Die Erfindung betrifft einen Bauteil, der thermische Energie aufzuspeichern vermag während längerer Zeit.
Die heute üblichen Wärmespeicher mit Wasser als Medium bedingen eine isolierende umschliessende Wand, die teilweise oder vollständig einer grossen Druckdifferenz zwischen Innen und Aussen standhalten muss (z. B. Wasser-Luft oder Wasser-Erdreich).
Eine in einer Publikation erwähnte Verwendung von ganzen Seen als Wärmespeicher ist nur in wenigen Fällen wegen Standort und Grösse für Grossanlagen ausführbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speicherverfahren und einen Wärmespeicher zu finden, an dem die isolierte umschliessende Wand keinen oder nur sehr geringen Druckdifferenzen ausgesetzt ist, so, dass diese Wand mit geringem Aufwand in Element- und Montagebauweise in beliebigen Grössen und Formen erstellt werden kann.
Die Wände sollten gut isoliert und einschichtig oder mehrschichtig aufbaubar sein.
Erfindungsgemäss lässt sich dies erreichen mit einem Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass der Energieträger durch einen in einem Gewässer schwimmenden, isolierten Speicher geleitet wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass ein mit Leitungen für das Energietransportmedium versehener Speicher, der unten offen ist, entweder ganz oder teilweise unter dem Wasserniveau schwimmend verankert ist.
Dadurch wird erreicht, dass die Wände des Speichers aussen und innen demselben Druck ausgesetzt sind. Die physikalisch bedingte Temperaturschichtung des Speicherwassers lässt sich dadurch ausnützen, dass die den Wärmespeicher umschliessenden Wände aus einer oder mehreren in bestimmter Distanz angeordneten Schichten aufgebaut sind, die unter- schiedliche wärmeisolierende, den Wärmeaustausch verhindernde Eigenschaften aufweisen. Die Einzelschicht hat eine zweckbestimmte Stärke und kann aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sein. Die Einzelelemente können so aufgebaut sein, dass sie neben den gewünschten Wärmeisolierwerten auch den jeweiligen statischen Beanspruchungen gewachsen sind und den Ansprüchen bezüglich Korrosionssicherheit genügen.
Die den Wärmespeicher umschliessende aus Elementen aufgebaute Wand kann vorzugsweise von einem Montagefloss aus zusammengebaut werden.
Die Schwimmfähigkeit des Speichers wird zweckmässig durch die isolierenden Elemente selbst erreicht, wobei je nach Erfordernis, bedingt durch die Lage im Wasser, Bautyp und evtl. weiteren zugeordneten Nutzungszwecken, der Speicher mit zusätzlichen Schwimmkörpern ausgerüstet werden kann. Aussenverstärkungen der Speicheroberfläche gegen mechanische Beschädigungen, können unter oder über dem Wasserspiegel nach Bedarf angebracht werden. Aussen angebrachte Schwimmkörper können zudem die Funktion von Puffern oder Wellenbrechern übernehmen. Verankerungen können den Speicher in seiner Lage fixieren. Unterwasserwärmespeicher können für Revisionen und Kontrollen mittels speziellen Vorrichtungen an die Oberfläche gebracht werden. Ein Steg auf Schwimmkörpern dient bei Bedarf als Zugang zum Speicher und weiteren Nutzungszwecken.
Isolierte Wärme-, Zu- und Ableitungen können am Steg befestigt sein. Für Heizzwecke oder Prozesswärme kann eine direkte Heisswasserentnahme vorgesehen sein. Heisswasser für den Haushalt lässt sich gegebenenfalls mittels eines Wärmeaustauschers herstellen.
Der Einsatz einer eingebauten Destillationsanlage für Heiss- oder Kalttrinkwasser ist als Spezialfall geplant und bildet Gegenstand einer separaten Erfindung.
