DE102010055997A1

DE102010055997A1 - Hochtemperatur-Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke

Info

Publication number: DE102010055997A1
Application number: DE102010055997A
Authority: DE
Inventors: Dr. Maier Hartmut; Martin Stenglein; Dr. Schneider Günter
Original assignee: Enolcon GmbH
Current assignee: Enolcon GmbH
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Es wird ein kostengünstiger und langlebiger Hochtemperatur-Wärmespeicher vorgeschlagen, der mindest eine Speicherwand (31), die im Wesentlichen aus einem körnigen und/oder porösen Speichermaterial besteht, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmespeicher zur großtechnischen Speicherung von thermischer Energie in Form von Hochtemperaturwärme auf einem Temperaturniveau von mindestens 280°C. Haupteinsatzgebiet ist die Speicherung von thermischer Energie bei Solarthermischen Kraftwerken.
Aus der nachveröffentlichten DE 10 2010 033 571 die Einbindung eines Speichers in ein Solarthermisches Kraftwerk bekannt.
In den 7 und 8 ist ein bereits aus der DE 10 2010 033 571 bekanntes System dargestellt. Im übrigen wird auf die DE 10 2010 033 571 Bezug genommen und deren Offenbarungsgehalt zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht.
In 7 ist das Beladen des Speichers dargestellt. Dabei wird kalte Luft aus der Umgebung mit Hilfe des Gebläses 4 über einen Luftkanal, nachfolgend auch als zweite Zuleitung 19 bezeichnet, und eine Bypass-Leitung 21 und die Klappe 11 einem Wärmetauscher 3 zugeführt.
Die überschüssige Wärme aus dem Solarfeld wird über das Wärmeträgermedium des Solarfelds, z. B. Dampf oder Thermoöl, über Leitung 1 dem Wärmetauscher 3 zugeführt.
Über den Wärmetauscher 3 wird die überschüssige Wärme aus dem Solarfeld auf den durchströmenden Luftstrom übertragen. Das abgekühlte Wärmeträgermedium aus dem Solarfeld verlässt über die Leitung 2 den Wärmetauscher. Die aufgeheizte Luft wird über den Luftkanal 5 und der Luftklappe 13 zu einer ersten Zuleitung 17 dem Wärmespeicher zugeführt. Die heiße Luft wird innerhalb eines Gehäuses 16 über einen größeren Querschnitt verteilt und strömt z. B. durch Lochbleche 7 oder Lanzen oder durch eine andere gasdurchlässige poröse Grenzfläche durch das Wärmespeichermaterial 6. Das Gehäuse 16 kann aus Metall, Beton und/oder einem anderen geeigneten Material sein und wird, falls erforderlich, mit einer Wärmedämmung versehen (nicht dargestellt) sein.
Die heiße Luft gibt die Wärme an das Wärmespeichermaterial 6 ab und verlässt das System über die erste Ableitung 18 und die geöffnete Klappe 9. Beim Beladen des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeichers sind die Klappen 8, 12 und 10 geschlossen.
8 zeigt schematisch das Entladen des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Wärmespeichersystems. Dabei wird ebenfalls über das Gebläse 4 kalte Luft aus der Umgebung mit weniger als ca. 50°C angesaugt und durch die zweite Zuleitung 19 und die geöffnete Klappe 10 dem Speicher zugeführt. Über entsprechende Lochbleche 7 oder Lanzen wird die kalte Luft innerhalb des Gehäuses verteilt und durch das Speichermedium 6 geleitet und nimmt dort die Wärme auf. Die aufgeheizte. Luft verlässt dann über die zweite Ableitung 20 und die geöffnete Klappe 12 den Speicher und wird dann über die Bypass-Leitung 21 zu dem Wärmetauscher 3 geführt und gibt die Wärme dort an den in den Leitungen 1 und 2 strömenden Wärmeträger ab.
Die heiße Luft gibt im Wärmetauscher 3 die Wärme. an eine nachgeschalteten und nicht dargestellten Kraftwerksprozess mit einem Wasser-Dampfkreislauf ab, indem z. B. das Wasser über Leitung 2 in den Wärmetauscher 3 geleitet wird und als Wasserdampf mit entsprechend hohen Temperaturen den Wärmetauscher 3 über die Leitung 1 verlässt.
In der Offenlegungsschrift DT 24 44 217 vom 1.4.1976 wird beispielsweise ausgeführt, wie Sand oder Kies als Wärmespeicher genutzt werden kann, wenn ein entsprechendes Leitungssystem durch das Wärmeenergiespeichermedium geführt wird und welche Merkmale dieses erfüllen muss. In der großtechnischen Praxis werden zur Aufnahme von entsprechenden Wärmemengen durch ein Speichermedium Sand oder Kies mehrere tausend Kubikmeter [m³] benötigt. Dieses in der DT 24 44 217 vorgeschlagene System ist in der Praxis für eine großtechnische Anwendung nicht umsetzbar, da zum einen die Kosten für das Rohrleitungssystem zu groß sind und zum anderen aufgrund des schlechten Wärmeübergangs zwischen Rohrleitungssystem und Speichermedium, sowie innerhalb des Speichermediums, die Be- und Entladezeiten viel zu groß sind. Auch bei einer optimierten Rohrleitungsanordnung, wie sie in der DT 24 44 217 beschrieben ist, sind die Belade- und Entladezeiten noch zu groß. Dieses System lässt daher deutlich schlechtere Betriebseigenschaften erwarten, als die oben beschriebenen Betonspeicher.
