DE3215012A1

DE3215012A1 - Vorrichtung zur speicherung von energie

Info

Publication number: DE3215012A1
Application number: DE19823215012
Authority: DE
Inventors: James 92104 Del Mar Calif. Hitchin
Original assignee: Thermal Energy Storage Inc
Current assignee: Thermal Energy Storage Inc
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1982-12-16
Also published as: ES511541A0; IT8248267A0; FR2504658A1; JPS57182054A; US4491172A; IT1148301B; ES8305116A1

Description

Vorrichtung zur Speicherung von Energie

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung/ die eine effektive Energiespeicherung und eine effektive Freigabe dieser Energie zu bestimmten Zeitpunkten ermöglicht.

Da die Kosten für fossile Energie und andere ausbeutbare Energiequellen steigen, werden in zunehmendem Maße Anstrengungen unternommen, um Energie von alternativen Quellen, wie der Sonne, zu gewinnen. Diese Quelle ist jedoch bestimmten Beschränkungen unterworfen. Die Sonnenenergie ist beispielsweise auf der Erde nur während der Tageslichtstunaen verfügbar und kann dann noch durch Wolken geschwächt sein. Daher muß die Sonnenenergie, wenn sie verfügbar ist, gespeichert und zu bestimmten Zeitpunkten, wie während der Nacht oder bei Bewölkung, freigegeben werden,

wenn man keine Energie direkt von der Sonne gewinnen kann. Eine weitere, eine Speicherung benötigende zeitlich limitierte Quelle ist der billige Strom, der von vielen Energieversorgungsunternehmen bei Nacht ^ou bereitgestellt wird.

Obgleich beträchtliche Anstrengungen unternommen worden sind, um eine effektive Anlage zur Speicherung von Sonnenenergie bereitzustellen, gibt es bisher noch

keine zufriedenstellend arbeitende Anlage. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, daß die als fühlbare Wärme in den derzeit in Verwendung befindlichen Anlagen gesammelte Sonnenenergie mit relativ geringer

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Energiedichte gespeichert wird und zeitabhängig zunehmend verbraucht wird. Daher ist nur ein relativ kleiner Anteil der von der zeitlich limitierten üuelle, wie der Sonne, erfaßten Energie zur anschließenden Nutzung bei solchen Anlagen verfügbar und die Energie wird von solchen Anlagen mit niedrigen Temperaturen abgegeben, da das wärmespeichernde Medium gekühlt wird. Wärmespeichernde Medien, wie Steine, haben sich als potentielle Gesundheitsgefährdung erwiesen, da sie bei ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung zur Abführung von Wärme Radongas in die Luft abgeben. Andere Systeme unter Verwendung von Materialien mit Phasenänderung sind vorgeschlagen worden, um diese Limitierung zu überwinden. Jedoch haben diese Materialien andere Nachteile, wie ein inkongruentes Erschmelzen und einen ineffektiven Wärmetransport. Auch haben diese Systeme den Nachteil, daß sie zur Bildung von schwer schmelzbaren Phasen mit geringer latenter Kristallisationswärme und geringer Löslichkeit führen.

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung zur Überwindung der zuvor genannten Schwierigkeiten an. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise Sonnenenergie während vorbestimmter Zeiträume und sogar unbegrenzt speichern, ohne daß ein nennenswerter Energieverlust auftritt. Ferner kann die Vorrichtung nach der Erfindung eine effektive Übertragung der

³^ Sonnenenergie oder andere Energieformen zu dem Speichermedium ermöglichen und es wird ein effektiver Transport der gespeicherten Energie zu akzeptablen Temperaturen zu einem Auslaß für eine solche Energie, wie zur Verwendung von Wassererwärmung oder Raumheizung, ermöglicht.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung enthält ein Behälter ein wärmespaicherndes Medium, wie ein wässriges Natriumthiosulfat, das die Eigenschaften hat, daß es innerhalb bestimmter Temperaturbereiche schmilzt und kristallisiert und das Energie speichert, wenn es in den erschmolzenen Zustand übergeführt wird und die Energie bei der Kristallisierung freigibt. Die Natriumthiosulfatflüssigkeit kann durch die Zugabe eines geeigneten löslichen Materials, wie Dinatriumhydrogenphosphat oder Trinatriumphosphat oder beides, zu der Flüssigkeit chemisch basisch gemacht werden. Der größere pH-Wert und die Pufferung der Schmelze verhindern die allmähliche Zersetzung von Natriumthiosulfat, die ansonsten auftritt und zu einer Zerstörung des wärmespeichernden Mediums führen würde. Dieser aufgelöste Stoff hat auch die Eigenschaft, die Größe und die Adhäsionseigenschaften der Kristalle zu steuern, die sich vorzugsweise auf den Wärmeaustauscherflächen bilden, wenn die latente Kristallisationswärme von der Schmelze abgeleitet wird. Alternativ können Dinatriumhydrogenphosphat und Trinatriumphosphat als gleichwertige Verbindungen von Kalium und Ammonium ersetzt werden. 25