Durch distanzierte Schichtanordnungen in der von oben nach unten verlaufenden Speicherwand, kann auch eine seitliche, von innen nach aussen sinkende Temperaturstufung bewirkt werden. (In der Höhe bilden sich von selbst Temperaturstufen in Form einer horizontalen Schichtung, wegen des leichteren spezifischen Gewichtes des wärmeren Wassers.) Diese seitlich abgestuften Wassertemperaturzonen zwischen den Speicher-Oberflächenschichten einer besonderen Ausbildungsform ermöglichen ein Verringern der Wärmeverluste, wenn die Wärme einer bestimmten Temperaturhöhe aus der betreffenden Temperaturzone dieser Schicht in deren oberen Bereich entnommen wird. Die etwas kältere darunterliegende Schichtzone steigt dabei als Ganzes bis zur Entnahmestelle nach oben.
Das Nachheizen dieser Zone geschieht durch Wärmeabgabe von den weiter innen liegenden, wärmeren Zonen. Der Isolierwert und die Schichtdicke der einzelnen Schichten wird aufgrund der benötigten Wasserquantitäten mit verschiedenen Temperaturhöhen pro Zeiteinheit errechnet, damit die von innen nach aussen gelangende Wärme genügt, um die, diesen Aussenschichten entnommene Wärme wieder in gleicher Proportion zu ersetzen. Diese Ausführungen sollen die vielseitige Anwendbarkeit auch bei anspruchsvollen, komplexen Bedürfnissen aufzeigen.
Im folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt und Fig. 2 einen Grundriss eines Wasser-Wärmespeichers, der vollständig unter Wasser liegt und auf dem Seegrund verankert ist. Die seitliche umschliessende Wand ist in einschaliger Bauweise aus verschieden stark isolierenden Elementen erstellt. Die Überweisungszeichen zeigen:
Eine Speicher-lsolations-Seitenwand 1, die aus einzelnen Elementen mit Nuten und versetzten Stössen zusammengebaut ist. Sie ist aus geschlossenporigem Hartschaum hergestellt, der aussen und innen mit Oberflächenschutz aus reflektierenden Folien oder Anstrichen versehen ist. 2 ist eine obere Isolationsschicht, die innenseitig wie oben beschrieben, geschützt ist und deren obere Aussenseite mit Schutzmörtel samt Stahldrahtnetzeinlage und verstärkter Randzone gegen mechanische Beschädigungen versehen ist.
3 ist ein unter er Abschluss, bestehend aus einem korrosionsbeständigen Schutzgitter und synthetischer wasserdurchlässiger Gewebeeinlage. Dies verhindert einen Wärmeaustausch infolge Wasserströmung und das Eindringen von Fischen usw. oder Verschmutzungen.
Die Verbindungsleitungen für Wärmean- und -abtransport mit einem zentralen Leitungsmast, mit Ein- oder Ausström öffnungen auf verschiedenen Temperaturhöhen samt eingebauten Temperaturmessstellen, sind mit 4 bezeichnet.
5 ist ein aufgeschraubter Kontrolldeckel für Montage und Servicearbeiten.
Mit 6 sind Verankerungsklötze mit Zugstangen und Seilrollen bezeichnet, während 7 gerade und diagonal angeordnete Halteseile sind. 8 ist eine Seilwinde mit Zugseil zur Fixierung des Auftrieb aufweisenden Speichers auf Tauchposition. Diese Vorrichtung ermöglicht die Durchführung von Kontrollarbeiten am Speicher über dem Seespiegel.
Schliesslich sind der Seespiegel mit 9, der Seegrund mit 10 und die Uferlinie mit 11 bezeichnet.
Durch diese Anordnung befindet sich der Speicher unsichtbar unter Wasser und ist witterungsbedingten Einflüssen (z. B. Eis, Wellenschlag, Strömungen) entzogen. Er kann auf einer die Schiffahrt nicht behindernden Tiefe verankert sein.
Fig. 3 zeigt einen schwimmenden zylindrischen Wasser Wärmespeicher im Querschnitt, mit einer nutzbaren Oberfläche über dem Wasserspiegel.
Die seitliche Umfassungswand besteht aus drei in Abstand voneinander konzentrisch angeordneten isolierenden Schalen 20, die in Elementbauweise zusammengefügt sind.
Eingebaute Distanzhalter sichern deren Lage.
