ES2222838A1 - Receptor de radiacion solar para central termica solar. - Google Patents

Abstract

Receptor de radiación solar para una central térmica solar. Este receptor de radiación solar presenta un campo de helióstatos (12), que concentra radiación solar sobre un receptor (11) fijado sobre una torre (10). El receptor posee un área termoabsorbente (14) formada por numerosos elementos absorbentes (15) por los que circula aire en la misma dirección de la radiación incidente constituyendo un elemento termoabsorbente volumétrico. Alrededor del margen del área termoabsorbente (14) se halla dispuesto un elemento termoabsorbente marginal (36), constituido por numerosos módulos (37). Al contrario de en los elementos termoabsorbentes (15), por los módulos (37) circula aire transversalmente a su superficie frontal. Gracias a ello, a pesar de las densidades reducidas de energía que reinan en el área marginal se pueden alcanzar temperaturas elevadas del aire.

Description

Receptor de radiación solar para una central térmica solar.

La presente invención se refiere a un receptor de radiación solar para una central térmica solar que presenta helióstatos que concentran la radiación solar sobre el receptor de radiación solar.

En una central térmica solar la radiación solar incidente se concentra sobre un receptor de radiación solar desde un campo de helióstatos compuesto de numerosos reflectores o colectores. La radiación solar altamente concentrada que incide sobre el receptor de radiación solar corresponde aproximadamente a entre doscientas y trescientas veces la radiación solar. Con ello se alcanzan en el elemento absorbente denominado en adelante, termoabsorbente, temperaturas del orden de magnitud de 1.000°C por término medio.

Un receptor de radiación solar, del que parte el preámbulo de la reivindicación 1, se halla descrito en el documento DE 197 44 541 C2. Este receptor de radiación solar presenta numerosos elementos termoabsorbentes, que están reunidos formando un área termoabsorbente y cuyas superficies frontales están situadas en un plano común. Un campo de helióstatos compuesto de numerosos espejos que van siguiendo la trayectoria del sol concentra la radiación solar directa sobre el área termoabsorbente dispuesta sobre una torre. El área termoabsorbente forma un receptor volumétrico en el que el aire entra en los elementos termoabsorbentes en la misma dirección en la que incide la radiación incidente. Con esto la radiación es absorbida por la estructura porosa del elemento termoabsorbente. La estructura de los elementos termoabosrbentes puede consistir en estructuras alveolares metálicas y cerámicas tipo nido de abeja, tejido de punto o espuma. La absorción de la radiación no está limitada a la superficie frontal sino que la radiación penetra también en el fondo de la estructura del elemento termoabsorbente y allí el aire la enfría por convección. Con ello se calienta el aire y puede ser conducido a un proceso intercalado posteriormente, p. ej., a un proceso de turbinas de vapor. La circulación a través del elemento termoabsorbente poroso en una dirección conforme con la de la radiación incidente es característica para receptores volumétricos.

En un área termoabsorbente la densidad de radiación de la radiación incidente no es uniforme. La densidad de radiación se distribuye sobre el área termoabsorbente según el tipo de una curva de Gauss, con lo cual la densidad de radiación va disminuyendo desde la zona central hacia la zona marginal. La disminución de la densidad de radiación radica, por una parte, en que las radiaciones de los helióstatos forman en conjunto una distribución de Gauss y, por otra parte, en que la radiación de cada helióstato individual forma asimismo una distribución estadística de Gauss. Para garantizar una determinada temperatura teórica del aire, p. ej., 800°C, con una temperatura máxima especificada para el centro del área termoabsorbente, la densidad de radiación marginal no debe caer por debajo de un valor determinado. En otro caso, el aire frío calentado en la zona marginal del área termoabsorbente se mezcla con el aire caliente y lo enfría. Por lo tanto, con los campos de elementos termoabsorbentes volumétricos hasta ahora construidos no se aprovecha un 20% aproximadamente de la radiación concentrada, porque en la zona marginal la densidad de radiación es demasiado baja para alcanzar la temperatura teórica.

Un receptor (elemento termoabsorbente) volumétrico tiene la ventaja, de que el elemento termoabsorbente toma en conjunto una elevada temperatura y con ello tiene lugar una buena transmisión térmica. Por el contrario existe el inconveniente, de que con un calentamiento demasiado fuerte se alcance una temperatura en reposo en la que la cesión de calor por radiación sea tan grande como la absorción de radiación. En el servicio o funcionamiento del receptor hay que cuidar de que en la cara frontal del elemento termoabsorbente la temperatura permanezca por debajo de la temperatura en reposo. En los receptores volumétricos corrientes la obtención de energía en el margen finaliza cuando la radiación desciende por debajo de un valor de 150 a 250 kW/m^{2}. La radiación fuera de esta gama pasa de largo desaprovechada frente al receptor.

