ES2533755B1

ES2533755B1 - Sistema de acumulacion de energía térmica

Info

Publication number: ES2533755B1
Application number: ES201331492A
Authority: ES
Inventors: Juan Manuel Caruncho Rodado
Original assignee: Arraela SL
Current assignee: Arraela SL
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2016-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: US20150114593A1; ES2533755A1; EP2896922A1; ES2710541T3

Abstract

Sistema de acumulación de energía térmica que comprende, al menos, un primer depósito (1) que almacena un fluido portador a mayor temperatura y, al menos, un segundo depósito (2) que almacena el fluido portador a menor temperatura, interconectados a través de elementos susceptibles de aprovechar la energía debida al salto térmico entre ambos; donde el primer depósito (1) y el segundo depósito (2) se encuentran realizados en su totalidad o en parte en material de gran capacidad de acumulación térmica, encontrándose el primer depósito (1) posicionado en el interior del segundo depósito (2) a través de una división (1a) que se encuentra por el interior en contacto con el fluido a mayor temperatura, y por el exterior con el fluido a menor temperatura.

Description

Objeto de la Invención

El objeto de la presente invención es un nuevo sistema de acumulación de energía térmica, con una configuración constructiva a base de tanques contenedores de fluidos termoacumuladores, y que pertenece en general al campo de los sistemas constructivos en el ámbito energético.

Dicha configuración permite, con un adecuado desarrollo de ingeniería, una disminución de costes de almacenamiento de energía térmica, y una simplificación del almacenamiento, que aumenta cuanto más alta es la energía almacenada.

Antecedentes de la invención

En la actualidad se conocen unos sistemas acumuladores de energía térmica, utilizados por ejemplo en centrales termosolares que comprenden un primer depósito de acumulación de un fluido portador a mayor temperatura, por ejemplo sales fundidas, y otro depósito con el fluido a menor temperatura, de forma que se recupera la energía al recircular el fluido de un depósito al otro, lo que genera el salto térmico entre ambos.

En el sistema existente ambos depósitos son independientes entre sí, lo que requiere la utilización de aislantes térmicos para ambos con el fin de minimizar su intercambio con el ambiente exterior, que de todas formas no se consigue de forma óptima debido a los elevados gradientes.

Descripción de la invención

El sistema de la invención tiene una constitución que soluciona el problema de las pérdidas de energía por los gradientes de temperatura respecto al exterior, con la ventaja inesperada, tras las pruebas realizadas, de que su implementación en un material determinado reduce el volumen de fluido portador necesario para una misma cantidad de energía acumulada, reduciendo por tanto los costes. El sistema de la invención tiene aplicación en cualquier campo de la técnica que requiera la acumulación de energía térmica

De acuerdo con la invención, el sistema comprende, al menos, un primer depósito que almacena un fluido portador a mayor temperatura y, al menos, un segundo depósito que almacena el fluido portador a menor temperatura, interconectados a través de elementos susceptibles de aprovechar la energía debida al salto térmico entre ambos, tales como intercambiadores, etc, que no forman parte de la presente invención.

Tanto el primer como el segundo depósito están realizados en su totalidad o en parte en material de gran capacidad de acumulación térmica, encontrándose el primer depósito posicionado en el interior del segundo depósito a través de una división que se encuentra por el interior en contacto con el fluido a mayor temperatura, y por el exterior con el fluido a menor temperatura.

La materialización de los depósitos en este material hace que el propio material actúe como acumulador térmico conjuntamente con el fluido portador, reduciendo el volumen necesario de éste. Además, la configuración interior del primer depósito minimiza las pérdidas con respecto al ambiente exterior, ya que se encuentra apantallado por el segundo depósito, mientras que todo el volumen constituido por el material del primer y segundo depósito y el fluido portador coopera en la acumulación térmica, a diferencia de los sistemas existentes en algunos campos de la técnica con dos depósitos metálicos separados, donde únicamente se considera la energía acumulada en el depósito de fluido a mayor temperatura.

