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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung von thermischer Energie sowie ein entsprechendes Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie.
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Zur Wandlung von thermischer Energie in elektrischen Strom kann ein klassischer Dampfprozess bzw. Clausius-Rankine-Prozess verwendet werden. Im Rahmen eines solchen Prozesses wird Wasser bzw. ein entsprechendes Medium verdampft und hierdurch eine Turbine angetrieben, welche Strom erzeugt. Der Dampf wird dabei unmittelbar in einem Wärmeübertrager erzeugt, der die anfallende thermische Energie aufnimmt. Die unmittelbare Umsetzung von thermischer Energie in einem Dampfprozess weist den Nachteil auf, dass die thermische Energie nicht zwischengespeichert werden kann, was insbesondere bei diskontinuierlich anfallender thermischer Energie, wie z.B. bei Abwärme aus Industrieprozessen bzw. bei Solarenergie, wünschenswert ist.
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Aus dem Stand der Technik ist ferner die Speicherung von thermischer Energie in einem Flüssigsalz-Kreislauf bekannt. Flüssigsalze sind in der Regel bis zu sehr hohen Temperaturen thermisch stabil, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie im Falle der Außerbetriebnahme des Kreislaufs in der Regel erstarren, da ihre Schmelztemperatur über Umgebungstemperatur liegt. Dies führt dazu, dass sich bei Stillstand des Flüssigsalzkreislaufs in den Leitungen des Kreislaufs erstarrtes Flüssigsalz befindet, was die Inbetriebnahme der Vorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt erschwert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Speicherung von thermischer Energie zu schaffen, welche zum einen eine geeignete Pufferung von diskontinuierlich anfallender thermischer Energie und zum anderen eine einfache Inbetriebnahme der Vorrichtung nach deren Stillstand gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen ersten Fluidkreislauf, in dem ein Fluid mit einer thermischen Stabilität bis zu einem Temperaturwert von 400°C oder höher enthalten ist. Vorzugsweise ist das Fluid dabei thermisch stabil bis zu einem Temperaturwert zwischen 400°C und 800°C. Das Fluid ermöglicht somit einen Betrieb auch bei sehr hohen Temperaturen, so dass durch das Fluid thermische Energie aus sehr heißer Abwärme bzw. entsprechend fokussierte thermische Energie aus Sonneneinstrahlung aufgenommen werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Fluid um ein Hochtemperatur-Flüssigsalz, insbesondere um Natriumnitrat und/oder Kaliumnitrat, vorzugsweise um eine Mischung aus 60 Mol-% Natriumnitrat und 40 Mol-% Kaliumnitrat.
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Der erste Fluidkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst eine Wärmeübertragungseinrichtung, über welche externe thermische Energie an das Fluid im ersten Fluidkreislauf übertragen werden kann und hierdurch im ersten Fluidkreislauf gespeichert wird. Wie bereits erwähnt, kann die thermische Energie z.B. Abwärme aus industriellen Prozessen bzw. thermische Solarenergie sein. Der erste Fluidkreislauf ist zur Abgabe der gespeicherten Energie thermisch an einen Verbraucher koppelbar, an den die im ersten Fluidkreislauf gespeicherte thermische Energie übertragen werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmeübertragungseinrichtung derart angeordnet ist, dass das in der Wärmeübertragungseinrichtung befindliche Fluid aufgrund von Gravitation selbsttätig durch die Wärmeübertragungseinrichtung laufen kann. Nichtsdestotrotz erfolgt im Betrieb der Vorrichtung in der Regel ein Umpumpen des Fluids, wodurch der Transport desselben aus der Wärmeübertragungseinrichtung bewirkt wird. Bei Außerbetriebnahme bewirkt die Gravitationskraft jedoch das Ablaufen des Fluids aus der Wärmeübertragungseinrichtung. Auf diese Weise wird eine einfache Inbetriebnahme der Vorrichtung nach deren Stillstand