ES2899259T3 - Acumulador de energía para almacenar energía eléctrica como calor y método para este fin - Google Patents

Abstract

Un almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica como energía térmica, que comprende: - un calentador eléctrico (10) para convertir energía eléctrica en energía térmica; - un dispositivo de almacenamiento de calor (20) para almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10), en donde el dispositivo de almacenamiento de calor (20) comprende una pluralidad de barras metálicas (21) que están dispuestas en posición vertical y sirven para almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10); y - un intercambiador de calor (30) para producir energía térmica desde el dispositivo de almacenamiento de calor (20); caracterizado porque el dispositivo de almacenamiento de calor (20) comprende además: - una base (25); y - una pluralidad de unidades de soporte (23), en donde cada unidad de soporte (23) soporta una de las barras metálicas (21) y está conectada con la base (25).

Description

DESCRIPCIÓN

Acumulador de energía para almacenar energía eléctrica como calor y método para este fin

[0001] Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica en forma de energía térmica según el preámbulo de la reivindicación 1.

[0002] En un segundo aspecto, la invención se refiere a un método para operar un almacenamiento de energía en donde la energía eléctrica se puede almacenar como energía térmica y se puede producir energía térmica, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 15.

[0003] Los almacenamientos de energía para energía eléctrica son de inmensa relevancia económica. En particular, debido al aumento de la cosecha de energía solar y eólica, las cantidades producidas de energía eléctrica varían significativamente con el tiempo. Esto conduce temporalmente a importantes excedentes de energía eléctrica que en la actualidad no se pueden almacenar de manera eficiente o solo en una pequeña parte. Los almacenamientos electroquímicos (baterías) ofrecen solo pequeñas capacidades de almacenamiento a pesar de los altos costes. Se pueden almacenar grandes cantidades de energía en forma de calor. Se espera que dichos almacenamientos de energía jueguen un papel decisivo en un mayor uso económico de las fuentes de energía regenerativa. La capacidad de almacenamiento de energía debería aumentar con la fracción de energía solar y eólica de la cantidad total de energía eléctrica producida en un país.

[0004] El solicitante describe depósitos de energía genéricos, por ejemplo, en los documentos EP 3139 108 A1 o EP 3 139 107 A1. Un almacenamiento de energía genérico para almacenar energía eléctrica como energía térmica comprende:

- un calentador eléctrico para convertir energía eléctrica en energía térmica;

- un almacenamiento de calor para almacenar la energía térmica del calentador eléctrico; y

- un intercambiador de calor para la salida de energía térmica del almacenamiento de calor.

[0005] Un método para operar un almacenamiento de energía en donde la energía eléctrica se puede almacenar en forma de energía térmica y se puede generar energía térmica, y de manera similar comprende al menos los siguientes pasos:

- conversión de energía eléctrica en energía térmica mediante un calentador eléctrico;

- almacenar energía térmica del calentador eléctrico con un almacenamiento de calor; y

- salida de energía térmica del almacenamiento de calor con un intercambiador de calor.

[0006] El almacenamiento de calor puede ser un cuerpo metálico que se calienta en un amplio intervalo de temperaturas para almacenar energía térmica, por ejemplo, desde la temperatura ambiente hasta una temperatura cercana al punto de fusión del cuerpo metálico, por ejemplo 600°C. El cuerpo de metal experimenta expansiones térmicas significativas debido a estos fuertes cambios de temperatura. Las expansiones térmicas pueden provocar tensiones mecánicas de los componentes vecinos del almacenamiento de energía. Un problema de los almacenamientos de energía convencionales reside en cómo limitar las tensiones debidas a la expansión térmica de los componentes a bajo coste y con un diseño particularmente sencillo.

[0007] El documento WO 2010/070704 A1 describe un acumulador de calor que comprende aceite y un material con una capacidad calorífica específica más alta que el aceite como medio de almacenamiento de calor. El acumulador de calor puede comprender en particular barras metálicas y un calentador eléctrico. El documento JP 2006 002976 A describe un acumulador de calor en donde un material de almacenamiento de calor está en contacto con un material de transferencia de calor que se forma a través de un metal poroso.

[0008] Puede considerarse un objeto de la invención proporcionar un almacenamiento de energía en donde la tensión térmica sea particularmente pequeña y, al mismo tiempo, una construcción sea particularmente rentable y permita un almacenamiento y una producción de energía eficientes. Además, se describirá un método correspondiente para operar un almacenamiento de energía.

[0009] Este objeto se logra con el almacenamiento de energía que comprende las características de la reivindicación 1 y con el método que tiene las características de la reivindicación 15.

[0010] Las variantes ventajosas del almacenamiento de energía y el método de la invención están sujetas a las reivindicaciones dependientes y también se explican en la siguiente descripción.