In der Offenlegungsschrift DE 27 31 115 vom 25.1.1979 wird ein System beschrieben, das eine Schüttung körniger Feststoffteilchen einsetzt und Naturmagnesit oder Olivin als Speichermaterial nennt. Dieses System zielt auf kleinere Anwendungen ab und hat als ein entscheidendes Merkmal, dass der Ladestrom in einem geschlossenen Kreislauf umläuft. Die Wärme wird bei diesem System nicht über einen Wärmetauscher eingebracht, sondern über elektrische Heizstäbe. Dieses System ist daher nicht für großtechnische Anwendungen mit geforderten Speicherkapazitäten von weit über 20 MWh nutzbar. Sollte man versuchen dieses System großtechnisch einzusetzen, stößt man auf das Problem, dass der Ladestrom mit der Zeit eine immer höhere Temperatur bekommt und der Druck in dem geschlossenen Ladekreislauf ansteigt. Dies erfordert eine druckfeste Auslegung des Systems und ist gleichzeitig mit hohen Kosten verbunden. Dieser Effekt des Temperatur- und Druckanstiegs hat außerdem auch negative Auswirkungen auf das Gebläse, das den Ladestrom im Kreis bewegt. Weiterhin ist die Beladung eines thermischen Speichers für ein Solarthermisches Kraftwerk über den Umweg der Stromerzeugung und des Produzierens von Wärme über Heizstäbe aufgrund des Wirkungsgradverlustes bei der Stromerzeugung nicht sinnvoll.
Aus dem US Patent 3982326A und dem US Patent 4006533 A ist ein Filter bekannt, der mit körnigen Medien arbeitet und z. B. die Aufgabe hat Gase zu reinigen und je nach Ausführung auch entsprechend zu kühlen. Auch dieses Patent beschreibt nicht die hier vorgestellten Merkmale und befasst sich nicht mit der Speicherung von Hochtemperatur-Wärme.
Demnach ist es die Aufgabe der Erfindung, einen praxistauglichen Speicher für Hochtemperaturwärme bereitzustellen, der unter Berücksichtigung des Speichermaterials mit seinen physikalischen Eigenschaften wie z. B. Wärmeleitfähigkeit, Wärmespeicherkapazität etc., über die gesamte Lebensdauer von zum Beispiel 25 Jahren mit geringem Aufwand und kleinen Energieverlusten beladen und entladen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Speichermodul zur Speicherung von thermischer Energie, umfassend ein Gehäuse mit mindestens einer Zuleitung und mit mindestens einer Ableitung, wobei das Gehäuse mindestens teilweise mit einem granulatförmigen Speichermaterial gefüllt ist, dadurch gelöst, dass das Speichermaterial innerhalb des Gehäuses in Form einer oder mehrerer Speicherflächen angeordnet ist und dass ein Wärmeträger, der über die Zuleitung in das Gehäuse strömt und über die Ableitung aus dem Gehäuse strömt, zwangsweise mindestens ein Mal durch eine Speicherfläche strömt.
Die erfindungsgemäße Anordnung des Speichermaterials in Form einer Speicherfläche, die beispielsweise wie eine Trennwand zwischen Boden und Decke des Gehäuses angeordnet sein kann, die aber auch waagerecht/horizontal angeordnet sein kann, werden mehrere positive Effekte erreicht.
Erstens wird durch die Anordnung des Speichermaterials in Form einer oder mehrerer Speicherflächen dafür gesorgt, dass der Strömungswiderstand für den Wärmeträger beim Durchströmen der Speicherflächen sehr gering wird. Dies ergibt sich einmal daraus, dass eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche der mindestens einen Speicherfläche sehr groß ist, verglichen mit dem Strömungsquerschnitt in der Zuleitung bzw. in der Ableitung. Daher strömt der Wärmeträger mit einer sehr geringen Geschwindigkeit durch die mindestens eine Speicherfläche und es entstehen nur sehr geringe Druckverluste beim Durchströmen der mindestens einen Speicherfläche.