erreicht, denn Fluid, welches bei Außerbetriebnahme der Vorrichtung erstarrt, verbleibt nicht mehr in den Leitungen der Wärmeübertragungseinrichtung. Das Fluid kann vielmehr an geeigneter Stelle im Flüssigkeitskreislauf gesammelt werden und dort bei Inbetriebnahme der Vorrichtung zentral erwärmt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der erste Fluidkreislauf eine Mehrzahl von Fluidspeichern und insbesondere einen ersten und einen zweiten Fluidspeicher, wobei das Fluid im Betrieb der Vorrichtung aus der Wärmeübertragungseinrichtung in den ersten Fluidspeicher fließt und von dort in den zweiten Fluidspeicher transportiert und dabei mit dem Verbraucher thermisch gekoppelt werden kann. Das Fluid im zweiten Fluidspeicher kann dann wieder in die Wärmeübertragungseinrichtung transportiert werden. Durch die Verwendung eines ersten und zweiten Fluidspeichers wird eine effiziente Speicherung der über die Wärmeübertragungseinrichtung aufgenommenen thermischen Energie sowie deren Abgabe an einen Verbraucher sichergestellt. Der erste und/oder zweite Fluidspeicher können ferner gegebenenfalls beheizbar sein, um das Fluid nach einem Stillstand der Vorrichtung wieder zu erwärmen. Die räumliche Trennung des ersten und zweiten Fluidspeichers bewirkt zudem eine effizientere Regelung der Wärmezu- und Wärmeabgabe des Fluids.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmeübertragungseinrichtung ein oder mehrere schräg zur Horizontalen verlaufende Rohre, welche sich beispielsweise in Schlangenlinien erstrecken. Der Winkel der Rohre zur Horizontalen liegt dabei insbesondere zwischen 10° und 80°. Mit solchen Rohren kann auf einfache Weise erreicht werden, dass Fluid in der Wärmeübertragungseinrichtung selbsttätig aus dieser wieder hinausläuft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeübertragungseinrichtung derart ausgestaltet, dass durch die Wärmeübertragungseinrichtung ein oder mehrere Heißgasströme geführt werden können, wobei vorzugsweise ein oder mehrere Auslässe für Partikel in dem oder den Heißgasströmen vorgesehen sind. Diese Ausführungsform eignet sich zur Speicherung von diskontinuierlich anfallender Abwärme aus industriellen Prozessen, wie sie beispielsweise bei der Stahlerzeugung anfällt. Um die thermische Energie solcher Heißgasströme besonders effizient zu nutzen, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein zweiter Fluidkreislauf mit einer (weiteren) Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen, wobei der oder die Heißgasströme nach Passieren der Wärmeübertragungseinrichtung des ersten Fluidkreislaufs durch die Wärmeübertragungseinrichtung des zweiten Fluidkreislaufs geführt werden können, um thermische Energie an das Fluid im zweiten Fluidkreislauf abzugeben und hierdurch im zweiten Fluidkreislauf zu speichern. Dabei ist der zweite Fluidkreislauf mit dem ersten Fluidkreislauf und/oder einem Verbraucher thermisch koppelbar, um die im zweiten Fluidkreislauf gespeicherte thermische Energie an den ersten Fluidkreislauf und/oder den Verbraucher abzugeben. Wird der zweite Fluidkreislauf thermisch mit dem ersten Fluidkreislauf gekoppelt, so wird die thermische Energie aus dem zweiten Fluidkreislauf vorzugsweise zur Inbetriebnahme des ersten Fluidkreislaufs genutzt, um das entsprechende Fluid im ersten Fluidkreislauf zu erwärmen bzw. zu schmelzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der zweite Fluidkreislauf analog wie der erste Fluidkreislauf aufgebaut. Das heißt, der zweite Fluidkreislauf umfasst einen dritten und einen vierten Fluidspeicher, wobei das Fluid im Betrieb der Vorrichtung aus der Wärmeübertragungseinrichtung des zweiten Fluidkreislaufs in den dritten Fluidspeicher fließt und von dort in den vierten Fluidspeicher transportiert und dabei mit dem ersten Fluidkreislauf und/oder dem Verbraucher thermisch gekoppelt werden kann, wobei das Fluid im zweiten Fluidspeicher wieder in die Wärmeübertragungseinrichtung transportiert werden kann.
