ES2436646A2 - Central tower receiver system. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Un sistema de receptor central de torre que tiene un receptor (30) central de torre, un tanque de almacenamiento frío (10), un tanque de almacenamiento caliente (20) en la base de la torre del receptor, una tubería de bajada (6) desde el receptor (30) y una tubería de subida (7) hacia el receptor (30). El sistema de receptor central de torre tiene un sistema de recuperación de energía potencial situado en la base de la torre configurado de tal forma que recupera parte de la energía mecánica del fluido caloportador y la utiliza en un bombeo del fluido de trabajo hacia el receptor (30) y/o provisionando de potencia a otros equipos de la planta solar en cualquier tipo de energía.A central tower receiver system having a central tower receiver (30), a cold storage tank (10), a hot storage tank (20) at the base of the receiver tower, a downspout (6 ) from the receiver (30) and a riser pipe (7) to the receiver (30). The central tower receiver system has a potential energy recovery system located at the base of the tower configured in such a way that it recovers part of the mechanical energy from the heat transfer fluid and uses it in pumping the working fluid towards the receiver ( 30) and / or supplying power to other equipment of the solar plant in any type of energy.
Description
Campo de la invención Esta invención está relacionada con los sistemas de generación eléctrica a través de energía solar. Concretamente, esta invención se aplica en plantas de receptor central de torre, con receptor cilíndrico central o receptor de cavidad. Field of the Invention This invention is related to solar power generation systems. Specifically, this invention is applied in central tower receiver plants, with central cylindrical receiver or cavity receiver.
Antecedentes de la invención El creciente interés en las energías renovables y el aumento en la demanda energética han producido una gran expansión de la generación eléctrica mediante energía solar. BACKGROUND OF THE INVENTION The growing interest in renewable energies and the increase in energy demand have produced a great expansion of electricity generation through solar energy.
El concepto de receptor central se basa en un campo de espejos con sistemas individuales de seguimiento solar llamados heliostatos, los cuales reflejan la radiación solar incidente hacia el receptor central situado en la parte superior de una torre, generalmente situada en el centro del campo de heliostatos, el receptor central puede ser bien cilíndrico o bien de cavidad. De esta forma, la radiación solar directa se concentra en el área efectiva del receptor permitiendo alcanzar altos niveles de radiación en el mismo. The concept of central receiver is based on a field of mirrors with individual solar tracking systems called heliostats, which reflect the incident solar radiation towards the central receiver located at the top of a tower, usually located in the center of the heliostat field. , the central receiver can be either cylindrical or cavity. In this way, direct solar radiation is concentrated in the effective area of the receiver allowing to reach high levels of radiation in it.
Todas las configuraciones de receptor central se sitúan en lo alto de la torre, donde son calentados con la radiación reflejada por los heliostatos. Los heliostatos concentran la radiación y la redirigen hacia el receptor. Normalmente el 80-90 por ciento de la energía reflejada es absorbida y transferida al fluido de trabajo, el cual se bombea desde la base de la torre hasta el receptor. Los sistemas de receptor central normalmente incluyen dos tanques de almacenamiento, uno frío y otro caliente, situados en la parte inferior de la torre, los cuales provisionan y almacenan el fluido de trabajo que va/viene al/del receptor. Esta tecnología además consta de un sistema conversor de energía calorífica a energía eléctrica, compuesto por un generador de vapor, una turbina de vapor y un generador eléctrico. All the central receiver configurations are located at the top of the tower, where they are heated with the radiation reflected by the heliostats. Heliostats concentrate radiation and redirect it to the receptor. Normally 80-90 percent of the reflected energy is absorbed and transferred to the working fluid, which is pumped from the base of the tower to the receiver. Central receiver systems typically include two storage tanks, one cold and one hot, located at the bottom of the tower, which provide and store the working fluid that goes to / from the receiver. This technology also consists of a heat energy to electrical energy converter system, consisting of a steam generator, a steam turbine and an electric generator.
El fluido caloportador puede ser cualquier medio capaz de absorber y transferir adecuadamente la energía calorífica, como sales fundidas o aceites térmicos sintéticos de alta temperatura por debajo de los 750˚C. The heat transfer fluid can be any medium capable of properly absorbing and transferring heat energy, such as molten salts or high temperature synthetic thermal oils below 750˚C.
