CONFIGURACIÓN

Sector técnico de la invención

La presente invención se enmarca en el campo de la tecnología solar y se refiere, en particular, a una configuración de los receptores solares en plantas de concentración solar de tecnología de torre para la producción de electricidad, de calor de proceso, de combustibles solares o para aplicación a procesos termoquímicos.

Antecedentes de la invención

En las plantas solares de energía solar termoeléctrica de torre, los receptores situados en la parte alta de una torre solar son los elementos encargados de recibir la radiación solar concentrada por el campo de heliostatos; convencionalmente, estos receptores pueden ser externos o de cavidad.

Lo receptores externos, como su nombre indica, se encuentran en contacto directo con la atmósfera, lo que en algunos casos origina perdidas por convección; sin embargo, los receptores externos pueden ser irradiados por toda su superficie.

Para reducir las pérdidas por radiación y convección, los receptores de media y alta temperatura suelen instalarse en el interior de cavidades, donde parte de la energía emitida por pérdidas es reabsorbida, gracias al aislamiento situado en las paredes de la cavidad, en los que se produce reflexión de la radiación, incidiendo dicha radiación de nuevo sobre los receptores. Sin embargo, el hecho de tener la cavidad aumenta el desbordamiento (o energía reflejada por los heliostatos hacia el receptor que no llega al mismo, por rebotar en las paredes internas o externas de la propia cavidad), por lo que aproximadamente entre un 2 y un 6% de la energía reflejada por el campo de heliostatos no llega ni siquiera al receptor. Además, en el caso de los receptores de cavidad, la irradiación del receptor se realiza por una sola cara dependiendo de cuál sea la orientación de la cavidad hacia el campo de heliostatos.

Las pérdidas más importantes en los receptores que trabajan con fluidos a media o alta temperatura son las pérdidas por radiación y convección (típicamente entre el 3 y el 10% cada una de ellas), mientras que son mínimas en receptores que trabajan con fluidos a baja temperatura.

Existe en el estado de la técnica la solicitud de patente internacional WO2012052588- A1 que define una configuración de paneles del receptor tal que permite que los paneles sean irradiados por ambas caras, convirtiéndose por tanto en un receptor externo, donde los propios paneles, constituyen las paredes de una cavidad simulada. En una realización preferente de dicha solicitud de patente internacional, los receptores irradiados por ambas caras son los receptores de vapor sobrecalentado, mientras que los receptores de vapor saturado se encuentran entre los de vapor sobrecalentado y son irradiados por una sola cara.

En la solicitud WO2013079744 se divulga una configuración de receptores de cavidad en la que cada cavidad cuenta con un receptor destinado a la producción de vapor sobrecalentado y otro para la producción de vapor saturado, situándose preferentemente el receptor de vapor sobrecalentado por encima del receptor de vapor saturado. Entre las diferentes cavidades, las paredes de separación se encuentran recubiertas de aislante para impedir el calentamiento de éstas por la radiación que no alcanza el receptor por pérdidas por desbordamiento, lo que supone además una mayor inversión en el receptor.

Tanto en la patente anteriormente mencionada como en la solicitud WO2010146201 A1 , las cavidades en las que se ubican los receptores se encuentran en voladizo, saliendo del perímetro de la torre (a modo de balcones).

Con el fin de maximizar la eficiencia de los receptores (ratio que se calcula como calor absorbido por el fluido dividido entre energía reflejada por el campo solar que llega a los receptores), la presente invención describe una configuración de receptores mixta que permite aprovechar las ventajas de los dos tipos de receptores (externo y cavidad) y minimizar los inconvenientes de éstos.

Descripción de la invención

La invención se refiere a una configuración de los receptores solares de torre de una planta de concentración de energía solar termoeléctrica, en la que la que el elemento concentrador es un campo de helióstatos que concentra la radiación solar sobre uno o varios receptores situados en la parte superior de la torre.

El fluido caloportador (agua, sales fundidas, aceite o cualquier otro) que circula por los receptores es bombeado hasta el nivel más alto de la torre, donde es calentado en los receptores hasta muy altas temperaturas (típicamente entre 400 y 700°C) con el fin de tener un ciclo termodinámico de conversión calor-electricidad muy eficiente.

En la presente invención se propone una configuración de receptores solares de torre que combina las ventajas del receptor de cavidad (menores pérdidas por radiación y convección) y las ventajas de los receptores externos (menores pérdidas por desbordamiento). Además, las cavidades son metálicas y no sobresalen del perímetro de la torre como en las torres convencionales, sino que se integran en el área comprendido o delimitado por el perímetro de la torre. La configuración de receptores solares de torre, la cual comprende receptores de baja temperatura, de media temperatura y de alta temperatura, se caracteriza porque los receptores de alta y media temperatura se ubican en el interior de las cavidades de la torre, mientras que los receptores de baja temperatura se ubican en la parte exterior de la torre, en el perímetro de la misma y de forma adyacente a las cavidades. Además, dichas cavidades se encuentran integradas dentro del perímetro de la torre, es decir, no se encuentran en forma de balcón o voladizo, y presentan distintas orientaciones.