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Da die Temperatur des Heißgases bei Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung des zweiten Fluidkreislaufs bereits abgenommen hat, kann als Fluid im zweiten Fluidkreislauf eine Flüssigkeit verwendet werden, welche eine niedrigere Temperaturstabilität aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluid des zweiten Fluidkreislaufs temperaturstabil bis zu einem Temperaturwert von 250 °C oder höher. Das Fluid kann dabei ein an sich bekanntes Thermoöl sein.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmeübertragungseinrichtung des ersten und/oder zweiten Fluidkreislaufs eine Kaskade von mehreren Wärmeübertragungseinheiten, insbesondere von mehreren Rohrbündelwärmeübertragern, wobei für zwei in der Kaskade hintereinander angeordnete Wärmeübertragungseinheiten der Fluidauslass der einen Wärmeübertragungseinheit in den Fluideinlass der anderen Wärmeübertragungseinheit führt. Hierdurch wird ein sehr guter Wärmeübertrag erreicht. Vorzugsweise kommt diese Ausführungsform bei der Speicherung von thermischer Energie aus einem Heißgasstrom zum Einsatz. Dabei wird durch jede Wärmeübertragungseinheit der Kaskade ein Heißgasstrom geführt. Vorzugsweise ist ferner an jeder Wärmeübertragungseinheit ein Auslass für Partikel im Heißgasstrom vorgesehen, um hierdurch einer Verschmutzung der Wärmeübertragungseinheiten entgegenzuwirken.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wärmeübertragungseinrichtung des ersten Fluidkreislaufs zur Übertragung von thermischer Solarenergie vorgesehen, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung insbesondere eine optische Lichtbündelungseinrichtung zur Bündelung von Sonnenlicht in der Wärmeübertragungseinrichtung umfasst, vorzugsweise in der Form eines gekrümmten Reflektors. Auf diese Weise wird eine geeignete Fokussierung des Sonnenlichts auf die Wärmeübertragungseinrichtung und damit eine effiziente Aufnahme von thermischer Solarenergie durch das Fluid des Fluidkreislaufs erreicht.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im ersten Fluidkreislauf und/oder im zweiten Fluidkreislauf eine Pumpe vorgesehen, mit der Fluid in vertikaler Richtung in eine höhere Position transportiert werden kann, um von dort durch die erste oder zweite Wärmeübertragungseinrichtung zu fließen. Vorzugsweise beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner im ersten Fluidkreislauf und/oder im zweiten Fluidkreislauf eine Regeleinrichtung, welche den Durchfluss des Fluids in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur derart regelt, dass das Fluid eine vorbestimmte Temperatur, welche dem Temperaturwert entspricht, bis zu dem das Fluid thermisch stabil ist, oder niedriger ist, nicht überschreitet. Hierdurch wird eine Überhitzung des Fluids vermieden.
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Wie bereits oben erwähnt, kann der an den ersten Fluidkreislauf koppelbare Verbraucher eine Turbine zur Umsetzung eines Clausius-Rankine-Prozesses bzw. eines Dampfprozesses umfassen. Gegebenenfalls kann auch der an den zweiten Fluidkreislauf koppelbare Verbraucher eine derartige Turbine umfassen.
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Neben der oben beschriebenen Vorrichtung umfasst die Erfindung ferner ein Verfahren zur Speicherung von thermischer Energie in dieser Vorrichtung bzw. einer oder mehrerer Varianten dieser Vorrichtung. Dabei wird über die Wärmeübertragungseinrichtung des ersten Fluidkreislaufs thermische Energie an das Fluid im ersten Fluidkreislauf übertragen und hierdurch im ersten Fluidkreislauf gespeichert, wobei der erste Fluidkreislauf thermisch an einen Verbraucher gekoppelt wird, an den die im ersten Fluidkreislauf gespeicherte thermische Energie abgegeben wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei Außerbetriebnahme der Vorrichtung das in der Wärmeübertragungseinrichtung befindliche Fluid aufgrund von Gravitation selbsttätig durch die Wärmeübertragungseinrichtung läuft.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine Detailansicht eines Rohrbündelwärmeübertragers, der in der Vorrichtung der 1 verwendet wird;
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3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 eine schematische Darstellung der Kopplung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einen Dampfprozess;
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5 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung der 1; und
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6 eine schematische Darstellung einer in einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Regeleinrichtung.