In dem Behälter sind erste und zweite Rohre vorzugsweise im Abstand voneinander und verschachtelt zueinander angeordnet. Die Rohre bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten wärmeleitenden Material, wie ^ow Aluminium, da Aluminium in wässrigem Natriumthiosulfat nicht korrodiert, das im pH-Bereich 8 bis 10 durch gelöstes Phosphat gepuffert ist. Paare der ersten und zweiten Rohre werden durch ein Verbindungselement überbrückt, das ebenfalls aus Aluminium bestehen kann.

Die ersten Rohre sind so verbunden, daß sie einen Durchgang für ein erstes Fluid durch die Rohre zur Übertragung von Sonnenenergie oder einer anderen Energieform als Wärme zu dem ersten Fluid bilden. Die Wärme wird dann von dem ersten Fluid zu dem wärmespexchernden Medium übertragen, um dieses Medium zu erschmelzen und um es weiter über den Schmelzbereich zu erwärmen. Die zweiten Rohre sind so verbunden, daß sie einen Durchgang für ein zweites Fluid durch die Rohre bilden, um die Wärme von dem speichernden Medium zu einem Auslaß, wie für Heißwasser oder für einen Wärmeaustauscher zur Raumheizung, zu übertragen .

Das wärmespeichernde Medium kann im flüssigen Zustand umgerührt werden, um eine effektive Wärmeübertragung zu dem Wärmeaustauscherfluid zu gewährleisten. Das Umrühren kann aber unterbrochen werden, wenn sich das Medium bei der Kristallisation verfestigt.

Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
25

Figur 1 eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform nach der Erfindung zum Speichern von Sonnenenergie oder anderen zeitlich be^ö grenzt verfügbaren Energien und zum Frei

geben dieser Energie zu bestimmten Zeitpunkten ,

Figur 2 eine Schnittansicht der Wärmeübertragungs-

elemente bei der Ausführungsform in Figur 1,

Figur 3 eine Schnittansicht der Wärmeübertragungselemente in Figur 2 etwa längs der Linie 3-3 in Figur 2,

Figur 4 eine Schnittansicht von Wärmeübertragungselementen als abgewandelte Ausführungsform zu den Elementen nach Figur 3,

Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren

abgewandelten Ausführungsform der Wärmeübertragungselemente von Figur 3, und

Figur 6 eine Schnittansicht mit einer zusätzlichen Einrichtung, die von der in Figur 1 ge

zeigten Wärmeübertragungsvorrichtung eingeschlossen werden kann.

bei einer Ausfuhrungsform nach der Erfindung ist ein insgesamt mit 10 bezeichneter Behälter vorgesehen. Der Behälter 10 kann aus irgendeinem geeigneten Material einschließlich Glasfasern oder Polyäthylen mit hoher Dichte hergestellt sein. Wenn der Behälter 10 aus einem anderen Material als Glasfaser oder Polyäthylen mit hoher Dichte hergestellt ist, können die Innenwandungen desselben mit Glasfasern oder Polyäthylen mit hoher Dichte oder einem Material ausgekleidet sein, das auf eine ähnliche Weise eine Dampfsperre bildet. Der Behälter kann jedoch auch aus einem anderen geeigneten Material, wie Aluminium, hergestellt sein.

Der Behälter 10 ist mit einem wärmespeichernden Medium 12 gefüllt. Das wärmespeichernde Medium kann ein üblicherweise verwendetes Fluid, wie Wasser, sein. Vorzugsweise hat das wärmespeichernde Medium solche Eigen-

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schäften, daß es in einem speziellen Temperaturbereich begrenzbar durch Werte schmilzt und in einem solchen speziellen Temperaturbereich kristallisiert. Das wärmespeichernde Medium hat die Eigenschaften, daß es Wärme aufnimmt, um entsprechend in den schmelzflüssigen Zustand ohne Zwischenschaltung irgendeiner zweiten Phase mit geringerer Löslichkeit überführt zu werden, und die Eigenschaft, die Wärme in. einer Flüssigkeit im überschmolzenen Zustand zu einem unbegrenzten Zeitraum ohne jeglichen Verlust von latenter Kristallisationswärme zu halten. Die Flüssigkeit im überschmolzenen Zustand hat die Eigenschaft, daß sie auf eine kontrollierte Weise zum kristallinen Zustand kernreich wird und die gespeicherte latente Wärme bei der Kernbildung freigibt.

