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ES2646761T3 - Caldera de calor solar y planta de generación de energía eléctrica de calor solar - Google Patents

Caldera de calor solar y planta de generación de energía eléctrica de calor solar Download PDF

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ES2646761T3
ES2646761T3 ES12804474.0T ES12804474T ES2646761T3 ES 2646761 T3 ES2646761 T3 ES 2646761T3 ES 12804474 T ES12804474 T ES 12804474T ES 2646761 T3 ES2646761 T3 ES 2646761T3
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ES
Spain
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steam
water
temperature heating
heating device
heat
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ES12804474.0T
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English (en)
Inventor
Takahiro Marumoto
Tetsuo Sikata
Kenso Arita
Jun Kashima
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Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
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Publication date
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Abstract

Una caldera de calor solar, que comprende: un dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura que incluye un tubo de trasferencia de calor que está dispuesto horizontalmente de manera que el agua suministrada desde una bomba (11) de suministro de agua puede circular a través del tubo de trasferencia de calor, y un espejo reflectante que recolecta luz solar en el tubo de transferencia de calor, de manera que el dispositivo de calentamiento a baja temperatura puede calentar el agua mediante el calor de la luz solar; un dispositivo (4) de separación vapor-agua mediante el cual un fluido de dos fases de agua y de vapor generado en el dispositivo de calentamiento a baja temperatura es separado en agua y vapor; un dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura mediante el cual el vapor separado por el dispositivo (4) de separación vapor-agua es sobrecalentado por el calor de la luz solar; y una bomba (15) de circulación mediante la cual el agua separada por el dispositivo (4) de separación vapor-agua es suministrada al dispositivo de calentamiento a baja temperatura, caracterizada porque el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura, el dispositivo (4) de separación vapor-agua y la bomba (15) de circulación están colocados en o cerca de una superficie del terreno, y el dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura se ha colocado en un sitio más alto que el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo (4) de separación vapor-agua; y un medidor (29) de nivel de agua que mide un nivel de agua en el dispositivo (4) de separación vapor-agua, una válvula (19) de suministro de agua que ajusta el caudal de agua suministrada al dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura, y una válvula (37) de control de caudal de circulación que ajusta la cantidad de agua que circula entre el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo (4) de separación vapor-agua están previstos de manera que el caudal del agua suministrada o la cantidad de agua que circula se puede ajustar mediante la válvula (19) de suministro de agua o la válvula (37) de control de caudal de circulación con el nivel de agua en el dispositivo (4) de separación vapor-agua siendo establecido a un valor predeterminado.

Description

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DESCRIPCION
Caldera de calor solar y planta de generacion de ene^a electrica de calor solar Campo tecnico
La presente invencion se refiere a una caldera de calor solar para recolectar calor del sol y generar vapor utilizando el calor, y una planta de generacion de energfa electrica de calor solar que utiliza la caldera de calor solar. De forma particular, se refiere a una caldera de calor solar que no es cara y es capaz de evitar el dano termico a un tubo de transferencia, y una planta de generacion de energfa electrica de calor solar que utiliza la caldera de calor solar.
Antecedentes del estado de la tecnica
En algunos lugares, la cantidad de calor recolectado en una caldera de calor solar de forma inevitable repite un aumento y disminucion repentinos de acuerdo con la cantidad de radiacion solar que vana de forma imprevisible en un corto periodo de tiempo debido a la luz solar bloqueada por las nubes o similar.
Por otro lado, las calderas de calor solar a menudo estan introducidas en una region denominada cinturon solar, es decir, una region en la que la radiacion normal directa (DNI) anual esta mas alla de los 2000 kWh/m2, con el fin de tener una cantidad total anular de calor recolectado tan grande como sea posible.
Esta normalmente soleado en el cinturon de sol a lo largo de todo el ano, y la cantidad de radiacion solar diffcilmente cambia de forma repentina debido al cambio en el tiempo. Por tanto, la cantidad estable de calor recolectado a lo largo del tiempo evita que aflore a la superficie el problema mencionada anteriormente.
En regiones distintas del cinturon de sol, por ejemplo, Japon, sin embargo, la cantidad de radiacion solar frecuentemente cambia de forma repentina en un dfa debido al cambio en el tiempo al movimiento de las nubes de manera que puede aparecer de forma repetida un aumento o disminucion repentinos en la cantidad de calor recolectado. Es por lo tanto importante tomar medidas contra dicho problema.
Las plantas de generacion de energfa solar de concentracion son aproximadamente clasificadas en plantas de generacion de energfa electrica de tipo autonoma y plantas de generacion de energfa electrica de tipo integrada. En las plantas de generacion de energfa electrica de tipo autonoma, el calor puede asegurarse mayoritariamente mediante calor solar y parcialmente respaldado con un combustible fosil, etc. por otro lado, en las plantas de generacion de energfa electrica de tipo integrada, el calor se asegura mayoritariamente mediante un combustible fosil o un combustible nuclear y se respalda parcialmente con el calor solar.
En cada tipo de plantas de generacion de energfa electrica de tipo autonoma y plantas de generacion de energfa electrica de tipo integrada, el calor de la luz solar es recolectado y utilizado como fuente de calentamiento, y ambos tipos pueden utilizar sustancialmente colectores solares comunes.
Los colectores solares utilizados tfpicamente incluyen los de tipo pasante, los de tipo de Fresnel, los de tipo de torre, etc. En un colector solar de tipo pasante, un tubo de trasferencia de calor esta dispuesto por encima de una superficie curvada circunferencial interior de un espejo reflectante que se extiende como un pasaje de manera que la luz solar puede ser recolectada en el tubo de trasferencia de calor mediante el espejo. Por tanto, el agua que circula en el tubo de trasferencia de calor es calentada para generar vapor. En un colector solar de tipo de Fresnel, varios espejos reflectantes que tienen superficies planas o superficies ligeramente curvadas son dispuestos uno al lado del otro formando angulos que difieren poco a poco unos de otros, y varios de los tubos de transferencia de calor esta dispuesta por encima del grupo de reflectantes de manera que la luz solar sea recolectada para generar vapor. En un colector solar de tipo de torre, un panel de tubo de trasferencia de calor esta dispuesto en una torre que tiene una altura determinada y un gran numero de espejos reflectantes (heliostatos) estan dispuestos sobre la superficie del terreno de manera que la luz solar puede ser recolectada en el panel de tubo de transferencia de calor mediante un grupo de espejos reflectantes (heliostatos) para generar vapor.
Entre otros, en el tipo pasante y en el tipo de Fresnel, la longitud focal es tan corta que la relacion de concentracion de la luz solar (la densidad de calor en una porcion de recoleccion de calor) es baja. Por otro lado, el tipo de torre tiene una ventaja de que la longitud focal es tan larga que la relacion de concentracion de la luz solar (la densidad de calor en una porcion de recoleccion) es alta.
La densidad de calor alta en una porcion de recoleccion de calor lleva a un incremento en la cantidad de calor recolectada por unidad de area de transferencia de calor, de manera que se puede obtener un vapor a una temperatura mas alta. Sin embargo, cuando la densidad de calor se aumenta simplemente para hacer un cambio de fase de un estado acuoso a vapor sobrecalentado, entonces surge un problema de que se forma localmente un area de alta temperatura para por tanto provocar un dano a los tubos de transferencia o similares.
En la caldera de generacion de energfa termica o similar, la cantidad de combustible es gestionada de forma adecuada para evitar dicho dano a cualquier tubo de transferencia de calor. En el caso de calor solar, sin embargo,
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la cantidad de entrada de calor fluctua de forma tan grande que es diffcil evitar el dano termico a los tubos de transferencia de calor.
Para resolver dicho problema en el tipo de torre con una densidad de calor alta, se ha propuesto una caldera de calor solar configurada tal y como se muestra en la figura 17 y en la figura 18, por ejemplo, en la literatura de patente 1, la literatura de patente 2, etc.
La figura 17 es un diagrama de configuracion esquematico de una caldera de calor solar. La figura 18 es un diagrama de configuracion esquematico aumentado de un dispositivo de recoleccion de calor para el uso en la caldera de calor solar.
