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ES2664731T3 - Mejora de la eficiencia en centrales energéticas - Google Patents

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ES2664731T3 ES16703500T ES16703500T ES2664731T3 ES 2664731 T3 ES2664731 T3 ES 2664731T3 ES 16703500 T ES16703500 T ES 16703500T ES 16703500 T ES16703500 T ES 16703500T ES 2664731 T3 ES2664731 T3 ES 2664731T3
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Abstract

Una central energética que comprende un convertidor de energía para convertir energía térmica a otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y un intercambiador (4) de calor para rechazar el calor del fluido de trabajo, en el que la central comprende un circuito (6-9) secundario para proporcionar refrigerante al intercambiador (4) de calor, comprendiendo dicho circuito secundario: un acumulador (7) dispuesto para almacenar refrigerante, un intercambiador (8) de calor secundario para rechazar el calor al aire ambiente, un desviador (6, 9, 12) de refrigerante, un controlador configurado para encaminar el refrigerante desde el intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo a: (a) el acumulador (7) para rechazar el calor en el acumulador, (b) el intercambiador (8) de calor secundario, y para (d) elegir (a) o (b) según lo cual proporciona un rechazo de calor más efectivo desde el refrigerante.

Description

DESCRIPCIÓN
Mejora de la eficiencia en centrales energéticas
Campo de la invención
La invención se refiere a centrales energéticas para las que hay extracción de calor a partir de un fluido de trabajo. Descripción de la técnica anterior
Las leyes fundamentales de la física limitan la eficiencia de cualquier tipo de conversión de energía a la unidad, o 100 %. La eficiencia de la conversión del calor en energía motriz mediante conversión termodinámica está sujeta a una limitación adicional normalmente denominada factor de Carnot. Este factor define un límite de eficiencia último de (1 -T2/T1) en cualquier ciclo de motor de calor de ciclo cerrado que admita calor a una temperatura absoluta T1 y rechace calor a una temperatura absoluta T2.
En la práctica, la eficiencia de las centrales de producción de energía térmica se ve limitada por una combinación de factores técnicos y económicos. El aumento de la temperatura de admisión, T1, es un enfoque. Sin embargo, las temperaturas máximas de admisión están limitadas por indicaciones del combustible utilizado, por las propiedades térmicas y mecánicas de los materiales componentes del motor, y por los costes de material y de fabricación. Temperaturas de admisión tan altas como 1500 °C se consiguen en la generación de energía con turbina de gas, mientras que temperaturas de admisión tan bajas como 100 °C se pueden encontrar en instalaciones geotérmicas o de energía térmica residual. Cada tecnología de generación de energía se enfrenta a una serie de desafíos diferentes en la maximización de la eficiencia a través de la maximización de la temperatura de admisión del motor. El alcance para mejorar el rendimiento de la central por medio de la reducción de la temperatura de escape, T2, es más limitado puesto que el límite inferior para la temperatura de escape para los ciclos de descenso es la temperatura del disipador de calor disponible, normalmente aire, agua o tierra cercana.
El rechazo de calor de la mayoría de las centrales energéticas térmicas se lleva a cabo con equipos y técnicas ampliamente similares. El procedimiento generalmente preferido es el de rechazar el calor a un cuerpo o un flujo de agua, es decir, a un río, lago u océano cercano. Este procedimiento suele ser la opción más económica, siempre que sea posible implementarlo.
Otra opción posible es el rechazo de calor geotérmico poco profundo. Las temperaturas del suelo se estabilizan normalmente en un valor próximo a la temperatura media anual del lugar a profundidades mayores de 10-15 metros por debajo de la superficie. Una serie de pozos de sondeo se puede utilizar para establecer contacto térmico con la capacidad térmica de la estructura geológica debajo del sitio y de ese modo intercambiar calor con la misma. Esta técnica se utiliza rutinariamente para proporcionar almacenamiento de energía estacional para edificios. El calor es rechazado en el suelo de los edificios durante el verano y reclamado de la tierra durante el invierno para estabilizar las temperaturas estacionales del edificio.
A diferencia del almacenamiento de calor estacional geotérmico, el requisito en aplicaciones de generación de energía es la disipación de energía térmica entorno al año. Por lo tanto, a menos que hayan circunstancias geológicas excepcionales, tales como una gran masa de agua subterránea, es poco probable que el rechazo de calor geotérmico proporcione un procedimiento práctico para rechazar calor de una central eléctrica.
El rechazo de calor de la generación de energía térmica solar a conjuntos subterráneos poco profundos y por encima de la tierra se ha considerado en los documentos de patente CN2012279471U y WO2011044358, respectivamente. El documento W02006/100047 describe el almacenamiento de calor latente con un material de cambio de fase. El documento US4249386 describe el rechazo de calor por radiación en el cielo nocturno con paneles de dióxido de titanio. El documento WO 81/00596 describe un sistema de energía solar que concentra los rayos del sol por medio de una superficie cóncava reflectante. El mismo incluye un circuito de rechazo de calor. El documento US2011/277469 desvela una central energética termosolar que incluye un controlador configurado para conectar selectiva y operativamente el sistema de recogida solar y la unidad de recuperación de calor residual a la central energética de vapor-eléctrica para proporcionar calor a la misma. El documento FR2970069 desvela una central energética donde el refrigerante se enfría mecánicamente.
Si no hay una fuente adecuada de agua disponible para la central para los fines de enfriamiento, la opción preferida es por lo general rechazar calor al aire. Numerosas centrales de generación de energía de muchos tipos, y centrales de generación de energía particularmente solares se encuentran en lugares cálidos y secos. Se sabe que las altas temperaturas de aire tienen un impacto negativo mensurable en el rendimiento de las centrales de conversión de energía térmica refrigeradas por aire. Este impacto se ha aliviado tradicionalmente mediante el uso de técnicas de enfriamiento en húmedo, por ejemplo, mediante la inyección de neblina de agua en el aire que está siendo arrastrado a la unidad de enfriamiento. Si bien esta técnica es eficaz para reducir la temperatura de rechazo de calor, el procedimiento consume grandes cantidades de agua, a menudo un recurso escaso en lugares desérticos. Por esta razón el enfriamiento húmedo en centrales energéticas térmicas situadas en el desierto es considerado cada vez más como indeseable desde un punto de vista ambiental. En diversos lugares se restringe su uso o simplemente no se permite.
El enfriamiento por aire seco se utiliza a menudo para el rechazo de calor de las centrales energéticas situadas en regiones calientes y secas. La temperatura de rechazo de calor más baja posible en la práctica con el enfriamiento por aire seco es algunos grados por encima de la temperatura del aire existente en el sitio. Las temperaturas de rechazo de calor pueden variar de procedimiento-253,15 °C (20K) hasta quizás 5K por encima de la temperatura del aire ambiente prevaleciente. El equipo de enfriamiento de aire es generalmente más grande y más costoso tanto para su instalación como para su operación en comparación con los equipos de enfriamiento de agua. Este problema es particularmente agudo en el caso de las centrales energéticas que hacen uso del ciclo de vapor, ya sea por sí solo o como el ciclo de descenso de una disposición de ciclo combinado. La densidad extremadamente baja de condensación de vapor en temperaturas ambiente (1 kg de vapor ocupará unos 12 metros cúbicos a 50 °C y más de 30 metros cúbicos a 30 °C) junto con las presiones de operación muy baja demandan grandes intercambiadores de calor construidos para operar en condiciones casi de vacío, equipos de purga de aire, y tratamiento de agua en curso para mantener el rendimiento adecuado de la central. El resultado es un sistema de rechazo de calor, que es costoso tanto para su construcción como para su operación.
Las altas temperaturas ambiente dan lugar a otro impacto negativo en el rendimiento de las centrales energéticas de combustible fósil enfriadas por aire. Esta es una reducción progresiva de la producción de la central que se vuelve más pronunciada a medida que la temperatura ambiente aumenta. La causa principal de la reducción de la producción es la disminución de la densidad del aire al aumentar la temperatura. Esto a su vez disminuye la salida de la turbina de combustión debido al caudal másico reducido del aire de entrada. En áreas donde la demanda de energía máxima está estrechamente relacionada con la temperatura ambiente máxima, esta reducción puede ser importante como para requerir contramedidas específicas, Las contramedidas directas implican el enfriamiento del aire de entrada de la turbina de combustión, lo que aumenta su densidad. Tanto los procedimientos de enfriamiento por evaporación como los de enfriamiento mecánico han sido diseñados para evitar la reducción de la producción de la central que de otra manera ocurriría durante los momentos de altas temperaturas ambientales.
El pre-enfriamiento evaporativo requiere un suministro sustancial de agua de alta pureza tratada para evitar problemas con sólidos disueltos. El enfriamiento mecánico evita el consumo de agua, pero requiere una entrada considerable de energía mecánica para el enfriamiento. Este consumo de energía parasitaria tiene, inevitablemente, una influencia negativa en el rendimiento global de la central.
La invención se refiere a proporcionar una central energética motriz con eficiencia mejorada.
Sumario de la invención
De acuerdo con la invención, se proporciona una central energética que comprende un convertidor de energía para convertir la energía térmica a otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y un intercambiador de calor para rechazar calor del fluido de trabajo, en la que la central comprende un circuito secundario para proporcionar refrigerante al intercambiador de calor, comprendiendo dicho circuito secundario:
un acumulador dispuesto para almacenar refrigerante,
un intercambiador de calor secundario para rechazar el calor al aire ambiente,
un desviador de refrigerante,
un controlador configurado para encaminar el refrigerante desde el intercambiador de calor de fluido de trabajo a: (a) el acumulador para rechazar el calor al acumulador,
(b) el intercambiador de calor secundario, y para
(c) seleccionar (a) o (b) de acuerdo con lo que proporciona el rechazo de calor más efectivo desde el refrigerante.
Debido a las opciones disponibles para el controlador, puede ser, por ejemplo, efectivo el rechazo de calor de acuerdo con el aire ambiente de la noche, incluso durante el día.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador cuando el intercambiador de calor secundario es incapaz de reducir la temperatura del refrigerante por debajo de un umbral. En una realización, el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador cuando la temperatura de refrigerante que vuelve del intercambiador de calor secundario supera una temperatura a la que puede extraerse refrigerante desde el acumulador.
En una realización, el desviador está configurado para encaminar el refrigerante a una porción superior del acumulador.
