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ES2628908T3 - Procedimiento de control de una central termosolar con vaporización directa - Google Patents

Procedimiento de control de una central termosolar con vaporización directa Download PDF

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ES2628908T3
ES2628908T3 ES12758859.8T ES12758859T ES2628908T3 ES 2628908 T3 ES2628908 T3 ES 2628908T3 ES 12758859 T ES12758859 T ES 12758859T ES 2628908 T3 ES2628908 T3 ES 2628908T3
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parabolic
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solar concentrators
solar
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Joachim Krüger
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Solarlite Csp Tech GmbH
SOLARLITE CSP TECHNOLOGY GmbH
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Solarlite Csp Tech GmbH
SOLARLITE CSP TECHNOLOGY GmbH
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Abstract

Procedimiento de control de una central termosolar (1) con vaporización directa, teniendo la central termosolar (1) varios concentradores solares parabólicos (5) y cada uno de ellos un motor (9) aparte, controlándose los motores (9) en función de un algoritmo astronómico predeterminado y controlándose los motores (9) de los concentradores solares parabólicos (5) individuales adicionalmente en función de la temperatura del concentrador solar parabólico respectivo y/o de las condiciones de viento, por separado, girándose concentradores solares parabólicos (5) concretos, si es necesario para regular la temperatura del concentrador solar parabólico o para adaptarse al consumo de vapor, hasta una posición de no focalización o, para condiciones de viento predeterminadas, hasta una posición de seguridad.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de control de una central termosolar con vaporizacion directa
La presente invencion se refiere a un procedimiento de control de una central termosolar con vaporizacion directa.
Las centrales termosolares con vaporizacion directa aprovechan la energia solar para vaporizar un medio de trabajo que se utiliza para impulsar una turbina.
Asi, al contrario que en las centrales termosolares tradicionales en las que se calienta el medio portador de energia calorifica y se hace pasar a traves de un intercambiador de calor para vaporizarlo, por ejemplo, agua, el medio de trabajo se vaporiza y se sobrecalienta directamente en los concentradores solares parabolicos de la central termosolar. Las centrales termosolares con vaporizacion directa tienen para ello un primer conjunto de concentradores solares parabolicos que sirven como vaporizadores y un segundo conjunto de concentradores solares parabolicos que se utilizan como sobrecalentadores. Cuando esta funcionando la central el medio de trabajo se conduce a traves de tubos colectores de los concentradores solares parabolicos del vaporizador y se vaporiza en ellos. Los concentradores solares parabolicos estan dispuestos mayormente en paralelo de modo que el medio de trabajo vaporizado se evacua por una conduccion colectora comun del vaporizador. En un separador de vapor se separa el vapor de la fase liquida del medio de trabajo y a continuacion se conduce hacia el sobrecalentador. Desde el sobrecalentador el vapor sobrecalentado del medio de trabajo se dirige hacia la maquina que realiza trabajo, por ejemplo, una turbina.
Las centrales termosolares modernas se controlan mayormente utilizando un algoritmo astronomico. A partir de este, se determina la trayectoria del sol en base a las coordenadas de posicion de la central termosolar de modo que los concentradores solares parabolicos pueden seguir el movimiento del sol calculado. Puesto que la irradiacion solar de todos los concentradores solares parabolicos se produce practicamente en la misma direccion la radiacion solar se focaliza, si la posicion de los concentradores solares parabolicos es la misma, en el tubo colector. Por eso se controlan los concentradores solares parabolicos mediante una unidad de control centralizada de modo que todos los concentradores solares parabolicos se orientan simultaneamente en paralelo en funcion de la posicion del sol. Ademas, el control conocido tiene en cuenta una medicion de viento y cuando se supera una cierta velocidad de viento se giran todos los concentradores solares parabolicos hasta una posicion de seguridad para protegerlos; en esta posicion la superficie de los espejos queda orientada hacia el suelo estando muy protegida de la accion del viento.