Ein weiterer wichtiger Effekt ist darin zu sehen, dass die Speicherfläche in Strömungsrichtung des Wärmeträgers relativ dünn ist, so dass der Wärmeträger nur einen kurzen Weg durch die Speicherfläche zurücklegen muss. Auch dies führt zu verringerten Druckverlusten. Weil jedoch der Wärmeträger, wie bereits erwähnt, mit sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit durch die Speicherfläche hindurch strömt, wird trotzdem ein großer Teil der in dem Wärmeträger gespeicherten sensiblen Wärme an das Speichermaterial übertragen und somit in dem erfindungsgemäßen Speicher oder Speichermodul abgespeichert.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Wärmeträger auf seinem Weg von der Zuleitung zur Ableitung mehrmals durch verschiedene Speicherwände strömt. Wenn der Wärmeträger nacheinander durch mehrere Speicherflächen strömt, dann haben die verschiedenen Speicherflächen verschiedene Temperaturen, so dass der Exergieverlust minimiert wird, wenn beim Entladen des Speichers der kalte Wärmeträger in der entgegengesetzten Strömungsrichtung durch die Speicherwände strömt. Es wird nämlich dann der zunächst kalte Wärmeträger von einer Speicherwand aufgewärmt, deren Temperatur nur geringfügig größer ist als die Temperatur des kalten Wärmeträgers. Der auf diese Weise vorgewärmte Wärmeträger strömt dann durch eine zweite Speicherfläche, deren Temperatur etwas höher ist als die der ersten Speicherfläche und so weiter. Dadurch ist es möglich, ähnlich einem Gegenstromwärmetauscher, die Wärmeübertragung sowohl beim Beladen als auch beim Entladen mit einer nahezu konstanten Temperaturdifferenz zwischen dem Speichermaterial und dem Wärmeträger vorzunehmen, was die Exergieverluste beim Be- und entladen des erfindungsgemäßen Speichermoduls minimiert.
Da das erfindungsgemäße Speichermodul mit einem granulatförmigen Speichermedium gefüllt ist und dieses granulatförmige Speichermedium in aller Regel riesel- oder schüttfähig ist, ist es in vielen Fällen erforderlich, dass zumindest die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche der Speicherflächen durch ein Netz, ein Gitter, ein Lochblech, ein Vlies und/oder eine andere gasdurchlässige poröse Grenzfläche begrenzt wird. Dadurch wird gewährleistet, dass das Speichermaterial am vorgesehen Ort bleibt. Man kann sich eine erfindungsgemäße Speicherwand ähnlich vorstellen, wie ein Drahtgitterkorb, der mit Steinen oder Schotter oder Kies gefüllt ist.
Selbstverständlich ist dabei darauf zu achten, dass das Netz, das Gitter, das Lochblech und/oder das Vlies dem Wärmeträger einen möglichst geringen Strömungswiderstand entgegenbringen, um die Druckverluste beim Durchströmen der Speicherfläche zu minimieren.
Es kann erforderlich sein, im Bereich der Eintrittsfläche und/oder der Austrittsfläche eine Stützstruktur vorzusehen.
Diese Stützstruktur kann beispielsweise durch mehrere parallel zueinander angeordnete Metallstäben gebildet werden, die zum Beispiel ein Gitter oder ein Lochblech oder ein Vlies, welches das in den Speicherflächen befindliche Speichermaterial am Herausfallen hindert, stützt. Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die Stützstruktur die Querschnittsfläche der Speicherfläche möglichst wenig verringert, um die erwähnten Vorteile einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit und geringer Druckverluste beizubehalten.
Eine diesbezüglich besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speicherfläche als vertikale Wand ausgebildet und dass innerhalb der Speicherflächen mehrere in vertikaler Richtung übereinander angeordnete Lamellen vorgesehen sind. Diese Lamellen können zum Beispiel aus Stahlblech hergestellt sein und dienen dazu, das Speichermaterial in seiner Position zu halten. Diese Lamellen können beispielsweise als schräggestellte Stahlbleche ausgebildet sein. Durch die schräggestellten Lamellen drückt die Schwerkraft das Speichermaterial ins Zentrum der Speicherfläche. Eine Stützstruktur an den Eintrittsflächen und an den Austrittsflächen kann dadurch entfallen. Außerdem ist in vielen Fällen ein Netz, ein Gitter, ein Lochblech oder ein Vlies an den Eintrittsflächen und an den Austrittsflächen nicht erforderlich. Dadurch wird der Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Speicherfläche nochmals reduziert und außerdem werden die Herstellungskosten verringert.
Um eine solche Speicherfläche herzustellen, genügt es, zunächst die Lamellen in einer entsprechenden Tragstruktur innerhalb des Gehäuses aufzubauen und anschließend das Speichermaterial in den zwischen den Lamellen befindlichen Raum zu schütten. Durch die nach innen geneigte Anordnung der Lamellen bildet sich dadurch eine Speicherwand.