21 ist eine obere kompakte isolierende Abdeckung mit verstärkter Randzone 22, sowie zusätzlichen Schwimmkör pern 23, die als Puffer und Wellenbrecher dienen. Ferner sind ein Kontrolldeckel 24 und eine Temperaturmesssonde 25 sowie Zu- und Ableitungen mit Einström- und Entnehmestellen 26 mit Temperaturmessstellen auf verschiedenen
Höhen angebracht. Die der Wärmezu- und -ableitung dienenden isolierten Leitungen sind mit 27 bezeichnet. 28 ist ein
Laufsteg auf Schwimmkörpern, der zugleich als Uferdistanzhalter dient.
Ferner sind Ankerseile 29 angebracht und 30 ist der untere Speicherabschluss, bestehend aus Schutzgitter und wasserdurchlässiger Gewebeeinlage. Der Wasserspiegel ist mit 31, der Seegrund mit 32 bezeichnet.
PATENTANSPRUCH 1
Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie mittels Wasser als Energieträger, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträger durch einen in einem Gewässer schwimmenden, isolierten Speicher geleitet wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energietransportmedium durch einen einwandigen Speicher geleitet wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energietransportmedium in eine seiner Temperatur entsprechenden Höhe- und Wärmeschicht dem Speicher zugeführt wird, bzw. aus einer der Bedarfstemperatur entsprechenden Wärmeschicht entnommen wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energietransportmedium durch einen Speicher mit mehreren konzentrischen Wänden geleitet wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturgefälle des Energietransportmediums zwischen den konzentrischen Wänden radial von innen nach aussen verläuft.
5. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Energietransportmedium in eine seiner Temperatur entsprechende, radial und vertikal definierte Stelle im Speicher zugeführt wird, bzw.
einer der Bedarfstemperatur entsprechenden Stelle entnommen wird.
PATENTANSPRUCH 11
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patent anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Leitungen (4; 27) für das Energietransportmedium versehener Speicher (1, 2, 7; 20-22), der unten offen ist, entweder ganz oder teil weise unter dem Wasserniveau schwimmend verankert ist.
UNTERANSPRÜCHE
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher einwandig ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher mehrwandig ausgeführt ist.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsstärke der Speicherwand entsprechend der Wärmeschichtung von oben nach unten abnimmt.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der zylindrischen Wände von innen nach aussen entsprechend der Wärmeschichtung zunimmt.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass im Speicher mindestens eine Temperaturmesssonde (25) angebracht ist.
11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher mit den Auftrieb vergrössernden Mitteln (23) ausgestattet ist.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Speicher Mittel (6-8) vorgesehen sind, um ihn höhenverstellbar unter Wasser zu halten.
13. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher unten mit einem wasserdurchlässigen synthetischen Gewebe (3; 30) und korrosionsbeständigem Schutzgitter gegen das Eindringen von Lebewesen und Verunreinigungen geschützt ist.
14. Vorrichtung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher aus vorgefertigten Elementen hergestellt ist.
15. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 und Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente aus geschlossenporigem Hartschaum gefertigt sind.
16. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 und Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente mit einer wärmereflektierenden Schutzschicht versehen sind.
17. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Energietransport dienenden Leitungen an einem zentralen Leitungsmast (4) mit auf verschiedenen Höhen angebrachten Ein- und Ausströmöffnungen angeschlossen sind.
18. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 und Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsmast (4) auf verschiedenen Höhen Temperaturmessstellen aufweist.
19. Vorrichtung nach Patentanspruch II und Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Energietransport dienenden Leitungen an mehreren, zwischen den konzentrischen Wänden angeordneten Leitungsmasten (26) mit auf verschiedenen Höhen angeordneten Ein- und Ausströmungsöffnungen angeschlossen sind.
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The invention relates to a component that is able to store thermal energy over a long period of time.
The heat accumulators commonly used today with water as the medium require an insulating surrounding wall that has to withstand a large pressure difference between inside and outside (e.g. water-air or water-ground).
The use of entire lakes as heat storage facilities, as mentioned in a publication, is only feasible in a few cases for large-scale systems due to their location and size.