En el articulo de A. Thomas “Solar steam generating systems using parabolic trough concentrators” publicado en la revista Energy conversion and management de Elsevier Science Publishers, Oxford, GB, Vol. 37, n° 2, de 1 de febrero de 1996, paginas: 215-245, XP0004039833, ISSN: 0196-8904, Doi: 10.1016/0196-8904(95)00162-7, y en el documento US 2009/223510 A1 se divulga genericamente que se puede girar un concentrador solar parabolico hasta una posicion de seguridad.
En particular, en las centrales termosolares con vaporizacion directa el control conocido resulta problematico puesto que la regulacion de la cantidad de vapor y la temperatura del mismo solo se puede realizar controlando la cantidad suministrada de medio de trabajo y con inyeccion intermedia en su caso. Para una irradiacion solar fuerte y un consumo de vapor bajo puede llegar a ocurrir que el medio de trabajo vaporizado pase por la turbina llegando hasta un condensador sin que se aproveche. El control conocido tampoco resulta optimo para funcionar en base a la velocidad del viento puesto que para velocidades de viento relativamente bajas, por ejemplo, 10 m/s ya todos los concentradores pasan a la posicion de seguridad para evitar que algun concentrador solar parabolico sufra danos. En esta posicion no se puede obtener ninguna energia de la radiacion solar.
Por tanto, el objetivo de la presente invencion es proporcionar un control mejorado de los concentradores solares parabolicos de las centrales termosolares.
El procedimiento segun la invencion esta definido en la reivindicacion 1.
Asi, los motores de los concentradores solares parabolicos individuales, aparte del control en funcion de un algoritmo astronomico predeterminado se controlan adicionalmente en funcion de la temperatura del concentrador solar parabolico, del consumo de vapor y/o de las condiciones de viento y, si es necesario, se giran concentradores solares parabolicos concretos hasta una posicion de seguridad de no focalizacion.
El procedimiento segun la invencion preve por tanto que los motores de los concentradores solares parabolicos individuales se controlen separadamente y que no se controlen siempre a la vez todos los motores segun los procedimientos de control tradicionales. Asi, resulta posible un control particularmente flexible de la central termosolar. El control separado de los motores de los concentradores solares parabolicos individuales permite, por ejemplo, que para condiciones de viento determinadas se puedan girar solo los concentradores solares parabolicos en riesgo hasta la posicion de seguridad pudiendo mantenerse el resto de concentradores solares parabolicos en su posicion de funcionamiento. Asi se puede aumentar el numero de horas de funcionamiento anuales de la central
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termosolar. El control de acuerdo con la invencion permite tambien que se pueda adaptar la cantidad de vapor generado de forma adecuada al consumo de vapor puesto que hay una opcion mas de regulacion. Para un consumo de vapor reducido, por ejemplo, cuando se reduce la carga de la turbina, se puede reducir, mediante el giro de concentradores solares parabolicos individuales hasta una posicion de no focalizacion, la cantidad de vapor que se produce. El procedimiento segun la invencion permite una regulacion de la temperatura de los concentradores solares parabolicos, en particular, de la temperatura de los tubos colectores, girandose, cuando aumenta la temperatura del concentrador solar parabolico, dicho concentrador respectivo hasta una posicion de no focalizacion de modo que se previene el sobrecalentamiento.
El control separado resulta ventajoso, en particular, al arrancar o parar la central termosolar. Los concentradores solares parabolicos pueden ponerse en posicion de focalizacion, por ejemplo, durante el arranque, sistematicamente uno tras otro pudiendose conseguir una mejora de la produccion de vapor inicial.
La invencion preve de forma ventajosa que el control de todos los motores se haga adicionalmente en funcion de la temperatura de los concentradores solares parabolicos respectivos, del consumo de vapor y/o de la velocidad de viento, girandose, cuando sea necesario, los concentradores solares parabolicos concretos hasta una posicion de seguridad o de no focalizacion. El procedimiento segun la invencion, por tanto, preve que los motores de todos los concentradores solares parabolicos ademas se controlen separadamente y en caso de que sea necesario se giren hasta una posicion de no focalizacion o de seguridad de modo que resulte posible un control particularmente flexible de la central termosolar.