Vorzugsweise wird das wärmespeichernde Medium von Natriumthiosulfat in der X-Pentahydratphase gebildet. Das Natriumthiosulfat wird mit Hilfe eines Lösungsmittels, wie Wasser, oder einem anderen geeigneten Feststoff auf die peritektische Zusammensetzung eingestellt, um ein kongruentes Erschmelzen zu gewährleisten. Das Natriumthiosulfat hat in einem solchen System die Eigenschaften, daß es beträchtliche Wärmemengen als latente Schmelzwärme und als fühlbare Wärme über und unter der peritektisehen Temperatur speichern kann und daß es diese beträchtlichen Wärmemengen freigeben kann, wenn durch die Kernbildung eine Kristallisierung eingeleitet wird. Jedoch können auch andere Verbindungen in Kombination mit einer zweiten Phase oder alleine verwendet werden. Diese Verbindungen umfassen Natriumsulfatdecahydrat, CaI-ciumchloridhexahydrat, Calciumnitrattetrahydrat, Magnesiumchloridhexahydrat allein oder in eutektischen Zusammensetzungen, Magnesiumnitrathexahydrat, Dinatriumhydrogenphosphat, Dodecahydrat, Trinatriumphosphatdodecahydrat, Natriumacetattrlhydrat, Pinacolhexahy-

drat/ und verschiedene Paraffine und Wachse.

Ein löslicher Zuschlagstoff wird vorzugsweise in dem flüssigen wärmespeichernden Medium gelöst. Der lösliche Zuschlagstoff regelt die Größe und die Beschaffenheit der Kristalle, die im wärmespeichernden Medium gebildet werden, wenn die Wärme bei der Liquidustemperatur abgeführt wird oder wenn das wärmespeichernde Medium nukleiert wird. Vorzugsweise wird der zugegebene aufgelöste Stoff von Dinatriumhydrogenphosphat oder Trinatriumphosphat oder einer Kombination von beiden gebildet. Wenn Dinatriumhydrogenphosphat oder Trinatriumphosphat als flüssiger Zuschlagstoff verwendet wird, regelt dieser auch den pH-Wert der Flüssigkeit, so daß die Flüssigkeit chemisch basisch ist. Wenn man die relativen Mengen von Dinatriumhydrogenphosphat und Trinatriumphosphat in der Flüssigkeit regelt, kann man den pH-Wert der Flüssigkeit in einem Bereich von etwa 8 bis 11 einstellen. Vorzugsweise liegt die relative Menge von Dinatriumhydrogenphosphat und Trinatriumphosphat in dem wärmespeichernden Medium zwischen etwa 2 und 4 Gew.-%. Analoge Verbindungen von Kalium und Ammonium können anstelle von Dinatriumhydrogenphosphat und Trinatriumphosphat verwendet werden. Dieser spezielle Zuschlagstoff ist nur verwendbar, wenn das wärmespeichernde Medium aus Materialien, wie Natriumthiosulfat, Natriumsulfat oder Natriumacetat besteht.

Ein Material, wie Dinatriumhydrogenphosphat oder Trinatriumphosphat, zugegeben in einer geringen Konzentration zur Einstellung des pH-Wertes und der Kristallbeschaffenheit des Mediums, ist auch zweckmäßig, da es auch üblicherweise verwendete Glasfaserharze oder Glasfasern in einem Schichtmaterial und auch Metalle, wie Aluminium, nicht angreift.

Die Verwendung von Dinatriumphosphat oder Trinatriumphosphat oder eine Kombination davon als lösbarer Zuschlagstoff ist in einer schwebenden amerikanischen Anmeldung beschrieben.

Eine Vielzahl von Rohren 14 oder hohlen Schlangen ist in dem wärmespeichernden Medium 12 in Abständen zueinander angeordnet. Die Rohre 14 sind zweckmäßigerweise zu einer Schleife verbunden oder U-förmig ausgebildet, wobei die Schenkel des ü sich von dem Behälter 10 wegerstrecken. Die Rohre 14 sind in Serie oder parallel oder als eine Kombination von Serien- und Parallelschaltungen geschaltet. Die Rohre 14 bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten wärmeleitenden Material, wie Aluminium. Obgleich Aluminium ein schlechteres Wärmeleitvermögen als Kupfer hat, korrodiert Aluminium in dem wärmespeichernden Medium, wie Natriumthiosulfat, insbesondere dann nicht, wenn das ' Medium chemisch mittelmäßig basisch gehalten ist. Die Rohre 14 können einen Einsatz aus Kupfer oder Kunststoff oder einem anderen Material haben, das mit dem wärmeübertragenden Fluid kompatibel ist.

