ES2555602T3 - Central de energía térmica solar - Google Patents

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ES2555602T3 ES12727631.9T ES12727631T ES2555602T3 ES 2555602 T3 ES2555602 T3 ES 2555602T3 ES 12727631 T ES12727631 T ES 12727631T ES 2555602 T3 ES2555602 T3 ES 2555602T3
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Abstract

Central de energía térmica solar (20) que comprende: una torre (22); una pluralidad de helióstatos (26) que rodean la torre y forman un campo de helióstatos (24); un receptor de radiación solar (28) montado en la torre (22) para recibir la radiación solar reflejada por el campo de helióstatos (24); un circuito de generación de energía (30) que incluye una turbina de vapor (34) para accionar un generador eléctrico (36) a fin de producir energía eléctrica, pudiendo ser calentada el agua que circula a través del receptor de radiación solar (28) directamente mediante radiación solar reflejada sobre el receptor de radiación solar (28) por el campo de helióstatos (24) para generar vapor sobrecalentado para accionar la turbina de vapor (34); un circuito de almacenamiento de energía (42) que incluye un fluido de almacenamiento de energía térmica y un intercambiador de calor (48) para recibir una parte de vapor sobrecalentado desviado del circuito de generación de energía (30) y para transferir calor desde el vapor sobrecalentado desviado al fluido de almacenamiento de energía térmica; caracterizada por que el intercambiador de calor (48) puede funcionar para enfriar el vapor sobrecalentado desviado a una temperatura por encima de su temperatura de saturación para que el vapor salga del intercambiador de calor (48) en su estado sobrecalentado.

Description

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DESCRIPCION
Central de energfa termica solar Campo tecnico
La presente descripcion se refiere en general al campo de la energfa solar concentrada (CSP). Las realizaciones espedficas se refieren a una central de energfa termica solar que utiliza la energfa solar concentrada para generar electricidad y/o a un metodo de funcionamiento de una central de energfa termica solar.
Tecnica anterior
La energfa solar concentrada (CSP) implica el uso de lentes, espejos u otros aparatos opticos para enfocar radiacion solar desde una gran area incidente sobre un area pequena. La energfa procedente de la radiacion solar se utiliza entonces para generar energfa electrica. La energfa solar concentrada tiene el potencial de convertirse en una fuente de energfa importante en el futuro.
Ha habido muchas propuestas para la tecnologfa de ene^a solar concentrada. La tecnologfa que se cree que tiene el mayor potencial para proporcionar generacion de energfa de alta eficiencia es la central de energfa termica solar concentrada, tambien conocida comunmente como la central de energfa termica solar basada en un receptor central, la central de energfa de heliostatos y la torre de energfa solar. Esta tecnologfa implica el uso de un receptor de radiacion solar, montado encima de una torre, para recibir radiacion solar que es reflejada para que incida sobre el mismo mediante un conjunto de reflectores de seguimiento situados en un campo solar alrededor de la torre. Los reflectores de seguimiento son tfpicamente heliostatos y el conjunto de heliostatos se conoce comunmente como campo de heliostatos.
La figura 1 es una ilustracion esquematica de una central de energfa termica solar concentrada de vapor directo convencional en la que la radiacion solar es reflejada por un campo de heliostatos 2 para incidir sobre un receptor de radiacion solar 4 montado encima de una torre 6. La radiacion solar reflejada calienta directamente el agua que circula a traves del receptor de radiacion solar 4. Esto genera vapor sobrecalentado que es suministrado a un circuito de generacion de energfa 8 para accionar un grupo electrogeno de turbina de vapor 10, y de ese modo generar energfa electrica, en un modo bien conocido, utilizando el ciclo de Rankine. Ademas del grupo electrogeno de turbina de vapor 10, el circuito de generacion de energfa 8 incluye un condensador de aire enfriado 12 y un calentador de agua de alimentacion 14.
Las centrales de energfa termica solar concentrada de vapor directo solo pueden funcionar eficazmente durante las horas diurnas, en los momentos en los que la radiacion solar disponible reflejada por el campo de heliostatos 2 que incide sobre el receptor de radiacion solar 4 es suficiente para generar vapor sobrecalentado a la presion y a la temperatura requeridas en el circuito de generacion de energfa 8. Esto se debe a que el vapor a alta presion y a alta temperatura no se puede almacenar facilmente para su uso posterior.
Para superar este inconveniente, se han propuestos centrales de energfa termica solar concentrada de vapor directo con capacidad de almacenamiento de energfa. Estas centrales utilizan fluido de almacenamiento de energfa termica con alta capacidad de calor espedfico, tfpicamente sal fundida o una mezcla de diferentes sales fundidas, para el almacenamiento de energfa. La energfa termica se almacena durante un ciclo de carga mediante el calentamiento de la sal fundida y la energfa termica se recupera posteriormente durante un ciclo de descarga para calentar agua y de ese modo generar vapor. El vapor generado se utiliza despues para accionar un grupo electrogeno de turbina de vapor para generar energfa electrica.
Durante el ciclo de carga, una parte de vapor sobrecalentado generado por el receptor de radiacion solar es suministrado directamente al grupo electrogeno de turbina de vapor para la generacion de energfa electrica. En este sentido, la central de energfa termica solar funciona de manera muy similar a la central de energfa termica solar de vapor directo convencional descrita anteriormente con referencia a la figura 1. La parte restante de vapor sobrecalentado es suministrado a un primer intercambiador de calor que extrae la energfa termica del vapor sobrecalentado y la transfiere a la sal fundida. La sal fundida caliente es almacenada en un recipiente de almacenamiento aislado. Durante el ciclo de descarga, cuando el vapor sobrecalentado no puede ser suministrado directamente por el receptor de radiacion solar al grupo electrogeno de turbina de vapor para la generacion de energfa electrica debido a la falta de radiacion solar reflejada que incide sobre el receptor de radiacion solar, la energfa termica es recuperada de la sal fundida caliente mediante un segundo intercambiador de calor y la energfa termica recuperada es utilizada para calentar agua, y de ese modo generar vapor sobrecalentado. Como ya se ha indicado anteriormente, este vapor sobrecalentado es suministrado al grupo electrogeno de turbina de vapor para la generacion de energfa electrica.
