ES2312275B1 - Planta de concentracion solar para produccion de vapor sobrecalentado. - Google Patents
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Abstract
Planta de concentración solar para producción de
vapor sobrecalentado.
Planta de concentración solar que utiliza como
fluido caloportador agua/vapor, en cualquier ciclo termodinámico o
sistema de aprovechamiento de calor de proceso, que comprende un
evaporador dónde se produce vapor saturado en las condiciones de
presión del sistema y un sobrecalentador a partir del cual el vapor
alcanza las condiciones de presión y temperatura requeridas a la
entrada de la turbina, separados físicamente y conectados entre si
por un calderín en el cual se produce la separación
agua-vapor, y en la que se realiza un control de
estrategias de apunte del campo de helióstatos independiente para
ambos subsistemas, subsistema evaporador y subsistema
sobrecalentador.
Description
Planta de concentración solar para producción de
vapor sobrecalentado.
La presente invención se refiere a plantas de
concentración solar con separación física del evaporador y el
sobrecalentador y control dinámico adaptativo del campo de
helióstatos, para obtener vapor sobrecalentado de una manera
eficiente y controlada, para poder garantizar así la durabilidad y
la operación normal continuadas de dicha planta solar en sus
diferentes aplicaciones: producción de electricidad, producción de
calor de proceso, producción de combustibles solares y aplicación a
procesos termoquímicos.
Si bien la radiación solar es una fuente térmica
de elevada temperatura y elevada energía en origen, la utilización
de la misma en las condiciones del flujo que llega a la superficie
terrestre destruye prácticamente todo su potencial de convertirse en
trabajo, por la drástica reducción de la temperatura disponible en
el fluido. Por esta razón, se hace uso en las centrales solares
termoeléctricas (CST), de sistemas de concentración óptica, que
permiten lograr mayores densidades de flujo y con ello temperaturas
más elevadas.
En la actualidad existen principalmente tres
tecnologías diferentes desarrolladas para su uso en Plantas Solares
denominadas: de receptor central, colectores
cilindro-parabólicos y discos Stirling. Todas ellas
hacen uso solamente de la componente directa de la radiación solar,
lo que les obliga a tener dispositivos de seguimiento solar:
1. Los sistemas de receptor central (3D)
utilizan espejos de gran superficie (40-125 m^{2}
por unidad) denominados helióstatos, que están dotados de un sistema
de control para reflejar la radiación solar directa sobre un
receptor central situado en la parte superior de una torre. En esta
tecnología, la radiación solar concentrada calienta en el receptor
un fluido a temperaturas de hasta 1000ºC, cuya energía térmica puede
después utilizarse para la generación de electricidad.
2. En los colectores
cilindro-parabólicos (2D), la radiación solar
directa es reflejada por espejos
cilindro-parabólicos que la concentran en un tubo
receptor o absorbedor por el que circula un fluido que se calienta
como consecuencia de la radiación solar concentrada que incide
sobre él a temperaturas máximas de 400ºC. De este modo, la
radiación solar es convertida en energía térmica que se utiliza
posteriormente para generar electricidad mediante un ciclo Rankine
de agua/vapor.
Una variación de esta tecnología son los
sistemas lineales de concentración fresnel, en los que el espejo
parabólico se sustituye por una discretización fresnel con espejos
de menores dimensiones que pueden ser ya planos o disponer de una
leve curvatura en su eje axial, y que mediante el control de su
orientación axial permiten concentrar radiación solar sobre el tubo
absorbedor, que en este tipo de aplicaciones suele permanecer
fijo.
3. Los sistemas de discos parabólicos Stirling
(3D) utilizan una superficie de espejos montados sobre una parábola
de revolución que reflejan y concentran los rayos del Sol en un
foco puntual, donde se sitúa el receptor en el que se calienta el
fluido de trabajo de un motor Stirling que, a su vez, acciona un
pequeño generador eléctrico.
En los sistemas de receptor central la
tecnología agua-vapor es actualmente la más
convencional, habiendo sido utilizada en centrales como la española
CESA-1 y la americana Solar One.
El vapor es producido y sobrecalentado en el
receptor solar a temperaturas de unos 500ºC y 10 Mpa (100 bar) y
enviado directamente a la turbina. Para reducir el impacto de los
transitorios (paso de nubes etc.) se utiliza un sistema de
almacenamiento (sales fundidas en la planta CESA-1
y una termoclina aceite/rocas en Solar One). Este concepto fue el
primero en ser probado por permitir la transposición de las técnicas
habituales de las centrales térmicas y permitir el acceso directo
del vapor que sale del receptor solar a la turbina.