Die Rohre 14 sind mit einem geeigneten Fluid 16, wie destilliertes Wasser, oder einer anderen wässrigen oder einer nicht-wässrigen Wärmeübertragungsflüssigkeit gefüllt und sie sind in einem geschlossenen Kreis mit einem Behälter 18 für das Fluid, einer

^⁰ Pumpe 20 und einem Schalter 22 verbunden. Der Schalter 22 spricht auf die Sonnenwärme an, um die Pumpe in Betrieb zu setzen, wenn Sonnenwärme für das wärmeübertragende Fluid beispielsweise bei Tageslichtstunden oder an einem sonnigen Tag zur Verfügung steht. Wenn die Pumpe arbeitet, versucht sie, in den Behälter Fluid 16 zu leiten, das zuvor durch die Sonnenenergieplatten 24 auf eine übliche Weise erwärmt worden ist.

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* 9

Obgleich Sonnenenergie als Wärmequelle beschrieben wird, soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß auch andere Energiequellen verwendet werden können. Als Beispiel kommt Strom in den nicht Spitzenstunden in Betracht, der verwendet werden kann, da Strom zu diesen Zeiten relativ billig bzw. günstig ist. Auch können industrielle Abwärme oder Kaminabwärme genutzt werden.

Eine Vielzahl von Rohren 26 oder hohlen Schlangen ist auch in dem Behälter angeordnet und sie besteht vorzugsweise aus Aluminium. Die Rohre 26 können einen Einsatz aus Kupfer oder Kunststoff auf ähnliche Art und Weise wie die zuvor im Zusammenhang mit den Rohren 14 beschrieben haben. Die Rohre 26 sind in einem Abstand zueinander und verschachtelt zu den Rohren 14 angeordnet. Die Rohre 26 sind vorzugsweise zu einer Schleife verbunden oder haben eine U-förmige Gestalt, wobei die Schenkel des U sich von dem Behälter 10 wegerstrecken. Die Rohre 26 sind in Serie oder parallel und in einer Kombination von beiden geschaltet. Die Rohre 26 sind vorzugsweise paarweise mit Rohren 14 angeordnet. Der Abstand zwischen den paarweise angeordneten Rohren 14 und 16 bzw. 26 liegen vorzugsweise in der Größenordnung von einigen Zentimetern, wenn die Rohre in einem Behälter angeordnet sind, der eine Breite, Höhe und Länge von einigen

Metern hat.
30

Ein geeignetes Fluid 30, wie Wasser, oder ein anderes Wärmeübertragungsfluid befindet sich in den Rohren Das Fluid 30 ist so beschaffen, daß es durch ein System rezirkuliert wird, das ein zu erwärmendes EIement 32 enthält. Das Element 32 kann beispielsweise eine Wasaerheizelnrichtung sein, die zur Erwärmung von Kaltwasser bestimmt ist, oder das Element 32 kann auch

- yr-

eine Raumheizeinrichtung sein. Eine Pumpe 34 und ein Schalter 36 können in einem Fluidkreislauf mit den Rohren 26 und dem Element 32 vorgesehen sein, um einen Strom des Fluids 30 durch den Kreislauf zu erhalten. Der Schalter 36 kann auf irgendeine geeignete Weise, wie durch einen Zeitschalter, geschlossen werden.

Anstelle der zuvor beschriebenen Verbindung können die Rohre 14 und 26 auch parallel geschaltet sein, um die Abnahme im Systemdruck zu verringern. Die parallelen Rohre 14 und 26 können mit einer Wärmequelle oder einem Verbraucher oder sowohl einer Wärmequelle und einem Verbraucher verbunden sein.

Verbindungselemente 40 (Figur 3) aus einem geeigneten Material, wie Aluminium, sind zwischen den paarweise angeordneten Rohren 14 und 26 vorgesehen, um die Rohre abzustützen und die Wärmeübertragung zwischen dem wärmespeichernden Medium 12 und dem Fluid in den Rohren 14 und 26 zu verbessern. Die Verbindungselemente 40 erleichtern auch die gleichzeitige Bildung von paarweise angeordneten Rohren 14 und 26 in einem einzigen Arbeitsgang. Rippen 42 (Figur 4) können auf den Verbindungselementen 40 und den Rohren 14 und 26 zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorgesehen sein. Wenn die Rippen 44 vorgesehen sind, enden die Rippen vorzugsweise an einer Stelle im Behälter 10, so daß

³^ eine Verbindung von den Rohren 14 und 26 zu den Rohren außerhalb des Behälters 10 nicht behindert wird.

Nach Schließen des Schalters 22 wird über die Sonnenenergieplatten 18 eingefangene Sonnenenergie zu dem Fluid 16 übertragen. Das Fluid zirkuliert durch die Rohre ,14, um das überschmolzene Fluid 12 auf den bestimmten Temperaturbereich zu erwärmen. Hierdurch wird

das wärraespeichernde Medium 12 zum Erschmelzen gebracht und es speichert die Wärme im geschmolzenen Zustand. Wenn das Medium überschmolzen wird, kann die latente Schmelzwärme dann ohne Verlust bis zu einer solchen Zeit gespeichert werden, zu der es erwünscht ist, die gespeicherte Energie durch Nukleation freizugeben.

