EP2295872A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von regenerativen Energie in Energieumlaufsystemen - Google Patents
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- F24H7/04—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid with forced circulation of the transfer fluid
Definitions
- the invention relates to a method and a device for storing regenerative energies in energy circulation systems, in particular for energy supply in the home and large-scale application of energy storage with a smaller decrease in the energy of energy providers with large wind or solar parks, as currently available. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method.
- Thermal energy systems are known for storing thermal energy using various energy sources, in particular for storing thermal energy, which is obtained by solar energy systems. Particular efforts have been made to increase the efficiency of the thermal energy storage media.
- the proposed thermal energy collection composition comprises a non-hydrochloric acid having a phase change transition temperature in the range of 20 ° to 35 ° C and a latent heat of transformation of greater than about 146.5 Joules / gram. This composition may be supercooled or supercooled to temperatures below the freezing temperature of the water without losing much of the stored energy.
- a disadvantage of the use of these materials is the lack of suitability for a technically controllable reversible Spcich für / use of thermal energy. Also known are devices for regenerative energy conversion by means of heat pumps. So will in the DE 42 08 625 A1 describes such a heat pump, with the heat for the hot water supply via the heat pump with simultaneous use of the cooling cycle achieved for refrigeration circuit storage or air conditioning with maximum utilization of electrical energy used, minimal installation effort and most costly amortization.
- a disadvantage is the application of the solution still too high material complexity and the lack of controllable reversibility of storage.
- the object of the invention is therefore to provide a method and an apparatus for carrying out the method, which are suitable for a lower material complexity for a reversible and unlimited storage of renewable energy, the adaptation of Speibcrungskapaztician to the current energy and a larger Allow energy density per volume compared to known heat storage media with emission-free process flow.
- the object is achieved by the method having the features of claim 1.
- Advantageous Weitcr Strukturen of the method are described with the features of claims 2 to 4.
- the device provided for carrying out the method is characterized by the features of patent claims 5 to 15.
- the possibility of reversible storage of regenerative energies is created, in which the medium for the energy storage within a controlled energy supply system can be used indefinitely.
- the hydrates / anhydrates used for example copper sulfate pentahydrate
- the energy storage devices have a higher storable energy density per volume.
- the application is environmentally friendly, as no age-related disposal, such as for electrical batteries is required.
- the application of the method and the device used to carry out the method are equally possible in new buildings and retrofits of existing buildings. Required temperatures for existing heating systems (79 ° C) can be realized.
- FIG. 1 The energy required for a domestic energy supply system is obtained by three regenerative energy sources.
- the thermal oil for example silicon, hydraulic or transformer oil
- the thermal oil used as thermal energy carrier is preheated and passed through the oil line 5 into the storage modules 8.
- nanoparticles graphite, glass spheres, metal, expanded clay
- the amount and dimensioning of the nanoparticles is chosen so that the flow behavior is not influenced and no sedimentation (deposition) can take place.
- the thermal oil is heated by the electric heater 9 to a temperature of 200 - 220 ° C and acts on the hydrate (z, B. Copper sulfate pentahydrate) a.
- the energy required for this is obtained from the photovoltaic device 2 and the wind turbine 3.
- the heated in the memory modules 8 thermal oil is passed, if necessary, in here not shown downstream water heater to heat service water and flow of the heating systems to predetermined temperatures.
- the respectively existing temperatures are detected by the sensor device 7.
- the downstream control device 4 compares these values with the predetermined desired values and controls the corresponding flow quantity of the thermal oil by increasing or decreasing the pressure.
- the memory modules 8 are equipped with a vertical tube system arranged inside.
- the preheated thermal oil is also passed through the tubes as in the surrounding space and quantitatively controlled by valves arranged on the tubes.
- FIG. 2 Figure 4 shows the control of the water supply to the hydrate / anbydrate containers 6 by the control means 4.
- the compensation of the loss of water in the condensation of water via the water pipe 11. By collecting and returning the extracted crystal water By means of the collecting bin 15 and the supply of lost water, the storage process and the energy recovery process can be repeated as desired.
- the dehydration of the hydrate takes place when unneeded energies are supplied from the regenerable energy sources.
- the current energy state of the hydrate anhydrate mixture in the container 6 is detected by the color sensors 10.
- the container 6 at least indicates a body to a thermally stable translucent use, detect the available color values by acting as color sensors 10 reflex light barriers.
- the values detected within the possible color scale between blue (copper sulfate pentahydrate) and white (copper sulfate) are supplied to the control device 4 and, after evaluation, a corresponding control of the water inflow by means of the valve device 12 or a switchover of the memory modules 8 is triggered.
- the controlled water recycling initiates the reversible process with the release of the heat of solution.