Gracias a los parametros de control utilizados adicionalmente en el procedimiento segun la invencion pueden generarse ordenes de control para los motores de los concentradores solares parabolicos que sean prioritarias con respecto a las ordenes de control generadas por el algoritmo astronomico.
Puede preverse que si se supera una temperatura del concentrador solar parabolico predeterminada, en particular, una temperatura prefijada del tubo colector de dicho concentrador, este se gire hasta una posicion de no focalizacion. Asi puede protegerse al concentrador solar parabolico respectivo del sobrecalentamiento de modo que se eviten los danos. El resto de concentradores solares parabolicos pueden seguir en su posicion de funcionamiento de modo que el funcionamiento conjunto de la central termosolar solo se vea poco afectado.
Ademas, puede preverse que si se supera una primera velocidad de viento durante un intervalo de tiempo prefijado, se giren hasta la posicion de seguridad los concentradores solares parabolicos que segun la direccion del viento sean los exteriores, y si se supera una segunda velocidad de viento durante un intervalo de tiempo prefijado se giren todos los concentradores solares parabolicos hasta una posicion de seguridad. El procedimiento segun la invencion, por tanto, preve que se distinga entre condiciones de viento diferentes. Mientras que la velocidad del viento sea inferior a una primera velocidad de viento predeterminada la central termosolar seguira funcionando normalmente. Si se supera la primera velocidad del viento durante un intervalo de tiempo prefijado los concentradores solares parabolicos que se encuentran en la direccion del viento se giran hasta la posicion de seguridad. Estos concentradores solares parabolicos son sobre todo los concentradores solares parabolicos de la hilera exterior del parque de concentradores segun la direccion del viento. En la medida en que los concentradores solares parabolicos se dispongan en bucle es evidente que las dos hileras exteriores de concentradores solares parabolicos que constituyen un bucle se pueden giran hasta la posicion de seguridad de modo que se pare todo el bucle.
Si se supera una segunda velocidad de viento durante un intervalo de tiempo predeterminado se giran entonces todos los concentradores solares parabolicos hasta la posicion de seguridad y la central termosolar en su conjunto se para.
Para determinar la velocidad de viento se puede utilizar un anemometro tradicional. El control correspondiente de los motores se hace solo si la velocidad del viento se mantiene durante un intervalo de tiempo predeterminado para evitar que las rafagas de alta velocidad activen el control de los concentradores solares parabolicos.
Puede estar previsto que el concentrador solar parabolico en su posicion de seguridad tenga la superficie del espejo orientada hacia el suelo y hacia el concentrador solar parabolico adyacente. En otras palabras, un concentrador solar parabolico tiene un borde apuntando en direccion al suelo y el borde opuesto hacia el concentrador solar parabolico adyacente. Dicha posicion tiene, en particular, la ventaja de que solo esten girados los concentradores solares parabolicos exteriores hasta la posicion de seguridad puesto que los concentradores solares parabolicos girados hasta la posicion de seguridad sirven de proteccion contra el viento para el resto de concentradores solares parabolicos; el viento se desvia por la cara trasera del concentrador solar parabolico girado hasta la posicion de seguridad que funciona como un deflector.
Tambien puede estar previsto que un concentrador solar parabolico en su posicion de seguridad tenga la superficie del espejo apuntando en direccion hacia el viento. Por tanto, el viento se desvia por la superficie del espejo pasando por encima de los concentradores adyacentes. La posicion de seguridad que resulte ventajosa depende de la direccion y la velocidad del viento.
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En un ejemplo de realizacion del procedimiento segun la invencion puede estar previsto que si el consumo de vapor es inferior al consumo de vapor predeterminado se giren algunos concentradores solares parabolicos hasta una posicion de no focalizacion. De esta manera se puede reducir la cantidad de vapor producido. En particular, puede estar previsto que los concentradores solares parabolicos girados hasta una posicion de no focalizacion sean de los colocados en la zona del vaporizador.