En una realización, el circuito secundario está configurado, durante (a), para suministrar refrigerante al intercambiador de calor de fluido de trabajo desde una porción inferior del acumulador.
En una realización, el controlador está configurado para hacer que el circuito secundario rechace el calor al acumulador durante el día y rechace el calor por el intercambiador de calor secundario durante la noche.
En una realización, el controlador está configurado para asegurar que el refrigerante del circuito secundario suministrado desde el acumulador al intercambiador de calor de fluido de trabajo se ha enfriado a una temperatura próxima a una temperatura mínima de la noche anterior.
En una realización, el controlador está configurado para utilizar el acumulador solo hasta el momento en el que el calor añadido puede ser rechazado en un solo periodo de 24 horas.
En una realización, el circuito secundario comprende sensores de temperatura dispuestos para monitorizar la temperatura ambiente, la temperatura del fluido de trabajo en la etapa de rechazo de calor, y un perfil térmico del acumulador.
Preferentemente, dicho umbral es variable.
En una realización, el controlador está configurado para ajustar el valor umbral de acuerdo con datos meteorológicos locales, un perfil de temperatura del acumulador, y la demanda anticipada para el rechazo de calor de la central de generación de energía.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador cuando la temperatura del refrigerante que vuelve del intercambiador de calor secundario supera una temperatura de trabajo del acumulador, y en el que dicha temperatura de trabajo del acumulador es la temperatura en la parte más fría del acumulador después de una regeneración más reciente.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir la regeneración del acumulador por la reducción de temperatura del refrigerante dentro del acumulador.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir el rechazo simultáneo de calor de la producción de energía en el fluido de trabajo y la regeneración del acumulador, de modo que el acumulador pueda volver a un estado de temperatura de trabajo durante la porción más fría del ciclo de temperatura ambiente diario.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir la regeneración para reducir la temperatura del acumulador térmico, en el que empieza el comienzo de la regeneración cuando una capacidad de rechazo de calor calculada del intercambiador de calor del circuito secundario se aproxima a una cantidad de calor que debe descargarse al final de la regeneración para regenerar completamente el acumulador.
En una realización, el controlador está configurado para establecer dinámicamente un perfil de temperatura objetivo para el acumulador después de la regeneración.
En una realización, el controlador está configurado para variar caudal de fluido de trabajo a través del intercambiador de calor de fluido de trabajo cada vez que un valor de salida de energía de la central disminuye por debajo de un valor establecido o para reducir la temperatura del rechazo de calor y causar un aumento en la salida de energía. En una realización, el acumulador térmico incluye tabiques deflectores para reducir el flujo vertical de refrigerante dentro del acumulador. En una realización, hay al menos un tabique deflector cerca de una porción superior del acumulador. En una realización, hay tabiques deflectores, tanto en un extremo superior del acumulador como en un extremo inferior del acumulador.
En una realización, el acumulador comprende un depósito dispuesto para ser montado bajo tierra. En una realización, el acumulador comprende una capa de aislamiento sobre una pared superior del depósito.
En una realización, el controlador está configurado para encaminar simultáneamente el refrigerante tanto al acumulador como al intercambiador de calor secundario.
En una realización, el controlador está configurado para encaminar el refrigerante simultáneamente tanto al acumulador como al intercambiador de calor secundario durante una fase de conmutación de manera gradual de modo que una porción del flujo de refrigerante se dirija al intercambiador de calor secundario y aumente con el tiempo a medida que disminuye la temperatura ambiente.
En una realización, la central energética es una central de combustión de combustibles fósiles. En una realización, el sistema incluye un refrigerador para el enfriamiento de aire de combustión usando refrigerante extraído del acumulador.
En una realización, la central energética comprende células fotovoltaicas para convertir la energía solar en energía eléctrica, y el fluido de trabajo está en un circuito para enfriar dichas células fotovoltaicas.
En una realización, la central energética comprende, además, una central de conversión termodinámica para la conversión de energía de fluido de trabajo calentado a energía eléctrica.
En otro aspecto, la invención proporciona un procedimiento de control de una central energética que comprende: un controlador,
un convertidor de energía para convertir energía térmica a otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y
un intercambiador de calor para rechazar el calor del fluido de trabajo,
un circuito secundario para proporcionar refrigerante al intercambiador de calor, comprendiendo dicho circuito secundario:
un acumulador dispuesto para almacenar refrigerante,
un intercambiador de calor secundario para rechazar el calor al aire ambiente, y un desviador (6, 9, 12), de refrigerante,
en el que el procedimiento comprende etapas del controlador encaminando el refrigerante desde el intercambiador de calor de fluido de trabajo al acumulador para rechazar el calor hacia el acumulador, y/o hacia el intercambiador de calor secundario para un rechazo efectivo del calor del refrigerante.
En una realización, el controlador dirige el refrigerante al acumulador cuando la temperatura de refrigerante que vuelve del intercambiador de calor secundario supera una temperatura a la que puede extraerse refrigerante desde el acumulador.
En una realización, el controlador y el desviador encaminan el refrigerante a una porción superior del acumulador, suministran refrigerante al intercambiador de calor de fluido de trabajo desde una porción inferior del acumulador, y hacen que el circuito secundario rechace el calor en el acumulador durante el día y que rechace el calor mediante el intercambiador de calor secundario durante la noche.
En una realización, el controlador dirige la regeneración del acumulador mediante la reducción de temperatura del refrigerante dentro del acumulador.
En una realización, el controlador dirige el rechazo simultáneo de calor del fluido de trabajo y la regeneración del acumulador, de modo que el acumulador puede volver a un estado de temperatura de trabajo durante la porción más fría del ciclo de temperatura ambiente diario.
En una realización, el refrigerante encamina el refrigerante simultáneamente al acumulador y al intercambiador de calor secundario durante una fase de conmutación de manera gradual, de modo que una porción del flujo de refrigerante se dirija al intercambiador de calor secundario y aumente con el tiempo a medida que disminuye la temperatura ambiente.
Declaraciones adicionales
De acuerdo con la invención, se proporciona una central energética que comprende un convertidor de energía para convertir la energía térmica a otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y un intercambiador de calor para rechazar calor del fluido de trabajo, en el que la central comprende un circuito secundario para proporcionar refrigerante al intercambiador de calor, comprendiendo dicho circuito secundario:
un acumulador de calor dispuesto para almacenar refrigerante,
un intercambiador de calor secundario,
un desviador de refrigerante,
un controlador configurado para encaminar el refrigerante desde el intercambiador de calor de fluido de trabajo a: (a) el acumulador de calor para rechazar el calor al acumulador,
(b) el intercambiador de calor secundario, y para
(c) seleccionar (a) o (b) de acuerdo con lo que proporciona el rechazo de calor más efectivo desde el refrigerante, y posiblemente otros factores.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir refrigerante al acumulador de calor cuando el intercambiador de calor secundario es incapaz de reducir la temperatura del refrigerante por debajo de un umbral. En una realización, el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador de calor cuando la temperatura del refrigerante que vuelve del intercambiador de calor secundario supera una temperatura de trabajo acumulador de calor. Preferentemente, el controlador está configurado para dirigir la regeneración del acumulador de calor. En una realización, dicha temperatura de trabajo del acumulador de calor es la temperatura del acumulador después de la regeneración más reciente.
En una realización, el desviador está configurado para acumular el calor rechazado en una porción superior del acumulador. En una realización, el circuito secundario está configurado, durante (a), para suministrar refrigerante al intercambiador de calor de fluido de trabajo desde la porción inferior del acumulador de calor.
En una realización, el controlador está configurado para dirigir el rechazo simultáneo de calor de un ciclo de producción de energía y para descargar el calor acumulado en el acumulador de modo que el acumulador puede volver al estado de temperatura de trabajo durante la porción más fría del ciclo de temperatura ambiente diario. En una realización, el controlador está configurado para hacer que el circuito secundario rechace el calor al acumulador de calor durante el día y rechace el calor por el intercambiador de calor secundario durante la noche. En una realización, la central comprende un circuito de regeneración para reducir la temperatura del acumulador de calor.
En una realización, el controlador está configurado para hacer que el circuito secundario suministre flujo de refrigerante desde el intercambiador de calor secundario, tanto al intercambiador de calor de fluido de trabajo como al acumulador en momentos en que se requiere la regeneración y la central energética está en operación, teniendo el intercambiador de calor secundario la capacidad para realizar dicho rechazo de calor simultáneo.
En una realización, el controlador está configurado para utilizar el acumulador de calor solo hasta un momento en el que el calor añadido puede rechazarse durante la regeneración. En una realización, el controlador está configurado para estimar de forma dinámica el rechazo de calor adicional requerido y continuar con el almacenamiento calor en el acumulador solo mientras que la capacidad de rechazo de calor de regeneración o una gran proporción del mismo excede el rechazo de calor adicional requerido.
En una realización, el controlador está configurado para activar automáticamente la regeneración del acumulador si la capacidad o la proporción del mismo caen por debajo del rechazo de calor requerido.
En una realización, el modo de operación del acumulador de calor se regula por el controlador usando sensores de temperatura que monitorizan la temperatura ambiente, la temperatura de rechazo de calor del ciclo de energía, y el perfil térmico del acumulador.
En una realización, el controlador está configurado para asegurar que el refrigerante del circuito secundario suministrado al intercambiador de calor de fluido de trabajo se haya enfriado previamente a una temperatura cercana a la temperatura mínima de la noche anterior.
Descripción detallada de la invención
Breve descripción de los dibujos
La invención se entenderá más claramente a partir de la siguiente descripción de algunas realizaciones de la misma, proporcionadas a modo de ejemplo solamente con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 es un diagrama de una central energética motriz de la invención;
la Figura 2 es una vista en sección transversal de un aparato disipador de calor de la central;
la Figura 3 es un diagrama de flujo para la operación de un controlador de la central; y
las Figuras 4 a 6 son diagramas que ilustran las centrales energéticas motrices alternativas de la invención. Descripción de las realizaciones
Haciendo referencia a la Figura 1 una central 1 energética motriz comprende un elemento 2 de admisión de calor en el que se añade calor a un fluido de trabajo. El fluido de trabajo calentado fluye del elemento 2 de admisión a un motor 3 de expansión, y se utiliza por el motor 3 de expansión para proporcionar energía motriz para una aplicación tal como la generación de electricidad. El motor 3 extrae calor del fluido de trabajo lo que reduce su temperatura y presión, y el fluido de trabajo de menor presión y menor temperatura se encamina a un intercambiador 4 de calor que extrae calor el residual del mismo. Un compresor o bomba 5 presuriza, a continuación, el fluido de trabajo y lo encamina de vuelta al elemento 2 de admisión de calor, donde se vuelve a calentar.
