ES2392297B2 - Tanque de almacenamiento térmico de bitemperatura única para aplicación en la planta térmica solar. - Google Patents

Tanque de almacenamiento térmico de bitemperatura única para aplicación en la planta térmica solar. Download PDF

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Abstract

Tanque de almacenamiento térmico de bitemperatura única aplicación en la planta térmica; una región termoclina es suministrada entre una región de almacenamiento caliente y· fría de un fluido almacenado en una cavidad de un tanque de almacenamiento. Un ejemplo de tanque de almacenamiento incluye deflectores apartados espaciados fijados respecto al tanque y dispuestos dentro de la región termoclina para substancialmente separar físicamente la cavidad en región de almacenamiento caliente y fría. En otro ejemplo, un deflector flexible separa la región caliente y la región fría de almacenamiento y desvía la transferencia de la región termoclina para acomodar los cambios de volúmen caliente y frío. En otro ejemplo, un controlador está configurado para mover un deflector dentro de la región termoclina con respecto a un ratio de flujo de bombeo de caliente y frío, bombas utilizadas para bombear fluido.

Description

TANQUE DE ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE BITEMPERATURA ÚNICA APLICACIÓN EN LA PLANTA TÉRMICA SOLAR
DECLARACIÓN CON RESPECTO AL PATROCINIO FEDERAL
INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
El gobierno puede tener ciertos derechos sobre esta invención de acuerdo con el Contrato N° DE-FOA-0000065 adjudicado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
ANTECEDENTES Esta descripción se refiere a un tanque de almacenamiento termoclino adecuado para ser usado en un sistema de potencia solar, por ejemplo.
Típicamente, dos grandes tanques de almacenamiento se usan para plantas solares de almacenamiento térmico de sal fundida (torre de potencia o diseño de tanques). Estos tanques típicamente pueden contener bien más de 50 millones de libras de sal cada uno y medir alrededor de 38 m de diámetro y más de 12m de altura. En un sistema de hornos de potencia el tanque frío se fabrica típicamente de un material de acero al carbono y almacena sal a alrededor de 288°C. El tanque caliente puede típicamente ser fabricado de acero inoxidable o de otra aleación de alta resistencia y almacena sal a alrededor de 566°C.
Cada tanque está dimensionado para almacenar la totalidad del inventario de trabajo de sal fundida. En la mañana, la sal fundida a 288°C es bombeada fuera del tanque frío dentro del receptor de energía solar en el que esta es calentada a 566°C y luego almacenada en el tanque caliente, Cuando se necesita producir vapor y corriente eléctrica, la sal caliente es bombeada fuera del tanque caliente y enviada al sistema generador de vapor en el que esta es enfriada de nuevo a 288°C y devuelta al tanque de almacenamiento térmico frío. De esta manera la sal es ''lanzada" hacia atrás y hacia delante entre los dos tanques siguiendo un ciclo diurno. Por tanto hay una capacidad de almacenamiento doble
en el volumen combinado de los dos tanques en los que hay sal fundida. A veces
un tanque está generalmente lleno y el otro generalmente vacío y otras veces
ambos tanques están parcialmente llenos.
Los tanques de sal para plantas de potencia solar grande son muy caras e
5
incluyen el trazado térmico eléctrico u otras formas de calentadores, aislamiento
térmico, cimentación refrigerada, instrumentación, y otros eqmpos
suplementarios que incluyen una estructura de soporte. Actualmente, los
diseñadores han estudiado sustituir los tanques frío y caliente con un tanque
único, pero no han resuelto el problema de mezclar los fluidos caliente y frío en
1 O
un único tanque de modo efectivo y eficaz.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características de la descripción pueden ser comprendidas
mejor a partir de la especificación siguiente y de uno o más dibujos, a
continuación de los cuales se proporciona una breve descripción.
15
La Figura 1A es una vista esquemática general de un sistema de torre de
potencia solar.
La Figura lB es un gráfico que representa generalmente regiones caliente
y frías de un fluido separado por una región termoclina.
La Figura 2A es una vista esquemática de un ejemplo de tanque de
20
almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar.
