DE102004020993B4

DE102004020993B4 - Speichersystem zur Speicherung thermischer Energie

Info

Publication number: DE102004020993B4
Application number: DE102004020993A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dr. Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: DE102004020993A1

Abstract

Speichersystem für die Speicherung thermischer Energie, umfassend eine Wärmebeaufschlagungszone (12) und eine Transporteinrichtung (18) für Speichereinheiten (14), mittels der individuelle Speichereinheiten (14) durch die Wärmebeaufschlagungszone (12) zur Wärmeaufnahme transportierbar sind, wobei die Wärmebeaufschlagungszone (12) ein Rohrregister (32; 52) für ein Arbeitsmedium umfasst, um das Rohrregister (32; 52) ein Wärmeübertragungsmedium (42; 54) angeordnet ist und die Transporteinrichtung (18) so ausgebildet ist, dass die Speichereinheiten (14) auf oder in dem Wärmeübertragungsmedium (42; 54) führbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Speichersystem für die Speicherung thermischer Energie.
Aus der DE 831 102 B ist ein Verfahren zum Transport von Wärme oder Kälte bekannt, bei dem ortsbewegliche Wärmespeicher an der Wärmequelle aufgeladen und an der Verbrauchsstelle entladen werden, oder bei dem solche Speicher an Kältebedarfsstellen mit der diesen entzogenen Wärme aufgeladen werden.
Aus der WO 00/70269 A1 ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Fernwärmeenergie bekannt, bei dem Wärmeenergie in einer mobilen lager- und verbringbaren Latentwärme-Speichereinheit gespeichert wird, die Latentwärme-Speichereinheit durch eine Transporteinheit zu einer Wärmeenergie-Aufnahmeeinheit verbracht wird und dort platziert wird.
Aus der DD 252 664 A1 ist ein Wärmeversorgungsverfahren dezentraler Abnehmer durch ein mobiles Wärmeenergietransportsystem bekannt, bei dem in einer Beladestation Wärmeenergie in eine oder mehrere mobile Wärmespeichereinrichtungen gelangt, die mobile Wärmespeichereinrichtung über ein Transportsystem einzeln oder untereinander kombiniert einer Entladestation zur wärmetechnischen Nutzung zugeführt wird und dort über eine flexible Rohrkupplung eine wärmetechnische Nutzung in Abhängigkeit vom Wärmebedarf des dezentralen Wärmeverbrauchers erfolgt.
Aus der DE 31 02 869 A1 ist eine Vorrichtung zur Speicherung von Wärme für Heizungsanlagen mit einer Vielzahl von in einem Speicherraum angeordneten und mit einem Wärmetransportmittel beaufschlagbaren Wärmespeicherelementen bekannt. Der Speicherraum weist mindestens eine Austrittsöffnung zum Entnehmen der abgekühlten Speicherelemente und mindestens eine Eintrittsöffnung zum Einführen der aufgeheizten Speicherelemente auf. Es ist eine Fördervorrichtung vorgesehen, über die die abkühlten Speicherelemente von der Austrittsöffnung zu einer Aufheizvorrichtung transportierbar und die dort aufgeheizten Speicherelemente zur Eintrittsöffnung zurück transportierbar sind.
Aus der DE 27 41 829 A1 ist ein Latentwärmespeicher mit aus Parffin bestehendem Speichermedium bekannt, bei dem mit einem Kunststofffilm ummantelte Paraffinteilchen das Latentwärmespeichermedium bilden und der Raum zwischen den ummantelten Paraffinteilchen mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
Thermische Speichersysteme nehmen während eines Ladevorgangs Wärme auf, die in einem Speichermedium gespeichert wird. Bei einem Entladevorgang wird die Wärme wieder abgegeben. Die Kapazität des Speichersystems ist durch die Gesamtmasse des Speichermediums bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speichersystem bereitzustellen, mit dem sich eine hohe flächenspezifische Leistung erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Wärmebeaufschlagungszone vorgesehen ist und eine Transporteinrichtung für Speichereinheiten vorgesehen ist, mittels der individuelle Speichereinheiten durch die Wärmebeaufschlagungszone zur Wärmeaufnahme transportierbar sind, wobei die Wärmebeaufschlagungszone ein Rohrregister für ein Arbeitsmedium umfasst, um das Rohrregister ein Wärmeübertragungsmedium angeordnet ist und die Transporteinrichtung so ausgebildet ist, dass die Speichereinheiten auf oder in dem Wärmeübertragungsmedium führbar sind.
Es sind mobile Speichereinheiten vorgesehen, welche zur Wärmeaufnahme durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden. Dadurch lässt sich eine Trennung von Speichermaterial (welches die Speichereinheiten bildet oder von diesen aufgenommen ist) und Wärmeübertrager erreichen. Dies wiederum ermöglicht es, den Wärmeübertrager und die Speichereinheiten getrennt zu optimieren.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich die Kapazität eines thermischen Gesamtspeichers über die Anzahl der enthaltenen Speichereinheiten einstellen. Diese Anzahl wiederum ist prinzipiell frei wählbar, da eben die Speichereinheiten zur Beladung durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden und damit die Anzahl der beladenen Speichereinheiten frei wählbar ist.
