiador de calor entre el recuperador primario y el recuperador secundario, estando configurado dicho intercambiador para intercambiar calor entre la corriente de salida del recuperador primario y un fluido de trabajo de un ciclo de cola.
El hecho de utilizar un fluido supercrítico tiene la ventaja de que, al comprimirlo, tiene propiedades de líquido y se puede impulsar fácilmente con una bomba, lo que implica un ahorro energético si se compara con la energía necesaria para comprimir e impulsar un gas. Por ello la bomba utilizada permite reducir los autoconsumos de la planta. Asimismo, al emplear un fluido en condiciones supercríticas, la energía disponible a la entrada del expansor es superior a la energía del mismo fluido en condiciones no supercríticas, permitiendo aumentar tanto la potencia como la eficiencia obtenida en el ciclo.
En el ciclo Brayton principal, el expansor es un equipo independiente al compresor, principal diferencia con las turbinas de gas donde una misma carcasa envuelve al compresor y expansor, y que necesariamente cuenta con una cámara de combustión. Dicha planta es, por tanto, concebida en su ciclo Brayton principal sin turbina de gas y, por lo tanto, sin cámara de combustión, sustituyéndose por un expansor y un compresor, lo que permite operar en condiciones de radiación suficiente con aporte 100% solar y reducir así las emisiones de gases de efecto invernadero. Al tratarse además de un ciclo cerrado permite reducir los autoconsumos eléctricos del ciclo, al no tener que comprimir el fluido de trabajo desde condiciones de presión ambiente, si no desde las condiciones de presión de salida del expansor. Además, los gases de escape del expansor tienen una doble función: la primera función es precalentar el fluido antes de su entrada al receptor, recuperando así parte de la energía contenida a la salida del expansor teniendo así que realizar un menor calentamiento en el receptor solar para alcanzar la temperatura deseada, lo que se traduce en campos solares más pequeños y menores costes; y una segunda función que es la de calentar el fluido de al menos un ciclo de cola, lo que permite aumentar la producción. Por otro lado, el uso de fluidos en condiciones supercríticas aumenta la eficiencia global del sistema.
Opcionalmente, la fuente de calor que comprende un receptor solar puede incluir también una fuente de calor auxiliar situada en paralelo al receptor solar, de esta manera la planta permite operar el ciclo en los instantes en los que la radiación es insuficiente o nula para evitar paradas en el funcionamiento de la planta. Esta fuente de calor puede ser una cámara de combustión, pero no se limita a este equipo
exclusivamente, siendo como hemos mencionado un equipo auxiliar únicamente de apoyo para ciertas circunstancias.
El ciclo de cola podrá ser un ciclo Brayton o un ciclo Rankine, empleando un fluido de trabajo igual o diferente al fluido del ciclo Brayton pricipal. En el caso de que la planta incluya un ciclo Rankine de cola, el ciclo Brayton principal incluirá un intercambiador de calor entre el recuperador primario y el secundario tal y como se ha comentado anteriormente. El ciclo de cola Rankine constará de al menos los siguientes elementos: un intercambiador de calor que comparte con el ciclo Brayton principal, siendo dicho elemento el punto de conexión entre ambos ciclos, una turbina para convertir la energía térmica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola en energía mecánica, un generador de electricidad conectado a la turbina para convertir dicha energía mecánica en energía eléctrica, un refrigerador situado a continuación de la turbina y una bomba que impulsa el fluido del ciclo de cola Rankine desde el refrigerador hasta el intercambiador de calor.
En el intercambiador de calor, el fluido supercrítico del ciclo Brayton principal cede su energía térmica al fluido del ciclo Rankine de cola, luego dicho intercambiador de calor constituye una fuente de calor para el mencionado ciclo de cola.
Opcionalmente, el ciclo Rankine de cola puede incluir una fuente de calor que comprende un receptor solar, situándose dicha fuente entre el intercambiador de calor y la turbina para realizar un aporte extra de calor al fluido.
En el caso de que la planta incluya un ciclo Brayton de cola, el fluido de trabajo será también un fluido supercrítico, que puede ser igual o diferente al utilizado en el ciclo Brayton principal. En el caso de tener un ciclo de cola Brayton, el recuperador primario del ciclo Brayton principal será el elemento que conecte ambos ciclos. En el recuperador primario, el fluido supercrítico del ciclo Brayton principal cede calor al fluido supercrítico del ciclo Brayton de cola.