Wenn es erwünscht ist, die gespeicherte latente Kristallisationswürme zu nutzen, wird die überschmolzene PlUHaigke.lt 12 nukleiort und beginnt zu kristallisieren. Hierdurch wird bewirkt, daß die in der überschmolzenen Flüssigkeit 12 gespeicherte latente Wärme bei einem Anstieg der Temperatur des wärmespeichernden Mediums auf die peritektische Temperatur freigesetzt wird und der Hauptteil der Flüssigkeit kristallisiert. Diese freigesetzte Wärme wird zu dem Fluid 30 in den Rohren 26 übertragen, wenn der Schalter 36 geschlossen ist. Dieses erwärmte Fluid wird dann in das Element 32 zur Erwärmung desselben eingeleitet.

Die Kernbildung des flüssigen wärmespeichernden Mediums 12 kann durch einen Teil des wärmespeichernden Mediums oder durch ein weiteres kristallines Nukleationsmittel gesteuert werden, das sich in einem feststoffförmigen kristallinen Zustand in einer Schnauze bzw. einem Rüssel 48 befindet, der sich von dem Behälter 10 erstreckt. Der kristalline Feststoff in dem Rüssel 48 kann dieselbe Zusammensetzung wie der Feststoff haben, der sich im Gleichgewicht mit dem flüssigen Medium 12 in dem Behälter 10 bildet. Der Rüssel 48 kann von einem Rohrstück gebildet werden, das sich von dem Behälter um einige Zentimeter weg erstreckt, wenn der

³^ Behälter 10 die zuvor beschriebenen Abmessungen hat. Der Rüssel 48 kann aus einem geeigneten Material, wie

Aluminium, oder einem anderen Material mit einer ausreichend hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen, um die Anregekristalle in dem Rüssel etwa auf Umgebungstemperatur und ausreichend unterhalb der Temperatur zu halten, in der die Erschmelzung beendet ist.

Das kristalline Kernbildungsmaterial in dem Rüssel 48 ist Umgebungstemperatur ausgesetzt, da der Rüssel zur Umgebung freiliegt. Das Kernbildungsmittel ist ein feststofförmiges kristallines Material bei und unterhalb Umgebungs-(Raum)-temperatur und bleibt auch bei höheren Temperaturen ein Feststoff. Wenn es aus dem Hauptbestandteil des wärmespeichernden Mediums (z.B. Natriumthiosulfatpentrahydrat oder Natriumacetattrihydrat) besteht, erschmilzt es nicht, bevor es die peritektische Schmelztemperatur des wärmespeichernden Mediums erreicht. Wenn es im Bereich von Umgebungstemperatur ist, wird jegliches Erschmelzen vermieden.

Erforderlichenfalls kann die Nukleation mit Hilfe des Rüssels 48 für das schraelzflüssige wärmespeichernde Medium in dem Behälter 10 weggelassen werden und das schmelzflüssige wärmespeichernde Medium kann als eine überschmolzene Flüssigkeit bei Temperaturen bis herab zur Umgebungstemperatur praktisch unbegrenzt lange verharren. Hierbei kann die latente Kristallisationswärma beliebig lange gespeichert werden. Eine Anordnung zur Verhinderung der Nukleation kann von einem Ventil an der Basis des Rüssels gebildet werden, das in das wärmespeichernde Medium isothermisch zu demselben eingebettet ist. Dieses innere Grundteil des Rüssels sollte dann aus einem Material mit geringem

³^ Wärmeleitvermögen, wie einem Kunststoff, bestehen.

Das Ventil sollte dann mittels einer Verbindung über das wärmespeichernde Medium betätigt werden. Die Speicherung der latenten Kristallisationswärme über einen

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unbegrenzten Zeitraum hinweg kann insbesondere bei temporär und unregelmäßig besetzten Gebäuden, wie Berghütten, zweckmäßig sein.

Auch soll noch erwähnt werden, daß der Rüssel 48 nur eine übliche Weise zur Einleitung der Nukleation des wärmespeichernden Materials darstellt und daß andere Nukleationstechniken angewandt werden können.

Einige dieser Techniken ermöglichen die Einleitung der Nukleation zu irgendeinem geeigneten Zeitpunkt. Eine Anzahl von verschiedenen Techniken zur Einleitung der Nukleation bei einem wärmespeichernden Material ist an sich bekannt.

Eine Anordnung (Figur 6) kann vorgesehen sein, um die Schmelze 12 in dem Behälter 10 zu bewegen bzw. umzurühren. Diese Anordnung enthält einen Motor 50 rait einer Antriebswelle 52 zum Drehen einer Scheibe 54, die außerhalb des Behälters 10 angeordnet ist.