Durch die Trennung von Speichermaterial und Wärmeübertrager ist eine feste Verbindung zwischen Speichermaterial und Wärmeübertrager vermieden. Der konstruktive Aufwand für den Wärmeübertrager, beispielsweise in der Form eines Rohrregisters, lässt sich dadurch minimieren; zur Erhöhung der Kapazität muss beispielsweise die Wärmeübertragungsfläche des Rohrregisters nicht erhöht werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich die Kapazität auf einfache Weise erhöhen, indem eine größere Anzahl von Speichereinheiten beladen wird.
Der Transportweg der Speichereinheiten lässt sich gering halten, da diese im wesentlichen nur durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden müssen.
Darüber hinaus ist es auch nicht notwendig, dass das Speichermaterial zur Beladung unter Überdruck steht. Dadurch wiederum ist der konstruktive Aufwand für einen Behälter einer Speichereinheit zur Aufnahme von Speichermaterial verringert bzw. es lassen sich sogar Speichereinheiten unmittelbar mit Speichermaterial bilden.
Es lässt sich thermische Energie auch kurzzeitig und unter hohen Temperaturen speichern. Beispielsweise ist es möglich, thermische Energie bei Temperaturen oberhalb 250°C zu speichern. Es wird eine hohe flächenspezifische Leistung bezogen auf die Wärmespeicherung erzielt.
Es lässt sich auch thermische Energie nutzen, die bei direkter Einwirkung auf einen Wärmeübertrager (wie beispielsweise ein Rohrregister) diesen aufgrund thermomechanischer Belastungen zerstören würde. Durch die Trennung zwischen Speichereinheiten und Wärmeübertrager ist auch eine Wärmeübertragung aus einer Umgebung möglich, die bei direkter Einwirkung auf den Wärmeübertrager diesen aufgrund beispielsweise chemischer Reaktionen zerstören würde.
Die Speichereinheiten werden in der Wärmebeaufschlagungszone mittels eines beheizten Arbeitsmediums beheizt. Es ist dann ein Wärmeübertrager vorgesehen, welcher die Wärme vom Arbeitsmedium auf die Speichereinheiten überträgt. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich beispielsweise um in einer solaren Anlage durch Direktverdampfung hergestellten Dampf.
Die Speichereinheiten werden auf oder in einem Wärmeübertragungsmedium durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert, welches Führungen für das Arbeitsmedium mindestens teilweise umgibt. Durch das Wärmeübertragungsmedium, welches eine hohe thermische Leitfähgigkeit aufweist, wird die Wärme auf die Speichereinheiten zu deren Beladung übertragen. Dadurch wird für eine hohe thermische Flächenbeaufschlagung der Speichereinheiten gesorgt. Weiterhin lässt sich durch das Wärmeübertragungsmedium eine Oberfläche bereitstellen, auf der die Speichereinheiten zur Durchführung durch die Wärmebeaufschlagungszone transportierbar sind. Der Transport durch die Wärmebeaufschlagungszone wird dadurch erleichtert. Das Wärmeübertragungsmedium dient gewissermaßen als thermisches Schmiermittel zur Aufheizung der Speichereinheiten und als mechanisches Trägermedium zur Transportierbarkeit der Speichereinheiten durch die Wärmebeaufschlagungszone.
Die Transporteinrichtung ermöglicht dabei den Transport der Speichereinheiten durch die Wärmebeaufschlagungszone auf automatische Weise oder manuelle Weise. Beispielsweise ist die Transporteinrichtung mittels einer mit flüssigem Wärmeübertragungsmedium gefüllten Wanne gebildet, auf der die Speichereinheiten schwimmend durch die Wärmebeaufschlagungszone transportierbar sind.
Die Wärmebeaufschlagungszone umfasst ein Rohrregister für ein Arbeitsmedium. Das Rohrregister wird von beheiztem und unter Druck stehendem Arbeitsmedium durchströmt. Über Außenflächen von Rohren des Rohrregisters wird Wärme abgegeben. Das Rohrregister selber ist in einem Wärmeübertrager angeordnet, welcher zur Übertragung von Wärme von dem Arbeitsmedium zu den Speichereinheiten dient.
Um das Rohrregister ist ein Wärmeübertragungsmedium angeordnet ist. Das Wärmeübertragungsmedium ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet. Es wird dadurch für eine optimale Wärmeübertragung gesorgt.
Insbesondere ist die Transporteinrichtung so ausgebildet, dass die Speichereinheiten auf oder in dem Wärmeübertragungsmedium führbar sind.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Speichereinheiten als getrennte Speicherpakete ausgebildet sind oder ausbildbar sind. Es lässt sich dadurch die Anzahl der zu beladenden Speichereinheiten steuern. Dadurch wiederum lässt sich die Gesamtkapazität eines thermischen Speichers steuern.