- the schematic structure of the memory module 8 is reproduced. Thereafter, the memory module 8 is insulated with a heat-insulating wall. Within the memory module is a container 6 which surrounds the actual storage medium with the hydrate anhydrate complex. The container 6 is surrounded by preheated thermal oil, so that a temperature compensation can take place here. Its heat-storing thermostable wall (Poroton, pumice, silica gel, vacuum plates, etc.) is used to integrate the heater 9 and limits the heat transfer from the heater 9 in the direction of thermal oil.
- thermostable wall Pieron, pumice, silica gel, vacuum plates, etc.
- the interior of the memory module 8 serving for receiving the storage medium container 6 is divided into a plurality of container chambers 16 in which the storage medium is housed.
- the prerequisite for a uniform hydration as the basis for an optimal temperature development or uniform dehydration in the reversible storage processes is created.
- One embodiment variant is to fill the anhydrate in several capillaries, for example in longitudinally arranged tubes with a defined cross section.
- the capillary cross section in this case corresponds to the grain diameter which allows optimal uniform hydration / dehydration.
- an electric heating cable is evaporated spirally.
- the heating cables are connected to a control device which heats the glass tubes from bottom to top by a stepwise connection of the heating line sections.
- a controlled, directed ascension of the water of crystallization to the collecting container 15 is made possible.
- the storage process is efficiently accelerated and irregular processes are avoided.
- the design of the container 6 in the form of several parallel arranged filled with the storage medium glass tubes (capillaries), which are arranged in cassette form.
- the memory modules 8 are dimensioned so that they can store the energies of the maximum possible occurring energy peaks of the system. Further memory module 8 can be arranged to be switchable in parallel, in order to cause no interruption of the energy storage or the power supply in the event of a failure of a module or at a designated removal of the storage medium.
- the storage medium is accommodated in the container 6 such that it can be removed and stored in the anhydrate form or introduced into other decentralized storage modules.
- the storage medium used in the selected example is copper sulfate pentahydrate.
- the water-containing copper sulfate pentahydrate can release the last of the five water molecules at temperatures of 200 - 220 ° C and is thereby converted into anhydrous anhydrate.
- the recovered copper sulfate can then be converted back into copper sulfate pentahydrate with the release of solution heat with the addition of water.
- One form of expression for achieving a uniform grain size of the hydrates / anhydrates is the supply of kinetic energy.
- the container 6 is divided into a plurality of container chambers 16, in which the storage medium is housed.
- kinetic energy is supplied in the form of rotational movements of the container 6 (eg sterling motor, electric motor).
- Another embodiment is to fill the anhydrate in several capillaries, for example in longitudinally arranged tubes with a defined cross-section.
- the capillary average corresponds to the grain diameter which allows optimal hydration.
- the necessary for the uniform formation of the pentahydrate structure supply of kinetic energy to the hydrate / anhydrate containers 6 is carried out by the motors 13. They put the container 6 in rotary movements and thereby prevent the formation of large particle sizes.
- the speeds of the motors 13 are controlled depending on the composition of the Hydrate / anhydrate mixture by the controller 4.
- the summary surface and thus the contact area between the walls of the container chambers 16 and the heated thermal oil is increased.
- the time for the storage process by faster dehydration of the hydrate is thus reduced and thereby reduced energy losses.
- Required energy balances can be made faster if needed.
- For receiving the condensed water during dehydration is a per se known collecting container 15.
- the walls of the container chambers 16 are made of materials with good thermal conductivities and are thermally conductive undergur connected.
- the supply of water is controlled as a function of the energy requirement of the connected energy consumers and the temperature of the service water or of the heating devices detected by the sensor device 7 by means of the control device 4.
- a direct connection between the solar thermal devices and the memory modules 8 and 6 containers can be effectively used for the use of solar energy.
- the incident light is captured by means of one or more parabolic mirrors and the light rays are centered by a focused optical system (converging lenses, prisms).
- the centered light beams are then directed to the memory modules 8 and / or containers 6 via the associated light-guiding system.
- the otherwise required heating devices can be omitted and the energy losses occurring in these can be prevented.
- the schematic arrangement of the solar collectors 1 is reproduced.
- the surface of the solar collectors 1 facing the direction of the sun's rays is assigned a lens system designed as an optical converging lens 17.
- the solar radiation Pima radiation
- the resulting IR secondary beams are returned by the parabolic mirror 18 back through the thermal oil to the IR reflector 19 and then again into the collector system.
- the parabolic mirror 18 is provided on the inner surface with a heat radiation reflecting coating.
- the reflector 19 is arranged at the focal point of the parabolic mirror 18 on the surface of the converging lens 17.
