DE102013221129A1

DE102013221129A1 - Wärmespeichervorrichtung und Verfahren zum Speichern von Wärme

Info

Publication number: DE102013221129A1
Application number: DE201310221129
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Steinmann; Markus Eck; Paul Cetin
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: DE102013221129B4

Abstract

Um eine Wärmespeichervorrichtung zum Speichern von Wärme zu schaffen, mittels welcher Wärme effizient speicherbar und insbesondere überhitzter Dampf effizient erzeugbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Wärmespeichervorrichtung zum Speichern von Wärme Folgendes umfasst: einen Speicherbehälter zur Aufnahme von Speichermedium, wobei die Menge des Speichermediums so gewählt ist, dass das Speichermedium in einem festen Aggregatzustand desselben einen Innenraum des Speicherbehälters im Wesentlichen vollständig auffüllt; einen Überlaufbehälter, dessen Innenraum fluidwirksam mit dem Innenraum des Speicherbehälters in Verbindung steht, so dass ein Teil des Speichermediums bei einem Erhitzen des Speichermediums aus dem Speicherbehälter abführbar und dem Überlaufbehälter zuführbar ist; einen Wärmeübertrager, welchem das aus dem Speicherbehälter abgeführte und dem Überlaufbehälter zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium einerseits und ein Wärmeübertragungsmedium andererseits zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmespeichervorrichtung zum Speichern von Wärme, insbesondere zur Bereitstellung von überhitztem Dampf.
Solche Wärmespeichervorrichtungen werden insbesondere bei Solarthermie-Kraftwerken benötigt, um Sonnenenergie in Form von Wärme speichern zu können. Die gespeicherte Wärme kann dann zum Betrieb eines Kraftwerks verwendet werden, wenn temporär keine oder zu wenig Sonnenenergie zur Verfügung steht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmespeichervorrichtung bereitzustellen, mittels welcher Wärme effizient speicherbar und insbesondere überhitzter Dampf effizient erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmespeichervorrichtung zum Speichern von Wärme Folgendes umfasst:
einen Speicherbehälter zur Aufnahme von Speichermedium, wobei die Menge des Speichermediums so gewählt ist, dass das Speichermedium in einem festen Aggregatzustand desselben einen Innenraum des Speicherbehälters im Wesentlichen vollständig auffüllt;
einen Überlaufbehälter, dessen Innenraum fluidwirksam mit dem Innenraum des Speicherbehälters in Verbindung steht, so dass ein Teil des Speichermediums bei einem Erhitzen des Speichermediums aus dem Speicherbehälter abführbar und dem Überlaufbehälter zuführbar ist;
einen Wärmeübertrager, welchem das aus dem Speicherbehälter abgeführte und dem Überlaufbehälter zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium einerseits und ein Wärmeübertragungsmedium andererseits zuführbar ist.
Das Speichermedium ist insbesondere ein Latentwärmespeichermedium.
Dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung einen Überlaufbehälter umfasst, welchem beim Erhitzen des Speichermediums ein Teil des Speichermediums zuführbar ist, kann ein Teil des Speichermediums bei einer späteren Entladung der Wärmespeichervorrichtung zum Verdampfen von Wasser und ein weiterer Teil des Speichermediums zum Erhitzen, insbesondere Überhitzen, des erzeugten Dampfes verwendet werden. Die Wärmespeichervorrichtung kann hierdurch effizient betrieben und insbesondere zur effizienten Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Speicherbehälter einen Wärmeübertrager umfasst, mittels welchem Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium auf das in dem Speicherbehälter angeordnete Speichermedium und/oder von dem in dem Speicherbehälter angeordneten Speichermedium auf das Wärmeübertragungsmedium übertragbar ist.
Das Wärmeübertragungsmedium ist insbesondere flüssiges, dampfförmiges und/oder gasförmiges Wasser.
Der Wärmeübertrager des Speicherbehälters ist vorzugsweise in den Speicherbehälter integriert.
Günstig kann es sein, wenn der Wärmeübertrager des Speicherbehälters ein Wärmeübertragungselement oder mehrere Wärmeübertragungselemente umfasst, mittels welchen Wärmeübertragungsmedium ohne direkten stofflichen Kontakt mit dem Speichermedium durch den Innenraum des Speicherbehälters hindurchführbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Innenraum des Speicherbehälters zum Zuführen von Wärme zu dem Speichermedium mittels des Wärmeübertragers des Speicherbehälters in im Wesentlichen vertikaler Richtung von oben nach unten mit Wärmeübertragungsmedium durchströmbar ist. Auf diese Weise kann in einem bezüglich der vertikalen Richtung oberen Bereich des Speicherbehälters beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme flüssiges Speichermedium erzeugt und einfach dem Überlaufbehälter zugeführt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil des Speichermediums aufgrund des Erhitzens des Speichermediums und der daraus resultierenden Volumenausdehnung des Speichermediums aus dem Speicherbehälter abführbar und dem Überlaufbehälter zuführbar ist. Eine separate Fördervorrichtung und/oder Pumpenvorrichtung zum Abführen des Speichermediums aus dem Speicherbehälter und zum Zuführen des Speichermediums zu dem Überlaufbehälter ist dann vorzugsweise entbehrlich.
Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Teil des Speichermediums mittels einer Pumpenvorrichtung und/oder einer Fördervorrichtung aus dem Speicherbehälter abführbar und dem Überlaufbehälter zuführbar ist.
Das Speichermedium ist vorzugsweise ein Salz, insbesondere ein Hydratsalz, oder umfasst vorzugsweise ein Salz, insbesondere ein Hydratsalz.
Das Wärmeübertragungsmedium ist vorzugsweise Wasser (H₂O).
Als Speichermedium kann insbesondere Natriumnitrat, Lithiumnitrat und/oder eine eutektische Mischung aus Natriumnitrat und Lithiumnitrat vorgesehen sein.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Strömungsführung zur Führung des Wärmeübertragungsmediums umfasst, mittels welcher das Wärmeübertragungsmedium zunächst einer Wärmequelle, anschließend einem Wärmeübertrager einer Überhitzungsvorrichtung, welchem das aus dem Speicherbehälter abgeführte und dem Überlaufbehälter zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium zuführbar ist, und schließlich einem Wärmeübertrager des Speicherbehälters zuführbar ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wärmespeichervorrichtung eine Strömungsführung zur Führung des Wärmeübertragungsmediums umfasst, mittels welcher das Wärmeübertragungsmedium zum Erhitzen und/oder Verdampfen desselben einem Wärmeübertrager des Speicherbehälters, anschließend zum Überhitzen desselben einem Wärmeübertrager einer Überhitzungsvorrichtung, welchem das aus dem Speicherbehälter abgeführte und dem Überlaufbehälter zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium zuführbar ist, und schließlich einer Wärmesenke zuführbar ist.
Als Wärmequelle kann beispielsweise eine Solarkollektorvorrichtung vorgesehen sein.
Eine Wärmesenke ist beispielsweise eine Turbinenvorrichtung zur Umwandlung der thermischen Energie in kinetische Energie und daran anschließend insbesondere mittels einer Generatorvorrichtung in elektrische Energie.
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Verfahren zum Speichern von Wärme.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ferner ein Verfahren zum Speichern von Wärme, insbesondere zur Bereitstellung von überhitztem Dampf.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem Wärme effizient speicherbar und überhitzter Dampf effizient erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Speichern von Wärme gelöst, welches Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines Speicherbehälters zur Aufnahme von Speichermedium, wobei die Menge des Speichermediums so gewählt wird, dass das Speichermedium in einem festen Aggregatzustand desselben einen Innenraum des Speicherbehälters im Wesentlichen vollständig auffüllt;
Bereitstellen eines Überlaufbehälters, dessen Innenraum fluidwirksam mit dem Innenraum des Speicherbehälters in Verbindung steht;
Erhitzen des Speichermediums in dem Speicherbehälter;
Entnehmen eines Teils des Speichermediums aus dem Speicherbehälter und Zuführen desselben zu dem Überlaufbehälter;
Zuführen von Wärme zu dem aus dem Speicherbehälter abgeführten und dem Überlaufbehälter zugeführten und/oder zuzuführenden Speichermedium mittels eines Wärmeübertragungsmediums.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmespeichervorrichtung beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Günstig kann es sein, wenn das Speichermedium in dem Speicherbehälter erhitzt wird, so dass das zunächst im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium flüssig wird. Das Speichermedium ist somit insbesondere ein Latentwärmespeichermedium.
Vorzugsweise dehnt sich das Speichermedium durch das Umwandeln von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand aus.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil des flüssigen Speichermediums aus dem Speicherbehälter abgeführt und dem Überlaufbehälter zugeführt wird.
Vorzugsweise durchläuft das Speichermedium beim Erhitzen und/oder beim Abkühlen, insbesondere beim Beladen und/oder beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung, einen Phasenübergang.
Das Speichermedium durchläuft insbesondere einen Phasenübergang fest-flüssig beim Beladen und flüssig-fest beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsmedium beim Erhitzen und/oder beim Abkühlen des in dem Speicherbehälter angeordneten Speichermediums einen Phasenübergang durchläuft.
Insbesondere durchläuft das Wärmeübertragungsmedium einen Phasenübergang dampfförmig/gasförmig-flüssig beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung und flüssig-dampfförmig/gasförmig beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmeübertragungsmedium Wasser ist, welches zur Bereitstellung von überhitztem Dampf mittels der Wärme aus dem im Speicherbehälter angeordneten Speichermedium verdampft und anschließend mittels der Wärme, die in dem aus dem Speicherbehälter abgeführten Speichermedium gespeichert ist, überhitzt wird.
Ferner können die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern von Wärme einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
Vorzugsweise wird ein und dasselbe Material (Speichermedium) zum Verdampfen und zum Überhitzen des Wärmeübertragungsmediums verwendet.
Insbesondere zum Überhitzen des Wärmeübertragungsmediums können das Wärmeübertragungsmedium und das flüssige Speichermedium vorzugsweise im Gegenstrom einen Wärmeübertrager durchströmen.
Das Speichermedium dient vorzugsweise im Speicherbehälter als Latentwärmespeichermedium. Das aus dem Speicherbehälter abgeführte und dem Überlaufbehälter zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium wird vorzugsweise als sensibles Wärmespeichermedium verwendet.