Im Vertikalschnitt sieht diese Speicherwand aus, wie eine Vielzahl vertikal übereinander angeordneter Schüttkegel, wobei die Lamellen dafür sorgen, dass die verschiedenen Schüttkegel die gleiche Grundfläche haben, so dass sich eine vertikale Speicherwand mit in einer Näherung konstanter Wanddicke einstellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Speicherfläche mit Ausnahme der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche von gasdichten. Wänden begrenzt ist. Diese gasdichten Wände sind erforderlich, um zu gewährleisten, dass der Wärmeträger zwangsweise durch die Speicherfläche strömen muss und somit ein Kurzschluss zwischen der Zuleitung und der Ableitung unter Umgehung mindestens einer Speicherfläche verhindert wird. Nur dann ist gewährleistet, dass das gesamte im erfindungsgemäßen Speichermodul eingelagerte Speichermaterial auch zum Speichern von sensibler Wärme herangezogen wird und somit der Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Speichermoduls hoch sind.
Als Speichermaterial kann Sand, Kies, Steine, Korund oder Graphit und/oder auch ein sogenanntes Phase-Change-Material (PCM) eingesetzt werden. Als geeignete Größe für die einzelnen Körner dieser, bis auf das möglicherweise eingesetzte PCM, granulatartigen Materalien haben sich Durchmesser von 2 mm bis 80 mm bewährt. Wenn PCM eingesetzt werden, muss dieses in geeigneten Behältern im Speicher untergebracht werden, deren Form und Größe hinsichtlich des Wärmeübergangs und der Wärmeausdehnung optimiert sind.
Grundsätzlich gilt, je kleiner der Durchmesser, desto schneller heizt sich ein solches Korn bis in den Kern auf. Allerdings werden dadurch auch die Zwischenräume zwischen den Körnern auch kleiner und infolge dessen steigt der Strömungswiderstand an. Hier gilt es entsprechend den Anforderungen des Einzelfalls einen geeigneten Kompromiss zu finden.
Es ist auch möglich, dass das Speichermaterial innerhalb einer Speicherwand horizontal oder vertikal geschichtet wird und von Schicht zu Schicht der Durchmesser des eingesetzten Speichermaterials oder das eingesetzte Speichermaterial selbst geändert wird. Dadurch können die thermischen Eigenschaften des Speichermaterials an die in der jeweiligen Zone der Speicherwand herrschenden strömungstechnischen und thermischen Bedingungen angepasst werden und dadurch eine weitere Optimierung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Speichermoduls erreicht werden.
Um zu verhindern, dass das Speichermaterial sich im Laufe der Zeit „entmischt”, weil kleinere Körner des Speichermaterials der Schwerkraft folgend nach unten fallen und größere Körner oben bleiben, kann vorgesehen sein, dass innerhalb der Speicherfläche eine einen Raum bildende Struktur aus kleinen Röhrchen, Raschigringen, dreidimensionalen Gitternetzen und/oder anderen Füllkörpern angeordnet werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Speichermaterial sich nicht im Laufe der Zeit verdichtet und entmischt und infolge dessen der Strömungswiderstand durch die Speicherfläche in diesen Bereich mit verdichtetem Speichermaterial ansteigt.
Um das Be- und Entladen des erfindungsgemäßen Speichermoduls steuern zu können, ist in der zu mindesten einen Zuleitung und/oder der mindestens einen Ableitung ein Verschlussorgan, insbesondere eine Klappe vorgesehen.
Die mindestens eine Speicherfläche kann in Art einer zylindrischen Speicherwand oder spiralförmig ausgebildet sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere zylindrische Speicherwände konzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch ergibt sich bei geringem Bauvolumen des Speichermoduls eine sehr hohe Leistungsfähigkeit und gleichzeitig wird die Wärmeübertragung beim Be- und Entladen optimiert.
Selbstverständlich kann je nach Modulgeometrie die mindestens eine Speicherschicht auch als Quader, Parallelepiped, Zylinder, Hohlzylinder und/oder als Wand mit spiralförmiger Grundfläche ausgebildet sein.
Grundsätzlich ist es möglich, eine Zuleitung und eine Ableitung für den Wärmeträger an jeder beliebigen Stelle des Gehäuses anzubringen. Dabei wird man darauf achten, dass die mindestens eine Zuleitung und die mindestens eine Ableitung ein gleichmäßiges Durchströmen der Speicherflächen ermöglichen und im übrigen auch der Druckverlust des Wärmeträgers beim Durchströmen der Speicherflächen minimiert wird. Daher ist es oft sinnvoll, die Zuleitung seitlich und die Ableitung oben an dem Gehäuse des Speichermoduls vorzusehen. Selbstverständlich können die Zuleitungen und die Ableitungen jedoch auch an jeder beliebigen Stelle des Speichermoduls angebracht werden.
Um die Temperaturschwankungen für das Gehäuse beim Be- und Entladen zu minimieren hat es sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, das Gehäuse an seiner Innenseite mit einer Schicht aus Speichermaterial zu bedecken. Damit nimmt dieses Speichermaterial an der Wärmespeicherung teil. Ein weiterer Vorteil dieser die Innenseite des Gehäuses bedeckenden Schicht aus Speichermaterial ist darin zu sehen, dass die Temperaturschwankungen für das Gehäuse gedämpft werden und dadurch die thermischen Belastungen des Gehäuses reduziert werden.