[0011] Un almacenamiento de energía como se describió anteriormente comprende, según la invención, al menos lo siguiente:

- una pluralidad de barras metálicas dispuestas en posición vertical y para almacenar energía térmica del calentador eléctrico;

- una base

- varias unidades de soporte, en las que cada unidad de soporte sostiene una de las barras metálicas y está acoplada/conectada a la base.

[0012] Según la invención, en el método del tipo mencionado anteriormente, el almacenamiento de calor comprende al menos:

- una pluralidad de barras metálicas dispuestas en posición vertical y para almacenar energía térmica del calentador eléctrico;

- una base

- varias unidades de soporte, en las que cada unidad de soporte sostiene una de las barras metálicas y está acoplada/conectada a la base.

[0013] Debido al diseño de la invención, los efectos de las expansiones térmicas son ventajosamente pequeños. En la técnica anterior, normalmente se usa un cuerpo grande como almacenamiento de calor, por ejemplo, una placa de metal. Las expansiones en una dirección horizontal, es decir, transversales o perpendiculares a una dirección de gravedad, pueden ser problemáticas con tales placas. El diseño de la invención ofrece ventajas al formar un acumulador de calor con una pluralidad de barras metálicas. Las barras metálicas tienen un eje longitudinal dispuesto en posición vertical, es decir, en dirección vertical o en una dirección de gravedad. Preferiblemente, las barras metálicas están libres hacia arriba, es decir, no se sujetan ni se fijan de manera que una expansión térmica en la dirección de la gravedad no presente problemas. La expansión en dirección horizontal es pequeña ya que el diámetro de las barras metálicas es considerablemente menor que su longitud en la dirección de la gravedad, por ejemplo, la longitud es al menos 5 veces o al menos 10 veces mayor que el diámetro. En caso de que las barras metálicas tengan una sección transversal angular, se puede considerar que el diámetro es su dimensión más grande en su plano de sección transversal. Las barras metálicas están espaciadas entre sí de modo que una expansión térmica al calentar las barras metálicas simplemente disminuye el espacio entre las barras metálicas, sin embargo, la dimensión general en las direcciones de la sección transversal, es decir, el área cubierta por las barras metálicas más externas o por las barras metálicas más alejadas entre sí, es básicamente constante, a pesar de la expansión térmica. Esto es particularmente importante para la base que lleva las barras metálicas (a través de las unidades de soporte). La base no está expuesta a ninguna tensión mecánica cuando las barras metálicas se expanden térmicamente. Para una expansión térmica de la base, las unidades de soporte son relevantes. La unidad de soporte aísla al menos parcialmente la base de las barras metálicas de modo que la base se calienta en menor medida y más lentamente por las barras metálicas en comparación con el caso de que las barras metálicas estuvieran en contacto directo con la base. En diseños de la técnica anterior, especialmente una expansión térmica de la base es muy problemática.

[0014] Mediante el uso de unidades de soporte entre las barras metálicas y la base, es posible un diseño muy simple de las unidades de soporte, permitiendo que sus masas y costes sean bajos. Además, las barras metálicas se pueden fabricar de manera muy rentable. Las barras metálicas también pueden denominarse barras o palanquillas. Excepto por el contacto con la unidad de soporte, las barras metálicas permanecen libres en el espacio y, por lo tanto, son posibles mayores tolerancias en la forma y las dimensiones de las barras metálicas. Además, apenas se necesita una etapa de fresado para formar las barras metálicas. Para otras formas, en particular en caso de que el almacenamiento de calor se conecte directamente con la unidad de calentamiento eléctrico o los tubos del intercambiador de calor, los costes de molienda o conformación son considerablemente más altos y pueden superar con creces los costes de material del almacenamiento de calor.

[0015] Las barras o barras metálicas pueden tener una forma cilíndrica con una forma de sección transversal en principio arbitraria. Por ejemplo, su sección transversal puede ser circular o rectangular, lo que permite una fácil producción. Las barras metálicas forman la parte del acumulador de calor que sirve para almacenar energía térmica. Es decir, al menos el 60 % o al menos el 80 % de la energía térmica que se recibe durante el funcionamiento por el almacenamiento de energía se almacena en las barras metálicas, mientras que las partes restantes de la energía se distribuyen, por ejemplo, entre las unidades de soporte o el intercambiador de calor. Alternativamente, la capacidad calorífica de las barras metálicas puede ser así al menos el 60 % o al menos el 80 % de la capacidad calorífica del almacenamiento de calor total.