Vorzugsweise wird das Speichermedium nicht nur als Latentwärmespeichermedium, sondern zumindest teilweise auch als sensibles Speichermedium verwendet.
Das Speichermedium weist vorzugsweise eine Volumenausdehnung zwischen ungefähr 10% und ungefähr 25% auf, wenn das Speichermedium von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
Vorzugsweise entspricht die Menge des beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung aus dem Speicherbehälter abgeführten Speichermediums derjenigen Speichermediummenge, welche zur Speicherung der gesamten Überhitzungsenergie benötigt wird.
Vorzugsweise ist das Speichermedium so gewählt und der Speicherbehälter so dimensioniert, dass eine vorgegebene Wassermenge nach Beladen der Wärmespeichervorrichtung mit Wärme zunächst mittels des Speichermediums in dem Speicherbehälter verdampft und anschließend mittels des aus dem Speicherbehälter abgeführten und dem Überlaufbehälter zugeführten und/oder zuzuführenden Speichermediums auf eine gewünschte Temperatur überhitzt werden kann.
Insbesondere dann, wenn als Speichermedium Natriumnitrat verwendet wird, kann der Dichteunterschied zwischen dem flüssigen und dem festen Aggregat zustand (2,1 g/cm³ bzw. 1,9 g/cm³) und die spezifische Wärmekapazität (1,55 kJ/kg K) möglicherweise nicht ausreichen, um die gesamte Überhitzungsenergie zu speichern. In diesem Fall kann ein Zusatzbehälter der Wärmespeichervorrichtung vorgesehen sein, mittels welchem eine Zusatzspeichermediummenge zur Speicherung von zusätzlich benötigter Überhitzungsenergie aufnehmbar ist.
Beispielsweise bei der Verwendung einer eutektischen Mischung aus Lithiumnitrat und Natriumnitrat kann jedoch die aus dem Speicherbehälter verdrängte Speichermediummenge ausreichen, um die gesamte Überhitzungsenergie aufzunehmen. Der Dichteunterschied zwischen dem flüssigen Aggregatzustand und dem festen Aggregatzustand (2,26 g/cm³ bzw. 1,69 g/cm³) sowie die spezifische Wärmekapazität (1,85 kJ/kg K) sind hierzu vorzugsweise ausreichend groß.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Solarthermievorrichtung, bei welcher eine Wärmespeichervorrichtung vorgesehen ist, die eine Latentwärmespeichervorrichtung zur Verdampfung von Wasser und eine separate Überhitzungsvorrichtung zum Erhitzen des erzeugten Dampfes umfasst, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Beladezustand vorliegt;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Solarthermievorrichtung, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Entladezustand vorliegt;
3 eine schematische Schnittdarstellung der Latentwärmespeichervorrichtung der Solarthermievorrichtung aus 1;
4 eine zweite Ausführungsform einer Solarthermievorrichtung, bei welcher eine Wärmespeichervorrichtung vorgesehen ist, die eine Latentwärmespeichervorrichtung und eine mit der Latentwärmespeichervorrichtung gekoppelte Überhitzungsvorrichtung umfasst, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Beladezustand vorliegt;
5 eine der 4 entsprechende schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform der Solarthermievorrichtung, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Entladezustand vorliegt;
6 eine schematische Schnittdarstellung der Wärmespeichervorrichtung aus 4;
7 eine der 4 entsprechende schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Solarthermievorrichtung, bei welcher eine Wärmespeichervorrichtung vorgesehen ist, welche eine Latentwärmespeichervorrichtung, eine mit der Latentwärmespeichervorrichtung gekoppelte Überhitzungsvorrichtung und einen Zusatzbehälter zur Aufnahme von zusätzlichem Speichermedium umfasst, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Beladezustand vorliegt; und
8 eine der 7 entsprechende schematische Darstellung der dritten Ausführungsform der Solarthermievorrichtung, wobei die Wärmespeichervorrichtung im Entladezustand vorliegt.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Solarthermievorrichtung dient der Aufnahme von Sonnenstrahlung zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Zur Aufnahme der Sonnenstrahlung umfasst die Solarthermievorrichtung 100 eine Solarkollektorvorrichtung 102, mittels welcher Sonnenstrahlung auf eine Strömungsführung 104 fokussierbar ist, um ein in der Strömungsführung 104 geführtes Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser, zu erhitzen.
Die Solarkollektorvorrichtung 102 dient somit in Verbindung mit der Sonne als Wärmequelle 106 zum Erhitzen eines Wärmeübertragungsmediums.
Die Solarthermievorrichtung 100 umfasst ferner eine Wärmesenke 108, welcher das erhitzte Wärmeübertragungsmedium zuführbar ist.
Die Wärmesenke 108 ist beispielsweise eine Turbinenvorrichtung 110 zur Umwandlung der thermischen Energie in kinetische Energie, welche beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Generatorvorrichtung schließlich in elektrische Energie umwandelbar ist.
Zum Antreiben des Wärmeübertragungsmediums in der Strömungsführung 104 ist eine Pumpenvorrichtung 112 vorgesehen.