Es versteht sich von selbst, dass das Gehäuse, bevorzugt an seiner Außenseite wärmegedämmt ist, um die Energieverluste durch Abstrahlung oder Konvektion in die Umgebung zu minimieren. Das erfindungsgemäße Speichermodul kann mit mehreren ähnlichen oder baugleichen Speichermodulen in Reihe oder parallel geschaltet werden. Dadurch ist es möglich, durch einen oder weniger standardisierte Baugrößen nach Bedarf einen aus mehreren Speichermodulen zusammengesetzten Hochtemperaturspeicher bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil dieser modularen Bauweise ist darin zu sehen, dass einzelne Speichermodule bei Bedarf nachträglich hinzugefügt werden können oder im Falle eines Schadens auch ausgetauscht werden können, ohne dass das Solarkraftwerk außer Betrieb gehen müsste.
Als Speichermaterial kommen Sand- oder Kies- oder Stein- oder Korund- oder Grafit oder ähnliche Materialien (z. B. PCM) oder Kombinationen davon zum Einsatz.
Der Vorteil dieser Speicherausführung gegenüber anderen möglichen Wärmespeichersystemen liegt darin, dass mit Sand, Kies, Stein oder Korund, und gegebenenfalls auch Grafit oder PCM-Materialien, sehr preisgünstiges und überall erhältliches Wärmespeichermaterial eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Speichermoduls und der Speicherflächen ermöglicht das Beladen und Entladen des Speichers mit minimalen Druckverlusten.
Der Speicher kann in verschiedenen Ausführungen gebaut werden, als vorteilhaft hat sich aber herausgestellt, die einzelnen Speichermodule in Form von Containern mit Standardmaßen auszuführen. Diese sind entsprechend einfach zu transportieren und kostengünstig herzustellen. Diese Module können aneinandergereiht oder aufeinander gestellt werden, so dass die Gesamtspeicherkapazität auf einfache Weise entsprechend vergrößert werden kann. Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, hierfür sowohl Standard-Container-Bauformen als auch zum Beispiel Tank-Container-Bauformen einzusetzen.
An diese Speichermodule werden dann die entsprechenden Luftkanäle für die Zu- und Abluft mit Luftklappen angeschlossen. Die Speichermodule können konstruktiv so ausgeführt werden, dass die Luftkanalanschlüsse oberhalb und unterhalb oder seitlich angeordnet werden. Dies lässt eine große Flexibilität mit Blick auf den Flächenbedarf.
Grundsätzlich müssen bei diesem Speicher keine besonderen Materialien oder Apparate eingesetzt werden, da der Speicher auch mit Drücken unterhalb von 1,5 bar_(a) betrieben werden kann. Dadurch können auch große Wärmespeichersysteme mit niedrigen Kosten realisiert werden.
Durch entsprechende Optimierungsmöglichkeiten, z. B. bei der Schichtung des Speichermediums oder die Variation der durchschnittlichen Durchmesser der Körnung des eingesetzten Speichermaterials innerhalb eines Moduls, oder von Modul zu Modul, wird auch eine den Anforderungen entsprechende optimale Verschaltung ermöglicht.
Ein Betrieb bei höheren Drücken als 1,5 bar ist grundsätzlich auch möglich, es werden dabei aber deutlich höhere Investitions- und Betriebskosten erwartet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Zeichnung und deren Beschreibung im Detail beschrieben.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls,
2 eine erfindungsgemäß Speicherfläche in einem Vertikalschnitt,
3 ein Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Speicherwand, die mit Lamellen gestützt wird.
4 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Speichermodul mit kreisringförmiger Speicherfläche,
5 eine Draufsicht entlang der Linie A-A aus 4,
6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls mit mehreren konzentrisch zueinander angeordneten ringförmigen Speicherflächen, sowie
7 und 8 die Einbindung eines erfindungsgemäßen Speichermoduls in ein solarthermisches Dampfkraftwerk.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls 29. Das Speichermodul 29 besteht aus einem Gehäuse 16 in das eine Zuleitung 17 mündet. Über die Zuleitung 17 kann ein heißer Wärmeträger, wie zum Beispiel Luft, in das Innere des Gehäuses 16 gelangen. Auf der der Zuleitung 17 gegenüberliegenden Seite des Speichermoduls 29 ist eine Ableitung 18 vorgesehen, die zum Abtransport der im Speichermodul 29 abgekühlten Wärmeträgers dient.
In dem Gehäuse 16 sind insgesamt acht vertikale Speicherflächen 31.1 bis 31.8 angeordnet. Diese Speicherflächen 31 stehen parallel zueinander und sind zueinander beabstandet. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Speichermaterial, wie zum Beispiel Sand, Kies, Schotter oder Ähnlichem.
Die Speicherflächen 31 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als senkrechte (Speicher-)Wand ausgebildet; sie beginnen am Boden 41 des Gehäuses 16 und enden an der Decke des Gehäuses 16. Diese Decke ist in 1 nicht dargestellt, um einen Blick ins Innere des erfindungsgemäßen Speichermoduls 29 zu erlauben.