El intercambiador 4 de calor se enfría por un circuito secundario que incluye una bomba y un componente 6 de conmutación, que encamina el refrigerante ya sea a:
(a) un intercambiador 8 de calor para el rechazo de calor del refrigerante en el circuito secundario a ambiente, o (b) a un acumulador 7 térmico, o
(c) parcialmente al acumulador 7 térmico y parcialmente al intercambiador 8 de calor cuando es posible rechazar solo una parte de la salida de calor de la central directo al intercambiador 8 de calor, sin pérdida de eficiencia. El circuito secundario puede usar, por tanto, el intercambiador 8 de calor durante la noche, cuando el ambiente es más fresco, y durante el día la retroalimentación el refrigerante se retroalimenta al intercambiador 4 de calor de fluido de trabajo desde el acumulador 7 a través de la válvula 9. Esto proporciona un rechazo de calor a baja temperatura durante 24 horas. El acumulador 7 térmico se vuelve a generar por la noche. Esta regeneración utiliza de nuevo el intercambiador de calor al mismo tiempo que está siendo utilizado para el refrigerante procedente directamente del intercambiador 4 de calor de fluido de trabajo. El intercambiador 8 de calor debe tener, para ello, una alta capacidad, y de hecho en algunas realizaciones puede dividirse en un número de unidades. Y dichas unidades se pueden dedicar a uno u otro uso.
En una realización preferida, el refrigerante es agua.
Haciendo referencia a la Figura 2, el acumulador 7 térmico es un gran depósito situado bajo tierra, teniendo en esta realización una capacidad de más de 100.000 m3 El refrigerante del circuito secundario entra en la parte superior del depósito 22 en una entrada 21 y sale en la parte inferior en una salida 22 durante el período de carga térmica. La decisión de desviarse en el acumulador 7 se toma de acuerdo con la temperatura ambiente a la que el intercambiador 8 de calor del circuito secundario rechaza calor.
Un controlador programado dirige el refrigerante al acumulador 7 a través de la válvula 12 y extrae el refrigerante del acumulador a través de la válvula 9 cuando es más eficiente hacerlo que encaminarlo a través del intercambiador 8 de calor. Esto es normalmente durante el día. Durante este tiempo el acumulador 7 completa una trayectoria desde la válvula 12 a través de la válvula 9 y de nuevo al intercambiador 4 de calor de fluido de trabajo.
Si el acumulador se sitúa bajo tierra el terreno circundante se convierte efectivamente en una extensión del acumulador, con su temperatura igualándose con la de la parte inferior del acumulador.
Normalmente habrá un tiempo intermedio marginal cuando el controlador debería conmutar de encaminar el refrigerante a través del acumulador 7 a hacerlo a través del intercambiador 8 de calor. En una realización preferida, el controlador está configurado para conmutar al intercambiador 8 de calor en un momento temprano en esta etapa intermedia, puesto que esto evita la necesidad de un acumulador de calor excesivamente grande y optimiza también la oportunidad para regenerar el acumulador. Esta conmutación se puede hacer también de manera gradual de modo que la porción del flujo enviada al intercambiador 8 de calor se incrementa con el tiempo a medida que disminuye la temperatura ambiente. Este procedimiento permite mantener un perfil de temperatura uniforme en el flujo del fluido refrigerante que entra en el intercambiador 4 de calor.
En más detalle, los componentes 6 incluyen una bomba 11 y una válvula 12 del desviador conectada a un controlador electrónico, no mostrado. El fluido refrigerante en el circuito secundario se hace circular por la bomba 11 de circulación. Cuando la temperatura del refrigerante que vuelve del intercambiador 8 de calor ambiente supera la temperatura de trabajo del acumulador 7 térmico, es decir, la temperatura del acumulador térmico después de su más reciente regeneración, el calor rechazado se acumula en la porción (más caliente) superior del acumulador. El refrigerante se suministra al intercambiador 4 desde calor de la porción inferior del acumulador 7 (a través de la salida 22), cuya temperatura se mantiene próxima a la de la temperatura mínima durante la noche. El circuito secundario permite también el rechazo simultáneo del calor del ciclo de producción de energía y la descarga del calor acumulado en el acumulador 7 de modo que el acumulador puede volver a su estado de temperatura (de trabajo) mínima durante la porción más fría del ciclo de temperatura ambiente diario.
El modo de operación del acumulador 7 térmico se regula por un controlador utilizando sensores de temperatura que monitorizan la temperatura ambiente, la temperatura de rechazo de calor del ciclo de energía y el perfil térmico del acumulador 7. Esta información se utiliza para controlar la operación de la bomba 11 de circulación y de las válvulas 9 y 12 de tres puertos para maximizar la eficiencia del procedimiento de generación de energía. La eficiencia del procedimiento de generación de energía se maximiza asegurando que el refrigerante suministrado al intercambiador 4 de calor se haya enfriado previamente a una temperatura cercana a la temperatura mínima de la noche anterior. El acumulador térmico mantiene la estratificación térmica para asegurar que el refrigerante del circuito secundario se retira de la parte más fría del acumulador 7, el extremo inferior.
Se apreciará que el calor rechazado del ciclo de energía a lo largo del día es rechazado a una temperatura próxima a la aquella cercana a la parte más fría de la noche. Satisfacer este requisito determinará la capacidad de almacenamiento de calor del acumulador 7 de calor de baja temperatura y la capacidad de manejo de energía del intercambiador 8 de calor ambiente. El resultado será una operación más estable de la central 3 energética térmica y la mejora de su producción y eficiencia durante la parte más caliente del ciclo de temperatura diario.
La invención es aplicable a las centrales 3 de generación de energía térmicas que se basan en el enfriamiento del aire ambiente y están por tanto expuestas a todo el intervalo de oscilación de temperatura diurna. Es más efectiva para centrales energéticas situadas en lugares con altas variaciones de temperatura diurnas, especialmente por encima de procedimiento-253,15 °C (20K). Otro factor que influye en la eficacia de la invención es la temperatura de admisión de calor del ciclo térmico de descenso, es decir, el ciclo de cuyo calor es rechazado al ambiente. Esto es evidente a partir de la forma matemática del factor de Carnot. Una disminución de procedimiento-253,15 °C (20K) en la temperatura de rechazo de calor tendrá un mayor efecto sobre la eficiencia de un ciclo con una temperatura de admisión de 130 °C que uno con una temperatura de entrada de 600 °C. El tamaño exacto de este beneficio dependerá de los detalles del ciclo de energía particular que se utilice, pero las indicaciones de la tendencia del factor Carnot muestran aumentos potenciales de eficiencia para las centrales en lugares secos y cálidos de aproximadamente 2,0 % al 5,0 % con respecto al intervalo anterior de temperaturas de admisión cuando la temperatura de rechazo de calor se reduce en procedimiento-253,15 °C (20K).
Los mayores beneficios de la aplicación del sistema de la invención se encuentran en las centrales energéticas que funcionan con las temperaturas más bajas de admisión de calor. Las bajas temperaturas de admisión son más probable que se encuentren en instalaciones termosolares, geotérmicas y de generación de energía por conversión de residuos en energía. Otra aplicación de la invención es en la producción de energía de las centrales energéticas en las que el "fluido de trabajo" no está haciendo el trabajo directamente, sino que más bien está contribuyendo a los componentes que aportan energía. Un ejemplo es un sistema foto-voltaico en el que el "fluido de trabajo" enfría activamente las células solares, lo que permite que funcionen.
Un ejemplo es una central energética de flujo solar concentrado que usa conversión de energía fotovoltaica (CPV, PV solar concentrada en espejos). La generación de energía a partir de CPV solar requiere la disipación eficiente de la parte no convertida del flujo solar entrante. Más de la mitad de la energía solar incidente se convierte en calor, incluso en instalaciones CPV solares de alta eficiencia. Se sabe que la eficiencia del procedimiento de conversión de energía fotovoltaica se reduce por cualquier aumento en la temperatura del absorbedor de energía solar. Las mediciones han mostrado reducciones de más del 20 % en la eficiencia de conversión fotovoltaica de receptores CPV de material compuesto en un intervalo de temperatura de operación de 30 °C a 130 °C. Por lo tanto, el sistema de la invención podría usarse para mejorar la eficiencia de conversión fotovoltaica reduciendo la temperatura de trabajo del receptor en la medida de lo posible o haciendo práctico interponer un ciclo de energía térmica secundario entre el disipador de calor del receptor fotovoltaico y el acumulador térmico de baja temperatura del sistema de la invención.
La invención es también capaz de ofrecer importantes beneficios de rendimiento cuando se aplica en centrales energéticas de combustión de combustible fósil enfriadas por aire, normalmente usando ciclos de vapor con temperaturas de entrada próximas a 600 °C. Estos beneficios se aplicarían únicamente a los ciclos de descenso cuando el sistema se aplica a las centrales de ciclo combinado.
El intercambiador 8 de calor enfriado por aire del circuito secundario es un montaje considerablemente más compacto y menos costoso que un condensador enfriado por aire, en particular cuando se compara con un condensador de vapor enfriado por aire que opera sustancialmente por debajo de la presión atmosférica. Además, el intercambiador 8 de calor enfriado por aire operará en las condiciones térmicas más favorables del ambiente durante la noche, aprovechando al máximo el aire a mayor densidad y a menor temperatura durante la noche.
Acumulador térmico
El acumulador 7 térmico comprende preferentemente un volumen de agua contenido en un recipiente, un depósito o una parte que forma caverna de almacenamiento de un circuito de fluido cerrado. El recipiente está provisto de conexiones para permitir añadir o eliminar calor por la circulación del volumen de agua según se requiera. El hecho de que este acumulador operará a temperaturas cercanas a las temperaturas nocturnas ambiente significa que solo se requiere un aislamiento térmico mínimo. El hecho de que este acumulador se puede ubicar parcial o totalmente bajo tierra significa que puede estar diseñado para tener una huella física insignificante en el sitio. La simplicidad inherente y flexibilidad del sistema de la invención presenta una oportunidad para mejorar tanto la producción como la rentabilidad de muchos tipos de centrales de generación de energía situadas en lugares con intervalos adecuados de temperaturas diurnas.
