ES2646926T3 - Colector solar para caldera de calor solar, y caldera de calor solar de tipo torre equipada con el mismo - Google Patents

Abstract

Un colector solar para una caldera de calor solar, que comprende: una pluralidad de tuberías de trasferencia de calor dentro de las cuales fluye un fluido que se va a calentar; cabezales (1, 3, 5) cilíndricos que están dispuestos en posiciones opuestas y conectados a porciones extremas opuestas de tuberías de trasferencia de calor respectivamente; y una porción de recolección de calor solar plana que está formada fuera de las tuberías de trasferencia de calor y barras (7) de membrana que fijan tuberías adyacentes de las tuberías de transferencia de calor entre sí; en donde: los cabezales cilíndricos incluyen un cabezal (1) de entrada dentro del cual fluye el fluido que se va a calentar, un cabezal (3) intermedio que está dispuesto en una posición opuesta al cabezal de entrada con la interposición de tuberías de trasferencia de calor, y dos cabezales (5) de salida que están previstos para extenderse en lados extremos opuestos del cabezal de entrada y a través de los cuales el fluido introducido desde el cabezal intermedio hasta las tuberías de transferencia puede descargarse al exterior; y las porciones de recolección de calor solar incluyen una primera subporción (2) de recolección de calor que está formada fuera de un grupo de las tuberías de trasferencia de calor conectadas entre el cabezal (1) de entrada y el cabezal (3) intermedio y las barras (7) de membrana para el grupo de tuberías de trasferencia de calor de manera que forma una región central de la porción de recolección de calor solar que se extiende en una dirección de eje de cada tubería de trasferencia de calor, y segundas subporciones (4) que están formadas fuera de los grupos de tuberías de trasferencia de calor conectadas entre el cabezal (3) intermedio y los dos cabezales (5) de salida y las barras (7) de membrana para los grupos de tuberías de trasferencia de calor de manera que se van a formar en lados opuestos de la primera subporción (2) de recolección de calor, respectivamente; en donde una placa (9) protectora está dispuesta entre la primera subporción (2) de recolección de calor y la segunda subporción (4) de recolección de calor; y la placa (9) protectora está fijada a una de las tuberías de trasferencia de calor mediante soldadura y no está fijada mediante soldadura a la otra tubería de trasferencia de calor sino en contacto con la misma.

Description

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DESCRIPCION

Colector solar para caldera de calor solar, y caldera de calor solar de tipo torre equipada con el mismo Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un colector solar para una caldera de calor solar, que puede recolectar calor a partir del sol y generar vapor mediante el uso del calor recolectado, y una caldera de calor solar de tipo torre que esta equipada con el colector solar.

Antecedentes del estado de la tecnica

Las plantas de calor solar de tipo de concentracion estan clasificadas aproximadamente en plantas independientes y plantas tnbridas. En las plantas independientes, la mayona de calor es proporcionado por el calor solar mientras que una parte del calor es respaldado por un combustible fosil o similar. Por otro lado, en las plantas tnbridas, la mayona del calor es proporcionado por un combustible fosil o un combustible nuclear mientras que una parte del calor es respaldado mediante calor solar.

En ambos tipos de plantas independientes y de plantas tnbridas, el calor de la luz solar es recolectado y utilizado como una fuente de calentamiento, y un colector solar es tambien utilizado sustancialmente en comun. Generalmente, un colector solar/de tipo de luz pasante (en el cual se proporciona un espejo parabolico y una tubena de trasferencia de calor esta dispuesta en un punto focal en donde esta enfocada la luz solar), un colector solar de tipo Fresnel (en el cual un gran numero de espejos planos son proporcionados y se disponen tubenas de trasferencia de calor en puntos focales donde esta enfocada a la luz solar) y un colector solar de tipo torre (en el cual un gran numero de espejos planos (de aqu en adelante tambien referidos simplemente como espejos) estan colocados en una amplia region proxima a la superficie del terreno y un panel de transferencia de calor que sirve como un colector solar esta dispuesto en un punto focal en donde se enfoca la luz solar reflejada por los espejos) se puede utilizar como el colector solar.

Entre ellos, el colector solar de tipo pasante y el colector solar de tipo Fresnel son cortos en la longitud focal y bajos en el grado de concentracion de la luz solar (la densidad de calor en una porcion de recoleccion de calor). Por otro lado, el colector solar de tipo torre es largo en la longitud focal para ser capaz de utilizar la luz reflejada desde una region amplia. Por tanto, un colector solar del tipo torre tiene como caractensticas que el grado de concentracion de la luz solar (la densidad de calor en una porcion de recoleccion de calor) es alto. Cuando la densidad de calor en el colector solar es alta, la cantidad de calor recolectada por unidad de area de transferencia de calor es grande de manera que se puede obtener un vapor a temperatura mas alta.

A continuacion, se ilustra un ejemplo de una planta independiente de tipo torre para explicar los antecedentes del estado de la tecnica. La figura 7 muestra una vista esquematica de una planta independiente de tipo torre tfpica. Mediante una bomba 11 de suministro de agua, el agua es entregada a un colector 13 solar colocado en una base 12 de soporte del colector solar. Por otro lado, la luz del sol 14 es reflejada mediante superficies de espejo de heliostatos 15 constituidos por espejos y unidades controladoras, y recolectados en el colector 13 solar. En el colector 13 solar, la temperatura del agua aumenta debido al calor del sol de manera que se genera vapor. El vapor generado en el colector 13 solar es entregado a una turbina 16 de vapor. La turbina 16 de vapor es accionada de manera que un generador 17 puede generar electricidad.

