DE102009006784A1

DE102009006784A1 - Hochtemperatur-Latentwärmespeicher

Info

Publication number: DE102009006784A1
Application number: DE102009006784A
Authority: DE
Inventors: Andre Prof. Dr. rer. nat. habil. Thess; Jürgen Dipl.-Ing. Bühl; Andreas Dipl.-Ing. Nilius; Dietmar Prof. Schulze
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-07-29
Also published as: EP2389556A1; WO2010084161A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Wärmespeicher bereitgestellt werden, der thermische Energie auf einem Temperaturniveau oberhalb von 1000°C speichert, ohne dass es dabei zu Erosionsprozessen an den Speicherwänden oder den Wärmeübertragungsflächen kommt. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine Kombination von Speicher- und Wandmaterialien, beispielsweise Ferrosilizium und Eisen, bei denen das flüssige Speichermedium und das feste Wandmaterial in einem thermodynamischen Löslichkeits- oder Phasengleichgewicht stehen. Der Erfindung kann sowohl für die direkte Speicherung thermischer Energie, als auch für die indirekte Speicherung elektrischer Energie durch Umwandlung in thermische Energie und anschließende Rückverwandlung in elektrische Energie angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, der die Aufnahme, Speicherung und Abgabe thermischer Energie auf einem Temperaturniveau ermöglicht, welches den Temperaturen technischer Verbrennungsprozesse gleichkommt oder diese übertrifft.
Je höher bei einem Latentwärmespeicher die Temperatur des Speichermediums ist, desto größere Wirkungsgrade sind bei der Umwandlung der in dem Speicher enthaltenen Wärme in mechanische oder elektrische Energie erreichbar. Es ist deshalb wünschenswert, Latentwärmespeicher mit möglichst hohen Betriebstemperaturen zu entwickeln.
Wie in den Druckschriften G. Beckmann & P. V. Gilli „Thermal Energy Storage" (Springer Verlag Wien, New York, 1984) sowie R. Tamme, W. D. Steinmann, J. Buschle, T. Bauer, M. Christ „Hochtemperatur-Latentwärmespeicher für Prozessdampf und solare Kraftwerkstechnik" (in: Statusseminar Thermische Energiespeicherung – mehr Energieeffizienz zum Heizen und Kühlen, 2.–3. November 2006 in Freiburg, Herausgeber: Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich (PTJ) Fraunhofer Solar Building Innovation Center SOBIC, S. 191–200) ausgeführt wird, gehören Latentwärmespeicher mit Salzschmelzen als Speichermedien zum Stand der Technik. Sie haben jedoch noch keine breite kommerzielle Anwendung gefunden, weil die Ein- und Auskopplung von Wärme, im Folgenden auch als thermische Be- und Entladung bezeichnet, durch die relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit geschmolzener Salze erschwert wird. Außerdem sind die Speichertemperaturen auf etwa 700°C beschränkt und selbst für Temperaturen unterhalb dieses Wertes ist das Problem der Wandkorrosion derzeit noch ungelöst.
In der Arbeit C. E. Birchenall „Heat storage in alloy transformations" (NASA-CR report 159787, 1980) wird die Verwendung von Flüssigmetallen als Speichermedien für Latentwärmespeicher vorgeschlagen. Diese Materialien einschließlich des Halbleitermaterials Silizium zeichnen sich durch hohe Schmelzenthalpien und somit durch eine hohe thermische Speicherkapazität aus. Ferner besitzen die genannten Materialien eine im Vergleich zu Salzschmelzen hohe Wärmeleitfähigkeit, die die thermische Be- und Entladung erleichtert. Doch sind die in der zitierten Arbeit genannten Flüssigmetalle aggressiv und führen an den Wänden sowie an thermischen Be- und Entladeeinrichtungen zu starken Erosionserscheinungen. Wie in der Druckschrift CN 1504716A beschrieben wird, können diese Erosionserscheinungen durch Beschränkung der Betriebstemperatur auf Werte unter 620°C begrenzt, jedoch nicht vollständig verhindert werden.