En las figuras 17 y 18, la referencia numerica 1 representa un dispositivo 2 de recoleccion de calor; 2, un evaporador; 3, un sobrecalentador; 4, un dispositivo de separacion vapor-agua; 5, una torre; 6, un heliostato; 7, el sol; 8, una turbina de vapor; 9, un generador de energfa electrica; y 11, una bomba de suministro de agua.
Tal y como se muestra en la figura 18, el dispositivo 1 de recoleccion de calor esta dividido de forma funcional en el evaporador 2 y el sobrecalentador 3, y el dispositivo 4 de separacion vapor-agua esta colocado entre el evaporador 2 y el sobrecalentador 3. El dispositivo 1 de recoleccion de calor esta colocado sobre la torre 5 que tiene aproximadamente de 30 a 100 metros de alto. La luz del sol 7 es reflejada por los heliostatos 6 colocados sobre el terreno y condensada en el dispositivo 1 de recoleccion de calor de manera que calienta al evaporador 2 y al sobrecalentador 3. El vapor sobrecalentado generado en el dispositivo 1 de recoleccion de calor es enviado a la turbina 8 de vapor de manera que gira el generador 9 de energfa electrica. Se genera energfa electrica en dicho mecanismo.
Ademas, la figura 19 es un diagrama de configuracion esquematica de un sistema de generacion de energfa electrica de calor solar descrito en la patente US No. 7,296,410 (literatura de patente 3). En la figura 19, la referencia numerica 200 representa un sistema de generacion de energfa electrica de calor solar; 201, un canal de fluido; 202, una valvula; 203, una bomba; 204, un dispositivo pasante; 205, un tubo de recoleccion de calor; 206, un colector de calor solar; 207, una torre; 208, un tanque de almacenamiento de calor a baja temperatura; 209, un tanque de almacenamiento de calor intermedio; 210, un tanque de almacenamiento de calor a alta temperatura; 211, un dispositivo de generacion de salida alta; 212, una turbina; y 213, un generador de energfa electrica.
En el sistema de generacion de energfa electrica de calor solar, un fluido de transferencia de calor almacenado en un tanque 208 de almacenamiento de calor a baja temperatura es suministrado a los dispositivos 204 pasante mediante la bomba 203, y calentado por calor derivado de la luz condensada del sol 106. El fluido de transferencia de calor calentado adicionalmente en la torre 207 es entonces enviado al tanque 210 de almacenamiento de calor a alta temperatura. El fluido de transferencia de calor enviado al tanque 210 de almacenamiento de calor a alta temperatura es enviado al dispositivo 211 de generacion de salida alta mediante la bomba 203. El fluido de transferencia de calor cuya temperatura ha disminuido debido al intercambio de calor es retornado al tanque 208 de almacenamiento de calor a baja temperatura.
Por otro lado, la configuracion se realiza de tal manera que el vapor generado por el dispositivo 211 de generacion de salida alta es enviado a la turbina 212 de manera que se genera energfa electrica mediante el generador 213 de energfa electrica.
Ademas, la figura 20 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de recoleccion de calor/luz solar descrita en la patente US No. 8,087,245 (literatura de patente 4). En la figura 20, la referencia 301 numerica representa un colector de tipo pasante; 302, una torre con heliostatos; 303, un almacenamiento de calor a baja temperatura; 304, un almacenamiento de calor a alta temperatura; 305, un dispositivo auxiliar que utiliza un combustible fosil; 306, una turbina; 307, un generador de energfa electrica; 308, un condensador; y 309, una bomba.
En la planta de recoleccion de calor/luz solar, el agua es enviada al colector 301 de tipo pasante por la bomba 309 y calentada por el calor del sol de manera que genera un vapor saturado. El vapor saturado generado es enviado a la torre con heliostatos 302. La turbina 306 es accionada por el vapor sobrecalentado generado por tanto, de manera que genera energfa electrica en el generador 307 de energfa electrica.
El vapor es convertido en agua en el condensador 308, y el agua es suministrada de nuevo a la bomba 309. Ademas, la configuracion incluye una lmea en la cual el vapor saturado del colector 301 de tipo pasante no es circulado en la torre con heliostatos 302 pero se pasa a traves del dispositivo 305 auxiliar que utiliza un combustible fosil de manera que genera vapor sobrecalentado.
Lista de citacion
Literatura de patente
Literatura de patente 1: WO 2009/129166A2. Literatura de patente 2: WO 2010/048578A1. Literatura de patente 3: Patente US No. 7,296,410. Literatura de patente 4: Patente US No. 8,087,245. El documento WO 2009/129166A2 divulga las caractensticas de la porcion precaracterizante de la reivindicacion 1.
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Resumen de la invencion Problema tecnico
En la tecnica de los antecedentes del estado de la tecnica mencionados anteriormente mostrados en las figuras 17 y 18, es, sin embargo necesario, colocar no solo el evaporador 2 y el sobrecalentador 3 sino tambien un dispositivo 4 de separacion vapor-agua en una porcion superior de la torre 5 que tiene de 30 a 100 metros de alto. Es por lo tanto necesario construir la torre 5 lo suficientemente fuerte para soportar terremotos, etc. y para soportar no solo las cargas del evaporador 2 y el sobrecalentador 3 que son conjuntos de un gran numero de tubos de transferencia de calor sino tambien las cargas del dispositivo 4 de separacion vapor-agua que contienen internamente el agua saturada. Por lo tanto, hay un problema de que aumentan el coste de instalacion y el coste de construccion.
Adicionalmente, el agua debe ser bombeada al dispositivo 4 de separacion vapor-agua en un sitio elevado por la bomba 11 de suministro de agua. Por lo tanto, la bomba 11 de suministro de agua puede tener una alta capacidad de bombeado y ser cara. Por tanto, aumenta el coste de instalacion y el coste de funcionamiento.
Ademas, la cantidad de calor recolectado en el dispositivo uno de recoleccion de calor debe suprimirse con el fin de evitar un dano termico a los tubos de transferencia de calor que constituyen el evaporador 2 y el sobrecalentador 3. Por tanto, hay otro problema de que fluctua el volumen y la temperatura del vapor suministrado a la turbina 8 de vapor, con el resultado de que la cantidad de generacion de energfa no es constante.
En la tecnica de los antecedentes del estado de la tecnica mostrada en la figura 19, el dispositivo 211 de generacion de salida alta se requiere para un intercambio de calor entre el fluido de transferencia de calor y el agua-vapor. Ademas, el tanque 208 de almacenamiento de calor a baja temperatura, el tanque 209 de calor intermedio y el tanque 210 de calor a alta temperatura, etc., se requieren para suprimir el cambio de temperatura provocado por la fluctuacion de la radiacion solar para por tanto estabilizar la salida del generador 307 de energfa electrica. Por tanto, hay un problema de que aumenta el coste de instalacion y de que aumenta el espacio de instalacion.
Por otro lado, en la tecnica de los antecedentes del estado de la tecnica mostrada en la figura 20, los tubos de recoleccion de calor horizontales estan colocados en el colector 301 de tipo pasante. Por lo tanto, la fluctuacion de la radiacion solar conduce a un cambio en el estado fluido de un flujo de dos fases de vapor y agua en los tubos de recoleccion de calor horizontales. Por tanto, la porcion inferior de cada tubo es llenada con agua y la porcion superior del tubo es llenada con vapor. En el colector 301 de tipo pasante es calentado en un lado, la temperatura en el lado (porcion superior) donde existe el vapor aumenta de forma extraordinaria. Es por lo tanto posible que los tubos de recoleccion de calor puedan ser danados.
Ademas, el dispositivo 305 auxiliar que utiliza un combustible fosil debe estar colocado para soportar la fluctuacion de la radiacion solar. Hay un problema por tanto de que aumenta el coste de instalacion y el coste de funcionamiento.
Para solucionar dichas desventajas que pertenecen a las tecnicas de los antecedentes del estado de la tecnica, un objeto de la presente invencion es proporcionar una caldera de calor solar capaz de evitar el dano termico del tubo de trasferencia de calor sin aumentar el coste de instalacion y el coste de construccion, y capaz de suprimir la fluctuacion en la cantidad de generacion de energfa en una turbina de vapor para por lo tanto suministrar una electricidad de alta calidad, y una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo autonoma o de tipo integrada que utilice la caldera de calor solar.
Solucion al problema
Con el fin de obtener el objeto anterior, de acuerdo con una primera configuracion de la presente invencion, se proporciona una caldera de calor solar como se define en la reivindicacion 1.