Como un ejemplo de la estructura del colector 13 solar, la figura 8 muestra un ejemplo de un colector solar que incluye un evaporador 19 y un sobrecalentador 20. El agua suministrada por la bomba 11 de suministro de agua (ver la figura 7) una vez entra en un dispositivo 18 de separacion vapor-agua. El agua es circulada y calentada en el evaporador 19 de manera que se convierte parcialmente en vapor, y despues entra en el dispositivo 18 de separacion vapor-agua de nuevo. En el dispositivo 18 de separacion vapor-agua, el agua es separada en vapor saturado y agua saturada. El vapor saturado entra en el sobrecalentador 20, mientras que el agua saturada entra en el evaporador 19 de nuevo. El vapor saturado que entra en el sobrecalentador 20 es calentado por el calor solar de manera que se genera un vapor sobrecalentado. El vapor sobrecalentado generado es suministrado a la turbina 16 de vapor (ver la figura 7).

La figura 9 muestra de forma esquematica la estructura del sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor) en el colector 13 solar mencionado anteriormente y la distribucion de una carga termica (unidad:KW/m2) en el sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor). Cada lmea discontinua conecta porciones de la misma carga termica como una lmea de contorno y muestra cada region del mismo escalonamiento de carga termica.

El vapor a saturado generado en el evaporador 19 es suministrado al sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor) a traves de un cabezal 1 de entrada y calentado mediante calor solar de manera que se convierte en vapor d sobrecalentado, el cual fluye fuera a traves de un canal 5 de salida. La forma del patron de luz incidente reflejada por cada espejo con una forma fija y que alcanza una superficie de recepcion de luz que sirve como la porcion de recoleccion de calor del colector solar es cambiada por el angulo de azimut y el angulo de elevacion de cada heliostato que sigue el sol de acuerdo con la relacion posicional entre el espejo y la superficie de recepcion de luz y el azimut y la altitud del sol.

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Por ejemplo, incluso si se utiliza un espejo cuadrado, el patron de un rayo de luz incidente puede cambiarse para ser mas largo horizontalmente que verticalmente o mas largo verticalmente que horizontalmente. Adicionalmente, los patrones de rayos de luz incidentes que alcanzan la superficie de recepcion de luz desde una pluralidad de espejos que tienen la misma forma pero estan colocados en diferentes posiciones son diferentes entre sf Por lo tanto, puede suceder una distribucion en la intensidad de la luz incidente obtenida por esos rayos de luz incidentes superpuestos unos a otros. Es decir, se genera una region alta en carga termica y una region baja en carga termica, tal y como se muestra en la figura 9.

Por otro lado, una porcion en la que los rayos de luz reflejados mediante una pluralidad de espejos estan superpuestos (solapados) llegan a tener una temperatura alta. Es por lo tanto deseable que los rayos de luz reflejados que estan incidiendo en una porcion distinta de la porcion de recoleccion de calor del colector de calor puedan danar termicamente cualquier miembro en la porcion.

Por lo tanto, durante un periodo de funcionamiento de la caldera de calor solar (colector solar), la region de la superficie de recepcion de luz del colector solar (es decir la anchura y la altura de la porcion de recoleccion de calor del colector solar) se establece generalmente para que sea mas grande que la forma de la luz incidente (de aqu en adelante tambien referida como patron de luz incidente global) en la cual los rayos de luz incidente desde todos los espejos en uso se superponen, de manera que se puede evitar que el patron de luz incidente global sobresalga de la superficie de recepcion de luz del colector solar.

El rango o distribucion superior/inferior del valor absoluto de la carga termica del sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor) fluctua dependiendo de las condiciones de instalacion (dimensiones, formas, region de instalacion, numero, etc.) o del metodo de seguimiento (control) de los heliostatos (espejos) y dependiendo del azimut y de la altitud del sol. Sin embargo, la carga termica es mas alta en la porcion central (region e de carga termica alta) del sobrecalentador 20 y disminuye a medida que se dispone de forma mas proxima a la periferia (region f de carga termica baja) del sobrecalentador 20.

La figura 10 muestra la relacion entre la posicion en la direccion de anchura (direccion perpendicular a la direccion del eje de cada tubena de transferencia de calor) del sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor) mostrado en la figura 9, cuya posicion esta en la abscisa, y una diferencia de temperatura de un fluido entre el cabezal 1 de entrada y el cabezal 5 de salida en el sobrecalentador 20 (porcion de recoleccion de calor), cuya diferencia de temperatura esta en la ordenada.

