| WO/2004/085846 | FLOATING SOLAR CHIMNEY |
| WO/2011/120531 | THE SOLAR SHELL |
| WO/1999/011927 | ELECTRIC CURRENT PRODUCTION AND RECUPERATION OF WATER IN THE ATMOSPHERE USING SOLAR AND WIND ENERGY |
| REIVINDICACIONES Γ TORRE SOLAR GENERADORA DE ELECTRICIDAD Y AGUA POTABLE DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO, torre solar del tipo de ascensión de aire o efecto chimenea (10) caracterizado por incorporar una turbina de gas en su interior (14) y que su estructura se adapta a los equipos que la conforman para generar energía eléctrica y agua: intercambiador de calor (15) con depósito de almacenaje de energía calorífica (21) y bomba de circuito cerrado (24); equipo de frío con generador o evaporador (16), absolvedor (23), bomba (25) conductos de refrigerante (18), condensador (9) y placas que componen el evaporador (7,4, 3), porque se ha incorporado filamentos metálicos (20) en la zona de combustión solar (13); y porque la altura de la torre solar es de 40 a 180 metros 2a TORRE SOLAR GENERADORA DE ELECTRICIDAD Y AGUA POTABLE DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO, según reivindicación Ia caracterizado por llevar incorporado, una turbina de gas en su interior y se utiliza energía solar en su zona de combustión (13). 3a TORRE SOLAR GENERADORA DE ELECTRICIDAD Y AGUA POTABLE DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO, según reivindicación Ia y 2a caracterizado por llevar incorporado en la zona de combustión (13), de la turbina (14), una estructura de rejillas, varillas, o filamentos metálicos (20) que llenan la zona de combustión (13) y rodean el eje de la turbina (22) en el horno solar o zona de combustión (13). 4a TORRE SOLAR GENERADORA DE ELECTRICIDAD Y AGUA POTABLE DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO, según reivindicación Ia y 2a caracterizado por llevar incorporado un equipo de refrigeración, porque su generador o radiador (16) se calienta por el aire calentado por irradiación solar que fluye a través de la turbina(14); porque el condensador (9), que recibe el fluido del radiador (16), se ha instalado y configurado para que ejecute dos trabajos: como intercambiador de calor con HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) placas preparadas para que enfríen el refrigerante y para que caliente el aire y lo dirija al evaporador (7), porque el equipo de refrigeración está diseñado, sus placas, de forma que enfría el aire y le sustrae la humedad en el evaporador (7), que está configurado, su instalación y situación para que del evaporador (7), el compresor (11), el aire frió lo absorba, lo pase y lo comprima en el horno solar o zona de combustión (13), y porque las placas que conforman el evaporador (3) tienen instalada en su parte superior unas viseras (5) que elevan el agua y es expulsada a través del conducto (8) y almacenada en un depósito 27. 5a TORRE SOLAR GENERADORA DE ELECTRICIDAD Y AGUA POTABLE DE LA HUMEDAD DEL AIRE ATMOSFÉRICO, según reivindicación Ia, y 2 caracterizado por llevar incorporado un intercambiador de calor (16), porque es calentado por el aire que aporta la turbina (14) movida por radiación solar, porque el fluido que circula por los conductos (19) en circuito cerrado es movido por la bomba (24) y porque acumula el fluido en un tanque termocolector (21). HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) |
DESCRIPCIÓN
Torre solar generadora de electricidad y agua potable de la humedad del aire atmosférico.