El acumulador térmico tiene un intervalo de temperaturas de trabajo determinado principalmente por el límite inferior de la oscilación de temperaturas diurnas. Las temperaturas de trabajo más bajas normales para el acumulador se encuentran en el intervalo entre 5 °C y tal vez 15 °C. La capacidad de almacenamiento se determina por la potencia nominal de la central a la que sirve, la temperatura de trabajo superior del acumulador, el patrón de operación diario de la central y la porción del rechazo de calor diario total que se va a retener en el almacenamiento. La temperatura de trabajo superior del acumulador se selecciona para permitir un almacenamiento térmico más eficiente, manteniendo la temperatura de rechazo de calor durante el día lo más baja posible. Un valor normal de la temperatura de trabajo superior estaría en el intervalo de -263,15 °C (10 K) por encima de la temperatura de trabajo inferior. El aumento de la capacidad de almacenamiento permitirá hacer un uso más completo de la oscilación térmica diaria disponible al permitir el uso de la reducción de las temperaturas de trabajo más bajas del acumulador. También se requiere una mayor capacidad de manejo de energía del intercambiador 8 de calor ambiente, para permitir completar toda la descarga térmica durante el período de tiempo disponible para el rechazo de calor. Esta capacidad requerirá también descargar el acumulador de calor a una velocidad sustancialmente mayor que cuando se está cargando.
El acumulador térmico descrito en estas realizaciones se basa en lo que se conoce como almacenamiento de calor "sensible", es decir, el refrigerante no cambia de fase, sino que cambia de temperatura. En un ejemplo el mismo es agua, cuya temperatura cambia. Por otro lado, el almacenamiento de calor latente es una posibilidad, pero no se prefiere. El almacenamiento de calor latente puede por ejemplo utilizar una sustancia similar a la cera que se congela y se funde a una temperatura conveniente, absorbiendo o liberando el calor latente en el procedimiento. El acumulador térmico se puede basar en cualquiera del almacenamiento de calor sensible o latente. La alta probabilidad de intervalos de tiempo de carga y descarga desiguales tiende a favorecer un acumulador de calor sensible. Las tasas de carga o descarga de un acumulador de calor sensible se pueden ajustar fácilmente mediante el uso de bombas de velocidad variable y ventiladores. El elemento de almacenamiento puede basarse ya sea en un solo depósito de temperatura-estratificado o en una configuración de depósito doble. La configuración de depósito único tiene generalmente ventajas de tamaño y coste, siempre que una adecuada estratificación de temperatura se pueda mantener dentro del volumen de almacenamiento. Esto es particularmente importante cuando es probable que las diferencias entre las temperaturas de trabajo superior e inferior del acumulador estén probablemente en el orden de las decenas en lugar de cientos de grados y cuando se espera que la necesidad de aislamiento térmico del acumulador sea mínima.
El acumulador térmico se sitúa preferentemente cerca de los equipos de producción de energía. Una colocación preferida para el acumulador sería al menos parcialmente bajo tierra. Esta opción permitirá que las dimensiones de los acumuladores se seleccionasen para proporcionar una buena estratificación térmica. Esta ubicación también permite al acumulador funcionar bajo presión positiva y sin incurrir en el gasto de recipientes de grandes presiones nominales que de otro modo se requerirían. También se minimizaría la necesidad de aislamiento térmico.
La invención incluye en algunas realizaciones características para mejorar la eficacia del acumulador. La parte más alta del acumulador térmico puede en algunas circunstancias exponerse a variaciones de temperatura diurnas que pueden dar lugar a flujos de calor indeseables en el acumulador, particularmente durante los meses de verano. Esta exposición puede verse contrarrestada por la adición de un nivel adecuado de aislamiento térmico sobre la parte superior y las partes laterales más superiores del acumulador. Por otro lado, es probable que las porciones inferiores del acumulador se extiendan a profundidades de decenas de metros por debajo del nivel del suelo, dependiendo de los detalles del sitio. Estas superficies inferiores estarán en contacto con un entorno cuya temperatura se mantiene prácticamente sin cambios durante el ciclo anual en un valor cercano a la temperatura anual media del sitio. Sería de esperar que los sitios con latitudes bajas tengan temperaturas anuales medias en el entorno de 20 °C. Por lo tanto, puede ser posible aumentar la capacidad de almacenamiento de calor útil del sistema mediante el diseño específico de la porción inferior del acumulador térmico. La invención proporciona el uso de materiales y técnicas de construcción para proporcionar un mayor contacto térmico entre el acumulador y su entorno en las regiones inferiores del acumulador para aumentar su capacidad de almacenamiento térmico efectivo sobre el disponible de líquido almacenado solo. Esta capacidad de almacenamiento adicional proporcionará una cierta cantidad de almacenamiento de calor estacional, lo que permite un poco de arrastre de las bajas temperaturas de la temporada de invierno al período de verano, cuando la demanda de bajas temperaturas de rechazo de calor está en su máximo. La efectividad de las medidas para aumentar la capacidad del acumulador de baja temperatura variará con las indicaciones del sitio y de la aplicación. La conveniencia de cualquiera de estas medidas es que se determina a partir de investigaciones de viabilidad específicas, incluyendo cálculos de flujo de calor geotérmico realizados cada sitio contemplado.
El medio de almacenamiento preferente para el acumulador térmico de baja temperatura es agua o una mezcla a base de agua, una elección basada en una serie de criterios. El agua permanece en estado líquido sobre toda la gama de temperaturas de utilización previstas. Tiene un coeficiente de dilatación térmica positivo hasta aproximadamente 4 °C, lo que permite la estratificación térmica a esta temperatura. Es estable, no tóxico, barato y es fácilmente tratable para no ser agresivo con los materiales con los que pueda entrar en contacto.
Como se ha señalado anteriormente, la Figura 2 ilustra una disposición preferida para el almacenamiento a baja temperatura. El recipiente de líquido se muestra como un único recipiente, 20, que se encuentra bajo tierra. Las mediciones verticales y horizontales del volumen de almacenamiento se muestran como comparables para fines de ilustración. Los tabiques 23 deflectores en los extremos superior e inferior se proporcionan para disipar cualquier movimiento de fluido vertical significativo dentro del volumen de almacenamiento, independientemente de la rapidez con que el líquido es bombeado a través del recipiente. El aislamiento 22 se muestra en una capa que cubre la porción más superior del volumen de almacenamiento solamente. La cobertura de aislamiento pretende proporcionar aislamiento térmico del recipiente de almacenamiento solamente hasta una profundidad que pueda afectarse materialmente por los cambios de temperaturas diurnas. A profundidades más allá del límite de las fluctuaciones de temperatura del suelo día a día importantes, el contacto térmico entre el acumulador térmico líquido y su entorno puede proporcionar un valioso incremento de la capacidad de almacenamiento térmico. El diseño del acumulador térmico proporciona un medio para hacer uso de este efecto siempre que pueda establecerse que esta característica puede hacer una contribución positiva práctica al operación del sistema.
Un número de técnicas de construcción se puede utilizar para el contenedor o contenedores de almacenamiento. Estas incluyen la prefabricación en metal, hormigón o plástico; fabricación de recipientes en el lugar o construcción de caverna forrada. Múltiples recipientes de almacenamiento situados en la misma profundidad discurrirán preferentemente en disposición paralela para minimizar la resistencia al flujo y para hacer uso de cualquier posible mejora de almacenamiento por acoplamiento térmico al entorno geológico. La solución particular mejor adaptada a un sitio particular vendrá determinada por un estudio de diseño de la central. El alcance de la invención se extiende al uso de todas las técnicas en uso regular de almacenar y producir la estratificación térmica de los volúmenes de líquidos contenidos.
La magnitud general del acumulador de baja temperatura se ilustra mediante un ejemplo específico. El ejemplo se basa en una estación de energía termosolar de canal parabólico enfriada por aire de ciclo Rankine de corriente individual con una salida de energía eléctrica de 100 MW. Este tipo de estación de energía tendrá un rechazo de calor convencional del condensador de aproximadamente 1,4 kWh térmico por kWh de energía eléctrica producida cuando se rechaza calor a temperaturas próximas a 30 °C. La estación se supone que tiene suficiente almacenamiento a alta temperatura para que pueda producir energía durante al menos la duración completa de la luz del día. El acumulador 7 térmico debe tener la capacidad suficiente de absorber la carga de rechazo de calor completa durante las 8 horas más calientes del día con un aumento máximo de temperatura de -263,15 °C (10 K) entre sus estados completamente cargados y completamente descargadas. La salida total de la central se supone que es del 80 % de la potencia nominal durante el período de 8 horas. No se tiene en cuenta cualquier aumento útil de la capacidad de almacenamiento térmico por los materiales de cambio de fase o geotérmica u otras técnicas. El volumen de agua de un acumulador térmico para cumplir este requisito es de aproximadamente 100.000 m3. Es evidente a partir de los detalles del ejemplo que este requisito de almacenamiento podría reducirse sustancialmente por los cambios realistas en la mayoría de los valores numéricos asumidos. Incluso en esta solicitud exigente, los parámetros físicos del acumulador térmico son ampliamente correspondientes con la escala esperada de la central de generación asumida. Además las dimensiones del acumulador térmico son muy similares a las de los acumuladores térmicos de alta temperatura utilizados para extender las horas de operación de las estaciones de generación de energía termosolar más allá de las horas adecuadas de admisión de energía solar.
Intercambiador de calor de circuito secundario y regeneración del acumulador térmico
El intercambiador de calor del circuito secundario (8 en la realización de la Figura 1), tendrá que funcionar a una alta eficiencia en una amplia gama de cargas de intercambio de calor para hacer el mejor uso del intervalo de temperaturas diurnas disponible. La temperatura mínima diaria en las regiones secas calientes tiende a ocurrir cerca del amanecer. El perfil de tiempo de la temperatura ambiente durante las horas más frías es normalmente asimétrica puesto que la disminución gradual de la temperatura debido al largo enfriamiento de radiación de longitudes de onda durante la noche se invierte por la influencia considerablemente más fuerte de la radiación solar directa que produce una tasa de aumento de temperatura considerablemente más rápida. El enfriamiento por radiación durante la noche en climas desérticos está normalmente en el intervalo de 100-150 W/m2 mientras que la radiación solar se eleva rápidamente después del amanecer a niveles en el intervalo de 700-900 W/m2. Un resultado de esta característica es que el tiempo para terminar la descarga del calor almacenado (regeneración) está relativamente bien definido (muy poco después del amanecer), mientras que el momento óptimo para iniciar el procedimiento de descarga de calor es considerablemente más difícil de identificar.