La presente invención se basa en el objetivo de crear un receptor de radiación solar en el que mediante utilización de la radiación marginal tenga lugar un aumento del rendimiento total.

La solución de este problema tiene lugar, según la presente invención, mediante las características indicadas en la reivindicación 1. Según esto, en el margen del área termoabsorbente se halla dispuesto, por lo menos un conjunto termoabsorbente marginal, cuya pared frontal delimita lateralmente un canal por el que circula un fluido.

Mientras que en la zona central del área termoabsorbente se hallan dispuestos receptores volumétricos en los que en el elemento termoabsorbente la circulación tiene lugar en una dirección conforme con la radiación incidente, según la presente invención hay previsto un conjunto termoabsorbente marginal por el que la circulación tiene lugar transversalmente a la radiación incidente. El receptor está constituido, pues, por dos tipos diferentes de elementos termoabsorbentes. En la zona marginal, en la que la densidad de radiación asciende, por ejemplo, solamente a 150 a 250 kW/m^{2}, lo cual con un receptor volumétrico no es suficiente para alcanzar la temperatura teórica de, p. ej., 800°C, se dispone el conjunto termoabsorbente marginal, por el que la circulación tiene lugar transversalmente a la dirección de incidencia de la radiación. Como que con esto tiene lugar en el canal un aumento continuo de la temperatura del medio debido a la radiación térmica que incide sobre la superficie frontal, la temperatura de la pared del conjunto termoabsorbente marginal, que es responsable de las pérdidas de radiación, va aumentando a lo largo del canal. Con ello se consigue que la temperatura de la pared a lo largo del canal esté siempre por debajo de la temperatura en reposo correspondiente a la densidad de radiación localmente existente. Con ello el conjunto termoabsorbente marginal va absorbiendo radiación a lo largo del canal, que es cedida al medio que circula por el mismo. De esto resulta que el conjunto termoabsorbente marginal se puede utilizar hasta con intensidades de radiación mínimas y, sin embargo, al final del canal se alcanza la temperatura teórica. En las zonas marginales, por el contrario, no se pueden utilizar elementos termoabsorbentes volumétricos normales en virtud de la reducida energía incidente, cuando tiene que alcanzarse una temperatura teórica determinada a la salida. El servicio de una central térmica solar requiere que el medio portador del calor sea alimentado con una temperatura mínima determinada.

El conjunto termoabsorbente marginal puede hacerse funcionar o bien con aire exterior como medio, o con un medio gaseoso o líquido recirculado en un circuito cerrado. En caso de utilizar un medio recirculado puede efectuarse en el lado frío una regulación activa del caudal circulante.

Mediante el conjunto termoabsorbente marginal se forma además una protección para la construcción de acero que alberga el área termoabsorbente, de modo que no son necesarios dispositivos de protección adicionales en forma de aislamientos o refrigeraciones.

Los elementos termoabsorbentes marginales pueden utilizarse hasta densidades de radiación de 300 a 500 kW/m^{2} y con ello cubren una gama dentro de la cual se presentan las mayores variaciones de densidad de radiación a través del ciclo del día. En la gama de altas densidades de radiación > kW/m^{2} se utilizan elementos termoabsorbentes volumétricos.

De acuerdo con un perfeccionamiento preferido de la presente invención está previsto que las superficies frontales de los elementos termoabsorbentes del área termoabsorbente estén situados en un plano y las superficies marginales del conjunto termoabsorbente marginal discurran inclinadas con respecto a dicho plano de modo que el receptor forma una cuba. Gracias a la posición inclinada se favorece la captación de la radiación marginal.

Preferentemente los elementos termoabsorbentes marginales están configurados como módulos que son móviles en caso de dilatación y engranan entre sí. De esta manera los módulos se apoyan entre sí sin que con la dilatación térmica se originen cargas considerables al material.

Las paredes de los canales de los elementos termoabsorbentes marginales son herméticas para el fluido correspondiente. Preferentemente están limitadas por dos placas de acero para altas temperaturas o de material cerámico. Para aumentar la transmisión de calor, el espacio intermedio entre las placas se halla revestido con una estructura porosa formada por una tela metálica o un material celular. La estructura porosa y las placas que la envuelven están preferentemente unidas en una sola pieza, con lo cual se aumenta la conductibilidad térmica. A lo largo del canal resulta con ello un gradiente de temperatura, con lo cual no sólo la temperatura del medio circulante sino también la temperatura de la pared frontal va aumentando desde la entrada hacia la salida del canal.

Los módulos que forman el conjunto termoabsorbente marginal pueden utilizarse también en varias hileras, para cubrir una gran zona de radiación baja y altamente variable.