En una comparación analítica del sistema de la invención con el sistema existente de tanques metálicos aislados se aprecia que, para una misma capacidad de almacenamiento de energía, los requisitos de volumen de almacenamiento de fluido portador son menores en el depósito de la invención. Esta comparación presenta dos valores en cuanto al sistema de la invención, considerando la energía almacenada únicamente en el depósito interior (5323 m3) y considerando la energía almacenada en ambos depósitos (2725 m3), respecto a las necesidades de volumen de almacenamiento de fluido en el sistema de tanques metálicos (11384 m3); todo ello para una acumulación típica de energía en un par de depósitos metálicos de sales fundidas.

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Las estimaciones anteriores se han realizado previendo las siguientes características del

fluido portador y del material constitutivo de los depósitos (hormigón HEATEK® de gran

capacidad de acumulación térmica):

Camclen sticas de Materiales Acurruladores en funcion de la1empera'b.u3

Material Acumulador: "P p cp ["e] (Kg/m3) [J/kgK] "c" Cap. eatarifica [MJ/m3K] [l<WhVm3K]

Sales Termicas HEATEKCI Sales Termicas HE ATEKCI Sales Termicas HE ATEKCI: 288 1906 1492 288 4000 2000 388 1836 1512 388 4000 2640 500 1765 153-1} 500 4000 3500 2,84 0,7899 8,00 2,= 2,78 0,7711 10,56 2,9333 2,70 Q,7501 14,00 3,8889

consiguiendo las acumulaciones de energía siguientes:

Comparativa de un Tan<J.Ie convencional de Sales y el Tanque ''Concéntrico 1 tJ con sales térmicas Y hormigón HEATEK=

"P ["e]: Volumen Volumen Energl8 Sal ~ HEATEKCI Acurrulada [m3] [m3] [Kwhq

Tanque Sólo con Sales Ténnicas Tanque con Sales Térmicas Y Honnigón HEATEKCI Tanque Sólo con Sales Térmicas Tanque con Sales Térmicas Y Hormigón HEATEKQ: 288 288 388 388 499,15 O 8.539,4 320,34 235,60 7.102,5 518,18 O 8.778,4 332,56 235,60 8.778,4

Tanque Sólo con Sales Térmicas Tanque con Sales Térmicas Y Hormigón HEATEKQ: 500 500 539,03 O 8.539,3 345,94 235,60 10.896,4

las características de estos materiales son:

Hormigón acumulador de Heatek ® Resistencia a compresión: 42 MPa Resistencia a tracción: 10 MPa (con fibra) y 6.70 MPa (sin fibra) Módulo de Young: 11 GPa Conductividad térmica: 19 W/m.C

Hormigón aislante Heatek ® Resistencia a compresión: 13 MPa Resistencia a tracción: 2.35 MPa Módulo de Young: 2.50 GPa Conductividad térmica: 0.95 W /m.C

Estos hormigones no presentan problemas por entrar en contacto con las sales, las cuales penetran unos centímetros en el hormigón mejorando incluso sus valores de resistencia a compresión. Las sales, sin embargo, pueden producir corrosión en el acero corrugado, por lo que se propone el uso de aleaciones que sí toleren el contacto con las sales, como los aceros inoxidables, el acero AS516 Gr 70 o similares. O bien el uso de annado de fibra de piedra pultrusionada, que ha demostrado resistencias a compresión y tracción mayores que las del acero; su defonnación por tensión y temperatura son como las del honnigón, pudiendo ademas estar en contacto con las sales sin presentar ninguna degradación con el tiempo. Estas fibras dejan de presentar las características estructurales mencionadas a partir de los 550°C -580°C, Y una vez pasado este umbral la fibra no recupera sus características, por lo que se debera tener en cuenta este hecho a la hora de hacer el calculo de estructura del sistema.

Ademas, la utilización de hormigón de estas características implica la participación de sus características portantes en la resistencia de los depósitos del sistema, obviando la necesidad de otros elementos estructurales complementarios. Incluso, el uso de hormigones permite la realización de depósitos en tamaños mucho mayores que los tanques metalicos, ya que las uniones soldadas de los tanques metalicos tienen una profundidad limitada, por lo que no aportan una resistencia mecanica equivalente a la sección completa de las partes que unen, a diferencia de los depósitos en hormigón cuya constitución fraguada hace que trabaje su sección completa.