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1 zeigt das Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung von thermischer Energie. Die zu speichernde thermische Energie stammt dabei aus einem Heißgas, das durch entsprechende Wärmeübertragungseinheiten in der Form von Rohrbündelwärmeüberträgern 2 eines ersten Fluidkreislaufs 1 geführt wird. Das Heißgas kann das Abgas eines Elektroofens oder ein anderes heißes Industrieabgas sein, welches in der Regel diskontinuierlich anfällt und dessen Abwärme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in geeigneter Weise gepuffert wird. Das Heißgas wird dabei in eine Mehrzahl von Heißgasströmen HG unterteilt, welche jeweils einem Rohrbündelübertrager 2 zugeführt werden. Gemäß 1 sind drei hintereinander geschaltete Rohrbündelwärmeübertrager vorgesehen, wobei gegebenenfalls auch eine andere Anzahl solcher Rohrbündelwärmeübertrager verwendet werden kann.
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In dem Fluidkreislauf 1 wird in der Ausführungsform der 1 ein Hochtemperatur-Flüssigsalz als Fluid transportiert, wobei die Transportrichtung des Salzes im Kreislauf durch durchgezogene Pfeile angedeutet ist. Das Flüssigsalz ist dabei temperaturstabil bis zu einem Wert, der größer als die maximal durch das Heißgas erzeugbare Fluidtemperatur im Rohrbündelwärmeübertrager ist. Insbesondere liegt dieser Wert zwischen 500°C und 700°C. Solche Hochtemperatur-Flüssigsalze können beispielsweise durch eine Mischung aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat gebildet werden. Bei einer Mischung von 60 Mol-% Natriumnitrat und 40 Mol-% Kaliumnitrat ist das Salz bis zu einer Temperatur von 590°C temperaturstabil.
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Der Fluidkreislauf 1 umfasst ferner einen ersten Speicher 3 und einen zweiten Speicher 4. Das Fluid fließt vom obersten Rohrbündelwärmeübertrager durch den mittleren und unteren Rohrbündelwärmeübertrager in den Speicher 3 hinein. Es wird somit ein durch das Heißgas HG erhitztes Fluid in dem Speicher 3 gesammelt. Die Anordnung der Rohre in den einzelnen Rohrbündelwärmeübertragern ist dabei schräg zur Horizontalen, so dass das Fluid bei Außerbetriebnahme der Vorrichtung selbsttätig durch die Rohrbündelwärmeübertrager aufgrund der Gravitationskraft läuft. Im Gegensatz zur Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik wird hierdurch die selbsttätige Entleerung der flüssigsalzführenden Rohrbündel im Abschaltungsfall der Vorrichtung ermöglicht.
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In 2 ist zur Verdeutlichung der Aufbau des unteren Teils eines der Rohrbündelwärmeübertrager 2 der 1 gezeigt. Man erkennt dabei die Rohre 201 des Rohrbündelwärmeübertragers, welche von links oben nach rechts unten schräg durch den Übertrager verlaufen und das Hochtemperatur-Flüssigsalz enthalten. In 2 sind nur einige der Rohre des Wärmeübertragers 2 dargestellt. Der Übertrager enthält eine wesentlich größere Anzahl von Rohren, so dass ein guter Wärmeübertrag von dem Heißgas zum Fluid erfolgt. Das Heißgas strömt entgegen der Stromrichtung in den Rohren oder im Kreuzstrom durch den Wärmeübertrager und gibt seine Wärme an das Fluid ab. Dabei ist im unteren Bereich des Wärmeübertragers ein Flansch 204 vorgesehen, in dem sich Partikel im Abgasstrom, insbesondere Staub und/oder Asche, sammeln und bei Bedarf entnommen werden können. Oberhalb des Flansches befindet sich ferner ein Loch bzw. optional ein Gitter 203, welches mechanische Halteeigenschaften hat. Die einzelnen Rohre 201 des Rohrbündelwärmeübertragers enden in einem Fluidauslass 202 in der Form eines Flansches, der an den Einlass (nicht gezeigt) des nächsten, weiter unten liegenden Rohrbündelwärmeübertragers gekoppelt wird.