Este ciclo Brayton de cola comprende un nuevo expansor, opcionalmente puede incluir un receptor solar antes y/o después del recuperador primario para complementar el aporte de calor y constará además de al menos de un refrigerador, un recuperador de calor ubicado entre el expansor y el refrigerador, estando configurado dicho recuperador para recibir los gases de escape del expansor y precalentar el fluido del ciclo Brayton de cola antes de su entrada en el recuperador primario, un compresor y una bomba.
Opcionalmente, en los ciclos de fluido supercrítico se podrá realizar enfriamiento intermedio en el tren de compresión, es decir, opcionalmente puede existir al menos
un refrigerador intermedio entre el compresor y la bomba o bien realizarse una refrigeración adicional dentro del cuerpo del propio compresor.
En caso de que la planta comprenda dos ciclos de cola, éstos serán preferiblemente un ciclo Brayton y un ciclo Rankine que comprenderían los elementos mencionados anteriormente para cada uno de ellos.
En la planta así descrita, bien sea con un único ciclo de cola o bien con dos ciclos de cola conectados con el ciclo principal, el fluido que circula a través del receptor solar en cada uno de los ciclos puede ser el mismo que se expande posteriormente en el expansor o en la turbina, es decir, el fluido que circula a través de cada receptor solar es el fluido de trabajo de cada ciclo en cuestión. Otra opción consiste en emplear receptores solares por los que circulan materiales de almacenamiento térmico (bien sean fluidos de almacenamiento térmico, partículas sólidas y/o sales carbonatadas) que transfieren su energía térmica mediante intercambiadores de calor al fluido de trabajo que circula por cada uno de los ciclos . En este caso, las distintas fuentes de calor incluirán, además de un receptor solar para calentar un material de almacenamiento térmico, un sistema de almacenamiento térmico conectado con el receptor solar y un intercambiador de calor conectado al sistema de almacenamiento configurado dicho intercambiador para calentar el fluido de trabajo del ciclo en cuestión a partir del material de almacenamiento térmico.
El almacenamiento de calor en un fluido diferente al fluido de trabajo de los ciclos de cola permite almacenar a presiones más bajas, lo que se traduce en menores riesgos técnicos, así como en menores costes.
El procedimiento de funcionamiento de la planta para la producción de energía eléctrica comprende al menos las siguientes etapas:
calentamiento del fluido de trabajo del ciclo principal Brayton previamente comprimido; dicho calentamiento se produce por medio de una fuente de calor que comprende un receptor solar. El calentamiento puede efectuarse de forma directa o indirectamente por medio de energía solar; directamente en el receptor solar o indirectamente a través de un material de almacenamiento de calor previamente calentado con energía solar en el receptor solar;
conducción del fluido previamente calentado a un expansor que convierte la energía térmica contenida en el fluido de trabajo en energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica en un generador;
- la corriente de fluido (o gases de escape) a la salida del expansor se hace pasar por un recuperador primario donde el fluido pierde parte de su energía térmica,
cediéndola bien al propio fluido de trabajo del ciclo principal Brayton antes de su entrada en la fuente de calor o bien a un fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola,
- opcionalmente la corriente de fluido de trabajo del ciclo principal Brayton a la salida del recuperador primario se le hace pasar por el intercambiador de calor donde cede parte de su energía térmica a un fluido de trabajo de un ciclo Rankine de cola;
seguidamente, la corriente del fluido se hace pasar por el recuperador secundario donde pierde de nuevo parte de su energía térmica, precalentando de este modo el propio fluido de trabajo del ciclo principal Brayton antes de su entrada en la fuente de calor,
a continuación, el fluido se conduce tras la salida del recuperador secundario a un refrigerador, posteriormente a un compresor y desde el compresor, ya en estado líquido, el fluido se bombea hasta la fuente de calor para iniciar de nuevo el ciclo. Luego, en el ciclo principal Brayton, la corriente del fluido de trabajo de dicho ciclo que sale del expansor se va enfriando hasta pasar a estado líquido en el compresor, lo que permite bombear dicho fluido hasta la fuente de calor que comprende un receptor solar. El calor cedido por la corriente de fluido al enfriarse se aprovecha para precalentar el fluido de trabajo de dicho ciclo Brayton antes de entrar en la fuente de calor o bien para calentar el fluido de trabajo de un ciclo de cola.