A fin de que las centrales de energfa termica solar de este tipo funcionen con la maxima eficacia, la temperatura y la presion del vapor que se genera durante el ciclo de descarga debenan ser de preferencia sustancialmente las mismas que la temperatura y la presion del vapor que es generado por el receptor de radiacion solar durante las
horas diurnas y suministrado directamente al grupo electrogeno de turbina de vapor para la generacion de ene^a electrica. Sin embargo, debido al modo en el que el fluido de almacenamiento de ene^a termica es calentado mediante la recuperacion de energfa termica del vapor en un intercambiador de calor, la temperatura maxima que puede ser alcanzada por el fluido de almacenamiento de energfa termica es significativamente menor que la 5 temperatura maxima del vapor a partir del cual se recupera energfa. Esto da como resultado lo que se conoce como una 'perdida de punto de estriccion' y se produce porque a medida que el vapor sobrecalentado se enfna en el intercambiador de calor, cambia de estado a un vapor saturado. Durante este cambio de estado, cuando se libera calor latente, la temperatura del vapor no disminuye, sino que la temperatura del fluido de almacenamiento de energfa termica, sal fundida, aumenta monotonicamente. Debido a esta falta de coincidencia de comportamiento 10 termico entre los dos fluidos en el intercambiador de calor, la temperatura mas alta que puede alcanzar la sal fundida es mucho menor que la temperatura del vapor sobrecalentado de entrada, dando esto lugar a una recuperacion de temperatura reducida. El efecto de esta 'perdida de punto de estriccion' se ilustra mediante el diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) mostrado en la figura 2 en la que las flechas son indicativas de la transferencia de energfa termica desde el vapor (curva A) al fluido de almacenamiento de energfa termica. El fluido de 15 almacenamiento de energfa termica se calentana idealmente de acuerdo con la lmea B a medida que el vapor se enfna. Sin embargo, debido a la fase de calor latente durante el enfriamiento de vapor (la parte relativamente plana de la curva A), el fluido de almacenamiento de energfa termica se calienta de acuerdo con la lmea C y, por tanto, alcanza una temperatura maxima significativamente menor que la temperatura maxima ideal indicada con la lmea B.
En consecuencia, cuando posteriormente se recupera energfa termica del fluido de almacenamiento de energfa 20 termica durante el ciclo de descarga para generar vapor para el grupo electrogeno de turbina de vapor, el vapor generado alcanza una temperatura y una presion significativamente mas bajas que el vapor sobrecalentado que se utilizo para calentar la sal fundida. Esto reduce la eficacia de este tipo de central de energfa termica solar. En algunas circunstancias, la presion de vapor mas baja en el circuito de generacion de energfa puede ser insuficiente para el funcionamiento del grupo electrogeno de turbina de vapor a plena carga, lo que significa que el requisito de 25 generacion de energfa no se puede cumplir.
El documento CN 101 413 719 A describe un sistema de generacion de energfa solar con almacenamiento termico en dos etapas. El sistema comprende un subsistema de conversion fototermica, un subsistema de almacenamiento termico en dos etapas y un subsistema de energfa. El subsistema de conversion fototermica se utiliza para recibir y combinar energfa de radiacion solar, convirtiendo la radiacion solar recibida en energfa termica y transmitiendo la 30 energfa termica al subsistema de energfa o al subsistema de almacenamiento termico en dos etapas.
Sena, pues, deseable proporcionar una central de energfa termica solar que tenga una eficiencia de funcionamiento mejorada.
35 Resumen de la descripcion
De acuerdo con un aspecto, se proporciona una central de energfa termica solar que comprende: una torre;
una pluralidad de heliostatos que rodean la torre y forman un campo de heliostatos;
40 un receptor de radiacion solar montado en la torre para recibir la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos;
un circuito de generacion de energfa que incluye una turbina de vapor para accionar un generador electrico para producir energfa electrica, pudiendo ser calentada el agua que circula a traves del receptor de radiacion solar directamente mediante radiacion solar reflejada sobre el receptor de radiacion solar por el campo de heliostatos para 45 generar vapor sobrecalentado para accionar la turbina de vapor;
un circuito de almacenamiento de energfa que incluye un fluido de almacenamiento de energfa termica y un intercambiador de calor para recibir una parte de vapor sobrecalentado desviado del circuito de generacion de energfa y para transferir calor desde el vapor sobrecalentado desviado al fluido de almacenamiento de energfa termica;
50 en el que el intercambiador de calor puede funcionar para enfriar el vapor sobrecalentado desviado a una temperatura por encima de su temperatura de saturacion para que el vapor salga del intercambiador de calor en su estado sobrecalentado.
De acuerdo con un segundo aspecto, se proporciona un metodo de funcionamiento de una central de energfa termica solar que comprende:
55 una torre;
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una pluralidad de heliostatos que rodean la torre y forman un campo de heliostatos;
un receptor de radiacion solar montado en la torre para recibir la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos;
un circuito de generacion de energfa que incluye una turbina de vapor para accionar un generador electrico para producir energfa electrica; y
un circuito de almacenamiento de ene^a que incluye un fluido de almacenamiento de energfa termica y un intercambiador de calor para recibir vapor sobrecalentado desviado del circuito de generacion de energfa y para transferir calor desde el vapor sobrecalentado hasta el fluido de almacenamiento de energfa termica;
en el que el metodo de funcionamiento comprende:
hacer circular agua a traves del receptor de radiacion solar de manera que el agua sea calentada directamente mediante la radiacion solar reflejada sobre el receptor de radiacion solar por el campo de heliostatos para generar vapor sobrecalentado;
suministrar una primera parte del vapor sobrecalentado a la turbina de vapor en el circuito de generacion de energfa; y
desviar una segunda parte del vapor sobrecalentado al intercambiador de calor en el circuito de almacenamiento de energfa;
enfriar el vapor sobrecalentado desviado en el intercambiador de calor hasta una temperatura superior a su temperatura de saturacion para que el vapor salga del intercambiador de calor en su estado sobrecalentado.