- rays coming from the parabolic mirror 18 are focused by the IR reflector 19 again directed to the solar panels 1 and also used for the heating of the thermal oil.
- a mirror arrangement 20 is mounted laterally next to the solar collectors 1, which deflects incident thereon sun rays to the converging lens 17.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur regenerativen Speicherung von Energie in Energieversorgungssystemen, insbesondere zur Energieversorgung im häuslichen Bereich und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei einem geringen materialtechnischen Aufwand für eine reversible Speicherung von regenerativen Energien geeignet sind, dabei eine größere Energiedichte pro Volumen gegenüber bekannten Wärmespeichermedien gespeichert werden kann und einen emissionslosen Verfahrensablauf ermöglichen. Gelöst wird die Aufgabe, indem
a) der für die Energiespeicherung erforderliche Entzug der Kristallwassermoleküle der Hydrate bei einer Temperatur durchgeführt wird, die für die Bildung der jeweiligen Anhydrate erforderlich ist und die Energiezufuhr für die Konstanthaltung der Temperatur durch regenerative Energiequellen erfolgt,
h) zwecks Bildung der für eine optimale Hydratation erforderlichen kleinen Korngrößen der energiespeichernden Anhydrate beim thermischen Wasserentzug der Hydrate gleichzeitig Bewegungsenergie zugeführt wird und/oder die Hydrate durch Röhren, die einen den Korngrößen entsprechenden Querschnitt aufweisen, eines Durchflusssystems geleitet werden und
c) die Energierückgewinnung aus den energiespeichernden Anhydraten durch eine zur Energierückgewinnung erforderliche Zuführung und/oder Rückführung von Wasser innerhalb des Energieversorgungssystems in Abhängigkeit vom jeweilig vorhandenen Energiebedarf gesteuert wird. Die geschaffene Vorrichtung enthält Speichermodule, die über ein die Temperatur des Wärmeenergie tragenden Mediums und über eine die Zufuhr von Wasser zu den Anhydraten steuernden zentralen Steuereinrichtung sowie mit einer die Temperatur des Brauchwassers und der Heizungsanlagen erfassenden Sensoreinrichtung verbunden sind.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung von regenerativen Energien in Energieumlaufsystemen, insbesondere zur Energieversorgung im häuslichen Bereich und zur großtechnischen Anwendung der Energiespeicherung bei einer geringeren Abnahme der Energie von Energieanbietern mit großen Wind- oder Solarparks, als die aktuell zur Verfügung steht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
- Bekannt sind Energiesysteme zur Speicherung thermischer Energie unter Verwendung von verschiedenen Energiequellen, insbesondere zur Speicherung thermischer Energie, die durch Solarenergiesysteme gewonnen wird. Dabei sind besonderte Bemühungen auf die Erhöhung des Wirkungsgrades der thermischen Energiespeichermittel vorgenommen worden. So wird nach der
DE 37 33 768 A1 ein phasenänderndes, thermische Energie speicherndcs Material beschrieben, das eine verbesserte Speicherzusammensetzung besitzt, nicht korrodierend wirkt, chemisch inaktiv und relativ stabil ist. Die vorgeschlagene thermische Energiespeieherzusammensetzung umfasst ein Nicht-Chlorhydrat mit einer Phasenändcrungsübergangstcmperatur im Bereich von 20° bis 35° C und einer latenten Transformationswärme von mehr als ungefähr 146,5 Joule/Gramm. Diese Zusammensetzung kann super- oder unterkühlt werden und zwar auf Temperaturen unterhalb der Gefriertemperatur des Wassers, ohne dabei viel von der gespeicherten Energie zu verlieren. Nachteilig bei der Anwendung dieser Materialien ist die fehlende Eignung für eine technisch steuerbare reversible Spcicherung/Nutzung der thermischen Energie. Weiterhin bekannt sind Einrichtungen für regenerative Energieumwandlungen mittels Wärmepumpen. So wird in derDE 42 08 625 A1 eine derartige Wärmepumpe beschrieben, mit der Wärme für die Warmwasserversorgung über die Wärmepumpe bei gleichzeitiger Ausnutzung der über Kälteaustausch erreichten Kühlkreislaufes für Vorratshaltung oder Klimatisierung bei maximaler Ausnutzung der eingesetzten elektrischen Energie, geringstem Montageaufwand und wirtschaftlichster Amortisation erfolgt. Nachteilig