Um den durch die Zuleitung in das Gehäuse 16 strömenden heißen Wärmeträger gleichmäßig über die gesamte Breite des Speichermoduls 29 zu verteilen, ist eine Durchmessererweiterung 33 vorgesehen, die in der Art eines Diffusors zu einer Verzögerung des durch die Zuleitung 17 einströmenden Wärmeträgers führt. Der Weg des Wärmeträgers durch das Speichermodul 29 hindurch ist mit Hilfe von einer Vielzahl von Pfeilen (ohne Bezugszeichen) angedeutet. Dabei wird deutlich, dass der Wärmeträger zwangsweise durch eine der Speicherwände 31.1 bis 31.8 strömt, um von der Zuleitung 17 zur Ableitung 18 zu gelangen.
Um dies zu erreichen, sind die Stirnseiten der Speicherwände 31 mit gasdichten Wänden 35 verschlossen. Dabei verbindet jeweils eine gasdichten Wände 35 zwei benachbarte Speicherschichten 31 miteinander. Im Fall der Speicherflächen 31.1 und 31.2 werden die Speicherflächen an dem der Zuleitung 17 zugewandten Ende gasdicht miteinander verbunden. Bei den Speicherwänden 31.2 und 31.3 werden die der Ableitung 18 zugewandten Enden der Speicherflächen durch eine gasdichte Wand 35 begrenzt.
Die Speicherwand 31.1 ist an ihrem der Ableitung 18 zugewandten Ende über eine gasdichte Wand 35 mit dem Gehäuse 16 verbunden. In ähnlicher Weise sind auch an den anderen Speicherflächen 31.3 bis 31.8 im Wechsel an den Stirnseiten gasdichte Flächen 35 angeordnet. Dadurch kann der heiße Wärmeträger aus der Zuleitung 17 nur in jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei Speicherflächen 31 oder einer Speicherfläche 31.1, 31.8 und dem Gehäuse 16 einströmen kann.
Anschließend strömt der Wärmeträger durch die Speicherflächen 31 hindurch und kann dann, auf der anderen Seite der Speicherfläche angekommen, in Richtung Ableitung 18 auströmen. Wie man schon aus der vereinfachten Darstellung der 1 erkennen kann, haben die insgesamt acht Speicherflächen 31.1 bis 31.8 mehrere für das Beladen und Entladen des Speichermaterials vorteilhafte Eigenschaften:
Die Speicherflächen 31 bilden eine sehr große Eintrittsfläche 37 und haben, da es sich um eine gerade Speicherwand 31 handelt, eine gleich große Austrittsfläche 39. Dadurch ist gewährleistet, dass der Wärmeträger mit einer sehr geringen Geschwindigkeit und somit mit geringen Druckverlusten durch die Speicherwände 31 strömen kann.
Durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit ist die Verweildauer des Wärmeträgers in der Speicherfläche 31 relativ groß, so dass eine gute Wärmeübertragung zwischen dem gasförmigen Wärmeträger und dem Speichermaterial 39 in den Speicherflächen 31 stattfinden kann.
Des Weiteren wird auch deutlich, beim Betrachten der 1, dass, weil die Dicke der Speicherflächen 31 relativ gering ist, der Strömungsweg des Wärmeträgers durch die Speicherflächen 31 relativ kurz ist, was sich ebenfalls positiv auf den Druckverlust des Wärmeträgers beim Durchströmen der Speicherwände 31 auswirkt.
In 1 ist das Beladen des Speichermoduls 29 dargestellt. Wenn das erfindungsgemäße Speichermodul entladen werden soll, kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Strömungsrichtung umgekehrt wird und durch die Ableitung 18 kalte Luft in das Speichermodul 29 gefördert wird. Diese kalte Luft strömt entgegen der Strömungsrichtung beim Beladen des Speichermoduls 29. Durch die Speicherwände 31 nimmt dabei die dort eingespeicherte sensible Wärme größten Teils auf und verlässt als heißer Wärmeträger das Gehäuse 16 über die Zuleitung 17. Selbstverständlich ist es auch möglich und in vielen Anwendungsfällen auch vorteilhaft, wenn das Beladen und Entladen des Speichermoduls über separate Zuleitungen und Ableitungen erfolgt, wie dies beispielsweise anhand der 7 und 8 erläutert wurde. Diese zusätzlichen Zu- und Ableitungen sind in der 1 nicht dargestellt.
In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Speicherfläche vergrößert und in einem Vertikalschnitt dargestellt.