En una planta de generación de vapor, los receptores de alta temperatura se denominan sobrecalentadores, los de media, evaporadores y las de baja, precalentadores.

Los receptores están formados por paneles. Preferiblemente, cada receptor de media y alta temperatura está formado por cuatro paneles y cada receptor de baja temperatura está formado por un único panel.

Dentro de cada cavidad, el receptor de alta temperatura se encuentra preferiblemente situado por encima del receptor de media temperatura.

Los receptores de media y alta temperatura, ubicados en las cavidades, están orientados preferiblemente en una dirección cardinal (Norte, Sur, Este y Oeste), mientras que los de baja temperatura, ubicados en el exterior de la torre y de forma adyacente a la apertura de las cavidades, están orientados en direcciones intermedias (Noreste, Noroeste, Sureste, Suroeste)

Preferiblemente, los receptores de baja temperatura forman con respecto a la pared de la cavidad adyacente un ángulo de entre 75° y 105°, tal que permite maximizar la energía absorbida a la vez que se consigue la máxima eficiencia. Asimismo, la máxima eficiencia se consigue minimizando el área del receptor, consiguiendo que los receptores de baja temperatura situados en el exterior, entre dos cavidades, solapen entre sí (así no habrá energía que no incide en paneles). El óptimo en cuanto a tamaño y disposición angular de los receptores de baja temperatura se consigue por, tanto, haciendo que éstos tengan un extremo lateral situado en el extremo de la cavidad propia adyacente, y el otro extremo pegado o en contacto al extremo lateral de otro receptor solar de baja temperatura situado al lado. El hecho de optimizar el tamaño de los receptores solares de baja temperatura no sólo permite maximizar la eficiencia sino también minimizar el precio de dichos paneles, puesto que se requiere menor material durante su fabricación.

En esta configuración novedosa el fluido que viene de la bomba a relativamente baja temperatura (entre 1 10°C y 160 °C) es conducido hasta receptores de baja temperatura situados en el exterior y de forma adyacente a la apertura de las cavidades. Como en estos receptores de baja temperatura el fluido se va a calentar hasta temperaturas inferiores a los 270°C, las pérdidas por radiación y convección serán bajas. En cambio, la ganancia de energía es muy elevada, ya que en estos receptores el fluido se calienta con la energía que proviene del desborde que se produce en las cavidades donde se encuentran los receptores de media y alta temperatura (evaporadores y sobrecalentadores respectivamente en el caso de una central solar que genere vapor). De esta manera se aprovecha más del 90% de la energía que antes se perdía por desborde.

Con esta configuración de receptores se mejoran las eficiencias típicas de receptores en cavidad de altas temperaturas entre un 2 y un 7%, puesto que se eliminan más del 90% de las pérdidas por desborde que se tienen en las configuraciones con cavidad que son ahora aprovechadas por los receptores de baja temperatura. Además esta configuración permite un gran ahorro en cuanto al aislamiento a instalar en la parte externa de las torres con receptores en cavidades, puesto que el aislamiento que es necesario para proteger las zonas de la torre que separan las cavidades desaparece, y ha sido sustituido por receptores de baja temperatura que aprovechan la energía de desborde. Por otro lado se mejoran entre el 0.5 y el 3% los autoconsumos eléctricos de las bombas que impulsan el fluido hacia la torre ya que al tener este calentamiento extra del fluido en los receptores de baja temperatura, el fluido disminuye su densidad en la zona alta de la torre y se facilita la impulsión del mismo.

Otra de las ventajas de este tipo de receptor mixto es que se mejora la eficiencia (concretamente el efecto coseno y la atenuación atmosférica) de algunos helióstatos del campo solar puesto que pueden emplearse campos circulares (como es normalmente el caso en este tipo de receptores). El punto de enfoque de los helióstatos situados cerca de los ejes Sureste-Noroeste y Suroeste-Noreste del campo solar estará mucho más cerca de estos ejes que en los casos en que no existieran los receptores externos de baja temperatura y estos helióstatos tuvieran que enfocar al centro de las cavidades. Esto hace que se mejore el efecto coseno de la mayoría de helióstatos que apunten hacia los precalentadores externos. Además, como el punto de enfoque de los receptores externos de baja temperatura estará físicamente más cerca que un punto de enfoque situado en las cavidades, las pérdidas por atenuación atmosférica serán también menores.