Se estima, además, que los costes con construcción del depósito de la invención son

entre un 64% y un 41 % inferiores a los de los depósitos convencionales.

Breve Descripción de los Dibujos

La Figura 1 muestra una vista del sistema de la invención.

La figura 2 muestra una vista en sección de los depósitos del sistema de la invención.

La figura 3 muestra un detalle donde se aprecia los relieves y el canal superior implementados en la envolvente del primer depósito del sistema de la invención.

Descripción de la Forma de Realización Preferida

El sistema de acumulación de energía térmica de la invención es del tipo que comprenden, al menos, un primer depósito (1) que almacena un fluido portador a mayor temperatura y, al menos, un segundo depósito (2) que almacena el fluido portador a menor temperatura, interconectados a través de elementos susceptibles de aprovechar la energía debida al salto ténnico entre ambos.

La invención propone que el primer depósito (1) Y el segundo depósito (2) estén realizados en su totalidad o en parte en material de gran capacidad de acumulación térmica, encontrándose el primer depósito (1) posicionado en el interior del segundo depósito (2) a través de una división (1 a) que se encuentra por el interior en contacto con el fluido a mayor temperatura, y por el exterior con el fluido a menor temperatura.

En una realización preferente de la invención mostrada en las figuras, ambos depósitos (1 , 2) comparten un mismo fondo (11), del que emergen unos tabiques que configuran tanto la división (1a) como la envolvente lateral (2a) que delimita el segundo depósito. Igualmente se ha previsto que ambos depósitos (1 , 2) puedan compartir una misma cubierta (10). Dado que los depósitos (1 , 2) están realizados en su totalidad o en parte en material de gran capacidad de acumulación térmica, la división (1a), envolvente lateral (2a), fondo (11) y/o cubierta (10) se encuentran todos ellos, o la mayor parte de los mismos, realizados en este material, de fonna que se ha previsto que la división (1a) pueda quedar distanciada de la cubierta (10), sin entrar en contacto con la misma, para eliminar el puente térmico en esta zona ya que la división (1 a) está en contacto con el fluido portador a mayor temperatura, y por tanto tiene una temperatura apreciablemente superior a la de la cubierta (10) que no está en contacto con dicho fluido.

En la realización preferente de la invención también se ha previsto que ambos depósitos (1 , 2) se encuentren sobre una losa (3) común de cimentación de un material de gran capacidad de acumulación térmica, la cual puede disponer de un aislante térmico inferior (7) por ejemplo consistente en una serie de tuberías embutidas en una manta de arena o similar, con el fin de refrigerar mediante circulación de aire, finalmente la cimentación y afectar lo mínimo posible al malerial que configura el suelo.

Dadas las dimensiones que puede alcanzar los depósitos (1, 2), Y las necesidades de resistencia estructural que pueda requerir la cubierta (10), se ha previsto que los depósitos puedan disponer interiormente de elementos estructurales de sujeción de la cubierta (10), y que idealmente comprenden pilares (6). Estos pilares (6) preferentemente pueden estar configurados en material de gran capacidad de acumulación térmica, cooperando en la acumulación de energía e intercambio de calor, mientras que sus zonas de contacto con la cubierta, considerablemente reducidas, minimizan los puentes térmicos. Su grosor dependerá del cálculo térmico y estructural. Respecto a la cubierta (10), se prefiere que sea ligera en contraposición a cubiertas estructurales pesadas.

Precisamente para mejorar el intercambio de calor entre el material de gran capacidad de acumulación térmica y el fluido portador, algunas de las partes de los depósitos (1 , 2) en contacto con el mismo pueden disponer de relieves (4) destinados a aumentar la superficie de intercambio térmico. En este ejemplo no limitativo de la invención, dichos relieves (4) se encuentran dispuestos en la cara intenor de la división (1 a).

Adicionalmente, la invención ha previsto la implementación en la división (1 a) de un canal (5) supenor de vertido del fluido portador al primer depósito (1). Este vertido aumenta el contacto del fluido con la parte superior de la división que pueda quedar por encima del nivel de llenado.

