ES2396858B1

ES2396858B1 - Captador solar de alto rendimiento para turbina de gas modificada

Info

Publication number: ES2396858B1
Application number: ES201290056A
Authority: ES
Inventors: Jonás VILLARRUBIA RUIZ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2014-01-17
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: ES2396858A1; WO2013034783A1

Abstract

Captador solar de alto rendimiento para turbina de gas modificada, un captador para las turbinas de gas modificadas, para su uso con la energía solar irradiada por helióstatos, preferiblemente del tipo concentradores. Uno o dos o más captadores de irradiación solar, independientes del cuerpo de la turbina que se encargan de producir el flujo necesario para conseguir un alto rendimiento en turbinas de gas modificadas o fabricadas expresamente para estos captadores; estos captadores se encargan de producir el flujo para turbinas modificadas de potencias de mayor rendimiento, con un rango semejante al de las turbinas que usan combustibles fósiles o biocombustibles. El material que se utiliza para estos captadores está compuesto de aleaciones de alta resistencia calorífica y alta conductividad térmica. La forma de estos captadores, preferiblemente de forma paraboloide para mejor foco y mayor resistencia a las presiones con las que trabaja, pueden ser de diferentes formas: parábola, paraboloides o planas. Los captadores están compuestos de dos cámaras y cerrados herméticamente con una división central que obliga al flujo a pasar por la parte frontal a la que irradian la luz solar lo helióstatos y con unas protuberancias en el interior para mejor contacto del flujo con la temperatura del plano irradiado.

Description

Captador solar de alto rendimiento para turbina de gas modificada, para su uso con la irradiación solar producida por espejos o helióstatos preferiblemente concentradores. El captador solar que se presenta en esta patente de invención tiene la novedad de, por su configuración, conseguir suficiente flujo de aire como para alcanzar a trabajar con turbinas de gas modificadas de alto rendimiento energético de más de veinte megavatios. Hasta la invención U200600388 presentada en 2.006 y la EPO 073810020-1267 en enero de 2007, y la PCT/ES2011/070231, invenciones éstas del mismo inventor de la presente patente, no se conocía que existiera la aplicación de utilizar turbinas de gas para su utilización con la irradiación solar. Y hasta la fecha no se había conseguido una eficiencia energética suficiente como para alcanzar un rendimiento equiparable al del gas u otros combustibles fósiles en dichas turbinas modificadas. El fin de esta novedad inventiva es para que, con la modificación mecánica precisa en la turbina para desplazar el flujo que llega del compresor al captador solar que se encuentra en exterior de la torre, sujeta a la estructura de dicha torre, y el cálculo del tamaño de su superficie captadora necesario, con la aleación del que se compone el material del captador para que pueda soportar altas temperaturas de fusión y que a su vez posea alta transmisibilidad térmica, pueda pasar la energía de la irradiación solar que recibe de los helióstatos al aire, y éste con el flujo, presión y velocidad calculada se dirija a los álabes de una turbina y pueda conseguir la potencia mecánica suficiente para transmitirla a un generador eléctrico, un generador Trifásico síncrono. En el caso de turbina y compresor no amarrados al mismo árbol, se acoplara a esta turbina un generador trifásico asíncrono donde la constancia de deslizamiento está garantizada por la corriente de red o generador auxiliar síncrono (corriente de excitación) que suministra la tensión, de forma que, aun cuando la máquina motriz que acciona el generador carezca de regulador de velocidad, las oscilaciones de carga y de tensión de la central principal quedan absorbidas y reguladas. Con el generador asincrónico se pueden aprovechar las puntas de carga térmica o radiación máxima en las horas centrales del día

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, busca y consigue que las turbinas de gas modificadas para su uso por medio de la irradiación solar, puedan conseguir alcanzar las potencias energéticas suficientes para transmitir a los generadores eléctricos la misma potencia que podrían ejercer si se les alimentara con gas u otros combustibles fósiles. Su diseño refiere a una torre termo solar, con una turbina de gas modificada para su uso por medio de la irradiación solar. Ésta puede situarse dentro o fuera de la torre: dentro, en vertical, y fuera con base horizontal, en la que se habría modificado su estructura para que la salida del aire comprimido por el compresor, sea dirigido fuera de ésta y a un captador solar que se encuentre fuera de la instalación, en la parte superior de la torre y con su foco dirigido a los espejos o helióstatos concentradores, helióstatos estos que tienen la propiedad de concentrarse, cada espejo, sobre un punto diferente de forma independiente. Lo evidente es que por la configuración del captador, la turbina consigue traspasar y superar los límites energéticos mismos que se consiguen con las turbinas de vapor o con las turbinas que exponen una base mínima y recepción mínima ante el peligro de la fusión de sus composiciones metálicas expuestas a la radiación solar y forman en sí un conjunto compacto. Es un objeto de esta patente equipararse a las instalaciones térmicas de prestaciones medias que usen combustibles fósiles o vapor de agua, pero con el objeto principal de no contaminar, no consumir agua y traspasar los límites de temperatura y generación de energía mecánica y por ende eléctrica a través de una energía limpia como es la solar.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN De todos son conocidas las torres termo solares que, como dice su título, emplean la luz solar para generar electricidad por medio de la irradiación solar. Las hay que emplean pequeños receptores por las que pasan fluidos que directamente, o que a través de intercambiadores de calor originan vapor y éste mueve turbinas de vapor que aplican su energía a generadores productores de electricidad. Hay turbinas de pequeño tamaño que preparan su zona de combustión para que mediante anillos o elementos metálicos o varillas por las que circula el aire (la mayoría utilizan lentes concentradoras y recipientes que calientan aire, así como elementos cerámicos que calienten el aire por medio de la luz solar), para que puedan hacer funcionar una pequeña turbina de no más de 270 kilovatios debido al no poder soportar más irradiación solar, ante el peligro al deterioro y destrucción del tipo de captador por las altísimas temperaturas que precisaría. La mayoría de estos equipos captador, turbina, forman un conjunto. Antecede a esta patente, que mejora y amplia novedades, a lo referido en la descripción con los registros de invención citados: U200600388 presentada en 2.006 y la EPO 07381002-0-1267 en enero de 2007, la U201001209 de lo helióstatos concentradores y la PCT/ES2011/070231 del mismo inventor, que si bien también están basados en tener la prioridad en el principio de utilizar turbinas de gas modificadas para conseguir energía por medio de la irradiación solar, esta patente aplica novedades que hacen avanzar a la técnica considerablemente y que se explicarán en la descripción de la invención y las reivindicaciones.