Debido a que el vapor sobrecalentado desviado al intercambiador de calor es enfriado a una temperatura por encima de su temperatura de saturacion (para una presion de vapor dada), no cambia de estado a un vapor saturado y la energfa termica es transferida desde el vapor hasta el fluido de almacenamiento de energfa termica solamente mientras que el vapor esta en su estado sobrecalentado. La 'perdida de punto de estriccion' descrita anteriormente, que surge en centrales de energfa termica solar convencionales cuando el vapor sobrecalentado es enfriado a una temperatura de o por debajo de su temperatura de saturacion y cambia de estado a un vapor saturado, es asf eliminada maximizando de ese modo la transferencia de calor desde el vapor hasta el fluido de almacenamiento de energfa termica. La eficacia de funcionamiento de la central de energfa termica solar es asf mejorada significativamente.
La cantidad de vapor sobrecalentado desviado del circuito de generacion de energfa al circuito de almacenamiento de energfa se puede variar dependiendo de la cantidad de radiacion solar disponible reflejada por el campo de heliostatos sobre el receptor de radiacion solar. En particular, en condiciones soleadas, cuando la cantidad de radiacion solar reflejada sobrepasa la cantidad necesaria para calentar el agua que circula a traves del receptor de radiacion solar para generar vapor sobrecalentado a fin de hacer funcionar la turbina de vapor a plena carga, el exceso de vapor sobrecalentado que se produce a partir del exceso de radiacion solar es desviado durante un ciclo de carga al intercambiador de calor en el circuito de almacenamiento de energfa.
La central de energfa termica solar puede incluir un dispositivo de precalentamiento para suministrar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar. El uso de agua de alimentacion precalentada en el receptor de radiacion solar reduce el choque termico y por lo general aumenta la eficiencia de funcionamiento de la central de energfa termica solar.
El dispositivo de precalentamiento puede comprender un calentador de agua de alimentacion. El calentador de agua de alimentacion puede funcionar para mezclar el vapor sobrecalentado procedente del intercambiador de calor con agua para proporcionar el agua de alimentacion precalentada. Mediante la mezcla de vapor sobrecalentado con agua a una temperatura relativamente baja, el vapor sobrecalentado puede ser enfriado a una temperatura por debajo de su temperatura de saturacion para que el calor pueda ser transferido del vapor al agua. El vapor sobrecalentado normalmente cambia de estado a agua saturada a medida que se enfna. El agua de alimentacion precalentada resultante puede ser bombeada al receptor de radiacion solar que esta encima de la torre de un modo simple usando una bomba de agua de alimentacion.
El dispositivo de precalentamiento puede comprender, alternativamente, un eyector de vapor que puede funcionar para mezclar el vapor sobrecalentado procedente del intercambiador de calor con agua a temperatura relativamente baja. La corriente de fluido resultante del eyector de vapor puede ser inyectada al receptor de radiacion solar que esta encima de la torre. Un eyector de vapor es un dispositivo bien conocido que mezcla el vapor sobrecalentado con el agua y produce el agua mezclada a una alta presion suficiente que puede ser inyectada en el receptor de radiacion solar que esta encima de la torre. Para vapor a alta presion, un eyector de vapor puede ser en ciertos casos mas eficiente, para mezclar, que unicamente un simple calentador de agua de alimentacion.
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El dispositivo de precalentamiento puede funcionar para mezclar el vapor sobrecalentado procedente del intercambiador de calor con agua condensada procedente de la turbina de vapor para proporcionar el agua de alimentacion precalentada. El agua condensada resultante de la posterior condensacion del vapor expandido en la turbina de vapor es, por tanto, reutilizada de manera ventajosa en un ciclo cerrado. Normalmente, el agua condensada es suministrada directamente desde un condensador aguas abajo de la turbina de vapor al dispositivo de precalentamiento durante el ciclo de carga, cuando una parte del vapor sobrecalentado es desviado desde el circuito de generacion de energfa al circuito de almacenamiento de energfa.
En circunstancias en las que la presion del vapor es de aproximadamente 140 bares, el intercambiador de calor puede funcionar para enfriar el vapor sobrecalentado desviado hasta una temperatura de entre aproximadamente 330 °C y 350 °C en la salida del intercambiador de calor. El vapor que sale del intercambiador de calor permanece en un estado sobrecalentado a la presion y en la gama de temperaturas antes mencionadas.
La temperatura del agua suministrada al dispositivo de precalentamiento, por ejemplo agua condensada desde el condensador aguas abajo de la turbina de vapor, puede oscilar entre aproximadamente 50 °C y 80 °C.
Cuando el vapor sobrecalentado en la gama de temperaturas antes mencionada de entre aproximadamente 330 °C y 350 °C, se mezcla en el dispositivo de precalentamiento con agua relativamente fna a una temperatura de entre aproximadamente 50 °C y 80 °C, la temperatura del agua de alimentacion precalentada resultante puede ser de entre aproximadamente 240 °C y 320 °C. Las temperaturas reales pueden variar de acuerdo con la cantidad de vapor sobrecalentado que es desviado del circuito de generacion de energfa al circuito de almacenamiento de energfa (es decir, la relacion entre el caudal masico de vapor sobrecalentado utilizado en el circuito de generacion de energfa para la generacion de energfa electrica y el caudal masico de vapor sobrecalentado desviado al circuito de almacenamiento de energfa).