Insbesondere kann mittels der Pumpenvorrichtung 112 flüssiges Wasser zu der Solarkollektorvorrichtung 102 zugeführt werden, um das flüssige Wasser darin zu verdampfen und zu überhitzen. Der so erhältliche überhitzte Dampf wird dann vorzugsweise mittels der Pumpenvorrichtung 112 zu der Turbinenvorrichtung 110 weitergeleitet.
Die bislang beschriebene Solarthermievorrichtung 100 ist für einen kontinuierlichen und zuverlässigen Betrieb derselben auf eine kontinuierliche Sonneneinstrahlung angewiesen.
Insbesondere bei bewölktem Himmel oder nachts kann somit mittels der Solarthermievorrichtung 100 keine elektrische Energie bereitgestellt werden.
Um diesen Nachteil zumindest teilweise auszugleichen, umfasst die Solarthermievorrichtung 100 eine Wärmespeichervorrichtung 114, mittels welcher die von der Solarkollektorvorrichtung 102 bereitgestellte Wärme zumindest teilweise zur späteren Abgabe derselben speicherbar ist.
Die mittels der Wärmespeichervorrichtung 114 gespeicherte thermische Energie kann dann insbesondere zur Erzeugung von überhitztem Dampf genutzt werden, welcher zur Erzeugung elektrischer Energie der Turbinenvorrichtung 110 zuführbar ist.
Die Wärmespeichervorrichtung 114 umfasst eine Erhitzungsvorrichtung 116, eine Latentwärmespeichervorrichtung 118 und eine Überhitzungsvorrichtung 120.
Mittels der Erhitzungsvorrichtung 116 kann der Erhitzungsvorrichtung 116 zugeführtes flüssiges Wasser erhitzt werden.
Mittels der Latentwärmespeichervorrichtung 118 kann das erhitzte Wasser verdampft werden. Die Latentwärmespeichervorrichtung 118 bildet somit eine Verdampfungsvorrichtung 130.
Mittels der Überhitzungsvorrichtung 120 kann der erzeugte Dampf überhitzt werden.
Die Erhitzungsvorrichtung 116, die Latentwärmespeichervorrichtung 118 und die Überhitzungsvorrichtung 120 sind mit der Strömungsführung 104 verbunden, so dass der Erhitzungsvorrichtung 116, der Latentwärmespeichervorrich- 118 und der Überhitzungsvorrichtung 120 insbesondere mittels der Pumpenvorrichtung 112 das Wärmeübertragungsmedium, insbesondere Wasser, zuführbar ist.
Zur Speicherung der Wärme umfasst die Wärmespeichervorrichtung 114 mehrere Speichermedien.
Ein erstes Speichermedium ist ein Latentwärmespeichermedium, welches in einem Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet ist.
Ein weiteres Speichermedium ist beispielsweise ein sensibles Wärmespeichermedium, welches in Speicherbehältern 122 einer sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 der Wärmespeichervorrichtung 114 angeordnet ist.
Die sensible Wärmespeichervorrichtung 124 bildet die Erhitzungsvorrichtung 116 und die Überhitzungsvorrichtung 120.
Zur Übertragung von Wärme von dem Wärmeübertragungsmedium auf das sensible Speichermedium und/oder zur Übertragung von Wärme von dem sensiblen Speichermedium auf das Wärmeübertragungsmedium umfasst die sensible Speichervorrichtung 124 zwei Wärmeübertrager 126, welche bezüglich einer Strömungsrichtung 128 des Wärmeübertragungsmediums vor und hinter der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet sind.
Beispielsweise in dem in 1 dargestellten Beladezustand der Wärmespeichervorrichtung 114 ist der Wärmeübertrager 126, mittels welchem die Überhitzungsvorrichtung 120 gebildet ist, stromaufwärts der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet. Der Wärmeübertrager 126, mittels welchem die Erhitzungsvorrichtung 116 gebildet ist, ist bezüglich der Strömungsrichtung 128 des Wärmeübertragungsmediums dann stromabwärts der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet.
In dem in 2 dargestellten Entladezustand der Wärmespeichervorrichtung 114 folgt bezüglich der Strömungsrichtung 128 des Wärmeübertragungsmediums die Latentwärmespeichervorrichtung 118 auf den Wärmeübertrager 126, welcher die Erhitzungsvorrichtung 116 bildet. Auf die Latentwärmespeichervorrichtung 118 folgt dann der Wärmeübertrager 126, welcher die Überhitzungsvorrichtung 120 bildet.
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, ist die Latentwärmespeichervorrichtung 118 eine von der sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 getrennte Vorrichtung.
Insbesondere sind voneinander unabhängige Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 und der sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 vorgesehen.
Die Latentwärmespeichervorrichtung 118 dient somit einzig und allein dem Verdampfen des Wärmeübertragungsmediums und bildet somit ausschließlich die Verdampfungsvorrichtung 130 der Wärmespeichervorrichtung 114.
Die Speicherbehälter 122 der sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 sind fluidwirksam miteinander und mit den Wärmeübertragern 126 verbunden.