Como se ha comentado anteriormente, en el caso de que el ciclo principal Brayton comprenda un intercambiador de calor, éste constituirá la fuente de calor de un ciclo Rankine de cola, ya que en dicho intercambiador de calor el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal cede calor al fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola. En el caso en que el ciclo principal esté conectado con un ciclo de cola Rankine a través del intercambiador de calor, el fluido de trabajo del ciclo de cola se dirige desde el intercambiador de calor a una turbina y a un generador para la producción de electricidad. La corriente del fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (gases de escape) a la salida de la turbina se hace pasar por un refrigerador y desde ahí es bombeado de nuevo al intercambiador de calor.
Opcionalmente, antes de entrar en turbina, el fluido de trabajo del ciclo de cola Rankine puede hacerse pasar por una fuente de calor que comprende un receptor solar. En este caso, el calentamiento puede efectuarse de forma directa o indirecta por medio de energía solar; directamente en un receptor solar o indirectamente a través de un fluido intermedio o material de almacenamiento de calor previamente calentado con
energía solar en el receptor solar.
En el caso de que el aporte de calor al fluido de trabajo tanto del ciclo Brayton principal como del ciclo Rankine de cola se haga de modo indirecto, el procedimiento incluiría una etapa adicional de calentamiento de un material de almacenamiento térmico (p. ej. un fluido de almacenamiento térmico, sales carbonatadas o partículas sólidas) para posteriormente ser dirigido a un intercambiador de calor donde se produce el calentamiento del fluido de trabajo de cado uno de los ciclos.
En el caso de que el ciclo Brayton principal esté conectado con un ciclo Brayton de cola que utiliza también un fluido supercrítico.el recuperador primario del ciclo Brayton principal constituye una fuente de calor para el ciclo Brayton de cola, de forma que, en dicho recuperador, el fluido supercrítico del ciclo Brayton principal cede energía al fluido supercrítico del ciclo Brayton de cola.
Posteriormente, en el ciclo Brayton de cola, el fluido supercrítico se expande en un expansor conectado a un generador para la producción de electricidad. La corriente de fluido a la salida del expansor se hace pasar por un regenerador de calor. Tras el regenerador de calor, el fluido se hace pasar por un refrigerador y un compresor y de ahí es bombeado hasta el recuperador primario, que es donde tiene lugar la transferencia de energía térmica desde el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal al fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola.
Opcionalmente, antes de su llegada al recuperador primario, el fluido del ciclo Brayton de cola se calienta en una fuente de calor que incluye un receptor solar.
Finalmente, en el caso de que la planta incluya dos ciclos de cola (uno Brayton y uno Rankine), además del principal, el procedimiento de operación de la planta incluirá las etapas de los tres ciclos según se han descrito anteriormente.
Breve descripción de los dibujos
Figura 1. Representación esquemática de un ejemplo de planta solar de potencia con dos ciclos de potencia: un ciclo principal Brayton supercrítico y un ciclo de cola Rankine.
Figura 2. Representación esquemática de un ejemplo de planta solar de potencia con tres ciclos de potencia supercríticos: un ciclo principal Brayton y un ciclo de cola Rankine y un ciclo de cola Brayton
Figura 3. Representación esquemática de un ejemplo de planta solar de potencia con tres ciclos de potencia como en el caso anterior (figura 2), pero con aporte indirecto de energía solar.
Figura 4. Representación esquemática de un ejemplo de planta solar de potencia con dos ciclos de potencia: un ciclo principal Brayton supercrítico y un ciclo de cola Brayton supercrítico.
En correspondencia con las figuras se enumeran los siguientes elementos:
Receptores solares
2, 2".- Expansor de C02 supercrítico
3, 3', 3".- Generadores de corriente eléctrica
4, - Recuperador primario
42.- Regenerador de calor
5, - Intercambiador de calor
6, - Recuperador secundario
7, 7', 7".- Refrigeradores
8, 8".- Compresores
9, 9', 9"- Bombas
10. - Fuente de calor auxiliar
1 1. -Turbina de vapor
12, 12', 12".- Intercambiadores de calor conectados a un receptor solar
13, 13', 13".- Sistema de almacenamiento térmico
14.- Ciclo Brayton principal
15. - Ciclo Rankine de cola
16. - Ciclo Brayton de cola
Descripción de una realización preferida
Para lograr una mayor comprensión de la invención, se describen a continuación cuatro realizaciones preferidas de la planta de potencia de la presente invención en base a las figuras presentadas.
