ES2360992B1 - Mejoras a la patente principal n. p200701577 por: "planta de concentración solar para producción de vapor sobrecalentado". - Google Patents
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Abstract
Mejoras a la patente principal n° P 200701577 por ?planta de concentración solar para producción de vapor sobrecalentado?.#Mejoras en la patente principal nº P 200701577 referida a una planta de concentración solar que utiliza como fluido caloportador agua/vapor, que comprende un subsistema receptor evaporador con un evaporador (4) y un subsistema receptor sobrecalentador con dos o mas sobrecalentadores (6, 7), separados físicamente y conectados entre sí por un calderín (5) en el cual se produce la separación agua-vapor, y en la que se realiza un control de estrategias de apunte del campo de heliostatos (1) de manera que controlen conjuntamente tanto la presión del calderín (5) como la temperatura de salida del vapor sobrecalentado, en el que se incluye sistema de atemperación (10) entre el sobrecalentador primario (6) y el sobrecalentador secundario o final (7).
Description
Mejoras a la patente principal nº P 200701577 por: “Planta de concentración solar para producción de vapor sobrecalentado”.
La presente invención se refiere a una mejora introducida la patente principal nº P 200701577 en la que se divulga una planta de concentración solar con separación física del evaporador y el sobrecalentador y con control dinámico adaptativo del campo de heliostatos.
Antecedentes de la invención
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 m2 por unidad) denominados heliostatos, 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. 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 o una termoclina aceite/rocas). 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 se centraron principalmente en dos aspectos:
• Falta de controlabilidad del sistema especialmente ante transitorios, paso de nubes etc. debido principalmente a las malas propiedades térmicas del vapor sobrecalentado. 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.
• 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 divulga la patente principal P200701577, 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, 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 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 heliostatos independiente para ambos subsistemas, subsistema evaporador y subsistema sobrecalentador. Esta estrategia de control consiste en un control dinámico adaptativo del campo de heliostatos, 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 heliostatos se apunta a uno u otro receptor (evaporador o sobrecalentador) dependiendo de las necesidades existentes. De esta manera parte del campo de heliostatos se enfocará al evaporador y otra parte al sobrecalentador, consiguiendo así un mayor control de la planta y una mayor estabilidad en ésta.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a mejoras introducidas en la patente principal P200701577, que divulga la utilización como fluido caloportador agua/vapor para la obtención de vapor sobrecalentado en cualquier ciclo termodinámico
o sistema de aprovechamiento de calor de proceso, que comprende un subsistema evaporador dónde se produce vapor saturado en las condiciones de presión del sistema y un subsistema sobrecalentador a partir del cual el vapor alcanza las condiciones de presión y temperatura requeridas a la entrada de la turbina.
Para conseguir un control mas preciso de las condiciones de vapor sobrecalentado en presión y temperatura a la salida del subsistema sobrecalentador, la presente adición a la patente principal P200701577 propone añadir, a la planta y procedimiento de obtención de calor sobrecalentado, una serie de atemperadores o un sistema de atemperación entre el sobrecalentador primario y el sobrecalentador secundario o final en plantas solares compuestas por un sistema de concentración solar tridimensional con una torre central que incluye:
a) Un subsistema receptor de evaporación con un evaporador para la evaporación de agua.
b) Un subsistema receptor de sobrecalentamiento con varios sobrecalentadores (primario y secundario o final) para el sobrecalentamiento del vapor producido, situados en la misma o en distintas cavidades y situados físicamente de forma independiente respecto a los evaporadores.
c) Un calderín a modo de conexión entre los dos subsistemas de evaporación y de sobrecalentamiento.
d) Un control de estrategias de apunte del campo de heliostatos hacia los receptores evaporadores y receptores sobrecalentadores.
La estrategia de control consiste en un control dinámico adaptativo del campo de heliostatos, 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 heliostatos se apunta a uno u otro receptor (evaporador o sobrecalentador) dependiendo de las necesidades existentes. Entendiendo con esto, la posibilidad de realizar un apunte individual o por grupos de heliostatos ya sea al receptor evaporador o al receptor sobrecalentado de manera que controlen conjuntamente tanto la presión del calderín como la temperatura de salida del sobrecalentador. De esta manera parte del campo de heliostatos 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 heliostatos 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 heliostatos a un fluido caloportador aumentando su entalpía. 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 con dos cavidades, la primera cavidad con un evaporador y en la segunda cavidad con dos sobrecalentadores.
La Figura 2 muestra un esquema de una Torre con una cavidad con un evaporador y un sobrecalentador.
La Figura 3 muestra un esquema de una torre con una cavidad con un evaporador y dos o más sobrecalentadores.
La Figura 4, muestra un esquema del sistema de atemperación para controlar la temperatura de vapor a la salida del sobrecalentador final.