[0016] Para mantener baja la transferencia de calor de las barras metálicas a la base, las barras metálicas pueden estar separadas de la base, es decir, no contactan directamente con la base. Preferiblemente, un contacto se proporciona únicamente a través de las respectivas unidades de soporte. El coeficiente de transferencia de calor del material de las unidades de soporte es preferiblemente menor que el coeficiente de transferencia de calor del material de las barras metálicas. Por ejemplo, se puede usar acero inoxidable para las unidades de soporte y otro acero, es decir, no acero inoxidable, se usa para las barras metálicas. Cada barra metálica está soportada preferiblemente por su respectiva unidad de soporte y, por lo tanto, cada unidad de soporte lleva exactamente una barra metálica. Una unidad de soporte consta preferiblemente de un cuerpo integral, por lo que los efectos de la expansión térmica son menos problemáticos. Por tanto, la unidad de soporte consiste en un material homogéneo con un coeficiente de transferencia de calor que debería ser (como se describe) menor que el coeficiente de transferencia de calor de la barra metálica, que preferiblemente también es un cuerpo integral formado por un material homogéneo. Sin embargo, alternativamente también son factibles unidades de soporte que están conectadas directamente entre sí y, por lo tanto, forman un andamio que lleva varias barras metálicas. En este caso, una pluralidad de barras metálicas puede ser soportada por una unidad de soporte o una pluralidad de unidades de soporte sirven para soportar una barra metálica.

[0017] El material de las barras metálicas debe tener una capacidad calorífica específica preferiblemente alta que sea preferiblemente mayor que la capacidad calorífica específica de las unidades de soporte o de la base.

[0018] La separación de las barras metálicas de la base por medio de las unidades de soporte reduce el calentamiento de la base y de las partes de la unidad de soporte respectiva que está directamente al lado de la base, por lo que las expansiones térmicas en la base no deberían ser problemáticas. Además, también se puede elegir un material de las unidades de soporte y un material de la base de manera que sus coeficientes de expansión térmica difieran entre sí en como máximo un 10 %, preferiblemente como máximo un 5 %. Por el contrario, el valor exacto de los coeficientes de expansión térmica de las barras metálicas es menos relevante ya que las barras metálicas pueden expandirse sustancialmente libremente. Los materiales para las barras metálicas, las unidades de soporte y la base pueden, por lo tanto, elegirse de manera que los coeficientes de expansión térmica de los materiales de las unidades de soporte y de la base estén más próximos entre sí que los coeficientes de expansión térmica de los materiales de las barras metálicas y la base.

[0019] El coeficiente de expansión térmica puede entenderse como un cambio de longitud debido a un aumento de temperatura de 1 °C, en particular de 20°C a 21 °C.

[0020] La base puede definir un área de suelo por encima de la cual se sujetan las barras metálicas por medio de las unidades de soporte. El ancho y la longitud del área del suelo pueden ser al menos tan grandes como el área que se extiende/cubre con las barras metálicas. Esto asegura un soporte seguro. La base puede consistir en un cuerpo duro para asegurar ciertas distancias y disposiciones de las barras metálicas entre sí, que pueden ser relevantes con respecto a una disposición precisa del intercambiador de calor y del calentador eléctrico con respecto a las barras metálicas. La base puede consistir en particular en hormigón o puede comprender hormigón. Las unidades de soporte están preferiblemente encerradas o empotradas en la base, por lo que en particular se mantienen en hormigón, lo que proporciona un montaje seguro y rentable.

[0021] Cada unidad de soporte puede ser una tubería (exactamente una tubería) o puede comprender una o varias tuberías. La tubería puede ser hueca y, por lo tanto, la masa de la tubería es menor y, por lo tanto, se reduce la transferencia de calor hacia la base. Sin embargo, el tubo también puede estar formado por una varilla que no sea hueca. La tubería puede tener una sección transversal más pequeña que la barra metálica que lleva. Esto también reduce la transferencia de calor a la base.

[0022] Un extremo inferior de una tubería está asegurado en la base, preferiblemente incrustado en hormigón. Un extremo superior de la tubería puede extenderse en una abertura de recepción que cada barra metálica puede comprender en su respectivo extremo inferior de modo que la barra metálica respectiva esté soportada por la tubería (o más general: por la unidad de soporte que sobresale en la abertura de recepción). Una sección transversal de la abertura de recepción puede ser mayor que una sección transversal del extremo superior de la tubería de modo que se forme un espacio, en particular a temperatura ambiente o a 20°C. Si el coeficiente de expansión térmica de la barra metálica es mayor que el coeficiente de expansión térmica de la tubería, el espacio puede garantizar que la tubería no se dañe cuando la barra metálica se expanda térmicamente. Para garantizar todavía el soporte, la abertura de recepción es suficientemente profunda, con una profundidad en particular al menos tres veces, preferiblemente al menos cuatro veces mayor que el diámetro de la abertura de recepción. Debido a las diferentes expansiones térmicas, puede ser preferible simplemente colocar la barra metálica (en particular con su abertura de recepción) sobre la unidad de soporte y no asegurarla más, en particular no atornillarla ni soldarla. Alternativamente, se puede omitir un espacio que aumenta la presión de la barra metálica en la tubería cuando se calienta.