Torre solar del tipo de ascensión de aire o efecto chimenea, que es hueca en su interior y que incorpora una turbina de gas modificada para su uso con energía solar, a la que se incorpora un evaporador que enfría el aire y se le extrae la humedad con el fin de mejorar el rendimiento de la turbina, y que el agua producto de la condensación, por el diseño de las placas del evaporador, la dirige al exterior de la torre, un radiador para calentar sales para el uso de generar energía en horas nocturnas y una serie de placas, varillas o filamentos metálicos en la zona de la turbina definida como horno solar para calentar por convección el aire.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto del modelo de utilidad, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a una torre solar del tipo de ascensión de aire, también llamadas de efecto chimenea, que mediante la instalación en su interior de una turbina de gas modificada para su funcionamiento por energía solar que irradian un determinado número de heliostatos, consiga mayor energía, menor altura y agua potable; con un acusado menor coste en su construcción. Tiene el objeto como novedad, que para conseguir mayor potencia energética, se incorpora un equipo para generar frió, por el que circula y se enfría el aire por medio de la evaporación de un refrigerante en una agrupación de placas definidas en su conjunto como "el evaporador" de donde, además de enfriarle, al paso del aire se le sustrae por condensación la humedad que éste contiene y es conducida al exterior de la torre donde es almacenada para posterior consumo humano o industrial. Es objeto el eliminar de este tipo de torres la zona de invernadero para el uso de almacenar energía para uso nocturno, mediante un radiador que aprovecha la temperatura del aire residual de escape que proviene de los álabes de la turbina y que de otro modo se habría de perder al expandirse en la atmosfera, para ser conducida y almacenada en el exterior y usada en las horas nocturnas o de baja radiación solar. Es objeto la adecuación e incorporación de la técnica antes descrita en este tipo de torres de ascensión de aire o efecto chimenea, diseñadas hasta la fecha para más de setecientos cincuenta metros de altura, con el fin de conseguir igual o mayor energía eléctrica y agua potable, con una altura que no alcanzará, las de más potencia una altura no superior a los ciento ochenta metros, siendo lo normal la media de los noventa metros de altura. Es objeto el rebajar los costes en su construcción.
Es objeto el conseguir al enfriar el aire, mayor concentración en las moléculas del aire ascendente con el fin de conseguir comprimirlo mediante los álabes del compresor de la turbina, en el horno solar, y por expansión al calentarse por convección en un conglomerado de filamentos metálicos que llenan la zona de combustión solar de la turbina y que son calentados a alta temperatura por la irradiación del sol, más fuerza sobre los álabes de la turbina y por ende mayor potencia a transmitir al eje que comunica con el generador de electricidad. De todo ello se desprende que el objeto es conseguir una mayor cantidad de energía eléctrica que con los medios hasta ahora utilizados se han conseguido, con el añadido de ser una alternativa para conseguir por menor costo agua de la humedad del aire más pura y desmineralizada que se consigue por osmosis del agua de mar, y un sistema económico para conseguir almacenar energía en las horas nocturnas o de intermitencia solar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El presente modelo de utilidad trata sobre las conocidas torres del tipo de las de efecto chimenea o de ascensión de aire caliente, por diferencia de presión con la base calentada por un invernadero y la parte superior más fría, Por lo general son de una gran altura, 750 metros a 1000 metros (proyecto de Australia) con el fin de aumentar la diferencia de presión y temperatura entre entrada y salida. En este tipo de torres, huecas en su interior, se les aplica turbinas eólicas que aprovechan el aire en ascensión, salvo en el del modelo de utilidad española U200600388 presentada por el mismo inventor del presente modelo de utilidad el día 22 de febrero de 2.006 y publicada su concesión el día 01-10-2.006 y de la EPO 07381002-0-1267, que llevan una turbina de gas en su interior y de las que emerge la solicitud del presente modelo de utilidad con otras novedosas mejoras. Los antecedentes de los elementos que se incluyen en esta invención vienen de varios ramos de la técnica ampliamente conocidos, pero que hasta ahora actúan de forma independiente a la agrupación, y para el fin, que en este modelo de utilidad aquí se presenta, como son los helióstatos o concentradores solares, utilizados para calentar diferentes tipos de fluidos; las torres centrales de alta temperatura para conseguir vapor, las torres de ascensión de aire irradiado en sus bases acristaladas mediante el efecto invernadero, y que ya ha sido utilizada de diferentes formas y en diferentes formatos desde hace más de treinta años; los molinos de viento y eólicos, las turbinas de gas, de reactores y similares, los hornos solares en torres compactas, para calentar diferentes fluidos, aire, aceite, agua que se aplican a intercambiadores de calor para conseguir vapor, y la técnica para enfriar el aire o fabricar hielo industrial usando diferentes tipos de refrigerantes: aires acondicionados, frigoríficos, por compresor o por evaporación del refrigerante mezclado con agua en calderín o radiadores que son irradiados por diferentes carburantes fósiles o de biocombustibles, como es el gas butano, de los de ambos, por condensación, tienen como residuo el agua, que se extrae al enfriar el aire para el uso refrigerante de edificios, locales o viviendas, que se desprecia y no es aprovechado.