La tubena de transferencia de calor (el signo g de referencia mostrado en la figura 9) en la porcion central esta situada en la region e de carga termica alta. Por ejemplo, en las condiciones en los cuales un fluido que se va a calentar (vapor a saturado) fluye dentro del cabezal 1 dentada y a una presion de 5 Mpa y el fluido (vapor d sobrecalentado) fluye fuera del cabezal 5 de salida y a una temperatura promedio de 500°C, la temperatura del fluido alcanza aproximadamente 600°C en la porcion de salida mientras que la temperatura del fluido que se va a calentar (vapor a saturado) tiene una temperatura de aproximadamente 250°C en la entrada. Por tanto, la diferencia de temperatura del fluido entre el cabezal de entrada y el cabezal de salida es de aproximadamente 350°C. Por otro lado, las tubenas de trasferencia de calor (el signo h de referencia mostrado en la figura 9) en las porciones laterales opuestas estan situadas en la region f de carga termica baja. Por consiguiente, la cantidad de calentamiento es tan baja que la temperatura del fluido alcanza aproximadamente 350°C en la porcion de salida mientras que la temperatura del fluido que se va a calentar (vapor s saturado) es aproximadamente de 250°C en la entrada. Por tanto, la diferencia de temperatura del fluido entre el cabezal de entrada y el cabezal de salida es de aproximadamente 100°C. Como resultado, la diferencia de temperatura en la direccion de anchura en el cabezal de salida alcanza aproximadamente 250°C (600°C-350°C). De esta manera, surge una gran diferencia de temperatura entre las posiciones en la direccion de anchura del sobrecalentador (porcion de recoleccion de calor).

Adicionalmente, por ejemplo, la literatura de patente 1 da a conocer una caldera que utiliza calor solar, en la cual una pluralidad de paneles de recepcion de luz de calor solar cada uno que tiene un cabezal inferior y un cabezal superior, estan conectados en cascada de manera que el fluido que pasa a traves de las tubenas puede ser calentado de forma secuencial. Esta literatura de patente 1 tampoco tiene sugerencias particulares con respecto a propiedades de recepcion de calor en las posiciones en la direccion de anchura de los paneles de recepcion de luz.

Adicionalmente, la literatura de patente 2 da a conocer una estructura de disposicion de tubenas de trasferencia de calor como la siguiente. Es decir, un cabezal inferior esta previsto en la direccion de anchura de un pasaje a traves del cual pasa un medio de calor tal como gases de escape, y el cabezal inferior esta dividido en tres porciones mediante dos placas de particion de manera que el fluido de una tubena de entrada puede fluir dentro de un puerto de division de una porcion central en la direccion de anchura y el fluido que retorna del puerto de division de la porcion central a traves de un cabezal superior puede fluir en los puertos de division en los lados opuestos de la porcion central. Esta literatura de patente 2 sugiere que una entrada y una salida estan previstas en el cabezal inferior de manera que se puede eliminar una tubena de comunicacion anterior colocada entre el cabezal superior y el cabezal inferior.

Lista de citacion

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Literatura de patente

Literatura de patente 1: US 2010/0199974A1 Literatura de patente 2: JP-A- 61-252401

Literatura de patente 3: US 4245618A da a conocer un receptor central solar o generador de vapor y una unidad sobrecalentadora que comprende una primera y una segunda series de paneles de tubo dispuestos circularmente, respectivamente.

Literatura de patente 4: US 4269172A da a conocer un sistema de calentamiento de agua solar que tiene un absorbedor formado de un conducto de plastico adaptado para estar dispuesto de forma no obstruida sobre una superficie de tejado con lo cual el agua es calentada por medio de una radiacion directa del sol y por medio de conduccion desde la superficie de tejado sobre la cual esta soportado el conducto.

Literatura de patente 5: US 2011/289921A1 da a conocer un intercambiador de calor configurado para capturar energfa mediante radiacion, que comprende al menos un intercambiador basico en forma de bandera, que incluye: un colector de entrada y un colector de salida; una pluralidad de tubos de intercambio conectados al conector de entrada y al colector de salida; respectivamente, y apilados de manera que detienen la radiacion incidente.

Literatura de patente 6: US 5845591A da a conocer un dispositivo de combustion giratorio en el cual una pluralidad de tubos conectan un primer cabezal a un segundo cabezal, y en el cual el primer y segundo cabezales tienen una pluralidad de deflectores que los dividen en una pluralidad de camaras. Una tubena ramificada esta situada en un extremo final de una primera de las camaras para admitir fluido a la primera camara, de tal manera que el fluido fluya a traves de un primer conjunto de tubos hasta una segunda camara y entonces a traves de un segundo conjunto de tubos y es retornado a otra camara y sale a traves de una segunda tubena ramificada dispuesta en un extremo final de la camara.

Literatura de patente 7: EP 1066882A 2 da a conocer un receptor solar que comprende una pluralidad de paneles de tubo que generan vapor y una pluralidad de paneles de tubo sobrecalentadores intercalados con los paneles de tubo que genera vapor para mantener cerca de una constante la relacion de potencia absorbida entre los tubos del sobrecalentador y generadores de vapor independientemente de la distribucion del flujo de calor sobre la superficie absorbedora.

Resumen de la invencion

Problema tecnico

Sin embargo, en las tecnicas de los antecedentes del estado de la tecnica mostradas en la figura 7 y en la figura 8, que incluyen la literatura de patente 1 mencionada anteriormente, se produce una diferencia de temperatura muy grande en una direccion de un conjunto de un gran numero de tubenas de trasferencia de calor (en una direccion perpendicular a la direccion del eje de cada una de las tubenas de transferencia de calor o en una direccion de anchura del sobrecalentador o una porcion de recoleccion de calor). Por lo tanto, hay una posibilidad de que la cantidad de expansion termica pueda variar en la direccion de anchura de las tubenas de trasferencia de calor y que las tubenas de trasferencia de calor y los cabezales puedan danarse.