[0023] Al sostener la barra metálica por encima de su abertura de recepción y el tubo que sobresale de la unidad de soporte, es posible que una circunferencia exterior de cada barra metálica esté libre y no se apoye en las unidades de soporte. Ventajosamente, la barra metálica se puede expandir libremente hacia afuera sin que se produzcan tensiones, por ejemplo, en la unidad de soporte. Como la circunferencia exterior de la barra metálica es mayor que la circunferencia interior en la abertura receptora, las dilataciones térmicas en la circunferencia exterior son más relevantes y conllevarían problemas más graves con respecto a una unidad de soporte que bordea la circunferencia exterior.

[0024] Una multitud de barras metálicas, por ejemplo al menos 20 o 30, pueden estar dispuestas una al lado de la otra en la misma base. Las barras metálicas pueden disponerse en varias filas una al lado de la otra y pueden alinearse con sus ejes longitudinales paralelos entre sí.

[0025] Para una transferencia de calor eficiente, puede ser preferible que las barras metálicas estén muy cerca una de la otra. De esta forma, una gran fracción de la radiación térmica emitida por el calentador eléctrico incide sobre las barras metálicas. Además, una disposición cercana facilita el empleo de una tubería de intercambiador de calor simultáneamente para varias barras metálicas. No obstante, es preferible que una distancia entre las barras metálicas tenga en cuenta su expansión térmica. Por lo tanto, puede estar previsto que la distancia de las barras metálicas vecinas de una fila sea mayor que la expansión térmica experimentada por las barras metálicas vecinas en la dirección de la fila si se calienta de 20°C a una temperatura 100°C por debajo de su temperatura de fusión, y que esta distancia es menor que cinco veces la expansión térmica mencionada. Una temperatura en la región de 100°C por debajo de la temperatura de fusión de la barra metálica o la unidad de soporte ofrece un margen de seguridad suficientemente grande durante el funcionamiento para descartar la fusión. Además, se descarta un contacto no deseado entre las barras metálicas en un amplio intervalo de temperatura. La expansión térmica indicada anteriormente se puede definir alternativamente para calentar desde 20°C hasta un límite superior de un intervalo de temperatura que se usa en el funcionamiento del almacenamiento de calor.

[0026] El intercambiador de calor puede comprender varios tubos intercambiadores de calor a través de los cuales se transporta o bombea un fluido. El fluido puede ser, por ejemplo, agua. De forma más general, se puede utilizar como fluido un líquido o un vapor. Los tubos del intercambiador de calor pueden extenderse entre las barras metálicas y separados de las barras metálicas. Por tanto, se produce una transferencia de calor desde las barras metálicas a los tubos intercambiadores de calor y al fluido contenido en ellos por medio de la radiación térmica de las barras metálicas. Además, una cierta transferencia de calor se efectúa mediante gas entre las barras metálicas y los tubos del intercambiador de calor, es decir, a través del flujo de aire de convección de gas calentado. Sin embargo, no se produce transferencia de calor por conducción de calor dentro de un cuerpo sólido que acoplaría directamente las barras metálicas y los tubos del intercambiador de calor.

[0027] El calentador eléctrico puede comprender varios elementos calefactores dispuestos entre las barras metálicas y distanciados de las barras metálicas. El calor se transfiere desde los elementos calefactores a las barras metálicas de forma análoga a la transferencia de calor descrita anteriormente a los tubos del intercambiador de calor.

[0028] Los tubos del intercambiador de calor y/o los elementos calefactores pueden disponerse de forma móvil con respecto a las barras metálicas para permitir una expansión térmica variable entre ellos. Para ello, ni los tubos del intercambiador de calor ni los elementos calefactores están conectados o acoplados de forma fija con las barras metálicas o con las unidades de soporte. En principio, los tubos del intercambiador de calor y/o los elementos calefactores pueden estar conectados con la base, ya que la base se expande térmicamente solo ligeramente. Para lograr que la expansión térmica de los tubos intercambiadores de calor y/o los elementos calefactores no sea problemática, preferiblemente se apoyan o suspenden de manera móvil, en donde su suspensión no está conectada con las barras metálicas o las unidades de soporte. La suspensión puede fijarse en la base o en un soporte que no esté conectado rígidamente con la base.