PROBLEMA TÉCNICO A SOLUCIONAR
Este modelo de utilidad está destinado a solucionar los límites que tienen estas torres de ascensión de aire caliente o de efecto chimenea con una turbina de gas en su interior, por sus necesidades de altura, bajándolas considerablemente y a su vez superar los índices de potencia que prestan a la red eléctrica. Es conocido que el aire caliente tiene sus moléculas más separadas que el aire frió y que la humedad del mismo hace que se necesite mayor energía para conseguir una expansión idónea del aire, por lo que para solucionarlo se ha incorporado en esta torre un equipo de frió que se encarga de enfriarlo antes de penetrar en los álabes del compresor. También es conocido la necesidad de agua potable que precisan en muchos países, de ahí que este modelo de utilidad consigue agua potable derivada de la condensación al enfriar el aire que se va a aplicar a la zona de combustión de la turbina, y en cantidades muy significativas y aprovechables. Hasta ahora se utilizaba en este tipo de torres solares para conseguir energía para las horas nocturnas, las zonas de invernadero para almacenar energía calorífica, la torre de esta memoria descriptiva, utiliza el aire caliente con la temperatura residual que sale de los álabes de la turbina para, a través de un intercambiador de calor, calentar un fluido y a la temperatura idónea ir almacenándola para el uso nocturno trasmitiendo la energía guarda para diferentes usos y formas de generar energía eléctrica. Este modelo de utilidad resuelve en una pequeña parte, no por ello menos importante la contaminación que los generadores de electricidad por medios de carburantes fósiles generan.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El equipo de este modelo de utilidad consta de una torre hueca de unos cuarenta a ciento ochenta metros de altura aproximadamente, cilindrica o de forma cónica, dependiendo del tamaño de los componentes que la configuran y de la velocidad del aire que se desee que pase por el evaporador que tiene incorporado en la parte cercana a la base, y que tiene en su interior, en la parte media superior, una turbina de gas modificada para su uso con la irradiación solar en la zona de combustión. De ella solo se utiliza el centro: eje, con los álabes de compresor y turbina. Incorpora en la zona de combustión, dado que el aire es transparente a la irradiación solar, un sistema formado por filamentos metálicos, que emergen desde el centro del horno solar, llenando éste y en rededor del eje de la turbina, sin tocar éste para evitar fricción alguna de ningún tipo, filamentos que al recibir la irradiación solar transmiten el calor al aire, que el compresor de la turbina ha comprimido en su rededor, se expanda y transmita su energía expansiva para el giro de los álabes superiores de la turbina.