El fluido caloportador es bombeado desde el tanque frío hacia la parte superior de la torre, The heat transfer fluid is pumped from the cold tank to the top of the tower,
donde circula por el receptor. A la salida del receptor, el fluido caloportador tiene gran where it circulates through the receiver. At the exit of the receiver, the heat transfer fluid has great
energía mecánica, suma de su energía cinética (originada por la velocidad dada por las bombas) y por su energía potencial (como resultado de la gran altura a la que se encuentra el receptor). mechanical energy, sum of its kinetic energy (originated by the speed given by the pumps) and its potential energy (as a result of the great height at which the receiver is located).
Tras salir del receptor el fluido de trabajo baja por la torre hasta llegar al tanque caliente, dónde se almacena. Debido a la gran energía cinética acumulada a la salida de la torre, es necesario disipar una gran parte de la energía para evitar problemas y posibles daños en el sistema de almacenamiento. Por esta razón, tradicionalmente se ha utilizado un sistema de placas que produce la suficiente pérdida de presión para eliminar el exceso de energía en las tuberías. After leaving the receiver, the working fluid goes down the tower until it reaches the hot tank, where it is stored. Due to the large kinetic energy accumulated at the exit of the tower, it is necessary to dissipate a large part of the energy to avoid problems and possible damage to the storage system. For this reason, a plate system has traditionally been used that produces sufficient pressure loss to remove excess energy in the pipes.
El porcentaje de energía disipada en el sistema de caída de presión es importante y no es recuperado. La invención desarrollada en este documento muestra diversas alternativas que pueden recuperar alrededor del 70 por ciento de la energía desperdiciada en la disipación. The percentage of energy dissipated in the pressure drop system is important and is not recovered. The invention developed in this document shows various alternatives that can recover about 70 percent of the energy wasted on dissipation.
Al mismo tiempo, la energía recuperada puede emplearse en el bombeo del fluido hacia el receptor, disminuyendo así el autoconsumo de la planta. Esto conlleva a una mejora del rendimiento y de los beneficios de la planta. At the same time, the recovered energy can be used in the pumping of the fluid towards the receiver, thus decreasing the plant's self-consumption. This leads to an improvement in the yield and benefits of the plant.
El concepto de esta invención y su utilidad han sido desarrolladas después de tener un alto conocimiento de la operación de las planta de receptor central. The concept of this invention and its usefulness have been developed after having a high knowledge of the operation of the central receiver plant.
Descripción de la invención Esta invención se refiere a una planta solar tipo torre, compuesta por un receptor solar central situado en lo alto de la torre, un tanque de almacenamiento frío y otro caliente, situados en la parte inferior de la torre, y un sistema de recuperación de energía potencial que recupera parte de la energía mecánica del fluido caloportador que baja de la torre y después usa esa energía recuperada en el bombeo del fluido de trabajo hacia el receptor. DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to a tower-type solar plant, composed of a central solar receiver located on top of the tower, a cold and a hot storage tank, located at the bottom of the tower, and a system of recovery of potential energy that recovers part of the mechanical energy of the heat transfer fluid that comes down from the tower and then uses that energy recovered in the pumping of the working fluid towards the receiver.
El sistema de recuperación de energía potencial está configurado para operar en paralelo al sistema receptor central -tanques, por lo que puede acoplarse o desacoplarse del sistema tradicional en cualquier momento, en casos de daño en el sistema o en procesos de bajo rendimiento y bajo ciertas circunstancias. The potential energy recovery system is configured to operate in parallel to the central receiving system - tanks, so it can be coupled or decoupled from the traditional system at any time, in cases of damage to the system or in low-performance processes and under certain circumstances.
Por una parte, para una planta solar de torre en régimen de operación normal, un conjunto On the one hand, for a tower solar plant under normal operation, a set
de válvulas comunicará el sistema de recuperación de energía potencial con el resto del circuito. Por otra parte, cuando el uso del sistema de recuperación de energía potencial no sea ventajoso, las válvulas se abrirán y el sistema de recuperación de energía potencial se aislará del resto de la instalación para que la planta trabaje como lo hace actualmente. of valves will communicate the potential energy recovery system with the rest of the circuit. On the other hand, when the use of the potential energy recovery system is not advantageous, the valves will open and the potential energy recovery system will be isolated from the rest of the installation so that the plant works as it currently does.
Una planta solar de receptor central puede tener más de un sistema de recuperación de energía potencial operando en paralelo. A central receiver solar plant may have more than one potential energy recovery system operating in parallel.