De acuerdo con una tercera configuracion de la invencion, se proporciona una caldera de calor solar de acuerdo con la primera o segunda configuracion, en donde: el dispositivo de calentamiento a baja temperatura incluye un colector solar de tipo pasante en el cual un tubo de transferencia de calor esta dispuesto por encima de una superficie curvada circunferencial interior de un espejo reflectante que se extiende como un pasaje de manera que la luz solar puede ser recolectada en el tubo de transferencia de calor mediante el espejo reflectante para calentar el agua que circula a traves del tubo de transferencia de calor y generar vapor, o un colector solar de tipo Fresnel en el cual varios espejo reflectantes que tienen superficie sustancialmente planas estan dispuestos uno al lado del otro y un tubo de transferencia de calor esta dispuesto por encima del grupo de espejos reflectantes de manera que la luz solar pueda ser recolectada en el tubo de transferencia de calor mediante el grupo de espejo reflectantes para calentar agua que circula a traves del tubo de transferencia de calor y generar vapor; y el dispositivo de calentamiento a alta temperatura incluye un colector solar de tipo torre en el cual un panel de tubo de transferencia de calor esta colocado en una torre que tiene una altura predeterminada y un gran numero de espejos reflectantes estan dispuestos sobre una superficie del terreno de manera que la luz solar pueda ser recolectada en el panel de tubo de trasferencia de calor por el grupo de espejos reflectantes para calentar agua que circula a traves del panel de tubo de transferencia de calor y generar vapor.
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De acuerdo con una cuarta configuracion de la invencion, se proporciona una caldera de calor solar de acuerdo con cualquiera de la primera a tercera configuraciones, en donde:
la temperatura del fluido de salida en el dispositivo de calentamiento a baja temperatura es regulada a 300°C o menos.
De acuerdo con una quinta configuracion de la invencion, se proporciona una caldera de calor solar de acuerdo con la cuarta configuracion, en donde:
un termometro y un caudalfmetro son colocados en una salida del dispositivo de calentamiento a baja temperatura y se ajusta un caudal de agua suministrada al dispositivo de calentamiento a baja temperatura de manera que una temperatura medida por el termometro y un caudal medido por el caudalfmetro se pueden establecer a valores predeterminados.
De acuerdo con una sexta configuracion de la invencion, se proporciona una caldera de calor de acuerdo con la cuarta configuracion, en donde:
un termometro y un caudalfmetro son colocados en una salida de un dispositivo de calentamiento a baja temperatura y se ajusta la cantidad de calor recolectado en el dispositivo de calentamiento a baja temperatura, de manera que la temperatura medida por el termometro y el flujo medido por el caudalfmetro se puede establecer a valores predeterminados.
De acuerdo con una septima configuracion de la invencion, se proporciona una caldera de calor solar de acuerdo con cualquiera de la primera a quinta configuraciones, en donde:
un termometro y un caudalfmetro son colocados en una salida de un dispositivo de calentamiento a baja temperatura y se ajusta la cantidad de calor recolectado en el dispositivo de calentamiento a baja temperatura de acuerdo con un valor de una temperatura medida por el termometro y de un valor de caudal medido por el caudalfmetro.
Efectos ventajosos de la invencion
De acuerdo con la invencion configurada tal y como se describio anteriormente, es posible proporcionar una caldera de calor solar capaz de evitar el dano termico a un tubo de trasferencia de calor sin aumentar el coste de instalacion y el coste de construccion, y capaz de suprimir la fluctuacion en la cantidad de generacion de energfa en una turbina de vapor para por lo tanto suministrar una electricidad de alta calidad, y una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo autonoma o de tipo integrada que utiliza la caldera de calor solar.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un primer ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 2: una vista que muestra los principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo torre, donde se coloca un dispositivo de calentamiento de alta temperatura.
La figura 3: un diagrama de configuracion esquematico aumentado de un panel de tubo de trasferencia de calor para el uso en el dispositivo de calentamiento de alta temperatura.
La figura 4: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un segundo ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 5: una vista que muestra principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo pasante.
La figura 6: una vista que muestra los principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo Fresnel.
La figura 7: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un tercer ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 8: una vista en seccion aumentada parcialmente que muestra las inmediaciones del tubo de trasferencia de calor para el uso en un colector solar de tipo pasante (o tipo Fresnel).
La figura 9: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un cuarto ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 10: un diagrama que muestra un ejemplo en el cual es ajustado el grado de apertura de una valvula de extraccion de vapor prevista en el lado de salida de una turbina de vapor, de acuerdo con un cambio en la cantidad de vapor que pasa a traves de la valvula de vapor prevista en el lado de salida de un dispositivo de calentamiento a alta temperatura de acuerdo con el cuarto ejemplo.
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La figura 11: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de ene^a electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un quinto ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 12: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un sexto ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 13: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo autonoma de acuerdo con un septimo ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 14: un grafico caractenstico que muestra la relacion entre el nivel L de agua en un dispositivo de separacion vapor-agua y una calidad X de vapor de salida en un dispositivo de calentamiento a baja temperatura.
La figura 15: (a) es una vista que muestra la clasificacion de estados de fluido en un flujo de dos fases de agua y de vapor en un tubo de transferencia de calor horizontal de un dispositivo de calentamiento a baja temperatura y (b) una vista esquematica que muestra cada estado de fluido del flujo de dos fases de agua y de vapor en un tubo de trasferencia de calor horizontal.
La figura 16: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un octavo ejemplo util para comprender la invencion.
La figura 17: un diagrama de configuracion esquematico de una caldera de calor solar de acuerdo con los antecedentes del estado de la tecnica.
La figura 18: un diagrama de configuracion esquematico aumentado de un dispositivo de recoleccion de calor para el uso en la caldera de calor solar.
La figura 19: un diagrama de configuracion esquematico de un sistema de generacion de energfa electrica de calor solar propuesto en la literatura de patente 3.
La figura 20: un diagrama de configuracion esquematico de una planta de recoleccion de calor/luz solar propuesta en la literatura de patente 4.
Descripcion
(Primer ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 1 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un primer ejemplo util para comprender la invencion.
En esta planta de generacion de energfa electrica de calor solar, tal como la mostrada en la figura 1, el agua suministrada desde una bomba 11 de suministro de agua es enviada a un calentador 12 de suministro de agua a traves de una valvula 19 de suministro de agua. El agua calentada por tanto por el calentador 12 de suministro de agua es introducida en un dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura a traves de un dispositivo 4 de separacion vapor-agua. En el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura, el agua suministrada es calentada por la luz 32 del sol 7. El agua es circulada entre el dispositivo 4 de separacion vapor-agua y el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura mediante una bomba 15 de circulacion.
El fluido de dos fases de agua y de vapor generado en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura es separado en agua saturada y vapor saturado por el dispositivo 4 de separacion vapor-agua. El vapor separado es enviado a un dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura colocado en una torre 16. El vapor introducido en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es ademas sobrecalentado mediante el calor solar reflejado por los heliostatos 6 e introducido en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura.
El vapor sobrecalentado generado en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura esta disenado para girar una turbina 8 de vapor de manera que se pueda generar energfa electrica mediante un generador 9 de energfa electrica, debido al giro de la turbina 8 de vapor. Con el fin de ajustar la cantidad de vapor suministrada a la turbina 8 de vapor, la valvula 19 de suministro de agua esta colocada entre la bomba 11 de suministro de agua y el calentador 12 de suministro de agua, y una valvula 18 de vapor esta colocada entre el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura y la turbina 8 de vapor.
La figura 2 es una vista que muestra los principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo torre donde se coloca el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura.
En el colector solar de tipo torre, como el mostrado en la figura 2, el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura (panel 27 de tubo de transferencia de calor) esta colocado sobre la torre 16 que tiene una altura predeterminada (aproximadamente de 30 a 100 metros). Por otro lado, un gran numero de heliostatos 6 son dispuestos sobre la superficie del terreno de manera que miran en varias direcciones. Los heliostatos 6 estan disenados para seguir el movimiento del sol 7 de manera que la luz podra ser recolectada en el dispositivo 14 de
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calentamiento a alta temperatura (panel 27 de tubo de trasferencia de calor) mediante el grupo de heliostatos 6 de manera que generen un vapor sobrecalentado.