Weitere Anwendungen von Flüssigmetallen in Latentwärmespeichern sind in den Druckschriften JP10332288 (A) , US 5685289 , US 4249592 , US 4512388 beschrieben. Doch enthält keine dieser Schriften eine konstruktive Lösung, die die Verwendung flüssiger Metalle oder geschmolzener Halbleitermaterialien wie Silizium als Speichermedium erlaubt, die durch Schmelztemperaturen von mehr als 1000°C gekennzeichnet sind. Insbesondere gibt es in den genannten Schriften keine Lösung zur Verhinderung der Erosion der Innenwand des Speicherbehälters durch das heiße und aggressive Speichermedium.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher bereitzustellen, dessen Speichermedium sowohl eine hohe Wärmespeicherkapazität als auch eine hohe Betriebstemperatur besitzt und mit den Konstruktionsmaterlien der Speicherbehälterwand sowie der Wärmeübertragerflächen über lange Zeiten hinweg ohne Erosion verträglich ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, den Wärmespeicher schnell und nach Möglichkeit berührungslos zu beladen und zu entladen sowie die Speicherverluste minimal zu halten.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie die Lösung der letztgenannten Aufgaben zu entnehmen sind.
Die Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 – ein Phasendiagramm für ein Zweistoffsystem Eisen-Aluminium,
2 – ein Phasendiagramm für eine eutektische Lösung aus Eisen und Silizium,
3 – eine erste Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit indirekter elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,
4 – eine zweite Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit konvektiver Beladung und konvektiver Entladung,
5 – eine dritte Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit direkter elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,
6 – eine vierte Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit Lichtbogenbeladung und konvektiver Entladung,
7 – eine fünfte Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit Lichtbogenbeladung und konvektiver Entladung,
8 – eine sechste Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers als Doppelrohrspeicher mit indirekter elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,
9 – eine siebente Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit induktiver elektrischer Beladung und konvektiver Entladung,
10 – eine achte Ausführungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit Beladung durch Strahlungsheizung und Entladung durch Wärmestrahlung.
Das Phänomen der Wanderosion bei Hochtemperaturprozessen ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass das Wandmaterial und die Schmelze in der Regel nicht in einem stabilen thermodynamischen Gleichgewicht miteinander stehen. Die thermodynamische Ursache der Wanderosion lässt sich am Beispiel des in 1 dargestellten Phasendiagramms des Zweistoffsystems Eisen-Aluminium erklären. Füllt man flüssiges Aluminium mit einer Temperatur von 900°C, dessen Zustand durch den Punkt (11) in 1 dargestellt ist, in einen Eisentiegel, so befindet sich das entstehende System zunächst abseits des thermodynamischen Gleichgewichts. Um ins thermodynamische Gleichgewicht zu gelangen, löst sich ein Teil des festen Wandmaterials in dem flüssigen Aluminium und führt somit zur Erosion der Wand. Das Zweistoffsystem Eisen-Aluminium hat bei einer Temperatur von 900°C den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts erreicht, wenn die Schmelze zu etwa 90 Massenprozent aus Aluminium und zu etwa 10 Massenprozent aus Eisen besteht. Dieser Zustand ist durch den Punkt (12) in 1 charakterisiert. Ist ein solcher Zustand erreicht, so spricht man von einem Löslichkeitsgleichgewicht. Nach Erreichen des Löslichkeitsgleichgewichts findet keine weitere Wanderosion statt. Folglich lässt sich das Problem der Wanderosion bei Hochtemperatur-Latentwärmespeichern durch eine aufeinander abgestimmte Auswahl von Speichermedium, Wandmaterial und Speichertemperatur lösen.