Zur Bereitstellung unterschiedlicher Temperaturniveaus für die Erhitzung bzw. Überhitzung des Wärmeübertragungsmediums kann aufgrund der Verwendung mehrerer Speicherbehälter 122 das sensible Speichermedium mit unterschiedlichen Temperaturniveaus aufbewahrt werden.
Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, umfasst die Latentwärmespeichervorrichtung 118 den Speicherbehälter 122, welchem mittels der Strömungsführung 104 Wärmeübertragungsmedium zuführbar ist.
Ein Innenraum 132 des Speicherbehälters 122 ist mit einem Wärmeübertrager 126 versehen.
Der Wärmeübertrager 126 umfasst mehrere Wärmeübertragungselemente 134, welche beispielsweise rohrförmig ausgebildet sind und den Innenraum 132 in im Wesentlichen vertikaler Richtung 136 durchqueren.
Mittels der Wärmeübertragungselemente 134 kann somit Wärmeübertragungsmedium durch den Innenraum 132 hindurchgeführt werden, ohne dass das Wärmeübertragungsmedium mit einem Füllmaterial 138 unmittelbar in Kontakt kommt.
Mittels der Wärmeübertragungselemente 134 ist vielmehr indirekt Wärme von dem Wärmeübertragungsmedium auf das Füllmaterial 138 und/oder von dem Füllmaterial 138 auf das Wärmeübertragungsmedium übertragbar.
Bei der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Solarthermievorrichtung 100, bei welcher die Latentwärmespeichervorrichtung 118 ausschließlich als Verdampfungsvorrichtung 130 dient, dient das Füllmaterial 138 als reines Latentwärmespeichermedium.
Der Innenraum 132 des Speicherbehälters 122 ist dabei so weit mit Füllmaterial 138 gefüllt, dass das Füllmaterial 138 im flüssigen Zustand desselben den Innenraum 132 im Wesentlichen vollständig auffüllt.
In dem in 3 dargestellten festen Aggregatzustand des Füllmaterials 138 ist der Innenraum 132 aufgrund der durch den Phasenübergang bedingten Volumenreduktion des Füllmaterials 138 nur noch teilweise mit dem Füllmaterial 138 gefüllt.
Die vorstehend beschriebene Solarthermievorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Mittels der Pumpenvorrichtung 112 der Strömungsführung 104 wird der Solarkollektorvorrichtung 102 Wärmeübertragungsmedium, insbesondere flüssiges Wasser, zugeführt.
In der Solarkollektorvorrichtung 102 wird das Wasser unter Verwendung von Sonnenstrahlung erhitzt, verdampft und überhitzt. Das Wärmeübertragungsmedium erreicht dabei beispielsweise eine Temperatur von ungefähr 400 °C und einen Druck von ungefähr 100 bar.
In einem nächsten Schritt wird das Wärmeübertragungsmedium der Turbinenvorrichtung 110 zugeführt und dort zur Umwandlung der thermischen Energie in kinetische Energie (mechanische Energie) entspannt.
Die Turbinenvorrichtung 110 treibt schließlich eine (nicht dargestellte) Generatorvorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie an.
In dem in 1 dargestellten Beladezustand der Wärmespeichervorrichtung 114 kann ein Teil des mittels der Solarkollektorvorrichtung 102 erhitzten Wärmeübertragungsmediums vor der Zuführung zu der Turbinenvorrichtung 110 abgezweigt werden.
Das erhitzte Wärmeübertragungsmedium, insbesondere der überhitzte Wasserdampf, wird dann dem Wärmeübertrager 126, welcher die Überhitzungsvorrichtung 120 bildet, anschließend der die Verdampfungsvorrichtung 130 bildenden Latentwärmespeichervorrichtung 118 und schließlich dem Wärmeübertrager 126 zugeführt, welcher die Erhitzungsvorrichtung 116 bildet.
Das erhitzte Wärmeübertragungsmedium gibt dabei Wärme an das sensible Wärmespeichermedium ab, wenn es die Überhitzungsvorrichtung 120 und die Erhitzungsvorrichtung 116 durchströmt.
Ferner gibt das Wärmeübertragungsmedium Wärme an das Latentwärmespeichermedium der Latentwärmespeichervorrichtung 118 ab.
Durch geeignete Zuführung des sensiblen Wärmespeichermediums zu den Speicherbehältern 122 der sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 kann das sensible Wärmespeichermedium Wärme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus speichern, um zu einem späteren Zeitpunkt die gespeicherte Wärme effizient abgeben zu können.
Nachdem das Wärmeübertragungsmedium zumindest einen Großteil der darin enthaltenen Wärme abgegeben hat, kann es zur erneuten Wärmeaufnahme wieder der Solarkollektorvorrichtung 102 zugeführt werden.
Der in 1 dargestellte Beladezustand der Wärmespeichervorrichtung 114 wird insbesondere dann eingestellt, wenn mittels der Solarkollektorvorrichtung 102 bei starker Sonneneinstrahlung eine große Wärmemenge zur Verfügung steht und/oder wenn mittels der Generatorvorrichtung bei geringer Lastanforderung lediglich eine geringe Menge elektrischer Energie bereitgestellt werden muss.
Die in der Wärmespeichervorrichtung 114 gespeicherte Wärme kann somit gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt bereitgestellt werden.