El uso de vapor sobrecalentado puede permitir la
implementación de ciclos termodinámicos de mayor eficiencia en las
plantas.
La dificultad de la tecnológica solar para la
producción de vapor sobrecalentado radica en las exigentes
condiciones de temperatura a las que se hace trabajar el receptor.
Las paredes de sus tubos se someten a ciclos térmicos de forma
continuada entre la temperatura ambiente, la temperatura del vapor
con que se alimenta este receptor, (250 a 310ºC), y la temperatura
necesaria en pared para la generación de vapor sobrecalentado a
540ºC próxima a 600ºC. A diferencia de los receptores generadores
de vapor saturado que trabajan a una temperatura casi común para
todas sus partes (330ºC), los receptores de vapor sobrecalentado
incrementan la temperatura de sus tubos conforme mayor es la
proximidad a la zona de salida de vapor.
Las Dificultades encontradas en las experiencias
de los años 80, en los receptores de vapor sobrecalentado CESA 1 y
Solar One se centraron principalmente en dos aspectos:
- \bullet
- Falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, paso de nubes etc. debido principalmente a las malas propiedades térmicas del vapor.
- \bullet
- En ambos receptores el fallo estructural más frecuente fue la aparición de grietas. La tensión térmica debida a las grandes diferencias de temperatura provocó la aparición de grietas en la soldadura intersticial entre subpaneles. Esta situación se daba fundamentalmente en las paradas, cuando el agua en un subpanel, a la temperatura de saturación, fluía hacia la parte superior, donde la temperatura era todavía la del vapor sobrecalentado, mientras que en el subpanel adyacente no se daba este fenómeno.
- \bullet
- Problema de trabajar a altas presiones, lo cual exige espesores de pared de tubo mayores, que a la hora de transferir altas densidades de potencia, al fluido caloportador, implica necesariamente altos gradientes térmicos.
La invención que a continuación se plantea,
trata pues de aglutinar las ventajas de la utilización de vapor a
alta temperatura, solventando los riesgos existentes, consiguiendo
un mayor control de la planta y favoreciendo de esta manera la
estabilidad y durabilidad de ésta.
En relación a otras propuestas anteriores que
ubicaban los módulos del receptor sobrecalentador físicamente muy
próximos (cuando no superpuestos) a los módulos del receptor
evaporador, el desarrollo estratégico que se propone ahora se basa
en separar de forma físicamente independiente evaporador y
sobrecalentador.
El hecho de separar la etapa de evaporación de
la de sobrecalentamiento reduce el riesgo tecnológico ya que al no
existir cambio de fase en el mismo receptor, tampoco existen los
problemas de altos gradientes térmicos derivados de los diferentes
coeficientes de película de ambas fases. Además los problemas de
control asociados a la variabilidad del recurso solar tal y como se
constataron en las experiencias del proyecto CESA-1
en la Plataforma Solar de Almería PSA se reducen también
drásticamente.
La invención que a continuación se plantea
además de separar de manera físicamente independiente evaporador y
sobrecalentador mediante la incursión de un calderín intermedio,
incluye el hecho de llevar acabo un control de estrategias de apunte
del campo de helióstatos independiente para ambos subsistemas,
subsistema evaporador y subsistema sobrecalentador.
Esta estrategia de control consistirá en un
control dinámico adaptativo del campo de helióstatos, con el fin de
que tras su aporte de energía se consigan mantener estables las
condiciones de presión y temperatura óptimas para la entrada en la
turbina. Para ello el campo de helióstatos se apunta a uno u otro
receptor (evaporador o sobrecalentador) dependiendo de las
necesidades existentes. De esta manera parte del campo de
helióstatos se enfocará al evaporador y otra parte al
sobrecalentador, consiguiendo así un mayor control de la planta y
una mayor estabilidad en ésta.
En la tecnología de receptor Central, el
receptor se sitúa en lo alto de la torre, y los helióstatos
concentran la energía solar sobre éste. En el receptor se produce el
intercambio energético transfiriéndose la energía fotónica del haz
de luz concentrado proveniente del campo de helióstatos a un fluido
caloportador aumentando su temperatura. Hay muchas maneras
diferentes de clasificar los receptores. Si clasificamos los
receptores de acuerdo a su geometría, podemos definir los receptores
de tipo "Cavidad" como aquellos que se sitúan en lo alto de la
torre dentro de un "hueco o cavidad", de esta manera se
minimizan las pérdidas térmicas por radiación y convección. Los
receptores pueden estar constituidos de diferentes maneras, siendo
los de paneles de tubos los más comunes para la generación directa
de vapor en sistemas de receptor central.