Ein zweites Beispiel für die Verhinderung von Wanderosion durch Schaffung eines Löslichkeitsgleichgewichtes ist in 2 dargestellt. Erhitzt man eine eutektische Legierung aus Eisen und Silizium ausgehend von dem in 2 als Punkt (21) gekennzeichneten festen Aggregatzustand in den als Punkt (22) gekennzeichneten flüssigen Aggregatzustand mit einer Temperatur von 1400°C und füllt die Schmelze in einen Eisentiegel, so befindet sich das aus Schmelze und Wandmaterial bestehende thermodynamische System abseits des thermodynamischen Gleichgewichts. Um ins thermodynamische Gleichgewicht zu gelangen, löst sich ein Teil des festen Wandmaterials in der flüssigen Schmelze auf und führt somit zur Erosion der Wand. Das Zweistoffsystem Eisen-Silizium, welches auch als Ferrosilizium bezeichnet wird, hat bei einer Temperatur von 1400°C den in 2 mit (23) gekennzeichneten Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts auf der Liquiduskurve (24) erreicht, wenn die Schmelze zu etwa 90 Massenprozent aus Eisen und zu etwa 10 Massenprozent aus Silizium besteht. Nach Erreichen dieses Zustandes findet keine weitere Wanderosion statt. Bei Abkühlung des Gesamtsystems erstarrt die Schmelze, wobei die Zusammensetzung der festen Phase durch die Soliduskurve (25) in 2 bestimmt wird. Silizium besitzt eine sehr hohe Schmelzenthalpie und eignet sich deshalb als Speichermedium für Latentwärmespeicher. Das in 2 abgebildete Beispiel verdeutlicht, dass durch eine geeignete Kombination des Speichermediums Ferrosilizium mit dem Wandmaterial Eisen eine Erosion der Wand verhindert werden kann.
Ein drittes Beispiel für die Verhinderung von Wanderosion ist gegeben, wenn das Speichermedium und die Wand aus dem gleichen Material bestehen. In diesem Fall handelt es sich bei dem thermodynamischen Gleichgewicht im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Beispielen nicht um ein Löslichkeitsgleichgewicht, sondern um ein Phasengleichgewicht.
Ausgehend von den in den 1 und 2 illustrierten Grundprinzipien ist ein gattungsgemäßer Hochtemperatur-Latentwärmespeicher dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Speichermedium und das feste Wandmaterial im Fall maximaler thermischer Beladung in einem Löslichkeitsgleichgewicht stehen, wodurch eine weitere Wanderosion verhindert wird. Die Lösung des Wanderosionsproblems bei einem gattungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespeicher umfasst auch den im dritten Beispiel genannten Sonderfall, bei dem das Wandmaterial aus dem selben Stoff wie das Speichermedium besteht. Bei diesem Sonderfall handelt es sich nicht um ein Löslichkeitsgleichgewicht, sondern um ein Phasengleichgewicht.
Nach 3 umfasst der erfindungsgemäße Hochtemperatur-Latentwärmespeicher einen Speicherbehälter (32), in dem sich das Speichermedium (31) befindet, welches im Falle maximaler thermischer Beladung mit der Speicherbehälterinnenwand (33) in Kontakt steht. Die Oberfläche des Speichermediums wird durch ein Schutzgas (34) begrenzt. Die Materialien von Speichermedium (31) und Speicherbehälterinnenwand (33) sowie die Betriebstemperatur des Speichers werden so aufeinander abgestimmt, dass sich bei der erstmaligen thermischen Beladung ein Teil des Innenwandmaterials in dem flüssigen Speichermedium löst und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichgewicht ausbildet. Bei inkongruent schmelzenden Speichermaterialien (siehe 2) bilden Speichermedium und Speicherbehälterinnenwand nach dem ersten Beladevorgang eine materielle Einheit und sind in den folgenden Be- und Entladezyklen nicht mehr eindeutig voneinander unterscheidbar. Der in 3 abgebildete Speicher enthält eine Isolationsschicht (35), die durch eine Verbindungsschicht (36) mit der Speicherbehälterinnenwand (33) in Kontakt steht. Die Beladung des Speichers erfolgt vermittels eines Rohrheizkörpers (37), der aus einem Heizleiter (38), einem Hüllrohr (39) und einer Außenschicht (40) besteht und über einen elektrischen Anschluss (41) an ein Stromversorgungssystem angekoppelt ist. Die Materialien von Speichermedium und Außenschicht (40) des Rohrheizkörpers sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich bei der Beladung ein Teil der Außenschicht (40) in dem flüssigen Speichermedium (31) löst und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichgewicht ausbildet, welches die Erosion des Heizsystems verhindert. Die Entladung des Speichers erfolgt vermittels eines Wärmeübertragerrohres (42), durch welches ein Wärmeträgerfluid (45) zirkuliert. Diese Art der thermischen Entladung wird im Folgenden als konvektive Entladung bezeichnet. Das Wärmeübertragerrohr (42) besteht aus einem Innenrohr (44), welches der strukturellen Stabilität dient, sowie aus einer Außenschicht (43). Die Materialien von Speichermedium (31) und Außenschicht (43) des Wärmeübertragerrohres (42) sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Teil der Außenschicht (43) in dem flüssigen Speichermedium (31) lösen kann und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichgewicht ausbildet, welches die Erosion des Entladesystems verhindert.