Die Scheibe 54 ist mit Süd- und Nordpolen 56 an diametral gegenüberliegenden Enden versehen.

Die Scheibe 54 ist magnetisch mit einer Scheibe 58 in dem Behälter 10 gekoppelt. Die Scheibe 58 ist

mit Nord- und Südpolen 60 an diametral gegenüberliegenden Enden versehen. Eine Welle 62 erstreckt sich um das wärmespeichernde Medium 12 von der Scheibe nach unten. Ein Rührwerk 64 ist am bodenseitigen Ende ^O der Welle 62 angeordnet, um die Schmelze zu rühren.

Ein Sensor 66 ist in der Nähe der Scheibe 58 an einem diametral liegenden Ende der Scheibe angeordnet. Der Sensor 66 kann von einer Halbleiterdiode (an sich bekannt) gebildet werden, die auf gegensätzliche Magnetpole 60 auf der Scheibe 58 anspricht, um Ionen in den beiden Elektroden der Dioden entsprechend der einwirkenden magnetischen Polarität zu verteilen. Der Sen-

-JA -

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sor 66 kann auf der Basis eines Hall-Effekts genutzt werden, um ein pulsierendes Signal zu erzeugen, wenn die Nord- und Südpole 60 auf der Scheibe 80 sich an dem Sensor vorbeidrehen. Der Sensor 66 kann mit einer Schaltung mit dem Motor 50 verbunden sein, um ein Betreiben des Motors zu erreichen, bis das wärmespeichernde Medium 12 ausreichend kristallisiert ist, so daß dann die Drehbewegung der Scheibe 58 gestoppt wird.

Während der Betriebszeit des Motors 50 treibt dieser die Scheibe 54 an. Aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen den Scheiben 54 und 58 treibt die Scheibe 54 ihrerseits die Scheibe 58 an, wenn sich das wärmespeichernde Medium 12 in einem Fluidzustand befindet. Hierdurch wird das kristallisierende wärmespeichernde Medium im Fluidzustand vermischt, so daß (a) Kristalle, die sich vorzugsweise auf den Wärmeaustauscherflächen bilden und die Wärmeübertragung verschlechtern, durch Reibungsbeanspruchungen im zirkulierenden Fluid beseitigt werden, und (b) die Wärmeübertragung dadurch verbessert wird, daß das wärmespeichernde Medium in einen Berührungszustand mit dem Wärmeaustauscher gedrückt wird.

Wenn die Viskosität des kristallisierenden wärmespeichernden Mediums infolge der Volumenzunähme der Kristalle im Vergleich zur Flüssigkeit in bestimmtem Maße stärker wird, verhindert dieser auf der Viskosität beruhende Widerstand, daß sich die Scheibe 58 dreht. Daher rutscht die Scheibe 58 relativ zur Scheibe 54 selbst dann durch, wenn die Scheibe 54 noch weiter durch den Motor 50 drehangetrieben wird. Da sich die Scheibe 58 nicht langer dreht, wird durch den Sensor 60 kein pulsierendes Signal mehr erzeugt. Hierdurch kann der Betrieb des Motors unterbrochen

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	werden,	um	Energie	zu	-TB-
1				*-21-*
			sparen.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung hat gewisse bedeutende Vorteile. Sie ermöglicht eine effiziente Wärmeübertragung in das wärmespeichernde Medium und von dem wärmespeichernden Medium weg und eine effektive Speicherung der Wärme in'einer Form/ bei der die latente Kristallisationswärme zu jedem gewünschten Zeitpunkt und insbesondere bei einer bestimmten praktisch nutzbaren Temperatur oder einem Temperaturbereich freigesetzt werden kann. Ferner kann die Speicherung der latenten Kristallisationswärme während eines unbegrenzten Zeitraums ohne irgend- einen Verlust dieses speziellen Teils während der Speicherungsperiode gespeichert werden.

Auch kommen der Vorrichtung weitere bedeutende Vorteile zu. Wenn man beispielsweise gesonderte Rohre τ 4 und 26 verwendet, können die zirkulierenden Fluide 16 und 30 isoliert voneinander gehalten werden. Hierdurch erweitert sich das Anwendungsgebiet für die Vorrichtung nach der Erfindung beträchtlich. Beispielsweise kann das Fluid 30 ein Nahrungsmittel sein, das durch die Energie erwärmt wird, die in der Vorrichtung nach der Erfindung gespeichert ist. Wenn dieses Nahrungsmittel in Berührung mit dem wärmespeichernden Material oder mit dem Wärmeübertragungsfluid 16 kommen würde, wäre es im Hinblick auf die eng begrenzten Be-

Stimmungen hinsichtlich der Gesundheit ungenießbar.