Por otro lado, la literatura de patente 2 mencionada anteriormente da a conocer una estructura en la cual el cabezal inferior que conecta unos extremos de un gran numero de tubenas de transferencia de calor se divide en tres porciones, una porcion central del cual se establece como el lado de entrada de un fluido mientras que las otras porciones en los lados opuestos de la porcion central se establecen como lados de salida del fluido. Sin embargo, una fuente de calentamiento de fluido es un gas de escape que pasa a traves de una caldera. De forma diferente al calor solar recolectado, la fuente no es una fuente de calor que puede provocar una gran diferencia de temperatura del gas de escape en la direccion de anchura del pasaje del gas de escape. Por tanto, en la literatura de patente 2, el cabezal inferior se divide para los propositos de eliminar la tubena de comunicacion entre el cabezal superior y el cabezal inferior.

Un objeto de la invencion es proporcionar un colector solar para una caldera de calor solar, que incluye dicha estructura de cabezales y dicha formacion de un flujo de fluido en las tubenas de trasferencia de calor que conectan los cabezales, que puede suprimir una desviacion entre una diferencia de temperatura de entrada/salida del fluido en una porcion central en la direccion de anchura de la porcion de recoleccion de calor (sobrecalentador) y una diferencia de temperatura en una entrada-salida del fluido en cada una de las porciones laterales opuestas en la direccion de anchura de la porcion de recoleccion de calor (sobrecalentador) para ser lo suficientemente baja para reducir la cantidad de expansion termica en la direccion de anchura en las tubenas de referencia de calor.

Solucion al problema

Con el fin de resolver los problemas anteriores, la invencion proporciona un colector solar para una caldera de calor solar tal y como se ha definido en la reivindicacion 1.

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Adicionalmente, una caldera de calor solar de tipo torre incluye: el colector solar mencionado anteriormente para una caldera de calor solar; un evaporador que calienta agua suministrada la misma; un separador de vapor-agua que separa un fluido en dos fases vapor-agua generado en el evaporador, en vapor saturado y agua; y heliostatos que siguen la luz del sol y concentran la luz sobre la porcion de recoleccion de calor solar del colector solar para una caldera de calor solar; en donde: el vapor saturado separado en el separador vapor-agua se hace para fluir dentro del cabezal de entrada como el fluido que se va a calentar en el colector solar para una caldera de calor solar, de manera que el vapor saturado puede ser sobrecalentado.

Efectos ventajosos de la invencion

De acuerdo con la invencion, se puede reducir una desviacion entre la diferencia de temperatura entrada-salida de una primera parte de sobrecalentador y la diferencia de temperatura de entrada-salida de cada una de las segundas partes de sobrecalentador, de manera que se puede reducir una diferencia en la expansion termica entre la primera parte de sobrecalentador y la segunda parte de sobrecalentador. Es por lo tanto posible evitar danos en el colector solar para una caldera de calor solar.

Adicionalmente, cuando el colector solar de acuerdo con la invencion es utilizado en una caldera de calor solar de tipo torre, se puede reducir la desviacion de una diferencia de temperatura entrada-salida del fluido en la direccion de anchura del sobrecalentador, incluso si fluctua la tasa de vapor saturado que fluye dentro del sobrecalentador o fluctua la cantidad de radiacion solar. Adicionalmente, solo el sobrecalentador se puede colocar en una porcion superior de una torre. Por consiguiente, es posible reducir el coste del equipo total de la caldera de calor solar.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1. Una vista de configuracion que muestra una estructura de los cabezales y la formacion de un flujo de fluido en un colector solar para una caldera de calor solar de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion.

La figura 2. Una vista que muestra detalles de los cabezales y de partes de sobrecalentador de un sobrecalentador en la configuracion mostrada en la figura 1.

La figura 3. Una vista en seccion que muestra detalles de una porcion de conexion entre las partes de sobrecalentador mostradas en la figura 2.

La figura 4. Una grafica que muestra la relacion entre una posicion en la direccion de anchura del sobrecalentador y una diferencia de temperatura de un fluido entre un cabezal de entrada y un cabezal intermedio o una diferencia de temperatura de fluido entre el cabezal intermedio y cada cabezal de salida de acuerdo con el modo de realizacion.

La figura 5. Una vista que muestra una estructura de disposicion que incluye un evaporador y un sobrecalentador en una caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion.

La figura 6. Un grafico que muestra la relacion entre la cantidad de vapor saturado que fluye dentro de un sobrecalentador y una diferencia de temperatura de un fluido entre un cabezal de entrada y un cabezal de salida.

La figura 7. Una vista que muestra una configuracion conceptual de una caldera de calor solar independiente de tipo torre tfpica.

La figura 8. Una vista que muestra la configuracion de un colector solar en la caldera de calor solar mostrada en la figura 7.

La figura 9. Una vista que muestra una estructura de un sobrecalentador y una distribucion de carga termica del sobrecalentador en el colector solar mostrada en la figura 8.

La figura 10. Una grafica que muestra la relacion entre una posicion en la direccion de anchura del sobrecalentador mostrada en la figura 9 y una diferencia de temperatura de un fluido entre un cabezal de entrada y un cabezal de salida.