Como alternativa al uso del vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor para precalentar agua de alimentacion, por ejemplo, en un calentador de agua de alimentacion o eyector de vapor, la central de energfa termica solar podna estar dispuesta de manera que el vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor sea suministrado directamente a la turbina de vapor para su expansion en la turbina de vapor. En estas circunstancias, el vapor sobrecalentado podna ser inyectado directamente en una de las etapas de la turbina de vapor para su expansion en la etapa de turbina de vapor. Dado que el vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor ya no se utiliza para precalentar agua de alimentacion, la central de energfa termica solar puede incluir un calentador de agua de alimentacion adicional para proporcionar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar y el calentador de agua de alimentacion adicional puede estar dispuesto para mezclar agua condensada procedente de la turbina de vapor con vapor extrafdo entre una o mas etapas de la turbina de vapor.
Una realizacion del metodo de funcionamiento de acuerdo con el segundo aspecto puede comprender la mezcla del vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor con agua para proporcionar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar. Normalmente, el agua de alimentacion precalentada es calentada en el receptor de radiacion solar durante dicha etapa de circulacion para generar el vapor sobrecalentado. El choque termico en el receptor de radiacion solar es, de ese modo, minimizado y la eficiencia de funcionamiento de la central de energfa termica solar es aumentada como se ha mencionado anteriormente.
El metodo de funcionamiento puede comprender la mezcla del vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor con agua condensada producida por la condensacion de vapor expandido en la turbina de vapor, para proporcionar con ello el agua de alimentacion precalentada. Como se ha indicado anteriormente, el agua condensada puede ser suministrada directamente desde el condensador sin ningun tipo de precalentamiento intermedio.
El vapor sobrecalentado y el agua normalmente se mezclan en un calentador de agua de alimentacion. El calentador de agua de alimentacion podna ser un calentador de agua de alimentacion abierto o un calentador de agua de alimentacion cerrado, aunque puede ser preferible un calentador de agua de alimentacion abierto.
El vapor sobrecalentado y el agua podnan, alternativamente, ser mezclados utilizando un eyector de vapor. Esto proporcionana una corriente de presion mayor de fluido mezclado resultante. En ciertas condiciones de funcionamiento de vapor y de tamanos de central, podna ser preferible la mezcla usando un eyector de vapor en lugar de un calentador de agua de alimentacion.
Una realizacion alternativa del metodo de funcionamiento de acuerdo con el segundo aspecto puede comprender el suministro de vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor a la turbina de vapor para su expansion en la turbina de vapor. La expansion del vapor sobrecalentado en la turbina de vapor favorece la generacion de energfa electrica y aumenta la eficacia de funcionamiento de la central de energfa termica solar.
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En esta realizacion alternativa, el agua condensada procedente del condensador situado aguas abajo de la turbina de vapor se puede mezclar con vapor extrafdo de entre una o mas etapas de la turbina de vapor para proporcionar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar.
El fluido de almacenamiento de energfa termica es tipicamente un Uquido. El lfquido de almacenamiento de ene^a termica puede ser una sal fundida, que puede, por ejemplo, ser calentada a una temperatura maxima de funcionamiento de aproximadamente 580 °C para el almacenamiento eficaz de energfa termica. La sal fundida puede ser una sal de nitrato o una sal de carbonato, aunque otras formas de sal fundida, tales como mezclas de sales, estan enteramente dentro del ambito de aplicacion de la presente descripcion.
El circuito de almacenamiento de energfa puede incluir dos lugares de almacenamiento de fluido para el fluido de almacenamiento de energfa termica, uno de los cuales puede ser un deposito de almacenamiento de fluido a alta temperatura y otro de los cuales puede ser un deposito de almacenamiento de fluido a temperatura relativamente inferior. El circuito de almacenamiento de energfa puede incluir alternativamente ambos lugares de almacenamiento de fluido en un solo deposito de almacenamiento de fluido termoclina, por ejemplo con fluido a alta temperatura en la parte superior y fluido a baja temperatura en la parte inferior, aunque estas soluciones de almacenamiento de deposito unico estan todavfa en desarrollo. El intercambiador de calor puede estar previsto en el circuito de almacenamiento de energfa entre los lugares de almacenamiento de fluido a alta temperatura y a baja temperatura, permitiendo que la energfa termica sea transferida desde el vapor sobrecalentado hasta el fluido de almacenamiento de energfa termica a medida que circula por el circuito de almacenamiento de energfa desde el lugar de almacenamiento de fluido a baja temperatura al lugar de almacenamiento de fluido a alta temperatura. El circuito de almacenamiento de energfa puede incluir un intercambiador de calor adicional que puede funcionar para recuperar energfa termica procedente del fluido de almacenamiento de energfa termica a medida que circula en el circuito de almacenamiento de energfa desde el lugar de almacenamiento de fluido de alta temperatura hasta el lugar de almacenamiento de fluido a baja temperatura.