Zur Bereitstellung der in der Wärmespeichervorrichtung 114 gespeicherten Wärme wird die Wärmespeichervorrichtung 114 in den in 2 dargestellten Entladezustand versetzt.
In diesem Entladezustand wird mittels der Pumpenvorrichtung 112 Wärmeübertragungsmedium, insbesondere flüssiges Wasser, zu der Wärmespeichervorrichtung 114 zugeführt.
Das Wärmeübertragungsmedium durchströmt dabei zunächst die Erhitzungsvorrichtung 116, anschließend die Verdampfungsvorrichtung 130 und schließlich die Überhitzungsvorrichtung 120.
Mittels der Erhitzungsvorrichtung 116 wird das zunächst flüssige Wasser erhitzt. Mittels der Verdampfungsvorrichtung 130 wird das Wasser verdampft. Mittels der Überhitzungsvorrichtung 120 wird der erhaltene Dampf überhitzt.
Der überhitzte Dampf wird schließlich der Turbinenvorrichtung 110 zugeführt, um die Generatorvorrichtung anzutreiben und elektrischen Strom zu generieren.
Mittels der Wärmespeichervorrichtung 114 kann somit auch dann überhitzter Dampf zum Antreiben der Generatorvorrichtung bereitgestellt werden, wenn mittels der Solarkollektorvorrichtung 102 mangels ausreichender Sonneneinstrahlung keine Wärme oder lediglich eine geringe Wärmemenge bereitgestellt werden kann.
Bei der Entladung der Wärmespeichervorrichtung 114 werden die Erhitzungsvorrichtung 116 und die Überhitzungsvorrichtung 120 mit Wärme aus dem sensiblen Wärmespeichermedium der sensiblen Wärmespeichervorrichtung 124 versorgt, während die Verdampfungsvorrichtung 130 Wärme bereitstellt, welche mittels des Latentwärmespeichermediums der Latentwärmespeichervorrichtung 118 gespeichert wurde.
Eine in den 4 bis 6 dargestellte zweite Ausführungsform einer Solarthermievorrichtung 100, insbesondere einer Wärmespeichervorrichtung 114, unterscheidet sich von der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung 114 keine von der Latentwärmespeichervorrichtung 118 separate sensible Wärmespeichervorrichtung 124 umfasst.
Vielmehr ist ein Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 fluidwirksam mit einem die Überhitzungsvorrichtung 120 bildenden Wärmeübertrager 126 und mit einem Überlaufbehälter 140 der Wärmespeichervorrichtung 114 verbunden.
Somit kann bei der in den 4 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsform der Solarthermievorrichtung 100, insbesondere der Wärmespeichervorrichtung 114, das als Latentwärmespeichermedium genutzte Speichermedium (Füllmaterial 138) nicht nur zur Speicherung von latenter Wärme, sondern auch zur Speicherung von sensibler Wärme genutzt werden.
Wie insbesondere 6 zu entnehmen ist, ist der Innenraum 132 des Speicherbehälters 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 hierzu im Wesentlichen vollständig mit dem Füllmaterial 138, das heißt mit dem Latentwärmespeichermedium, gefüllt, wenn das Füllmaterial 138 im festen Aggregatzustand vorliegt.
Wenn das Füllmaterial 138 erhitzt wird und sich dabei ausdehnt, kann das Füllmaterial 138 nicht mehr vollständig von dem Speicherbehälter 122 aufgenommen werden und wird daher entweder bereits aufgrund der Ausdehnung oder mittels einer separaten Pumpenvorrichtung 112 einem Innenraum 142 des Überlaufbehälters 140 zugeführt.
Da der Wärmeübertrager 126, welcher die Überhitzungsvorrichtung 120 bildet, im Beladezustand der Wärmespeichervorrichtung 114 (siehe 4) bezüglich der Strömungsrichtung 128 des Wärmeübertragungsmediums (des überhitzten Dampfes) stromaufwärts der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet ist und beim Zuführen des Speichermediums (Füllmaterial 138) aus dem Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 zu dem Überlaufbehälter 140 durch den Wärmeübertrager 126 hindurchgeleitet wird, wird das dem Überlaufbehälter 140 zuzuführende und/oder zugeführte Speichermedium zusätzlich erhitzt.
In dem Überlaufbehälter 140 wird somit Speichermedium (Füllmaterial 138) mit einem höheren Temperaturniveau als das Temperaturniveau in dem Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 gespeichert.
Beim Entladen der Wärmespeichervorrichtung 114 (siehe 5) wird zunächst die die Verdampfungsvorrichtung 130 bildende Latentwärmespeichervorrichtung 118 mit Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise flüssigem Wasser, durchströmt, um das Wärmeübertragungsmedium zu erhitzen und zu verdampfen.
Nach Durchströmen der Verdampfungsvorrichtung 130 wird der erzeugte Dampf der Überhitzungsvorrichtung 120 zugeführt.
Gleichzeitig wird der Überhitzungsvorrichtung 120 das erhitzte Speichermedium aus dem Überlaufbehälter 140 zugeführt, so dass die darin gespeicherte Wärme auf den erzeugten Dampf übertragbar ist. Der erzeugte Dampf ist dabei überhitzbar.