Por último, cabe destacar que con esta configuración se consigue un gran ahorro en cuanto al coste de las cavidades en sí, ya que anteriormente se hacían de hormigón y se situaban en voladizo saliendo del perímetro de la torre, y con el nuevo diseño se hacen de metal, acero preferiblemente, dentro del perímetro de la torre. El hecho de hacer las cavidades de acero proporciona gran flexibilidad en cuanto a las formas que pueden tener las cavidades, por lo que es mucho más sencillo construirlas para que alberguen en su interior un tipo de receptor (de cavidad) y dejen hueco en el exterior para el otro tipo (receptor externo).

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña un juego de figuras donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1 : Muestra la configuración de receptor y cavidades de la presente invención Figura 2: Vista de un corte transversal de una torre solar con la configuración de receptores de la presente invención

Figura 3: Planta de heliostatos circular

Las referencias que aparecen en los dibujos son las siguientes:

1. - Cavidad

2. - Radiación

3. - Receptor de alta temperatura (o sobrecalentador)

4. - Receptor de baja temperatura (o precalentador)

5. - Perímetro de la torre

6. - Receptor de media temperatura (o evaporador)

H.- Heliostatos

Descripción de una realización preferida

Para lograr una mayor comprensión de la invención, se describe a continuación el diseño de una torre de planta solar para una potencia nominal de 140 MWe con la configuración mixta de receptores cavidad-externo.

La torre consta de ocho receptores de baja temperatura (4), cuatro receptores de media temperatura (6) y cuatro receptores de alta temperatura (3).

Los receptores de media (6) y alta temperatura (3) constan de cuatro paneles cada uno y se encuentran situados dentro de las cavidades de la torre. Es decir, la torre, que tiene cuatro cavidades (1), alberga un receptor de alta (3) y uno de media (6) temperatura en cada cavidad (se albergan dos a dos en cada cavidad).

Los cuatro paneles que conforman cada receptor de alta temperatura (3) se encuentran situados por encima de los receptores de media temperatura (6) dentro de cada cavidad (1). Los receptores de media (6) y alta temperatura (3) están orientados en una dirección cardinal: Norte, Este, Sur y Oeste.

Cada receptor de baja temperatura (4) está formado por un único panel. Estos receptores (4) se sitúan en la parte exterior de la torre de forma adyacente a las aperturas de las cavidades (1). En este caso particular, entre dos cavidades (1) diferentes se sitúan dos receptores de baja temperatura (4) que deben formar con respecto a la pared de la cavidad adyacente un ángulo tal que se maximice la energía absorbida a la vez que se consigue la máxima eficiencia. Este ángulo varía típicamente entre los 75 y los 105° (siempre que un extremo lateral del panel esté situado en el extremo de la cavidad propia, y el otro extremo sobre la mediatriz del segmento que une los extremos más cercanos de cavidades adyacentes), de manera que ese extremo lateral de un receptor de baja temperatura (4) solape con el extremo lateral del receptor de baja temperatura (4) que tiene al lado. De esta manera se consigue solapar paneles de baja temperatura situados entre dos cavidades contiguas además de minimizar el área de panel necesaria.

Los ocho receptores de baja temperatura (4) están orientados en direcciones intermedias entre los receptores de media (6) y alta temperatura (3) Noreste, Noroeste, Sureste, Suroeste).

En la parte central y más alta de la torre se sitúa un calderín o separador para separar las fases agua-vapor que se producen en los receptores de media temperatura, situados entre 10 y 30 m por debajo del calderín.

Los paneles de los receptores de baja temperatura (4) están formados por tubos verticales con diámetros de tubo típicos entre los 40 y los 70 mm. El hecho de tener tubos verticales en un solo paso es ventajoso, ya que, como el fluido se va calentando a medida que asciende por los paneles, disminuye su densidad, favoreciendo así su elevación por circulación natural, y, por tanto, los autoconsumos eléctricos asociados a la bomba que debe impulsar el fluido disminuyen.

Los helióstatos de la planta termosolar tienen una disposición circular en el campo (figura 3). La mayoría de ellos (entre el 70 y el 90%) tendrán como puntos de enfoque puntos interiores a las cavidades (1), pero los helióstatos más cercanos a los ejes Noreste y Noroeste apuntarán a los receptores externos de baja temperatura (4).

Para esos helióstatos (H) que enfocan a los receptores de baja temperatura externos (4), se ve mejorado el efecto coseno con respecto a los campos del estado del arte, en los que todos los helióstatos son enfocados al interior de las cavidades.

Las cavidades (1), como se observa en la figura 2, están emplazadas dentro del perímetro (5) de la torre y están fabricadas de acero recubierto por aislamiento interno dentro de éstas. El acero por la parte externa de las cavidades (1) va al aire, ya que es imposible que llegue radiación alguna puesto que ésta es absorbida en los receptores de baja temperatura (4).