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Bezeichnung: Wärmespeicher,betrieben mit elektrischer oder Sonnenenergie.
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Beschreibung Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät zur Speicherung
von Wärmeenergie, das durch elektrischen Strom oder Sonnenwärme aufgeheitt wird0
Das Gerät kann stationär oder in Kraftfahr= zeugen eingesetzt werden.
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Das große praktische Interesse an Energiespeichern ist an der Vielzahl
der bekannten Speichermöglichkeiten erkennbar.
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So wird Energie in ihren verschiedenen Formen in elektrischen Akkumulatoren,
Dampf - und Druckgasspeichern, in rotierenden -Massen, als chemische Energie in
Brennstoffen , in Primärelementen, oder in Form von Wärme gespeichert.
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Allen aufgezählten Speichermöglichkeiten, ausgenommen Brenn= stoffe,
sind als gemeinsame Nachteile ungünstige Verhältnisse bei Gewicht/KWh oder Betriebskosten/KWh
eigen.
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Bei Brennstoffen liegen zwar beide Verhältnisse gunstig,jedoch müssen
z.B. bei Kraftfahrzeugen andere Nachteile wie Lärm oder Luftverschmutzung in Kauf
genommen werden0 Zudem muß bei genauer Betrachtung die entsprechende gärmekraftmaschine,
so der relativ schwere Motor mit Kupplung und Getriebe, in die Gewichtsbilanz mit
einbezogen werden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher zu schaffen,
der die aufgezählten Nachteile vermeidet oder verringert.
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Zu diesem Zweck wurde ein neuer Wärmespeicher auf der Basis von Kohle
und Graphit entwickelt.
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Es sind zwar Wärmespeicher bekannt, z.B. die Nachtstromspeicher= heizungen,
bei diesen wird entweder ein Wasserreservoir oder eine keramische Masse, meist Schamotte,erhitzt.
Die speicher= bare Energiemenge wird dann, bezogen auf eine konstante Masse, durch
die jeweilige spezifische Wärme (s.W.) und den oberen
Temperaturverwendungs- begrenzt.
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Jei wasser ist die s.W. mit 4,2 Joule '' Gramm Sgrad 4 zwar relativ
Groß, doch der niedrige Siedepunkt von 373 K unter Normaldruck, setzt hier eine
Grenze über die hinaus nur mit aufwendigen Druckbehältern gegangen werden kann.
Bei Schamotte beträgt die mittlere s.W. im verwendbaren Temperaturbereich etwa 1J.g-1.grad-1.
Die Druckerweichung beginnt bei Schamotte, ie nach Herstellungaprozess, bei 1433
K bis I723 K, jedoch wurde schon bei 873 K bis 973 K das erste " Kriechen " unter
Zug oder Druck festgestellt. Als Wärmespeicher wurde auch das Alkalimetall Lithium
wegen seiner hohen s.W. vorgeschlagen, das in geschmolz zenem Zustand in geeigneten
Behältnissen verwendet werden soll.
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Abgesehen von der durch den Siedepunkt des Lithiums gegebenen Temperaturgrenze,
muß die Verwendung dieses mit Wasser oder Feuchtigkeit explosionsartig reagierenden
Metalls in der Obhut von Nichtfachleuten fragwürdig bleiben.
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Demgegenüber ist der gemäß der Erfindung verwendete Graphit eher reaktionsträge
zu nennen und weist bei ca. 2770 K sogar eine doppelt so hohe mechanische Festigkeit
auf als bei Raum= temperatur. Der Sublimationspunkt liegt bei Kohlenstoff unter
normalen Bedingungen erst über 3800 K . Damit wird der Temperatur= verwendungsbereich
beträchtlicn erweitert. Nachfolgende Tabelle gibt die in den einzelnen Temperaturbereichen,
durch die gegebenen mittleren s.W. erreichbaren Energieinhalte, für das gewählte
Beispiel eines I00 kg Graphit speichers.
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Temperaturbereich mittlere s.W.in J,g I Energieinhalt in kJ 373 K
bis I273 K I,42 I27800 1273 K bis 2273 K 2,05 205000 2273 K bis 3273 K 2,I8 2I8000
Summe : 550800 kJ Die Summe von 550800 kJ entspricht I53 kW h Die mit den sehr hohen
Temperaturen verbundenen Schwierigkeiten wie Isolierung und Oxidation des Graphits
wurden erfindungsgemäß
folgendermaßen gelöst, In der beigefügten
Zeichnung zeigt Abb. I einen Querschnitt und Abb. 2 einen Längsschnitt des Speichers.
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Der Graphit speicher befindet sich im Innern eines Stahlbe= hälters
a . Die Wärmeübertragung durch Gasmoleküle sowie die Oxidation des Graphits werden
durch Evakuierung des Stahlbehälters in Verbindung mit einer mehrmaligen Spülung
mit Argon, wirksam verhindert. Im Innern des Behälters befinden sich in der Mitte
die Graphitelektroden b und c , über die durch elektrischen Strom das kugelförmige
Widerstandsmaterial d aus Kunstkohle bzw. Graphit erhitzt wird. Der spezifische
elektrische Widerstand liegt dabei, je nach Graphitierungsgrad der Kohle zwischen
etwa 8 bis 60 n mm2/m n Daß kugelförmige Widerstandsmaterial wird durch einen dickwandigen
Graphitmantel e , sowie je eine Graphitplatte f an den Stirnseiten des Mantels begrenzt.