[0029] Las barras metálicas pueden estar dispuestas en varias filas y pueden formar, en particular, un patrón de tablero de ajedrez. Sin embargo, se puede preferir que una distancia de fila entre filas vecinas de barras metálicas sea mayor que una distancia de barras metálicas contiguas dentro de una fila. De esta manera, se forma un espacio libre entre las filas, y se puede disponer un intercambiador de calor o un calentador eléctrico en el espacio libre. Pueden disponerse tubos intercambiadores de calor entre algunas de las filas de barras metálicas, y los elementos calefactores pueden disponerse entre otras filas de barras metálicas. Puede ser preferible disponer los tubos intercambiadores de calor y los elementos calefactores alternativamente en los espacios libres, es decir, en el siguiente orden: una fila de barras metálicas, elementos calefactores, una fila de barras metálicas, tubos intercambiadores de calor, una fila de barras metálicas, elementos calefactores, etc. Los tubos del intercambiador de calor pueden extenderse horizontalmente entre las filas de barras metálicas o con una pendiente menor al 10 %. Por tanto, los tubos del intercambiador de calor son perpendiculares a las barras metálicas o en un ángulo entre 80° y 100°. De esta manera, un tubo intercambiador de calor se extiende a lo largo de varias barras metálicas y recibe energía térmica de todas estas barras metálicas.

[0030] En cada caso, pueden disponerse varios tubos intercambiadores de calor uno encima del otro y espaciados entre sí en capas de diferentes alturas. Los tubos del intercambiador de calor reciben así energía térmica que se emite a la altura de las barras metálicas vecinas. Por ejemplo, las capas de altura en las que se disponen los tubos del intercambiador de calor pueden abarcar al menos el 70 % de la altura de las barras metálicas. Se puede proporcionar una bomba para cada capa de altura, respectivamente, o alternativamente, los tubos del intercambiador de calor de varias capas de altura se pueden suministrar a través de un divisor de flujo al que se conecta una sola bomba. Para extraer de manera uniforme el calor de las barras metálicas, en particular, se pueden proporcionar una o varias bombas para transportar fluido a través de los tubos del intercambiador de calor y dispuestas de manera que las direcciones de flujo del fluido sean opuestas entre sí en los tubos del intercambiador de calor que están uno encima del otro. Los tubos intercambiadores de calor dispuestos uno encima de otro pueden así extenderse en paralelo, en donde las direcciones de flujo son antiparalelas dentro de los tubos intercambiadores de calor que están dispuestos uno encima del otro.

[0031] No es necesario que el intercambiador de calor comprenda tubos intercambiadores de calor que se extienden entre las barras metálicas. En cambio, un medio de transferencia de calor del intercambiador de calor también puede fluir libremente entre las barras metálicas y puede entrar en contacto con las barras metálicas. El intercambiador de calor puede comprender un ventilador a través del cual se transporta gas como medio de transferencia de calor a lo largo de las barras metálicas. Puede entenderse que un ventilador comprende cualquier unidad con la que se pueda acelerar un gas, por ejemplo un compresor o un ventilador. Puede proporcionarse una carcasa que encierre el calentador eléctrico y el almacenamiento de calor, en particular hermético al aire. El intercambiador de calor puede comprender un tubo de entrada en una región inferior de la carcasa para introducir gas a calentar en la región inferior de la carcasa, en particular en un área debajo de las barras metálicas. El intercambiador de calor puede comprender un tubo de salida en una región superior de la carcasa para permitir que el gas caliente salga de la región superior de la carcasa. De manera más general, las regiones superior e inferior pueden entenderse de manera que la región superior esté por encima de la región inferior. Sin embargo, si adicionalmente la entrada de gas en la carcasa que está formada por el tubo de entrada está por debajo de las barras metálicas de modo que el gas de entrada llegue primero a las unidades de soporte, entonces las unidades de soporte se enfrían mediante el gas relativamente más frío. Esto es ventajoso para reducir el calentamiento de la base y las expansiones térmicas así provocadas. El tubo de salida y, por tanto, una salida de gas de la carcasa pueden disponerse ventajosamente por encima de las barras metálicas. Esto es ventajoso para un flujo uniforme de los gases a través de la carcasa: por encima de las barras metálicas, la carcasa proporciona un espacio sustancialmente libre de obstáculos al flujo, de modo que aquí existe una presión básicamente uniforme; las barras metálicas están próximas entre sí y, por lo tanto, actúan como un obstáculo para el flujo/actúan como un acelerador que provoca una caída de presión; las unidades de soporte están más espaciadas entre sí que las barras metálicas y forman así una zona inferior que tiene una presión básicamente común. Cuando se introduce gas en esta región inferior que tiene una presión aproximadamente uniforme, se produce una caída de presión hacia arriba al espacio sobre las barras metálicas debido a las barras metálicas, en donde existe una presión aproximadamente uniforme en dicho espacio sobre las barras metálicas; esto significa que el gas sube aproximadamente uniformemente entre todas las barras metálicas y no solo cerca de la entrada de gas en la carcasa. Por lo tanto, la disposición de la entrada de gas y la salida de gas es importante para lograr una salida de calor uniforme de todas las barras metálicas al gas que pasa por ellas.