La Figura 2B es una vista en alzado superior de un desviador mostrado en
la Figura 2A.
La Figura 2C es una vista en alzado superior parcial de desviadores
espaciados entre sí mostrados en la Figura 2A.
25
La Figura 3A es una visa esquemática de otro ejemplo de tanque de
almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar.
La Figura 3B es una vista en alzado superior de un desviador mostrado en
la Figura 3A.
La Figura 3C es una vista en sección transversal parcial del desviador
30
mostrado en la Figura 3B tomada a lo largo de la línea 3C-3C.
La Figura 4A es una vista esquemática de todavía otro ejemplo de tanque de almacenamiento termoclino para un sistema de potencia solar. La Figura 4B es un sistema esquemático de un control usado para controlar un desviador movible representado en la Figura 4A. DESCRIPCIÓN DETALLADA
Haciendo referencia a la Figura lA, un sistema 20 de torre de potencia solar incluye un sistema 22 receptor central de alta concentración que tiene un montaje 24 reflector acoplado a una estructura 25 de torre a una altura predeterminada por encima del terreno para recibir la radiación solar S. Miles de espejos o heliostatos 26 de seguimiento del sol reflejan la radiación solar S sobre el montaje reflector 24.

Sal fundida u otro fluido de transferencia térmica es enviado a y desde un tanque de almacenamiento térmico bi-temperatura único o tanque 27 de almacenamiento termoclino. El tanque 27 de almacenamiento termoclino incluye una región 28 de almacenamiento fría y una región 3 O de almacenamiento caliente en un tanque común. Sal "Fría", que está a alrededor de 288° C en un ejemplo es comunicada con desde la región 28 de almacenamiento fría a través del sistema receptor central 22 en el que esta es calentada. El fluido de transferencia térmica "caliente", en el ejemplo, sal a alrededor de 566°C, es comunicado entonces con la región 30 de almacenamiento caliente. Cuando se requiere potencia, la sal fundida caliente es bombeada a un sistema 32 generador de vapor que produce vapor. El vapor acciona una turbina/generador 34 que crea electricidad para la comunicación a una rejilla 38 de potencia. La sal es devuelta al sistema 27 de tanque de almacenamiento frío (del sistema 32 generador de vapor), donde esta es almacenada y eventualmente recalentada en el sistema receptor central 22. Se ha de entender que aunque una disposición de componentes particular se describe en la realización ilustrada, cualquier disposición que utilice un único tanque de almacenamiento térmico bitemperatura se beneficiará también de los ejemplos descritos.
Un tanque de almacenamiento termoclino está basado en el principio de
que el fluido caliente en un medio en reposo tiende a elevarse y permanecer por
encima del fluido frío en el mismo tanque. Este fenómeno es conocido también
como estratificación térmica, la cual es ilustrada gráficamente en la Figura lB
5
como temperatura en función de la distancia al fondo del tanque de
almacenamiento. Una región termoclina o de gradiente térmico es la capa en la
cual la temperatura cambia más rápidamente con el cambio en la profundidad
que lo hacen las temperaturas en las capas por encima por debajo. Como la
temperatura del fluido caliente disminuye en la región 30 de almacenamiento
1 O
caliente, su densidad aumenta y este tiende a "caer" a menos que el fluido esté
también enfriándose a un régimen igual o mayor. Las densidades relativas del
fluido determinan su posición en altura dentro del tanque. El fluido frío en la
región 28 de almacenamiento frío es mucho más denso que el fluido caliente en
la región 3 O de almacenamiento caliente. El hecho de que la sal fundida tenga
15
una conductividad térmica relativamente baja tiende a ayudar en este efecto de
estratificación. La sal fundida puede ser considerada como un aislamiento
líquido. Una región termoclina 40 desarrolla y separa naturalmente las regiones
28, 30 de almacenamiento fría y caliente. No obstante, esta separación natural no
proporciona un almacenamiento suficientemente eficiente para ser usado en
20
sistemas de potencia solares.
Las Figuras 2A-2C muestran un tanque de almacenamiento termoclino
que tiene una pared 41 asegurada operativamente a una pared 42 de fondo para
proporcionar una cavidad 45. La pared 41 incluye una porción 43 que tiene una
geometría o forma interiormente dispuesta dentro del tanque de almacenamiento.