Descripcion de un modo de realizacion

La configuracion y funciones del colector solar para una caldera de calor solar de acuerdo con un modo de realizacion de la invencion se describiran mas abajo en detalle con referencia las figuras 1 a 3. La figura 1 es una vista de configuracion que muestra una estructura de cabezales y la formacion de un flujo de fluido en el colector solar para una caldera de calor solar de acuerdo con el modo de realizacion de la invencion. La figura 2 es una vista que muestra detalles de los cabezales y de partes de sobrecalentador de un sobrecalentador en la configuracion mostrada en la figura 1. La figura 3 es una vista en seccion que muestra detalles de una porcion de conexion entre las partes de sobrecalentador mostradas en la figura 2.

En la figura 1, el sobrecalentador de la caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con el modo de realizacion incluye un cabezal 1 de entrada, una primera parte 2 de sobrecalentador, un cabezal 3 intermedio, unas segundas partes 4 de sobrecalentador y cabezales 5 de salida. El vapor a saturado fluye dentro del cabezal 1 de entrada. La

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primera parte 2 de sobrecalentador incluye una pluralidad de tubenas de trasferencia de calor, en las cuales el vapor a saturado que esta fluyendo dentro del cabezal 1 de entrada, es calentado mediante calor solar de manera que se genera un primer vapor b sobrecalentado. El primer vapor b sobrecalentado generado en la primera parte 2 de sobrecalentador es recolectado y distribuido mediante el cabezal 3 intermedio. Cada segunda parte 4 de sobrecalentador incluye una pluralidad de tubenas de trasferencia de calor, en las cuales el primer vapor b sobrecalentado que esta fluyendo fuera del cabezal 3 intermedio es calentado por el calor solar de manera que se genera un segundo vapor c sobrecalentado. El segundo vapor c sobrecalentado generado en las segundas partes 4 de sobrecalentador fluye fuera de los cabezales 5 de salida.

En este caso, se hace la configuracion de tal manera que las segundas partes 4 de sobrecalentador estan dispuestas en lados opuestos de la primera parte 2 de sobrecalentador en la direccion de anchura de la porcion de recoleccion de calor (la direccion izquierda/derecha de la hoja de la figura 1), de manera que el vapor sobrecalentado en las tubenas de trasferencia de calor que constituye la primera parte 2 de sobrecalentador se puede mover en una direccion opuesta a la direccion de movimiento del vapor sobrecalentado en las tubenas de transferencia de calor que constituyen las segundas partes 4 de sobrecalentador. Adicionalmente, en el modo de realizacion, se hace una configuracion de tal manera que la relacion entre el area de la primera parte 2 de sobrecalentador y el area de las segundas partes 4 de sobrecalentador se establece para ser de aproximadamente 1:2, es decir, el numero de tubenas de trasferencia de calor en la primera parte 2 de sobrecalentador es sustancialmente igual al numero de tubenas de trasferencia de calor en cada segunda parte 4 de sobrecalentador.

La figura 2 muestra una estructura alrededor del cabezal 1 de entrada y de los cabezales 5 de salida. El cabezal 1 de entrada y los cabezales 5 de salida estan posicionados entre sf, por ejemplo, mediante placas de particion. Por tanto, el cabezal 1 de entrada y los cabezales 5 de salida son tan independientes que un fluido no puede desplazarse de un cabezal a otro. La primera parte 2 de sobrecalentador y las segundas partes 4 de sobrecalentador estan conectadas al cabezal 1 de entrada y a los cabezales 5 de salida, respectivamente.

La estructura en seccion horizontal de la porcion de conexion (una region rodeada por una lmea de cadena de puntos en la figura 2) entre la primera parte 2 de sobrecalentador y cada segunda parte 4 de sobrecalentador se describira con referencia la figura 3. La primera parte 2 de sobrecalentador incluye tubenas 6 de transferencia de calor de la primera parte de sobrecalentador y barras 7 de membrana. Del mismo modo, la segunda parte 4 de sobrecalentador incluye tubenas 8 de trasferencia de calor de segunda parte de sobrecalentador y barras 7 de membrana. Las tubenas de trasferencia de calor y las barras de membrana que constituyen cada parte de sobrecalentador estan conectadas por soldadura. Sin embargo, la porcion de conexion entre la primera parte de sobrecalentador y la segunda parte de sobrecalentador tiene una estructura en la cual la tubena 6 de transferencia de calor de la primera parte de sobrecalentador y la tubena 8 de trasferencia de calor de la segunda parte de sobrecalentador no estan conectadas mediante soldadura a traves de la barra 7 de membrana sino que se conecta una placa 9 protectora al lado de la tubena 8 de preferencia de calor de la segunda parte de sobrecalentador mediante soldadura.

Cada barra 7 de membrana es un miembro que es utilizado para conectar dos tubenas de trasferencia de calor adyacentes entre sf. La barra 7 de membrana esta fijada a las tubenas de transferencia de calor mediante soldadura. Por otro lado, la placa 9 protectora fijada a una de las tubenas de transferencia de calor mediante soldadura no esta soldada (fijada) a la otra tubena de trasferencia de calor sino simplemente en contacto con la misma. Como resultado, incluso cuando hay una diferencia en la expansion entre la primera parte 2 de sobrecalentador y la segunda parte 4 de sobrecalentador, la placa 9 protectora se puede evitar que sea danada debido a que la primera parte 2 de sobrecalentador y la segunda parte 4 de sobrecalentador no estan vinculadas entre sf.