Se prefiere un sistema de control del procedimiento con capacidades de adaptación para seleccionar el tiempo de inicio del ciclo de regeneración óptimo. Esta decisión puede ser tomada por la lógica del programa que utiliza como entradas la información del tiempo, el perfil de temperatura del acumulador térmico y la producción de energía actual y prevista hasta el final del tiempo de regeneración. Una capacidad ventajosa para la operación efectiva del procedimiento del acumulador de regeneración térmica es el rechazo de calor efectivo a través de un amplio espectro de energía por el intercambiador de calor de circuito secundario (refrigerante). Este objetivo, en algunas realizaciones, se logra mejor utilizando un intercambiador de calor con control de velocidad del ventilador completamente modulable y un bloque de intercambio de calor configurado para reducir al mínimo el consumo de energía parasitaria sobre todo el intervalo de tareas de rechazo de calor requeridas. Una disposición preferida para un intercambiador de calor para llevar a cabo esta tarea es una matriz de tubo horizontal con superficies extendidas apropiadas y un sistema de ventilador de tiro vertical. Los intercambiadores de calor de esta disposición general son ampliamente utilizados en aplicaciones de energía térmica, donde grandes cantidades de calor son rechazadas al ambiente.
Operación, Más Detalle
La operación del sistema de la invención se describe a continuación con más detalle, en el curso de un solo día de operación.
La primera parte del ciclo de operación se inicia cuando la temperatura ambiente se eleva por encima del nivel establecido como el límite superior para el rechazo directo del calor del ciclo al ambiente. Normalmente esto ocurriría poco después del amanecer. El tiempo exacto dependerá de los datos climáticos para cada sitio particular. En este momento, el circuito secundario interrumpe el flujo al intercambiador (8) de calor y apaga sus ventiladores. Si la generación de energía no está teniendo lugar en este momento la bomba 11 de circulación se apaga también para evitar el consumo innecesario de energía. Si se está generando potencia, el refrigerante en el condensador 4 entra en la parte superior del acumulador 7 térmico depositando de esta forma calor en el acumulador térmico. El fluido previamente enfriado se retira de la parte inferior del acumulador y se bombea a través del condensador 4 para absorber calor del ciclo de energía. La estratificación del acumulador 7 térmico asegura que el fluido calentado que entra en la parte superior no se mezcle con el fluido enfriado por debajo. Por tanto, la parte más superior del acumulador de calor de baja temperatura comienza a acumular el calor rechazado desde el ciclo de generación de energía. Este modo de operación continúa hasta que o bien la producción de energía cesa o hasta que la temperatura ambiente cae al nivel establecido para permitir el rechazo directo de calor a la atmósfera. Si la producción de energía cesa, el flujo del circuito secundario se detiene y los ventiladores en el intercambiador 8 de calor ambiente se desconectan después de un intervalo adecuado para evitar el consumo de energía parásita innecesaria y la disipación del almacenamiento de calor de baja temperatura.
La segunda parte del ciclo de operación empieza cuando la temperatura ambiente cae por debajo del nivel establecido para permitir el rechazo directo de calor al ambiente. Si la producción de energía continúa después de este tiempo, los ajustes de las válvulas se cambian para dirigir el flujo del condensador 4 al intercambiador 8 de calor ambiente permitiendo que el calor del ciclo rechazado se transmita directamente al aire ambiente. Este cambio activaría también los ventiladores en el intercambiador 8 de calor según sea necesario para la rechazo de calor eficiente. Ninguna parte del flujo del circuito secundario pasaría a través del acumulador 7 térmico durante esta parte de la operación.
Esta parte del ciclo de operación empezaría normalmente en un tiempo después de la puesta de sol cuando la temperatura ambiente ha disminuido sustancialmente por debajo de su máximo durante el día y la velocidad de enfriamiento del aire ambiente ha caído a un nivel cerca del que prevalece durante la noche. En este momento, el beneficio de la generación de energía procedente del uso continuo del acumulador de baja temperatura se habrá vuelto marginal puesto que la ventaja de temperatura de usar el acumulador de baja temperatura habrá descendido a una pequeña fracción del intervalo de temperaturas diurnas. Además, la continua acumulación de calor en el acumulador 7 térmico se sumará a la cantidad total de calor que va a rechazar en el acumulador, lo que exige un inicio más temprano de la fase de regeneración y elevando así la temperatura regenerada alcanzable del acumulador por encima de un nivel que de otro modo será posible alcanzar.
El momento de empezar la fase de rechazo de calor directo se puede determinar por una variedad de técnicas. Un procedimiento simple y directo se basa en la temperatura de rechazo de calor alcanzada por el rechazo directo hasta la temperatura ambiente en comparación con la que se consigue por el rechazo de calor al acumulador térmico. Como un ejemplo, el rechazo de calor directo al ambiente podría comenzar cuando la ventaja de temperatura de rechazo de calor de usar el acumulador 7 térmico en lugar del rechazo de calor directo disminuiría por debajo de un valor especificado, por ejemplo, -272,15 °C (1,0 K). Otro procedimiento para iniciar la segunda parte del ciclo de operación es hacer un cambio gradual del flujo desde una trayectoria a través del acumulador 7 a un canal del intercambiador 8 de calor. En este procedimiento, la redistribución de flujo puede comenzar preferentemente tan pronto como la temperatura ambiente cae marginalmente por debajo de la temperatura de la parte regenerada (es decir, la más baja) del acumulador térmico. En este momento es posible rechazar solo una pequeña porción de la salida de calor de la central energética a través del intercambiador 8 de calor sin causar un aumento en la temperatura del refrigerante que vuelve del intercambiador 8 de calor por encima de la temperatura en la parte regenerada del acumulador térmico. A medida que la temperatura ambiente disminuye, la porción del refrigerante encaminado a través de intercambiador 8 de calor se puede aumentar sin un aumento de temperatura. Este procedimiento continúa hasta que todo el flujo completo procedente del intercambiador 4 de calor se encamina a través del intercambiador 8 de calor y el flujo a través del acumulador 7 cesa. Procedimientos más complejos para determinar el inicio del rechazo de calor directo basándose en la maximización de la generación de potencia total, o la salida de energía máxima o la eficiencia de generación de energía general durante todo el ciclo de operación diario son claramente posibles de implementar.
La inclusión de la fase de rechazo directo como parte del ciclo de operación diario es esencial para proporcionar la flexibilidad necesaria para hacer frente a las variaciones meteorológicas del día a día y las diferentes condiciones de operaciones climáticas y de la naturaleza encontradas en el transcurso de la operación anual. La inclusión de la fase de rechazo directo es también esencial para evitar el sobredimensionamiento del acumulador de calor y para lograr un diseño rentable del sistema.
La tercera parte del ciclo de operación consiste en la regeneración del acumulador térmico mediante la descarga de todo el calor acumulado en el acumulador térmico durante las partes anteriores de la operación. El momento en el que esta parte del ciclo de operación del sistema de la invención se inicia dependerá de 1) la producción de energía prevista o anticipada de la central para la parte restante del ciclo de operación diario del sistema de la invención; 2) la cantidad de calor acumulado en el acumulador térmico, y 3) el tiempo restante y el perfil de temperatura ambiente esperado hasta que la temperatura ambiente se eleve por encima del nivel máximo permitido para la regeneración térmica del acumulador. El controlador se programa para usar la información anterior además de las capacidades de rendimiento de los componentes y los datos meteorológicos actuales para determinar el momento óptimo para iniciar la parte de regeneración térmica del ciclo de operación.
Son posibles dos modos de operación durante la parte de regeneración térmica del ciclo de operación. El primer modo se aplica si no se está produciendo energía por el circuito de generación de energía. En este caso, el circuito secundario se dispone para eliminar el calor únicamente desde el acumulador 7 térmico, y entregarlo al intercambiador 8 de calor ambiente, para su disipación en el aire ambiente. Esto se consigue fácilmente mediante el cierre del puerto orientado hacia el condensador 4 en la válvula 9 de tres puertos inferior y del puerto orientado hacia el intercambiador 8 de calor en la válvula 9 de tres puertos superior. Los ajustes de velocidad en la bomba 11 de circulación y en el los ventiladores que sirven al intercambiador 8 de calor se determinan para conseguir la rechazo de calor necesaria con el mínimo consumo de energía durante el tiempo disponible para la regeneración térmica.
El otro modo de operación posible durante esta parte del ciclo de operación es uno en el que la energía continúa siendo producida durante el ciclo de regeneración del acumulador de calor. Este modo requiere que el calor tomado tanto del ciclo de energía a través del condensador 4 como del acumulador 7 térmico se disipe de forma simultánea por el intercambiador 8 de calor ambiente en el aire ambiente. En esta situación, la válvula 9 de tres puertos inferior se ajustará para repartir el flujo de recogida térmica entre el condensador 4 y el acumulador 7 térmico de manera que la temperatura de rechazo de calor del ciclo de energía se mantiene en el valor deseado. Al igual que en la situación descrita inmediatamente antes, la válvula de tres vías superior permanece situada para dirigir el flujo desde el acumulador 7 térmico al lado de entrada de la bomba 11 de circulación. El controlador del sistema debe determinar el momento óptimo para iniciar la operación de regeneración del acumulador de calor teniendo en cuenta no solo el calor acumulado en el acumulador de calor a baja temperatura sino también el calor que está siendo rechazado durante la producción de energía en curso. El diseño del acumulador 7 de calor de baja temperatura y, especialmente, de la bomba 11 de circulación y el intercambiador 8 de calor de aire ambiente deben proporcionar una capacidad adecuada para llevar a cabo esta operación en todas las aplicaciones en las que existe la posibilidad de producción de energía continua.
Está claro que no se puede permitir que el procedimiento de regeneración térmica para el acumulador 7 continúe más allá del momento previsto en que la temperatura ambiente se eleva por encima del nivel establecido de rechazo de calor al ambiente. Esto es porque la tasa de aumento de la temperatura ambiente poco después del amanecer es normalmente mucho mayor que la tasa de disminución de la temperatura ambiente en las horas previas a la salida del sol. Empezar el ciclo de regeneración demasiado pronto dará lugar a un perfil de regeneración menos eficaz en el acumulador de baja temperatura, lo que da como resultado temperaturas del acumulador más altas generadas en la primera parte del ciclo de regeneración. Empezar el ciclo demasiado tarde dará lugar a la regeneración incompleta del acumulador, con una parte del calor acumulado aún en su lugar en el acumulador térmico al comienzo de ciclo del día siguiente. Por lo tanto, un procedimiento preciso para determinar el momento óptimo para empezar el ciclo de regeneración térmica es ventajoso para la operación eficiente del sistema de la invención. La hora de inicio óptima para la regeneración se produce cuando la cantidad de calor que debe rechazarse por el final del ciclo de regeneración se hace igual a la capacidad de rechazo de calor potencial del sistema hasta el mismo momento de terminación.