Es liegt, wie in 4 dargestellt, selbstverständlich auch im Rahmen der Erfindung, sowohl die thermische Beladung als auch die thermische Entladung durch konvektive Wärmeübertragung zu realisieren. Der gattungsgemäße Hochtemperatur-Latentwärmespeicher ist dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Speicherbehälters (32) mindestens je ein Wärmeübertragerrohr (42) für die thermische Beladung und ein analog aufgebautes Wärmeübertragerrohr für die thermische Entladung so installiert sind, dass ihre Außenschichten (43) in direktem Kontakt mit dem flüssigen Speichermedium (31) stehen. Die Materialien von Speichermedium (31), Speicherbehälterinnenwand (33) und Außenschicht (43) des Wärmeübertragerrohres (42) sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Teil der Speicherbehälterinnenwand (33) und der Außenschicht (43) in dem flüssigen Speichermedium (31) lösen kann und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichgewicht ausbildet, welches die Erosion der Speicherbehälterinnenwand sowie der Wärmeübertragerrohre verhindert. Die in 4 dargestellte Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers ist für Anwendungen in Parabolrinnen-Solarkraftwerken oder in Solarturmkraftwerken geeignet, bei denen die zu speichernde Energie in Form von Wärme anfällt.
In 5 ist eine weitere Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers mit direkter elektrischer Beheizung dargestellt. Das im Speicherbehälter (32) befindliche Speichermedium (31) wird durch ein geeignetes Material der Speicherbehälterinnenwand (33) sowie nach oben durch ein inertes Abdeckmedium (34) begrenzt und durch eine Schicht (35) nach außen isoliert. Mittels zweier oder mehrerer Elektroden (46), die mit einer geeigneten Außenschicht (47) beschichtet sind, wird elektrischer Strom in das Speichermedium eingespeist und das Speichermedium dadurch erwärmt. Diese Art der Beheizung wird als direkte elektrische Beheizung bezeichnet. Die thermische Entladung erfolgt mittels eines Systems von Wärmeübertragerrohren (48), die in das Isolationsmaterial des Speicherbehälters integriert sind.
6 zeigt eine vierte Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers. Der aus Speicherbehälter (32), Speichermedium (31), Speicherbehälterinnenwand (33), Isolationsschicht (35) mit integrierten Wärmeübertragerrohren (48), Verbindungsschicht (36), inertem Abdeckmedium (34) sowie mehreren Elektroden (46) bestehende Speicher ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladung durch Zündung von Lichtbögen (49) zwischen den Elektroden und der Oberfläche des Speichermediums (31) erfolgt. Diese Form der Beladung erlaubt eine berührungsfreie elektrische Einkopplung von Wärme. Die thermische Entladung erfolgt mittels eines Systems von Wärmeübertragerrohren (48) die in die Isolationsschicht des Speichers eingebettet sind.
7 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des gattungsgemäßen Hochtemperatur-Latentwärmespeichers, bei dem Speichermedium (31) und Speicherbehälterinnenwand (33) aus dem selben Material bestehen. Das Speichermedium (31) befindet sich im Inneren eines auf Lagern (50) rotierenden Speicherbehälters (51), der über eine Isolationsschicht (35) sowie eine Verbindungsschicht (36) zum Speichermedium (31) verfügt. Auf Grund der Rotation des Speicherbehälters entsteht eine radial nach außen gerichtete Zentrifugalkraft, die das flüssige Speichermedium (31) bei hinreichend schneller Rotation an die Speicherbehälterinnenwand (33) drückt und im Speichermedium eine freie Oberfläche (52) erzeugt. Die thermische Beladung des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers erfolgt, indem in die auf der Drehachse im rotierenden Speicherbehälter (51) befindlichen Öffnungen (53) zwei Elektroden (46) in den Speicher eingeführt werden und zwischen ihnen ein Lichtbogen (49) gezündet wird. Nach der thermischen Beladung können die Elektroden entfernt und durch zwei Verschlusselemente (nicht dargestellt) ersetzt werden. Zur thermischen Entladung des Speichers werden die Verschlusselemente entfernt. Anschließend wird durch eine der beiden Öffnungen (53) ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium in den Speicher eingeleitet. Das Wärmeübertragungsmedium nimmt durch konvektiven Wärmetransport Energie aus dem Speichermedium auf und wird durch die andere Öffnung (53) aus dem Speicher entnommen. Die in 7 abgebildete Realisierungsform ist besonders für Speichermedien wie Silizium geeignet, die sich durch eine relativ hohe Schmelztemperatur und eine hohe Schmelzenthalpie auszeichnen.