Este modelo incluye un equipo de frió compuesto de un calderín o radiador por el que por sus amplios conductos circula un líquido refrigerante de los muchos que hay en el mercado, como pueden ser la combinación de agua y amoniaco, que calentado por el aire caliente que escapa de los álabes de la turbina a alta temperatura, calentada por la irradiación solar enfocada a su zona de combustión, que llamamos "horno solar". Este refrigerante es dirigido a un condensador, bajo el evaporador, o en su exterior, dependiendo de la temperatura ambiente exterior de donde se encuentre situada la instalación de la torre. El refrigerante es licuado enfriado y licuado por su presión debido a la estrechez en su salida a la desembocadura de los conductos proveniente del condensador y que entran en un evaporador donde se evapora el refrigerante y se enfrían sus placas recoge el calor y la humedad del aire que le rodea en su ascensión hacia el compresor de la turbina que comprime el aire, ya frío, seco y denso en el horno solar. Por la forma de las placas que conforman y ocupan todo el interior de la zona media de la torre, deja entre las placas del evaporador la separación suficiente para que no estrangule el aire en ascensión. La forma de las placas del evaporador son de menor altura en la parte interior, centro interior de la torre, ascienden en altura hasta un lugar en la zona media de la altura de la torre, donde a través de unas "viseras" en la parte superior de cada placa que conforma el evaporador, el aire hace ascender la humedad formada en las placas del evaporador, y la conduce al exterior de la torre. Si bien la forma anteriormente indicada de las placas es la forma idónea, también se instala como alternativa otro tipo de placas en el evaporador, rebajar la velocidad del aire, aumentando el diámetro inferior de la torre, por lo que la velocidad del aire disminuiría, y al no ser suficiente su velocidad como para elevar el agua, ésta se recogería en la parte baja que caería por la misma gravedad conduciéndolas igualmente a un conducto general al exterior; si se eligiera este otro sistema de recoger el agua, la forma de las placas del evaporador pueden ser de diferentes formas mientras éstas se adecúen al espacio interior de la torre, en este caso no se necesitarían las viseras en cada placa. Con este modelo de utilidad se pueden realizar instalaciones para potencias de un rango desde un kilovatio, hasta de más de doscientos megavatios. Como en un principio de esta descripción se enunciaba, se hace uso de una turbina de gas, de la que se usa sólo la parte central que contienen los álabes del compresor, el eje que le une a los álabes de la turbina, que coincidirá con el horno solar, y los álabes de la turbina superior. La alimentación de los quemadores de gas, pueden instalarse como un suplemento, si se quiere que funcione con este tipo de combustible en las temporadas de falta de irradiación solar, o aplicar solo los anclajes y necesarios para su soporte en la misma construcción de la arquitectura de la torre, la que toma entonces la forma arquitectónica necesaria para "abrigar" la turbina en su interior. La zona de la torre que coincide con la de combustión de la turbina, en nuestro caso decíamos horno solar, es transparente en 180 grados, o 360 si se quiere alcanzar el máximo de potencia energética. Los concentradores son helióstatos que siguen electrónicamente la trayectoria solar para concentrar sus rayos en un mismo lugar de la torre durante toda la actividad solar del día. La zona transparente que alberga la cavidad central de la turbina, su tamaño, así como el número de helióstatos dependerá de la energía que se quiera obtener. El diámetro de la torre se ha de adecuar a la potencia y agua que se quiera conseguir, siendo para una potencia menor de la forma de tubo, como se indica en la figura 01, o de forma cónica, ampliando el diámetro en el inferior de la torre si queremos enfriar el agua y conseguir una disminución de la velocidad del aire para que el roce de éste en ascensión sea más eficaz. En el interior del centro de la turbina (horno solar), la pared será opaca al exterior y recubierta el interior con un material que despida y soporte la temperatura provocada por la energía irradiada por los helióstatos, y que por convección transmita al aire que circula por los filamentos metálicos. Esta parte de la torre, que llamamos horno solar (zona de combustión en las turbinas de gas), y donde decíamos confluyen los rayos solares, dependiendo de la cantidad de