En una primera realización preferida, la planta incluye un ciclo Brayton principal (14) de C02 supercrítico que consiste en un ciclo Brayton simple, cerrado y regenerativo, y un ciclo Rankine de cola (15) cuyo fluido de trabajo es vapor, bien vapor sobrecalentado o bien vapor supercrítico (15), donde el aporte térmico proviene del ciclo Brayton principal (14)de C02 supercrítico. Dicha realización preferente está representada en la Figura 1.
El aporte de calor en el ciclo principal (14) se realiza en una fuente de calor que comprende un receptor solar (1), (preferentemente un sistema de torre de receptor solar central). En paralelo al receptor solar (1) se incluye una fuente de calor auxiliar (10) que podrá ser una cámara de combustión o una pila de combustible aunque no
limitado a ello. Esta fuente de calor auxiliar (10) se empleará para evitar las paradas de la planta cuando la radiación no sea suficiente para mantener la operación. El expansor de C02 supercrítico (2) conectado al generador de corriente eléctrica (3) recibe, para la producción de electricidad, el fluido proveniente de la fuente de calor (1 ó 10) a una temperatura de entre 700 y 1200 °C, preferentemente superior a 750°C y de presión superior a 200 bar. La energía contenida en la corriente de salida del expansor (2), es decir, en los gases de escape del ciclo, se aprovecha en el recuperador primario (4) precalentando de este modo el C02 antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10). A la salida del recuperador primario (4), el fluido se encuentra a una temperatura en torno a los 600°C y presión entre 20 y 60 bar y se le hace pasar por el intercambiador de calor (5), que constituirá la fuente de calor del ciclo Rankine de cola. Tras el intercambiador de calor (5), el fluido del ciclo principal (14) se hace pasar por un recuperador secundario (6) donde cede parte de su energía térmica, precalentando de este modo el C02 antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10). Tras el recuperador secundario (6), el fluido se hace pasar por un refrigerador (7) y por un compresor (8). En el refrigerador (7) se extrae el calor necesario para asegurar las condiciones de entrada al compresor (8), estas condiciones son de una temperatura en torno a 25°C y presión entre 20 y 60 bar. Dadas las características supercríticas del fluido de trabajo del ciclo principal (14), se integra una bomba (9) en el proceso tras el compresor. La presión a la salida de la bomba será superior a 200 bar. Con objeto de precalentarlo, el fluido bombeado se hace pasar de nuevo por el recuperador secundario (6) y por el primario (4) entrando en éste a una temperatura aproximada de 250°C y presión entre 200 y 300 bar;finalmente, se dirige hasta la fuente de calor (1 o 10) para comenzar de nuevo el ciclo.
En cuanto al ciclo Rankine de cola (15), el aporte térmico se realiza en el intercambiador de calor (5). Se puede incluir opcionalmente un cuerpo adicional en el intercambiador de calor (5) para el recalentamiento mediante éste. Para complementar el aporte térmico del vapor, se puede incluir un receptor solar (1 ') ubicado después del intercambiador de calor (5). El vapor se puede turbinar en condiciones de vapor sobrecalentado o de vapor supercrítico. En el caso de condiciones de vapor supercrítico, el vapor que sale del receptor solar (1 ') a unas condiciones de temperatura entre los 600°C y 900°C, y presión igual o superiores a 200 bares se expande en una turbina de vapor (1 1) conectada a un generador de corriente eléctrica (3'). La corriente de vapor procedente de la turbina (11) (gases de escape) se hace pasar por un refrigerador (7') donde se extrae el calor necesario para acondicionar el
vapor a las condiciones necesarias para la entrada de la bomba (9'): temperatura aproximada de 25°C y presión igual o inferior a 0, 14 bar.