La Figura 5, muestra un esquema de una Torre con dos cavidades, la primera cavidad con un evaporador y en la segunda cavidad con un sobrecalentador.
En esta figura, las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos.
1.-Heliostatos.
2.-Torre Central.
3.-Cavidad.
4.-Evaporador.
5.-Calderín.
6.-Sobrecalentador primario.
7.-Sobrecalentador secundario.
9.-Vapor saturado procedente del calderín.
10.-Sistema de atemperación.
11.-Vapor sobrecalentado.
En la aplicación del concepto de planta de la invención se emplea 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 dos sobrecalentadores, uno primario (6) y otro secundario o final (7) para el sobrecalentamiento del vapor producido, y un campo de heliostatos (1) que está regulado por un control de estrategias de apunte del campo de heliostatos (1) a uno u otro subsistema receptor (evaporador (4) o sobrecalentador (6, 7)) con un apunte de los heliostatos individual o por grupos, de manera que controlan conjuntamente tanto la presión del calderín (5) como la temperatura de salida del vapor sobrecalentado.
En las Figuras 2 y 3 se muestra una torre (2) con una sola cavidad en la que se encuentran los dos subsistemas, evaporador y sobrecalentador. En el caso de la Figura 3 se incluyen dos sobrecalentadores, primario (6) y secundario (7), y un evaporador (4).
La figura 2 al igual que la figura 5, son el caso mas simple en el que contiene un solo sobrecalentador (6) y un evaporador (4).
En los casos en los que la torre contiene dos o mas sobrecalentadores (Figuras 1 y 3), el vapor saturado (9) procedente del calderín (5), una vez pasa por el sobrecalentador primario (6), es sometido a un proceso de control de presión y temperatura a través de una sistema de atemperación (10), tal y como puede verse en la Figura 4. A continuación pasa por el sobrecalentador secundario o final (7) obteniéndose así vapor sobrecalentado (11) con unas condiciones de presión y temperatura mas controladas.
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. El control final de la planta contempla tanto el uso combinado de todas estas estrategias de control como el uso independiente de las mismas según el modo de operación que se trate.
Su aplicación está especialmente indicada en los campos de la producción de electricidad, calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos térmicos.
Claims (8)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Planta de concentración solar que utiliza como fluido caloportador agua/vapor, y que cuenta con dos subsistemas receptores, uno de evaporación (4) y otro de sobrecalentamiento (6, 7), situados físicamente de forma independiente, que incluye entre ambos un calderín (5) a modo de conexión entre los dos subsistemas y un control de estrategias de apunte del campo de heliostatos (1) independiente para ambos subsistemas caracterizada por tener un subsistema sobrecalentador con dos o mas sobrecalentadores, con un sistema de atemperación (10) intermedio con el fin de controlar la temperatura del vapor a la salida del sobrecalentador final.
-
- 2.
- Planta de concentración solar según reivindicación 1 caracterizada por encontrarse los dos subsistemas de evaporación y sobrecalentamiento en cavidades diferentes.
-
- 3.
- Planta de concentración solar según reivindicación 1 caracterizado por encontrarse los dos subsistemas de evaporación y sobrecalentamiento en una única cavidad.
-
- 4.
- Procedimiento de obtención de vapor sobrecalentado caracterizado por consistir en sobrecalentar agua/vapor a través de un sistema de concentración solar tridimensional en una torre central (2) que incluye:
a) Un subsistema receptor de evaporación.b) Un subsistemas receptor de sobrecalentamiento con dos o mas sobrecalentadores (6, 7) para el sobrecalentamiento del vapor producido, situados físicamente de forma independiente respecto al subsistema evaporador.c) Un calderín (5) a modo de conexión entre los dos subsistemas de evaporación y de sobrecalentamiento.d) Un control de estrategias de apunte del campo de heliostatos (1) a uno u otro subsistema (evaporadoro sobrecalentador) con un apunte de los heliostatos individual o por grupos, de manera que controlen conjuntamente tanto la presión del calderín (5) como la temperatura de salida del vapor sobrecalentado (11).e) Sistema de atemperación (10) entre el sobrecalentador primario (6) y el sobrecalentador secundario o final (7). -
- 5.
- Procedimiento de obtención de vapor sobrecalentado según reivindicación 4 caracterizado por encontrarse los dos subsistemas de evaporación y sobrecalentamiento en cavidades diferentes.
-
- 6.
- Procedimiento de obtención de vapor sobrecalentado según reivindicación 4 caracterizado por encontrarse los dos subsistemas de evaporación y sobrecalentamiento en una única cavidad.
-
- 7.