25
Un montaje 46 desviador fijado está dispuesto en la región trermoclina. Un
desviador es una obstrucción usada para separar sustancialmente las regiones 28,
30 de almacenamiento fría y caliente. El montaje desviador 46 incluye
desviadores primero, segundo y tercero, 50, 52, 54, proporcionando cada uno un
perímetro 56. Una falda 44, que es un cerco del montaje 46 de desviador, se
30
proporciona sobre el perímetro 56 y tiene una geometría basada en la porción 43,
por ejemplo, de una forma complementaria a la porción 43 de modo que la
porción 43 y la falda 44 están en una relación de colocación muy próxima. En un
ejemplo, la falda 44 se proporciona mediante la porción 43 de modo que la falda
44 y la porción 43 están integradas una con otra. El número de desviadores es un
5
ejemplo. El primero, segundo y tercer desviadores están espaciados más de un
5% de la altura vertical del tanque para garantizar que la región termoclina de
desviación permanece dentro del montaje 46 desviador durante el
funcionamiento. Los perímetros 56 están dispuestos en estrecha proximidad y
fijados con relación a la pared exterior 44. Los postes 48 de soporte se extienden
1 O
verticalmente desde la pared 42 de fondo en el interior de la pared exterior 44 y
conectados operativamente al menos a un desviador. En el ejemplo, los postes 48
de soporte se extienden a través de aberturas 49 ·en los segundo y tercero
desviadores 52, 54 hasta el primer desviador 50. Las ménsulas 60 pueden ser
usadas para soportar los desviadores primero, segundo y tercero, 50, 52, 54 uno
15
con relación a otro.
Las circulaciones dentro y fuera de los estanques caliente y frío perturban
la inherente naturaleza tranquila de la estratificación térmica. El montaje 46 de
desviación limita el mezclado de fluido entre las regiones 28, 30 de
almacenamiento frío y caliente separando sustancialmente de modo físico la
20
cavidad 45 en las regiones 28, 30 de almacenamiento fría y caliente así como
reduciendo la conductividad térmica entre los fluidos. El montaje 46 de
desviador puede incluir aberturas o perforaciones 58 en los desviadores, como se
ilustra mediante el primer desviador 50 en la Figura 2B. Las perforaciones 58
entre los desviadores primero y segundo 50, 52, por ejemplo, puede ser indizadas
25
unas con relación a otras para obstruir la libre circulación de fluido entre las
regiones de almacenamiento fría y caliente 28, 30 durante el bombeo. El montaje
desviador 46 tiene un número limitado de trayectorias de circulación para
restringir la circulación vertical y la transferencia de energía. Los volúmenes
combinados de las regiones de almacenamiento fría y caliente 30, 28 son iguales
30
al inventario de sal total y no al doble del inventario como se requiere por los
actuales dos diseños de tanque. La porción inferior del tanque único está expuesta solamente a la sal fría y por lo tanto es mucho menos costoso el diseño y el soporte.