ist bei der Anwendung der Lösung der noch zu hohe materialtechnische Aufwand und die fehlende steuerbare Reversibilität der Speicherung. Um eine bessere Verlagerung der benötigten Energie für Brauchwasser- und Heizungsanlagen von fossiler Energie auf durch Solarenergie gewonnener thermischer Energie zu erreichen, wird nach derDE 10 2006 024 929 A1 eine Einrichtung zur Leistungsverstärkung thermischer Solaranlagen vorgeschlagen. Bei dieser Lösung wird das mittels Solarkollektoren einer Solaranlage gewonnene heiße Thermoöl oder Wasser/Glykolgemisch mittels einer Wärmepumpe nochmals erwärmt, bevor es in den Heizungsspeicher geleitet wird. Eine zur Anwendung kommende elektronische Regelung regelt die Erwärmung durch die Wärmepumpe derart, dass sie das heiße Thermoöl dann erwärmt, wenn die Solarkollektoren nicht genügend heißes Thermoöl liefern. Auch bei dieser Lösung ist es von Nachteil, dass keine steuerbare Reversibilität der Speicherung möglich und ein hoher materialtechnischer Aufwand erforderlich ist. Nach derDE 10 2007 006 512 A1 wird ein allgemeines Verfahren und eine Vorrichtung zur Energiespeicherung sowie zur gesteuerten, verlustarmen Wärmeenergieumwandlung beschrieben, bei denen ein Speichermedium in mindestens zwei Komponenten separiert wird. Dabei wird eine Wärmemenge, die den Entropietherm enthält, an ein zweites Wärmereservoir abgegeben, das eine niedrigere Temperatur als das erste Wärmereservoir aufweist. Die übrige Energie wird in Form der mindestens separierten Komponenten gespeichert. Bei der Lösung handelt es sich um ein mehrfach rückgekoppeltes Energiespeichersystem. Unter anderem wird die bei Umwandlung von Energie in mechanische bzw. elektrische Arbeit anfallende Wärme in einen Energiespeicher zurückgeführt. Nachteilig ist auch bei dieser Lösung der erforderliche hohe materialtechnische Aufwand und die dadurch bedingte Nichteignung für Nachrüstungen bestehender Energieversorgungsanlagen, insbesondere innerhalb von Gebäuden und Wohnhäusern. - Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Schaffung eines Verfahrens und einer zur Durchführung des Verfahrens dienenden Vorrichtung, die bei einem geringeren materialtechnischen Aufwand für eine reversible und unbegrenzte Speicherung von regenerativen Energien geeignet sind, die eine Anpassung der Speicbcrungskapazität an das aktuelle Energieaufkommen sowie eine größere Energiedichte pro Volumen gegenüber bekannten Wärmespeichermedien bei emissionsfreiem Verfahrensablauf ermöglichen. Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1. Vorteilhafte Weitcrbildungen des Verfahrens werden mit den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 4 beschrieben. Die geschaffene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 5 bis 15 gekennzeichnet.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird unter anderen die Möglichkeit der reversiblen Speicherung von regenerativen Energien geschaffen, bei der das Medium für die Energicspeicherung innerhalb eines gesteuerten Energieversorgungssystems zeitlich unbegrenzt genutzt werden kann. Gegenüber konventionellen Energiespcichermedien wie bspw. Paraffin und Wasser sind die zum Einsatz kommenden Hydrate/ Anhydrate (z. B. Kupfersulfat-Pentahydrat) weniger kostspielig und als mobile Speichermedien hervorragend geeignet. Ebenso besitzen die Energiespeicher eine höhere speicherbare Energiedichte pro Volumen. Zudem ist die Anwendung umweltfreundlich, da keine altersbedingte Entsorgung wie beispielsweise bei elektrischen Akkus erforderlich ist. Die Anwendung des Verfahrens und der zur Durchführung des Verfahrens dienenden Vorrichtung sind gleichermaßen bei Neubauten und bei Nachrüstungen bestehender Gebäude möglich. Erforderliche Temperaturen für vorhandene Heizungsanlagen (79°C) können realisiert werden.
- Durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare gleichmäßige Ausbildung der Korngröße der Hydratstrukturen wird eine der erforderlichen Voraussetzungen für eine optimale Temperaturentwicklung während der Hydratation bei den reversiblen Spcichervorgängen geschaffen. So werden mit den technischen Maßnahmen die dazu erforderlichen kleinen Komgrößen der Kristalle erzielt.
- Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden In der Zeichnung zeigt
-
Fig. 1 : die schematische Ansicht der Gesamteinrichtung, -
Fig. 2 : das Blockschaltbild der Steuerung der Speichermodule, -
Fig. 3 : den schematischen Aufbau des Speichermoduls und -
Fig. 4 : die schematische Anordnung der Sonnenkollektoreinrichtung. - In der schematischen Anordnungsübersicht nach
Figur 1 wird die für eine häusliche Energieversorgungsanlage erforderliche Energien durch drei regenerative Energiequellen gewonnen. Mittels des Sonnenkollektors 1 wird das als Wärmeenergieträger zur Anwendung kommende Thermoöl (z. B. Silikon-, Hydraulik- oder Trafoöl) vorgewärmt und durch die Ölleitung 5 in die Speichermodule 8 geleitet. Um die Wärmespeicherkapazität des verwendeten Thermoöles zu vergrößern, werden in das Thermoöl Nanopartikel (Grafit, Glaskugeln, Metall, Blähton) eingebracht, Die Menge und Dimensionierung der Nanopartikel wird so gewählt, dass das Fließverhalten nicht beeinflusst wird und keine Sedimentbildung (Ablagerung) erfolgen kann. - Für die Abspeicherung der Wärmeenergie innerhalb der Sonnenkollektoren I wird für dieses Gemisch eine längere Zeit zur Abspeicherung vorgesehen. Durch die Kombination des Thermoöls mit den Nanopartikeln werden Stoffe mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten verbunden und so die Wärmeverluste durch Konvektion und direkte Wärmeleitung auf den Transportwegen verringert. Aufgrund der dadurch geringeren erforderlichen Wärmedämmung werden Kosten gesenkt. In den Speichermodulen 8 wird das Öl durch die elektrische Heizeinrichtung 9 auf eine Temperatur von 200 - 220 ° C aufgeheizt und wirkt auf das Hydrat (z,B. Kupfersulfat-Pentahydrat) ein. Die dazu erforderliche Energie wird von der Photovoltaik-Einrichtung 2 und der Windenergieanlage 3 bezogen. Das in den Speichermodulen 8 erhitzte Thermoöl wird bedarfsweise in hier nicht näher dargestellte nachgeordnete Durchlauferhitzer geleitet, um Brauchwasser und Vorlauf der Heizungsanlagen auf vorgegebene Temperaturen zu erwärmen. Erfasst werden die jeweils vorhandenen Temperaturen von der Sensoreinrichtung 7. Die nachgeordnete Steuereinrichtung 4 vergleicht diese Werte mit den vorgegebenen Sollwerten und steuert durch Drückerhöhung bzw. -senkung die entsprechenden Durchlaufmenge des Thermoöles. Zwecks Steuerung sind die Speichermodule 8 mit einem im Inneren angeordneten vertikalen Röhrensystem ausgestattet. Das vorgewärmte Thermoöl wird ebenso wie im umgebenden Raum auch durch die Röhren geleitet und mittels an den Röhren angeordneten Ventilen mengenmäßig gesteuert.
- Das Blockschaltbild in
Figur 2 zeigt die Steuerung der Wasserzufuhr zu den Hydrat/Anbydrat-Behältern 6 durch die Steuereinrichtung 4. Bei der dargestellten Ausführungsform als halbgeschlossenes System erfolgt der Ausgleich des Wasserverlustes bei der Kondensation des Wassers über die Wasserleitung 11. Durch das Auffangen und Rückführen des entzogenen KristallWassers mittels des Auffangbchältnisses 15 und der Zuführung von verloren gegangenem Wasser kann der Speichervorgang und der Energiegewinnungsvorgang beliebig wiederholt werden. - Bei einer Ausführungsform als geschlossenes System findet der Wasserentzug des Hydrates statt, wenn nicht benötigte Energien von den regenerierbaren Energiequellen zugeführt werde, Erfasst wird der aktuelle Energiezustand des Hydrat-Anhydrat-Gemisches im Behälter 6 durch die Farbsensoren 10. Dazu weist der Behälter 6 zumindest an einer Stelle einen thermostabilen lichtdurchlässigen Einsatz auf, durch den als Farbsensoren 10 fungierende Reflexlichtschranken die vorhandenen Farbwerte erfassen. Die innerhalb der möglichen Farbskala zwischen blau (Kupfersulfat-Pentahydrat) und weiß (Kupfersulfat) erfassten Werte werden der Steuereinrichtung 4 zugeleitet und nach Auswertung eine entsprechende Steuerung des Wasserzuflusses mittels der Ventileinrichtung 12 oder eine Umschaltung der Speichermodule 8 ausgelöst. Bei einem geänderten Bedarf an Wärmeenergie leitet die gesteuerte Wasserrückführung den reversiblen Vorgang unter Freisetzung der Lösungswärme ein.