concentradores solares o helióstatos, donde se consigue más o menos temperatura, contendrá un detector de temperatura que se comunicará con el sistema electrónico de los Helióstatos, ampliando su número irradiando o disminuyéndolo según las necesidades de calor en el horno solar con el fin de mantener un régimen de energía a la red sin altibajos. Sobre la turbina, y aprovechando la energía residual que salen de los álabes de la turbina, existe otro radiador, un intercambiador de calor de los ya existentes en el mercado, es novedad en este tipo de torres de ascensión de aire y con una turbina de gas en su interior, así como su incorporación en la salida de la torre. Por el radiador circulan, mediante unos conductos aplicados a sus placas, placas metálicas en posición vertical paralela a la vertical de la torre por donde pasa el aire caliente que sale de los álabes de la turbina, y que por circuito cerrado, estas sales, fundidas, una vez alcanzada la temperatura idónea, será almacenada en un compartimento situado en el exterior de la torre para usarla en las horas nocturnas mediante la aplicación de la temperatura de las sales fundidas a un intercambiador de calor en el que el agua que recibe el calor se convierte en vapor y es aplicada a una turbina de vapor. La posición del calderín o radiador de las sales, así como el de los refrigerantes, uno u otro encima o debajo, dependerá de si necesitamos en un momento dado del proyecto, almacenar más energía para la falta de irradiación solar o mayor calor para conseguir mayor absorción de calor del aire en el evaporador. El diámetro y la cantidad de placas del evaporador, así como del condensador, será dado por la cantidad de agua a conseguir al desecar el aire y el frío que queremos transmitir a éste.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 01 reúne el conjunto de este modelo de utilidad para conseguir mayor cantidad de energía eléctrica al enfriar el aire y de ello agua potable de las torres solares de ascensión de aire o efecto chimenea con turbina de gas en su interior.
La descripción de los dibujos nos ayuda a comprender mejor su funcionamiento:
La torre solar tiene en su interior una turbina 14 que se compone de: álabes de turbina 14, compresor 11 y zona de combustión 13, en la que también se ha incorporado, un equipo refrigerador por evaporación o compresor con un intercambiador de calor 16, con líquido refrigerante en su interior, condensador 9, evaporador 7, entrada de fluido refrigerante 2, a través del estrangulador 17, salida del evaporador al absorbedor 26, absorbedor 23, bomba 25 que conduce el fluido refrigerante del absorbedor 23 al intercambiador 16. Conductos del gas del fluido refrigerante en la placa del evaporador 4, viseras superiores en las placas del evaporador 5 salida del agua 1 , 8 que deposita el agua en 27. La torre de la figura 01 tiene la particularidad de que el horno solar, o zona de combustión 13 puede funcionar con luz solar o con otro tipo de combustible del tipo fósil como el gas, aun cuando su diseño, y con el fin de eliminar contaminación atmosférica, nos lleva mejor a la utilización de la energía solar, ésta se aplica mediante heliostatos a través de una zona trasparente 12, que calienta, mostrando sus entradas a los heliostatos, múltiples placas paralelas, varillas metálicas o filamentos metálicos 20 que ocupan todo el interior del horno solar 13, y trasmiten el calor al aire que lo circunda. Estas placas o varillas o filamentos metálicos 20 se diseñan con el fin de que tengan el mayor contacto con el aire y con la radiación solar, haciéndose la menor sombra entre ellos. El aire calentado por los filamentos metálicos 20 y éstas por los heliostatos, se expande y sale por la parte superior haciendo girar la turbina 14, iniciando al girar el proceso en el que absorbe aire por 6, en la que bien pueden instalarse o no turbinas eólicas auxiliares, dependiendo de la velocidad y potencia del aire en ascensión. El aire pasa por un condensador 9, si éste se encuentra en el interior por ser una zona de ambiente frío lo calienta, si la temperatura ambiente exterior es siempre alta puede ser instalado en exterior; el aire refrigera el fluido refrigerante que circula por los conductos del condensador 9. El aire en su ascenso pasa por un evaporador 7 que guarda una forma especial que nos muestra la figura 01, 7 figura 02 y figura 03, que han sido diseñadas para que el aire circule por el evaporador 7, lo enfrié, y se adhiera a ellas la humedad del aire y por la fuerza de ascensión