Es ist günstig, wenn eine Zuführungseinrichtung für beladene Speichereinheiten vorgesehen ist, mittels der diese einem thermischen Gesamtspeicher zuführbar sind. Über die Zuführungseinrichtung lassen sich beladene Speichereinheiten von der Transporteinrichtung abnehmen und dem thermischen Gesamtspeicher zufügen.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Zuführungseinrichtung so ausgebildet ist, dass ein fließfähiges Material in einen Sammelbehälter schüttbar ist. Dieser Sammelbehälter bildet zusammen mit dem Speichermaterial den thermischen Gesamtspeicher. Für die Verwendung eines fließfähigen Speichermaterials lässt sich die Speicherkapazität auf einfache Weise einstellen. Darüber hinaus ist auch die Speicherkapazität bezogen auf die Masse optimiert, da beispielsweise keine Kapselung für eine Speichereinheit vorgesehen werden muss.
Es ist auch günstig, wenn eine Zuführungseinrichtung für unbeladene/entladene Speichereinheiten vorgesehen ist, mittels der diese der Transporteinrichtung zuführbar sind. Über diese Zuführungseinrichtung lassen sich Speichereinheiten auf der Transporteinrichtung zum Durchtransport durch die Wärmebeaufschlagungszone ablegen bzw. bilden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Zuführungseinrichtung als Herstellungseinrichtung für Speichereinheiten ausgebildet ist. Die Zuführungseinrichtung dient dann zur "ad hoc"-Herstellung von Speichereinheiten. Insbesondere ist dann über die Zuführungseinrichtung ein fließfähiges. Speichermaterial auf die Transporteinrichtung schüttbar. Es werden dadurch auf der Transporteinrichtung Speicherpakete von Schüttungsmaterial gebildet, die durch die Wärmebeaufschlagungszone transportierbar sind.
Günstig ist es insbesondere, wenn das Wärmeübertragungsmedium flüssig ist. Beispielsweise ist als Wärmeübertragungsmedium ein flüssiges Metall wie Zinn vorgesehen. Es kann dann auch auf einfache Weise eine Transporteinrichtung für die Speichereinheiten ausgebildet werden; die Speichereinheiten können auf dem Wärmeübertragungsmedium schwimmen und so auf einfache Weise durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden.
Es ist dann in diesem Zusammenhang günstig, wenn eine Trenneinrichtung zur mechanischen Kontakttrennung zwischen den Speichereinheiten und dem Wärmeübertragungsmedium vorgesehen ist. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Benetzung der Speichereinheiten durch das Wärmeübertragungsmedium verhindern.
Beispielsweise ist als Trenneinrichtung eine Trennfolie vorgesehen.
Es ist auch möglich, dass die Trenneinrichtung zum Transport der Speichereinheiten beweglich ist und insbesondere als Transportband ausgebildet ist.
Wenn die Transporteinrichtung ein Transportband umfasst, mittels dessen Speichereinheiten durch die Wärmebeaufschlagungszone transportierbar sind, dann lässt sich eine einfache Durchführbarkeit der Speichereinheiten durch die Wärmebeaufschlagungszone realisieren. Insbesondere lässt sich ein schneller Durchtransport erreichen.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass das Transportband mit beabstandeten Stegen zur Ausbildung individueller Speichereinheiten versehen ist. In Räume zwischen beabstandeten Stegen lässt sich beispielsweise eine Schüttang aus einem granularen Speichermaterial oder pulverförmigen Speichermaterial oder auch flüssigen Speichermaterial einbringen. Dadurch werden individuelle Speichereinheiten gebildet, die auch individuell in einem thermischen Gesamtspeicher ablegbar sind.
Es ist auch möglich, dass die Speichereinheiten jeweils ein gekapseltes Speichermaterial umfassen. Das Speichermaterial ist in einem Behälter gekapselt.
Es ist auch möglich, dass die Speichereinheiten auf der Transporteinrichtung mittels eines fließfähigen Speichermaterials gebildet sind und dabei gewissermaßen ad hoc gebildet sind und auch wieder beim Ablegen in dem thermischen Gesamtspeicher aufgelöst werden.
Insbesondere werden individuelle Speichereinheiten zur Wärmeaufnahme durch eine Wärmebeaufschlagungszone transportiert, wobei die Speichereinheiten in der Wärmebeaufschlagungszone mittels eines beheizten Arbeitsmediums beheizt werden und die Speichereinheiten auf oder in einem Wärmeübertragungsmedium durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden, welches Führungen für das Arbeitsmedium mindestens teilweise umgibt.
Insbesondere sind die Speichereinheiten bezogen auf die Wärmeaufnahme als thermisch getrennte Speicherpakete ausgebildet oder werden als thermisch getrennte Speicherpakete ausgebildet. Die beladenen Speicherpakete sind dann individuell handhabbar. Beispielsweise sind die Speichereinheiten kompakt ausgebildet mit einem Behälter, welcher das Speichermaterial aufnimmt. Die Speichereinheiten können beispielsweise aber auch mittels eines fließfähigen Materials wie einem Granulat "ad hoc" gebildet werden.
Günstig ist es, wenn die Speichereinheiten nach der Wärmeaufnahme zusammengeführt werden. Es lässt sich dadurch ein thermischer Gesamtspeicher bilden, welcher die beladenen Speichereinheiten enthält. Die Gesamtkapazität des Wärmespeichers ergibt sich als Summe der individuellen Kapazität jeder Speichereinheit.
