ES2677227T3 - Torre solar de concentración con receptor externo - Google Patents

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Abstract

Receptor solar externo cilíndrico o prismático recto, de sección poligonal regular (1), para central solar termodinámica de concentración de tipo torre (8) y campo de helióstatos, que comprende una estructura interna y una pluralidad de paneles (2) con tubos intercambiadores de calor que contienen un fluido caloportador apto para la absorción de la energía de la radiación solar, constituyendo los indicados paneles (2), una porción de superficie cilíndrica o una superficie prismática vertical de dicho receptor solar según el caso, estando dispuestos verticalmente, donde cada panel (2) de tubos intercambiadores de calor está conectado con al menos un elemento de soporte interior (4), de eje sustancialmente perpendicular al panel (2), estando este elemento de soporte interior (4) por otro lado conectado de forma rotativa con un elemento de soporte (7) perteneciente a la estructura interna anteriormente citada por medio de al menos dos bielas paralelas (5, 6) articuladas respectivamente a nivel de un primer extremo sobre el elemento de soporte interior (4) y a nivel de un segundo extremo sobre el elemento de soporte (7) de la estructura interna respectivamente, caracterizado por que los indicados paneles (2) están conectados dos a dos mediante una conexión articulada a lo largo de un lado vertical adyacente y las bielas (5, 6) son sustancialmente horizontales, de forma tal que, bajo el efecto de la dilatación o de la contracción térmica de los paneles (2) con tubos intercambiadores, cada uno de estos últimos se desplace sustancialmente paralelamente al mismo y sin deformación de su superficie, y de forma tal que la sección poligonal o circular del receptor (1) experimente entonces una transformación homotética.

Description

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DESCRIPCION
Torre solar de concentracion con receptor externo Objeto de la invencion
La presente invencion se refiere al ambito tecnico de las centrales solares termodinamicas de concentracion (en ingles CSP, para Concentrating Solar Power Plant) y mas particularmente a las centrales solares de torre.
Estado de la tecnica
En una central solar de concentracion del tipo «de torre», la radiacion solar es reflejada por una serie de espejos, llamados heliostatos, a un receptor solar central situado en una torre, que transfiere la energfa de la radiacion solar a un fluido caloportador que se calentara y que podra ser utilizado para la produccion de electricidad.
Los heliostatos estan provistos de dos mecanismos de rotacion que permiten seguir el sol y reenviar siempre el flujo solar hacia un punto dado, sea cual fuere la hora del dfa y la estacion en curso.
El receptor solar esta instalado en la cima de una torre con el fin de recibir la radiacion solar de todos los heliostatos sin que un heliostato obstaculice la reflexion del flujo de un heliostato proximo.
El fluido caliente generado en el receptor solar puede por ejemplo ser vapor a alta presion y alta temperatura generado a partir de agua de alimentacion. El vapor puede entonces ser utilizado directamente en una turbina de vapor que acciona un generador de electricidad.
El fluido caliente puede tambien ser una mezcla de sales que sirvan de fluido calonfico pudiendo almacenarse en el suelo en gran cantidad y utilizado paralelamente a la produccion de vapor y la generacion de energfa electrica. Se puede desacoplar por este motivo la captacion de energfa solar y la produccion de electricidad.
El receptor solar instalado en la cima de la torre puede ser del tipo de cavidad o externo. En el primer caso, las cavidades estan provistas interiormente de paneles de tubos, que captan las radiaciones solares y el efecto de la cavidad es reducir las perdidas por radiacion. En el caso del tipo externo, los paneles de tubos que captan la radiacion solar son instalados por fuera y alrededor de la torre. Las perdidas son ligeramente superiores con relacion al sistema de cavidades, pero es mas facil concentrar la radiacion solar, siendo el flujo termico medio claramente superior y reduciendose la superficie de los paneles fuertemente para una misma potencia.
En la solucion externa, los paneles planos estan yuxtapuestos para formar un prisma recto de base poligonal regular. Segun las potencias instaladas, la base poligonal puede tener un numero variable de caras de 4 a 32 por ejemplo.
La practica corriente es fijar cada uno de los paneles a una estructura fija. Cada uno de los paneles puede entonces dilatarse libremente bajo el efecto del aumento de la temperatura consecutiva a la captacion de la energfa solar.