Normalmente, en las condiciones en las que una carga termica es la mas alta durante el periodo de funcionamiento de la caldera de calor solar (colector solar) (por ejemplo, alrededor de la noche en el verano si la localizacion es en el hemisferio del norte), una region en la que los rayos de luz incidentes desde todos los espejos en uso estan superpuestos ocupa aproximadamente de 1/3 a 1/2 del anchura total y de la altura total de la porcion de recoleccion de calor tanto en la direccion de anchura como en la direccion de altura. En el modo de realizacion, el tamano de la caldera de calor solar (colector solar) y el tamano de los espejos se establecen de tal manera que dicha region ocupa aproximadamente 1/3 del anchura total y de la altura total.

De acuerdo con el modo de realizacion, la primera parte 2 de sobrecalentador en la cual es circulado el vapor saturado a baja temperatura esta dispuesta en la region en la que los rayos de luz incidentes desde todos los espejos en uso estan superpuestos mientras que las segundas partes 4 de sobrecalentador en las que se circula el vapor sobrecalentado a alta temperatura estan dispuestas en regiones de baja carga termica perifericas. Ademas, las areas (areas sustancialmente planas cada una formada fuera de las tubenas de transferencia de calor y de las barras de membrana) de la primera parte 2 de sobrecalentador y de las segundas partes 4 de sobrecalentador son establecidas en una relacion de aproximadamente 1:2. Por tanto, la diferencia de temperatura entre el cabezal 1 de entrada y el cabezal 3 intermedio y la diferencia de temperatura entre cada cabezal 5 de salida y el cabezal 3 intermedio se pueden igualar tal y como se muestra en la figura 4.

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Es decir, en las condiciones en las cuales un fluido que se va a calentar (vapor a saturado) fluye dentro del cabezal uno de entrada y a una presion de 5 MPa y el fluido (segundo vapor c sobrecalentado) fluye fuera de cada uno de los cabezales 5 de salida y a una temperatura media de 500°C, la temperature del fluido (primer vapor b sobrecalentado) en el cabezal 3 intermedio es de aproximadamente 380°C mientras que la temperatura del fluido que se va a calentar (vapor a sobrecalentado) es una temperatura de saturacion de aproximadamente 250°C en la entrada. Por tanto, la diferencia de temperatura del fluido entre el cabezal 1 de entrada y el cabezal 3 intermedio es de aproximadamente 130°C. Por otro lado, la temperatura del fluido (primer vapor b sobrecalentado) que fluye desde el cabezal 3 intermedio dentro de cada segunda parte 4 de sobrecalentador es de aproximadamente 380°. El fluido calentado por la segunda parte 4 de sobrecalentador alcanza aproximadamente 500°C en el cabezal 5 de salida. Por tanto, la diferencia de temperatura del fluido entre el cabezal 5 de salida y el cabezal 3 intermedio es de aproximadamente 120°C. De esta manera, la diferencia de temperatura del fluido en la direccion de anchura del sobrecalentador (porcion de recoleccion de calor) es de aproximadamente 10°C (130°C-120°C). La diferencia de temperatura puede reducirse notoriamente en comparacion con aproximadamente 250°C en el ejemplo del antecedente del estado de la tecnica (ver la figura 10).

En este caso, debido a la variacion de la cantidad de radiacion solar similar, la diferencia de temperatura entre el cabezal 1 de entrada y el cabezal 3 intermedio puede que no siempre coincida con la diferencia de temperatura entre cada cabezal 5 de salida y el cabezal 3 intermedio. Por lo tanto, la estructura mostrada en la figura 2 es utilizada para evitar dano en los cabezales provocado por una diferencia en la expansion termica. La estructura mostrada en la figura 2 no es para mejorar la gran diferencia de temperatura entre los cabezales sino para evitar el dano en los cabezales provocado por la diferencia en la expansion termica entre la primera parte del sobrecalentador y cada segunda parte del sobrecalentador.

Adicionalmente, el cabezal 3 intermedio es de un tipo integral en el modo de realizacion. Sin embargo, se puede utilizar un modo (tipo dividido) en el cual el cabezal 3 intermedio este dividido en porciones de acuerdo con la primera parte 2 de sobrecalentador y las segundas partes 4 de sobrecalentador y las porciones divididas del cabezal 3 intermedio estan acopladas a traves de tubenas de comunicacion o similares. El tipo dividido tiene una estructura en la cual la primera parte 2 de sobrecalentador y las segundas partes 4 de sobrecalentador son perfectamente independientes entre sn El grado de libertad en el transporte o instalacion de hecho aumenta, pero las partes de sobrecalentador deben estar acopladas a traves de las tubenas de comunicacion. Por tanto, el coste de equipo (material) aumenta.

En este caso, en el modo de realizacion, la tubena 6 de transferencia de calor de la primera parte de sobrecalentador y las tubenas 8 de trasferencia de calor de las segundas partes de sobrecalentador tienen las mismas especificaciones (diametro exterior, espesor y material) y el mismo intervalo (paso de la tubena) entre tubenas adyacentes. Sin embargo, es necesario seleccionar el material y el espesor lo mas adecuados para cada tubena de acuerdo con la temperatura o presion del vapor que fluye dentro de la tubena. Por ejemplo, cuando la temperatura del segundo vapor c sobrecalentado excede 600°C, se puede utilizar acero al carbono como el material de la tubena 6 de trasferencia de calor de la primera parte de sobrecalentador y se puede utilizar acero de alto contenido en cromo o acero inoxidable como el material de las tubenas 8 de trasferencia de calor de las segundas partes de sobrecalentador. De esta manera, se puede suprimir el incremento de coste.