PROBLEMA TÉCNICO A SOLUCIONAR

Esta patente avanza, traspasa la frontera de la técnica que las actuales instalaciones de torre con turbinas de gas modificadas tienen en la generación de energía eléctrica. Con esta novedad de un captador independiente, para aplicarlo a una turbina de gas modificada, se podrán utilizar turbinas de gas de todo tipo de potencias medias para que se adapten a la disposición de cómo dirigir el flujo de aire al nuevo captador, o que se diseñen turbinas especiales para él. Este tipo de captador en las instalaciones solares no tiene más límite para la generación de energía eléctrica que la que dé el espacio de terreno para situar la cantidad precisa de espejos o helióstatos concentradores, la irradiación en kilovatio hora solar de la zona geográfica de la instalación, el acoplar a la edificación del captador solar el tamaño que precise para conseguir el flujo para la energía eléctrica a conseguir, y el configurar su tamaño con el material que se han de emplear los captadores y repartir la temperatura por toda su superficie para que soporte la irradiación solar, el material con el mayor ratio de transmisión térmica, y el límite con el que opere la turbina. Soluciona un gran problema en el mercado de las energías, pues el sistema aporta un kilovatio mucho más económico, precisa una construcción de menor envergadura, y debido a la utilización de helióstatos que pueden dirigirse al foco como si fueran concentradores, estén a la distancia que estén, una menor necesidad de terreno para la generación de la misma potencia a generar por otros medios; y lo más importante, no contamina el medio ambiente ni consume agua.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El equipo de esta patente consta de uno o más captadores con forma paraboloide aplicada a una torre preferiblemente hueca, en el caso de realizar el proyecto con la incorporación de una turbina en vertical, tal y como figura en los dibujos, o con la turbina en horizontal sobre una base alzada lo más cercana al captador y con la mínima distancia en los conductos de salida del compresor y entrada a la turbina. Es importante decir que el captador, origen de esta patente, no utiliza lentes concentradoras, si bien pudiera incorporarse un cristal frente a la entrada del captador con entrada de aire inferior y salida en la superior para evitar presión alguna en su interior, pero solo como protección o salvaguarda de temperaturas bajas en el ambiente, pero de ninguna manera con efecto de lente, ya que emplea helióstatos que tienen la propiedad de fijar en muy poco espacio su foco, y es otra novedad su empleo ya que la técnica es de una invención del inventor de esta patente, pero también porque el captador se realiza al tamaño que precisa para aportar un flujo como para alcanzar la potencia que se requiere. La forma en que lo hace es por haber creado una estructura que hará de soporte y un fondo con un aislante a las altas temperaturas o cualquier elemento de mínima conductividad térmica recubrimiento de un protector refractario. Sobre este recubrimiento del fondo incorpora placa fina de material con propiedad de aislante térmico y con resistencia a las altas temperaturas. Sobre este material de aislante térmico tiene una capa de elementos refractario que almacene calor, y sobre esta capa refractaria está acoplada otra fina superficie de gran conductividad térmica y resistencia al calor. En el interior se ha de instalar una división que conduzca el aire a la parte frontal y obligue a circular el aire por el frente del material negro que recibe la irradiación solar y luego la encamine a los álabes de la turbina de potencia. Sobre todo ello y en la que ha de hacer frente a la irradiación solar, cerrando el captador de forma hermética tiene instalada otra capa de material de alta conducción térmica y resistencia a altas temperaturas que en su parte posterior sobresalen unas protuberancias para que aire friccione con ellas, con ello se crea una pequeña turbulencia. Todo lo expuesto toma forma de paraboloide algo ovalada en la parte superior e inferior. De la parte posterior, y comunicados con el interior de la cámara hermética formada por la zona posterior cruzando la parte aislante, hasta comunicarse con la frontal conductora térmica, salen dos conductos que se comunican: el inferior con una cavidad que se dirige y envuelve a la salida del compresor de la turbina y que obliga, al aire a presión, originada ésta por los álabes del compresor sobre el aire, a conducirle, a través de conductos protegidos a las temperaturas del exterior, al interior de la cámara hermética del captador; y el conducto superior se le conduce a la zona que envuelve la entrada a los álabes de la turbina a donde el captador, a través de los conductos, conducirá el aire una vez alcanzada la presión y velocidad del flujo del aire para accionar la turbina. Como se indicaba en el interior del captador, entre la placas frontal de alta conductividad térmica y la de también alta conductividad que cubre el aislante, está instalada una placa también de alta conductividad térmica que divide en dos partes la cámara hermética del captador: la entrada del flujo del compresor haciendo dirigir éste a la parte frontal y hasta la parte superior, donde por una apertura se comunica con la posterior la hace descender hasta que cierra el paso a la toma de la entrada del compresor y la obliga a salir por el conducto que dirige el flujo del aire a los álabes de la turbina superior que ejerce el trabajo hacia el eje generador. Para el material que se presenta a la radiación de los helióstatos, se puede utilizar, como ejemplo, el molibdeno de conductividad térmica de 138 w/m2/Kº y con el nº 42 de la tabla periódica, solo o con la aleación (Las aleaciones suben o bajan considerablente la conductibilidad térmica y evitan la oxidación del molibdeno. Más abajo, en un cálculo ejemplo, establecemos 1/3 de los 138 w/m2/Kº) precisa que haga que aumente la conductividad térmica a pesar de que baje algo la resistencia al calor y por ende su punto de fusión, es un material que con la aleación precisa puede bajar el punto de fusión, pero aún aguantar más de 2.000 º C y aumentar así su conductividad térmica que como indicábamos estado puro es de