El colector solar de tipo torre puede generar vapor a una temperatura mas alta que un colector solar de tipo pasante. Por tanto, el colector solar de tipo torre tiene el merito de que la eficiencia de la turbina se puede aumentar para obtener una energfa electrica mayor.
La figura 3 es un diagrama de configuracion esquematico ha aumentado del panel 27 de tubo de transferencia de calor para utilizar en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura. El panel 27 de tubo de trasferencia de calor esta constituido por un cabezal 22 inferior de sobrecalentador, un gran numero de tubos 21 de trasferencia de calor de sobrecalentador, y un cabezal 23 superior de sobrecalentador. El cabezal 22 inferior de sobrecalentador distribuye vapor desde el dispositivo 4 de separacion vapor-agua de forma uniforme. Los tubos 21 de transferencia de calor de sobrecalentador estan dispuestos en paralelo de manera que el vapor distribuido por el cabezal 22 inferior de sobrecalentador puede circular se a traves de los tubos 21 de transferencia de calor del sobrecalentador. El cabezal 23 superior del sobrecalentador recolecta el vapor sobrecalentado que fluye fuera de los tubos 21 de trasferencia de calor del sobrecalentador. El vapor sobrecalentado expulsado del cabezal 23 superior del sobrecalentador es suministrado a la turbina 8 de vapor.
El dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 4 de separacion vapor-agua contienen una gran cantidad de agua internamente por lo tanto cada dispositivo es pesado en su conjunto. Por tanto, el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 4 de separacion vapor-agua estan colocados en la superficie del terreno o cerca de la superficie del terreno mediante el uso de un cimiento bajo, el cual, por ejemplo, tiene aproximadamente de 1 a 2 metros. Dado que el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 4 de separacion vapor-agua son por tanto colocados en o cerca de la superficie del terreno, no es necesario bombear agua a un sitio que tiene, por ejemplo, de 30 a 100 metros de alto como en los antecedentes del estado de la tecnica. Por lo tanto, se puede utilizar una bomba 11 de suministro de agua que tiene una capacidad baja de bombeo y es barata.
Por otro lado, la luz 32 de los heliostatos 6 es recolectada con una densidad optica alta en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura. Por lo tanto, el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es colocado en un sitio que tiene 10 metros o mas (por ejemplo, 30 a 100 metros) de altura desde la superficie del terreno. Dado que el fluido que fluye dentro del dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es solo vapor, el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es mucho mas ligero en peso y mucho mas pequeno en tamano que el dispositivo 1 de recoleccion de calor de los antecedentes del estado de la tecnica (ver la figura 18), el cual esta constituido por el evaporador 2, el sobrecalentador 3 y el dispositivo 4 de separacion vapor-agua. Circunstancialmente, la relacion en la cantidad de calor recolectado entre el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es generalmente de 9:1 a 7:3. La cantidad de calor recolectado en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura es mucho menor que la del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, la bomba 15 de circulacion esta colocada en un canal desde el dispositivo 4 de separacion vapor-agua hasta el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura. La temperatura de uso de la bomba 15 de circulacion puede disminuirse en comparacion con la del caso en el que la bomba 15 de circulacion este colocada en un canal desde el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura hasta el dispositivo 4 de separacion vapor-agua. Por tanto, no es necesario utilizar una bomba que tenga una alta resistencia y un alto precio, sino que es posible reducir el coste y mejorar la fiabilidad. Este efecto tambien se puede obtener en cada ejemplo en y despues de un segundo ejemplo de la misma manera.
(Segundo ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 4 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un segundo ejemplo util para comprender la invencion.
En el ejemplo, se utiliza un dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura que consta de un colector solar de tipo pasante. La otra configuracion, el mecanismo de generacion de energfa electrica, etc. son similares a los del primer ejemplo mencionado anteriormente y se omitira una descripcion redundante de los mismos.
La figura 5 es una vista que muestra principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo pasante.
El colector solar de tipo pasante tiene el siguiente mecanismo, tal y como se muestra en la figura 5. Es decir, un tubo
31 de trasferencia de calor esta dispuesto horizontalmente en una posicion focal por encima de una superficie curvada circunferencial interior de cada espejo 30 reflectante que se extiende como un pasaje, de manera que la luz
32 solar puede ser recolectada en el tubo 31 de transferencia de calor por el espejo 30 reflectante. El agua 33 circula a traves de cada tubo 31 de transferencia de calor. El agua 33 es calentada por el calor recolectado en el tubo 31 de transferencia de calor de manera que se puede obtener fluido 34 de dos fases de agua y de vapor desde el tubo 31 de transferencia de calor.
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El colector solar de tipo pasante tiene el merito de que no requiere ninguna tecnica de condensacion de luz avanzada sino que la estructura es comparativamente simple.
Aunque se utiliza el dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura que consta de un colector solar de tipo pasante en el ejemplo, se puede utilizar un dispositivo de calentamiento a baja temperatura que consta de un colector solar de tipo Fresnel.
La figura 6 es una vista que muestra principios para explicar la configuracion y demas de un colector solar de tipo Fresnel.
El colector solar de tipo Fresnel tiene el siguiente mecanismo, tal y como se muestra en la figura 6. Es decir, varios espejos 35 reflectantes que tienen superficies planas o superficies ligeramente curvadas estan dispuestos uno al lado de otro formando angulos que refieren poco a poco unos de otros, y un grupo de tubos 31 de ayuno de trasferencia de calor formados como un panel estan dispuestos horizontalmente varios metros por debajo del grupo de espejos 35 reflectantes.
El mecanismo funciona como sigue. La luz 32 solar es recolectada en el grupo de tubos 31 de transferencia de calor mediante el grupo de espejos 35 reflectantes, de manera que el agua 33 que circula a traves de cada tubo 31 de trasferencia de calor puede calentarse. Por tanto, se puede obtener un fluido 34 de dos fases de agua y de vapor a partir del tubo 31 de transferencia de calor.
El colector solar de tipo Fresnel puede ser fabricado mas facilmente y de forma mas barata que los espejos 30 reflectantes curvados de tipo pasante. El colector solar de tipo Fresnel tiene otro merito de que los espejos 35 reflectantes son raramente afectados por la presion del viento.
(Tercer ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 7 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma de acuerdo con un tercer ejemplo util para comprender la invencion.
En el ejemplo, tal y como se muestra en la figura 7, se disponen un termometro 25 y un caudalfmetro 28 para medir la temperatura y el caudal del fluido en el lado exterior de un dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura. Las senales de medida del termometro 25 y del caudalfmetro 28 son suministradas a una unidad 26 aritmetica. En la unidad 26 aritmetica, una senal de control para controlar el grado de apertura de la valvula 19 de suministro de agua, es decir, el caudal de agua suministrado es expulsado hasta la valvula 19 de suministro de agua de manera que se hace que la temperatura del fluido de salida del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura nunca sea mas alta de 300°C.
Cuando la temperatura del fluido de salida del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura esta limitada a 300°C o menos de esta manera, hay un merito de que la estructura del dispositivo 24 de calentamiento de baja temperatura que consta de un colector solar de tipo pasante (o de tipo Fresnel) se puede simplificar mientras que se suprime la disminucion de la incidencia de trasferencia de calor. De forma espedfica, es imposible suprimir la rotura en un tubo de cristal periferico provocada por la diferencia en la expansion termica entre el tubo de trasferencia de calor y el tubo de cristal periferico y el enfriamiento por radiacion causado por el aumento en la temperatura superficial del tubo de trasferencia de calor, los cuales son problemas que se han de solucionar cuando se utilice un colector solar de tipo pasante (o de tipo Fresnel) bajo una alta temperatura.
La figura 8 es una vista en seccion aumentada parcialmente que muestra las proximidades del tubo de trasferencia de calor para el uso en un colector solar de tipo pasante (o de tipo Fresnel). Tal y como se muestra en la figura 8, un tubo 42 de cristal periferico esta dispuesto sobre la periferia de un tubo 38 de trasferencia de calor de manera que forma una estructura doble. El tubo 42 de cristal periferico esta previsto para conseguir un estado hermetico o un estado de vacfo entre el tubo 38 de transferencia de calor y el tubo 42 de cristal periferico de manera que se puede suprimir la radiacion del tubo 38 de transferencia de calor horizontal hacia el aire exterior.
