IT201800004005A1 - Centrale di energia a ciclo combinato ibrido - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“CENTRALE DI ENERGIA A CICLO COMBINATO IBRIDO”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce La presente invenzione si riferisce ad una centrale di energia a ciclo combinato ibrido.

In generale, la presente invenzione si riferisce a layout generale o metodi generali di funzionamento di impianti completi, uso del calore solare, ad es. collettori di calore solari che impiegano mezzi di rilevamento, sistemi di riscaldamento solare, centrali fotovoltaiche; combinazioni di sistemi di energia FV con altri sistemi per la generazione di energia elettrica, sistemi di accumulo di calore, sistemi di scambio termico, conversione della potenza termica in potenza meccanica, ad es. Motori solari termici di Rankine, Stirling, montaggi o localizzazione, sistemi fotovoltaici con concentratori, centrali a ciclo combinato [CCPP], o turbina a gas a ciclo combinato [CCGT], uso di accumulatori e tipi specifici di motore; uso di vapore ritirato o di scarico per il riscaldamento dell'acqua di alimentazione, essendo i motori esclusivamente di tipo a turbina, impianti a turbina a gas aventi mezzi per immagazzinare energia, ad es. per soddisfare i picchi di carico, applicazione delle turbine a gas.

In particolare, la presente invenzione si riferisce a impianti caratterizzati da più di un motore che fornisce potenza esterna all'impianto, motori azionati da diversi fluidi, i cicli del motore essendo termicamente accoppiati, il calore di combustione da un ciclo riscaldando il fluido in un altro ciclo, con il fluido di scarico di un ciclo che riscalda il fluido in un altro ciclo.

Inoltre, la presente invenzione si riferisce a dispositivi per produrre energia meccanica da energia solare avente un ciclo di Rankine usando un fluido intermedio per trasferimento di calore.

Il ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico endoreversibile composto da due trasformazioni adiabatiche e due isobare. Il suo scopo è quello di trasformare il calore in lavoro. È alla base del progetto dei motori a vapore di qualsiasi tipo.

Questo ciclo è in genere adottato soprattutto nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica ed utilizza come fluido motore l'acqua, sia in forma liquida che sotto forma di vapore o di gas, con la cosiddetta turbina a vapore. Per tale uso l'acqua è opportunamente demineralizzata e degasata.

Il ciclo può essere:

- aperto, cioè con scarico di vapore in atmosfera, come avveniva nelle vecchie locomotive a vapore, che dovevano trasportare, oltre al carbone, anche l'acqua;

- chiuso, come nel caso delle centrali termoelettriche, anche a ciclo combinato. È possibile sfruttare il calore residuo della condensazione del vapore, cogenerazione, anche trasportandolo attraverso una rete di teleriscaldamento.

Nel secondo caso, il ciclo si compone di quattro organi:

- pompa: estrae il liquido saturo dal condensatore e lo inietta nella caldaia. Le variazioni di entalpia, entropia e temperatura (attorno ai 30-35 °C) sono minime, aumenta invece la pressione (a partire da un valore iniziale generalmente di 0,05 Pa) fino a diversi MPa; la potenza meccanica assorbita per il pompaggio del fluido è in genere trascurabile rispetto a quella erogata dalla turbina (indicativamente in rapporto 1/100);

- caldaia o generatore di vapore: è uno scambiatore di calore tra i fumi di combustione e il liquido saturo che aumenta di temperatura fino a trasformarsi in vapore saturo e successivamente surriscaldato, la trasformazione è isobara (avviene a pressione pressoché costante);

- turbina: è l'organo in cui avviene la produzione di lavoro utile. Il vapore surriscaldato, ad elevata pressione ed entalpia, entra in una turbina alla massima temperatura del ciclo e si espande fino alla pressione minima del condensatore, con aumento del volume specifico e diminuzione della temperatura. Di solito fuoriesce come vapore saturo con titolo molto alto. La differenza tra la potenza di espansione e quella di compressione è la potenza meccanica netta ottenuta dalla conversione parziale del calore immesso dalla caldaia. Per evitare l'usura delle palette negli ultimi stadi e, soprattutto, mantenere elevato il rendimento di espansione in turbina, si cerca di avere un titolo del vapore saturo il più elevato possibile (approssimativamente il rendimento della turbina cala di una quantità pari alla percentuale di liquido saturo di fine espansione). Si è soliti, per aumentare il rendimento del ciclo, anche spillare una certa portata di vapore che può arrivare fino all'80% per preriscaldare l'acqua in ingresso alla caldaia, con un metodo noto come rigenerazione termica;

- condensatore: è uno scambiatore di calore che condensa il vapore saturo, in uscita dalla turbina, a pressione e temperatura costanti cedendo calore a un pozzo termico, che può essere un lago, un fiume o l'atmosfera stessa.