La invencion tambien puede prever que el control de los motores se haga adicionalmente en funcion de la irradiacion solar directa medida. Asi, puede comprobarse adicionalmente si la radiacion solar directa es suficiente para focalizarla en los tubos colectores y generar asi vapor.
Seguidamente se explicara la invencion mas en detalle haciendo referencia a las figuras siguientes. Muestran:
- la figura 1: una vista en planta esquematica de una central termosolar y
- la figura 2: una vista lateral esquematica de un concentrador solar parabolico
La figura 1 muestra esquematicamente en planta una central termosolar 1 con vaporizacion directa. La central termosolar 1 consta de una zona de vaporizacion 2 y una zona de sobrecalentamiento 3.
La zona de vaporizacion 2 consta de varios concentradores solares parabolicos colocados en bucles 5. Cada bucle esta formado por seis concentradores solares parabolicos 5, estando colocados los concentradores solares parabolicos 5 en dos hileras de tres concentradores 5 cada una.
La zona de sobrecalentamiento 3 consta de una pluralidad de concentradores solares parabolicos 5 colocados en bucle, constando cada bucle de dos concentradores solares parabolicos en paralelo.
Cada concentrador solar parabolico 5 consta de varios segmentos. En la zona de vaporizacion 2 cada concentrador solar parabolico 5 esta constituido por diez segmentos 7, por el contrario, los concentradores solares parabolicos 5 de la zona de sobrecalentamiento 3 constan de nueve segmentos 7.
Cada concentrador solar parabolico 5 se gira mediante un motor 9, por ejemplo, un motor hidraulico pudiendo seguir la posicion solar a lo largo del dia, recibiendo siempre la irradiacion solar optima. Asi, la luz del sol puede focalizarse en los tubos colectores 11 de los concentradores solares parabolicos 5. El motor 9 puede estar colocado en un extremo del concentrador solar parabolico o en el centro, entre dos segmentos 7 de concentradores solares parabolicos.
Las posiciones de los concentradores solares parabolicos se controlan a traves de los motores mediante una unidad de control comun, el llamado controlador maestro. La unidad de control tiene un algoritmo astronomico que calcula la posicion solar a lo largo del dia. Para ello el algoritmo tiene almacenadas las coordenadas de posicion de la central termosolar 1.
Gracias al algoritmo astronomico los concentradores solares parabolicos 5 se pueden colocar automaticamente en su posicion inicial cuando sale el sol y girarse hasta la posicion de seguridad cuando se pone el sol.
Adicionalmente, el procedimiento segun la invencion para controlar la central termosolar 1 preve que la irradiacion solar, por ejemplo, la mida una estacion meteorologica y solo cuando haya energia solar suficiente entre o siga en funcionamiento la central termosolar. Asi, hay energia termosolar suficiente si la irradiacion solar cumple que: DNI x cos(0) > 200 W/m2.
Los motores 9 tienen ademas unidades de control locales que durante el modo de funcionamiento normal interaccionan con la unidad de control central y con las que, sin embargo, tambien resulta posible un control separado de los motores 9 individuales de los concentradores solares parabolicos 5.
En la central termosolar 1 se introduce un medio de trabajo en la zona de vaporizacion 2 y se conduce por los tubos colectores 11. Por efecto de la irradiacion solar focalizada en los tubos colectores se vaporiza parcialmente el fluido de trabajo. Despues de atravesar la zona de vaporizacion 2 el medio de trabajo vaporizado parcialmente se hace pasar por un separador de vapor no representado y la parte vaporizada por la zona de sobrecalentamiento. Cuando pasa por los tubos colectores 11 de la zona de sobrecalentamiento 3 se sobrecalienta el vapor. El medio de trabajo vaporizado, a continuacion de la zona de sobrecalentamiento 3, se hace pasar por una turbina no representada para producir energia electrica, por ejemplo.