Es ist möglich, dass die Speichereinheiten in der Wärmebeaufschlagungszone direkt beheizt werden. Beispielsweise wird dazu konzentrierte Solarstrahlung auf die Speichereinheiten zur Erhitzung gerichtet.
Als Wärmeübertragungsmedium lässt sich beispielsweise pulverförmiger Graphit einsetzen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Wärmeübertragungsmedium flüssig ist. Die Speichereinheiten lassen sich dann schwimmend auf dem Wärmeübertragungsmedium durch die Wärmebeaufschlagungszone transportieren. Insbesondere wird als Wärmeübertragungsmedium dann ein flüssiges Metall wie Zinn eingesetzt, welches eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist.
Es ist günstig, wenn die Wärmebeaufschlagungszone so ausgebildet wird, dass gleichzeitig eine Mehrzahl von Speichereinheiten Wärme aufnehmen kann. Es lassen sich dann eine Mehrzahl von Speichereinheiten gleichzeitig durch die Wärmebeaufschlagungszone transportieren und so entsprechend gleichzeitig mehrere Speichereinheiten beladen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Speichereinheiten gekapselt sind und dadurch kompakt und insbesondere plattenförmig aufgebaut sind. Es lassen sich dann beladene (und auch unbeladene) Speichereinheiten stapeln. Durch Stapelung lässt sich ein thermischer Gesamtspeicher als Stapelblock bilden.
Es ist beispielsweise auch möglich, dass die Speichereinheiten durch Pakete eines fließfähigen Material gebildet werden. Die Speichereinheiten lassen sich dadurch direkt beispielsweise auf einem Transportband vor oder während der Durchführung durch die Wärmebeaufschlagungszone bilden. Das fließfähige Material lässt sich auf dem entsprechenden Transportband aufschütten. Es müssen dadurch keine Behälter für die jeweiligen Speichereinheiten vorgesehen werden, so dass sich eine hohe Speicherkapazität bezogen auf die Masse der Speichereinheit ergibt. Beladenes Speichermaterial lässt sich auf einfache Weise in einen Behälter als thermischen Gesamtspeicher über Schüttung ablegen.
Insbesondere werden die Pakete durch Schüttung gebildet. Dazu wird (unbeladenes) Speichermaterial beispielsweise auf einem Transportband abgelegt.
Es ist dann auch günstig, wenn thermisch beladene Speichereinheiten (als Anhäufungen des fließfähigen Speichermaterials) in einem Sammelbehälter mittels Schüttung zusammengeführt werden. Die thermische Kapazität des Gesamtspeichers ergibt sich dann über die Schüttungsmenge des Speichermaterials.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Speicherkapazität über die Anzahl der thermisch beladenen Speichereinheiten eingestellt. Diese Anzahl ist auf einfache Weise steuerbar, da sie bestimmt ist durch die Anzahl der mobilen Speichereinheiten, welche durch die Wärmebeaufschlagungszone transportiert werden.
Die Speicherleistung pro Speichereinheit wird über die Ausbildung der Speichereinheiten und die Wärmeübertragung von der Wärmebeaufschlagungszone auf die Speichereinheiten eingestellt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Konzepts des Transports von individuellen Speichereinheiten durch eine Wärmebeaufschlagungszone;
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Speichersystems;
3 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A gemäß 2 und
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Speichersystems.
Ein Speichersystem, welches in 1 schematisch in Blockschaltbilddarsteilung gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Wärmebeaufschlagungszone 12. In dieser Wärmebeaufschlagungszone 12 lassen sich individuelle Speichereinheiten 14 aufheizen, um in diesen thermische Energie zu speichern.
Die Beheizung der Speichereinheiten 14 in der Wärmebeaufschlagungszone 12 kann dabei direkt erfolgen, indem beispielsweise Solarstrahlung auf die Speichereinrichtung 14 gerichtet wird.
Es ist auch möglich, dass die Wärmebeaufschlagung der Speichereinheiten 14 durch Wärmeübertragung von einem in einer Führungsvorrichtung 16 geführten Arbeitsmedium erfolgt. Dieses Arbeitsmedium wird selber beispielsweise direkt beheizt und gibt dann in der Wärmebeaufschlagungszone 12 Wärme an die Speichereinheiten 14 ab. Das Arbeitsmedium ist insbesondere druckbeaufschlagt.
Zum Durchtransport der Speichereinheiten 14 durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 ist eine Transporteinrichtung 18 vorgesehen. Mittels dieser Transporteinrichtung 18 lassen sich die Speichereinheiten 14 automatisch oder manuell durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 zur thermischen Beladung durchführen.
Es ist eine Zuführungseinrichtung 20 für unbeladene/entladene Speichereinheiten 22 vorgesehen, mittels der eben solche Speichereinheiten 22 der Transporteinrichtung 18 zuführbar sind, so dass diese wiederum durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 zur thermischen Beladung transportierbar sind.