A continuación, y haciendo referencia a los dibujos, se explica más detalladamente un ejemplo de ejecución de la presente invención.

Dichos dibujos muestran:

Fig. 1 una representación esquemática de una central solar de torre con un receptor dispuesto sobre una torre,

Fig. 2 una sección a través de la zona marginal del receptor a lo largo de la línea II - II de la figura 1,

Fig. 3 una representación en perspectiva de los módulos del conjunto termoabsorbente marginal, y

Fig. 4 una sección a través de otra forma de ejecución del módulo marginal con entrada prolongada.

En la figura 1 se halla representada una central solar de torre, que presenta un receptor 11 fijado sobre una torre 10. En el entorno de la torre 10 se halla instalado un campo de helióstatos 12 compuesto por numerosos espejos 13 que siguen la trayectoria del sol y conducen en cada caso la radiación solar sobre el receptor 11.

El receptor 11 presenta un área termoabsorbente 14, que aquí es redonda, pero cuyo contorno también puede tener otra forma. El área termoabsorbente 14 está compuesta por numerosos elementos termoabsorbentes 15 que presentan una superficie frontal 16 dirigida hacia la radiación incidente. Las superficies frontales 16 están todas situadas en un plano común. La radiación procedente del campo de helióstatos está designada con el número 17 y dirigida hacia las superficies frontales 16.

Las superficies frontales 16 de los elementos termoabsorbentes 15 tienen aquí una forma cuadrada, pero también son posibles otras formas, tales como redondas o poligonales. Los elementos termoabsorbentes 15 están dispuestos con separaciones recíprocas y entre ellos hay formados unos pasos 18.

Cada elemento termoabsorbente 15 está insertado en el extremo delantero de una pieza de soporte 20 de forma tubular. El extremo posterior de la pieza de soporte 20 está reducido e insertado en un casquillo 21 de una estructura portante 22. La estructura portante 22 presenta una placa continua 23 de acero resistente a altas temperaturas, que en su parte posterior está provista de un aislamiento térmico 24. La placa 23 posee agujeros 28 para la entrada del aire caliente 25. Cada agujero 28 está provisto de un diafragma 26. Los diafragmas 26 poseen aberturas de diafragma 27 de diferente tamaño, que están dimensionadas de acuerdo con la posición en el área termoabsorbente 14. Cuanto más alta es la temperatura del aire caliente 25, tanto mayor es la abertura del diafragma 27. De este modo se consigue que todas las corrientes de aire caliente tengan una temperatura que se sitúa lo más cerca posible de la temperatura teórica exigida para el aire caliente.

El aire es aspirado a través del elemento termoabsorbente 15. Con ello se aspira aire exterior 30 a través de la superficie frontal 16. El aire caliente 25 es conducido a un (no representado) generador de vapor de una turbina. El aire con ello enfriado es reconducido al receptor 11. El recorrido de circulación de este aire está designado con las flechas 31. El aire penetra en el espacio entre las piezas de soporte 20 de forma tubular y circula entonces por la hendidura entre los elementos termoabsorbentes 15 hacia el exterior. Una parte de este aire es aspirado de nuevo a través de las superficies frontales 16.

El receptor 11 hasta ahora descrito corresponde a aquel del documento DE 197 44 541 C2. Según la presente invención, alrededor del margen 35 del área termoabsorbente 14 se halla dispuesto un conjunto termoabsorbente marginal 36, que está compuesto por numerosos módulos 37 iguales. Los módulos están dispuestos como pétalos alrededor del área termoabsorbente 14. Cada módulo 37 posee una pared frontal 38 con una superficie frontal 39. Las superficies frontales 39 están situadas inclinadas respecto a las superficies frontales 16, de modo que forman un cuello en forma de embudo que rodea el área termoabsorbente.

La pared frontal 38 forma conjuntamente con una pared posterior 40 un canal 41 que discurre radialmente respecto al área termoabsorbente y presenta una entrada exterior 42. La salida 43 consiste en una pieza de soporte 44 de forma tubular que se asienta sobre un casquillo 21 de la estructura portante 22. En el agujero 28 de la estructura portante 22 se halla un diafragma 26 que cierra parcialmente la salida 43 y con lo cual regula el caudal que circula a través del canal 41.

El módulo 37 tiene, por lo general, una forma de L. Está compuesto por el pie 45 que se aleja lateralmente inclinado de la pieza de soporte 44 de forma tubular, y por una pieza de la placa 46 adjunta a ella, que discurre aproximadamente perpendicular a la parte del pie 45 y se aleja inclinada en la dirección opuesta. Las dos partes 45, 46 están unidas mediante una pared de apoyo 47, en la que se halla un ojal 48 a través del cual se puede insertar una barra que apoye el módulo 37.