En una segunda realización preferida representada en la Figura 2, el recuperador primario (4) del ciclo Brayton principal (14) se utiliza para calentar el fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola (16) consistente en un ciclo Brayton simple regenerativo que trabaja con C02 supercrítico, donde el C02 se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presión superior a 200 bar y se dirigirá a un expansor de C02 supercrítico (2") conectado a un generador de corriente eléctrica (3") para la producción de electricidad. A la salida el expansor (2"), la corriente de C02 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presión entre 20-30 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4). Desde el regenerador de calor (42), la corriente de fluido se dirige al refrigerador (7") donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presión entre 20-30 bar. De ahí se dirige al compresor (8") y a la bomba (9") que impulsa la corriente de fluido hasta el recuperador primario (4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el fluido. Opcionalmente, antes del recuperador primario (4), se incluye un receptor solar (1") para precalentar el fluido hasta una temperatura entorno a los 600°C y una presión superior a los 200 bar.
En una tercera realización preferida representada en la Figura 3, las fuentes de calor incluyen, además de los receptores solares (1 , 1 ' y 1"), unos intercambiadores de calor conectados a dichos receptores solares (12, 12' y 12"). En este caso, el fluido de trabajo de los distintos ciclos circula por los intercambiadores de calor (12, 12' y 12"), mientras que por los receptores solares (1 , 1 ' y 1") circula un material de almacenamiento de calor (bien sea fluido, metales fundidos, partículas sólidas, etc.), que será el que, una vez calentado con energía solar, ceda el calor al fluido de trabajo de los ciclos en el correspondiente intercambiador de calor (12, 12' y 12"). El material de almacenamiento puede ser almacenado en un sistema de almacenamiento (13, 13', 13") situado entre el correspondiente receptor solar (1 , 1 ' y 1") y el correspondiente intercambiador de calor (12, 12' y 12").
En el receptor solar (1) del ciclo Brayton principal (14), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura superiores a los 750° C y presión igual o inferior a 30 bar. Dicho material cede calor al fluido de trabajo del ciclo Brayton principal ( C02 supercrítico), de forma que dicho fluido de trabajo entra en el expansor (2) a una temperatura superior a 750°C y presión superior a 200 bar.
En el ciclo Rankine de cola (15), para el caso en el que el fluido de trabajo sea vapor supercrítico, el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura máxima de 800° C y presión igual o inferior a 30 bar en el receptor solar (V) para posteriormente ser dirigido al intercambiador (12') donde se produce el recalentamiento del vapor supercrítico desde una temperatura superior a 550°C y presión superior a 200 bar hasta una temperatura máxima de 750°C y una presión superior a 200 bares, condiciones de entrada a la turbina (1 1).
En el ciclo Brayton de cola de C02 supercrítico, el material de almacenamiento se calienta en el receptor solar (1") a una temperatura máxima de 600° C y presión inferior a 30 bar, para posteriormente ser dirigido al intercambiador (12") donde se produce el precalentamiento del C02 supercrítico hasta unas condiciones de temperatura de 600°C y presión de 200 bares, antes de su entrada en el recuperador primario (4). El C02 del ciclo Brayton de cola se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presión superior a 200 bar y se dirige posteriormente a un expansor de C02 supercrítico (2") conectado a un generador de corriente eléctrica (3") para la producción de electricidad. A la salida del expansor (2"), la corriente de C02 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presión entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) antes de su entrada o bien al receptor solar, o bien al recuperador primario.
En una cuarta realización preferente representada en la Figura 4, la planta está constituida por un ciclo Brayton principal de C02 supercrítico (14), y un ciclo de cola Brayton de C02 supercrítico (16). El recuperador primario (4) del ciclo Brayton principal (14) se utiliza para calentar el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) consistente en un ciclo Brayton simple cerrado y regenerativo, donde el C02 del ciclo Brayton de cola se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presión superior a 200 bar y se dirige a un expansor de C02 supercrítico (2") conectado a un generador de corriente eléctrica (3") para la producción de electricidad. A la salida del expansor (2"), la corriente de C02 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presión entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4). Desde el regenerador de calor (42), la corriente de fluido se dirige al refrigerador (7") donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presión entre 20-60 bar. De ahí se dirige al compresor (8") y a la bomba (9") que impulsa la corriente de fluido hasta el recuperador primario
(4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el fluido. Opcionalmente, y para condiciones no nominales de operación, antes del recuperador primario (4), se incluye un receptor solar (1") para precalentar el fluido hasta una temperatura en el entorno de los 600°C y una presión superior a los 200 bar.