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Wie aus den Abb.I und Abb.2 ersichtlich, ist der innere Teil des Speichers
von einer Anzahl Schalen g eingehüllt. Diese Schalen sind die Reflektoren für die,
bei der Temperatur von 3273 K hohe Energieabstrahlung von etwa 470 W/cm² des Graphitmantels.
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Überraschenderweise sind als Reflektoren die sich anbietenden, nicht
Carbide bildenden und hochglänzenden Metalle wie z.B.
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Silber, Kupfer, Gold, Osmium, Rhodium oder Platin ungeeignet.
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Trotz einem hohen Reflexionsvermögen von teilweise 96 im mittleren
Teil des sichtbaren Spektrums, bis nahe 99% im ultra= roten Bereich der Strahlung,
reichen die wenigen Prozent absorbierte Strahlung hin, einen Metallreflektor aus
Kupfer, Silber oder Gold bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen.
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Höher schmelzende Metalle wie z.B. Osmium oder Platin sind ebenso
ungeeignet, da der Reflexionsgrad geringer ist und schon bei I bis 2 % Absorption
der auftreffenden Strahlung, eine unvertretbar hohe Energiemenge sekundär durch
den erhitzten Reflektor abgestrahlt wird.
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Zudem wird, da ja der ganze Speicher unter Vakuum steht, der Dampfdruck
des Graphits aber nicht mehr vernachlässigbar ist, an den Metallreflektoren Graphit
oder Kohlenstoff kondensiert, wodurch der Reflexionsgrad schnell abnimmt und die
Schutzwirkung zusammenbricht.
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Das Reflektorproblem wurde nun dadurch gelöst, daß der Graphit= speicher
durch eine Anzahl weiterer, dünnwandiger Schalen aus Graphit g in Abb.I und Abb.3
umgeben wird, die als Zwischen= lagen noch sehr dünne Graphitplättchen h in Abb.3
enthalten.
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Zur Verminderung der direkten Wärmeleitung sind die einzelnen Schalen
durch Kugeln i aus Graphit,Kunstkohle oder hochschmel= zenden Metallcarbiden auf
Abstand gehalten und übernehmen zugleich die mechanische Befestigung des Systems.
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Trotz des relativ geringen Reflexionsgrades von etwa 25 bis 50 % des
Graphits ( abhängig von Schichtorientierung, Temperatur und Oberflächengüte ) wird
der als Verlust empfundene Energiefluss zur Innenwand des Stahlbehälters, nach etwa
20 Schalen auf ein tragbares Maß herabgestzt. Die zwischen den Schalen befindlichen
Graphitplättchen h in Abb. 3 , sind der Anzahl nach schwer abzuschätzen, betrageh
jedoch ein Mehrfaches der Schalen.
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Auch die Belegung der Innenwand des Stahlbehälters mit einer hochglänzenden
Metallschicht ist ungünstig, da dann sich auch die äußeren Schalen zunehmend erwärmen.
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Ist jedoch der Reflexionsgrad des Stahlbehälters gering, dann entsteht,
bei den einzelnen Schalen, ein rasch zunehmendes Temperaturgefälle von innen nach
außen und die Erwärmung des Stahlbehälters bleibt gering.
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Dieses überraschende Ergebnis dürfte so zu deuten sein, daß durch
die Eigenschaften von Reflektion, Absorption und Emission bei den einzelnen Graphit
schalen, der Energiefluß von Schale zu Schale zwar geringer wird, aber dennoch einen
endlichen Betrag darstellt.Wird demzufolge die äußerste Wand mit hochglänzendem
Material belegt, dann entsteh +ier noch einmal eine starke Strahlungsbarriere und
das gesamte Reflektorensystem wird zu= nehmend heißer. Das ist insofern von Übel,
da bei Graphit der Reflexionegrad mit sinkender Temperatur zunimmt, ein Temperatur=
gefälle also erwünscht ist, da sonst der Energiefluß durch die einzelnen Schalen
wieder zunimmt.
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Die einzelnen Graphit schalen dürfen nicht gasdichte Umhüllungen sein,
damit eine gute Evakuierung des Systems gewährleistet ist.
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Zwischen der letzten Schale und der Behälterwandung soll der Gas=
druck weniger als 133 Pa (Pascal) sein. In den weiter innen lie= genden Zonen ist
der Gasdruck, durch den Dampfdruck des Graphits bedingt , sicher höher, jedoch ist
die Diffusion von Graphitdampf durch die sich nur berührenden Reflektoren der Mantel
- und Stirn= seite gering. Der abdampfende und kondensierende Graphit beeinträch=
tigt die Reflektorwirkung nicht, da er offensichtlich wieder als Graphit kondensiert.