Beispielsweise umfasst die Zuführungseinrichtung 20 einen Greifer, welcher von einem Stapel 24 unbeladener Speichereinheiten eine jeweilige Speichereinheit nimmt und so an der Transporteinrichtung 18 ablegt, dass die Speichereinheit durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 transportierbar ist.
Ferner ist eine Zuführungseinrichtung 26 für beladene Speichereinheiten 28 vorgesehen. Mit dieser Zuführungseinrichtung 26 lassen sich von der Wärmebeaufschlagungszone 12 kommende und dort thermisch beladene Speichereinheiten 28 einem thermischen Gesamtspeicher 30 zuführen, in dem die beladenen Speichereinheiten 28 gesammelt werden.
Beispielsweise umfasst die Zuführungseinrichtung 26 einen Greifer, welcher thermisch beladene Speichereinheiten 28 von der Transporteinrichtung 18 aufnimmt und an dem thermischen Gesamtspeicher 30 ablegt. Beispielsweise werden beladene Speichereinheiten 28 an dem thermischen Gesamtspeicher 30 gestapelt.
Die Speichereinheiten 14, welche durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 geführt werden, sind (räumlich) getrennte individuelle Speicherpakete, welche ein Speichermaterial umfassen oder mittels eines Speichermaterials gebildet sind.
Bei den Speichereinheiten 14 kann es sich um Speicher für sensible Wärme oder für latente Wärme handeln. Im letzteren Fall umfasst eine entsprechende Speichereinheit 14 beispielsweise ein Phasenwechselmedium.
Es ist möglich, dass, wie unten noch näher beschrieben wird, die Speichereinheiten 14 kompakte Objekte sind, die ihre Form behalten. Beispielsweise ist dazu das Speichermaterial in einem Behälter gekapselt.
Es ist aber auch möglich, dass die Speichereinheiten vor oder bei Durchlaufen der Wärmebeaufschlagungszone 12 hergestellt werden, beispielsweise durch Schüttang eines fließfähigen Speichermaterials, und im thermischen Gesamtspeicher 30 das thermisch beladene Speichermaterial wiederum beispielsweise durch Schüttang zusammengefasst wird.
Das Verfahren funktioniert wie folgt:
Individuelle unbeladene/entladene Speichereinheiten 22 werden der Transporteinrichtung 18 zugeführt. Die Speichereinheiten 22 enthalten dabei eine Wärmemenge Q₀. Die jeweiligen zugeführten Speichereinheiten 22 sind thermisch getrennt voneinander.
In der Wärmebeaufschlagungszone 12 nehmen die Speichereinheiten 22 Wärme auf, so dass nach Durchlaufen der Wärmebeaufschlagungszone die in den jeweiligen individuellen Speichereinheiten 14 gespeicherte Wärmemenge Q₁ größer als Q₀ ist. Diese dann thermisch beladenen Speichereinheiten 28 werden dem thermischen Gesamtspeicher 30 zugeführt. Die in dem thermischen Gesamtspeicher 30 gespeicherte Wärmemenge ist, wenn jede Speichereinheit die gleiche Wärmemenge Q₁ speichert und der thermische Gesamtspeicher 30 aus n beladenen Speichereinheiten 28 zusammengesetzt ist, n·Q₁.
Dadurch lässt sich die Kapazität des thermischen Gesamtspeichers 30 getrennt von der Leistungsaufnahme in der Wärmebeaufschlagungszone 12 einstellen. Die Kapazität ist bei vorgegebenen Speichereinheiten 14 und vorgegebenen Wärmeübertragungseigenschaften in der Wärmebeaufschlagungszone 12 durch die Zahl der beladenen Speichereinheiten 28 (in 1 durch n angedeutet) bestimmt. Diese Anzahl, und damit die Wärmekapazität des thermischen Gesamtspeichers 30, wiederum lässt sich durch die Anzahl der durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 durchtransportierten individuellen Speichereinheiten 14 steuern.
Es lässt sich, wie unten noch näher erläutert wird, eine große Wärmeübertragungsfläche zwischen der Speichereinheit 14 und der Wärmebeaufschlagungszone 12 einstellen. Da eine Mehrzahl individueller Speichereinheiten 14 zur Bildung des thermischen Gesamtspeichers 30 vorgesehen ist, muss dabei nicht die Fläche der Führungsvorrichtung 16 für das Arbeitsmedium vergrößert werden, sondern die Erhöhung der Gesamtfläche erfolgt durch das Vorsehen einer Mehrzahl von individuellen mobilen Speichereinheiten 14, welche individuell durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 transportiert werden.
Insbesondere erfolgt eine Trennung zwischen dem Speichermaterial der Speichereinheiten 14 und einem Wärmeübertrager der Wärmebeaufschlagungszone 12. Da keine feste Verbindung zwischen dem Speichermaterial und dem entsprechenden Wärmeübertrager vorliegt, können beispielsweise auch Latentspeichermaterialien eingesetzt werden.