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Die im Speicher 3 des Kreislaufs der 1 gesammelte thermische Energie kann bei Bedarf über eine schematisch angedeutete thermische Kopplung 8 an einen geeigneten Verbraucher (nicht gezeigt) abgegeben werden. In einer bevorzugten Variante umfasst der Verbraucher eine Dampfturbine, mit der ein an sich bekannter Dampfprozess realisiert wird, wobei die Turbine als Generator dient, um die im Dampfprozess erzeugte mechanische Energie in elektrischen Strom zu wandeln. Durch die Abgabe von thermischer Energie des Fluids aus dem Speicher 3 an den Verbraucher wird dieses Fluid abgekühlt und gelangt anschließend in den zweiten Speicher 4. In dem Sumpf dieses Speichers befindet sich eine Pumpe 5, mit der das Fluid in vertikaler Richtung nach oben wieder zu den Wärmeübertragern transportiert werden kann. Oberhalb der Pumpe ist ferner eine Rückstellklappe 6 angeordnet, welche einen Rückfluss des Fluids in die Pumpe bei Anlagenstillstand bzw. nicht ausreichender thermischer Energie des Heizgases verhindert, indem rückfließendes Fluid über die Bypassleitung 101 in den Speicher 4 geleitet wird. In dem Fluidkreislauf ist im oberen Bereich ferner ein Entlüftungsventil 7 angeordnet. Die einzelnen Fluidspeicher 3 und 4 verfügen auch über entsprechende Heizungen, um bei Inbetriebnahme der Vorrichtung das Flüssigsalz, welches bei Umgebungstemperatur in der Regel fest ist, ausreichend zu erwärmen, so dass dieses in den flüssigen Aggregatszustand übergeht.
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Wie oben dargelegt, wird in der Ausführungsform der 1 der Heißgasstrom in eine Vielzahl von Teilströmen aufgeteilt und jeweiligen Rohrbündelwärmeübertragern einer Kaskade aus mehreren Übertragern zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Druckverluste im Abgas gering gehalten werden und der (bestehende) Industrieprozess wenig bis gar nicht beeinflusst wird. Ferner wird durch die schräge Anordnung der Rohrbündel im Wärmeübertrager sichergestellt, dass beim Abschalten der Vorrichtung das Flüssigsalz selbsttätig aus den Rohren läuft und nicht darin erstarrt. Auf diese Weise kann eine einfachere Inbetriebnahme der Vorrichtung zu einem späteren Zeitpunkt sichergestellt werden.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In dieser Figur sowie auch in den weiteren Figuren werden Bauteile, welche den Bauteilen der 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Der Fluidkreislauf der 3 ist analog zu 1 aufgebaut, jedoch wird eine andere Art von Wärmeübertrager verwendet, der mit Bezugszeichen 2’ bezeichnet ist. Der Wärmeübertrager 2’ dient zur Übertragung von thermischer Energie aus Sonneneinstrahlung, wobei die Sonneneinstrahlung durch den gestrichelten Pfeil S angedeutet ist. Der Wärmeübertrager umfasst ein wiederum schräg verlaufendes Rohr 201’, durch das bei Außerbetriebnahme der Vorrichtung sichergestellt ist, dass das Hochtemperatur-Flüssigsalz aus dem Wärmeübertrager läuft und dort nicht erstarrt. Der Wärmeübertrager beinhaltet ferner einen gekrümmten Reflektor 202’, der die einfallende Sonnenstrahlung derart bündelt, dass der Fokus der Strahlung im Wesentlichen im Bereich des Rohrs 201’ liegt. Die Fokussierung der Strahlung ist dabei durch Pfeile angedeutet, welche aus Übersichtlichkeitsgründen nur zum Teil mit Bezugszeichen P’ versehen sind. Das im Wärmeübertrager 2’ erwärmte Fluid gelangt wiederum in einen Speicher 3. Von dort kann die thermische Energie des Fluids über die thermische Kopplung 8 an einen Dampfprozess übertragen werden. Das sich hierdurch abkühlende Fluid fließt dann in den Speicher 4 und kann von dort über die Pumpe 5 nach oben in den Wärmeübertrager 2’ zurücktransportiert werden.