138. Es sólo un ejemplo de los muchos materiales de los que se puede componer el material del captador. Instalado el captador y comunicado los conductos con el compresor y la turbina superior. Se dirige su centro focal a los helióstatos para que reciba la irradiación solar y la placa frontal del captador ascienda de temperatura y trasmita por convección el calor al aire en su interior, realizando la expansión de sus moléculas y ejerciendo una presión sobre la turbina y ésta un trabajo cinético, que se aproveche con un generador eléctrico. La turbina puede ser del tipo de las que incorpora dos turbinas y un compresor, una conectada por el eje al compresor y la otra, libre de la conexión del compresor, se conecta por el eje al generador. En este caso se pueden utilizar dos captadores (también para el caso de una sola turbina que precise alto rendimiento): el primero e inferior para dar el flujo preciso para mover el compresor según la energía a producir, y el otro y superior, que también recibe el flujo provocado por la primera e inferior y que se suma al flujo que provocará al ser sobrecalentado con una irradiación mayor que la que recibió la inferior, el flujo resultante se aplica a la turbina superior conectada al generador. La instalación más sencilla y con una sola turbina para potencias más bajas, se puede instalar con un solo captador. Pero si a pesar de ser con una sola turbina se quisieran instalar dos captadores, estos irían conectados: el conducto superior del captador inferior, al conducto de parte baja del captador superior. Al inferior, de mayor tamaño, se le enfocarán más energía (más energía, pero dispersada por el concentrador) de la irradiación solar pero debido a su dispersión sobre el material resultará menor temperatura, el flujo pasará al superior, de menor tamaño, el cual recibirá menor radiación solar, en este caso menor energía, pero mayor concentración y por ende mayor temperatura por lo que ejercitará mayor expansión del aire, flujo que se le aplicará a la turbina que en este caso que ahora se explica están conectados por el eje: compresor, turbina y generador. En Ambos casos de doble captador son para instalaciones en las que se precise una mayor energía que aplicar a la red eléctrica. Un ejemplo de cálculo real de lo que una turbina con dos captadores puede conseguir es el siguiente, en el que la turbina es para aplicar una energía de 30 a 35 megavatios (a pesar de haber reducido -para dar un ejemplo basado en mínimos-el índice de transmisibilidad térmica del material del receptor ante posibles aleaciones que, si bien pudieran subir el índice térmico del material resultante –como la aleación con el cobre-, también en virtud de que por querer que soporte mayor temperatura pueda bajar su conductividad térmica):

Energía eléctrica a conseguir: 30 Mw

Fluido de trabajo: Aire Valor constante de la relación de los calores específicos: 1,4 Ciclo que realiza, sobre la ley de conservación de la masa: Termodinámico completo: aire/aire CAPTADOR SUPERIOR: Material de estudio: Carburo de Molibdeno (Superficie alta temperatura 1600ºC) Coeficiente de conductibilidad 138 W/m/Kº (Molibdeno puro) CAPTADOR BAJO: Ferro-molibdeno (Superficie baja temperatura 1230º C) Teniendo en cuenta que se puede trabajar con aleaciones, y el coeficiente de conductibilidad térmica pudiera descender, a falta de datos técnicos de la aleación

posible y estableciendo el mínimo de efectividad para evitar falsos totales, se reduce y se establece un factor de corrección de 1/3 para la conductividad del molibdeno en estado puro (138/3= 46 W/m/Kº) Para mantener las superficies de captación es necesario disminuir el espesor de las paredes. Q H = Flujo de calor por hora, en el caso de una pared plana de superficie S y espesor E y una diferencia de temperaturas entre caras de Tm Superfície captador de alta temperatura (1.600º C) (S = 40m2 (Tm = 500º)) Superficie captador baja temperatura (1.230º C) (S = 120 m2 (Tm = 400º)) Espesor pared alta temperatura……….0, 066mtr Espesor pared baja temperatura………0, 032mtr Flujo de calor alta temperatura… (40 x 46 x 500/,066) =13.939 KW/h Flujo calor baja temperatura…… (120 x 46 x 400/0,032) = 66.937 KW /h Flujo total………………….....….… 80.876 KW/h Rendimiento turbina……………… 37% Potencia obtenida………………… 29.924 KW/h Flujo aire turbina………………..… 89 Kgrs / sg (16 m3 /sg) (Valor medio) Velocidad sobre pared interna de los captadores (Con pines de 25 mm de saliente en toda la pared interior de los captadores 7,4 mtr/ sg.