- Mit der Schnittdarstellung der
Figur 3 wird der schematische Aufbau des Speichermoduls 8 wiedergegeben. Danach ist das Speichermodul 8 mit einer wärmisolierenden Wandung gedämmt. Innerhalb des Speichermoduls befindet sich ein Behälter 6 der das eigentliche Speichermedium mit dem Hydrat-Anhydrat-Komplex umgibt. Der Behälter 6 wird vom vorgewärmten Thermoöl umgeben, sodass hier ein Temperaturausgleich erfolgen kann. Seine wärmespeichernde thermostabile Wandung (Poroton, Bimsstein, Silikagel, Vakuumplatten etc.) dient der Integration der Heizeinrichtung 9 und begrenzt den Wärmetransport von der Heizeinrichtung 9 in Richtung Thermoöl. - Im Innenraum des Speichermoduls 8 ist der zur Aufnahme des Speichermediums dienende Behälter 6 in mehrere Behälterkammern 16 unterteilt, in denen das Speichermedium untergebracht ist. Mit einer kleinen Korngröße der Kristalle wird die Voraussetzung für eine gleichmäßige Hydratation als Grundlage für eine optimale Temperaturentwicklung bzw. gleichmäßige Dehydratation bei den reversiblen Speichervorgängen geschaffen. Eine Ausführungsvariante besteht darin, das Anhydrat in mehreren Kapillaren, beispielsweise in längs angeordneten Röhren mit definiertem Querschnitt, einzufüllen. Der Kapillarquerschnitt entspricht hierbei dem Korndurchmesser der eine optimale gleichmäßige Hydratation/Dehydratation ermöglicht. Auf der Außenwand der Kapillaren, in Form von beispielsweise als Glas-Röhren ausgebildeten Behälterkammern 16, ist eine elektrische Heizleitung spiralförming aufgedampft. Die Heizleitungen sind mit einer Steuereinrichtung verbunden, die durch eine stufenweise Zuschaltung der Heizleitungsabschnitte die Glas-Röhren von unten nach oben hin aufheizt. Durch diese Anordnung wird ein gesteuertes, gerichtetes Aufsteigen des Kristallwassers zum Auffangbehälter 15 ermöglicht. Der Speichervorgang wird effizient beschleunigt und unregelmäßige Abläufe werden vermieden. Vorteilhaft erweist sich die Ausgestaltung des Behälters 6 in Form von mehreren parallel angeordneten mit dem Speichermedium gefüllten Glas-Röhren (Kapillaren), die in Kassettenform angeordnet sind. Die Speichermodule 8 sind so dimensioniert, dass sie die Energien der maximal möglichen auftretenden Energiespitzen der Anlage speichern können. Weitere Speichermodul 8 können parallel dazu umschaltbar angeordnet werden, um bei einem auftretenden Ausfall eines Moduls oder bei einer vorgesehenen Entfernung des Speichermediums keine Unterbrechung der Energiespeicherung bzw. der Energieversorgung zu verursachen. Das Speichermedium ist derart im Behälter 6 untergebracht, dass es in der Anhydratform entfernt und gelagert bzw. in andere dezentrale Speichermodule eingebracht werden kann. Somit ist eine mobile Nutzung und dezentrale Anwendung im Zusammenhang mit einer großtechnischen "Produktion" der Anhydrate möglich.
- Wie in
Figur 2 dargestellt, ist im Innenraum des Speichermoduls 8 der zur Aufnahme des Speichermediums dienende Behälter 6 angeordnet. Als Speichermedien kommt im ausgewählten Beispiel Kupfersulfat-Pentahydrat zur Anwendung. Das wasserhaltige Kupfersulfat-Pentahydrat kann bei Temperaturen von 200 - 220 ° C das letzte der fünf Kristallwassermoleküle abgeben und wird dadurch in wasserfreies Anhydrat umgewandelt. Das gewonnene Kupfersulfat kann dann unter Zusatz von Wasser wieder in Kupfersulfat-Pentahydrat unter Freisetzung von Lösungswärme zurückgewandelt werden. - Eine Ausuhrungsform zwecks Erreichung einer gleichmäßigen Korngröße der Hydrate/Anhydrate besteht in der Zufuhr von Bewegungsenergie. Dazu ist der Behälter 6 ist in mehrere Behälterkammern 16 unterteilt, in denen das Speichermedium untergebracht ist. Um eine Bildung großer Kristalle bei der Hydratbildung und sowie beim Kriscallwasserentzug zu verhindern, wird Bewegungsenergie in Form von Drehbewegungen des Behälters 6 zugeführt (z. B. Sterling-Motor, Elektromotor). Mit einer kleinen Korngröße der Kristalle wird die Voraussetzung für eine gleichmäßige Ausbildung der Pentabydrat-Struktur als Grundlage für eine optimale Temperaturentwicklung während der Hydratation bei den reversiblen Speichervorgängen geschaffen.
- Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, das Anhydrat in mehreren Kapillaren, beispielsweise in längs angeordneten Röhren mit definiertem Querschnitt, einzufüllen. Der Kapillardurchschnitt entspricht hierbei dem Korndurchmesser der eine optimale Hydratation ermöglicht.