El documento US 2012/312296 describe un calentador de agua solar que comprende un soporte de caldera que define un eje a lo largo de una direccion interior-exterior. Una barra de suspension o biela vertical esta montada de forma rotativa sobre el soporte de caldera. Un estribo esta montado de forma rotativa sobre la barra de suspension y un panel de calentador de agua solar esta montado sobre el estribo. El panel de la caldera solar define un eje longitudinal que es sustancialmente perpendicular al eje del soporte de la caldera. La barra de suspension conecta el soporte de la caldera con el estribo para soportar el peso del panel de la caldera solar a partir del soporte de la caldera. La barra de suspension y el estribo estan configurados y adaptados para mantener una orientacion sustancialmente constante del estribo durante el movimiento hacia el interior y el exterior del estribo con relacion al soporte de la caldera. En efecto, segun una forma de realizacion representada, existen dos bielas verticales paralelas entre sf que forman con el soporte de caldera y el estribo un acople en forma de paralelogramo. Las bielas tienen una funcion de soporte del peso del panel. Este se deforma bajo el efecto de la dilatacion o de la contraccion termica del panel solar, pero el desplazamiento hacia lo alto del estribo bajo el efecto de la rotacion de las bielas es desdenable. Sucede que el panel solar se desplaza practicamente de forma paralela al mismo. Los paneles solares no estan conectados entre sf. Las fuerzas del viento son contrarrestadas por un amortiguador que conecta el estribo con la estructura. No se menciona que los paneles solares puedan estar conectados entre sf.
El documento EP 1 243 872 describe un colector solar con una pluralidad de cuerpos absorbentes que absorben la radiacion solar. Estos cuerpos absorbentes son porosos y permiten el paso de aire aspirado. La estructura portadora de los receptores solares esta formada por modulos que presentan una pared delantera, una pared trasera, paredes laterales asf como una cavidad. Los tubos atraviesan cada modulo, conduciendo estos tubos el aire caliente a un colector. El aire fresco circula a contracorriente a traves de entradas de aire fresco en la cavidad. El aire fresco circula alrededor de los cuerpos absorbedores. En virtud de su refrigeracion, los modulos pueden ser de acero, sin correr el riesgo de sobrecalentamiento. El receptor solar es estable y no necesita dispositivo de tope en el recinto de
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aire caliente. Los diferentes modulos estan montados de forma adyacente con elementos de conexion con el fin de poder soportar sin tension la dilatacion termica. Tambien, los lados adyacentes de los modulos no se tocan en la totalidad de su superficie y espacios en forma de angulo estan previstos a este efecto. Ademas, los diferentes modulos montados verticalmente estan conectados por su parte superior a la pared interna por una conexion articulada, lo cual permite la dilatacion en la direccion vertical.
El documento WO 2013/019670 describe un receptor solar modular, con multiples paneles de tubos en una configuracion rectangular, cuadrada, poligonal o circular y concebido para una utilizacion con sal fundida u otro fluido de transferencia de calor. El fluido de transferencia de calor fluye segun una trayectoria vertical en serpentm a traves de los laterales (caras) del receptor solar. El receptor solar puede ser ensamblado en almacen y puede ser utilizado con una torre de soporte para formar un sistema de alimentacion solar.
El documento WO 2010/048578 describe un intercambiador de calor de receptor solar montado en almacen con una disposicion de superficies de transferencia de calor y un separador vertical vapor/agua interconectado estructuralmente y a nivel de los fluidos con este. Una estructura de soporte vertical esta prevista para sostener el separador vertical y las superficies de transferencia de calor. La estructura de soporte vertical es sostenida por la parte baja, mientras que el separador vertical vapor/agua y las superficies de transferencia de calor del intercambiador de calor son sostenidas por la parte alta a partir de la estructura de soporte vertical. La estructura de soporte vertical proporciona un soporte estructural y una rigidez para el intercambiador de calor y un medio mediante el cual el intercambiador de calor puede ser cogido y levantado para ser colocado en un lugar deseado.
En estas dos ultimas instalaciones, las nervaduras o vigas de refuerzo horizontales estan fijadas a los paneles de tubos solares. Todos los paneles estan sujetos por la parte alta y suspendidos de la estructura de soporte interna al receptor. Cada panel de tubos comprende dos placas de interconexion. Cada placa esta conectada por medio de dos barras pivotantes en sus extremos por medio de pasadores a una pata que esta fijada a un soporte de flexion asf mismo fijado por medio del acero estructural a las columnas que comprenden la estructura de soporte vertical del receptor. Las barras pivotantes permiten una cierta rotacion de los panales solares y por consiguiente permiten recuperar la dilatacion termica media de los paneles soportados. Este sistema proporciona una estabilidad horizontal a los paneles de tubos permitiendo a los tubos una extension vertical libre e independiente, con reduccion de las tensiones sobre los tubos. Aqu tambien, los paneles de tubos adyacentes, en cada superficie y en cada nivel (alto/bajo) se separan lateralmente (horizontalmente) los unos de los otros, lo cual permite una dilatacion diferencial de los paneles de tubos, sin tensiones.