Si el peso de los captadores representara un obstáculo a la hora de proyectar la torre, se puede reducir espesor de los elementos del captador, aumentando con ello el flujo de la energía térmica que atraviesa la pared en una unidad de tiempo. Por otra parte disminuye la inercia térmica que facilita la estabilidad en cuanto a temperatura. Esto último puede estar asegurado mediante una pared acumuladora de calor mediante material cerámico refractario de menor espesor y peso. Se tiene en cuenta en este estudio por cálculo anterior, la utilización del Molibdeno cómo componente, es un ejemplo de otros muchos materiales posibles que soporten las altas temperaturas de la irradiación solar para turbinas de alto rendimiento y alta conductividad térmica. (Pues el molibdeno puro se oxida a los 600º C y se convierte en trióxido MoO3, y forma una capa de óxido). Las aleaciones evitan este fenómeno. Es importante volver a indicar que la turbina puede ir en vertical u horizontal ya que lo único que hubiera que cambiar es la forma de conexión con los captadores. Así mismo puede instalarse, en el caso de un compresor y dos turbinas, que la de alta potencia vaya en horizontal en una plataforma a la altura de la turbina inferior en el que el flujo de la turbina inferior pase al captador superior de alta temperatura, y de ahí se pase a la turbina de mayor potencia conectada al generador instalado en horizontal. La geometría y las áreas de flujo de una planta de potencia determinada se establecen en el “punto de diseño”. En todas las demás condiciones de operación, los componentes deberán ser “acoplados” para determinar la relación de presiones, el flujo de aire, la velocidad del rotor, la eficiencia y demás temas técnicos que intervienen en el proceso de conversión de energía térmica en trabajo de eje. El “punto de acoplamiento” se define cómo el punto de operación en estado permanente de una turbina de gas cuando el compresor y la turbina están equilibrados en cuanto a la velocidad del rotor, la potencia y el flujo, definiendo y calculando para cada proyecto los ajustes correspondientes a las distintas potencias de la línea de operación correspondiente a la configuración de la turbina de que se trate. No obstante bien pueden ir las dos turbinas unidas al mismo eje y así eliminar el problema de la sincronización. Pero es importante detallar que ambas modalidades de tipo de turbina son posibles para su uso y rendimiento. En el caso de turbinas de gran potencia (si bien todas pueden ir en horizontal o con la preparación mecánica debida en vertical, en altura o en la base), todos los componentes de la turbina de gas pueden estar instalados en la base de la torre, sobre el terreno. Solo los captadores, recuperadores de calor o regenerador, estarían instalados en la torre. Las perdidas de carga se reducirían al mínimo aumentando áreas de paso al disponer de espacio suficiente en altura. En todo caso estás perdidas estarían compensadas con una mayor radiación solar sobre los captadores. Una energía gratuita y limpia. Para una turbina de 30 MW, según el ejemplo expuesto más arriba, la pérdida de potencia sería de 1800 KW/h. Para compensar esta perdida es necesario recibir en los captadores 4864 KW/h de energía térmica, elevar la relación de compresión en el compresor, y aumentar el flujo de aire. Es novedad en esta patente de rendimiento de energía eléctrica con captadores activado su flujo por la irradiación solar, el poder aplicar, para mayor rendimiento, una turbina de vapor conectada al eje principal del compresor. Con el aire que fluye de la salida del rotor o turbina de potencia a una temperatura superior en algunos casos a los 500 ºC se puede calentar por medio de un intercambiador de calor y con el agua a gran temperatura alimentar una turbina de vapor cuyo cometido sea el apoyar con su trabajo el trabajo del compresor, por lo que aumentamos la eficiencia del rendimiento total de la turbina. A continuación damos un ejemplo matemático del rendimiento de una turbina de gas modificada para funcionar por medio de la aplicación de la energía producida por la irradiación solar: Se muestra a continuación un ejemplo de cálculo de una turbina de gas modificada con apoyo de turbina de vapor en el arrastre del compresor de aire:

Turbina de 29,354MW/h

Relación de compresión………………………………….…………1/18 Caudal de aire……………………………………………………… 68 Kgrs/ sg Temperatura entrada aire……………………………………….....290º K Temperatura aire escape turbina…………………………..…..… 704º K Potencia bruta turbina………………………..……………….. 47.821 KW/h Potencia entregada al compresor…………………………..... 28.300 KW/h Producción de vapor recalentado………………..…………. 32.989 Kgrs/h Presión vapor………………………………………………………40 Kgrs /cm2 Temperatura de recalentamiento…………….………..………….823º K Entalpía vapor recalentado………………………….……… …..850 Kcal. /Kgrs Entalpía en la descarga………………………………………….600 Kcal. /Kgrs Presión en la descarga (Condensación aire-vapor)………………..0,2 Kgrs/ cm2 Titulo vapor saturado (Descarga)………………………..……x = 0,95 Potencia obtenida: ……….…… (850-600)/ 860x 32989 Kgrs = 9.833 KW/h Acoplando a compresor turbina: ..28300 Kw.-9833 Kw.= 18.467 Kw. Potencia neta entregada al generador…47 821 Kw.-18467 Kw.= 29354 Kw./h Energía térmica recibida en captador… ………… ..…………….51.428 Kw. /h Rendimiento del ciclo después del captador………………………57% Superficie de helióstatos (Rendimiento captación: 60%).……...85.713 m2 Para una radiación de 1000w/m2.día.h Por lo que habríamos subido el rendimiento de la turbina del ciclo completo al 57%)