A continuacion, se describira mas abajo la caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con el modo de realizacion de la invencion con referencia a la figura 5 y a la figura 6. La figura 5 es una vista que muestra una estructura de disposicion que incluye un evaporador y un sobrecalentador en la caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con el modo de realizacion de la invencion. La figura 6 es un grafico que muestra la relacion entre la cantidad de vapor saturado que fluye dentro del sobrecalentador y una diferencia de temperatura de un fluido entre un cabezal de entrada y un cabezal de salida.

En la caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con el modo de realizacion, tal y como se muestra en la figura 5, el agua suministrada desde una bomba 11 de suministro de agua y que pasa a traves de una valvula 24 de suministro de agua es entregada a un calentador 23 de suministro de agua. El agua calentada en el calentador 23 de suministro de agua es introducida en un evaporador 19 a traves de un dispositivo 18 de separacion vapor-agua y una bomba 25 de circulacion. En el evaporador 19, el agua suministrada es calentada mediante calor del sol 14.

Un fluido de dos fases agua-vapor generado en el evaporador 19 es separado en agua saturada y vapor saturado en un dispositivo 18 de separacion vapor-agua. El vapor separado es entregado al sobrecalentador 20 situado en una base 21 de soporte de sobrecalentador. El vapor introducido en el sobre calentador 20 es calentado adicionalmente mediante el calor solar reflejado por los heliostatos 15 e introducido en el sobrecalentador 20. Se consiguio mecanismo de manera que el vapor sobrecalentado generado por el sobrecalentador 20 pueda girar una turbina 16 de vapor de manera que genera energfa electrica en un generador 17 debido al giro de la turbina 16 de vapor. En este caso, con el fin de ajustar la tasa de vapor suministrado a la turbina 16 de vapor, la valvula 24 de suministro de agua es situada entre la bomba 11 de suministro de agua y el calentador 23 de suministro de agua, y una valvula 22 de vapor es situada entre el sobrecalentador 20 y la turbina 16 de vapor.

En el modo de realizacion, una gran cantidad de agua esta contenida en el evaporador 19 y el dispositivo 18 de separacion vapor-agua, de manera que los dispositivos en conjunto son pesados. Por esta razon, el evaporador 19 y

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

el dispositivo 18 de separacion vapor-agua estan situados sobre la superficie del terreno o cerca de la superficie del terreno mediante el uso de una base baja que tiene, por ejemplo, 1 o 2 metros de altura. Dado que el evaporador 19 y el dispositivo 18 de separacion vapor-agua estan situados en o sobre la superficie del terreno de esta manera, el agua no tiene que ser bombeada a un lugar alto, el cual esta, por ejemplo, de 30 a 100 metros de altura, como en la planta de calor solar de tipo torre del estado de la tecnica anterior mostrada en la figura 7. Por tanto, una bomba de suministro de agua que tiene una capacidad de bombeo reducida y que no es cara se puede utilizar como bomba 11 de suministro de agua de manera que se puede reducir el coste del equipo total de la caldera de calor solar de tipo torre.

Por otro lado, el sobrecalentador 20 esta situado en un lugar alto, el cual tiene 10 metros de alto o mas alto (por ejemplo, de 30 a 100 metros de alto) desde la superficie del terreno, de manera que los rayos de luz de los heliostatos 15 se puedan recolectar con una densidad de luz alta. Dado que el fluido que fluye dentro del sobrecalentador 20 es solo vapor, el dispositivo es mucho mas ligero en peso y mas pequeno en tamano que el colector 13 solar del estado de la tecnica anterior que incluye el evaporador 19, el sobrecalentador 20 y el dispositivo 18 de separacion vapor-agua tal y como se muestra en la figura 7 y en la figura 8. De forma circunstancial, la relacion entre la cantidad de calor recolectada por el evaporador 19 y la cantidad de calor recolectada por el sobrecalentador 20 es de aproximadamente 9:1 a 7:3. La cantidad de calor recolectada por el sobrecalentador 20 es mucho mas pequena que la recolectada por el evaporador 19.

En la caldera de calor solar de tipo de concentracion de acuerdo con el modo de realizacion, no se utiliza un dispositivo de almacenamiento de calor ni un medio de almacenamiento de calor al como sal fundida, ni un dispositivo sobrecalentador suplementario que utilice combustible fosil, sino que el vapor saturado separado por el dispositivo 18 de separacion vapor-agua es suministrado directamente al sobrecalentador 20. Por consiguiente, la tasa de vapor saturado que fluye dentro del sobrecalentador 20 cambia debido a la influencia de la variacion de la cantidad de radiacion solar. Particularmente, cuando la tasa de vapor saturado disminuye, tal y como se muestra en la figura 6, aumenta una diferencia de temperatura en la porcion central donde la carga termica es alta mientras que la diferencia de temperatura disminuye en cada una de las porciones laterales opuestas donde la carga termica es baja. Como resultado, se hace mas grande de lo normal una diferencia de temperatura en la direccion de anchura.