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4 zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Fluidkreislauf 1 aus 1 bzw. 2 mit entsprechenden Speichern 3 und 4 und Pumpe 5. Der lediglich schematisch wiedergegebene Wärmeübertrager kann dabei sowohl die Wärmeübertrager-Kaskade 2 der 1 als auch der Wärmeübertrager 2’ zur Aufnahme von thermischer Sonnenenergie gemäß 3 sein. 4 verdeutlicht die Ankopplung des Fluidkreislaufs an einen Dampfprozess. Man erkennt dabei, dass das Fluid einen an sich bekannten Überhitzer 801 und Verdampfer 802 durchströmt, was zur Erzeugung von Wasserdampf führt, mit dem die bereits oben erwähnte Dampfturbine angetrieben wird, welche dann elektrischen Strom erzeugt. Somit kann die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeicherte thermische Energie in elektrische Energie gewandelt werden.
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5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform der Vorrichtung aus 1. Der Fluidkreislauf 1, der in 5 nur teilweise schematisch wiedergegeben ist, ist analog zu 1 aufgebaut. Insbesondere erkennt man den ersten Fluidspeicher 3, den zweiten Fluidspeicher 4 sowie die Kaskade aus drei Wärmeübertragern 2. Ferner ist ersichtlich, wie der Heißgasstrom HG in drei Teilströme aufgeteilt wird. Dabei sind die einzelnen Ströme bzw. Teilströme des Heißgases in 5 durch entsprechende Pfeile angedeutet, welche alle mit dem Bezugszeichen HG versehen sind. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist ein weiterer Fluidkreislauf 1’ vorgesehen, der wiederum einen ersten Speicher 10, einen zweiten Speicher 11 sowie eine Kaskade aus drei Rohrbündelwärmeübertragern 9 umfasst. Der Aufbau des Fluidkreislaufs 1’ entspricht dabei dem Fluidkreislauf 1. Anstatt eines Hochtemperatur-Flüssigsalzes wird im Flüssigkeitskreislauf 1’ jedoch ein Thermoöl verwendet, welches im Unterschied zu Flüssigsalzen auch bei Umgebungstemperatur flüssig ist, jedoch thermisch nur bis zu einer geringeren Temperatur stabil ist. Solche Thermoöle sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Es handelt sich dabei in der Regel um synthetisch hergestellte Öle.
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Die aus den Wärmeübertragern 2 stammenden Heißgasströme HG werden durch die Wärmeübertrager 9 des Fluidkreislaufs 1’ geführt. Die Heißgasströme sind dabei bereits abgekühlt, weisen jedoch noch eine Temperatur auf, die einen Wärmeübertrag an das Thermoöl ermöglicht. Da die Temperatur des Heißgases abgenommen hat, kann als Fluid im Fluidkreislauf 1’ anstatt von Flüssigsalz nunmehr ein Thermoöl mit geringerer Temperaturstabilität verwendet werden. In Analogie zum Fluidkreislauf 1 wird auch im Fluidkreislauf 1’ thermische Energie in den entsprechenden Energiespeichern 10 und 11 gespeichert. Die Verschaltung der Wärmeübertrager 9 ist dabei vorzugsweise derart, dass Thermoöl (bei Bedarf) zuerst in den Wärmeüberträger mit der höchsten Heißgas-Temperatur gelangt. Hierdurch wird die Gefahr einer Thermoölüberhitzung verringert. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die im Fluidkreislauf 1’ gespeicherte thermische Energie dazu genutzt, um die Flüssigsalzspeicher 3 bzw. 4 des ersten Fluidkreislaufs 1 während eines Stillstands dieses Kreislaufs bzw. beim Wiederanfahren des Kreislaufs zu beheizen, um hierdurch sicherzustellen, dass das Flüssigsalz geschmolzen wird bzw. im flüssigen Aggregatszustand bleibt. Nachdem die Heißgasströme HG die Wärmeübertrager 9 verlassen haben, können diese zu einem gemeinsamen Abgasstrom zusammengeführt und abgeleitet werden. Zum Wärmeübertrag der thermischen Energie in den Speichern 10 und 11 an die Speicher 3 und 4 können beispielsweise Wendel verwendet werden, welche nicht aus 5 ersichtlich sind. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Speicher 10 und 11 in Analogie zum ersten Fluidkreislauf zur thermischen Kopplung an einen geeigneten Verbraucher, wie z.B. den oben beschriebenen Dampfprozess, genutzt werden.