El documento EP 0 106 688 describe un receptor para recibir la energfa de radiacion solar, caracterizado por una pluralidad de paneles de tubos generadores de vapor aptos para recibir un flujo de lfquido a calentar y para producir vapor, y una pluralidad de paneles de tubos de sobrecalentamiento aptos para recibir un flujo de vapor a sobrecalentar, estando los paneles de los tubos generadores de vapor y los paneles de tubos de sobrecalentamiento dispuestos en una relacion lado con lado para recibir la energfa de radiacion solar, e intercalandose los paneles de tubos de sobrecalentamiento con los paneles de los tubos generadores de vapor segun una secuencia de al menos doce paneles de tal forma que cada secuencia de cuatro paneles entre al menos doce paneles comprenda al menos un panel de tubos de sobrecalentamiento y al menos un panel de tubos generadores de vapor. El problema proviene aqu del hecho de que los paneles de tubos sobrecalentadores experimentan una dilatacion longitudinal mucho mas importante que los paneles de tubos generadores de vapor. De forma similar al caso precedente, los paneles de tubos sobrecalentadores estan conectados por bielas con nervaduras de refuerzo horizontales. Este sistema permite el movimiento vertical de los paneles de tubos sobrecalentadores con relacion a las nervaduras horizontales y por consiguiente con relacion a los paneles de tubos generadores de vapor.
El estado de la tecnica no resuelve el problema de la dilatacion termica en un receptor solar externo donde los paneles constituyen un prisma de seccion poligonal, es decir donde los paneles adyacentes estan conectados entre sf lateralmente.
Fines de la invencion
La presente invencion trata de proporcionar una solucion que permita recuperar la dilatacion lateral de los paneles en un receptor externo prismatico recto de seccion poligonal regular, cuando los paneles estan conectados entre sf dos a dos por un lado adyacente.
Principales elementos caracteristicos de la invencion
Un primer aspecto de la presente invencion se refiere a un receptor solar externo cilmdrico o prismatico recto, de seccion poligonal regular, para central solar termodinamica de concentracion de tipo torre y campo de heliostatos, que comprende una estructura interna y una pluralidad de paneles con tubos intercambiadores de calor que contienen un fluido caloportador apto para la absorcion de la energfa de la radiacion solar, constituyendo, los indicados paneles, una porcion de superficie cilmdrica o una superficie prismatica vertical de dicho receptor solar segun el caso, estando dispuestos verticalmente y conectados dos a dos por una conexion articulada a lo largo de un lado adyacente, caracterizado por que cada panel con tubos intercambiadores de calor esta conectado con al
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menos un elemento de soporte interior, de eje sustancialmente perpendicular al panel, estando este elemento de soporte interior por otro lado conectado de forma rotativa con un elemento de soporte perteneciente a la estructura interna anteriormente citada por medio de al menos dos bielas paralelas, sustancialmente horizontales, articuladas respectivamente a nivel de un primer extremo sobre el elemento de soporte interior y a nivel de un segundo extremo sobre el elemento de soporte de la estructura interna respectivamente, de forma tal que, bajo el efecto de la dilatacion o de la contraccion termica de los paneles con tubos intercambiadores, cada uno de estos ultimos se desplaza sustancialmente paralelamente al mismo y sin deformacion de su superficie, y de forma tal que la seccion poligonal o circular o receptor experimente entonces una transformacion homotetica.
Segun modos de realizacion preferidos de la invencion, el receptor solar externo comprende ademas al menos una de las caractensticas siguientes:
- el elemento de soporte interior comprende un vastago, una placa o un estribo;
- el fluido caloportador comprende agua lfquida y/o en forma de vapor;
- el fluido caloportador comprende una mezcla de sales fundidas.
Un segundo aspecto de la presente invencion se refiere a una central solar termodinamica de concentracion, del tipo de torre, que comprende un receptor solar externo como se ha descrito anteriormente.
Breve descripcion de las figuras
La figura 1 representa una vista esquematica en planta de un receptor solar externo de seccion hexagonal, montado sobre una torre solar de concentracion segun la presente invencion.
La figura 2 representa una vista en perspectiva de un ejemplo de torre solar de concentracion que comprende un receptor solar externo de 16 caras segun la presente invencion.
La figura 3 representa una vista de detalle de la torre solar de la figura 2, que muestra las caractensticas de la invencion.
Descripcion de una forma de realizacion preferida de la invencion
La solucion propuesta en el marco de la presente invencion consiste en:
- conectar todos los paneles entre sf y
- obligar a cada panel a desplazarse paralelamente al mismo, gracias a un sistema de bielas, es decir de vastagos articulados en cada uno de sus dos extremos.