- Die für die gleichmäßige Ausbildung der Pentahydrat-Struktur erforderliche Zuführung von Bewegungsenergie zu den Hydrat/Anhydrat-Behältern 6 erfolgt durch die Motoren 13. Sie versetzen die Behälter 6 in rotative Bewegungen und verhindern dadurch die Bildung großer Korngrößen. Gesteuert werden die Drehzahlen der Motoren 13 in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Hydrat/Anhydrat-Gemisches durch die Steuereinrichtung 4. Durch diese Ausbildung wird die summarische Oberfläche und damit die Kontaktfläche zwischen den Wandungen der Behälterkammern 16 und dem erhitzten Thermoöl vergrößert. Die Zeit für den Speichervorgang durch schnelleren Wasserentzug des Hydrates wird so verringert und dadurch die Energieverluste gesenkt. Erforderliche Energieausgleiche können bei Bedarf schneller vorgenommen werden. Für die Aufnahme des kondensierten Wassers beim Wasserentzug dient ein an sich bekanntes Auffangbehältnis 15. Die Wandungen der Behälterkammern 16 bestehen aus Materialien mit guten Wärmeleitfähigkeiten und sind wärmeleitend untereinder verbunden. Gesteuert wird die Zuführung des Wassers in Abhängigkeit vom Energiebedarf der angeschlossenen Energieabnehmer und der von der Sensoreinrichtung 7 erfassten Temperatur des Brauchwassers bzw. der Heizeinrichtungen mittels der Steuereinrichtung 4.
- Insbesondere bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung in Gebieten mit intensiver bzw. langanhaltender Sonneneinstrahlung kann für die Nutzung der Sonnenenergie eine unmittelbare Verbindung zwischen den solarthermischen Einrichtungen und den Speichermodulen 8 bzw. Behältern 6 effektiv eingesetzt werden. Zur Anwendung kommen dafür Lichtleitsysteme, deren Lichtausttittsflächen unmittelbar unterhalb der Speichermodule 8 und/oder Behälter 6 (Hydrat/Anhydratmodule) angeordnet und für deren Heizung genutzt werden. Das auftreffende Licht wird mittels eines oder mehrerer Parabolspiegel aufgefangen und die Lichtstrahlen durch ein im Brennpunkt angeordnetes optischen System (Sammellinsen, Prismen) zentriert. Über das zugeordnete Lichtleitsystem werden die zentrierten Lichtstrahlen dann zu den Speichermodulen 8 und/oder Behältern 6 geleitet. Die ansonsten erforderlichen Heizungseinrichtungen können entfallen und die bei diesen auftretenden Energieverluste verhindert werden.
- In der
Figur 4 ist die schematische Anordnung der Solarkollektoren 1 wiedergegeben. Bei dieser Anordnung ist der der Sonnenstrahlrichtung zugewandten Fläche der Solarkollektoren 1 ein als optisches Sammellinse 17 ausgebildetes Linsensystem zugeordnet. Mittels der Sammellinse 17 wird die Sonnenstrahlung (Pimärstrahlung) gebündelt und zu den Kollektorröhren geleitet. Nach der Erwärmung des Thermoöles werden die entstehenden IR-Sekundärstrahlen von dem Parabolspiegel 18 wieder zurück durch das Thermoöl zum IR-Reflektor 19 und dann erneut in das Kollektorsystem geleitet. Dazu ist der Parabolspiegel 18 auf der Innenfläche mit einer die Wärmestrahlung spiegelnden Beschichtung versehen. Der Reflektor 19 ist im Brennpunkt des Parabolspiegels 18 auf der Oberfläche der Sammellinse 17 angeordnet. Die vom Parabolspiegel 18 kommenden Strahlen werden vom IR-Reflektor 19 konzentriert wieder zu den Solarkollektoren 1 gelenkt und ebenfalls für die Erwärmung des Thermoöles genutzt. Um den Erwärmungseffekt weiter zu erhöhen, wird seitlich neben den Solarkollektoren 1 eine Spiegelanordnung 20 angebracht, die darauf auftreffende Sonnenstrahlen zur Sammellinse 17 ablenkt.