El procedimiento segun la invencion preve que los motores 9 de los concentradores solares parabolicos 5 se controlen adicionalmente en funcion de la temperatura del concentrador solar parabolico 5 concreto, del consumo de vapor en la turbina y/o en funcion de la velocidad del viento. Si es necesario se pueden girar concentradores solares parabolicos concretos hasta una posicion de no focalizacion o una posicion de seguridad. Asi, por ejemplo, si hay una temperatura elevada en un concentrador solar parabolico 5 concreto este se puede girar hasta una posicion de
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no focalizacion. El control, en este caso, se produce al recibir la unidad de control local del motor 9 del concentrador solar parabolico 5 correspondiente la orden de girarlo. Esta orden resulta de mayor prioridad que las ordenes de control centrales que se dan en funcion del algoritmo astronomico.
Asi se pueden impedir los danos por sobrecalentamiento de concentradores solares parabolicos 5 concretos. En la medida en la que el bucle en el que este el concentrador solar parabolico 5 de temperatura alta no pueda suministrar la suficiente energia para que se produzca la vaporizacion, por ejemplo, evidentemente los concentradores solares parabolicos 5 del bucle en su conjunto pueden ponerse en la posicion de no focalizacion. Evidentemente entonces es necesario cortar la alimentacion de medio de trabajo al bucle correspondiente.
Si, por ejemplo el consumo de vapor de la turbina es reducido se pueden girar bucles de concentradores solares parabolicos 5 concretos hasta la posicion de no focalizacion e interrumpir el suministro de medio de trabajo a los correspondientes concentradores solares parabolicos 5. Asi se produce menos vapor en total. Ademas, con el anemometro se puede medir la velocidad del viento. Si, por ejemplo, durante un intervalo de tiempo predeterminado el viento tiene una velocidad que supera una primera velocidad de viento predeterminada se pueden girar los concentradores solares parabolicos 5 exteriores segun la direccion del viento hasta la posicion de seguridad. La direccion del viento esta indicada esquematicamente en la figura 1 con una flecha. Los concentradores solares parabolicos 5 del bucle 13 que esta en la direccion del viento se giran entonces hasta la posicion de seguridad. Es necesario, tambien que los concentradores solares parabolicos 4 interiores del bucle 13 tambien se giren al menos hasta la posicion de no focalizacion. Entonces el suministro de medio de trabajo al bucle 13 exterior se tiene que interrumpir puesto que por girar los concentradores solares parabolicos 5 hasta la posicion de seguridad ya no existe disponible suficiente energia solar en el bucle exterior 13 para vaporizar el medio de trabajo. Evidentemente tambien es posible girar los concentradores solares parabolicos 5 interiores del bucle exterior 13 hasta la posicion de seguridad.
En la figura 2 se muestra un concentrador solar parabolico 5 girado hasta la posicion de seguridad. La direccion del viento se muestra en la figura 2 de nuevo mediante una flecha. En la posicion de seguridad el concentrador solar parabolico 5 esta colocado de modo que la cara trasera 15 apunte en la direccion del viento y la superficie del espejo 17 apunte en la direccion del concentrador solar parabolico adyacente o en direccion al suelo. Asi la cara interna del espejo 17 y el tubo colector 11 quedan protegidos de la accion del viento. En la posicion de seguridad el concentrador solar parabolico 5 puede estar colocado de modo que las normales a las superficies de los espejos 17 que pasan por el tubo colector 11 formen un angulo con respecto a la horizontal a, que puede ser de entre 35° y 45° preferiblemente 30°.
En la posicion de seguridad el concentrador solar parabolico 5 actua ademas de deflector de viento de modo que el viento se desvia por la cara trasera del concentrador solar parabolico 15 no afectando asi a los concentradores solares parabolicos adyacentes.