El canal 41 se extiende a través de ambas partes 46 y 45 hacia la salida 43. Está rellenado con una estructura porosa 49, que puede tratarse de una estructura en forma de nido de abeja, una espuma, un tejido de punto o algo similar. Preferentemente, la estructura porosa 49 está configurada formando una sola pieza con las paredes 38 y 40.

En servicio, se aspira aire exterior a través de la entrada 42 que, por ejemplo, tiene una temperatura de 30°C. En consecuencia, la superficie frontal 39 que absorbe la radiación tiene también una temperatura similar en las cercanías de la entrada. Dentro del canal 41 se calienta el aire de manera creciente y también la temperatura de la superficie frontal 39 aumenta debido a la radiación térmica absorbida hasta llegar a la zona a modo de rodilla 50. En la rodilla 50 la temperatura de las superficies frontales 39 puede alcanzar valores muy altos. De este modo se asegura que a pesar de una entrada de energía relativamente reducida, en el conjunto termoabsorbente marginal 36 el medio adquiera la temperatura teórica exigida.

La figura 3 muestra una representación en perspectiva de los módulos 37 situados uno al lado de otro, que forman el conjunto termoabsorbente marginal 36. Las paredes laterales que unen las paredes 38 y 40 de dos módulos 37 enlazan entre sí mediante un machihembrado formado por la ranura 51 y la lengüeta 52 con movilidad en caso de dilatación. Con ello los módulos 37 se apoyan uno en el otro, pero no obstante pueden moverse libremente por los lados. De esta forma es también posible un desglose en abanico de varios módulos dispuestos en forma circular.

En la figura 1 está además indicada con el módulo 37a una posibilidad, de que los módulos pueden estar dispuestos en dos hileras, esto es, una hilera radial interior y una hilera exterior.

Mientras que en el ejemplo representado, a través de la entrada 42 se aspira aire exterior, también es posible prever un módulo 37 en el que la entrada 42 esté prolongada mediante una prolongación tubular 53. El módulo representado en la figura 4 es parte componente de un circuito cerrado dentro del cual circula un medio y que, por ejemplo, contiene el intercambiador de calor del generador de vapor de una central eléctrica.

El conjunto termoabsorbente marginal 36 puede estar provisto de un recubrimiento selectivo en su lado de recepción de la radiación. Un recubrimiento selectivo produce el efecto de que absorbe la radiación incidente y por su parte emite radiación de longitud de onda mucho mayor.

Claims (8)

1. Receptor de radiación solar para una central térmica solar, que presenta helióstatos (13), que concentran radiación solar sobre un receptor (11), con numerosos elementos termoabsorbentes (15) permeables a gases, dispuestos separados unos de otros, que forman un área termoabsorbente (14) y en cada caso presentan una superficie frontal (16) enfrentada a la radiación incidente (17) y por ellos circula aire perpendicularmente a la superficie frontal,

caracterizado porque,

en el margen (35) del área termoabsorbente (14) se halla dispuesto por lo menos un conjunto termoabsorbente marginal (36), cuya pared frontal (38) delimita lateralmente un canal (41) por el que circula un fluido.

2. Receptor de radiación solar según la reivindicación 1, caracterizado porque las superficies frontales (16) del área termoabsorbente (14) están situadas en un plano y las superficies frontales (39) del conjunto termoabsorbente marginal (36) discurren inclinadas con respecto a este plano.

3. Receptor de radiación solar según la reivindicación 1 o la 2, caracterizado porque los elementos termoabsorbentes (15) están fijados a piezas de soporte tubulares (20), que están montadas a una estructura portante conjunta (22), y porque el conjunto termoabsorbente marginal (36) presenta piezas de soporte (44) de forma tubular.

4. Receptor de radiación solar según la reivindicación 3, caracterizado porque las piezas de soporte (44) están unidas con casquillos (21) de la estructura portante (22).

5. Receptor de radiación solar según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el conjunto termoabsorbente marginal (36) está compuesto por varios módulos (37), engranando entre sí para su movilidad en caso de dilatación,

6. Receptor de radiación solar según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los canales (41) dentro del conjunto termoabsorbente marginal (36) están rellenados con una estructura porosa (49) que está en contacto térmico con la pared frontal (38).

7. Receptor de radiación solar según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los canales (41) del conjunto termoabsorbente marginal (36) poseen una entrada (42), a través de la cual se aspira aire exterior.

8. Receptor de radiación solar según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los canales (41) del conjunto termoabsorbente marginal (36) poseen una entrada (42), a través de la cual se aspira un fluido recirculado (Figura 4).