Il vapore che esce dal condensatore come liquido saturo entra in seguito nella pompa per ripetere il ciclo.

Il ciclo di Rankine semplice prevede l'azione della pompa per elevare la pressione, quindi un riscaldamento isobaro fino ad ottenere vapore saturo secco quindi espanso in turbina e fatto poi condensare isotermobaricamente. Questo tipo di ciclo non può essere usato con espansione classica a turbina in quanto a fine espansione si ha un titolo di vapore troppo basso (inferiore al valore di 0,88, considerato limite): la presenza elevata di liquido va infatti a danneggiare le palettature degli stadi di bassa pressione della turbina; il ciclo veniva quindi utilizzato in applicazioni a bassa temperatura di vapore (circa 300 °C) oppure quando l'espansore era una macchina a pistoni (vecchie locomotive e navi).

Per elevare il titolo del vapore in uscita dalla turbina si ricorre perciò al ciclo Rankine a vapore surriscaldato.

Lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 7,845,172 B2 riguardante un sistema di energia per generare elettricità da fonti di energia sia solare che non solare. La parte di generazione solare del sistema include la capacità di generare direttamente elettricità dall'insolazione o di immagazzinare l'energia solare in un mezzo tangibile, compreso il calore immagazzinato o il combustibile che genera energia solare. Il sistema di energia è configurato per generare elettricità simultaneamente da fonti sia solari che non solari, oltre che dall'irraggiamento solare immediato e dall'energia solare immagazzinata in un mezzo tangibile. Inoltre, la capacità di generazione solare può essere separata in modo da separare gli spettri di insolazione per catturare il calore per la generazione elettrica basata su turbine a vapore e per catturare l'energia della luce per la generazione elettrica basata sul fotovoltaico e coltivare la biomassa per generare un combustibile solare.

Inoltre, lo stato dell’arte è rappresentato dal brevetto US 9,816,490 B2 riguardante una centrale elettrica ibrida solare comprendente un generatore di turbina a combustione, un sistema di alimentazione a vapore, un sistema solare termico e un sistema di accumulo di energia. Il calore proveniente dall'impianto solare termico, dal sistema di accumulo dell'energia o dall'impianto solare termico e dal sistema di accumulo dell'energia viene utilizzato per generare vapore nel sistema di alimentazione a vapore. Calore dal gas di scarico del generatore di turbina di combustione può essere utilizzato principalmente per il riscaldamento monofase di acqua o vapore nel sistema di alimentazione a vapore. In alternativa, il calore proveniente dal gas di scarico del generatore di turbina a combustione può essere utilizzato in parallelo con il sistema di accumulo di energia e/o il sistema solare termico per generare vapore e in aggiunta a vapore surriscaldato. Sia il generatore di turbina a combustione che il sistema di alimentazione a vapore possono generare elettricità.

Lo stato dell’arte sopra descritto offre uno spunto per migliorare una tecnologia basata sulla combinazione di energia solare per la generazione elettrica tramite turbine a vapore con energia della luce per la generazione elettrica tramite il fotovoltaico.

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo una centrale di energia a ciclo combinato ibrido in grado di distribuire energia solare e della luce a varie utenze.

Un ulteriore scopo è quello di fornire una centrale di energia a ciclo combinato ibrido funzionante con diverse combinazioni di sorgenti di energia per permettere l’ottimizzazione della resa energetica.

Un ulteriore scopo è quello di fornire una centrale di energia a ciclo combinato ibrido funzionante autonomamente e non necessariamente collegata alla rete di alimentazione elettrica.

Un ulteriore scopo è quello di poter usare biomassa per generare un combustibile solare per alimentare un generatore di vapore surriscaldato. I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con una centrale di energia a ciclo combinato ibrido come quella descritta nella rivendicazione 1. Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l’oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.

Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.

La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la FIG. 1 mostra uno schema di una realizzazione della centrale di energia a ciclo combinato ibrido secondo la presente invenzione.