Para resolver el problema mencionado anteriormente de la diferencia de temperatura grande en la direccion de anchura, se puede utilizar el colector solar mostrado en la figura 1. Incluso cuando la tasa de vapor saturado que fluye dentro del sobrecalentador 20 cambia debido a la variacion de la cantidad de radiacion solar, la desviacion de una diferencia de temperatura entrada y salida de un fluido en la direccion de anchura del sobrecalentador se puede reducir a una gran escala en comparacion con los antecedentes del estado de la tecnica, de manera que se puede reducir la diferencia de expansion termica entre las partes de sobrecalentador en la direccion de anchura del sobrecalentador.

Lista de signos de referencia

1 cabezal de entrada

2 primera parte de sobrecalentador

3 cabezal intermedio

4 segunda parte de sobrecalentador

5 cabezal de salida

6 tubena de transferencia de calor de la primera parte de sobrecalentador

7 barra de membrana

8 tubena de trasferencia de calor de la segunda parte de sobrecalentador

9 placa protectora

10 porcion de soldadura

11 bomba de suministro de agua

12 base de soporte del colector solar

13 colector solar

14 sol

15 heliostato

16 turbina de vapor

17 generador

18 dispositivo de separacion vapor-agua

19 evaporador

20 sobrecalentador

21 base de soporte de sobrecalentador

22 valvula de vapor

23 calentador de suministro de agua

24 valvula de suministro de agua

25 bomba de circulacion

a vapor saturado

b primer vapor sobrecalentado

c segundo vapor sobrecalentado

d vapor sobrecalentado

e region de carga termica alta

5 f region de carga termica baja

g tubena de trasferencia de calor de porcion central

h tubena de trasferencia de calor de porcion lateral opuesta

Claims (4)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   REIVINDICACIONES

   1. Un colector solar para una caldera de calor solar, que comprende:

   una pluralidad de tubenas de trasferencia de calor dentro de las cuales fluye un fluido que se va a calentar; cabezales (1, 3, 5) cilmdricos que estan dispuestos en posiciones opuestas y conectados a porciones extremas opuestas de tubenas de trasferencia de calor respectivamente; y una porcion de recoleccion de calor solar plana que esta formada fuera de las tubenas de trasferencia de calor y barras (7) de membrana que fijan tubenas adyacentes de las tubenas de transferencia de calor entre sf; en donde:

   los cabezales cilmdricos incluyen un cabezal (1) de entrada dentro del cual fluye el fluido que se va a calentar, un cabezal (3) intermedio que esta dispuesto en una posicion opuesta al cabezal de entrada con la interposicion de tubenas de trasferencia de calor, y dos cabezales (5) de salida que estan previstos para extenderse en lados extremos opuestos del cabezal de entrada y a traves de los cuales el fluido introducido desde el cabezal intermedio hasta las tubenas de transferencia puede descargarse al exterior; y

   las porciones de recoleccion de calor solar incluyen una primera subporcion (2) de recoleccion de calor que esta formada fuera de un grupo de las tubenas de trasferencia de calor conectadas entre el cabezal (1) de entrada y el cabezal (3) intermedio y las barras (7) de membrana para el grupo de tubenas de trasferencia de calor de manera que forma una region central de la porcion de recoleccion de calor solar que se extiende en una direccion de eje de cada tubena de trasferencia de calor, y segundas subporciones (4) que estan formadas fuera de los grupos de tubenas de trasferencia de calor conectadas entre el cabezal (3) intermedio y los dos cabezales (5) de salida y las barras (7) de membrana para los grupos de tubenas de trasferencia de calor de manera que se van a formar en lados opuestos de la primera subporcion (2) de recoleccion de calor, respectivamente;

   en donde una placa (9) protectora esta dispuesta entre la primera subporcion (2) de recoleccion de calor y la segunda subporcion (4) de recoleccion de calor; y

   la placa (9) protectora esta fijada a una de las tubenas de trasferencia de calor mediante soldadura y no esta fijada mediante soldadura a la otra tubena de trasferencia de calor sino en contacto con la misma.
2. 2. Un colector solar para una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde:

   una relacion de area plana entre la primera subporcion (2) de recoleccion de calor y las segundas subporciones (4) de recoleccion de calor se establece en aproximadamente 1 a 2, de manera que reduce una desviacion entre una diferencia de temperatura del fluido entre el cabezal (3) intermedio y el cabezal (1) de entrada en la porcion central de la primera subporcion (2) de recoleccion de calor y una diferencia de temperatura del fluido entre cada uno de los cabezales (5) de salida y el cabezal (3) intermedio en las porciones mas externas de las segundas subporciones (4) de recoleccion de calor.
3. 3. Una caldera de calor solar de tipo torre que comprende: un colector solar para una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2; un evaporador (19) que calienta agua suministrada al mismo; un separador (18) vapor-agua que separa el fluido de dos fases de agua-vapor generado en el evaporador en vapor saturado y agua; y heliostatos (14) que siguen la luz del sol y concentran la luz sobre la porcion de recoleccion de calor solar del colector solar para una caldera de calor solar; en donde:

   el vapor saturado separado en el separador (18) de vapor-agua se hace para fluir en el cabezal (1) de entrada como el fluido que se va a calentar en el colector solar para una caldera de calor solar, de manera que se puede sobrecalentar el vapor saturado.
4. 4. Una caldera de calor solar de tipo torre de acuerdo con la reivindicacion 3, en donde:

   el colector solar para una caldera de calor solar esta situado en una porcion superior de una torre, y el evaporador (19) y el separador (18) de vapor-agua estan situados en o cerca de una superficie del terreno.