Durch die mobilen Speichereinheiten 14, die nur über kurze Distanzen transportiert werden müssen, d. h. im wesentlichen nur durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 hindurch, lässt sich eine hohe flächenspezifische Speicherleistung erzielen. Beispielsweise lässt sich thermische Energie kurzzeitig auf einem hohen Temperaturniveau speichern. Dadurch lässt sich auch thermische Energie nutzen, die bei direkter Einwirkung auf die Führungsvorrichtung 16 des Arbeitsmediums dieses aufgrund hoher thermomechanischer Belastungen zerstören würde. Es ist auch die Wärmeübertragung bei Umgebungen möglich, die die Führungsvorrichtung 16 beispielsweise aufgrund chemischer Reaktionen zerstören kann, da eben eine räumliche Trennung zwischen Speicherung und Wärmeübertragung möglich ist.
Dadurch lässt sich thermische Energie auch bei Temperaturen beispielsweise oberhalb von 250°C speichern. Insbesondere ist das Speichersystem in der Prozesstechnik und Kraftwerkstechnik einsetzbar.
Bei einem ersten konkreten Ausführungsbeispiel, welches in den 2 und 3 schematisch gezeigt ist, ist die Wärmebeaufschlagungszone 12 mittels eines Rohrregisters 32 gebildet. Dieses Rohrregister 32 umfasst eine Mehrzahl von beabstandeten Rohren 34 als Führungsvorrichtung 16 für das Arbeitsmedium. Das beheizte und unter Druck stehende Arbeitsmedium wird in den Rohren 34 geführt.
Das Rohrregister 32 ist mindestens bezüglich desjenigen Bereichs, in dem eine Wärmeübertragung auf die Speichereinheiten 14 stattfinden soll, in einer Wanne 36 angeordnet. Die Wanne 36 umfasst eine Mehrzahl von in fluidwirksamer Verbindung stehenden Aufnahmeräumen 38, wobei jeder Aufnahmeraum 38 jeweils ein oder mehrere Rohre 34 aufnimmt.
Benachbarte Aufnahmeräume 38 sind jeweils über Barrieren 40 getrennt, wobei die Barrieren 40 so ausgebildet sind, dass benachbarte Aufnahmeräume 38 in fluidwirksamer Verbindung stehen.
Um das Rohrregister 32 ist in der Wanne 36 ein Wärmeübertragungsmedium 42 angeordnet (3). Das Wärmeübertragungsmedium 42 weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Das Wärmeübertragungsmedium 42 dient gewissermaßen als thermisches Schmiermittel, um für eine Wärmeübertragung von dem in dem Rohrregister 32 strömenden Arbeitsmedium auf die zu beladenden Speichereinheiten 22 zu sorgen.
Als Wärmeübertragungsmedium 42 kann beispielsweise fluides Graphit (pulverförmiges Graphit) eingesetzt werden oder ein flüssiges Metall wie Zinn. Zinn weist einen Schmelzpunkt bei ca. 232°C auf und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 30 bis 40 W/(mK) im flüssigen Zustand auf.
Auf dem Wärmeübertragungsmedium 42 lassen sich Speichereinheiten 14 transportieren; die Speichereinheiten 14 schwimmen auf dem flüssigen bzw. pulverförmigen Wärmeübertragungsmedium 42 und können so durch die Wärmebeaufschlagungszone zur Wärmeaufnahme aus dem Arbeitsmedium transportiert werden.
Es kann eine Trenneinrichtung 44 zur mechanischen Kontakttrennung zwischen den Speichereinheiten 14 und dem Wärmeübertragungsmedium 42 vorgesehen sein. Beispielsweise ist die Trenneinrichtung 44 in Form einer Trennfolie ausgebildet. Die Trennfolie 44 liegt dann auf dem flüssigen oder pulverförmigen Wärmeübertragungsmedium 42 auf. Die Trennfolie ist aus einem Material mit hoher thermischer Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminium hergestellt, um den thermischen Kontakt zu den individuellen Speichereinheiten 14 sicherzustellen. Durch die Trenneinrichtung 44 lässt sich eine Vermischung der Speichereinheiten 14 bzw. des Speichermaterials der Speichereinheiten 14 mit flüssigem Wärmeübertragungsmedium 42 verhindern.
Es lassen sich große Wärmeübertragungsflächen (bestimmt durch die Oberfläche des Wärmeübertragungsmediums 42 in der Wanne 36) erzielen, wobei die individuellen Speichereinheiten sich mit entsprechend geringer Dicke ausbilden lassen, so dass eine gute Wärmeübertragung mit hoher Speicherleistung möglich ist.
Bei dem gezeigten Beispiel sind die Speichereinheiten 14 durch individuelle kompakte plattenförmige und insbesondere stapelbare Objekte 46 gebildet, welche aus Speichermaterial bestehen oder in denen Speichermaterial aufgenommen ist. Unbeladene Objekte 46 werden mittels der Zuführungseinrichtung 20 oder manuell auf die Oberfläche des Wärmeübertragungsmediums 42 bzw. auf die Trenneinrichtung 44 aufgesetzt und dann in Transportrichtung 48 durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 geführt, d. h. an der Oberfläche des Wärmeübertragungsmediums 42 geführt, wobei das Wärmeübertragungsmedium 42 über das Arbeitsmedium, welches in dem Rohrregister 32 strömt, beheizt wird.