A la salida del recuperador primario (4), el C02 del ciclo Brayton principal de C02 supercrítico (14) atraviesa el recuperador secundario (6) para ceder parte de su energía térmica y precalentar la corriente de C02 supercrítico antes de su entrada en la fuente de calor (1 o 10).
En esta realización preferente se prescinde del intercambiador de calor (5) y del ciclo de cola Rankine (15).
Claims
1. - Planta solar de potencia de alta eficiencia para la producción de energía eléctrica caracterizada porque comprende:
i) un ciclo Brayton principal (14) cerrado y regenerativo, que emplea un fluido de trabajo supercrítico y
ii) al menos un ciclo de cola cerrado, seleccionado entre un ciclo Rankine (15 ) y un ciclo Brayton (16), y donde el ciclo Brayton principal (14) comprende los siguientes elementos:
- al menos una fuente de calor que comprende un receptor solar (1) para aumentar la temperatura del fluido de trabajo del ciclo Brayton principal,
- un expansor (2) conectado a la fuente de calor y configurado para convertir la energía térmica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal en energía mecánica,
- un generador (3) de corriente eléctrica conectado al expansor (2) para convertir dicha energía mecánica en energía eléctrica,
- un recuperador primario de calor (4) configurado para recibir los gases de escape del expansor (2),
■■ un recuperador secundario de calor (6) situado después del recuperador primario de calor (4)
- un refrigerador (7) situado a continuación del recuperador secundario (6),
- un compresor (8) dispuesto tras el refrigerador (7) y
- una bomba (9) configurada para impulsar de nuevo el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) hasta la fuente de calor.
2. - Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 1 caracterizada porque el ciclo Brayton principal (14) comprende un intercambiador de calor (5) situado entre el recuperador primario de calor (4) y el recuperador secundario de calor (6) y la planta solar de potencia comprende un ciclo Rankine de cola (15) que utiliza vapor como fluido de trabajo, seleccionado entre vapor supercrítico y vapor sobrecalentado, y que comparte el intercambiador de calor (5) con el ciclo Brayton principal (14) de la planta, siendo dicho intercambiador de calor (5) el elemento que conecta ambos ciclos y donde el ciclo Rankine de cola (15) comprende además:
- una turbina (1 1) para convertir la energía térmica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) en energía mecánica,
- un generador de corriente eléctrica (3') conectado a la turbina (11) para convertir dicha energía mecánica en energía eléctrica,
- un refrigerador (7') situado a continuación de la turbina (11) y
- una bomba (9') que impulsa el fluido del ciclo Rankine de cola (15) desde el refrigerador (7') hasta el intercambiador de calor (5).
3. - Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 1 caracterizada porque la fuente de calor que comprende un receptor solar (1) incluye también una fuente de calor auxiliar (10) situada en paralelo al receptor solar (1).
4. - Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 3 caracterizada porque la fuente de calor auxiliar (10) es una cámara de combustión.
5.- Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 2 caracterizada porque el ciclo Rankine de cola (15) incluye una fuente de calor que comprende un receptor solar (1 ') situada entre el intercambiador de calor (5) y la turbina (1 1).
6.- Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 1 caracterizada porque la planta comprende un ciclo Brayton de cola (16) que emplea como fluido de trabajo un fluido supercrítico y que comparte el recuperador primario (4) con el ciclo Brayton principal (14), siendo dicho recuperador primario (4) el elemento que conecta ambos ciclos y donde el ciclo Brayton de cola (16) comprende además:
- un expansor (2") para convertir la energía térmica contenida en el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) en energía mecánica,
- un generador de corriente eléctrica (3") conectado al expansor (2") para convertir dicha energía mecánica en energía eléctrica,
- un regenerador de calor (42) configurado para recibir la corriente del fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del expansor (2") y precalentar el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) antes de su entrada en el recuperador primario
(4),
- un refrigerador (7") situado a continuación del regenerador de calor (42)
- un compresor (8") dispuesto tras el refrigerador y
- una bomba (9") configurada para impulsar de nuevo el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) hasta el recuperador primario (4).
7. - Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 6 caracterizada porque el ciclo Brayton de cola (16) incluye una fuente de calor que comprende un receptor solar (1") configurada para calentar el fluido de trabajo antes de la entrada en el recuperador primario (4).
8. - Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 2 caracterizada porque comprende el ciclo de cola Brayton (16) descrito en la reivindicación 6.