Una pluralidad de tubos 38 de trasferencia de calor estan unidos juntos como un tubo 38 de transferencia de calor largo. Los tubos 38 de trasferencia de calor estan hechos de un metal tal como acero inoxidable al carbono. Por lo tanto, los tubos 38 de trasferencia de calor pueden estar formados en una longitud predeterminada mediante soldadura 43 entre sf, tal y como se muestra en la figura 8.
Por otro lado, los tubos 42 prendidos de cristal perifericos no pueden ser soldados entre sf directamente. Tal y como se muestra en la figura 8, tubos 44 de union hechos de metal estan dispuestos en los lados interior y exterior de una porcion de union entre tubos 42 de cristal perifericos, y los tubos 42 de cristal perifericos son soldados con los tubos 44 de union de manera que forman una estructura en la cual los tubos 42 de cristal perifericos estan unidos entre sf a traves de los tubos 44 de union para tener una longitud predeterminada.
El tubo 38 de trasferencia de calor unido a una longitud determinada es insertado dentro del tubo 42 de cristal periferico unido a una longitud predeterminada de esta manera, y fijado dentro del colector solar. Por tanto, cuando la diferencia en la expansion termica entre el tubo 38 de trasferencia de calor y el tubo 42 de cristal periferico
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aumenta, puede suceder la rotura cercana a la porcion de union entre el tubo 42 de cristal periferico y el tubo 44 de union.
Adicionalmente, hay otro problema de que la radiacion de calor hacia el aire exterior se puede incrementar debido a un fenomeno de enfriamiento por radiacion (movimiento de calor en un cuarto de la ene^a de una diferencia de temperatura) cuando la diferencia en la temperatura entre la temperatura superficial del tubo 38 de trasferencia de calor y el aire exterior aumenta debido a un aumento de la temperatura superficial del tubo 38 de trasferencia de calor.
En el ejemplo, por lo tanto, la temperatura de fluido de salida del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura esta limitada a 300°C o menos, de forma espedfica dentro de un rango desde 250°C a 300°C, de manera que se suprime la rotura en el tubo 42 de cristal periferico provocada por la diferencia en la expansion termica entre el tubo 38 de trasferencia de calor y el tubo 42 de cristal periferico y el enfriamiento por radiacion provocado por el aumento en la temperatura superficial del tubo 38 de trasferencia de calor.
La cantidad de calor recolectado en el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura se puede ajustar basandose en las senales de medida del termometro 25 y del caudalfmetro 28 de manera que se hace que la temperatura del fluido de salida del dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura no sea inferior a 300°C. El grado de apertura de la valvula 19 de suministro de agua es ajustado para cambiar el caudal de suministro de agua para por lo tanto ajustar la cantidad de calor recolectado.
La otra configuracion, el mecanismo de generacion de energfa electrica, etc., son similares a los del segundo ejemplo mencionado anteriormente, y se omitira una descripcion redundante de los mismos.
Aunque el termometro 25 y el caudalfmetro 28 son colocados en el lado exterior del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura y el caudal de agua suministrada al dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura es ajustado para establecer la temperatura medida y el caudal en valores predeterminados en el ejemplo, la cantidad de calor recolectado en el dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura se puede ajustar de manera que la temperatura y el caudal medidos por el termometro 25 y el caudalfmetro 28 colocados en el lado exterior del dispositivo de 24 de calentamiento a baja temperatura se pueden establecer en valores predeterminados.
(Cuarto ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 9 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un cuarto ejemplo util para comprender la invencion, en el cual una planta de caldera y una planta de generacion de energfa electrica de calor solar se combinan de manera que se puede generar el vapor quemando combustible, el calor generado del mismo (por ejemplo, en el caso de un combustible nuclear, o el calor recuperado de un gas de escape.
La planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada incluye una planta 10 de caldera, una bomba 11 de suministro de agua, una turbina 8 de vapor, un calentador 12 de suministro de agua, etc. adicionalmente a la planta de generacion de energfa electrica de calor solar mostrada en la figura 1. En la planta 10 de caldera el vapor es generado quemando combustible, calor generado del mismo, o calor recuperado de un gas de escape. La bomba 11 de suministro de agua suministra agua a la planta 10 de caldera. La turbina 8 de vapor es accionada por el vapor sobrecalentado generado por la planta 10 de caldera. En el calentador 12 de suministro de agua, el agua suministrada desde la bomba 11 de suministro de agua es calentada utilizando el vapor extrafdo de la turbina 8 de vapor.
En la planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada, una parte mayoritaria del agua suministrada desde la bomba 11 de suministro de agua es suministrada a la planta 10 de caldera, y el agua es finalmente convertida en vapor sobrecalentado quemando combustible no mostrado o calor generado del mismo. El vapor sobrecalentado es enviado a la turbina 8 de vapor para accionar un generador 9 de energfa electrica, el cual genera energfa electrica.
Por otro lado, una parte del vapor es extrafdo de la turbina 8 de vapor y enviado al calentador 12 de suministro de agua a traves de una valvula 17 de extraccion de vapor de manera que caliente el agua suministrada.
Del suministro de agua de la bomba 11 de suministro de agua, el agua excluyendo el agua suministrada a la planta 10 de caldera es suministrada a un dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura a traves de una valvula 20 de suministro de agua. El agua es calentada por la luz 32 del sol 7 y se convierte en un fluido de dos fases de agua y de vapor, en el cual una parte de agua se ha convertido en vapor. El fluido de dos fases de agua y de vapor fluye dentro del dispositivo 4 de separacion vapor John agua. El flujo de dos fases de agua y de vapor es separado en vapor saturado y en aguas saturada mediante el dispositivo 4 de separacion vapor-agua. El agua saturada es suministrada de nuevo al dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura mediante una bomba 15 de circulacion. El vapor saturado separado por el dispositivo 4 de separacion vapor-agua es calentado mediante un dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura y convertido en vapor a alta temperatura. El vapor a alta temperatura es enviado al calentador 12 de suministro de agua (desde A hasta A en la figura 9).
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Adicionalmente, tal y como se ha mostrado en la figura 9, el vapor a alta temperature calentado por el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperature puede ser suministrado a la planta 10 de caldera (desde A hasta A' en la figura 9) o puede ser suministrado a la turbina 8 de vapor junto con el vapor sobrecalentado expulsado desde la planta 10 de calentador (desde A hasta A'' en la figura 9).
La figura 10 es un diagrama que muestra un ejemplo en el cual se ajusta el grado de aperture de la valvula 17 de extraccion de vapor prevista en el lado de salida de la turbina 8 de vapor (ver la figura 10 (b)) de acuerdo con un cambio en la cantidad de vapor que pasa a traves de la valvula 18 de vapor prevista en el lado exterior del dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura (ver la figura 10 (a)) tal y como se muestra en la figura 9.
Tal y como se muestra en la figura 10, el grado de aperture de la valvula 17 de extraccion de vapor es reducido con el aumento de la cantidad de vapor que pasa a traves de la valvula 18 de vapor, y al contrario, el grado de aperture de la valvula 17 de extraccion de vapor se aumenta con la disminucion en la cantidad de vapor que pasa a traves de la valvula 18 de vapor. De esta manera, la valvula 17 de extraccion de vapor se hace funcionar de acuerdo con la cantidad de vapor suministrada desde el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura, de manera que aumenta/reduce (ajusta) la cantidad de vapor extrafda en la turbina 8 de vapor. Por tanto, se puede evitar una gran fluctuacion en la salida de generacion de energfa electrica.
El ajuste de la cantidad de vapor extrafda en la turbina 8 de vapor de acuerdo con la cantidad de vapor suministrada desde el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura tambien se puede aplicar a los siguientes ejemplos.
(Quinto ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 11 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un quinto ejemplo util para comprender la invencion.
El ejemplo es diferente del cuarto ejemplo mencionado anteriormente en que se utiliza un dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura que consta de un colector solar de tipo pasante o de tipo de Fresnel.
La otra configuracion, el mecanismo de generacion de energfa electrica, etc., son similares a los del cuarto ejemplo mencionado anteriormente, y se omitira una descripcion redundante de los mismos.