La energfa termica recuperada por el intercambiador de calor adicional puede ser utilizada para cualquier proposito deseado, aunque de manera conveniente es mas utilizada para generar vapor para el circuito de generacion de energfa de la central de energfa termica solar, durante el ciclo de descarga, en momentos en los que la radiacion solar insuficiente es reflejada en el receptor de radiacion solar para generar vapor sobrecalentado a la temperatura y presion requeridas para el circuito de generacion de energfa, por ejemplo, durante las horas nocturnas o en dfas nublados. En consecuencia, el intercambiador de calor adicional puede estar dispuesto para generar vapor sobrecalentado para el circuito de generacion de energfa y puede estar dispuesto para suministrar el vapor sobrecalentado al circuito de generacion de energfa para su expansion en la turbina de vapor.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una ilustracion esquematica de una central de energfa termica solar concentrada de vapor directo convencional;
La figura 2 es un diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) para una central de energfa termica solar concentrada de vapor directo convencional que ilustra la transferencia de energfa termica desde vapor a un fluido de almacenamiento de energfa termica durante un ciclo de carga;
La figura 3 es una ilustracion esquematica de una central de energfa termica solar de acuerdo con la presente descripcion;
La figura 4 es un diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) para la central de energfa termica solar mostrada en la figura 3 que ilustra la transferencia de energfa termica desde vapor sobrecalentado a un fluido de almacenamiento de energfa termica durante un ciclo de carga; y
La figura 5 es un diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) para la central de energfa termica solar mostrada en la figura 3 que ilustra la transferencia de energfa termica desde el fluido de almacenamiento de energfa termica al agua para producir vapor sobrecalentado durante un ciclo de descarga.
Descripcion detallada de realizaciones preferidas
A continuacion, se describiran realizaciones preferidas solo a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos que se acompanan.
Con referencia a la figura 3, se muestra una central de energfa termica solar 20 que comprende una torre 22 y un campo de heliostatos 24 que rodea la torre 22. El campo de heliostatos 24 comprende una pluralidad de heliostatos de seguimiento individuales 26 y la posicion de cada heliostato 26 se ajusta mediante un sistema de seguimiento controlado por ordenador programado de manera adecuada para seguir el movimiento del sol. Un receptor de radiacion solar 28 esta montado en la parte superior de la torre 22 y la radiacion solar es reflejada por el campo de heliostatos 24 para incidir sobre el receptor de radiacion solar 28.
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La central de energfa 20 incluye un circuito de vapor de generacion de energfa 30 para generar ene^a electrica. El circuito de vapor de generacion de energfa 30 incluye un sistema de generacion de energfa 32 a traves del cual se hace circular vapor sobrecalentado para generar con ello energfa electrica, y el sistema de generacion de energfa 32 comprende tfpicamente una turbina de vapor 34 que tiene unas etapas de presion alta (HP) y de presion intermedia y baja (IP / LP) a traves de las cuales se expande el vapor sobrecalentado, y un generador electrico 36 accionado por la turbina de vapor 34. El circuito de vapor de generacion de energfa 30 tambien incluye un condensador de aire enfriado 38 y un calentador de agua de alimentacion 40.
La central de energfa 20 incluye un circuito de almacenamiento de energfa 42 que utiliza sal fundida como fluido de almacenamiento de energfa termica. El circuito de almacenamiento de energfa 42 incluye un deposito de almacenamiento de sal caliente aislante 44 y un deposito de almacenamiento de sal relativamente fna 46. Un primer intercambiador de calor 48 esta previsto para transferir calor a la sal fundida fna a medida que fluye en el circuito de almacenamiento de energfa 42 desde el deposito de almacenamiento en fno 46 al deposito de almacenamiento de sal caliente 44 y un segundo intercambiador de calor 50 esta previsto para recuperar calor de la sal fundida caliente a medida que fluye en el circuito de almacenamiento de energfa 42 desde el deposito de almacenamiento de sal caliente 44 al deposito de almacenamiento de sal fna 46.
La central de energfa termica solar 20 puede funcionar en diferentes modos en funcion de las necesidades de generacion de energfa establecidas y de la cantidad de radiacion solar que se encuentre disponible.
Durante las horas diurnas, la central de energfa 20 puede funcionar en un modo de funcionamiento combinado generacion/almacenamiento, siempre que exista una cantidad suficiente de radiacion solar. En este modo de funcionamiento, el agua que circula en el receptor de radiacion solar 28 es calentada mediante la energfa termica resultante de la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos 24 para incidir sobre el receptor de radiacion solar 28. Esto genera vapor sobrecalentado, tfpicamente a una presion de aproximadamente entre 120 y 175 bares y a una temperatura de aproximadamente entre 560 °C y 570 °C. En la realizacion ilustrada, el vapor sobrecalentado generado tiene una presion de aproximadamente 140 bares y una temperatura de aproximadamente 565 °C.
Con el fin de calentar directamente el agua que circula en el receptor de radiacion solar 28, el receptor de radiacion solar 28 incluye tfpicamente una pluralidad de paneles de receptor conectados en serie, que pueden, por ejemplo, estar dispuestos circunferencialmente alrededor del receptor de radiacion solar 28. Cada uno de los paneles de receptor comprende una pluralidad de tubos paralelos de pequeno diametro dispuestos verticalmente que estan conectados por sus extremos superior e inferior mediante cabezales. El agua que circula en el receptor de radiacion solar 28 fluye a traves de los tubos en los paneles de receptor donde es calentada directamente por la energfa termica resultante de la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos 24 para incidir sobre los paneles de receptor. Aunque se pueden preferir multiples paneles de receptor circunferencialmente dispuestos, se podna proporcionar un unico panel de receptor.
Una parte elevada del caudal masico de vapor sobrecalentado es suministrado directamente al grupo electrogeno de turbina de vapor para su expansion en la turbina de vapor 34. Como ya se ha indicado anteriormente, la expansion del vapor sobrecalentado en la turbina de vapor 34 acciona el generador electrico 36, generando de ese modo energfa electrica.
La parte restante del caudal masico de vapor sobrecalentado se desvfa desde el circuito de generacion de energfa 30 al circuito de almacenamiento de energfa 42 a traves de una valvula de desvfo 52. La valvula de desvfo 52 puede ser controlada para variar la relacion entre el caudal masico de vapor sobrecalentado suministrado directamente a la turbina de vapor 34 para la generacion de energfa electrica y el caudal masico de vapor sobrecalentado desviado al circuito de almacenamiento de energfa 42. En general, es posible desviar una parte mas grande del vapor sobrecalentado generado por el receptor de radiacion solar 28 al circuito de almacenamiento de energfa 42 durante penodos soleados, cuando la cantidad de radiacion solar disponible, y por tanto de vapor sobrecalentado, sobrepasa la que es necesaria para hacer funcionar la turbina de vapor 34 a plena carga.