Eine weitere Realisierungsform des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers als Doppelrohrspeicher ist in 8 dargestellt. Bei dieser Variante befindet sich das Speichermedium (31) in einem von einem Außenrohr (56), einem Innenrohr (57) sowie zwei Deckflächen (58) gebildeten Doppelrohrspeicherbehälter (55). Die Materialien von Speichermedium (31) und Speicherbehälterinnenwand (33) sowie die Betriebstemperatur des Speichers sind so aufeinander abgestimmt, dass sich ein Teil der Speicherbehälterinnenwand (33) in dem flüssigen Speichermedium (31) lösen kann und sich ein stabiles thermodynamisches Löslichkeitsgleichgewicht ausbildet, welches die Erosion der Speicherbehälterinnenwand verhindert. Die thermische Beladeeinrichtung des Speichers besteht aus einer Zwischenschicht (59), die mittels zweier oder mehrerer elektrischer Anschlüsse (41) mit elektrischem Strom beaufschlagt wird. Die entstehende Joulesche Wärme wird in das Speichermedium übertragen. Zur thermischen Entladung des Speichers wird an einem ersten Ende des Innerohres (57) ein gasförmiges oder flüssiges Wärmeübertragungsmedium in den Speicher eingeleitet. Die Entladungsströmung (60) nimmt durch konvektiven Wärmetransport Energie aus dem Speichermedium auf und wird an einem zweiten Ende des Innerohres (57) aus dem Speicher entnommen.
Eine vorteilhafte Eigenschaft von Flüssigmetallen und Halbleiterschmelzen als Speichermedien ist ihre im Vergleich zu Salzschmelzen hohe elektrische Leitfähigkeit. Wie in 9 gezeigt wird, lässt sich diese Eigenschaft in vorteilhafter Weise für eine berührungslose thermische Beladung des Speichers mittels Induktionsheizung ausnutzen. Der in 9 dargestellte Hochtemperatur-Latentwärmespeicher ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beladung mittels eines aus Metallrohren bestehenden Induktors (61) erfolgt. Dieser Induktor wird von einem Wärmeträgerfluid (45) durchflossen, welches beim Beladevorgang der Kühlung des Induktors und beim Entladevorgang dem Wärmeabtransport dient. Die Induktorspule stellt somit gleichzeitig Be- und Entladeeinrichtung dar. Sie ist mittels einer temperaturbeständigen elektrischen Isolationsschicht (62) in den Speicher eingebettet.
In 10 ist eine achte Konstruktionsvariante des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers dargestellt, die aus einem Speicherbehälter (32), einer Speicherkammer (64) mit einer Speicherbehälterinnenwand (33) und einem darin befindlichen Speichermedium (31), einer Isolationsschicht (35) mit eingebetteten Wärmeübertragerrohren (48) und Temperaturstrahlern (65) sowie einem Hubbalken (66) besteht. Der Speicher ist dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkammer (64) mittels des Hubbalkens (66) in vertikaler Richtung verschoben werden kann. Zur thermischen Beladung wird die Speicherkammer (64) in die untere Hälfte des Speicherbehälters (31) gefahren. Dort erfolgt die Einspeisung thermischer Energie mittels einer Mehrzahl von Temperaturstrahlern (65), die in die Isolationsschicht (35) des Speicherbehälters eingebettet sind. Zur Speicherung der Energie sowie zur thermischen Entladung wird die Speicherkammer (64) in die obere Position gefahren. Zur Entladung wird ein Wärmeträgerfluid (45) durch das in die Isolationsschicht (35) eingebettete System von Wärmeübertragerrohren (48) gepumpt, welches die Strahlungswärme der Speicherkammer aufnimmt.