(Sexto ejemplo util para comprender la invencion)
La figura 12 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con un sexto ejemplo util para comprender la invencion.
En el ejemplo, tal y como se muestra en la figura 12, un termometro 25 para medir la temperatura del fluido y un caudalfmetro 28 son previstos en el lado de salida de un dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura. Las senales de medida del termometro 25 y del caudalfmetro 28 son suministradas a una unidad 26 aritmetica. En la unidad 26 aritmetica, una senal de control para controlar el grado de aperture de una valvula 20 de suministro de agua, es decir, el caudal de suministro de agua, es emitida a la valvula 20 de suministro de agua de manera que se hace que la temperatura del fluido del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura nunca sea mas alta de 300°C.
La razon por la cual la temperatura del fluido de salida del dispositivo 24 de calentamiento a baja temperatura es limitada por tanto a 300°C o menos es similar que en el tercer ejemplo mencionado anteriormente y se omitira una descripcion redundante del mismo.
(Septimo ejemplo y modo de realizacion)
En cualquiera de los ejemplos mencionados anteriormente, el dispositivo 13 (24) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura sirven como colectores solares mediante los cuales se utiliza un fluido que consta de vapor (agua) para accionar finalmente la turbina 8 de vapor, como un fluido termico que es calentado directamente por la luz 32 del sol 7.
Por consiguiente, la caldera de calor solar no utilizara otro intercambiador de calor mas que el dispositivo 13 (24) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura. Por lo tanto, hay una ventaja de que la configuracion de la caldera como un conjunto es suficientemente simple para lograr por tanto la reduccion en el tamano y en el coste o similares.
Por otro lado, cuando el fluido que consta de agua y de vapor es calentado directamente por la luz 32 del sol 7, un cambio de fase de agua a vapor puede ocurrir dentro del tubo de trasferencia de calor en un colector solar de tipo Fresnel o de tipo pasante, particularmente, para el uso en un dispositivo 13 (24) de calentamiento a baja temperatura. Cuando se genera el flujo de dos fases, hay una posibilidad de que el tubo de trasferencia de calor pueda ser danado termicamente de forma local.
Es decir, particularmente en el colector solar de tipo Fresnel o de tipo pasante, de la superficie periferica del dispositivo de transferencia de calor dispuesto horizontalmente, una region en la que se recolecta la luz recibe el
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calor. Por lo tanto, el colector solar de tipo de Fresnel o de tipo pasante tiene una estructura la cual se puede generar facilmente una distribucion no uniforme de flujo de fluido sobre la periferia del tubo de trasferencia de calor.
Por esta razon, cuando el fluido interno forma un flujo de dos fases, hay una posibilidad de que pueda ocurrir una anormalidad en la transferencia de calor debido a un cambio instantaneo en la cantidad de luz y calor recolectados, de manera que se provoque un dano termico a la porcion del tubo de transferencia de calor.
En el colector solar de tipo Fresnel o de tipo pasante, un tubo de trasferencia de calor largo es dispuesto sustancialmente de forma horizontal y colocado en un area amplia. La cantidad de calor recolectado derivado de la luz solar fluctua de forma importante en un dfa, o cambia de repente dependiendo del tiempo. Es por tanto diffcil especificar de antemano la region en la que puede fluir el flujo de dos fases.
Como un resultado, hay un problema de que el tubo de transferencia de calor puede estar hecho completamente de un material de alto rendimiento, es decir, un material caro que sufra diffcilmente dano termico, por lo tanto provocando un incremento en el coste.
El septimo ejemplo y el modo de realizacion de la invencion es una solucion a dicho problema. La figura 13 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo autonoma de acuerdo con el septimo ejemplo y modo de realizacion.
En el modo de realizacion, tal y como se ha mostrado en la figura 13, una valvula 37 de control de caudal que circula de suministro de agua y un caudalfmetro 28 para ajustar el caudal circulante estan previstos en el lado de entrada del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura, y esta previsto un medidor 29 del nivel de agua para detectar el nivel de agua de un dispositivo 4 de separacion vapor-agua.
Una senal de medida de caudal del caudalfmetro 28 y una senal de medida del nivel de agua del medidor 29 de nivel de agua son suministrados a una unidad 26 aritmetica la cual emite una senal de control a una valvula 19 de suministro de agua para ajustar el caudal de suministro de agua y (o) la valvula 37 de control de flujo que circula de suministro de agua para ajustar el caudal circulante, de manera que el nivel de agua del dispositivo 4 de separacion vapor-agua se establezca en un valor previsto.
Cuando el nivel de agua del dispositivo 4 de separacion vapor-agua es controlado en este modo de realizacion, se puede realizar el funcionamiento para evitar que ocurra la separacion de fase en el tubo de trasferencia de calor del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura. Este principio se describira con referencia a la figura 14 y a la figura 15.
La figura 14 es un grafico caractenstico que muestra la relacion entre un nivel L de agua (abscisa) en el dispositivo 4 de separacion vapor-agua y una calidad X de vapor de salida (relacion de caudal de masa de vapor con respecto a caudal de masa total) (ordenada) en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura. Un caudal G de masa total del dispositivo 4 de separacion vapor-agua es utilizado como parametro para mostrar la relacion entre el nivel L de agua y la calidad X de vapor de salida.
La calidad X de vapor de salida del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura se corresponde con la relacion del caudal de masa de vapor con respecto al caudal G de masa total. Adicionalmente, el caudal G de masa total del dispositivo 4 de separacion vapor-agua se corresponde al flujo de fluido que circula en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura a traves del dispositivo 4 de separacion vapor-agua.
La figura 15(a) es una vista que muestra regiones respectivas de estados de fluido clasificados en un flujo de dos fases de agua y de vapor en la tubena 38 de transferencia de calor horizontal del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura, con la calidad X de vapor de salida del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura en la abscisa y el caudal G de masa total del dispositivo 4 de separacion vapor-agua en la ordenada. Los estados de fluido clasificado incluyen un flujo pulverizado, un flujo anular, un flujo de burbujas, un flujo en tramos o un flujo estratificado.
La figura 15(b) es una vista esquematica que muestra cada estado de fluido del flujo de dos fases de agua y de vapor en el tubo 38 de trasferencia de calor horizontal. En la figura 15(b), son representados los estados de un flujo de pulverizacion, un flujo anular, un flujo de burbujas, un flujo en tramos y un flujo estratificado.
En la figura 15(b), en el estado en el que el flujo de dos fases de agua y de vapor es un flujo de pulverizacion, una parte mayoritaria del flujo de dos fases en el tubo el vapor, y gotas de agua muy pequenas acompanadas por el flujo de vapor en el vapor. En el estado de flujo anular, se forma una pelfcula de agua muy delgada sobre la pared del tubo, y un flujo de pulverizacion que consta principalmente de vapor se situa dentro de la pelfcula de agua. En el estado de flujo de burbujas, una parte mayoritaria del tubo esta lleno de agua, y estan presentes pequenas burbujas en el agua. En el estado de flujo en tramos, las burbujas son mucho mas grandes en tamano que en el flujo de burbujas mencionado anteriormente, mostrando un estado intermedio entre el flujo de burbujas y el flujo estratificado. En el estado de flujo estratificado, se separan verticalmente una fase de vapor y una fase de lfquido mediante el efecto de la gravedad.
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Por lo tanto, un estado de flujo preferido para el flujo de dos fases de agua y de vapor en el tubo 38 de trasferencia de calor horizontal es el flujo de pulverizacion o el flujo anular.
Tal y como es evidente del resultado mencionado anteriormente de la figura 14, es conocido que hay una correlacion entre el nivel L de agua del dispositivo 4 de separacion vapor-agua y la calidad X de vapor de salida (la relacion del caudal de vapor con respecto al caudal de masa total) del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura.
Por consiguiente, por ejemplo, se puede obtener una calidad Xi de vapor de salida del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura midiendo el nivel Li de agua del dispositivo 4 de separacion vapor-agua en un caudal Gi de masa del dispositivo 4 de separacion vapor-agua.
A continuacion, tal y como se muestra en la figura 15(a), el estado de flujo del flujo de dos fases de agua y de vapor en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura se puede alcanzar si la calidad X de vapor de salida del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura y el caudal G de masa total del dispositivo 4 de separacion vapor-agua son conocidos. Cuando se hace una descripcion a lo largo del ejemplo mostrado en la figura 14, se entiende que la calidad de vapor de salida es X1 cuando el nivel de agua del dispositivo 4 de separacion vapor-agua es L1 en la condicion de que el flujo de masa sea G1.