La determinación precisa del comienzo del ciclo de regeneración requerirá nuevos cálculos continuos de las cantidades térmicas involucradas mientras la temperatura ambiente disminuye y el tiempo disponible para la finalización del ciclo disminuye.
Lógica de control
La Figura 3 ilustra un procedimiento de control en el que el procedimiento de regeneración térmica se inicia cuando la cantidad de calor que se disipa al ambiente excede el 98 % de la capacidad de rechazo calculada en el tiempo restante para la regeneración del acumulador. Este es un ejemplo de una serie de criterios que podrían adoptarse para asegurar que los beneficios del sistema de la invención se realizan plenamente.
Las etapas del procedimiento 50 de la Figura 3 son, en detalle:
51, El bucle comienza con una lectura de la hora actual.
52, Determinar la hora de finalización estimada para el ciclo de regeneración térmica, a partir de un perfil de tiempo que incluye datos climáticos del sitio archivados, hora del amanecer y el pronóstico del tiempo local a corto plazo
53, Leer un perfil de temperatura para el acumulador (LTS) de baja temperatura.
54, Determinar a partir de la información de demanda de energía proyectada el calor adicional estimado a ser rechazado al ambiente hasta el final del ciclo de regeneración.
55, Calcular mediante la adición del calor almacenado en el acumulador y el calor adicional estimado a ser rechazado de la generación de energía la cantidad de rechazo de calor requerida al final del ciclo de regeneración.
56, Leer la temperatura ambiente actual.
57, Determinar a partir de registros de datos climáticos del sitio archivados, hora del amanecer y el pronóstico del tiempo local a corto plazo un perfil de temperatura ambiente hasta el final del ciclo de regeneración del acumulador.
58, Calcular combinando el perfil de temperatura ambiente con las características del intercambiador de calor ambiental y el circuito de líquido bombeado secundario la capacidad total de rechazo de calor disponible hasta el final del ciclo de regeneración del acumulador.
59, Determinar si el 98 % de la capacidad de rechazo de calor es mayor que el rechazo de calor requerido. Si es así continuar, 62, almacenando el calor en el acumulador térmico o rechazando el calor del ciclo de energía directo al ambiente, seguido de un retraso 63 configurado prestablecido hasta el siguiente inicio del bucle. Si no, iniciar, 60, la regeneración del acumulador térmico y terminar en 61.
Después de completar el ciclo de regeneración puede haber un intervalo de tiempo cuando el calor podría rechazarse directamente al ambiente a partir de la energía que es generada en el momento. Esto podría ocurrir, por ejemplo, si la cobertura de nubes o el viento u otra característica climática interviniera para reducir la tasa de aumento de la temperatura ambiente temprano por la mañana. En sitios particulares en los que este tipo de comportamiento se podría encontrar en una base regular, una fase de rechazo directo podría incorporarse en el sistema después de la finalización de la fase de regeneración térmica usando las características de diseño descritas en relación con la segunda parte del ciclo de operación diario.
Una central energética motriz situada en un lugar caliente y seco con una variación adecuada de la temperatura diurna será capaz de hacer uso de los aumentos de rendimiento mediante la incorporación del sistema de la invención. Los mayores aumentos de rendimiento se encuentran en las centrales que utilizan las más bajas temperaturas de admisión de calor. Los aumentos en el intervalo de factor de Carnot varían de aproximadamente el 5 % para los ciclos de baja temperatura, admitiendo calor a 130 °C al 2,0 % para los ciclos que admiten calor a 600 °C. Las mejoras en el rendimiento de las centrales reales mediante la incorporación del sistema de la invención pueden ser significativas puesto que las centrales reales operan a niveles muy por debajo del límite de factor de Carnot y generalmente rechazan menos calor del condensador que sus contrapartes ideales.
Los beneficios del sistema de la invención no se limitan a los incrementos de rendimiento mencionados anteriormente. Ventajas adicionales se obtienen de la operación estabilizada de la central las 24 horas del día y la reducción o eliminación del consumo de agua en curso por la central.
Lógica de control: temperatura del fluido regenerado variable en el acumulador térmico de baja temperatura La operación del acumulador térmico para la generación de energía térmica se ha basado en el supuesto de que el acumulador consiga una temperatura mínima determinada durante la fase de regeneración y una segunda temperatura más alta después de absorber el calor de la producción de energía por la central. La diferencia entre estas dos temperaturas está relacionada con el intervalo (DTR) de temperatura diurna en el sitio bajo consideración, así como un número de otros factores. Un valor de -263,15 °C (10 K) se ha utilizado, para fines de ilustración.
Hay otras opciones disponibles que pueden ser ventajosos en ciertas situaciones. Una de ellas es la posibilidad de utilizar una temperatura variable para el líquido almacenado que está siendo regenerado. El perfil de temperatura de los contenidos del acumulador regenerados comenzaría en un valor ligeramente más alto y caería durante un par de horas a la temperatura del fluido regenerado objetivo. Esta opción permitiría que el procedimiento de regeneración sea iniciado antes, siempre que la temperatura inicial de la regeneración pueda ser más alta que la temperatura de regeneración final mediante una cantidad seleccionada. Cuando la regeneración del acumulador térmico se completa su porción más alta tendría una temperatura ligeramente superior a la porción inferior del acumulador. Esta opción permite una mayor flexibilidad en la operación del acumulador. Esto hace posible una mayor duración del ciclo de regeneración y reduce, por tanto, la demanda de rechazo de calor máxima en el intercambiador de calor secundario. Esto puede dar como resultado un tamaño reducido del intercambiador de calor secundario y, por lo tanto, una mejora de la rentabilidad del sistema.
La utilidad de esta característica surge del hecho de que el perfil de temperatura ambiente diario exhibe por lo general una tasa lenta de disminución después del atardecer hacia su mínimo, lo que tiende a producirse cerca del amanecer. Como resultado de esta lenta caída, puede ser posible comenzar la fase de regeneración tanto como una hora o más antes si la temperatura inicial de regeneración objetivo se eleva en una pequeña cantidad, por ejemplo, --272,15 a -270,15 °C (1K a 3K). Esta característica será más valiosa para las instalaciones donde se produce energía durante una parte considerable de las horas nocturnas y donde un período de regeneración más largo evitaría posiblemente el sobredimensionamiento de los equipos de eliminación de calor secundarios.
Esta característica se puede incorporar en un sistema que utiliza un acumulador de calor sensible de baja temperatura con un impacto mínimo en la operación de la central. Una temperatura de regeneración inicial ligeramente más alta no interrumpirá la estratificación del acumulador puesto que el fluido de más baja densidad permanecerá en la parte más superior de la porción regenerada del acumulador. También, este fluido regenerado ligeramente más caliente será el último en ser utilizado para absorber el calor al día siguiente, es decir, se utilizará al final de la fase de carga del acumulador cuando la necesidad de usar el acumulador térmico se acerca a su mínimo. Lógica de control: temperatura fluido calentado variable en el acumulador térmico
La temperatura de trabajo superior del acumulador térmico se establece principalmente para limitar la temperatura de rechazo de calor de la central energética al valor factible más bajo. El aumento de temperatura que se produce cuando el fluido almacenado pasa a través del elemento de rechazo de calor de la central energética es generalmente el que tiene lugar cuando la central está operando a su capacidad nominal. La operación real de las centrales energéticas incluye muchos casos cuando la salida puede variar sustancialmente del valor nominal o de diseño.
El sistema de la invención puede proporcionar flexibilidad adicional a la operación de la central mediante la variación del caudal de fluido a través del elemento de rechazo de calor de la central energética. Los controles de la central se pueden disponer para reducir el flujo a través del elemento de rechazo de calor cada vez que la salida de energía de la central disminuye por debajo de su valor de diseño. Esto reducirá el uso del fluido almacenado de baja temperatura y puede conducir a un diseño más eficiente del sistema. Otra opción es la capacidad de aumentar el caudal, lo que da como resultado una temperatura de rechazo de calor reducido y una mayor salida de energía. Esta capacidad proporciona un procedimiento para aumentar la salida de energía de la central mediante el aumento de la energía extraída a partir de una entrada de energía fija de la central. Esta opción puede ser de interés cuando la producción de energía adicional bajo demanda puede ser una función útil para la operación de la central.
El uso de la figura de -263,15 °C (10 K) como el aumento de la temperatura nominal del agua del acumulador térmico que recoge el calor rechazado de la estación de energía, puede ser factible para variar la temperatura de rechazo de calor central tanto como -258,15 °C (15 K) si el caudal en el bucle que une el acumulador y el elemento de rechazo de calor de la central energética es capaz de variarse entre una reducción a la mitad y el doble del caudal nominal. La utilidad de esta capacidad, ya sea junto con o además de las otras capacidades de control de producción de la central, dependerá de las características específicas del sitio.
Esta opción dará lugar a variaciones de temperatura en la parte calentada del acumulador de baja temperatura. Estas variaciones pueden dar lugar a corrientes de convección dentro de la porción calentada del acumulador, que tenderán por lo general a homogeneizar la temperatura del fluido en esta región. Es poco probable que la porción regenerada del acumulador se vea perturbada por este efecto, dejando la función del acumulador de baja temperatura sustancialmente no afectada.
La capacidad de influir en la producción de la central por este medio puede proporcionar una capacidad adicional útil del sistema en las centrales eléctricas, donde un alto grado de control de salida dinámico es un atributo importante. Centrales energéticas: CO?como fluido de trabajo
La invención se puede aplicar a las centrales energéticas que utilizan el ciclo de fluido supercrítico, más comúnmente con CO2 como fluido de trabajo.
En esta realización, la ampliación del intervalo de temperatura de trabajo por el sistema de la invención proporciona un beneficio adicional a la central, puesto que permite que la central opere en todo momento en el modo de condensación durante el ciclo diurno.