En un ejemplo, uno o más calentadores 62 de inmersión pueden ser usados para calentar el fluido de la región de almacenamiento caliente, y los calentadores 64 de rastreo pueden ser usados para calentar el fluido de la región de almacenamiento fría. Sal fría es bombeada desde una o más bombas 68 de sal fría que retiran fluido de la región 38 de almacenaje fría a través de una tubería 74 de suministro de sal fría. La línea 74 de suministro de sal fría se extiende a través de las aberturas 75 en el montaje 74 de suministro. La sal es calentada en el sistema receptor 22 a 566°C y vuelve a entrar en el tanque a través de una tubería 72 de retomo de sal caliente, descargando la región 30 de almacenaje caliente. La sal es retirada de la región 30 de almacenamiento caliente a 566°C usando una o más bombas 66 de sal caliente a través de una tubería 70 de suministro de de sal caliente y circula al generador 3 2 de vapor antes de retomar a través de la tubería 76 de retomo de sal fría. La tubería 76 de retomo de sal fría se extiende a través de las aberturas 79 en el montaje 46 de desviador hasta la región 30 de almacenaje frío. La tubería 76 de retomo de sal fría se aísla usando el aislamiento 77 a medida que pasa a través del estanque superior caliente para minimizar el intercambio de calor parásito,

Las Figuras 3A-3C muestran un tanque de almacenamiento termoclino con una región termoclina delgada que rodea un desviador 146 horizontal flexible, movible, verticalmente fino que ajusta con el volumen de la sal caliente y fría. Las circulaciones de ingreso y egreso son las mismas que se han descrito anteriormente con relación a la Figura 2A. El desviador 146 es considerablemente más fino que el montaje 46 de desviador puesto que este no tiene que contener la interfaz de depósito caliente/frío que cambia constantemente. El desviador 146 actúa como un diafragma y puede ser proporcionado mediante una membrana de acero expandible, con, por ejemplo, ondulaciones 78, como las mostradas en las Figuras 3B y 3C. El desviador 146
está configurado para expandirse verticalmente en cualquier dirección para llenar
alrededor del 95% de cualquiera de las cavidades caliente y fría. El desviador
146 se expande dentro de los estanques caliente y frío a medida que la sal
caliente y o fría es añadida/retirada, variando los volúmenes caliente y frío, y
5
desplazando la región termoclina.
El desviador 146 incluye un perímetro que puede ser sustancialmente
obturado y desviado con relación a la pared 41 para separar la cavidad 45 dentro
de las cavidades fría y caliente, proporcionando respectivamente las regiones fría
y caliente 28, 30. En el ejemplo, la porción 43 d la pared 41 está integrada con y
1O
proporciona la falda 44, de modo que la porción 43 proporciona al menos una
mayor parte de la porción vertical de la pared 41. En un ejemplo, la abertura 75
proporciona un área de circulación entre la línea 74 de suministro de sal fría y el
desviador flexible 146 es configurado para permitir la circulación de fluido
limitada entre las cavidades caliente y fría. El área de circulación corresponde
15
generalmente a menos del 1% de una sección transversal horizontal a través de la
cavidad de tanque en la región termoclina. Alternativamente, las bombas frías
pueden ser reubicadas dentro de una pequeña región de sal fría a lo largo de un
lado de la pared 41.
Otro ejemplo de tanque de almacenamiento se muestra en las Figuras 4A y
20
4B. En ellas se muestra un sistema 84 de torno que puede accionar verticalmente
un desviador movible 246 a medida que el volumen relativo de sal caliente y fría
cambia en los tanques, incrementando por tanto la capacidad del estanque
caliente con una disminución correspondiente en la capacidad del estanque frío, y
viceversa. El sistema 84 de torno incluye un elemento 90 de accionamiento que
25
acciona un tambor 88 alrededor del cual un cable 86 está enrollado. El cable 86
está conectado al desviador 246. Dos sistemas 84 de tomo se muestran, aunque
pueden ser usados más o menos.
Una o más bombas 66 (suministro caliente), 68 (suministro frío), 92
(retomo caliente), 94 (retorno frío) son usadas para bombear fluido dentro y fuera
30
de las regiones 28, 30 de almacenamiento frío y caliente, que cambian la región
termoclina. El lugar de la región termoclina puede
ser determinado por un
controlador
96, que puede comunicar con la bomba 66, 68, 92, 94 para
determinar
sus respectivos regímenes de circulación. El controlador 96 está
configurado o programado para ajustar la posición vertical del desviador 246
5
basado en al menos un régimen de circulación de la bomba para mantener el
desviador 246 en la región termoclina.
Aunque han sido descritas realizaciones a modo de ejemplo, un operario
de capacidad ordinaria en esta técnica reconocerá que ciertas modificaciones
deberán estar dentro del alcance de las reivindicaciones. Por esta razón, las
1O
siguientes reivindicaciones deberán ser estudiadas para determinar su verdadero
alcance y contenido.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    l. Un tanque de almacenamiento para un sistema de potencia solar que comprende: 5 Una estructura que incluye una pared exterior adyacente a una pared de fondo y que proporciona una cavidad configurada para almacenar un fluido;
    Múltiples desviadores dispuestos en la cavidad y espaciados de la pared de fondo en una región tennoclina, incluyendo los desviadores un perímetro dispuesto en estrecha proximidad con y fijados con relación a la pared exterior,
    10 estando los desviadores configurados para separar de modo sustancial físicamente la cavidad en regiones caliente y fría; y
    La cavidad incluye una altura de tanque, estando los desviadores dispuestos verticalmente dentro de la región termoclina sobre una distancia mayor del 5% de la altura del tanque.