The invention is based on the object of finding a storage method and a heat accumulator on which the insulated enclosing wall is exposed to no or only very slight pressure differences, so that this wall can be created in any size and shape with little effort in element and assembly design can.
The walls should be well insulated and single or multi-layered.
According to the invention, this can be achieved with a method which is characterized in that the energy carrier is passed through an isolated storage device floating in a body of water. The invention also relates to the device for carrying out this method, which is characterized in that a reservoir provided with lines for the energy transport medium, which is open at the bottom, is anchored floating either entirely or partially below the water level.
This ensures that the walls of the reservoir are exposed to the same pressure outside and inside. The physically determined temperature stratification of the storage water can be exploited in that the walls surrounding the heat storage are made up of one or more layers arranged at a certain distance, which have different heat-insulating properties that prevent heat exchange. The single layer has a specific thickness and can be composed of one or more layers. The individual elements can be constructed in such a way that, in addition to the desired thermal insulation values, they can also cope with the respective static loads and meet the requirements with regard to corrosion protection.
The wall made up of elements and enclosing the heat accumulator can preferably be assembled from an assembly raft.
The buoyancy of the storage tank is expediently achieved by the insulating elements themselves, whereby the storage tank can be equipped with additional floating bodies, depending on the requirements, due to the location in the water, the type of construction and any other associated uses. External reinforcements of the storage surface against mechanical damage can be attached below or above the water level as required. Externally mounted floating bodies can also act as buffers or breakwaters. Anchors can fix the memory in its position. Underwater heat accumulators can be brought to the surface for revisions and controls using special devices. A jetty on floats serves as access to the reservoir and other uses if required.
Insulated heat, supply and discharge lines can be attached to the web. Direct hot water extraction can be provided for heating purposes or process heat. If necessary, hot water for the household can be produced by means of a heat exchanger.
The use of a built-in distillation system for hot or cold drinking water is planned as a special case and forms the subject of a separate invention.
A lateral temperature gradation that drops from the inside to the outside can also be achieved by spaced layer arrangements in the storage wall running from top to bottom. (At altitude, temperature levels in the form of a horizontal stratification form by themselves, because of the lighter specific weight of the warmer water.) These laterally graduated water temperature zones between the storage surface layers of a special form make it possible to reduce the heat losses when the heat reaches a certain temperature level is taken from the relevant temperature zone of this layer in its upper area. The somewhat colder layer zone underneath rises as a whole up to the extraction point.
The reheating of this zone takes place through the release of heat from the warmer zones further inside. The insulation value and the layer thickness of the individual layers are calculated based on the required quantities of water with different temperature levels per unit of time, so that the heat coming from the inside to the outside is sufficient to replace the heat removed from these outer layers in the same proportion. These explanations should show the versatile applicability even with demanding, complex needs.
In the following, exemplary embodiments of the invention are described in more detail with reference to the accompanying drawings.
1 shows a cross section and FIG. 2 shows a floor plan of a water heat storage device which is completely submerged and is anchored on the lake bed. The surrounding wall on the side is made of a single-shell construction from differently insulating elements. The transfer symbols show:
A storage insulation side wall 1, which is assembled from individual elements with grooves and offset joints. It is made of closed-cell rigid foam, which is provided with surface protection from reflective foils or paints on the outside and inside. 2 is an upper insulation layer which is protected on the inside as described above and the upper outside of which is provided with protective mortar including a steel wire mesh insert and reinforced edge zone against mechanical damage.
3 is a lower end, consisting of a corrosion-resistant protective grille and synthetic water-permeable fabric insert. This prevents heat exchange due to water currents and the ingress of fish, etc., or pollution.
The connecting lines for the transport of heat in and out with a central mast, with inflow or outflow openings at different temperature levels, including built-in temperature measuring points, are denoted by 4.
5 is a screwed-on inspection cover for assembly and service work.
With 6 anchoring blocks with tie rods and pulleys are referred to, while 7 are straight and diagonally arranged holding ropes. 8 is a cable winch with a pulling cable for fixing the buoyancy accumulator in the diving position. This device enables control work to be carried out on the reservoir above the lake level.