El sistema de recuperación de energía potencial, generalmente estará situado en la parte inferior de la torre, conectado a la tubería de bajada de fluido caliente del receptor. Además podría colocarse en cualquier punto entre el receptor y el tanque caliente de almacenamiento, o incluso en configuraciones más complejas entre el receptor y el tanque frío de almacenamiento. The potential energy recovery system will generally be located at the bottom of the tower, connected to the receiver's hot fluid drop pipe. It could also be placed anywhere between the receiver and the hot storage tank, or even in more complex configurations between the receiver and the cold storage tank.
El receptor está situado en la parte más elevada de la torre, suministrando al fluido térmico que circula a través de él una gran energía potencial. El objetivo del sistema de recuperación de energía potencial es recuperar la mayor cantidad posible de la energía potencial del fluido caloportador. The receiver is located in the highest part of the tower, providing the thermal fluid that circulates through it with great potential energy. The objective of the potential energy recovery system is to recover as much of the potential energy from the heat transfer fluid as possible.
El sistema de recuperación de energía puede incluir: -Al menos una turbina axial o radial o al menos un pistón que recupere la energía The energy recovery system may include: -At least one axial or radial turbine or at least one piston that recovers energy
potencial de un fluido a otro. potential from one fluid to another.
Adicionalmente puede incluir: -Al menos una bomba que pueda propulsar el fluido caloportador del tanque frío hacia el Additionally it can include: -At least one pump that can propel the heat transfer fluid from the cold tank to the
receptor. receiver.
En este caso, la bomba irá conectada mecánicamente, a través de un embrague y engranajes, a la turbina, si se colocan relativamente cerca una de otra se evitará usar sistemas de transmisión mecánica demasiado complejos. Una disposición perfecta para llevar a cabo esta unión mecánica, o cualquier otra, puede ser justo donde los conductos del fluido térmico caliente y frío se separan en la parte inferior de la torre. In this case, the pump will be mechanically connected, through a clutch and gears, to the turbine, if they are placed relatively close to each other, it will be avoided to use mechanical transmission systems that are too complex. A perfect arrangement to carry out this mechanical connection, or any other, can be just where the hot and cold thermal fluid ducts separate at the bottom of the tower.
El sistema de recuperación de energía potencial debe situarse en la parte inferior de la torre The potential energy recovery system must be located at the bottom of the tower
en un punto previo a la descarga del fluido caliente, proveniente del receptor, en el tanque. at a point prior to the discharge of the hot fluid, from the receiver, into the tank.
En el caso de una conexión magnética/eléctrica, el sistema de recuperación de energía potencial puede incluir un generador eléctrico capaz de transmitir la energía mecánica generada en la/las turbina/s o el/los pistón/es, a cualquier otro componente del sistema de la planta solar. In the case of a magnetic / electrical connection, the potential energy recovery system may include an electric generator capable of transmitting the mechanical energy generated in the turbine / s or the piston / s, to any other component of the system the solar plant
En el caso de operación fluidodinámica directa, el sistema de recuperación de energía potencial estará compuesto por una variedad de pistones situados entre el conducto de bajada y el de subida configurado de tal forma que el fluido caloportador del conducto de bajada (conducto caliente) mueva los pistones directamente transfiriendo su energía al fluido de trabajo (conducto frío) el cual es bombeado hacia el receptor. En este caso la distancia entre los conductos caliente y frío no será un problema porque el sistema de recuperación de energía potencial puede incluir conductos auxiliares que comuniquen dicho sistema con los conductos principales. In the case of direct fluid dynamic operation, the potential energy recovery system will be composed of a variety of pistons located between the lowering and the rising ducts configured in such a way that the heat transfer fluid of the lowering duct (hot duct) moves the pistons directly transferring their energy to the working fluid (cold duct) which is pumped into the receiver. In this case the distance between the hot and cold ducts will not be a problem because the potential energy recovery system may include auxiliary ducts that communicate said system with the main ducts.
El objetivo del sistema de recuperación de energía potencial es reducir el autoconsumo de la planta con la consiguiente recuperación de la energía potencial del fluido, resultante de la alta diferencia de alturas existente en este tipo de tecnologías. Por lo que la eficiencia global de la planta aumentará como resultado de la reducción del consumo de los componentes. Además, en el caso de conexiones mecánicas con las bombas que propulsan el fluido del tanque frío hacia el receptor, los requerimientos de las bombas disminuirán y podrán ser capaces de operar bajo regímenes de baja demanda, incrementando así su tiempo de vida. The objective of the potential energy recovery system is to reduce the self-consumption of the plant with the consequent recovery of the potential energy of the fluid, resulting from the high difference in heights existing in this type of technologies. Therefore, the overall efficiency of the plant will increase as a result of the reduction in the consumption of the components. In addition, in the case of mechanical connections with the pumps that propel the fluid from the cold tank to the receiver, the pump requirements will decrease and may be able to operate under low demand regimes, thus increasing their life time.