[0032] El intercambiador de calor puede formar un circuito cerrado en donde circula el gas. Preferiblemente, se puede usar un gas inerte o una mezcla de gases como gas. En particular, esto puede entenderse como una mezcla de gases sin oxígeno. Esto mantiene bajo el peligro de corrosión de las barras metálicas y del calentador eléctrico.

[0033] En el circuito cerrado del intercambiador de calor, se puede proporcionar un segundo intercambiador de calor que emite energía térmica a un segundo circuito de fluido. Preferiblemente, el ventilador del intercambiador de calor puede disponerse fuera de la carcasa para evitar estar sometido a las altas temperaturas dentro de la carcasa. Preferiblemente, el ventilador está así dispuesto entre el segundo intercambiador de calor y el tubo de entrada.

[0034] En funcionamiento, la temperatura del almacenamiento de calor varía considerablemente y puede ser, por ejemplo, de 20°C o 600°C, según el estado de carga. Por tanto, la temperatura del gas como medio de transferencia de calor depende en gran medida del estado de carga del acumulador de calor. Se debe evitar una presión de aire o gas demasiado alta a una temperatura de gas alta. Para ello, el circuito cerrado del intercambiador de calor puede comprender un volumen de expansión cuyo tamaño aumenta con la presión. Esto puede efectuarse, por ejemplo, a través de una pared móvil que opcionalmente puede estar desviada (p. ej., un resorte empuja la pared móvil contra el gas encerrado). Con el aumento de la temperatura del gas, la pared móvil se mueve por el aumento de la presión del gas de modo que la presión del gas no se vuelve excesivamente alta con el aumento de la temperatura del gas.

[0035] Los elementos calefactores entre las filas de barras metálicas pueden abarcar una altura que corresponda al menos al 70 % de la altura de las barras metálicas y pueden abarcar una longitud que se extienda por toda la longitud de las filas vecinas de barras metálicas. Esto proporciona un calentamiento muy uniforme de las barras metálicas.

[0036] Un elemento calefactor puede diseñarse en principio de forma arbitraria siempre que convierta la energía eléctrica de forma bastante completa en energía térmica, por ejemplo, al menos el 80 % de la misma. Los elementos calefactores pueden funcionar en particular según el principio resistivo, es decir, una corriente eléctrica fluye a través de los elementos calefactores calentándolos así debido a su resistencia eléctrica. Un elemento calefactor puede comprender, por ejemplo, barras metálicas que se extienden helicoidalmente o serpenteando o una placa metálica en donde se muelen los huecos o espacios o se proporcionen por otros medios (p. ej., mediante corte por láser) de modo que las partes restantes de la placa metálica tengan una forma serpenteante, es decir, un carril serpenteante o una forma de serpentina. La resistencia eléctrica del metal, por ejemplo el acero, se utiliza para calentar el metal. Con este fin, el carril serpenteante o carril puede estar provisto de terminales eléctricos en los que se puede aplicar un voltaje.

[0037] Puede estar previsto que entre dos filas de barras metálicas del acumulador de calor se disponga sólo un elemento calefactor como se describe anteriormente.

[0038] Se puede disponer un elemento calefactor en forma de placa entre las filas de barras metálicas del almacenamiento de calor de manera que la placa de metal esté en posición vertical, es decir, un lado largo de la forma de la placa y no su dirección de la dimensión más corta (que puede denominarse espesor/resistencia de la placa de metal) se alinea con la dirección longitudinal de las barras metálicas. Debido a la disposición vertical, una gran parte de la energía térmica emitida por la placa de metal llega a las barras metálicas del almacenamiento de calor, mientras que solo una fracción más pequeña de la radiación de calor que se emite en las caras laterales delgadas de las placas de metal se irradia en otras direcciones en las que no se disponen barras metálicas.

[0039] Se pueden alimentar altos niveles de potencia, por ejemplo, hasta 8 MW, al almacenamiento de energía a través de los elementos calefactores.

[0040] El diseño de un elemento calefactor en forma de meandro debe evitar que las deformaciones (p. ej., debido al peso del elemento calefactor o por expansión térmica) den como resultado que las partes vecinas de la forma de meandro entren en contacto entre sí. Pueden emplearse barras de sujeción para este propósito que están conectadas con las secciones de forma serpenteante y las mantienen en una relación definida entre sí. Un carril (es decir, una fila o una sección de varilla) con forma de meandro se puede considerar como una sección con forma de meandro. Preferiblemente, cada raíl se extiende en la dirección de la gravedad (paralela a las barras metálicas) de modo que las diversas secciones de raíl se encuentran contiguas entre sí en una dirección horizontal. Esto es importante para la estabilidad, suspensión y sujeción de la placa de metal. Puede ser preferible que se forme un elemento de sujeción respectivo, tal como un orificio o un saliente, en una región superior y/o inferior en diferentes, en particular todas las secciones de carril serpenteantes. Para los elementos de sujeción en la región superior o inferior, se proporcionan una o más barras de sujeción que comprenden formas de sujeción (características de sujeción) en posiciones que coinciden con los elementos de sujeción, acoplando las formas de sujeción con los elementos de sujeción. Si los elementos de sujeción están formados como agujeros o rebajes, las formas de sujeción pueden formarse como protuberancias o ganchos, o viceversa. De esta manera se puede sujetar una placa de metal y se garantiza una distancia entre las secciones de barra serpenteantes. En particular, se puede proporcionar una barra de sujeción que está conectada con los elementos de sujeción en la región superior (dicha barra de sujeción se extiende así horizontalmente), mientras que una segunda barra de sujeción está conectada con los elementos de sujeción en la región inferior y, por lo tanto, también se extiende horizontalmente.