Nach dem vollständigen Entladen der Wärmespeichervorrichtung 114 liegt vorzugsweise das gesamte Speichermedium (Füllmaterial 138) erneut in fester Form vor und ist vorzugsweise vollständig in dem Innenraum 132 des Speicherbehälters 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 angeordnet.
Wie insbesondere 6 zu entnehmen ist, wird der Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 vorzugsweise in vertikaler Richtung 136 von oben nach unten mit Wärmeübertragungsmedium durchströmt, wenn die Latentwärmespeichervorrichtung 118 beladen werden soll. Dies führt dazu, dass das Speichermedium (Füllmaterial 138) zunächst in einem oberen Bereich des Innenraums 132 des Speicherbehälters 122 flüssig wird und somit einfach aus dem Speicherbehälter 122 abgeführt und dem Überlaufbehälter 140 zugeführt werden kann.
Im Übrigen stimmt die in den 4 bis 6 dargestellte zweite Ausführungsform der Solarthermievorrichtung 100, insbesondere der Wärmespeichervorrichtung 114, hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 3 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in den 7 und 8 dargestellte dritte Ausführungsform einer Solarthermievorrichtung 100, insbesondere einer Wärmespeichervorrichtung 114, unterscheidet sich von der in den 4 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Wärmespeichervorrichtung 114 einen Zusatzbehälter 144 umfasst.
Ein Innenraum 146 des Zusatzbehälters 144 ist fluidwirksam mit den Innenräumen 122, 142 des Speicherbehälters 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 bzw. des Überlaufbehälters 140 verbunden.
Somit kann vorzugsweise Speichermedium zwischen dem Speicherbehälter 122, dem Überlaufbehälter 140 und/oder dem Zusatzbehälter 144 ausgetauscht werden.
Der Zusatzbehälter 144 dient insbesondere der Aufnahme von zusätzlichem Speichermedium (Füllmaterial 138), welches durch den Wärmeübertrager 126 hindurchführbar ist, um die zum Überhitzen des Dampfes benötigte Energie zu speichern und/oder bereitzustellen.
Ein solcher Zusatzbehälter 144 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Speichermedium (Füllmaterial 138) einen relativ geringen Dichteunterschied zwischen dem festen Aggregatzustand und dem flüssigen Aggregatzustand und/oder eine geringe spezifische Wärmekapazität aufweist. Die beim Beladen der Wärmespeichervorrichtung 114 aus dem Speicherbehälter 122 der Latentwärmespeichervorrichtung 118 abgeführte Menge von Speichermaterial (Füllmaterial 138) kann dann möglicherweise nicht ausreichend sein, um die für die Überhitzung des Dampfes benötigte Energiemenge speichern zu können.
Zur Kompensation kann daher ein Zusatzbehälter 144 mit zusätzlichem Speichermedium vorgesehen sein.
Ein solcher Zusatzbehälter 144 kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn als Speichermedium Natriumnitrat verwendet wird.
Insbesondere bei der Verwendung einer eutektischen Mischung aus Lithiumnitrat und Natriumnitrat kann ein solcher Zusatzbehälter 144 jedoch auch entbehrlich sein, so dass die in den 4 bis 6 dargestellte zweite Ausführungsform der Solarthermievorrichtung 100 zu bevorzugen sein kann.
Im Übrigen stimmt die in den 7 bis 8 dargestellte dritte Ausführungsform der Solarthermievorrichtung 100, insbesondere der Wärmespeichervorrichtung 114, hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 4 bis 6 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Dadurch, dass bei den Ausführungsformen zwei und drei der Solarthermievorrichtung 100, insbesondere der Wärmespeichervorrichtung 114, das Latentwärmespeichermedium der Latentwärmespeichervorrichtung 118 teilweise zur Speicherung von sensibler Wärme verwendet wird, kann eine separate sensible Wärmespeichervorrichtung 124 entbehrlich sein, wodurch die Wärmespeichervorrichtung 114 und somit auch die Solarthermievorrichtung 100 einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann. Mittels dieser Solarthermievorrichtung 100, insbesondere mittels dieser Wärmespeichervorrichtung 114, kann somit auf effizientem Weg Wärme gespeichert und überhitzter Dampf bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Solarthermievorrichtung
102: Solarkollektorvorrichtung
104: Strömungsführung
106: Wärmequelle
108: Wärmesenke
110: Turbinenvorrichtung
112: Pumpenvorrichtung
114: Wärmespeichervorrichtung
116: Erhitzungsvorrichtung
118: Latentwärmespeichervorrichtung
120: Überhitzungsvorrichtung
122: Speicherbehälter
124: sensible Wärmespeichervorrichtung
126: Wärmeübertrager
128: Strömungsrichtung
130: Verdampfungsvorrichtung
132: Innenraum des Speicherbehälters
134: Wärmeübertragungselement
136: vertikale Richtung
138: Füllmaterial
140: Überlaufbehälter
142: Innenraum des Überlaufbehälters
144: Zusatzbehälter
146: Innenraum des Zusatzbehälters

Claims