Breve descripción de los dibujos A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention that is presented as a non-limiting example thereof is described very briefly below.
La FIG.1 es un diagrama de bloques que describe un ejemplo de un sistema de receptor central de torre con un sistema de recuperación de energía potencial que incluye una turbina y una bomba. FIG. 1 is a block diagram describing an example of a central tower receiver system with a potential energy recovery system that includes a turbine and a pump.
FIG.2 es un diagrama de bloques que describe un ejemplo de sistema de receptor central de FIG. 2 is a block diagram describing an example of a central receiver system of
generador eléctrico. Electric generator.
FIG.3 es un diagrama de bloques que describe un ejemplo de sistema de receptor central de torre con un sistema de recuperación de energía potencial que incluye un conjunto de pistones. FIG. 3 is a block diagram describing an example of a central tower receiver system with a potential energy recovery system that includes a set of pistons.
Descripción detallada de la invención En la siguiente descripción detallada, las configuraciones descritas tienen únicamente propósitos de ejemplo por lo que otras configuraciones pueden emplearse en lugar de o combinadas con las modalidades descritas. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the following detailed description, the described configurations are for example purposes only, so other configurations may be used instead of or combined with the described modalities.
EJEMPLO 1 EXAMPLE 1
Figura 1 muestra un sistema de receptor 30 central de torre en el cual el sistema de recuperación de energía potencial es una turbina 1 situada en la parte inferior de la torre del conducto de bajada 6. De esta manera, el fluido es conducido a través de una turbina axial o radial 1, extrayendo la energía contenida en el fluido y transformándola en energía mecánica en el eje de la turbina 1. El fluido presurizado pasa a través de los álabes de la turbina reduciendo su energía. Al mismo tiempo, esta energía se transmitirá a través de un eje conectado al eje de la bomba 2 (podría ser más de una) que bombea el fluido frío del tanque hacia el receptor 30. Figure 1 shows a central tower receiver system 30 in which the potential energy recovery system is a turbine 1 located in the lower part of the tower of the lowering duct 6. In this way, the fluid is conducted through an axial or radial turbine 1, extracting the energy contained in the fluid and transforming it into mechanical energy in the axis of the turbine 1. The pressurized fluid passes through the blades of the turbine reducing its energy. At the same time, this energy will be transmitted through an axis connected to the axis of the pump 2 (it could be more than one) that pumps the cold fluid from the tank to the receiver 30.
Además, el eje de transmisión puede disponer de medios de acoplamiento 3 que pueden permitir al sistema acoplarse y desacoplarse, garantizando el correcto funcionamiento en paralelo. También podría incluirse una caja de cambios que adaptase el sistema a las necesidades. In addition, the transmission shaft can have coupling means 3 that can allow the system to be coupled and uncoupled, ensuring proper operation in parallel. It could also include a gearbox that adapts the system to the needs.
EJEMPLO 2. EXAMPLE 2
La figura 2 muestra otra configuración de la invención en la que el sistema de recuperación de energía potencial incluye:Figure 2 shows another configuration of the invention in which the potential energy recovery system includes:
Una turbina axial o radial 1 conectada al conducto de bajada 6 la cual extrae la An axial or radial turbine 1 connected to the descent duct 6 which extracts the
energía contenida en el fluido, transformándolo en energía mecánica a la salida del energy contained in the fluid, transforming it into mechanical energy at the exit of the
eje de la turbina 1. turbine shaft 1.
Un generador eléctrico 4 el cual transforma la energía de la turbina, ambos sistemas se comunican a través de un eje. An electric generator 4 which transforms the turbine's energy, both systems communicate through an axis.
El generador producirá electricidad que puede emplearse para cubrir el autoconsumo de diversos elementos 8 que componen la planta solar de receptor central de torre. Es preferible usarlo para alimentar la bomba que propulsa el fluido caloportador hacia la parte superior de la torre. De esta manera, se reducirán las pérdidas debido a la reducción de las pérdidas por transmisión. The generator will produce electricity that can be used to cover the self-consumption of various elements 8 that make up the central tower solar receiver plant. It is preferable to use it to feed the pump that propels the heat transfer fluid towards the top of the tower. In this way, losses will be reduced due to the reduction of transmission losses.