- Uso de vapor sobrecalentado obtenido a partir del procedimiento descrito en la reivindicación 4, para la producción de electricidad, calor de proceso, y combustibles solares, así como en los procesos térmicos.
OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 200801471ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 20.05.2008Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA51 Int. Cl. : F24J2/07 (2006.01)DOCUMENTOS RELEVANTES- Categoría
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas
- A A A
- US 4320663 A (FRANCIA) 23.03.1982, todo el documento. US 4117682 A (SMITH) 03.10.1978, todo el documento. SU 1776936 A (ZAP V TEPLOTEKHNICHESKOGO NII) 23.11.1992, todo el documento. 1-7 1-7 1-7
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
- Fecha de realización del informe 11.04.2011
- Examinador Manuel Fluvià Página 1/4
INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 200801471Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F24J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPIInforme del Estado de la Técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 200801471Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 11.04.2011Declaración- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-7 SI NO
Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).Base de la Opinión.-La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.Informe del Estado de la Técnica Página 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2008014711. Documentos considerados.-A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.- Documento
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
- D01
- US 4320663 A (FRANCIA) 23.03.1982
- D02
- US 4117682 A (SMITH) 03.10.1978
- D03
- SU 1776936 A (ZAP V TEPLOTEKHNICHESKOGO NII) 23.11.1992
- 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraciónLey de Patentes, artículo 4.1: Son patentables las invenciones nuevas, que impliquen actividad inventiva y sean susceptibles de aplicación industrial,.... Ley de Patentes, artículo 6.1. Se considera que una invención es nueva cuando no está comprendida en el estado de la técnica. Ley de Patentes, artículo 8.1. Se considera que una invención implica una actividad inventiva si aquella no resulta del estado de la técnica de una manera evidente para un experto en la materia. Reglamento de Patentes Artículo 29.6. El informe sobre el estado de la técnica incluirá una opinión escrita, preliminar y sin compromiso, acerca de si la invención objeto de la solicitud de patente cumple aparentemente los requisitos de patentabilidad establecidos en la Ley, y en particular, con referencia a los resultados de la búsqueda, si la invención puede considerarse nueva, implica actividad inventiva y es susceptible de aplicación industrial.Se considera preliminarmente y sin compromiso que los documentos D01 al D03 revelan el estado de la técnica, publicado antes de la fecha de prioridad de la solicitud de patente, más próximo al campo técnico de centrales solares de concentración por heliostatos con doble receptor, como se reivindica en la solicitud de patente. La solicitud en que se describen especiales características estructurales y de resultado, y en especial sus siete reivindicaciones, con características técnicas de división de los dos distintos coeficientes de transmisión en función de la fase del fluido calórico y seguridad al no cambiar de fase en un mismo receptor. No están aparentemente comprendidas en el estado de la técnica que aquí se informa (ley de patentes artículo 6) ni resultan aparentemente evidentes para un experto en la materia (ley de patentes, artículo 8) respecto a dicho estado de la técnica. Características técnicas reivindicadas como las de interconectar un receptor de evaporación con otro de sobrecalentamiento a través de un sistema de atemperación, en distintas cavidades de la torre solar (o en la misma) y controlando su insolación independiente por el apuntamiento en heliostatos y por lo tanto temperatura y presión del vapor en calderín y sobrecalentadores, no son descritos en los documentos D01 a D03 de forma coincidente o próxima, sino incompleta o distinta, e incluso no evidente ante los ojos de un experto en la materia en fecha de prioridad. En concreto, D01 describió un precalentador, evaporador y supercalentador en planta solar, pero sin ubicarlos en una torre solar y sin determinar el control de insolación por movimiento de heliostatos, lo que le diferencia de la solicitud. D02 describió un receptor solar complejo (12 en fig. 1) en campo de heliostatos con tres secciones pero todas ellas reciben en una misma cavidad la insolación, no habiendo regulación entre ellas por incidencia térmica diferencial, lo que le diferencia de la solicitud. Y D03 describió una planta de energía solar con dos tipos de receptores en torre, principales y auxiliares en alturas diferentes (figura). ello es distinto a la separación de tareas en evaporadores y sobrecalentadores y lleva distinta tarea de control de ambos a través de la orientación de heliostatos, lo que le diferencia de la solicitud; Todos obvian la esencialidad reivindicada de especial control de orientación de heliostatos hacia dos tipos de receptores de alta y baja temperatura y fase, con atemperación intermedia, para el control del sistema, lo que optimiza el aprovechamiento de los receptores disminuyendo costes y reduciendo el volumen de las instalaciones para una potencia punta dada de diseño. Por lo tanto, y siendo la solicitud susceptible de aplicación industrial, preliminarmente y sin compromiso, la invención puede considerarse nueva y puede implicar actividad inventiva (Reglamento de Patentes Artículo 29.6).Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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