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las 5 figuras se dividen en diferentes representaciones: la figura 01 con dos captadores 5 y 15, la figura 02 es un sistema de bloques del sistema; la figura 03 es una representación con los helióstatos concentradores 50, y dos captadores 5, y 15; la Figura 04 se representa con un solo captador 5 y la figura 05 es una representación con una instalación completa con dos captadores: 5 y 15, una turbina 28, el resto se explica a continuación: La figura 01 nos muestra una turbina de gas modificada en el que se han incorporado dos captadores solares 5 y 15 para una sola turbina 12, en este caso la de potencia: El captador superior 5 de menor tamaño es donde habrá mayor concentración en menos espacio de la irradiación solar por lo tanto mayor temperatura, y el número 15 e inferior y de mayor tamaño donde recibirá mayor cantidad de irradiación de un mayor número de helióstatos 50 de la figura 03 preferiblemente del tipo que pueden utilizarse como concentradores a pesar de estar a distancia, pero repartida esta radiación por su mayor superficie y donde alcanzará el aire una temperatura menor que en el captador 5. La figura 01 describe los componentes de abajo arriba: el cuerpo principal que contiene la turbina 28, eje principal 1, compresor 3, que comprime sobre el anillo 7. A causa de la pared intermedia 25 del captador 15 que obliga al aire a pasar por la pared frontal del foco del captador 15, el aire circula por la protuberancias 4 de la pared que recibe la irradiación solar y le obliga a ascender a la entrada del captador 5, y que por la división que está instalada también el captador 5, le hace ascender de la misma manera que sucede en el captador 15 en fricción con el frontal que también recibe irradiación solar y entre las mismas protuberancias que en 4; el aire asciende ya a gran temperatura y el flujo resultante se dirige al anillo 6 y acciona los álabes de la turbina 12. El calor resultante del aire tras el trabajo de la turbina 12 sube entre el intercambiador 14. La figura 02, una representación del sistema por bloques, es la más significativa del funcionamiento de las diferentes partes de la patente y que explicaremos a continuación: el compresor 3 comprime el aire, y pasa ese aire comprimido a través de 7 y dirige el flujo del aire al captador 15 donde alcanza una temperatura de aproximadamente 900 ºC, el captador 15 dirige el flujo del aire a 19 que mueve la turbina 2 que está unida al compresor 3. La turbina 2 dirige a través de 17 el flujo del aire al captador 5, donde recibe una irradiación con una concentración: 1/760, alcanzando una temperatura en placa del captador de aproximadamente 1127º C el aire a la presión de trabajo dirige su flujo a 6 que acciona la turbina 12 (que bien puede estar conectada al generador 26, independiente pero sincronizada con la turbina 2, o unida a ella y formando todo un conjunto); (en el caso de estar separadas las turbinas, la turbina libre, puede arrastrar un generador asincrónico, de este modo el número de revoluciones es independiente de los otros componentes. El aire fluye hacía la salida y en ésta se encuentra con el intercambiador 14 con un fluido en su interior que directamente o a través de otro intercambiador produce vapor de agua y lo dirige a 24 que produce energía cinética sobre la turbina de vapor 16 trasmitiendo su trabajo al compresor 3 a través del eje que les une. El vapor una vez que ha producido el trabajo sobre el compresor 3 pasa a través de 23 a un depósito de vapor 21 y que a su vez es condensador, una vez licuado por condensación o presión, la bomba 20 dirige el agua de nuevo al intercambiador de calor 14 formando un circuito cerrado. En la figura 3, se aprecia a un campo de helióstatos concentradores 50 que irradian a los captadores 15, de baja temperatura, y 5 de alta temperatura. La figura 04 nos muestra una instalación de una sola turbina 12 con un solo captador 5, unida al compresor 3. En este tipo de instalación de menor potencia energética efectiva, el flujo de aire que entra por 13 y sale del compresor 3 y se dirige al captador 5 que realiza el recorrido al igual que en las instalaciones de dos captadores, solo que en la figura 04 de un solo captador 5, a la salida del captador 5, se dirige directamente a la única turbina 12. En la figura 05 se muestra una instalación con turbina de gas modificada 28, embrague 45, turbina de vapor 16, generador 26 y depósito de condensación y presión 21. La explicación de los mismos es el siguiente: Al accionarse la turbina 28 su compresor aspira aire por 44 que dirige por el conductos 42 hacia la entrada del captador 15, pasa por el mismo elevándose la temperatura por la irradiación solar y sale por la salida 17 a la entrada 6 del captador 5 donde se eleva a muy alta la temperatura del aire o flujo, de esta baja por el conducto 43 a la entrada de la turbina accionando los álabes de la turbina 28 de potencia y transmitiendo su trabajo al generador 26. A la salida de aire caliente 40 de la turbina 28, en su camino se encuentra un intercambiador de calor 14 que produce vapor y lo conduce a la turbina de vapor 16 que al realizar su trabajo, ayuda al compresor de la turbina 28 a través del embragué 45 ambos transmiten el trabajo al generador 26. La salida del vapor de la turbina de vapor 16 se dirige a 21 un depósito preparado para altas presiones y con aislamiento térmico para guardar la temperatura. El vapor condesado ya sea por condensación o presión en 21 se dirige de nuevo a 14 realizando un circuito cerrado. El aire que asciende a través de 14 con una temperatura de unos 180 grados pasa al intercambiador de calor 41 con el fin de aprovechar al máximo la energía por cogeneración de este ciclo combinado sea para calefacción en invierno o con una maquina de absorción para producir frio en verano a la planta; el aire entra por 44 y el aire residual (o los gases en el caso de usarse con inyectores 51, de la figura 01) sale por 30. Es importante apuntar que el fondo del captador o captadores, figura 01 en 5 y 15, el fondo del captador 15 se compone de armadura soporte, aislante, cerámica refractaria y una placa de material de alta resistencia a la temperatura y alta resistividad térmica. En la figura 01 se puede apreciar unos inyectores 51, en la parte inferior de los captadores 5 y 15, que aplicarían combustibles: gas u otros derivados de fósiles o producidos de la biodiversidad vegetal u orgánica, para su rendimiento en horas sin radiación solar.