En cuanto a los materiales utilizados, la invención ha previsto que el de gran capacidad de acumulación térmica pueda comprender hormigón acumulador de calor. Este material adecuadamente provisto de las armaduras necesarias, no representadas, asegura además la resistencia estructural del sistema. Para el fluido portador se propone de forma no limitativa la utilización de sales fundidas, lo que permite su aplicación inmediata en centrales de generación termosolar, para generación en periodos valle. En este caso es recomendable que las armaduras sean a base de aleaciones resistentes a la corrosión al contacto con sales y/o a base de fibra de piedra pultrusionada.

Además las partes externas del sistema pueden incorporar recubrimientos exteriores, no representados, de materiales aislantes térmicos, que por ejemplo pueden realizarse en hormigones aislantes térmicos. En este ejemplo de la invención pueden aplicarse a la cubierta

(10) y/o a la envolvente lateral (2a).

Por último, la invención ha previsto la configuración de una sucesión de depósitos interiores sucesivamente unos respecto de otros, configurando pares sucesivos de primeros depósitos (1) Y segundos depósitos (2) para aprovechar los saltos ténnicos entre dichos pares sucesivos

Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, se indica que la descripción de la misma y de su forma de realización preferente debe interpretarse de modo no limitativo, y que abarca la totalidad de las posibles variantes de realización que se deduzcan del contenido de la presente memoria y de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Sistema de acumulación de energía térmica del tipo que comprenden, al menos, un primer depósito (1) que almacena un fluido portador a mayor temperatura y, al menos, un segundo depósito (2) que almacena el fluido portador a menor temperatura, interconectados a través de elementos susceptibles de aprovechar la energía debida al salto térmico entre ambos; caracterizado porque el primer depósito (1) Y el segundo depósito (2) se encuentran realizados en su totalidad o en parte en material de gran capacidad de acumulación térmica, encontrándose el primer depósito (1) posicionado en el interior del segundo depósito (2) a través de una división (1 a) que se encuentra por el interior en contacto con el fluido a mayor temperatura, y por el exterior con el fluido a menor temperatura.
2.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 1 caracterizado porque ambos depósitos (1 , 2) comparten un mismo fondo (11), mientras que la división (1a) y la envolvente lateral (2a) comprenden tabiques emergentes de dicho fondo (11).
3.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 2 caracterizado porque ambos depósitos (1 , 2) comparten una misma cubierta (10), encontrándose la división (1 a) distanciada de la misma.
4.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque ambos depósitos (1 , 2) se encuentran sobre una losa (3) común de cimentación de un material de gran capacidad de acumulación térmica.
5.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 4 caracterizado porque la losa (3) dispone de un aislante térmico inferior (7).
6.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5 caracterizado porque el primer depósito (1 ) y/o el segundo depósito (2) disponen interiormente de elementos estructurales de sujeción de la cubierta (10).
7.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 6 caracterizado porque los elementos estructurales de sujeción de la cubierta (10) comprenden pilares (6).
8.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque algunas de las partes de los depósitos (1 , 2) en contacto con el fluido portador disponen de relieves (4) destinados a aumentar la superficie de intercambio

térmico con el mismo.
9.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 8 caracterizado porque los relieves (4) se encuentran dispuestos en la cara interior de la división (1a).
10.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la división (1 a) dispone de un canal (5) superior de vertido del fluido portador al primer depósito (1).
11.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el material de gran capacidad de acumulación térmica comprende hormigón acumulador de calor.
12.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el fluido portador comprende sales fundidas.
13.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12 caracterizado porque el hormigón dispone de armaduras a base de aleaciones resistentes a la corrosión al contacto con sales.
14.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13 caracterizado porque el hormigón dispone de armaduras a base de fibra de piedra pultrusionada.
15.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque, las partes externas del sistema incorporan recubrimientos exteriores de materiales aislantes térmicos.
16.-Sistema de acumulación de energía térmica según reivindicación 15 caracterizado porque los recubrimientos exteriores de materiales aislantes térmicos se materializan en hormigones aislantes térmicos.
17.-Sistema de acumulación de energía térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque, se configura en una sucesión de depósitos interiores sucesivamente unos respecto de otros, configurando pares sucesivos de primeros depósitos (1) Y segundos depósitos (2) para aprovechar los saltos térmicos entre dichos pares sucesivos.