El prisma de seccion poligonal puede asf dilatarse de forma completamente libre bajo el efecto del aumento de la temperatura y a la inversa contraerse libremente si la temperatura disminuye. Las bielas permiten recuperar las fuerzas del viento o de sefsmo eventual, manteniendo la forma del prisma.
La figura 1 representa esquematicamente un receptor externo 1 para central solar de torre 8, en forma de un prisma recto regular de seis caras 2 que hacen las veces de paneles absorbentes, o de seccion hexagonal, en el caso que nos ocupa para las necesidades de la ilustracion, sin que el numero de caras sea limitativo. Los paneles 2 estan conectados entre sf dos a dos mediante una conexion articulada 3 y cada panel 2 puede moverse paralelamente al mismo gracias a un elemento de fijacion 4 perpendicular al panel 2. El elemento de fijacion 4, que se presenta por ejemplo en forma de vastago, de placa o de estribo, es solidario de dos bielas 5, 6 paralelas entre sf y articuladas por una parte con una estructura de soporte fija o armazon 7, interno a la torre 8 y por otra parte al elemento de fijacion 4.
Las bielas 5, 6 sustancialmente horizontales y paralelas entre sf estan conectadas con un panel 2 y obligan a este a desplazarse casi paralelamente al mismo, sobre un cfrculo de radio igual a la longitud de la biela. Pero los desplazamientos debidos a la dilatacion termica de los paneles son pequenos, respecto a la anchura de los paneles, del orden del 1 al 1,5%. Se puede asf decir que cada panel se desplaza paralelamente asf mismo en una direccion normal al mismo. Las bielas 5, 6, por su posicion horizontal, no tienen funcion de soporte del peso del panel solar como en el documento US 2012/312296.
La fuerza del viento que actua sobre uno o varios paneles 2 se distribuye por el conjunto de bielas 5, 6, segun una distribucion matematica definida.
La figura 2 muestra un ejemplo realista de un receptor con sales fundidas para central solar de torre, en forma de un prisma poligonal regular de 16 caras, de diametro igual a 18 m. La altura de los paneles es de 18,4 m. Un conjunto de bielas y conexiones esta instalado en la parte baja de los paneles y en la parte alta, recuperando el conjunto de paneles. La potencia captada es de 700 MW.
Simbolos de referencia
10
1
receptor externo
2
panel absorbente
3
conexion articulada
4
fijacion de panel
5
biela
6
biela
7
armazon
8
torre solar

Claims (5)

  1. 5
    10
    15
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    25
    REIVINDICACIONES
    1. Receptor solar externo cilmdrico o prismatico recto, de seccion poligonal regular (1), para central solar termodinamica de concentracion de tipo torre (8) y campo de heliostatos, que comprende una estructura interna y una pluralidad de paneles (2) con tubos intercambiadores de calor que contienen un fluido caloportador apto para la absorcion de la energfa de la radiacion solar, constituyendo los indicados paneles (2), una porcion de superficie cilmdrica o una superficie prismatica vertical de dicho receptor solar segun el caso, estando dispuestos verticalmente, donde cada panel (2) de tubos intercambiadores de calor esta conectado con al menos un elemento de soporte interior (4), de eje sustancialmente perpendicular al panel (2), estando este elemento de soporte interior (4) por otro lado conectado de forma rotativa con un elemento de soporte (7) perteneciente a la estructura interna anteriormente citada por medio de al menos dos bielas paralelas (5, 6) articuladas respectivamente a nivel de un primer extremo sobre el elemento de soporte interior (4) y a nivel de un segundo extremo sobre el elemento de soporte (7) de la estructura interna respectivamente, caracterizado por que los indicados paneles (2) estan conectados dos a dos mediante una conexion articulada a lo largo de un lado vertical adyacente y las bielas (5, 6) son sustancialmente horizontales, de forma tal que, bajo el efecto de la dilatacion o de la contraccion termica de los paneles (2) con tubos intercambiadores, cada uno de estos ultimos se desplace sustancialmente paralelamente al mismo y sin deformacion de su superficie, y de forma tal que la seccion poligonal o circular del receptor (1) experimente entonces una transformacion homotetica.
  2. 2. Receptor solar externo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el elemento de soporte interior (4) comprende un vastago, una placa o un estribo.
  3. 3. Receptor solar externo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el fluido caloportador comprende agua lfquida y/o en forma de vapor.
  4. 4. Receptor solar externo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el fluido caloportador comprende una mezcla de sus sales fundidas.
  5. 5. Central solar termodinamica de concentracion, del tipo de torre (8), que comprende un receptor solar externo (1) segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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