Finally, the lake level is marked with 9, the bottom of the lake with 10 and the bank line with 11.
This arrangement means that the storage tank is invisible under water and is protected from weather-related influences (e.g. ice, waves, currents). It can be anchored at a depth that does not impede navigation.
Fig. 3 shows a floating cylindrical water heat storage in cross section, with a usable surface above the water level.
The lateral surrounding wall consists of three insulating shells 20 which are arranged concentrically at a distance from one another and which are joined together in an element construction.
Built-in spacers secure their position.
21 is an upper compact insulating cover with reinforced edge zone 22, and additional Schwimmkör pern 23, which serve as a buffer and breakwater. Furthermore, a control cover 24 and a temperature measuring probe 25 as well as supply and discharge lines with inflow and withdrawal points 26 with temperature measurement points are on different
Heights appropriate. The insulated lines used to supply and dissipate heat are denoted by 27. 28 is a
Catwalk on floating bodies, which also serves as a shore spacer.
Anchor ropes 29 are also attached and 30 is the lower storage closure, consisting of a protective grille and a water-permeable fabric insert. The water level is indicated by 31, the bottom of the lake by 32.
PATENT CLAIM 1
A method for storing thermal energy using water as an energy carrier, characterized in that the energy carrier is passed through an insulated storage device floating in a body of water.
SUBCLAIMS
1. The method according to claim 1, characterized in that the energy transport medium is passed through a single-walled memory.
2. The method according to claim and dependent claim 1, characterized in that the energy transport medium is fed to the memory in a height and heat layer corresponding to its temperature, or is removed from a heat layer corresponding to the required temperature.
3. The method according to claim 1, characterized in that the energy transport medium is passed through a memory with several concentric walls.
4. The method according to claim 1 and dependent claim 3, characterized in that the temperature gradient of the energy transport medium between the concentric walls runs radially from the inside to the outside.
5. The method according to claim I and dependent claim 3, characterized in that the energy transport medium is supplied to a radially and vertically defined point in the memory corresponding to its temperature, or
taken from a point corresponding to the required temperature.
PATENT CLAIM 11
Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that a storage device (1, 2, 7; 20-22) which is provided with lines (4; 27) for the energy transport medium and is open at the bottom, either completely or partially below is anchored floating at the water level.
SUBCLAIMS
6. Device according to claim 11, characterized in that the memory is single-walled.
7. Device according to claim II, characterized in that the memory is designed with multiple walls.
8. Device according to claim 11 and dependent claim 6, characterized in that the insulation thickness of the storage wall decreases from top to bottom in accordance with the thermal stratification.
9. Device according to claim II and dependent claim 7, characterized in that the height of the cylindrical walls increases from the inside to the outside in accordance with the thermal stratification.
10. The device according to claim II, characterized in that at least one temperature measuring probe (25) is attached in the memory.
11. The device according to claim II, characterized in that the memory is equipped with the buoyancy increasing means (23).
12. The device according to claim 11, characterized in that means (6-8) are provided on the memory in order to keep it under water in a height-adjustable manner.
13. Device according to claim II, characterized in that the memory is protected at the bottom with a water-permeable synthetic fabric (3; 30) and corrosion-resistant protective grille against the ingress of living beings and impurities.
14. The device according to claim 11, characterized in that the memory is made from prefabricated elements.
15. Device according to claim 11 and dependent claim 14, characterized in that the elements are made of closed-cell rigid foam.
16. Device according to claim 11 and dependent claim 14, characterized in that the elements are provided with a heat-reflecting protective layer.
17. The device according to claim II and dependent claim 6, characterized in that the lines serving to transport energy are connected to a central line mast (4) with inflow and outflow openings at different heights.
18. Device according to claim 11 and dependent claim 17, characterized in that the line mast (4) has temperature measuring points at different heights.
19. Device according to claim II and dependent claim 7, characterized in that the lines serving to transport energy are connected to a plurality of line masts (26) arranged between the concentric walls with inflow and outflow openings arranged at different heights.
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