De la figura 15(a), se entiende que el estado de flujo del flujo de dos de agua y de vapor en el tubo 38 de transferencia de calor horizontal del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura esta en un flujo de pulverizacion debido a que la calidad de vapor de salida es X1 cuando el caudal de masa es G1.
Con el fin de evitar que la separacion de fase sea generada en el tubo de transferencia de calor horizontal del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura, se prefiere el estado de flujo del flujo de burbuja, el flujo anular o el flujo de pulverizacion en cualquier condicion de funcionamiento. Cuando una carga termica en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura es alta, se desea de forma particular establecer un estado de flujo en el flujo anular o el flujo de pulverizacion.
En el tubo del dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura que es calentado en un lado como se muestra en la figura 13, el tubo 38 de transferencia de calor horizontal es sobrecalentado localmente cuando el flujo es separado en las dos fases de agua y de vapor como en el flujo en tramos o el flujo estratificado mostrado en la figura 15(b). Como resultado, ocurre un evento no deseado, tal como una filtracion o una deformacion del tubo, para un funcionamiento estable de la planta de generacion de potencia electrica. Es por lo tanto extremadamente importante durante el funcionamiento estable de la planta de generacion de energfa electrica gestionar de forma adecuada el estado de flujo del flujo de dos fases de agua y de vapor en el dispositivo 13 de calentamiento a baja temperatura.
Por consiguiente, en el modo de realizacion, un valor previsto del nivel de agua en el dispositivo 4 de separacion vapor-agua correspondiente a cada valor de la calidad X de vapor de salida para conseguir un estado de flujo deseado tal y como se describio anteriormente es almacenado en la unidad 26 aritmetica con antelacion. Las senales de medida del caudal del caudalfmetro 28 y el nivel de agua del medidor 29 de nivel de agua son suministradas a la unidad 26 aritmetica. La unidad 26 aritmetica esta disenada para emitir una senal de control a la valvula 19 de suministro de agua para ajustar el caudal de agua suministrada y (o) la valvula 37 de control del caudal que circula de suministro de agua para ajustar el caudal circulante, de manera que el nivel de agua del dispositivo 4 de separacion vapor agua se pueda establecer en el valor previsto. Por tanto, la planta de generacion de energfa electrica puede hacerse funcionar de forma estable.
Aunque el modo de realizacion ha sido descrito en el caso de una planta de generacion de energfa electrica solar de tipo autonoma, la invencion tambien puede ser aplicada al caso de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo compuesta.
(Octavo ejemplo util para comprender la invencion)
Un octavo ejemplo util para comprender la invencion es resolver el mismo problema que el problema que resuelve el septimo ejemplo y modo de realizacion mencionados anteriormente. La figura 16 es un diagrama de configuracion esquematico de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada de acuerdo con el octavo ejemplo.
Tal y como se ha mostrado en la figura 16, un dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura y un colector 52 solar se forman separadamente, y un canal 53 de fluido termico se anade al colector 52 solar. Una bomba 55 de circulacion de fluido termico esta prevista en el medio del canal 53 de fluido termico. Una parte del canal 53 de fluido termico esta dispuesta como un intercambiador termico en el dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura, el cual funciona por tanto como un intercambiador de calor que incluye un dispositivo de calentamiento a baja temperatura. Un fluido 54 termico esta disenado para circular desde el colector 52 solar dentro del canal 53 de fluido termico.
El calor recolectado en el colector 52 solar es transferido al dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura a traves del fluido 54 termico que circula a traves del canal 53 de fluido termico, de manera que se caliente el fluido que consta de agua y de vapor en el dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura.
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El intercambiador de calor en el dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura (en este modo de realizacion, una parte del canal 53 del fluido termico) no tiene por que estar limitado especialmente siempre que sea de un tipo sin contacto en el cual el fluido 54 termico no esta en contacto directo con el fluido que consta de agua y de vapor en el dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura.
En el ejemplo, el colector solar tal como un colector solar de tipo Fresnel o de tipo pasante en el cual una unidad de recoleccion de luz y una unidad de recoleccion de calor se pueden colocar en una posicion baja proxima a la superficie del terreno, es preferible como colector 52 solar.
El fluido termico cuya fase no cambia dentro de un rango de temperatura de funcionamiento es utilizado como fluido 54 termico. El fluido 54 termico circula desde el colector 52 solar dentro del canal 53 de fluido termico mediante la bomba 55 de circulacion de fluido termico. Aceite sintetico qmmico de oxido de difenilo, bifenilo, 1,1-difeniletano, etc. se puede utilizar solo o mezclado como fluido 54 termico.
La temperatura de funcionamiento maxima del fluido 54 termico representado anteriormente es de aproximadamente 400°C. Mas alla de la temperatura de funcionamiento maxima, puede ocurrir un deterioro remarcable o una perdida en el rendimiento. Es por lo tanto necesario gestionar estrictamente la temperatura. Sin embargo, se puede anadir un termometro 56 de fluido termico al canal 53 de fluido termico como el mostrado en la figura 16 con el fin de monitorizar la temperatura de fluido termico de salida del colector 52 solar. Cuando la temperatura del fluido 54 termico esta limitada para ser menor que la temperatura de funcionamiento maxima, por ejemplo, para no ser mas alta de 300°C, es necesario tomar medidas especiales dentro del rango de funcionamiento.
De esta manera, no hay miedo de que cambie la fase del fluido 54 termico en un flujo de dos fases en el colector de 52 solar. Por lo tanto, no hay miedo de que pueda ocurrir una anormalidad en la trasferencia de calor debida a un cambio instantaneo en la cantidad de luz recolectada o calor recolectado. Por consiguiente, no hay miedo de que pueda ocurrir un dano termico en el tubo de transferencia de calor incluso bajo la condicion de una distribucion no uniforme del flujo de calor, pero es posible mejorar la fiabilidad y reducir el coste de material.
La siguiente configuracion puede estar prevista de forma adicional.
Tal y como se muestra en la figura 16, un termometro 56 de fluido termico y un caudalfmetro 57 para medir la temperatura y el caudal del fluido 54 termico estan previstos en el lado de salida del colector 52 solar, y se suministran senales de medida del termometro 56 de fluido termico y del caudalfmetro 57 de fluido termico a la unidad 26 aritmetica.
En la unidad 26 aritmetica, se emite una senal de control para controlar el grado de apertura de una valvula 20 de suministro de agua, es decir, el caudal de suministro de agua, a la valvula 20 de suministro de agua de manera que hace que la temperatura del fluido termico del lado de salida del dispositivo 52 de calentamiento a baja temperatura no sea mayor de 300°C.
La razon por la cual la temperatura del fluido de salida del dispositivo 52 de calentamiento a baja temperatura es por tanto limitada a 300°C o menos es similar a la del tercer ejemplo mencionado anteriormente, y se omitira una descripcion redundante del mismo. Adicionalmente, la otra configuracion es la misma que en cada uno de los ejemplos mencionados anteriormente, y del mismo modo se omitira una descripcion redundante de los mismos.
En el octavo ejemplo, el calor solar es utilizado en el dispositivo 51 de calentamiento a baja temperatura para generar un vapor de calentamiento de forma indirecta a traves de un fluido termico calentado por el colector 52 solar formado separadamente. En el dispositivo 14 de calentamiento a alta temperatura, el vapor es calentado directamente por el calor solar recolectado de la misma manera que en cada uno de los ejemplos mencionados anteriormente. El octavo ejemplo puede referirse como un denominado tipo de calentamiento tnbrido.
De acuerdo con el octavo ejemplo, el problema descrito al comienzo de la descripcion del septimo ejemplo y modo de realizacion se puede suprimir seguramente mientras que se suprime y se minimiza de forma necesaria la configuracion y la escala de las secciones referentes al sistema de circulacion del fluido termico, tal como el intercambiador de calor, la bomba 55 de circulacion de fluido termico, etc., lo cual complica la configuracion del dispositivo de caldera. Por tanto, el octavo ejemplo es efectivo.