El vapor sobrecalentado desviado al circuito de almacenamiento de energfa 42 es alimentado a traves del primer intercambiador de calor 48 durante un ciclo de carga. El vapor sobrecalentado es enfriado en el primer intercambiador de calor 48 y el calor es transferido desde el vapor sobrecalentado a la sal fundida a medida que circula desde el deposito de almacenamiento de sal fna 46 al deposito de almacenamiento de sal caliente 44. De acuerdo con la presente descripcion, el vapor sobrecalentado es enfriado en el primer intercambiador de calor 48 hasta una temperatura superior a su temperatura de saturacion para que el vapor que sale del primer intercambiador de calor 48 permanezca en su estado sobrecalentado. Como se ilustra claramente con el diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) mostrado en la figura 4, este enfoque innovador para calentar la sal fundida durante el ciclo de carga maximiza la transferencia de calor desde el vapor hasta la sal fundida y reduce sustancialmente la 'perdida de punto de estriccion' descrita anteriormente en esta memoria descriptiva con referencia al diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) de la figura 2. En particular, se vera a partir del diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) de la figura 4 que la lmea T- h (con la etiqueta D) para la sal fundida coincide estrechamente con la lmea T- h (con la etiqueta A) para el vapor en su estado sobrecalentado. Por consiguiente, la sal fundida alcanza una temperatura maxima que esta cerca de la temperatura maxima del vapor sobrecalentado. Por ejemplo, cuando el vapor sobrecalentado
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circulado a traves del intercambiador de calor (a una presion constante de aproximadamente 140 bares) tiene una temperature de entrada de aproximadamente 565 °C y una temperatura de salida de aproximadamente 337 °C, por encima de su temperatura de saturacion, la sal fundida puede alcanzar una temperatura maxima de 535 °C. Esto esta muy cerca de la temperatura de entrada del vapor sobrecalentado.
A fin de maximizar la eficacia de funcionamiento de la central de energfa termica solar 20, el vapor sobrecalentado procedente de la salida del primer intercambiador de calor 48 es suministrado a un calentador de agua de alimentacion 54 o a otro dispositivo de precalentamiento adecuado que suministre agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar. El vapor sobrecalentado que ha sido expandido a traves de las etapas de la turbina de vapor 34 es suministrado al condensador 38 para producir agua. En la realizacion ilustrada, la temperatura del agua condensada es de aproximadamente 68 °C, aunque la temperatura podna ser cualquiera dentro de la gama de entre aproximadamente 50 °C y aproximadamente 80 °C. Durante el modo de funcionamiento combinado generacion/almacenamiento, el agua condensada no pasa por el calentador de agua de alimentacion 40 y es suministrada directamente al calentador de agua de alimentacion 54, sin ser precalentada, donde es mezclada con el vapor sobrecalentado desde la salida del primer intercambiador de calor 48. La mezcla del vapor sobrecalentado y el agua condensada relativamente fna en el calentador de agua de alimentacion 54 recupera mas energfa termica del vapor sobrecalentado y calienta el agua condensada relativamente fna para proporcionar agua de alimentacion precalentada. El agua de alimentacion precalentada es entonces simplemente bombeada al receptor de radiacion solar 28 mediante una bomba de agua de alimentacion 56. En la realizacion ilustrada, la temperatura del agua de alimentacion precalentada es de entre aproximadamente 240 °C y aproximadamente 320 °C, dependiendo de la relacion entre el caudal masico de vapor sobrecalentado suministrado directamente a la turbina de vapor 34 para la generacion de energfa electrica y el caudal masico de vapor sobrecalentado desviado al circuito de almacenamiento de energfa 42. Naturalmente, es importante que la temperatura del agua en la salida del calentador de agua de alimentacion 54 no sobrepase la temperatura de condensacion a la presion dada para asegurar que la bomba de agua de alimentacion 56 pueda ser empleada para suministrar el agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar 28. La temperatura del agua de salida puede ser mayor en determinados casos si un eyector de vapor se utiliza como dispositivo de precalentamiento en lugar del calentador de agua de alimentacion 54.
A veces, cuando hay energfa solar suficiente para calentar directamente el agua que circula en los paneles de receptor del receptor de radiacion solar 28 para proporcionar vapor a la presion y a la temperatura deseadas para el funcionamiento efectivo de la central de energfa 20 en el modo descrito anteriormente, la central de energfa 20 puede funcionar en un modo de recuperacion de energfa para suministrar vapor sobrecalentado al sistema de generacion de energfa 32. En este modo de funcionamiento, el segundo intercambiador de calor 50 se utiliza para recuperar energfa termica de la sal fundida caliente durante un ciclo de descarga a medida que la sal fundida caliente fluye desde el deposito de almacenamiento de sal caliente 44 al deposito de almacenamiento de sal fna 46. Este modo de funcionamiento se utiliza normalmente durante las horas nocturnas, cuando la radiacion solar no esta disponible para generar vapor en el receptor de radiacion solar 28. Sin embargo, tambien se puede utilizar durante las horas diurnas si no hay radiacion solar suficiente para generar vapor en el receptor de radiacion solar 28 a la presion y a la temperatura deseadas para el circuito de generacion de energfa 30, por ejemplo durante condiciones nubladas.