Die Speichereinheiten 14, welche in der Wärmebeaufschlagungszone 12 geführt werden, können dabei miteinander verbunden sein, um den Durchtransport zu erleichtern. Die individuellen Speichereinheiten 14 sind dabei vorzugsweise thermisch getrennt, d. h. jede Speichereinheit 14 lässt sich unabhängig von den anderen Speichereinheiten 14 individuell thermisch beladen.
Von der Wanne 36 werden dann die beladenen Speichereinheiten 28 beispielsweise mit der Zuführungseinrichtung 26 abgenommen und in dem thermischen Gesamtspeicher 30 abgelegt und dort beispielsweise gestapelt.
Die Transporteinrichtung 18 umfasst bei diesem Ausführungsbeispiel die mit flüssigem Wärmeübertragungsmedium 42 gefüllte Wanne 36, auf der die Speichereinheiten 14 schwimmen. Das Wärmeübertragungsmedium 42 eventuell mit der Trenneinrichtung 44 stellt dadurch eine Transportoberfläche für die Speichereinheiten 14 bereit. Die Transportbewegung selber kann automatisch oder manuell angetrieben sein.
Die Speichereinheiten 14 stellen individuelle Speicherpakete dar, die auch individuell thermisch beladbar sind.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 4 schematisch gezeigt ist, ist in einer Wanne 50 ein Rohrregister 52 angeordnet, welches grundsätzlich gleich ausgebildet ist wie oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Um das Rohrregister 52 ist ein insbesondere flüssiges Wärmeübertragungsmedium 54 angeordnet. Als Trenneinrichtung 56 zwischen den Speichereinheiten 14 und dem Wärmeübertragungsmedium 54 dient ein Transportband 58. Dieses Transportband 58 ist in thermischem Kontakt mit dem Wärmeübertragungsmedium 54 durch die Wärmeübertragungszone 12 geführt. Zum Antrieb des Transportbands sind gegenüberliegende Antriebsrollen 60, 62 vorgesehen.
Die Wanne 50 liegt vorzugsweise zwischen den Antriebsrollen 60, 62.
Das Transportband 58 ist aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit wie Aluminium hergestellt. Es weist beabstandete Stege 64 auf, mittels derer auf dem Transportband 58 beabstandete Räume 66 zur Bildung getrennter individueller Speichereinheiten 14 abgetrennt sind.
Als Speichermaterial dient ein fließfähiges Material 68, beispielsweise ein granulares Material.
Dieses Material wird über eine Schütteinrichtung 70 als Zuführungseinrichtung 20 auf das Transportband 58 geschüttet. In den durch die Stege 64 getrennten Räumen 66 werden dadurch individuelle thermisch beladbare Speichereinheiten 14 gebildet. (Durch Vorbeiführen des Transportbands 58 an der Schütteinrichtung 70 in der Transportrichtung 48 werden die Räume 66 sukzessive gefüllt.)
Die durch Anordnung von Speichermaterial in den Räumen 66 gebildeten thermischen Speichereinheiten 14 können durch den Durchtransport durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 thermische Energie individuell aufnehmen. Die Wärme wird dabei von dem Arbeitsmedium, welches in den Rohren des Rohrregisters 52 geführt wird, auf das Wärmeübertragungsmedium und von dort über das Transportband 58 auf die Speichereinheiten 14 übertragen. Diese Speichereinheiten 14 stellen wiederum individuelle thermische Speicherpakete dar.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Transportband 58 ein Endlosband, welches um die Antriebsrollen 60, 62 geführt ist, wobei die Rückführung bezogen auf die Schwerkraftrichtung unterhalb der Durchführung durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 liegt, d. h. ein bestimmter Transportbandbereich 72 liegt auf einem tieferen Gravitationspotential, wenn er nach Durchlaufen der Wärmebeaufschlagungszone 12 und Vorbeiführen an der Antriebsrolle 62 zurückgeführt wird als wenn er die Wärmebeaufschlagungszone 12 durchläuft.
Dadurch lässt sich die Zuführungseinrichtung 26 zur Zuführung von thermisch beladenen Speichereinheiten zu einem thermischen Gesamtspeicher 74 auf einfache Weise ausbilden: Der thermische Gesamtspeicher 74 ist so im Bereich der Antriebsrolle 62 angeordnet, dass bei Umlenkung des Transportbands 72 mit den gefüllten Räumen 26 das beladene fließfähige Speichermaterial in den thermischen Gesamtspeicher 74 fließt. Der thermische Gesamtspeicher 74 wird dann durch das Speichermaterial 74 über Schüttung beladen, wobei das Speichermaterial wiederum thermisch beladen ist. Das Gesamtvolumen des Schüttungsmaterials in dem thermischen Gesamtspeicher 74 ergibt dann die Gesamtkapazität des Gesamtspeichers 74. Der Gesamtspeicher 74 umfasst insbesondere einen Speicherbehälter zur Aufnahme des Schüttguts (d. h. des beladenen Speichermaterials).