11: thermodynamischer Zustand einer Aluminiumschmelze
12: thermodynamischer Zustand einer gesättigten Aluminium-Eisen Lösung
21: thermodynamischer Zustand einer eutektischen Eisen-Silizium Legierung im festen Zustand
22: thermodynamischer Zustand einer eutektischen Eisen-Silizium Legierung im flüssigen Zustand
23: thermodynamischer Zustand einer gesättigten Eisen-Silizium Lösung
24: Soliduskurve
25: Liquiduskurve
31: Speichermedium
32: Speicherbehälter
33: Speicherbehälterinnenwand
34: innertes Abdeckmedium (Schutzgas)
35: Isolationsschicht
36: Verbindungsschicht
37: Rohrheizkörper
38: Heizleiter
39: Hüllrohr
40: Außenschicht des Rohrheizkörpers
41: elektrischer Anschluss
42: Wärmeübertragerrohr
43: Außenschicht des Wärmeübertragerrohres
44: Innenrohr des Wärmeübertragerrohres
45: Wärmeträgerfluid
46: Elektroden
47: Elektrodenaußenschicht
48: Wärmeübertragerrohr in der Isolationsschicht
49: Lichtbogen
50: Lager
51: rotierender Speicherbehälter
52: freie Oberfläche des Speichermediums
53: Öffnungen im rotierenden Speicherbehälter
54: Phasengrenze
55: Doppelrohrspeicherbehälter
56: Außenrohr des Doppelrohrspeicherbehälters
57: Innenrohr des Doppelrohrspeicherbehälters
58: Deckflächen des Doppelrohrspeicherbehälters
59: elektrisch leitende Zwischenschicht
60: Entladungsströmung
61: Induktor und Wärmeübertragerrohr
62: temperaturbeständige elektrische Isolation
63: äußere Speicherkammer
64: innere Speicherkammer
65: Temperaturstrahler
66: Hubbalken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- CN 1504716 A [0004]
- JP 10332288 A [0005]
- US 5685289 [0005]
- US 4249592 [0005]
- US 4512388 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- G. Beckmann & P. V. Gilli „Thermal Energy Storage” (Springer Verlag Wien, New York, 1984) [0003]
- R. Tamme, W. D. Steinmann, J. Buschle, T. Bauer, M. Christ „Hochtemperatur-Latentwärmespeicher für Prozessdampf und solare Kraftwerkstechnik” (in: Statusseminar Thermische Energiespeicherung – mehr Energieeffizienz zum Heizen und Kühlen, 2.–3. November 2006 in Freiburg, Herausgeber: Forschungszentrum Jülich GmbH, Projektträger Jülich (PTJ) Fraunhofer Solar Building Innovation Center SOBIC, S. 191–200) [0003]
- C. E. Birchenall „Heat storage in alloy transformations” (NASA-CR report 159787, 1980) [0004]

Claims

Hochtemperatur-Latentwärmespeicher, bestehend aus: – einem mit einem Speichermedium (31) zumindest teilweise gefüllten Speicherbehälter (32) mit einer Speicherbehälterinnenwand (33), – einer Isolationsschicht (35), die über eine Verbindungsschicht (36) mit dem Speichermedium (31) in Kontakt steht, – einer thermischen Beladeeinrichtung und – einer thermischen Entladeeinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das im festen Aggregatzustand befindliche Material der Speicherbehälterinnenwand (33) mit dem im flüssigen Aggregatzustand befindlichen Speichermedium (31) in einem stabilen thermodynamischen Gleichgewicht steht und das Speichermedium (31) vorzugsweise ein Flüssigmetall oder ein flüssiges Halbleitermaterial ist.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Speicherbehälterinnenwand (33) im flüssigen Speichermedium (31) löslich ist, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium (31) gelösten Materials der Speicherbehälterinnenwand (33) gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichgewichtskonzentration ist und im Zustand maximaler thermischer Beladung eine den mechanischen Stabilitätserfordernissen entsprechend dicke Speicherbehälterinnenwand (33) verbleibt und ein Löslichkeitsgleichgewicht zwischen dem flüssigen Speichermedium (31) und dem Material der Speicherbehälterinnenwand (33) vorliegt.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Speicherbehälterinnenwand (33) mit dem Speichermedium (31) identisch ist, wobei die Speichergröße so bemessen wird, dass im Falle maximaler thermischer Beladung eine den mechanischen Stabilitätserfordernissen entsprechend dicke Speicherbehälterinnenwand (33) verbleibt und ein Phasengleichgewicht zwischen dem Speichermedium (31) und der Speicherbehälterinnenwand (33) vorliegt.