Die Filterfläche 31 wird unten von einem Boden 41 und oben von einer Decke 43 des Gehäuses 16 begrenzt. Damit das Speichermaterial, welches in 2 als Kieselsteine dargestellt ist, nicht der Schwerkraft folgend nach unten wegrutscht, sind an der Eintrittsfläche 37 und an der Austrittsfläche 39 jeweils ein Lochblech oder ein Gitter 45 angeordnet. Dieses Lochblech oder Gitter 45 muss hinsichtlich seiner Maschenweite bzw. der Größe der Löcher so auf das Speichermaterial abgestimmt sein, dass das Speichermaterial nicht durch die Löcher bzw. das Gitter 45 gelangen kann. Gleichzeitig ist dabei darauf zu achten, dass der Strömungswiderstand durch das Gitter 45 bzw. das Lochblech nur so wenig wie möglich ansteigt. Es ist auch denkbar, ein stabiles Gitter 45 mit einer großen Maschenweite vorzusehen und zwischen dem Speichermaterial und diesem Gitter 45 noch ein Vlies oder ein Gitter mit einer sehr viel kleineren Maschenweite anzuordnen (nicht dargestellt). Der Abstand A ist zudem abhängig von der Lamellenlänge und dem Neigungswinkel der Lamellen. Vorteilhaft kann eine zueinander versetzte Anordnung zwischen den Lamellen der Anströmseite und denen der Abströmseite sein.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Speicherwand 31 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann auf ein Lochblech bzw. ein Gitter 45 verzichtet werden, weil an der Eintrittsfläche 37 und der Austrittsfläche 39 eine Vielzahl von Lamellen 47 vertikal übereinander angeordnet ist.
Diese Lamellen 47, deren Längsachse senkrecht zur Zeichenebene verläuft, sind schräg geneigt und zwar so, dass das Speichermaterial nicht nach außen fällt. Der Strömungswiderstand des Wärmeträgers durch eine solche Speicherwand 31 mit den Lamellen 47 ist sehr gering. Außerdem lässt sich eine solche Speicherfläche 31 sehr einfach vor Ort herstellen, indem eine Tragstruktur (nicht dargestellt) für die Lamellen 47 in dem Gehäuse 16 aufgebaut wird. Anschließend wird der Zwischenraum zwischen den Lamellen 47 mit dem Speichermaterial befüllt. Die Schrägstellung der Lamellen 47 muss so sein, dass einerseits kein Speichermaterial seitlich aus der Speicherwand herausfällt. Andererseits ist darauf zu achten, dass der Abstand der Lamellen 47 in vertikaler Richtung nur nicht zu groß wird, damit auf die Wandstärke die Dicke der Speicherwand 31 relativ konstant bleibt. Wenn nämlich die Wandstärke aufgrund des Schüttwinkels des Speichermaterials bereichsweise zu stark abnimmt, dann strömt der Wärmeträger, wie durch die durchgezogenen Pfeile in 3 angedeutet, bevorzugt durch diesen dünneren Bereich der Speicherwand und die anderen Bereiche auf Höhe der Lamellen 47 werden nur wenig durchströmt.
Der vertikale Abstand A zwischen zwei Lamellen 47 ist somit ein wichtiger Parameter für die Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Speicherfläche 31.
4 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls 29, dessen Gehäuse 16 in der Draufsicht zylindrisch ist. Die Speicherwand 31 ist kreisringförmig ausgebildet und wird durch die zuvor beschriebenen Lamellen 47 in radialer Richtung begrenzt. Die Speicherwand 31 ist, wie sich auch aus dem Schnitt entlang der Linie A-A in 5 ergibt, kreisringförmig ausgebildet. Die Lamellen 47 sind bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls kreisringförmig ausgebildet. Über die Zuleitung 17 strömt der heiße Wärmeträger in einen Ringraum, der außen vom Gehäuse 16 begrenzt wird und innen von der Speicherwand 31 begrenzt wird, in das Speichermodul 29 ein, strömt radial nach innen durch die Speicherwand 31 und verlässt über einen die zentral angeordnete Ableitung 18 das Speichermodul 29.
Aus dem Schnitt entlang der Ebene A-A in 5 wird deutlich, dass auch hier eine sehr starke Verzögerung der durch die Zuleitung strömenden Wärmeträgers stattfindet und somit der Wärmeträger sehr langsam und mit geringen Druckverlusten durch die Speicherwand 31 strömen kann.
Des Weiteren ist ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Speichermoduls darin zu sehen, dass die Speicherflächen 31 letztendlich aus einem kostengünstigen Schüttgut bestehen, das durch eine einfache und in aller Regel metallische Struktur fixiert wird. Dadurch werden Probleme, wie zum Beispiel Spannungsrisse, die auf das regelmäßige Aufheizen und Abkühlen der Speicherschichten zurückzuführen wären, vermieden. Auch ist es ohne weiteres möglich, das Speichermaterial auszutauschen, wenn seine thermischen Eigenschaften aufgrund von Alterung nachlassen oder wenn sich die Betriebsbedingungen geändert haben.