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Abb.3 veranschaulicht wie die, durch die unterschiedlichen Tem= peraturen
des Graphitspeichers und der Graphitschalen bedingte, unterschiedliche Wärmedehnung
aufgefangen wird. In der Senkrechten übernehmen die Kugeln i in Abb.I die Last.
Die in Abb.I nicht vollständig geschlossenen Schalen werden in einem vergrößerten
Ausschnitt in Abb.3 dargestellt. Oberhalb, der durch den Mittel= punkt des Speichers
gegebenen Horizontalen, sind am Graphitmantel und an den Schalen schiefe Ebenen
k im Winkel der resultierenden Wärmedehnung angebracht, sodaß über bewegliche Kugeln
ein spannungs= freier Ausgleich erfolgt.
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Abb.4 zeigt die in Abb.2 angedeuteten Scheibenblenden 1 , durch die
der Strahlungsfluß auf den Energiewandler m , der ein Dampf= kessel oder ein photoelektrischer
Empfänger sein kann, reguliert wird. Die Regulierung erfolgt über ein Hebelwerk
von einer im Stahlbehälter angebrachten Membran n in Abb.4 , durch Variierung des
Gasdrucks in der Kammer o . Der Strahlungsfluß wird dann durch Verdrehung der Scheibenblenden
mit ihren versetzt ausgesparten Sektoren reguliert.
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Der in Abb.2 eingezeichnete~Membranmechanismus p dient zum Öffnen
und Schließen eines Kontakts zwischen der Graphitelektrode c und der Stromzuführung.
Ein entsprechender Kontakt an der Elektrode b wurde nicht eingezeichnet.
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Abbe 5 zeigt einen Graphitspeicher, der nicht durch elektrischen Strom,
sondern durch Sonnenenergie aufgeheizt wird. Die durch ein Spiegelsystem (nicht
eingezeichnet) gebündelte Strahlung fällt senkrecht von oben auf den Umlenkspiegel
q , der die Strahlung horizontal durch die Mittelöffnung einer Ringmembran r , auf
einen
daran befestigten, graphitummantelten Kohlebecher lenkt, wo sie absorbiert wird.
Daran anschließend befinden sich weitere, konische Graphitbecher s , die gegeneinander
und zum Graphit block t beweglich sind.( In Abb. 5 ist nur ein zweiter Graphit becher
eingezeichnet.) Der unterhalb des Umlenkspiegels q angebrachte Servomechanismus
u bestehend aus gasgefülltem Zylinder mit Kolben bewirkt, daß bei einfallender Strahlung
das Gas im Zylinder erwärmt wird und den Kolben nach außen drückt. Die Kolbenstange
drückt die lingmembran in Richtung Graphitblock und bewirkt den Kontaktschluß der
einzelnen Graphitbecher mit dem Block t Die im ersten Becher absorbierte Strahlung
wird dadurch über Wärmeleitung schnell weitergegeben.Wird die Einstrahlung unter=
brochen, kühlt sich das Gas im Servomechanismus ab und zieht die Ringmembran und
die Becher zurück. Dadurch wird der Energiefluß, der nun rückläufig wäre, unterbrochen
und die einzelnen Becher übernehmen eine Reflektorfunktion, wie es sinngemäß in
der Be= schreibung von Abb. I und 2 dargestellt wurde. Der übrige Teil des Blocks
t ist ebenfalls mit Graphitreflektoren umgeben.
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Die zwangsläufige Bewegung der Becher wird durch sogenannte Nasen
und Nuten bei den einzelnen Bechern bewirkt.
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Der Raum in dem sich der Block t befindet ist ebenfalls evakuiert.
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Der Raum in dem sich der Umlenkspiegel befindet, steht unter Argonatmosphäre.
Der erste Graphitbecher, der also mit seiner Innenseite unter Argon von Atmosphärendruck
steht und auf seiner Außenseite unter Vakuum, ist aus weitgehend gasdichtem Graphit
gefertigt. Da kein Material bekannt ist, das im sichtbaren, ultra= violetten und
ultraroten Teil der Sonnenstrahlung frei von Ab= sorptionen ist, wird die Anwendung
einer " strahlungsdurchlässigen 11 Verschlussplatte vermieden.
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Die Verluste der Argonatmosphäre, im Raum des Umlenkspiegels, durch
Diffusion und Konvektion, müssen zwar erste werden, doch bildet sich sich zwischen
der oberen Öffnung des Behälters und dem zu schützenden ersten Graphitbecher, ein
Gemischgradient zwischen dem schwereren Argon und der leichteren Luft, sodaß die
Verlustrate gering ist.
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Der gegenüber dem Bekannten wesentliche Fortschritt der Erfindung
wird einerseits in der guten Speicherkapazität von etwa einer kWh pro kg und andererseits
im, durch die Graphitreflektoren, gelös= ten Isolierungsproblem, gesehen Beide Eigenschaften
machen den Speicher für Heizungszwecke und, nach Energieumwandlung , für den Kraftfahrbetrieb
gleichermaßen geeignet.