La baja temperatura crítica del CO2 limita los ciclos de energía de condensación utilizando este fluido para aquellos capaces de rechazar el calor a temperaturas por debajo de aproximadamente 31 °C. Las centrales energéticas enfriadas por aire situadas en lugares secos y calientes que usan el ciclo de CO2 supercrítico serán incapaces de alcanzar la operación de condensación cuando la temperatura ambiente se eleva por encima de aproximadamente 20 °C. Esta limitación puede servir para inhibir la aplicación de este ciclo de energía o para aumentar el coste y la complejidad de los equipos necesarios para atender a los dos tipos de rechazo de calor.
La incorporación del sistema de la invención en una central energética de CO2 supercrítica situada en una zona climática apropiada ampliará el intervalo de temperaturas de trabajo de la central, lo que le confiere las ventajas descritas anteriormente. Además, la reducción de la temperatura de rechazo de calor permitirá que la central opere todo el tiempo en un ciclo de condensación (de tipo Rankine) en lugar de en un régimen de modo mixto que implica ambos tipos de ciclo Brayton y Rankine. Es bien sabido que se requiere mucha menos energía para comprimir un líquido que un gas. Esto puede dar como resultado un beneficio de rendimiento adicional resultante de la aplicación del sistema de la invención.
Esta simplificación del ciclo de operación ofrecerá tanto ventajas de coste de capital como aumento de la eficiencia operativa de los sistemas de generación de energía mediante el ciclo de CO2 supercrítico. Esta realización se aplica también a otros fluidos de trabajo incluyendo C2H2, C2H6, y N2O y mezclas apropiadas de los mismos que podrían utilizarse como fluidos de trabajo en lugar de CO2 en aplicaciones de generación de energía supercríticas.
Centrales energéticas: Centrales de combustión de combustibles fósiles
La invención puede también ser parte de una central de generación de energía de ciclo combinado de combustión de combustibles fósiles. En esta realización, la invención amplía el intervalo de temperatura de trabajo del ciclo de descenso y proporciona enfriamiento para la corriente de aire de entrada de combustión que sirve el ciclo de ascenso. El primer papel contribuye al aumento de la eficiencia de la central de agregado, mejorando el rendimiento del ciclo de descenso. La segunda función proporciona una mejora adicional para el rendimiento de la central de agregado al proporcionar enfriamiento eficiente en energía para el aire de combustión entrante y evitando de este modo la caída de la salida del sistema y la eficiencia que de otro modo acompaña al aumento de las temperaturas ambientes. La disposición general de los componentes en esta realización se muestra en la Figura 4. Un recinto 101 que contiene los elementos del procedimiento de combustión y el intercambiador de calor de gases de escape está dividido en tres secciones: una sección 103 de admisión de aire y de enfriamiento de la admisión de aire; una sección 104 de turbina de gas; y un intercambiador 105de calor de gases de escape o generador de vapor de recuperación de calor (HRSG).
El ciclo de descenso, normalmente un ciclo Rankine de vapor, es por lo general como se ha descrito en la realización anterior. En esta realización, el acumulador térmico tiene un par adicional de las conexiones 106 y 107 que proporcionan agua refrigerada del acumulador a un serpentín 103de enfriamiento del aire de entrada de circuito cerrado. Una bomba 108 suministra el flujo deseado de líquido enfriado al serpentín de enfriamiento situada en la trayectoria de la entrada de aire de la turbina de combustión. Preferentemente, la bomba 108 está equipada con capacidad de velocidad variable para permitir la regulación eficiente en energía de la potencia de bombeo usada para proporcionar un enfriamiento del aire de entrada. La función de enfriamiento del aire de entrada se usará solo en la medida necesaria para mantener la producción de la central a los niveles deseados durante los momentos de mayor temperatura ambiente. La disponibilidad de enfriamiento del aire de entrada de combustión variable puede ser usada también como parte del control de producción general de la central.
La producción del efecto de enfriamiento en este sistema es tanto eficiente en energía como eficiente con el agua. El enfriamiento se genera sin ningún enfriamiento mecánico y sin ningún consumo de agua. El sistema permite la inserción de una unidad de enfriamiento mecánica auxiliar para proporcionar enfriamiento adicional en situaciones en las que puede considerarse conveniente proporcionar líquido refrigerado a temperaturas más bajas que las que pueden obtenerse del rechazo de calor durante la noche solamente. El enfriamiento del aire de entrada adicional podría proporcionarse mediante la inserción de una unidad de enfriamiento entre las tuberías de flujo y de retorno que sirven al serpentín de enfriamiento del aire de entrada, enfriando el líquido que entra en el serpentín y calentando el líquido que vuelve al acumulador de baja temperatura. Esta característica opcional no se describe porque no es una característica esencial del sistema de la invención y porque su función y ubicación en la Figura serían claras para un experto en la materia.
Es evidente que, incluso si se utiliza el enfriamiento mecánico auxiliar, la mayor parte del efecto de enfriamiento del aire de entrada se obtiene del procedimiento de eliminación de calor durante la noche y los beneficios sustancialmente del mismo por medio de una importante reducción en el gasto total de energía de enfriamiento. La naturaleza de bucle cerrado del sistema de enfriamiento asegura que el sistema proporciona su enfriamiento sin depender del consumo de agua necesaria para proporcionar enfriamiento por evaporación.
El tamaño del acumulador térmico y la capacidad del equipo de rechazo de calor usado para disipar el calor del ciclo al ambiente se tendrá que determinar según las necesidades de ambos procedimientos de rechazo de calor del ciclo de descenso y de enfriamiento del aire de entrada del ciclo de ascenso. La capacidad de rechazo de calor adicional necesaria para proporcionar el enfriamiento del aire de entrada comprenderá solo una pequeña proporción del total de modo que la capacidad total del aparato de rechazo de calor de baja temperatura no se verá muy afectada por esta inclusión.
El sistema de la invención puede proporcionar beneficios adicionales al ciclo de ascenso de las centrales de ciclo combinado de combustión de combustibles fósiles, proporcionando el enfriamiento del aire de entrada de la turbina de combustión eficiente en energía. El fluido enfriado durante la noche acumulado se puede utilizar para reducir la temperatura del aire de entrada de combustión durante el día en una cantidad cercana al intervalo de temperatura diurna. La cantidad de pre-enfriamiento disponible de esta fuente depende de la variación de la temperatura diurna. En sitios adecuados para el despliegue del sistema de la invención, la cantidad de enfriamiento por aire disponible es comparable con la proporcionada por los sistemas CTIAC (enfriamiento del aire de entrada de la turbina de combustión) disponibles comercialmente (aproximadamente -253,15 °C (20K)). Las reducciones en la temperatura del aire de entrada de combustión son bien conocidas para aumentar tanto la producción como la eficiencia de la turbina de combustión. Los momentos de demanda de energía máxima coinciden a menudo con temperaturas ambiente máximas en climas dominados por enfriamiento. Sin algunos medios de mitigar esta reducción ambiente ligada a la producción, la central energética puede sufrir pérdidas de rendimiento significativas precisamente en esos momentos cuando se producen demandas de energía máximas.
El sistema de la invención es capaz de ofrecer un enfriamiento del aire de entrada de la turbina que no requiere consumo de agua y que no se basa en el enfriamiento mecánico de gran consumo energético. El flujo de refrigerante desde el acumulador se alimenta por la conexión 107 en un serpentín de enfriamiento de aire colocado a través de la trayectoria de admisión 103 de la turbina. En la práctica, la disposición de enfriamiento del aire de entrada, así como la reducción de la temperatura de rechazo de calor que se puede lograr con el sistema de la invención mediante un aumento muy pequeño (normalmente de aproximadamente el 1 %) en el tamaño del sistema de almacenamiento a baja temperatura. Es posible aumentar la reducción de la temperatura del aire de entrada por encima de lo que está directamente disponible del intervalo de temperatura diurna mediante la interposición de una unidad de enfriamiento mecánica en la tubería que discurre entre el acumulador de baja temperatura y el serpentín de enfriamiento del aire de entrada de combustión. Esta disposición hace posible un mayor grado de enfriamiento del aire de entrada mientras se utiliza solo una fracción de la potencia de refrigeración mecánica que de otro modo se requeriría.
Centrales de producción de energía no-térmicas
La invención se puede aplicar a centrales de producción de energía no térmicas que tienen una co-producción de calor sustancial. Un ejemplo es una central energética solar fotovoltaica concentrada (CPV) (conversión de luz en electricidad). La energía se produce en centrales CPV través de la conversión directa de la energía solar en electricidad. Otro ejemplo de esta realización es una central energética que usa células de combustible para convertir la energía almacenada química en electricidad.
Se sabe que solo una fracción del flujo solar incidente sobre el receptor puede convertirse en electricidad por medio de procedimientos fotovoltaicos. La porción restante del flujo de energía solar entrante (generalmente más de la mitad) se convierte en calor. La eliminación de este calor presenta un desafío para el diseño de las centrales CPV puesto que las temperaturas elevadas del receptor solar reducen la eficiencia de la conversión fotovoltaica y pueden causar la degradación del propio receptor a lo largo del tiempo.
La invención si se aplica al disipador de calor del receptor solar permite que el receptor solar opere a una temperatura más baja de lo que sería posible y, por lo tanto, opere a una mayor eficiencia y con menor riesgo de degradación térmica. La reducción de la temperatura de operación del receptor solar por la figura normalmente alcanzable de -253,15 °C (20K) es bien conocido por los expertos en la materia para proporcionar aumentos medibles en la eficiencia de conversión fotovoltaica. Una disposición 200 se muestra en la Figura 5. La diferencia principal entre esta realización y la primera realización es que la energía se produce por conversión fotovoltaica del flujo solar y no por conversión térmica. Un dispositivo 201 de conversión de energía no térmica está directamente en contacto con un disipador 202 de calor. El calor se elimina del disipador 202 de calor por un bucle 203 de "fluido de trabajo" bombeado que contiene la bomba 5 de circulación. El calor eliminado del disipador 202 de calor se rechaza a la temperatura más baja del ciclo diurno utilizando el sistema de la invención de la misma manera que se ha descrito con referencia a la Figura 1.
Mediante este procedimiento el generador de energía no térmica es capaz de operar a una temperatura casi constante sustancialmente menor de lo que sería posible de otro modo. Esta temperatura de trabajo más baja puede ofrecer tanto a aumentos de la eficiencia como ampliaciones de la esperanza de vida de los componentes.