Opcionalmente, la correcta disposición de los elementos que componen esta configuración podrá permitir invertir el proceso habitual de operación. En situaciones de emergencia, si las bombas fallan, el generador podrá transformarse en motor, produciendo la energía mecánica suficiente para bombear desde la turbina axial o radial (transformada en motor) el fluido hacia el receptor 30. Optionally, the correct arrangement of the elements that make up this configuration may allow the usual operation process to be reversed. In emergency situations, if the pumps fail, the generator can be transformed into a motor, producing enough mechanical energy to pump fluid from the axial or radial turbine (transformed into a motor) into the receiver 30.
La línea continua de la figura 2 muestra la operación del sistema cuando genera electricidad. Esta electricidad puede ser inyectada a las bombas 9 que alimentan el receptor 30 u otro componente alimentándolo con electricidad. The solid line in Figure 2 shows the operation of the system when it generates electricity. This electricity can be injected into the pumps 9 that feed the receiver 30 or other component by feeding it with electricity.
La línea discontinua de la figura 2 muestra la otra configuración comentada anteriormente, en la cual el sistema se invierte y la turbina 1 y el generador 4 se transforman en bomba y motor respectivamente, permitiendo alimentar al receptor 30 en situaciones de emergencia. The dashed line in Figure 2 shows the other configuration discussed above, in which the system is inverted and the turbine 1 and the generator 4 are transformed into a pump and motor respectively, allowing the receiver 30 to be fed in emergency situations.
EJEMPLO 3 EXAMPLE 3
La figura 3 muestra otra configuración de la invención en la que el sistema de recuperación de energía potencial, el cual transforma la energía mecánica del fluido a la salida de la torre en energía útil para el bombeo hacia el receptor 30, es un conjunto de tubos, válvulas y pistones 5 configurados para comunicar los dos conductos 6, 7 de la torre para que de forma directa el fluido caliente transfiera su energía mecánica al fluido frío impulsado hacia el receptor 30. Figure 3 shows another configuration of the invention in which the potential energy recovery system, which transforms the mechanical energy of the fluid at the exit of the tower into useful energy for pumping to the receiver 30, is a set of tubes , valves and pistons 5 configured to communicate the two ducts 6, 7 of the tower so that the hot fluid directly transfers its mechanical energy to the cold fluid propelled towards the receiver 30.
De esta forma, a través de la tendencia natural de equilibrar presiones a ambos lados de los pistones, el fluido frío será bombeado hacia el receptor 30 debido a la alta presión que tiene Thus, through the natural tendency to balance pressures on both sides of the pistons, the cold fluid will be pumped into the receiver 30 due to the high pressure it has.
5 el fluido caliente a la salida de la torre. Por ejemplo, en la configuración más simple, ambos fluidos estarán en el mismo tubo, separados únicamente por un pistón, el cual equilibrará ambas presiones. 5 the hot fluid at the exit of the tower. For example, in the simplest configuration, both fluids will be in the same tube, separated only by a piston, which will balance both pressures.
Para garantizar la continuidad del bombeo, será necesario disponer de diversos sistemas 10 paralelos, los cuales producirían un flujo uniforme. To guarantee the continuity of the pumping, it will be necessary to have several parallel systems 10, which would produce a uniform flow.
Claims (4)
- 3a) 3rd)
- una turbina (1) seleccionada entre axial y radial configurada para ser activada por el a turbine (1) selected between axial and radial configured to be activated by the
- fluido caloportador proveniente del receptor (30); heat transfer fluid from the receiver (30);
- 3b) 3b)
- una bomba (2) mecánicamente unida a la turbina (1) a través de un embrague y un a pump (2) mechanically connected to the turbine (1) through a clutch and a
- sistema de engranajes, configurada para bombear el fluido caloportador hacia el gear system, configured to pump the heat transfer fluid to the
- receptor (30); receiver (30);
- 3c) 3c)
- medios de acoplamiento (3) configurados para permitir un coupling means (3) configured to allow a
- acoplamiento/desacoplamiento del sistema de recuperación de energía potencial, coupling / decoupling of the potential energy recovery system,
- garantizando un funcionamiento del sistema de recuperación de energía potencial en guaranteeing the operation of the potential energy recovery system in
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