Este receptor se diseña de acuerdo a una
configuración geométrica determinada definida generalmente por una
serie de subpaneles constituidos por el propio haz de tubos que
forman el evaporador o el sobrecalentador.
Para complementar la descripción que antecede y
con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características
de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una
realización preferida, en base a un juego de dibujos que se
acompañan a esta memoria descriptiva y en donde con carácter
meramente orientativo y no limitativo se ha representado lo
siguiente:
La Figura 1 muestra un Esquema de una Torre de
dos cavidades con un sobrecalentador.
La Figura 2 muestra en detalle el Esquema de una
Torre con dos cavidades con dos sobrecalentadotes.
En la anterior figura, las referencias numéricas
corresponden a las siguientes partes y elementos.
1.- Helióstatos.
2.- Torre Central.
3.- Cavidad.
4.- Evaporador.
5.- Calderín.
6.- Sobrecalentador primario.
7.- Sobrecalentador secundario.
8.- Sistema de apoyo fósil
En la aplicación del concepto de planta de la
invención se empleará tecnología de torre y receptor central para
llevar acabo un proceso de sobrecalentamiento solar de un vapor que
está húmedo o saturado.
Como puede verse en la figura 1, esta planta
solar está compuesta por un sistema de concentración solar
tridimensional con una torre central (2) que incluye dos cavidades
(3) una de ellas con un evaporador (4) para la evaporación de agua y
otra con un sobrecalentador (6) para el sobrecalentamiento del
vapor producido, y un campo de helióstatos (1).
Para cumplir con el objetivo de
sobrecalentamiento se propone llevar acabo una serie de estrategias
de apunte de los helióstatos a través de un sistema de control
dinámico adaptativo del campo de helióstatos de manera que se
puedan mantener constantes las condiciones de presión y temperatura
del vapor a la entrada de la turbina dirigiendo parte del campo de
helióstatos al evaporador (4) y parte al sobrecalentador (6). Es
decir, se propone el uso de radiación concentrada por parte de un
tanto por ciento del campo de helióstatos para la fase de
evaporación, y la utilización del resto del campo para la
concentración de radiación destinada al sobrecalentador (6) de vapor
hasta alcanzar temperaturas incluso por encima de 550C; de manera
que los dos subsistemas (evaporador y sobrecalentador) se
encuentren de manera separada en el receptor. Para el
precalentamiento del agua que va a ser evaporada se incorpora un
sistema de apoyo fósil (8).
En la figura 2, se puede observar un detalle de
un receptor con dos cavidades en el que el sobrecalentamiento se
realiza en dos etapas, mediante un sobrecalentador primario (6) y
otro secundario (7) ambos colocados en una segunda cavidad (3). El
vapor que proviene del evaporador (4), situado en una primera
cavidad (3) en el que el agua alcanza su temperatura de saturación
pasando a fase vapor, es sobrecalentado en el sobrecalentador hasta
temperaturas del orden de 550ºC. Situado entre ambos elementos
(evaporador (4) y sobrecalentadores (6) y (7)) se contará con un
calderín (5) cuya finalidad consistirá en separar el agua en fase
líquida del vapor de agua que entrará en el sobrecalentador.
Esta instalación anteriormente descrita pretende
un resultado más eficiente y menos costoso de las actuales
tecnologías de concentración solar mejorando claramente la
controlabilidad de la planta ante transitorios, la durabilidad y la
estabilidad de ésta.
Su aplicación esta especialmente indicada en los
campos de la producción de electricidad, calor de proceso, y
combustibles solares, así como en los procesos termoquímicos.
Claims (5)
1. Planta de concentración solar, que utiliza
como fluido caloportador agua/vapor, caracterizada por
contar con dos subsistemas, uno de evaporación y otro de
sobrecalentamiento, situados físicamente de forma independiente e
incluyendo entre ambos un calderín a modo de conexión entre los dos
subsistemas y por llevar acabo un control de estrategias de apunte
del campo de helióstatos independiente para ambos subsistemas.
2. Planta de concentración solar de acuerdo con
la reivindicación 1 caracterizada por encontrarse los dos
subsistemas en dos cavidades separadas.
3. Planta de concentración solar según
reivindicación 2 caracterizada por contener en la primera
cavidad un evaporador y en la segunda cavidad uno o mas
sobrecalentadotes.
4. Planta de concentración solar según
reivindicación 1 caracterizado por encontrarse los dos
subsistemas de evaporación y sobrecalentamiento en una única
cavidad.
5. Planta de concentración solar según
reivindicación 4 caracterizada por contener la cavidad un
evaporador y uno o mas sobrecalentadotes.
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