del aire y por la forma que tiene cada placa con viseras: figura 3, haga ascender el agua volcándolo a un conducto alrededor de la torre y que la hará salir por 8. El aire seco y frío, realizado estos efectos por el evaporador 7, asciende y es comprimido por el compresor de la turbina 11 , que le hace penetrar comprimido en la parte del quemador solar 13, donde se calienta por las placas, varillas o filamentos metálicos, 20 calentados éstas por los heliostatos. El aire seco y frió se expande en el horno solar por la radiación que recibe de los espejos y mueve la turbina 14. El aire caliente pasa por un intercambiador de calor 16 que no es más que un radiador, tipo calderín que contiene fluido refrigerante adecuado, al que le hace hervir y comenzar de nuevo el circuito: el fluido refrigerante del calderín 16 pasa al absolvedor 23 de ahí al condensador 9 y de ahí, por el estrangulador 17 al evaporador 7. Las figuras 02 y figura 03 son la representación desglosada de las placas del evaporador de la figura 01, 7. DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
La realización de la torre solar podría basarse en una exposición sobre los siguientes parámetros técnicos: En primer lugar hemos de estudiar qué potencia queremos conseguir de media en el generador o alternador. Si la potencia es de unos 20 a 40 MW. Hemos de instalar una turbina de gas en el interior de la torre para una potencia aproximada de 45 MW. Una turbina de la que utilizaríamos o toda y acoplada para su correcto funcionamiento con energía solar y gas o preferiblemente sólo la parte interior de la misma y a la que habría que encargarla con los anclajes y rodamientos necesarios para adaptarla a la torre que la habría de incluir, (pudiera ser del estilo de la SGT-800 de Siemens, conocida como GTX100 (de ella precisaríamos un consumo energético de 9.720kj/kwh (9.213Btu/jwh) Su velocidad de funcionamiento normal es de 6.608 rpm. con un flujo/temperatura de gases de escape de 130kg/s y 538 grados centígrados. La relación del compresor es de 19,3: 1). Con el conocimiento de sus medidas y sus especificaciones de consumo y demás, de esta turbina u otra parecida, ello nos dará la longitud, forma y grosor de la torre necesario para ubicar el alma de la turbina y realizar los soportes para la misma. Una vez conocida la potencia en vatios a conseguir, debemos estudiar la capacidad del calderín o generador de refrigerante, dada por la temperatura que le va a aportar el aire que fluye de los álabes de la turbina y calcular la necesidad del líquido refrigerante y presión que se ha de aportar al evaporador. De ello tendremos a su vez la capacidad refrigerante, por lo que podremos calcular el número de las placas del condensador y evaporador necesarias, así como calcular, por la potencia, en grados, residual de escape, según las propias especificaciones de la turbina, y dependiendo de la temperatura que se va a aplicar, mediante la irradiación solar que aportan los helióstatos. Conociendo la potencia a conseguir y la turbina a usar, en las normas de funcionamiento de la turbina, tendremos la necesidad de temperatura en su zona de combustión, en este caso el horno solar que contiene una serie de placas, varillas aun cuando la mejor opción son filamentos metálicos que llenen la zona de combustión y que calentarán por convección el aire, por lo que ese conocimiento nos dará el número de helióstatos que precisaremos para irradiar el horno solar y donde sería bueno alcanzar hasta un 25% más de irradiación de sus necesidades de temperatura para el rendimiento medio por las posibles variaciones de irradiación solar.
El número de placas del evaporador nos da el diámetro de la base de la torre y las necesidades de entrada del flujo del aire, con el fin de, aun instalando turbinas eólicas en sus entradas, no estrangular las necesidades del compresor de la turbina para su régimen más alto. Para almacenar energía para las horas nocturnas se situará en la parte superior, encima del calderín un radiador del tipo de intercambiador de calor por donde circulará sales fundidas u otro tipo de fluido similar que una vez alcanzada la temperatura ideal de almacenamiento, se guardará en un depósito acumulador para ser usadas por la noche mediante intercambiador de calor, por ejemplo: fluido/agua/vapor y éste aplicado a una turbina de vapor.
Con el fin de frenar la turbina o de aprovechar el exceso de potencia de la misma por exceso de irradiación para generar más energía, se instalan en su entrada de aire unas turbinas eólicas.