Facendo riferimento alla FIG. 1, è possibile notare che una centrale di energia a ciclo combinato ibrido comprende:

- un sistema solare fotovoltaico 1 per generare e accumulare elettricità tramite un accumulatore di elettricità 10;

- un generatore di vapore 2 per espandere il vapore surriscaldato attraverso una turbina a vapore 3 per generare e accumulare elettricità tramite l’accumulatore di elettricità 10;

- un condensatore di vapore saturo 4, in uscita dalla turbina a vapore 3, a pressione e temperatura costanti, per ottenere liquido saturo;

- un surriscaldatore 5 per generare vapore riscaldando il liquido saturo in uscita dal condensatore di vapore saturo 4 tramite una pompa 6;

- una utenza di teleriscaldamento 7 alimentata tramite acqua distillata, per sfruttare il calore residuo della condensazione del vapore saturo; e

- un serbatoio di acqua distillata 8 collegato all’utenza di teleriscaldamento 7.

Vantaggiosamente, il sistema solare fotovoltaico 1, il generatore di vapore 2 ed il surriscaldatore 5 sono elettricamente collegati all’accumulatore di elettricità 10 per permettere di alimentare sia il generatore di vapore 2, sia il surriscaldatore 5.

Inoltre, il vapore surriscaldato prodotto nel surriscaldatore 5 viene miscelato col vapore del generatore di vapore 2, per permettere di espandere vapore miscelato attraverso la turbina a vapore 3.

Secondo una prima forma di attuazione dell’invenzione, un miscelatore di vapore surriscaldato 52 ed un mezzo di intercettazione di liquido saturo 652 permettono di controllare un funzionamento combinato del generatore di vapore 2 e del surriscaldatore 5.

Inoltre, un surriscaldatore ulteriore 50 per riscaldare ulteriormente acqua distillata permette di controllare un funzionamento combinato del surriscaldatore ulteriore 50 e del condensatore di vapore saturo 4.

Si sono descritte alcune forme preferite di attuazione dell’invenzione, ma naturalmente esse sono suscettibili di ulteriori modifiche e varianti nell’ambito della medesima idea inventiva. In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate nelle quali, eventuali segni di riferimento posti tra parentesi non possono essere interpretati nel senso di limitare le rivendicazioni stesse. Inoltre, la parola "comprendente" non esclude la presenza di elementi e/o fasi diversi da quelli elencati nelle rivendicazioni. L’articolo “un”, “uno” o “una” precedente un elemento non esclude la presenza di una pluralità di tali elementi. Il semplice fatto che alcune caratteristiche siano citate in rivendicazioni dipendenti diverse tra loro non indica che una combinazione di queste caratteristiche non possa essere vantaggiosamente utilizzata.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1. Centrale di energia a ciclo combinato ibrido comprendente: - un sistema solare fotovoltaico (1) per generare e accumulare elettricità tramite un accumulatore di elettricità (10); - un generatore di vapore (2) per espandere il vapore surriscaldato attraverso una turbina a vapore (3) per generare e accumulare elettricità tramite detto accumulatore di elettricità (10); - un condensatore di vapore saturo (4), in uscita dalla turbina a vapore (3), a pressione e temperatura costanti, per ottenere liquido saturo; - un surriscaldatore (5) per generare vapore riscaldando il liquido saturo in uscita dal condensatore di vapore saturo (4) tramite una pompa (6); - una utenza di teleriscaldamento (7) alimentata tramite acqua distillata, per sfruttare il calore residuo della condensazione del vapore saturo; e - un serbatoio di acqua distillata (8) collegato all’utenza di teleriscaldamento (7); caratterizzata dal fatto che il sistema solare fotovoltaico (1), il generatore di vapore (2) ed il surriscaldatore (5) sono elettricamente collegati a detto accumulatore di elettricità (10) per permettere di alimentare sia il generatore di vapore (2), sia il surriscaldatore (5), il vapore surriscaldato prodotto nel surriscaldatore (5) miscelato col vapore del generatore di vapore (2), per permettere di espandere vapore miscelato attraverso la turbina a vapore (3).
2. 2. Centrale di energia a ciclo combinato ibrido secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto di comprendere un miscelatore di vapore surriscaldato (52) ed un mezzo di intercettazione di liquido saturo (652), per permettere di controllare un funzionamento combinato del generatore di vapore (2) e del surriscaldatore (5).
3. 3. Centrale di energia a ciclo combinato ibrido secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto di comprendere un surriscaldatore ulteriore (50) per riscaldare ulteriormente acqua distillata, per permettere di controllare un funzionamento combinato del surriscaldatore ulteriore (50) e del condensatore di vapore saturo (4).