Otra forma en que el sistema de la invención puede emplearse con buenos resultados en CPV u otras centrales de generación de energía no térmica se produce en situaciones donde puede ser factible operar un procedimiento de conversión de energía térmica utilizando el flujo de calor rechazado desde el receptor fotovoltaico u otro aparato de conversión de energía no térmica. Los receptores CPV son conocidos para funcionar a temperaturas en el intervalo de 100 °C a 120 °C en los sistemas actuales, y pueden ser capaces de funcionar a temperaturas más altas a medida que se refina la tecnología. Las condiciones térmicas similares pueden ocurrir en ciertos sistemas de generación de energía de células de combustible.
Esta situación presenta la posibilidad de operar un sistema de conversión de energía térmica entre el disipador de calor en el receptor CPV o la célula de combustible y el ambiente. Un sistema de conversión de energía térmica que opera entre estas temperaturas podría utilizar ventajosamente ya sea una central ORC o un ciclo de producción de energía CO2 supercrítico de condensación como se ha mencionado anteriormente. Una aplicación del sistema de la invención a un sistema de este tipo en un entorno climático favorable es capaz de proporcionar ganancias de salida de energía sustanciales a la central de agregado. La central de generación de energía combinada en esta realización tendría dos etapas la producción de energía: la producción de energía primaria procedente de un procedimiento de conversión no térmica que produce el calor residual a una temperatura utilizable, y un procedimiento de conversión térmica secundaria que hace uso del calor residual para producir energía motriz adicional y utiliza el sistema de la invención para maximizar el rendimiento de la etapa de conversión térmica.
Otro sistema, 300, se ilustra en la Figura 6. Aquí, una unidad 301 de conversión de energía no térmica se muestra en contacto con su disipador 302 de calor. El disipador de calor puede en este caso proporcionar un aumento de la temperatura suficiente del fluido de enfriamiento del disipador de calor ("fluido de trabajo") para accionar un motor 303 de expansión, acoplado a un generador eléctrico 304. El fluido de trabajo se enfría y se condensa en el intercambiador 305 de calor, antes de presurizarse por la bomba 306. El calor rechazado desde el ciclo de energía térmica es almacenado para su liberación durante la parte más fría de la noche por el sistema de la invención, como se ha descrito anteriormente en las otras realizaciones. Debido a que las temperaturas de trabajo de los generadores de energía no térmicos se limitan a valores modestos, la influencia del sistema de la invención sobre la viabilidad de la producción de energía secundaria puede esperarse que sea significativa.
La invención no se limita a las realizaciones descritas sino que puede variarse en construcción y detalle. Por ejemplo, el depósito de calor puede tomar la forma de múltiples depósitos interconectados, y pueden estar a diferentes niveles. En este caso, preferentemente, el refrigerante se suministra al uno o más depósitos superiores y se extrae del uno o más depósitos inferiores. El intercambiador de calor secundario puede tener una secuencia de un número de intercambiadores de calor opuestos entre sí que terminan en el rechazo de calor final, al menos parcial al aire ambiente.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una central energética que comprende un convertidor de energía para convertir la energía térmica en otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y un intercambiador (4) de calor para rechazar calor del fluido de trabajo, en la que la central comprende un circuito (6- 9) secundario para proporcionar refrigerante al intercambiador (4) de calor, comprendiendo dicho circuito secundario:
un acumulador (7) dispuesto para almacenar refrigerante,
un intercambiador (8) de calor secundario para rechazar el calor al aire ambiente,
un desviador (6, 9, 12) de refrigerante,
un controlador configurado para encaminar el refrigerante desde el intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo a:
(a) el acumulador (7) para rechazar el calor en el acumulador,
(b) el intercambiador (8) de calor secundario, y para
(d) elegir (a) o (b) de acuerdo con lo que proporciona un rechazo de calor más efectivo desde el refrigerante.
2. Una central energética de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador (7) cuando el intercambiador (8) de calor secundario es incapaz de reducir la temperatura del refrigerante por debajo de un umbral; y/o en la que el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador (7) cuando la temperatura del refrigerante que vuelve desde el intercambiador (8) de calor secundario es superior a una temperatura a la que puede extraerse refrigerante del acumulador (7).
3. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el desviador (6, 9, 12) está configurado para encaminar el refrigerante a una porción superior del acumulador; y/o
en la que el circuito secundario está configurado para, durante (a), suministrar refrigerante al intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo desde una porción inferior del acumulador.
4. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el controlador está configurado para hacer que el circuito secundario rechace el calor en el acumulador durante el día y rechace el calor mediante el intercambiador de calor secundario durante la noche; y opcionalmente además en la que el controlador está configurado para asegurar que el refrigerante del circuito secundario suministrado desde el acumulador (7) al intercambiador (8) de calor de fluido de trabajo se haya enfriado a una temperatura cercana a una temperatura mínima de la noche anterior; y/o
en la que el controlador está configurado para usar el acumulador solo hasta un momento en el que se puede rechazar el calor añadido en un único período de 24 horas.
5. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el circuito secundario comprende sensores de temperatura dispuestos para monitorizar la temperatura ambiente, la temperatura del fluido de trabajo en la etapa de rechazo de calor, y un perfil térmico del acumulador.
6. Una central energética de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que dicho umbral es variable, y además opcionalmente, en la que el controlador está configurado para ajustar el valor umbral de acuerdo con datos meteorológicos locales, un perfil de temperatura del acumulador, y la demanda anticipada de rechazo de calor desde la central de generación de energía.
7. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el controlador está configurado para dirigir el refrigerante al acumulador (7) cuando la temperatura del refrigerante que vuelve del intercambiador (8) de calor secundario excede una temperatura de trabajo del acumulador (7), y en la que dicha temperatura de trabajo del acumulador es la temperatura en la parte más fría del acumulador después de una regeneración más reciente.
8. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el controlador está configurado para dirigir la regeneración del acumulador (7) mediante la reducción de temperatura del refrigerante dentro del acumulador, y además opcionalmente en la que:
el controlador está configurado para dirigir el rechazo simultáneo de calor de la producción de energía al fluido de trabajo y la regeneración del acumulador, de modo que el acumulador pueda volver a un estado de temperatura de trabajo durante la porción más fría del ciclo temperatura ambiente diario; y/o
en la que el controlador está configurado para dirigir la regeneración para reducir la temperatura del acumulador térmico, en la que empieza el comienzo de la regeneración cuando una capacidad calculada de rechazo de calor del intercambiador de calor del circuito secundario se aproxima a una cantidad de calor que debe descargarse al final de la regeneración para regenerar totalmente el acumulador; y/o
en la que el controlador está configurado para establecer dinámicamente un perfil de temperatura objetivo para el acumulador después de la regeneración.
9. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el controlador está configurado para variar el caudal de fluido de trabajo a través del intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo cada vez que un valor de salida de energía de la central disminuya por debajo de un valor establecido o para reducir la temperatura del rechazo de calor y causar un aumento en la salida de energía; y/o en la que el acumulador térmico incluye deflectores (23) para reducir el flujo vertical de refrigerante dentro del acumulador, y opcionalmente además, en la que hay al menos un deflector cerca de una parte superior del acumulador, y opcionalmente además, en la que hay deflectores tanto en un extremo superior del acumulador como en un extremo inferior del acumulador.
10. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el acumulador comprende un depósito dispuesto para ser montado bajo tierra, y opcionalmente además, en la que el acumulador comprende una capa de aislamiento sobre una pared superior del depósito.
11. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que el controlador está configurado para encaminar el refrigerante simultáneamente tanto al acumulador como al intercambiador de calor secundario, y opcionalmente además, en la que el controlador está configurado para encaminar el refrigerante simultáneamente tanto al acumulador como al intercambiador de calor secundario durante una fase de conmutación de manera gradual de modo que una porción del flujo de refrigerante se dirija al intercambiador de calor secundario y aumente con el tiempo a medida que disminuye la temperatura ambiente.
12. Una central energética de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en la que la central energética es una central de combustión de combustibles fósiles, y opcionalmente además, en la que el sistema incluye un refrigerador (103) para enfriar el aire de combustión usando refrigerante extraído del acumulador.
13. Una central energética de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que la central energética comprende células fotovoltaicas para convertir la energía solar en energía eléctrica, y el fluido de trabajo está en un circuito para enfriar dichas células fotovoltaicas y opcionalmente además, en la que la central energética comprende, además, una central de conversión termodinámica para convertir la energía del fluido de trabajo calentado en energía eléctrica.
14. Un procedimiento de control de una central energética que comprende:
un controlador,
un convertidor de energía para convertir la energía térmica en otra forma de energía con el uso de un fluido de trabajo, y
un intercambiador (4) de calor para rechazar calor del fluido de trabajo,
un circuito secundario (6-9) para proporcionar refrigerante al intercambiador (4) de calor, comprendiendo dicho circuito secundario:
un acumulador (7) dispuesto para almacenar refrigerante,
un intercambiador (8) de calor secundario para rechazar el calor al aire ambiente, y un desviador (6, 9, 12), de refrigerante
en el que el procedimiento comprende las etapas del controlador encaminando el refrigerante desde el intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo al acumulador (7) para rechazar el calor hacia el acumulador, y/o hacia el intercambiador (8) de calor secundario para un rechazo efectivo del calor del refrigerante.
15. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, en el que el controlador dirige el refrigerante al acumulador (7) cuando la temperatura de refrigerante que vuelve del intercambiador (8) de calor secundario es superior a una temperatura a la que puede extraerse refrigerante del acumulador (7); y/o
en el que el controlador y el desviador (6, 9, 12) encaminan el refrigerante a una porción superior del acumulador, suministran refrigerante al intercambiador (4) de calor de fluido de trabajo desde una porción inferior del acumulador, y hacen que el circuito secundario rechace el calor en el acumulador durante el día y que rechace el calor mediante el intercambiador de calor secundario durante la noche; y/o
en el que el controlador dirige la regeneración del acumulador (7) reduciendo la temperatura del refrigerante dentro del acumulador, opcionalmente además en el que el controlador dirige el rechazo simultáneo de calor del fluido de trabajo y la regeneración del acumulador, de modo que el acumulador puede volver a un estado de temperatura de trabajo durante la porción más fría del ciclo de temperatura ambiente diario; y/o
en el que el controlador encamina el refrigerante simultáneamente al acumulador y al intercambiador de calor secundario durante una fase de conmutación de manera gradual, de modo que una porción del flujo de refrigerante se dirija al intercambiador de calor secundario y aumente con el tiempo a medida que disminuye la temperatura ambiente.
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