Die Stege 64 sind entsprechend ausgebildet und weisen insbesondere eine solche Höhe auf, daß die Speichereinheiten 14, d. h. die thermischen Speicherpakete, über Schüttung in den Gesamtspeicher 74 einbringbar sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die Antriebsrolle 62, welche bezogen auf die Transportrichtung 48 der Wanne 50 nachgeschaltet ist, einen solchen Durchmesser aufweist, dass bezogen auf die Gravitationsrichtung das Transportband 58 von der Wanne 50 weg ansteigend nach oben geführt ist. Dadurch lässt sich die Schüttung in den Gesamtspeicher 74 erleichtern.
Es ist günstig, wenn die gegenüberliegende Antriebsrolle 60, welche der Wanne 50 bezogen auf die Transportrichtung 48 vorgeschaltet ist, symmetrisch zu der Antriebsrolle 62 ausgebildet ist.
Um den Anstieg des Transportbands 58 zu erleichtern, kann eine entsprechende Umlenkrolle 76 über der Wanne 50 im Bereich des der Antriebsrolle 62 zugewandten Endes der Wanne 50 vorgesehen sein. Insbesondere weist die Umlenkrolle 76 Ausnehmungen 78 für die Stege 64 des Transportbands 58 auf, wobei die Ausnehmungen 78 in ihrem Abstand in Relation zu der Rotationsgeschwindigkeit der Umlenkrolle 76 und den Abstand der Stege 64 auf dem Transportband 58 angepasst sind.
Die Transporteinrichtung 18 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 mittels des Transportbands 58 gebildet.
Die Speichereinheiten 14 werden durch Schüttung in den Räumen 66 zwischen den Stegen 64 gewissermaßen "ad hoc" hergestellt und die Speichereinheiten 14 werden nach der thermischen Beladung durch Schüttung in den thermischen Gesamtspeicher 74 wieder aufgelöst.
Ansonsten funktioniert das Speicherverfahren bei dem Speichersystem gemäß 4 wie oben beschrieben: Die Speichereinheiten werden in der Wärmebeaufschlagungszone 12 thermisch geladen. Es werden dabei thermisch ge trennte individuelle Speicherpakete thermisch beladen. Die thermisch beladenen Speicherpakete werden – in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 durch Stapelung, in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 durch Schüttung – in einem thermischen Gesamtspeicher zusammengefügt, wobei dann die Anzahl der Speichereinheiten 14 in dem thermischen Gesamtspeicher 74 dessen thermische Gesamtkapazität bestimmt. Die Wärmeübertragungsleistung wird durch die Wärmeübertragung in der Wärmeübertragungszone 12 bestimmt.
Es wird die Wärmeübertragungsfläche nicht durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche des Rohrregisters 52 erreicht, sondern durch Vergrößerung der Fläche der Speichereinheiten 14, indem eine Mehrzahl von individuellen mobilen Speichereinheiten 14 vorgesehen ist und entsprechend eine Mehrzahl solcher Speichereinheiten 14 durch die Wärmebeaufschlagungszone 12 transportiert wird.

Claims

Speichersystem für die Speicherung thermischer Energie, umfassend eine Wärmebeaufschlagungszone (12) und eine Transporteinrichtung (18) für Speichereinheiten (14), mittels der individuelle Speichereinheiten (14) durch die Wärmebeaufschlagungszone (12) zur Wärmeaufnahme transportierbar sind, wobei die Wärmebeaufschlagungszone (12) ein Rohrregister (32; 52) für ein Arbeitsmedium umfasst, um das Rohrregister (32; 52) ein Wärmeübertragungsmedium (42; 54) angeordnet ist und die Transporteinrichtung (18) so ausgebildet ist, dass die Speichereinheiten (14) auf oder in dem Wärmeübertragungsmedium (42; 54) führbar sind.
Speichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungseinrichtung (26) für beladene Speichereinheiten (28) vorgesehen ist, mittels der diese einem thermischen Gesamtspeicher (30; 74) zuführbar sind.
Speichersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführungseinrichtung (20) für unbeladene/entladene Speichereinheiten (22) vorgesehen ist, mittels der diese der Transporteinrichtung (18) zuführbar sind.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die Zuführungseinrichtung (20) ein fließfähiges Speichermaterial auf die Transporteinrichtung (18) schüttbar ist.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium (42; 54) flüssig ist.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trenneinrichtung (44; 56) zur mechanischen Kontakttrennung zwischen den Speichereinheiten (14) und dem Wärmeübertragungsmedium (42; 54) vorgesehen ist.
Speichersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (42) als Trennfolie ausgebildet ist.
Speichersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (56) zum Transport der Speichereinheiten (14) beweglich ist.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transporteinrichtung (18) ein Transportband (58) umfasst, mittels dem Speichereinheiten (14) durch die Wärmebeaufschlagungszone (12) transportierbar sind.
Speichersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportband (58) mit beabstandeten Stegen (64) zur Ausbildung individueller Speichereinheiten (14) versehen ist.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheiten (14) jeweils ein gekapseltes Speichermaterial umfassen.
Speichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheiten (14) auf der Transporteinrichtung (18) mittels eines fließfähigen Speichermaterials gebildet sind.