Wärmespeichervorrichtung (114) zum Speichern von Wärme, umfassend: – einen Speicherbehälter (122) zur Aufnahme von Speichermedium, wobei die Menge des Speichermediums so gewählt ist, dass das Speichermedium in einem festen Aggregatzustand desselben einen Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) im Wesentlichen vollständig auffüllt; – einen Überlaufbehälter (140), dessen Innenraum (142) fluidwirksam mit dem Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) in Verbindung steht, so dass ein Teil des Speichermediums bei einem Erhitzen des Speichermediums aus dem Speicherbehälter (122) abführbar und dem Überlaufbehälter (140) zuführbar ist; – einen Wärmeübertrager (126), welchem das aus dem Speicherbehälter (122) abgeführte und dem Überlaufbehälter (140) zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium einerseits und ein Wärmeübertragungsmedium andererseits zuführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherbehälter (122) einen Wärmeübertrager (126) umfasst, mittels welchem Wärme von einem Wärmeübertragungsmedium auf das in dem Speicherbehälter (122) angeordnete Speichermedium und/oder von dem in dem Speicherbehälter (122) angeordneten Speichermedium auf das Wärmeübertragungsmedium übertragbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (126) des Speicherbehälters (122) in den Speicherbehälter (122) integriert ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (126) des Speicherbehälters (122) ein Wärmeübertragungselement (134) oder mehrere Wärmeübertragungselemente (134) umfasst, mittels welchen Wärmeübertragungsmedium ohne direkten stofflichen Kontakt mit dem Speichermedium durch den Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) hindurchführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) zum Zuführen von Wärme zu dem Speichermedium mittels des Wärmeübertragers (126) des Speicherbehälters (122) in im Wesentlichen vertikaler Richtung (136) von oben nach unten mit Wärmeübertragungsmedium durchströmbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Speichermediums aufgrund des Erhitzens des Speichermediums und der daraus resultierenden Volumenausdehnung des Speichermediums aus dem Speicherbehälter (122) abführbar und dem Überlaufbehälter (140) zuführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Speichermediums mittels einer Pumpenvorrichtung (112) aus dem Speicherbehälter (122) abführbar und dem Überlaufbehälter (140) zuführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ein Salz, insbesondere ein Nitratsalz, ist oder umfasst und/oder dass das Wärmeübertragungsmedium Wasser ist oder umfasst.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (114) eine Strömungsführung (104) zur Führung des Wärmeübertragungsmediums umfasst, mittels welcher das Wärmeübertragungsmedium zunächst einer Wärmequelle (106), anschließend einem Wärmeübertrager (126) einer Überhitzungsvorrichtung (120), welchem das aus dem Speicherbehälter (122) abgeführte und dem Überlaufbehälter (140) zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium zuführbar ist, und schließlich einem Wärmeübertrager (126) des Speicherbehälters (122) zuführbar ist.
Wärmespeichervorrichtung (114) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeichervorrichtung (114) eine Strömungsführung zur Führung des Wärmeübertragungsmediums umfasst, mittels welcher das Wärmeübertragungsmedium zum Erhitzen und/oder Verdampfen desselben einem Wärmeübertrager (126) des Speicherbehälters (122), anschließend zum Überhitzen desselben einem Wärmeübertrager (126) einer Überhitzungsvorrichtung (120), welchem das aus dem Speicherbehälter (122) abgeführte und dem Überlaufbehälter (140) zugeführte und/oder zuzuführende Speichermedium zuführbar ist, und schließlich einer Wärmesenke (108) zuführbar ist.
Verfahren zum Speichern von Wärme, umfassend: – Bereitstellen eines Speicherbehälters (122) zur Aufnahme von Speichermedium, wobei die Menge des Speichermediums so gewählt wird, dass das Speichermedium in einem festen Aggregatzustand desselben einen Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) im Wesentlichen vollständig auffüllt; – Bereitstellen eines Überlaufbehälters (140), dessen Innenraum (142) fluidwirksam mit dem Innenraum (132) des Speicherbehälters (122) in Verbindung steht; – Erhitzen des Speichermediums in dem Speicherbehälter (122); – Entnehmen eines Teils des Speichermediums aus dem Speicherbehälter und Zuführen desselben zu dem Überlaufbehälter (140); – Zuführen von Wärme zu dem aus dem Speicherbehälter (122) abgeführten und dem Überlaufbehälter (140) zugeführten und/oder zuzuführenden Speichermedium mittels eines Wärmeübertragungsmediums.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium in dem Speicherbehälter (122) erhitzt wird, so dass das zunächst im festen Aggregatzustand vorliegende Speichermedium flüssig wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des flüssigen Speichermediums aus dem Speicherbehälter (122) abgeführt und dem Überlaufbehälter (140) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Speichermedium als auch das Wärmeübertragungsmedium beim Erhitzen und/oder Abkühlen des in dem Speicherbehälter (122) angeordneten Speichermediums einen Phasenübergang durchlaufen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium Wasser ist, welches zur Bereitstellung von überhitztem Dampf mittels der Wärme aus dem im Speicherbehälter (122) angeordneten Speichermedium verdampft und anschließend mittels der Wärme, die in dem aus dem Speicherbehälter (122) abgeführten Speichermedium gespeichert ist, überhitzt wird.