Wasser entweder zum Trinken oder zum Waschen kann auch auf diese Weise in den Rohren 14 von dem wärmespeichernden Material und dem Fluid in den Rohren 16 getrennt werden. Die Isolierung der Fluide 16 und 30 voneinander wird durch die Verwendung von Aluminium für die Rohre 14 und 26 erleichtert, da Aluminium durch das wärmespeichernde Medium nicht korrodiert wird.

. ²⁰

Leerseite

Claims

Vorrichtung zur Speicherung von Energie

Patentansprüche

Vorrichtung zur Speicherung von Energie und zur anschließenden Nutzung der Energie als Wärme, gekennzeichnet durchs

einen Behälter (10),

erste Rohre (14), die zur Schleife verbunden und in einem Abstand im dem Behälter (10) angeordnet sowie so verbunden sind, daß sie einen Durchgang für ein erstes Fluid (16) durch die Rohre (14) ermöglichen,

eine Einrichtung (20, 22) für die Durchleitung des ersten Fluids (16) durch die ersten Rohre (14) zu ersten regelbaren Zeiten,

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MONAPAT*

zweite Rohre (26), die zur Schleife verbunden und im Abstand im Behälter (10) angeordnet sowie derart verbunden sind, daß ein zweites Fluid (30) durch die Rohre (26) zu zweiten regelbaren Zeit durchgeht, die der Freigabe der im Behälter (10) gespeicherten Wärme von- dem Behälter (10) entsprechen, und

ein wärmespeicherndes Medium (12) in dem Behälter ¹^ (10) , das die Eigenschaften hat, daß es in einem speziellen Temperaturbereich schmilzt und kristallisiert, sowie Wärme im schmelzflüssigen Zustand speichert und die Wärme abgibt, wenn es unter Keimbildung im speziellen Temperaturbereich in den kri-

stallinen Zustand übergeht, wobei das wärmespeichernde Medium (12) in Anlageberührung mit den ersten Rohren (14) ist, um erschmolzen und während den ersten regelbaren Zeiten weiter erwärmt zu werden, und in Anlageberührung mit den zweiten Rohren

(26) ist, um die in dem wärmespeichernden Medium

(12) gespeicherte Wärme zu dem Fluid (30) in den zweiten Rohren (26) zu übertragen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η 25

zeichnet, daß eine Vielzahl von Verbindungselementen (40) vorgesehen ist, die jeweils aus einem wärmeleitenden Metall bestehen und als Verbindung zwischen einzelnen ersten Rohren (14) und einzelnen zweiten Rohren (26) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die ersten Rohre (14), die zweiten Rohre (26) und die Verbindungselemente (40) aus Aluminium bestehen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeichernde Medium (12) ein wässriges System aus Natriumthiosulfat ist, das einen lösbaren Zuschlagstoff in dem wärmespeichernden Medium (12) enthält/ um das Medium basisch und nicht-korrosiv zu machen und die Größe, Festigkeit und Beschaffenheit und/oder andere physikalische Eigenschaften der Kristalle y-u. steufsrn, die bei der Kristallisation des schmelz llüssigon, wärmespeichernden Mediums (12) gebildet werden-
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Einrichtung (50 bis 64) zum Umrühren des wärmespeichernden Mediums (12) im fluiden Zustand vorgesehen ist, und daß eine Einrichtung (66) betriebsmäßig mit der Rühreinrichtung (50 bis 64) gekoppelt ist, um den Betrieb der Rühreinrichtung (50 bis 64) zu unterbrechen, wenn das erschmolzene oder teilweise erschmolzene wärmespeichernde Medium (12) einen solchen Kristallisationszustand erreicht, daß die Fluideigenschaften verlorengehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeichernde Medium (12) ein wässriges System aus Natriumthiosulfat ist, das Natriumthiosulfatpentahydrat als Fest-

stoff bildet, und daß der lösliche Zuschlagstoff aus der Gruppe gewählt ist, die aus Dinatriumhydrogenphosphat, Trinatriumphosphat und den analogen Verbindungen aus Kalium und Ammonium besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der lösliche Zuschlagstoff in dem flüssigen wärmespeichernden Medium in dem Bereich von etwa 2 bis 4 Gew.-% gelöst ist und daß die relativen Mengen von Dinatriumhydrogenphosphat, Trinatriumphosphat oder den analogen Verbindungen aus Kalium und Ammonium in dem löslichen Zuschlagstoff so eingestellt sind, daß sich in der Flüssigkeit ein pH-Wert innerhalb eines vorbestimmten Bereiches ergibt und daß der kristalline Bestandteil des wärmespeichernden Mediums hierdurch gewünschte physikalische Eigenschaften erhält.
8. Vorrichtung zur Speicherung von Energie und zur . .anschließenden Nutzung dieser Energie, gekennzeichnet durch:

einen Behälter (10),

ein wärmespeicherndes Medium (1.2) in dem Behälter (10), das solche Eigenschaften hat, daß es in einem speziellen Temperaturbereich erschmilzt und kristallisiert und es Energie speichert, wenn es in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt wird und die so gespeicherte Energie als Wärme bei der Kristallisation freigibt,

erste Rohre (14), die aus einem wärmeleitenden· Material bestehen, in dem wärmespeichernden Medium (12) angeordnet und derart verbunden sind, daß sie einen Durchgang für ein erstes, durch die Rohre (14) zirkulierendes Fluid (16) bilden,

eine Einrichtung (20, 22), die ein Durchleiten des ersten Fluids (16) durch die ersten Rohre (14) während der Wärmeübertragung zu dem ersten Fluid (16) ermöglicht, um das wärmespeichernde Medium (12) in den schmelzflüssigen Zustand umzuwandeln und seine Temperatur über die Umwandlungs-

temperatur anzuheben,

zweite Rohre (26) , die aus wärmeleitendem Material bestehen, in dem wärmespeichernden Medium (12) angeordnet sind und derart verbunden sind, daß sich
ein Durchgang für ein zweites, durch die Rohre
(26) zirkulierendes Fluid (30) bildet, und

eine Einrichtung (34, 36), die das Durchleiten
des zweiten Fluids (30) durch die zweiten Rohre
(26) während der Abführung der Wärme von dem speichernden Medium (12) ermöglicht, um die in dem Behälter (10) gespeicherte Wärme zu übertragen.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die ersten und zweiten Rohre (14, 26) im Abstand zueinander und verschachtelt
zueinander angeordnet sind und daß sie mittels
Überbrückungselementen (40) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeichernde Medium
(12) ein wässriges Natriumthiosulfatsystem ist
und einen löslichen Zuschlagstoff im Medium ent-

halten ist, um das Medium chemisch basisch einzustellen und inkorrosiv zu machen, sowie um verschiedene Parameter der Kristalle einschließlich
der Größe der Kristalle aus Natriumthlosulfatpenta hydrat zu steuern, die beim Schmelzen gebildet wer

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die ersten und zweiten Rohre (14, 26) und die Überbrückungselernente (40) aus
Aluminium bestehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (50 bis 64) in dem wärmespeichernden Medium (12) angeordnet ist, die das Medium im fluiden Zustand umrührt, und daß eine Einrichtung (66) mit der Rühreinrichtung (50 bis 64) verbunden ist, um den Betrieb der Rühreinrichtung (50 bis 64) zu unterbrechen, wenn das wärmespeichernde Medium (12) infolge der fortschreitenden Kristallisation aufhört, im fluiden Zustand zu sein.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff Dinatriumhydrogenphosphat oder Trinatriumphosphat oder eine Kombination von beiden ist, und daß analoge Verbindungen von Kalium und Ammonium jeweils anstelle von Dinatriumhydrogenphosphat und Trinatriumphosphat Verwendung finden.

14. Vorrichtung zur Speicherung von Energie und zur anschließenden Nutzung dieser Energie, gekennzeichnet durch:

einen Behälter (10),

ein wärmespeicherndes Medium (12), das in dem Behälter (10) angeordnet ist und solche Eigenschaften hat, daß es in einem begrenzten Tempera-

turbereich schmilzt und kristallisiert und im 30

schmelzflüssigen Zustand gespeicherte Energie hält und die gespeicherte Energie bei der Abkühlung und Kristallisierung freigibt,

eine erste Einrichtung (14), die in dem Behälter (10) angeordnet ist, um die Energieübertragung zu dem wärmespeichernden Medium (12) in dem Behälter (10) zu ermöglichen und das Medium in dem

Behälter (10) zu erwärmen und zu erschmelzen, und

eine zweite Einrichtung (26), die in dem Behälter (10) in einem Abstand zu der ersten Einrichtung (14) angeordnet ist und für die übertragung der Wärme bestimmt ist, die von dem wärmespeichernden Medium (12) durch die Kühlung und Kristallisation des Mediums freigegeben wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeichernde Medium ein wässriges System von Natriumthiosulfat ist, und daß ein Zuschlagstoff in dem flüssigen Medium zur Begrenzung der Größe, Festigkeit und

Kohäsion der Kristalle gelöst ist, die im Medium gebildet werden und um den pH-Wert des Mediums chemisch basisch und inkorrosiv einzustellen.

- Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch g e -

kennzeichnet, daß die erste und die zweite Einrichtung (14, 26) im Abstand und verschachtelt zueinander angeordnet sind und daß die ersten und zweiten Einrichtungen (14, 26) paarweise vorgesehen sind, wobei Verbindungsein-

richtungen (40) die Paare von ersten und zweiten Einrichtungen (14, 26) überbrücken.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Einrichtung (14, 26) und die Verbindungseinrichtung (40) aus Aluminium hergestellt sind.