[0041] Las barras de sujeción están aisladas eléctricamente al menos en sus superficies para evitar un contacto eléctrico indeseado entre los carriles serpenteantes y también entre la placa metálica y un elemento vecino (p. ej., el acumulador de calor).

[0042] Para cada elemento calefactor se puede proporcionar una suspensión respectiva que se coloca, como se ve en una dirección horizontal, en una región central del elemento calefactor respectivo, donde las regiones exteriores del elemento calefactor en esta dirección horizontal están libres (es decir, no hay suspensión provista en esos lugares) para permitir expansiones térmicas de los elementos calefactores en la dirección horizontal. Un lado inferior de cada elemento calefactor puede sostenerse libremente en el aire (así espaciado para la base ubicada debajo de él) para permitir expansiones térmicas de los elementos calefactores en una dirección vertical. Una suspensión puede estar conectada con una o más barras metálicas centrales del almacenamiento de calor, es decir, un elemento calefactor puede estar sujeto por una o más barras metálicas del almacenamiento de calor. "Central" puede entenderse aquí como el centro de una fila de barras metálicas.

[0043] Alternativamente, también es posible que la suspensión central de un elemento calefactor esté conectada con la base. Esto permite que el elemento calefactor se expanda térmicamente libremente hacia arriba y en direcciones horizontales. Sin embargo, la transferencia de calor a la base puede en este caso ser mayor, lo que hace que la expansión térmica de la base sea más problemática. Por lo tanto, puede ser preferible que la suspensión de los elementos calefactores conduzca a las barras metálicas o a otro andamio que no esté conectado con la base para restringir la transferencia de calor a la base.

[0044] El diseño del calentador eléctrico o su suspensión también puede verse como un concepto inventivo independiente que puede implementarse independientemente del diseño del acumulador de calor descrito anteriormente, es decir, independiente de las barras metálicas, unidades de soporte y la base.

[0045] Las expresiones según las cuales el acumulador de energía comprende un calentador eléctrico, un acumulador de calor y un intercambiador de calor también pueden entenderse de modo que se proporcionen al menos un calentador eléctrico, al menos un acumulador de calor y al menos un intercambiador de calor.

[0046] Las variantes del método de la invención resultan del uso previsto de las características del almacenamiento de energía que se describen como características opcionales.

[0047] A continuación se describen otras ventajas y características de la invención con referencia a las figuras esquemáticas adjuntas en las que:

Fig. 1 muestra una ilustración esquemática en perspectiva de un almacenamiento de calor de un almacenamiento de energía de la invención;

Fig. 2 muestra una vista esquemática en sección transversal de un almacenamiento de energía de la invención;

Fig. 3 muestra un corte longitudinal esquemático de un almacenamiento de energía de la invención;

Fig. 4 muestra una vista en perspectiva de partes de un acumulador de calor de un acumulador de energía de la invención;

Fig. 5 muestra una vista en corte de partes de un almacenamiento de calor de un almacenamiento de energía de la invención;

Fig. 6 muestra otro ejemplo de realización de un acumulador de energía de la invención;

Fig. 7 muestra otro ejemplo de realización adicional de un almacenamiento de energía de la invención;

Fig. 8 muestra un corte horizontal a través del almacenamiento de energía de la Fig. 6 o la Fig. 7;

Fig. 9 muestra un elemento calefactor de un acumulador de energía de la invención;

Fig. 10 muestra un contacto eléctrico de un elemento calefactor de un almacenamiento de energía de la invención; y

Fig. 11 muestra un elemento calefactor de un acumulador de energía de la invención.

[0048] Los componentes similares y que actúan de manera similar se mencionan generalmente en las figuras con signos de referencia comunes.

[0049] La Fig. 1 muestra una vista esquemática en perspectiva de un almacenamiento de calor 20 de una forma de realización ejemplar de un almacenamiento de energía de la invención.