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6 verdeutlicht einen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbaren Regelkreis. Dabei ist wiederum schematisch ein Flüssigkeitskreislauf 1 aus 1 bzw. 2 mit erstem Speicher 3, zweitem Speicher 4, Pumpe 5 sowie Wärmeübertrager 2 bzw. 2’ wiedergegeben. Die Regelung erfolgt unter Verwendung eines Ventils 12 und einer Temperaturmessstelle 13. Dabei wird die Fließgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom des Fluids über das Ventil 12 in Abhängigkeit von seiner Temperatur an der Temperaturmessstelle 13 eingestellt, was durch eine gestrichelte Linie zwischen Ventil 12 und Temperaturmessstelle 13 angedeutet ist. Die Regelung erfolgt derart, dass sichergestellt ist, dass die Grenztemperatur der thermischen Stabilität des verwendeten Fluids nicht überschritten wird. Das heißt, deutet sich eine zu hohe Temperatur in dem Fluid an, wird durch die Regelung das Ventil geeignet geöffnet, wodurch der Volumenstrom des Fluids erhöht und damit bei gleicher aufgenommener Energiemenge im Wärmeübertrager 2 bzw. 2’ die Temperatur im Fluid abgesenkt wird.
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Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere kann diskontinuierlich anfallende Energie aus Heißgas bzw. Abgas bzw. diskontinuierlich anfallende konzentrierte Solarenergie mit Hilfe eines Flüssigsalzkreislaufs kontinuierlich und geregelt an einen Dampfstrom zur Stromerzeugung übertragen werden. Durch entsprechende Anordnung der Wärmeübertrager wird dabei sichergestellt, dass im Falle einer Außerbetriebnahme kein Fluid in den Wärmeübertragern verbleibt und dort erstarrt. Auf diese Weise wird die Wiederinbetriebnahme der Vorrichtung erleichtert. In einer bevorzugten Variante kann ferner staubbeladenes Heißgas durch Rohrbündelwärmeübertrager geführt werden, wobei eine geeignete Entleerungsmöglichkeit der Staubpartikel über einen Flansch geschaffen ist.
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Zur effizienten Speicherung der thermischen Energie umfasst die Vorrichtung vorzugsweise geeignete Fluidspeicher, wobei das heiße Fluid in einem ersten Fluidspeicher und das kalte Fluid nach der Wärmeabgabe an einen Verbraucher in einem zweiten Fluidspeicher gespeichert wird. Hierdurch wird erreicht, dass bei einem Ausfall der Wärmezufuhr von Heißgas bzw. Sonne das hohe Temperaturniveau im ersten Speicher nicht durch Vermischung mit dem kalten Fluid abgesenkt wird und damit die oben erwähnte kontinuierliche Wärmeabgabe auf hohem Temperaturniveau sichergestellt wird. Ferner wird durch die Trennung der beiden Fluidspeicher die Regelbarkeit der Vorrichtung wesentlich verbessert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusätzlich ein Thermoölkreislauf integriert, der den Vorteil bietet, dass der Flüssigsalzkreislauf nach einem Stillstand bzw. einer kurzzeitigen Außerbetriebnahme leicht über die im Thermoölkreislauf gespeicherte thermische Energie aufgeheizt werden kann. Um eine Überhitzung von Flüssigsalz bzw. Thermoöl zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Variante ferner ein Regelkreis in dem ersten bzw. zweiten Fluidkreislauf integriert.