Debido al enfoque innovador descrito anteriormente que se utiliza para calentar la sal fundida durante el ciclo de carga, el agua que circula a traves del segundo intercambiador de calor 50 se calienta de manera mas eficiente durante el ciclo de descarga generando asf vapor sobrecalentado a una temperatura mucho mas alta de la que es posible en la central de energfa termica solar convencional descrita anteriormente. Esto se ilustra claramente en el diagrama de temperatura - entalpfa (T- h) mostrado en la figura 5, en el que se puede observar que a medida que la sal fundida se enfna desde su temperatura de almacenado de 535 °C (lmea E) y calienta el agua que circula a traves del segundo intercambiador de calor 50 (lmea F), el vapor recalentado generado como resultado de la transferencia de calor alcanza una temperatura de 525 °C a una presion de 109 bares. Esta esta cerca de la temperatura de 565 °C del vapor sobrecalentado originalmente utilizado para calentar la sal fundida.
El vapor sobrecalentado generado por la transferencia de calor en el segundo intercambiador de calor 50 es suministrado directamente al circuito de generacion de energfa 30 en el que se expande en la turbina de vapor 34 para accionar el generador electrico 36 y de ese modo generar energfa electrica. El vapor expandido es suministrado al condensador 38 para producir agua de alimentacion para su recirculacion a la torre solar. El agua condensada es suministrada a continuacion al calentador de agua de alimentacion 40, donde es calentada por el vapor extrafdo de la turbina de vapor 34. El agua de alimentacion precalentada resultante es suministrada despues al segundo intercambiador de calor 50 para seguir calentandose en el modo descrito anteriormente, creando de ese modo un ciclo cerrado.
Se apreciara que mientras que la central de energfa 20 esta funcionando en el modo de recuperacion de energfa, el calentador de agua de alimentacion 54 esta inactivo.
Como entendera la persona experta en la materia, el calentador de agua de alimentacion 40 comprende intercambiadores de calor 401 a 405, en los que el agua de alimentacion es calentada mediante el vapor extrafdo de
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la turbina de vapor 34. En la realizacion ilustrada, se utilizan varias etapas de calentamiento de agua de alimentacion, en las que cada intercambiador de calor sucesivo 401 a 405 utiliza vapor purgado de una etapa de turbina diferente en orden ascendente de presion. Tambien ha de tenerse en cuenta que el calentador de agua de alimentacion 40 utiliza tambien el denominado principio de "desague en cascada", en el que el agua de alimentacion que fluye en cada intercambiador de calor 401 a 405 se pasa primero a traves de un modulo de recalentamiento correspondiente 406 a 410 para recalentar el vapor / agua que ha desaguado a traves del intercambiador de calor y que ha traspasado calor al agua de alimentacion. A partir de entonces, el desague es alimentado a un calentador de agua de alimentacion a presion inferior en la direccion aguas arriba con respecto al flujo de agua de alimentacion. El objetivo de estas medidas es reducir las diferencias de temperatura entre etapas de calentamiento de agua de alimentacion y con ello aumentar la eficiencia termodinamica de acuerdo con la Segunda Ley de la Termodinamica.
Tambien podra verse en la figura 3 que el agua de drenaje procedente del modulo de recalentamiento 408 es alimentada a un recipiente de mezcla 60, donde es mezclada con el agua de alimentacion procedente del intercambiador de calor 402 y condensado procedente de la lmea 61, recibido de la turbina de vapor 34. Mientras tanto, el drenaje procedente del primer modulo de recalentamiento 406 es reciclado en el agua de alimentacion en la salida del condensador 38.
Aunque se han descrito realizaciones ejemplares en los parrafos anteriores, debe entenderse que pueden hacerse diversas modificaciones a estas realizaciones sin apartarse del ambito de aplicacion de las reivindicaciones adjuntas. Por tanto, el alcance y el campo de aplicacion de las reivindicaciones no debenan limitarse a las realizaciones ejemplares descritas anteriormente. Cada caractenstica descrita en la memoria descriptiva, incluyendo las reivindicaciones y los dibujos, puede ser sustituida por caractensticas alternativas que sirvan para los mismos propositos, equivalentes o similares, a menos que se indique expresamente lo contrario.
Por ejemplo, durante el modo de funcionamiento combinado de generacion/almacenamiento, el vapor sobrecalentado procedente del primer intercambiador de calor 48 podna ser suministrado directamente a la turbina de vapor 34 para su expansion en la turbina de vapor 34. En este caso, se entendera que el vapor sobrecalentado es utilizado para favorecer directamente la generacion de energfa electrica, en lugar de para precalentar el agua de alimentacion suministrada al receptor de radiacion solar 28.
Las presiones y temperaturas del vapor en diferentes puntos de la central de energfa termica solar 20 se proporcionan unicamente con fines ilustrativos. Se debe entender que otras presiones y temperaturas del vapor estan enteramente dentro del ambito de aplicacion de las reivindicaciones adjuntas.
Aunque el fluido de almacenamiento de energfa termica es tipicamente una sal fundida, se podnan emplear otros fluidos de almacenamiento de energfa termica que tengan una alta capacidad de calor espedfico.
Con el fin de simplificar la construccion de las centrales de energfa termica solar 20 descritas anteriormente con referencia a la figura 3, los depositos de almacenamiento de sal caliente y de sal relativamente fna individuales 44, 46 podnan ser reemplazados, respectivamente, por un unico deposito de almacenamiento de sal fundida termoclina. En un deposito de almacenamiento de sal fundida termoclina, se almacena sal fundida caliente normalmente en la parte superior del deposito y la sal fundida mas fna se almacena normalmente en el fondo del deposito. En este caso, los intercambiadores de calor 48, 50 estaran dispuestos en un circuito que permita la circulacion de la sal fundida entre los lugares de almacenamiento calientes y fnos.
A menos que el contexto requiera claramente otra cosa, en toda la descripcion y las reivindicaciones, las palabras "comprende", "que comprende", y equivalentes, deben interpretarse en un sentido inclusivo en vez de en un sentido exclusivo o exhaustivo; es decir, en el sentido de "incluyendo, aunque no limitado a".