Cuando el viento supera durante un intervalo de tiempo predeterminado una segunda velocidad de viento puede estar previsto que todos los concentradores solares parabolicos se giren hasta la posicion de seguridad. En este estado la central termosolar 1 esta parada.
La primera velocidad de viento puede ser, por ejemplo, de 7 m/s. La segunda velocidad de viento puede ser, por ejemplo, de 15 m/s. Asi, para una velocidad de viento inferior a 7 m/s todos los concentradores solares parabolicos estan funcionando mientras que para una velocidad de viento mayor que 7 m/s y menor que 15 m/s los concentradores solares parabolicos exteriores 5 segun la direccion del viento estan girados hasta la posicion de seguridad. Si la velocidad del viento es mayor que 15 m/s todos los concentradores solares parabolicos quedan girados hasta la posicion de seguridad.
El procedimiento segun la invencion permite, por tanto, un control particularmente ventajoso de la central termosolar 1 evitandose los danos, por ejemplo, por sobrecalentamiento de algun concentrador solar parabolico. Ademas la cantidad de vapor producida se puede adaptar al consumo de vapor.
El procedimiento segun la invencion tambien permite que la central termosolar 1 pueda seguir funcionando aunque la velocidad de viento sea relativamente alta, una velocidad para la que las centrales termosolares tradicionales ya habria que pararlas.
Mediante el procedimiento segun la invencion se aumentan mucho las horas de funcionamiento de la central termosolar y ademas se puede hacer funcionar la central termosolar 1 de una forma particularmente eficiente.

Claims (7)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de control de una central termosolar (1) con vaporizacion directa, teniendo la central termosolar (1) varios concentradores solares parabolicos (5) y cada uno de ellos un motor (9) aparte, controlandose los motores (9) en funcion de un algoritmo astronomico predeterminado y controlandose los motores (9) de los concentradores solares parabolicos (5) individuales adicionalmente en funcion de la temperatura del concentrador solar parabolico respectivo y/o de las condiciones de viento, por separado, girandose concentradores solares parabolicos (5) concretos, si es necesario para regular la temperatura del concentrador solar parabolico o para adaptarse al consumo de vapor, hasta una posicion de no focalizacion o, para condiciones de viento predeterminadas, hasta una posicion de seguridad.
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el control de todos los motores (9) de los concentradores solares parabolicos (5) se hace adicionalmente en funcion de la temperatura de cada concentrador solar parabolico, del consumo de vapor y/o de la velocidad del viento, girandose los concentradores solares parabolicos (5) concretos, si es necesario, hasta la posicion de no focalizacion o la posicion de seguridad.
  3. 3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque, si se supera una temperatura predeterminada en algun concentrador solar parabolico, este se gira hasta la posicion de no focalizacion.
  4. 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1-3, caracterizado porque, si se supera una primera velocidad de viento durante un intervalo de tiempo predeterminado, se giran los concentradores solares parabolicos (5) exteriores segun la direccion del viento hasta la posicion de seguridad y, si se supera una segunda velocidad de viento durante un intervalo de tiempo predeterminado, se giran todos los concentradores solares parabolicos (5) hasta la posicion de seguridad
  5. 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque la superficie del espejo (17) de los concentradores solares parabolicos (5) queda orientada, en su posicion de seguridad, hacia el suelo y hacia un concentrador solar parabolico (5) adyacente.
  6. 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque, si no se alcanza un consumo de vapor predeterminado, algun o algunos concentradores solares parabolicos (5) se giran hasta una posicion de no focalizacion.
  7. 7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el control de los motores (9) de los concentradores solares parabolicos (5) se hace adicionalmente en funcion de la irradiacion solar directa medida.
ES12758859.8T 2011-09-14 2012-09-13 Procedimiento de control de una central termosolar con vaporización directa Active ES2628908T3 (es)

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DE102011082711 2011-09-14
PCT/EP2012/067987 WO2013037909A2 (de) 2011-09-14 2012-09-13 Verfahren zur steuerung eines solarthermischen kraftwerks mit direktverdampfung

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