    15 2. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 1, en el que, los desviadores están espaciados verticalmente unos de otros dentro de la región termoclina.
  2. 3. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 2, en el que los desviadores incluyen múltiples perforaciones dispuestas dentro del perímetro y
    20 configuradas para permitir la circulación sustancialmente limitada entre las regiones de almacenamiento caliente y fría a través de los desviadores.
  3. 4. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 3, en el que un primer conjunto de perforaciones en un primer desviador están desplazadas de un segundo conjunto de perforaciones sobre un segundo desviador.
    25 5. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 1, que comprende al menos un poste de soporte generalmente vertical dispuesto a bordo de la pared exterior conectado operativamente al menos a un desviador.
  4. 6. Un tanque de almacenamiento para un sistema de potencia solar que comprende:
    una estructura que incluye una pared exterior contigua a una pared inferior y que proporciona una cavidad de tanque configurada para almacenar un fluido; un desviador flexible dispuesto en la cavidad y espaciado de la pared inferior, incluyendo el desviador flexible un perímetro sustancialmente obturado
    5 y adherido a la pared exterior y configurado para sustancialmente separar físicamente la cavidad en cavidades caliente y fría en una región termoclina, estando configurado el desviador flexible para desviar dentro de la región termoclina en respuesta a la variación de los volúmenes caliente y frío respectivamente proporcionada en respuesta a la variación de los volúmenes
    10 caliente y frío respectivamente proporcionada por las cavidades caliente y fría a medida que la región termoclina se desplaza; y en el que el separador flexible incluye al menos una abertura y comprendiendo un elemento que se extiende entre las cavidades caliente y fría a través de la abertura, proporcionando la abertura un área de circulación entre el
    15 elemento y el desviador flexible configurada para permitir la circulación de fluido entre las cavidades caliente y fría, correspondiendo el área de circulación a menos del 1% de la sección transversa horizontal a través de la cavidad de tanque en la región termoclina.
  5. 7. El tanque de almacenamiento según la reivindicación 6, en el que el
    20 separador flexible incluye corrugaciones configuradas para permitir desviar un cambio en los volúmenes caliente y frío.
  6. 8.
    El tanque de almacenamiento según la reivindicación 6, en el que el elemento es un conducto de bombeo en comunicación fluida con la cavidad fría.
  7. 9.
    El tanque de almacenamiento según la reivindicación 6, que comprende
    25 bombas caliente y fría respectivamente en comunicación fluida con las cavidades caliente y fría, estando configurada la membrana flexible para expandirse en la dirección vertical para acomodar alrededor del 95% de cualquiera de las cavidades caliente y fría en respuesta al fluido bombeado a la misma y desde la misma.
    30 10. Un tanque que comprende:
    una pared que tiene una porción;
    una membrana situada en una región de gradiente térmico;
    una falda fijada a la membrana, teniendo la falda una geometría basada al
    menos en parte sobre la porción, la falda próxima a la porción; y
    5 en e! que la membrana incluye aberturas plurales.
  8. 11.
    El tanque de la reivindicación 10, en e! que la porción es una porción vertical.
  9. 12.
    El tanque de la reivindicación 10, en el que la membrana separa sustancialmente un primer volumen y un segundo volumen .
    10 13. El tanque de la reivindicación 12, en e! que un fluido caliente está en e! primer volumen y un fluido frío está en e! segundo volumen.
  10. 14. El tanque de la reivindicación 13, en e! que una mezcla de! fluido caliente y el fluido frío está limitada por la membrana.
  11. 15. El tanque de la reivindicación 14, en el que las aberturas plurales 15 permiten una circulación limitada entre el primer volumen y el segundo volumen.
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