DESCRIPCIÓN DE UNA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA Dado que este tipo de instalación de torre solar con turbina modificada con captadores solares de alto rendimiento y temperatura, puede instalarse bien en vertical con compresor y turbina, o con doble turbina, estando entonces ésta, la de potencia, en horizontal con el generador, y comunicada con el captador de alta temperatura. Describiremos la construcción de una instalación con doble captador, independiente del resto, como es la turbina de vapor, compresor, turbina de gas modificada que irán en la base del terreno. Es importante realizar una base hormigonada suficiente para soportar el peso del conjunto de turbinas y generador, y que toda la instalación esté fijada y nivelada con el fin de evitar vibraciones durante su régimen de funcionamiento, sea éste el que fuere. Las turbinas de gas han de ser modificadas o realizar una especialmente para el proyecto con el fin de formar un anillo alrededor de la desembocadura del compresor, así como a las entrada y salida de las turbinas, en el supuesto que sean dos, con un área suficiente para no estrangular o alargar el flujo de aire de compresor a captador y de captador a turbina, y que el flujo sea homogéneo a todos los álabes que conforman las turbinas. La torre ha de ser preferiblemente hueca y, dependiendo si la turbina en su conjunto va en vertical, habría adecuarla a las necesidades que precisara este tipo de instalación. Comentábamos al principio que se instalaría este ejemplo de realización en la base, de que la torre podría ser rectangular o de la forma que más fuera interesante según la geografía del terreno. La altura de la torre estaría abocada a cumplir con las necesidades de producción de energía, dado que a más potencia energética a producir, mayor volumen de helióstatos radiando y mayor área de los captadores, y con el fin de que no se hicieran sombra al producir la irradiación, la altura de la torre debería cumplir ese requisito: poder recibir a todos y cada uno de los helióstatos. A la altura precisa de buena captación de irradiación solar, se instalaría un receptor o captador solar que habría de haber sido fabricado con unos requisitos inviolables en su conformación y resistencia al calor y con unos materiales que fueran de gran transmisibilidad térmica. Éste o estos captadores tendrían forma preferiblemente paraboloide, con el fin de tener un gran campo de captación de irradiación solar. Determinando que fuera paraboloide, se fabricaría la base o fondo de un material que conformara una armadura resistente y con los amarres y agarres precisos para estar colgado o embutidos en parte de la torre, aquél frente que diera al campo de helióstatos. Sobre esa armadura se aplicaría un material aislante que completaría todo el fondo, sobre ese material aislante se instalaría sin perder la forma paraboloide en todo su conjunto, una superficie de un material idóneo para almacenar calor y transmitirlo, como pudiera serlo cerámica refractaria u otros. Sobre esta capa iría una fina lámina de material muy resistente al calor y de un alto índice de transmisión térmica; una aleación como indicábamos que pudiera ser de molibdeno u otros como el ferro-molibdeno, molibdeno y parte de cobre, carburo de molibdeno etc., o equivalentes que guarden las condiciones físicas y estructurales de soporte de calor y transmisión térmica. Sobre ella iría una lámina que crearía una cámara entre la lamina que cubre el material refractario y otra que colocaremos posteriormente, con el fin de hacer que entrara un determinado flujo por abajo o superior, dependiendo de la instalación, y le obligue a ir por delante hasta la parte superior que tendría entrada a la cámara con la zona de almacenamiento refractario y de ahí a un conducto. Inmediatamente cerraría herméticamente otra lámina la cámara, dejando una separación con la intermedia de aproximadamente 100 mm. Esta lamina que cierra, del mismo material que el del fondo e intermedio, por la parte de dentro estaría cubierto de unos pines o protuberancias del mismo material que realizarían un leve freno y turbulencia al flujo que por él circulara. Esté, con fondo y frente negro, sería el que recibiera la irradiación solar irradiada por los helióstatos o espejos. En definitiva el captador de forma paraboloide estaría cerrado herméticamente, con una división interior y dos conductos en su parte posterior que obligarían: por el de entrada al aire que circulara por delante del intermedio, ascender en fricción con éste y las protuberancia, y una vez en al parte superior descender hasta el conducto de salida transmitiendo el calor hasta estabilizar a la zona refractaria. En las instalaciones de alto rendimiento irían dos o más captadores, en el caso de ser dos: el inferior y de menos temperatura interior: más menos 1200 grados por irradiación y de mayor tamaño, y uno superior, de menor tamaño, preparado para alcanzar altas temperaturas por irradiación solar. Estos irían conectados: la entrada del inferior al anillo que rodeara a la salida del compresor, éste, dependiendo si la instalación es de dos turbinas independientes, iría a