In 6 ist ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Speichermoduls 29 dargestellt, bei dem drei konzentrisch zueinander angeordnete Filterwände 31.1, 31.2, 31.3 vorhanden sind. Zwischen dem Gehäuse 16 und der äußersten Speicherwand 31.1 entsteht der bereits zuvor beschriebene zylindermantelförmige Zuströmkanal 49.1. Des Weiteren ist zwischen der zweiten Filterwand 31.2 und der dritten Filterwand 31.3 ein weiterer ringförmiger Raum 49.2 ausgebildet, der mit der Zuleitung 17 verbunden ist und somit mit heißem Wärmeträger beschickt wird. Aus diesen beiden Ringräumen 49.1 und 49.2 strömt der heiße Wärmeträger durch die Speicherwände 31.1, 31.2 und 31.3 und strömt in die zentral angeordnete Ableitung 18. Damit der abgekühlte Wärmeträger, der sich in einem dritten Ringraum 49.3 zwischen der ersten Speicherfläche 31.1 und der zweiten Speicherfläche 31.2 befindet, in die Ableitung 18 abgeleitet werden kann, ist ein Verbindungskanal 51 zur Ableitung 18 im Zentrum des Gehäuses 16 vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010033571 [0002, 0003, 0003]
DE 2444217 A [0010]
DE 2731115 A [0011]
US 3982326 A [0012]
US 4006533 A [0012]

Claims

Speichermodul zur Speicherung von thermischer Energie, umfassend ein Gehäuse (16) mit mindestens einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18), wobei das Gehäuse (16) mindestens teilweise mit einem granulatförmigen Speichermedium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in Form einer oder mehrerer Speicherschichten (31) angeordnet ist, und dass ein Wärmeträger, der über die Zuleitung (17) in das Gehäuse (16) strömt und über die Ableitung (18) aus dem Gehäuse (16) strömt, zwangsweise mindestens einmal durch eine Speicherschicht (31) strömt.
Speichermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Speicherschicht (31) eine Eintrittsfläche (37) und eine Austrittsfläche (39) aufweist, und dass die Speicherschichten (31) an den Eintrittsfläche (37) und/oder den Austrittsflächen (39) durch ein Netz, ein Gitter, eine Lochblech und/oder ein Vlies begrenzt wird.
Speichermodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speicherfläche (31) im Bereich der Eintrittsfläche (37) und der Austrittsfläche (39) eine Stützstruktur aufweist.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherschichten (31) als vertikale oder horizontale Wand ausgebildet sind, in Fornm eines Quaders, Parallelepipeds, Zylinders, Hohlzylinders oder als Wand mit sprialförmiger Grundfläche.
Speichermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherflächen (31) von mehrere Lamellen (47) umfasst oder begrenzt werden, und dass die Lamellen (47) in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind.
Speichermodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (47) bevorzugt im Bereich der Eintrittsflächen (37) und der Austrittsflächen (39) vertikaler Richtung gegenüber einer Horizontalen geneigt sind.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speicherfläche (31) mit Ausnahme der Eintrittsfläche (37) und der Austrittsfläche (39) von gasdichten Wänden (35, 16, 41, 43) begrenzt wird.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichten Wände (35, 16, 41, 43) einen Kurzschluss zwischen der Zuleitung (17) und der Ableitung (18) unter Umgehung der mindestens einen Speicherfläche (31) verhindern.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermaterial horizontal oder vertikal geschichtet wird und jede Schicht einen anderen durchschnittlichen Durchmesser des Speichermaterials und/oder ein anderes Speichermaterial aufweist.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Speicherflächen (31) eine ein Raumgitter bildende Struktur aus kleinen Röhrchen, Raschigringen, dreidimensionalen Gitternetzen oder anderen Füllkörpern durchsetzt wird, um sicherzustellen, dass das Speichermaterial mit der Zeit nicht verdichtet und der Druckverlust durch das Speichermaterial sich nicht erhöht.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (17) und/oder der Ableitung (18) ein Verschlussorgan (13, 9), insbesondere eine Klappe, vorgesehen ist, so dass die Durchströmung beim Beladen und Entladen des Moduls geregelt werden kann.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speicherfläche (31) in der Art einer zylindrischen Speicherwand (31.1, 31.2, 31.3) oder spiralförmig ausgebildet ist.
Speichermodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere zylindrische Speicherwände (31.1, 31.2, 31.3) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) mindestens eine seitliche Zuleitung (17) oder mindestens eine seitliche Ableitung (18) für den Wärmeträger hat.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) an seinem Boden (41) und/oder seine Decke (43) mindestens eine Zuleitung (17) oder mindestens eine Ableitung (18) für den Wärmeträger hat.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) wärmegedämmt ist.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) an seiner Innenseite mit einer Schicht Speichermaterial bedeckt ist.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermaterial Sand, Kies, Steinen, Korund und/oder Grafit mit durchschnittlichen Durchmessern von 2 bis 80 mm eingesetzt wird.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Speichermodule (29) in Reihenschaltung oder Parallelschaltung angeordnet werden können.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) in modularer Container-Bauweise in Standard-Containergröße und/oder in Tank-Containergröße ausgeführt ist.
Speichermodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Speicherfläche (31) in der Art eines Quaders oder Parallelepipeds ausgebildet ist.