Claims (15)
- Verfahren zur reversiblen Energiespeicherung innerhalb regenerativer Energieversorgungssysteme unter Anwendung von Hydraten, dadurch gekennzeichnet, dassa) der für die Energiespeicherung erforderliche Entzug der Kristallwassermoleküle der Hydrate bei einer Temperatur durchgeführt wird, die für die Bildung der jeweiligen Anhydrate erforderlich ist und die Energiezufuhr für die Konstanthaltung der Temperatur durch regenerative Energiequellen erfolgt,b) zwecks Bildung der für eine optimale Hydratation erforderlichen kleinen Korngröße der ernergiespeichernden Anhydrate heim thermischen Wasserentzug der Hydrate gleichzeitig Bewegungsenergie zugeführt wird und/oder die Hydrate durch Röhren, die einen den Korngrößen entsprechenden Querschnitt aufweisen, eines Durchflusssystems geleitet werden undc) die Energierückgewinnung aus den energiespeichernden Anhydraten durch eine zur Energierückgewinnung erforderliche Zuführung und/oder Rückführung von Wasser innerhalb des Energicversorgungssystems in Abhängigkeit vom jeweilig vorhandenen Energiebedarf gesteuert wird.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Zuführung der Hydratmenge mittels Erfassung des Farbwertes des Hydrates und/oder Anhydrates erfolgt.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Bewegungsenergie durch einen auf die wasserhaltigen Hydrate erzeugten Strömungsdruck in Kombination mit einer Vergrößerung der reagierenden Oberfläche der Hydrate bei Durchführung des thermischen Wasserentzuges erfolgt.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mengenmäßige Speicherung und/oder Rückführung des Anhydrates und die Steuerung der Wasserzuführung in Abhängigkeit von der Temperatur des Brauchwassers und/oder der Heizungsanlage und/oder der Energieabnahme durch die elektrischen Energieabnehmer des Encrgieversorgungssystems erfolgt.
- Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den regenerativen Energiequellen (1; 2; 3) Speichermodule (8) zugeordnet sind, die über ein die Temperatur des Wärmeenergie tragenden Mediums und einer die Zufuhr von Wasser zu den Anhydraten steuernden zentralen Steuereinrichtung (4) mit einer die Temperatur des Brauchwassers und der Heizungsanlagen erfassenden Sensorcinrichtung (7) verbunden sind.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Behältern (6) mit wasserhaltigen Hydrat und Anhydrat jeweils ein Farbsensor (10) zugeordnet ist und diese über die Steuereinrichtung (4) mit einer den Wasserzufluss über mit den Behältern (6) verbundenen Wasserleitungen (11) steuernden Ventileinrichtung (12) verbunden sind.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Hydrat/Anhydrat-Behältern (6) jeweils eine die Drehbewegung des Behälters (6) steuerbare Umwälzpumpe funktionell zugeordnet ist.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermodul (8) eine wärmespeichernde Wandung (14) aufweist, in der eine zur Vorerwärmung des wärmespeichernden Mediums auf> 200 °C dienende Heizeinrichtung (9) eingebracht ist.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (6) zwecks Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem wärmespeichernden Medium und der Wandung des Behälters (6) wärmeleitend untereinander verbundene Behälterkammern (16) aufweist.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Wärmeenergie tragende Medium zwecks Erhöhung der Wärmespeicherkapazität Nanopartikel aufweist.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Speichermodule (8) ein ebenfalls vom Wärmeenergie tragenden Medium durchflossenes und mengenmäßig steuerbares Röhrensystem angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die röhrenförmig ausgebildeten Behälter (6) auf ihrer Außenseite aufgedampfte Heizleiter aufweisen.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Solareinrichtungen zwecks Weiterleitung der empfangenen, durch optische Systeme zentrierte Lichtstrahlen mittels Lichtleiter mit den Speichermodulen (8) und/oder Bchälter (6) verbunden sind.
- Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zur Anwendung kommenden regenerativen Energiequellen als Sonnenkollektor (1) ausgebildet ist, bei dem der der Sonnenstrahlrichtung zugewandten Fläche ein als optische Sammellinse (17) ausgebildetes Linsensystem zugeordnet ist und der der Sonnenstrahlrichtung abgewandten Fläche des Sonnenkollektors (1) ein die Wärmestrahlen reflektierender Parabolspiegel (18) zugeordnet ist sowie im geometrischen Brennpunkt des Parabolspiegels (18) cin auf und/oder innerhalb der Sammellinse (17) positionierter, die Wärmestrahlen reflektierender Reflektor (19) angeordnet ist.
- Vorrichtung nach den Patentansprüchen 5 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich des Sonuenkollektors (1) eine die auftreffenden Sonnenstrahlen auf die Sammellinse (17) ablenkende Spiegelanordnung (20) angebracht ist.
Bezugszeichen1 Sonnenkollektor2 Photovoltaik3 Windenergieanlage4 Steuereinrichtung5 Ölleitung6 Hydrat/ Anhydratbehälter7 Sensoreinrichtung8 Speichermodul9 Heizeinrichtung10 Farbsensor11 Wasserleitung12 Ventileinrichtung13 Motor14 Wandung15 Auffangbehältnis16 Behälterkammer17 Sammellinse18 Parabolspiegel19 Reflektor20 Spiegelanordnung
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