la turbina primera con el eje al compresor y de ahí al segundo y superior captador y de éste a la turbina de alta potencia. O la salida del captador, caso de querer conseguir alta potencia pero una sola turbina, a la entrada del captador superior y de éste a la entrada a los álabes de la turbina. Estos conductos, con la superficie idónea para evitar perdida de 5 carga, así como aislados térmicamente para no perder temperatura, irían a la instalación de la base, cada conducto a la zona que le correspondiera: compresor o turbina. A la salida de la turbina de potencia o final, aprovechando la temperatura residual que la turbina expande, se colocaría un intercambiador de calor, que directamente o mediando otro intercambiador, dependiendo del fluido que se utilizara produciríamos vapor para 10 aplicárselo a una turbina conectada al eje del compresor, con el fin de aumentar la efectividad energética de la instalación y elevar el coeficiente de efectividad de la turbina. Este circuito de vapor iría cerrado: el vapor pasaría a una cámara de condensación y de ahí, mediante la instalación de una bomba hidráulica de nuevo al intercambiador de calor. En los captadores se instalan unos inyectores, para que el

15 rendimiento de la instalación fuera por las veinticuatro horas, que recibieran gas o combustibles derivados de fósiles o de la biodiversidad. Las otras cuestiones estructurales son las que como norma para estas instalaciones termo-solares para generación eléctrica sean de obligado cumplimiento en cada pais, así como de la resistencia de los materiales para la planta y construcción de la torre.

Claims

REIVINDICACIONES

1ª CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según la memoria descriptiva, un captador o captadores para turbina de gas modificada para instalarse en torres térmicas en la que la energía generada por las instalaciones sea procedente de la irradiación solar, caracterizado por incorporar uno o varios captadores (15 y 5) solares para que aporte o aporten el suficiente flujo para alcanzar altas prestaciones energéticas en una turbina modificada (28) para usar como gas ideal el aire y como combustible, para la expansión del flujo (aire), la irradiación solar; en el que el captador incorpora: un cuerpo de forma, preferiblemente, paraboloide, como parábola o plano que depende de la instalación y lugar en que se instale, un fondo aislado y sobre el aislamiento una cerámica refractaria, una placa (11) de alta conductividad térmica resistente a las altas temperaturas cubriendo la zona refractaria, una placa (8) de alta resistencia a altas temperaturas y conductora térmica que, divide los captadores en dos zonas conductivas de aire o flujo entre la zona refractaria: final del recorrido en camino a la salida del flujo (6) y la entrada del aire o flujo (17) del captador (5) y en el captador (15) de la entrada (7) y la salida (19); un frente de material, negro a la radiación solar, muy resistente a las altas temperaturas y de alta transmisibidad térmica con protuberancias en la pared interior (4), cierra herméticamente con el fondo del captador; dos tomas en la parte posterior que se dirigen al cuerpo de la turbina (28), que en el captador (5) como decíamos la entrada es (17) y la salida (6) a turbina de potencia (12).

2ª CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según reivindicación 1ª caracterizado porque incorpora una turbina de gas modificada, con uno o varios captadores exteriores, que puede ir en vertical, dentro de la torre, o en horizontal en una plataforma alzada o instalada en el suelo pegada a la torre y conectada con conductos (42) a los captadores (5) y (15) y a la turbina (28).

3ª CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según reivindicación 1ª caracterizado porque incorpora, uno o dos captadores (5) y (15) o más para altas potencias para alimentar energéticamente con un fluido proveniente de uno de los captadores (5) o varios (5) y (15) a una turbina de potencia (12), o dos turbinas: (2) y (12) unidas o separadas (2) y (12).

4º CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según reivindicación 1ª, 2ª y 3ª caracterizado porque para conseguir mayor rendimiento energético en una turbina de gas modificada para usarse con la energía de los captadores (5), (15) alimentados por la radiación solar, incorpora, una turbina de vapor (16) que por cogeneración se alimenta del intercambiador de calor (41) que incorpora y que por la temperatura del aire que lo atraviesa produce vapor y alimenta a dicha turbina de vapor (16) y que por medio de la incorporación del embrague (45), a través de éste, aplica su energía resultante en la turbina (29) para rebajar el trabajo de su compresor (3) y elevar la eficiencia energética del conjunto de la turbina (29); porque incorpora un deposito de presión que recibe el vapor usado por la turbina de vapor (16) y lo traslada ya condensado por la diferencia de temperatura o por presión al intercambiador de calor (14) realizando un circuito cerrado; porque por la incorporación del embrague (45) se puede cambiar al desembragar de la turbina de gas modificada (28) y utilizar el vapor almacenado en (21) para que en horas de carencia solar accione el generador eléctrico (26).