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung ein Rohrheizkörper (37) ist, der aus einem Heizleiter (38), einem Hüllrohr (39) und einer in dem flüssigen Speichermedium (31) löslichen Außenschicht (40) aufgebaut ist, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium (31) gelösten Materials der Außenschicht (40) gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichgewichtskonzentration ist.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren (42), die eine im flüssigen Speichermedium (31) löslichen Außenschicht (43) aufweisen und von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgerfluid (45) durchflossen werden, besteht, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium (31) gelösten Materials der Außenschicht (43) der Wärmeübertragungsrohre gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichgewichtskonzentration ist.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren (42), die eine im flüssigen Speichermedium (31) löslichen Außenschicht (43) aufweisen und von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgerfluid (45) durchflossen werden, besteht, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium (31) gelösten Materials der Außenschicht (43) der Wärmeübertragungsrohre gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichgewichtskonzentration ist
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung aus einer Mehrzahl von Elektroden (46) zur direkten elektrischen Widerstandsheizung besteht, deren Außenschichten (47) in dem flüssigen Speichermedium (31) löslich sind, wobei die Konzentration des im flüssigen Speichermedium (31) gelösten Materials der Elektrodenaußenschicht (47) gleich der für die Betriebstemperatur des Hochtemperatur-Latentwärmespeichers gültigen Gleichgewichtskonzentration ist.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung als Lichtbogenheizung ausgeführt ist, die aus einer oder mehreren stromdurchflossenen Elektroden (46), die oberhalb des Speichermediums (31) angeordnet sind, besteht.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren Wärmeübertragerrohren (48), die von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträgerfluid (45) durchflossen werden und in die Isolationsschicht (35) des Speicherbehälters (32) integriert sind, besteht.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Speichermedium (31) in einem rotierenden Speicherbehälter (51) befindet, dessen Rotationsgeschwindigkeit so bemessen wird, dass durch die Zentrifugalkräfte eine freie Oberfläche (52) in der Nähe der Drehachse entsteht und die thermische Beladeeinrichtung als Lichtbogenheizung zwischen zwei herausnehmbaren, auf der Drehachse gegenüberliegend gelagerten Elektroden (46) ausgeführt ist und die Entladeeinrichtung von den auf der Drehachse befindlichen, nach dem Entnehmen der Elektroden entstehenden Öffnungen (63) gebildet wird, durch die ein gasförmige Wärmeübertragungsmedium geleitet wird.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Speichermedium (31) in einem von einem Außenrohr (56), einem Innenrohr (57) und zwei Deckflächen (58) gebildeten Doppelrohrspeicherbehälter (55) befindet und die thermische Beladeeinrichtung aus einer um die Speicherbehälterinnenwand (33) herum angeordneten elektrisch leitenden Zwischenschicht (59), die über mindestens zwei elektrische Anschlüsse (41) mit elektrischem Strom beaufschlagt wird, besteht und die thermische Entladeeinrichtung von dem mit einem gasförmigen oder flüssigen Wärmeübertragungsmedium durchströmten Innenrohr gebildet wird.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Beladeeinrichtung als Induktionsheizung ausgeführt ist, die aus einer oder mehreren stromdurchflossenen Induktoren (61) besteht, welche außerhalb des Speichermediums (31) in einer temperaturbeständigen Isolationsschicht (62) angeordnet sind.
Hochtemperatur-Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die sich im Speicherbehälter (32) befindliche Speicherkammer (64) auf einem Hubbalken (66) gelagert ist, der die Speicherkammer (64) jeweils zwischen den in der Isolationsschicht (35) integrierten thermischen Ent- und Beladeeinrichtung verschiebt und die thermische Beladeeinrichtung als Strahlungsheizung ausgeführt ist, die aus einer Mehrzahl von Temperaturstrahlern (65) besteht und die thermische Entladeeinrichtung aus einem oder mehreren von einem Wärmeträgerfluid (45) durchflossenen Wärmeübertragerrohr (48) besteht.