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    REIVINDICACIONES
    1. Central de energfa termica solar (20) que comprende: una torre (22);
    una pluralidad de heliostatos (26) que rodean la torre y forman un campo de heliostatos (24);
    un receptor de radiacion solar (28) montado en la torre (22) para recibir la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos (24);
    un circuito de generacion de energfa (30) que incluye una turbina de vapor (34) para accionar un generador electrico (36) a fin de producir energfa electrica, pudiendo ser calentada el agua que circula a traves del receptor de radiacion solar (28) directamente mediante radiacion solar reflejada sobre el receptor de radiacion solar (28) por el campo de heliostatos (24) para generar vapor sobrecalentado para accionar la turbina de vapor (34);
    un circuito de almacenamiento de energfa (42) que incluye un fluido de almacenamiento de energfa termica y un intercambiador de calor (48) para recibir una parte de vapor sobrecalentado desviado del circuito de generacion de energfa (30) y para transferir calor desde el vapor sobrecalentado desviado al fluido de almacenamiento de energfa termica;
    caracterizada por que el intercambiador de calor (48) puede funcionar para enfriar el vapor sobrecalentado desviado a una temperatura por encima de su temperatura de saturacion para que el vapor salga del intercambiador de calor (48) en su estado sobrecalentado.
  2. 2. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el intercambiador de calor (48) funciona para enfriar el vapor sobrecalentado desviado hasta una temperatura de entre aproximadamente 330 °C y 350 °C en la salida del intercambiador de calor (48) cuando la presion del vapor es de aproximadamente 140 bares.
  3. 3. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en la que la central de energfa termica solar (20) incluye un dispositivo de precalentamiento (54) para suministrar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar (28), funcionando el dispositivo de precalentamiento (54) para mezclar el vapor sobrecalentado procedente del intercambiador de calor (48) con agua para proporcionar el agua de alimentacion precalentada.
  4. 4. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 3, en la que la temperatura del agua de alimentacion precalentada suministrada por el dispositivo de precalentamiento (54) al receptor de radiacion solar (28) esta comprendida entre aproximadamente 240 °C y 320 °C.
  5. 5. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 3 o la reivindicacion 4, en la que el dispositivo de precalentamiento (54) funciona para mezclar el vapor sobrecalentado procedente del intercambiador de calor (48) con agua condensada procedente de la turbina de vapor (34) para proporcionar el agua de alimentacion precalentada.
  6. 6. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 5, en la que el agua condensada se suministra desde un condensador (38), colocado aguas abajo de la turbina de vapor (34), directamente al dispositivo de precalentamiento (54).
  7. 7. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 5 o la reivindicacion 6, en la que la temperatura del agua condensada es de entre aproximadamente 50 °C y 80 °C.
  8. 8. Central de energfa termica solar de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en la que la central de energfa termica solar (20) esta dispuesta para suministrar el vapor sobrecalentado que sale del intercambiador de calor (48) a la turbina de vapor (34) para su expansion en la turbina de vapor (34).
  9. 9. Metodo de funcionamiento de una central de energfa termica solar (20), comprendiendo la central: una torre (22);
    una pluralidad de heliostatos (26) que rodean la torre y forman un campo de heliostatos (24);
    un receptor de radiacion solar (28) montado en la torre (22) para recibir la radiacion solar reflejada por el campo de heliostatos (24);
    un circuito de generacion de energfa (30) que incluye una turbina de vapor (34) para accionar un generador electrico (36) a fin de producir energfa electrica; y
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    un circuito de almacenamiento de ene^a (42) que incluye un fluido de almacenamiento de ene^a termica y un intercambiador de calor (48) para recibir vapor sobrecalentado desviado del circuito de generacion de ene^a (30) y para transferir calor desde el vapor sobrecalentado hasta el fluido de almacenamiento de energfa termica;
    en el que el metodo de funcionamiento comprende las etapas de:
    hacer circular agua a traves del receptor de radiacion solar (28) de manera que el agua sea calentada directamente mediante la radiacion solar reflejada sobre el receptor de radiacion solar (28) por el campo de heliostatos (24) para generar vapor sobrecalentado;
    suministrar una primera parte del vapor sobrecalentado a la turbina de vapor (34) en el circuito de generacion de energfa (30); y
    desviar una segunda parte del vapor sobrecalentado al intercambiador de calor (48) en el circuito de almacenamiento de energfa (42);
    caracterizado por que el vapor sobrecalentado desviado es enfriado en el intercambiador de calor (48) hasta una temperatura superior a su temperatura de saturacion para que el vapor salga del intercambiador de calor (48) en su estado sobrecalentado.
  10. 10. Metodo de funcionamiento de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que despues de que el vapor sobrecalentado sale del intercambiador de calor (48), el vapor sobrecalentado se mezcla con agua para proporcionar agua de alimentacion precalentada al receptor de radiacion solar (28).
  11. 11. Metodo de funcionamiento de acuerdo con la reivindicacion 10, en el que el vapor sobrecalentado se mezcla con agua condensada procedente de la turbina de vapor (34) para proporcionar el agua de alimentacion precalentada.
  12. 12. Metodo de funcionamiento de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que el agua condensada se suministra directamente desde la turbina de vapor (34), sin precalentamiento, para mezclarse con el vapor sobrecalentado.
  13. 13. Metodo de funcionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que el vapor sobrecalentado y el agua se mezclan en un dispositivo de precalentamiento (54).
  14. 14. Metodo de funcionamiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que el agua de alimentacion precalentada se calienta en el receptor de radiacion solar (28) durante dicha etapa de circulacion para generar vapor sobrecalentado.
  15. 15. Metodo de funcionamiento de acuerdo con la reivindicacion 9, en el que despues de que el vapor sobrecalentado sale del intercambiador de calor (48), el vapor sobrecalentado es suministrado a la turbina de vapor (34) para su expansion dentro de la misma.
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