5ª CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según reivindicación 1ª, 2ª, 3ª y 4ª caracterizado por incorporar, helióstatos concentradores (50), que se configuran como concentradores de irradiación solar, por lo que se puede alcanzar altas temperaturas en el captador (5) de menor tamaño y distribuirse por el captador (15).

6º CAPTADOR SOLAR DE ALTO RENDIMIENTO PARA TURBINA DE GAS MODIFICADA, según reivindicación 1ª y 3ª caracterizado porque incorpora en los captadores (5) y (15) unos inyectores preparados para poder aplicarles gas, hidrogeno u otros combustibles fósiles o combustibles generados de la biodiversidad.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 201290056

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 08.09.2011

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

A

US 2008156315 A1 ( YANGPICHIT PITAYA) 03/07/2008, párrafos [0043]-[0050]; figuras 1-3, 4A, 1-3

4B, 5, 6A, 6B.

A

ES 8105827 A1 (KRAFTWERK UNION AG) 01/09/1981, todo el documento. 1-6

A

WO 2011001546 A1 (MITSUBISHI HEAVY IND LTD ET AL.) 06/01/2011, resumen; figuras. 1,2,5

A

FR 2948733 A1 (UGOLIN NICOLAS) 04/02/2011, todo el documento. 1,2,4

A

FR 2844561 A1 (MILLION BERNARD PIERRE ET AL.) 19/03/2004, todo el documento. 1,2

A

US 2009212570 A1 ( LE JOHN O ET AL.) 27/08/2009, todo el documento. 1,2

A

ES 1073321 U (VILLARRUBIA RUIZ JONAS) 30/11/2010, todo el documento. 1,2,4,5

A

ES 1062512 U (VILLARRUBIA RUIZ JONAS) 01/07/2006, todo el documento. 1,2,5

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 19.12.2012

Examinador D. Hermida Cibeira Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201290056

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD F03G6/04 (2006.01)

F03G6/06 (2006.01) F24J2/07 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

F03G, F24J

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201290056

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 19.12.2012

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones 1-6 Reivindicaciones SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones 1-6 Reivindicaciones 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 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201290056

1. 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 2008156315 A1 ( YANGPICHIT PITAYA) 03.07.2008

D02

ES 8105827 A1 (KRAFTWERK UNION AG) 01.09.1981

D03

WO 2011001546 A1 (MITSUBISHI HEAVY IND LTD et al.) 06.01.2011

D04

FR 2948733 A1 (UGOLIN NICOLAS) 04.02.2011

D05

FR 2844561 A1 (MILLION BERNARD PIERRE et al.) 19.03.2004

D06

US 2009212570 A1 ( LE JOHN O et al.) 27.08.2009

D07

ES 1073321 U (VILLARRUBIA RUIZ JONAS) 30.11.2010

D08

ES 1062512 U (VILLARRUBIA RUIZ JONAS) 01.07.2006
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 declaración

La presente invención se refiere a un captador solar de alto rendimiento para turbina de gas modificada.

Se considera que el documento D01 es el más cercano del estado de la técnica al objeto de la reivindicación 1. En dicho documento, al cual pertenecen las referencias numéricas que siguen, se divulga (párrafos [0043]-[0050]; figuras 1-3, 4A, 4B, 5, 6A, 6B) una chimenea solar (10) con un captador solar interior capaz de calentar el aire en la chimenea y crear así una corriente ascendente que puede utilizarse para mover una turbina y producir electricidad (párrafo [0047]). Dicho captador comprende un substrato plano (9) con un recubrimiento absorbente (7) sobre el cual incide la radiación solar concentrada (1) que atraviesa una lente (3), o bien una ventana (33), y una apertura (5) de la chimenea solar (10), estando dicho substrato

(9) en contacto directo con unas aletas primarias (11) y en contacto indirecto con unas aletas secundarias (13) que favorecen el intercambio de calor con el aire en la chimenea solar (10) (párrafos [0043], [0044]; figura 1). Existe, además, un tubo interior (15, 35) que divide el captador solar en dos zonas concéntricas de circulación del aire (párrafos [0045], [0048]; figuras 4A, 5). Por otra parte, la chimenea solar (10) cuenta con una capa de material aislante (21) (párrafo [0045]; figura 1). Se observan diferencias entre la invención del documento D01 y el objeto de la reivindicación 1. Particularmente, se observa que en la invención del documento D01 no se utiliza sobre el fondo aislado una capa de cerámica refractaria cubierta por una placa de alta conductividad térmica resistente a las altas temperaturas. Debido a esta diferencia encontrada, se considera que la reivindicación 1 y sus reivindicaciones dependientes 2-6 son nuevas (Art. 6, LP 11/1986).

En cuanto a la actividad inventiva de la reivindicación 1, se considera que no le resultaría evidente reproducir su objeto a un experto en la materia que partiese del documento D01, ni se han encontrado otros documentos del estado de la técnica que pudiesen combinarse de forma evidente con dicho documento D01 a tal fin. Por tanto, se estima que la reivindicación 1 y sus reivindicaciones dependientes 2-6 implican actividad inventiva (Art. 8, LP 11/1986).

El resto de los documentos citados simplemente refleja el estado de la técnica.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4