9.- Planta solar de potencia de alta eficiencia según reivindicación 2, 6 o 8 caracterizada porque las fuentes de calor incluyen, además de un receptor solar (1 , 1 ', 1") para calentar un material de almacenamiento térmico, un sistema de almacenamiento térmico (13, 13', 13") conectado con el receptor solar (1 , 1 , 1") y un intercambiador de calor (12, 12', 12") conectado al sistema de almacenamiento térmico (13, 13', 13") configurado dicho intercambiador (12, 12', 12") para calentar el fluido de trabajo de cada uno de los ciclos a partir del material de almacenamiento térmico.
10.- Procedimiento de funcionamiento de la planta descrita en la reivindicación 1 para la producción de energía eléctrica, caracterizado porque comprende al menos las siguientes etapas:
calentamiento del fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) previamente comprimido; dicho calentamiento se produce por medio de una fuente de calor que comprende un receptor solar (1);
conducción de dicho fluido de trabajo previamente calentado a un expansor (2) que convierte su energía térmica en energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica en un generador (3);
la corriente del fluido a la salida del expansor (2) se hace pasar por un recuperador primario de calor (4) donde el fluido pierde parte de su energía térmica;
- posteriormente, la corriente del fluido se hace pasar por el recuperador secundario de calor (6) donde pierde de nuevo parte de su energía térmica, precalentando de este modo el fluido antes de su entrada en la fuente de calor,
el fluido se conduce tras la salida del recuperador secundario (6) al refrigerador (7), posteriormente al compresor (8) y desde el compresor (8), ya en estado líquido, el fluido se bombea hasta la fuente de calor para iniciar de nuevo el ciclo.
1 1.- Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 10, caracterizado porque:
- la corriente del fluido a la salida del recuperador primario (4) se hace pasar por un intercambiador de calor (5) de forma que el fluido del ciclo Brayton principal (14) cede energía al fluido de trabajo de un ciclo Rankine de cola (15) que utiliza vapor seleccionado entre vapor sobrecalentado y vapor supercrítico como fluido de trabajo; -_una vez calentado el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) en el recuperador primario (4), dicho fluido es conducido hasta la turbina (1 1) conectada al generador para la producción de electricidad;
- la corriente del fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) a la salida de la turbina (11) se hace pasar por el refrigerador (7') y desde ahí es bombeado de nuevo al generador de vapor (5).
12.- Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 11 , caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) se precalienta en el recuperador primario (4) antes de la entrada en la fuente de calor mediante el aprovechamiento del calor que pierde dicho fluido del ciclo Brayton principal (14) a la salida del expansor (2).
13. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 11 , caracterizado porque el ciclo Rankine de cola (15) incluye una etapa adicional en la que el fluido de trabajo del ciclo Rankine de cola (15) a la salida del intercambiador de calor (5) y antes de entrada en la turbina (11) se calienta en una fuente de calor que comprende un receptor solar (1 ').
14. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 10, caracterizado porque
- el fluido de trabajo de un ciclo Brayton de cola (16) que utiliza un fluido supercrítico (16) como fluido de trabajo se calienta en el recuperador primario (4) mediante el aprovechamiento del calor que pierde el fluido de trabajo del ciclo Bryton principal (14),
- el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) calentado se conduce al expansor (2") que convierte la energía térmica contenida en dicho fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) en energía mecánica, la cual se transforma en energía eléctrica en el generador de corriente eléctrica (3");
- la corriente del fluido del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del expansor (2") se hace pasar por el regenerador de calor (42) donde cede calor que es aprovechado por dicho fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) antes de entrar en el recuperador primario (4),
- la corriente del fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) a la salida del regenerador de calor (42) se hace pasar por el refrigerador (7") y el compresor (8") y de ahí es bombeado hasta el recuperador primario (4).
15.- Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 14, caracterizado porque la corriente del fluido del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en una fuente de calor que incluye un receptor solar (1") antes de entrar en el recuperador primario (4).
16.- Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 1 1 , caracterizado porque incluye además las etapas del ciclo Brayton de cola (16) descritas en la reivindicación 14.
17. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 11 , caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) es C02 supercrítico.
18. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 14, caracterizado porque el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) y el fluido de trabajo del ciclo Brayton de cola (16) es C02 supercrítico.
19. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 1 1 ,14 o 16 caracterizado porque los fluidos de trabajo de cada ciclo se calientan de forma directa en la fuente de calor haciéndolos pasar por el receptor solar (1 , 1 ', 1").
20. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 1 1 ,14 o 16 caracterizado porque los fluidos de trabajo de cada ciclo se calientan de forma indirecta en la fuente de calor, de forma que se hace pasar por el receptor solar (1 , 1 ', 1") un material de almacenamiento térmico que, una vez calentado, cede energía al
fluido de trabajo del ciclo correspondiente en un intercambiador de calor (12, 12', 12") conectados a un receptor solar (1 , 1 ' y 1").
21.- Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 17, caracterizado porque en el ciclo Brayton principal (14) el expansor (2) recibe el C02 supercrítico del ciclo Brayton principal (14) a una temperatura superior a 750°C y presión superior a 200 bar; a la salida del recuperador primario (4), el fluido de trabajo del ciclo Brayton principal (14) se encuentra a una temperatura en torno a los 600°C y presión entre 20 y 60 bar; a la salida del el refrigerador (7) y antes de entrar en el compresor (8) dicho fluido se encuentra a una temperatura en torno de los 25°C y presión entre 20 y 60 bar y la presión del fluido del ciclo Brayton principal (14) a la salida de la bomba (9) es superior a 200 bar; en el ciclo Rankine de cola (15), el vapor supercrítico de dicho ciclo Rankine de cola (15) que entra en la turbina (1 1) tiene una temperatura de entre 600 y 900°C y presión igual o superiores a 200 bares, el vapor del ciclo Rankine de cola (15) que sale del refrigerador (7') tiene una temperatura aproximada de 25°C y presión igual o inferior a 0, 14 bar.
22. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 18, caracterizado porque el C02 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C, encontrándose a una presión superior a 200 bar; a la salida del expansor (2"), la corriente deC02 del ciclo Brayton de cola (16) se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presión entre 20-30 bar; a la salida del refrigerador (7") dicho fluido está a una temperatura en torno a 25° C y presión entre 20-30 bar.
23. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 22, caracterizado porque el C02 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta antes de entrar en el recuperador primario (4) en un receptor solar (1") hasta una temperatura en torno a los 600°C, estando a una presión superior a los 200 bar.
24. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 20 caracterizado porque en el receptor solar (1), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura superiores a los 750° C y presión igual o inferior a 30 bar y dicho material cede calor al C02 supercrítico del ciclo Brayton principal (14) el cual entra en el expansor (2) a una temperatura superior a 750°C y presión superior a 200 bar; y en el ciclo Rankine de cola de vapor supercrítico
(15), el material de almacenamiento de calor se calienta hasta unas condiciones de temperatura máxima de 800° C y presión igual o inferior a 30 bar en el receptor solar (1 ') para posteriormente calentar el vapor desde una temperatura superior a 550°C y presión superior a 200 bares hasta una temperatura máxima de 750°C y una presión superior a 200 bares que son las condiciones de entrada a la turbina (11).
25. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 18 caracterizado porque el C02 del ciclo Brayton de cola (16) se calienta en el recuperador primario (4) hasta una temperatura entre los 700°C y 900°C y a una presión superior a 200 bar y se dirige a un expansor de C02 supercrítico (2") conectado a un generador de corriente eléctrica (3") para la producción de electricidad; a la salida del expansor (2"), la corriente de C02 que se encuentra a una temperatura en un rango aproximado de 500-600°C y presión entre 20-60 bar, se hace pasar por un regenerador de calor (42) para calentar la corriente de entrada al recuperador primario (4); desde el regenerador de calor (42), la corriente del C02 del ciclo Brayton de cola (16) se dirige al refrigerador (7") donde se extrae el calor necesario hasta una temperatura en torno a 25° C y presión entre 20-60 bar; de ahí se dirige al compresor (8") y a la bomba (9") que impulsa la corriente de C02hasta el recuperador primario (4) pasando previamente por el regenerador de calor (42) donde se precalienta el C02 del ciclo Brayton de cola (16).
26. - Procedimiento de funcionamiento de la planta, según reivindicación 25 caracterizado porque el C02 del ciclo Brayton de cola (16) se precalienta en el receptor solar (1") hasta una temperatura en el entorno de los 600°C y una presión superior a los 200 bar antes del recuperador primario (4).
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