Aunque una configuracion para calentar el agua suministrada con un fluido termico tal como un vapor es utilizada como el calentador 12 de suministro de agua en cada uno de los ejemplos mencionados anteriormente, el calentador 12 de suministro de agua puede tambien estar disenado para calentar el agua suministrada utilizando el calor solar.
De acuerdo con la invencion, tal y como se describio anteriormente, el dispositivo de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo de separacion vapor-agua son colocados sobre la superficie del terreno o cerca de la superficie del terreno. No es necesaria una estructura (por ejemplo, una base de soporte) para soportar una sustancia pesada que contenga agua saturada, o la estructura puede colocarse para estar lo suficientemente baja para instalar y mantener facilmente el dispositivo de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo de separacion vapor-agua. Adicionalmente, es posible simplificar una estructura en la cual se puede instalar el dispositivo de
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calentamiento a alta temperature, que contenga solo el vapor y sea comparativamente ligera en peso, en un lugar alto.
Ademas, con el dispositivo de calentamiento a baja temperature y el dispositivo de calentamiento a alta temperature estando separados funcionalmente, y el dispositivo de separacion vapor-agua estando colocado entre ellos, se puede reducir el riesgo de dano a la tubena de transferencia de calor.
Ademas, con el dispositivo de calentamiento a alta temperatura estand instalado en un lugar alto, se puede realizar el intercambio de calor con una densidad termica alta, de manera que el vapor a alta temperatura puede ser obtenido de forma eficiente.
Adicionalmente, cuando la cantidad de vapor extrafdo en el lado de turbina de vapor es ajustada de acuerdo con una fluctuacion en la temperatura de vapor o es controlado el caudal de vapor cuando la cantidad de calor recolectada en el dispositivo de calentamiento alta temperatura, se puede mantener constante la salida de la turbina de vapor.
Aunque este modo de realizacion ha sido descrito en el caso de una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo integrada, la invencion tambien se puede aplicar a una planta de generacion de energfa electrica de calor solar de tipo autonoma.
Lista de signos de referencia
4: dispositivo de separacion vapor-agua
6: heliostato
7: sol
8: turbina de vapor
9: generador de energfa electrica
10: planta de Caldera
11: bomba de suministro de agua
12: calentador de suministro de agua
13: dispositivo de calentamiento a baja temperatura
14: dispositivo de calentamiento alta temperatura
15: bomba de circulacion
16: torre
17: valvula de extraccion de vapor
18: valvula de vapor
21: tubo de transferencia de calor de sobrecalentador
24: dispositivo de calentamiento a baja temperatura de tipo pasante
25: termometro
26: unidad aritmetica
27: panel de tubo de transferencia de calor
28: caudalfmetro
30, 35: espejo reflectante
31: tubo de transferencia de calor
32: luz del sol
33: agua
34: flujo de dos fases de agua y de vapor
37: valvula de control de flujo circulante
38: tubo de trasferencia de calor horizontal
51: dispositivo de calentamiento a baja temperatura
52: colector solar
53: canal de fluido termico
54: fluido termico
55: bomba de circulacion de fluido termico
56: termometro de fluido termico
57: caudalfmetro de fluido termico

Claims (5)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una caldera de calor solar, que comprende:
    un dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura que incluye un tubo de trasferencia de calor que esta dispuesto horizontalmente de manera que el agua suministrada desde una bomba (11) de suministro de agua puede circular a traves del tubo de trasferencia de calor, y un espejo reflectante que recolecta luz solar en el tubo de transferencia de calor, de manera que el dispositivo de calentamiento a baja temperatura puede calentar el agua mediante el calor de la luz solar;
    un dispositivo (4) de separacion vapor-agua mediante el cual un fluido de dos fases de agua y de vapor generado en el dispositivo de calentamiento a baja temperatura es separado en agua y vapor;
    un dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura mediante el cual el vapor separado por el dispositivo (4) de separacion vapor-agua es sobrecalentado por el calor de la luz solar; y
    una bomba (15) de circulacion mediante la cual el agua separada por el dispositivo (4) de separacion vapor-agua es suministrada al dispositivo de calentamiento a baja temperatura, caracterizada porque el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura, el dispositivo (4) de separacion vapor-agua y la bomba (15) de circulacion estan colocados en o cerca de una superficie del terreno, y el dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura se ha colocado en un sitio mas alto que el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo (4) de separacion vapor-agua; y
    un medidor (29) de nivel de agua que mide un nivel de agua en el dispositivo (4) de separacion vapor-agua, una valvula (19) de suministro de agua que ajusta el caudal de agua suministrada al dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura, y una valvula (37) de control de caudal de circulacion que ajusta la cantidad de agua que circula entre el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y el dispositivo (4) de separacion vapor-agua estan previstos de manera que el caudal del agua suministrada o la cantidad de agua que circula se puede ajustar mediante la valvula (19) de suministro de agua o la valvula (37) de control de caudal de circulacion con el nivel de agua en el dispositivo (4) de separacion vapor-agua siendo establecido a un valor predeterminado.
  2. 2. Una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 1, en donde:
    el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura incluye un colector solar de tipo pasante en el cual un tubo (31) de trasferencia de calor esta dispuesto por encima de una superficie curvada circunferencial interior de un espejo (30) reflectante que se extiende como un pasaje de manera que la luz (32) solar puede ser recolectada en el tubo de transferencia de calor mediante el espejo reflectante para calentar agua que circula a traves del tubo de trasferencia de calor y genera vapor, o un colector solar de tipo Fresnel en el cual varios espejos (35) reflectantes que tienen superficie sustancialmente planas estan dispuestos uno al lado del otro y un tubo (31) de trasferencia de calor esta dispuesto por encima de grupo de espejos reflectantes de manera que la luz (32) solar puede ser recolectada en el tubo de transferencia de calor por el grupo de espejos reflectantes para calentar el agua que circula a traves del tubo de transferencia de calor y generar vapor; y
    el dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura incluye un colector solar de tipo torre en el cual un panel (27) de tubo de transferencia de calor esta colocado sobre una torre (16) que tiene una altura predeterminada y un gran numero de espejos reflectantes estan dispuestos de manera que la luz solar puede ser recolectada en el panel de tubo de transferencia de calor mediante el grupo de espejos reflectantes para que el vapor sobrecalentado circule a traves del panel (27) de tubo de transferencia de calor.
  3. 3. Una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en donde:
    un tubo (42) de cristal con una longitud predeterminada esta dispuesto en la periferia del tubo (38) de trasferencia de calor con una longitud predeterminada de manera que forma una estructura doble, y un estado hermetico o un estado de vacfo se mantiene entre el tubo de transferencia de calor y el tubo de cristal;
    el tubo (38) de trasferencia de calor con la longitud predeterminada es formado por una pluralidad de tubos (38) de transferencia de calor unidos entre sf mediante soldadura (43), y el tubo (42) de cristal con la longitud predeterminada es formado por una pluralidad de tubos (42) de cristal unidos entre sf a traves de tubos (44) de union que estan dispuestos en porciones de union entre los tubos de cristal y que son soldados con los tubos de cristal respectivamente; y
    la temperatura del fluido de salida en el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura es regulada a 300°C o menos.
  4. 4. Una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 3, en donde:
    un termometro (25) y un caudalfmetro (28) estan situados en una salida del dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y un caudal de agua suministrada al dispositivo de calentamiento a baja temperatura se ajusta de manera que la temperatura medida por el termometro (25) y el caudal medido por el caudalfmetro (28) se puede establecer a valores predeterminados.
  5. 5. Una caldera de calor solar de acuerdo con la reivindicacion 3, en donde:
    un termometro (25) y un caudaKmetro (28) estan situados en una salida del dispositivo (13) de calentamiento a baja temperature y la cantidad de calor recolectada en el dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura es ajustada de manera que una temperatura medida por el termometro (25) y un caudal medido por el caudalfmetro (28) se pueden establecer en valores predeterminados.
    5 6. Una caldera de calor solar de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde:
    un termometro (25) y un caudalfmetro (28) estan situados en una salida del dispositivo (13) de calentamiento a baja temperatura y la cantidad de calor recolectado en el dispositivo (14) de calentamiento a alta temperatura es ajustada de acuerdo con un valor de la temperatura medida por el termometro (25) y un valor de caudal medido por el caudalfmetro (28).
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