[0050] El almacenamiento de energía comprende, además del almacenamiento de calor 20, un calentador eléctrico (que no se representa aquí) a través del cual se puede introducir energía eléctrica desde el exterior al almacenamiento de energía y almacenarse allí. El calentador eléctrico puede estar conectado a una red eléctrica externa y puede funcionar para consumir energía eléctrica siempre en momentos de un exceso de suministro temporal de energía eléctrica. El calentador eléctrico convierte la energía eléctrica en energía térmica. Esta energía térmica se transfiere al almacenamiento de calor 20 que se describe con más detalle a continuación y se almacena temporalmente allí.

[0051] Para extraer energía térmica del almacenamiento de energía, el almacenamiento de energía comprende un intercambiador de calor que no se muestra en la Fig. 1. El intercambiador de calor y más específicamente un fluido transportado en el intercambiador de calor es calentado por el almacenamiento de calor 20. El fluido calentado es transportado y, en particular, puede utilizarse con fines de calefacción o para generar energía eléctrica. Entonces, con el fluido calentado o con otro fluido de trabajo que es calentado por el fluido calentado, se puede accionar una unidad de motor-generador o una unidad de turbina-generador para generar energía eléctrica.

[0052] El almacenamiento de calor 20 comprende varias barras metálicas 21 que se calientan para almacenar energía térmica. Las barras metálicas 21 están dispuestas en posición vertical, es decir, su dirección longitudinal es paralela a la dirección del campo de gravedad de la Tierra. Cada barra metálica está soportada por una respectiva unidad de soporte 23, en donde la unidad de soporte 23 a su vez está fijada a una base común 25. Todas las barras metálicas 21 están así soportadas por encima de la base común 25.

[0053] Las barras metálicas 21 se calientan fuertemente para almacenar calor, por ejemplo en un intervalo de temperatura de al menos 300°C o al menos 500°C. Para almacenar cantidades de energía particularmente grandes, se puede desear un amplio intervalo de temperatura. Con cambios de temperatura tan grandes, las expansiones térmicas de los componentes calentados se vuelven relevantes. Dado que los diferentes materiales están sujetos a diferentes expansiones térmicas, en principio pueden producirse tensiones o daños entre estos componentes. Según la invención, este peligro se minimiza mediante el diseño del acumulador de calor y la disposición de otros componentes del acumulador de energía.

[0054] Con este fin, es importante el diseño en forma de barra de las barras metálicas o barras metálicas 21 y su disposición vertical: la barra metálica 21 experimenta la expansión térmica más fuerte en valores absolutos en la dirección longitudinal. Sosteniendo las barras metálicas 21 solo en sus extremos inferiores, mientras que las barras metálicas 21 están libres por lo demás, es posible una expansión en la dirección longitudinal sin tensiones a los componentes vecinos. Mediante la disposición vertical es posible sujetar una barra metálica únicamente en su extremo inferior (o en principio en su extremo superior); a diferencia de una disposición horizontal, por ejemplo, no es necesario proporcionar una unidad de soporte en una pluralidad de ubicaciones o en ambos extremos de la barra metálica. En una dirección de la sección transversal, una expansión térmica de la barra metálica no presenta problemas, en particular, si la barra metálica está rodeada en esta dirección solo por aire/gas, como se describe más adelante con más detalle. Además, debido a que la sección transversal de las barras metálicas es relativamente pequeña, una expansión térmica en el plano de la sección transversal es pequeña en valores absolutos.

[0055] Cada unidad de soporte 23 soporta una de las barras metálicas 21. Una combinación de barra metálica 21 y unidad de soporte 23 se muestra en una vista en perspectiva en la Fig. 4. Además, la Fig. 5 muestra un corte longitudinal a través de un área de conexión entre la barra metálica 21 y unidad de soporte 23. Como se muestra, la unidad de soporte 23 puede estar formada por una varilla o un tubo 23. El tubo 23 tiene una sección transversal más pequeña que la barra metálica 21. Esto es útil para montaje y aislamiento térmico. Una sección transversal más pequeña reduce la transferencia de calor a través del tubo 23 hasta la base. Como la base puede formarse integralmente o sin espacios libres, es importante que la base se caliente en menor medida y más lentamente que las barras metálicas.

[0056] La sección transversal más pequeña del tubo 23 puede ser útil si la barra metálica 21 tiene una abertura de recepción o un orificio 22 en su extremo inferior en donde sobresale el tubo 23. De esta manera, la barra metálica 21 puede sujetarse sobre el tubo 23 sin soldarse, atornillarse o conectarse de forma fija entre sí. En cambio, la barra metálica 21 se asienta sobre el tubo 23 y, por lo tanto, las diferentes expansiones de calor no son problemáticas. Para este apilamiento, es ventajosa una disposición vertical de las barras metálicas. Además, el soporte en el orificio receptor 22 tiene el efecto de que una circunferencia exterior de las barras metálicas 21 puede estar libre, es decir, la superficie circunferencial de cada barra metálica 21 está solo al lado del aire o, en particular, no al lado de una unidad de soporte. Esto evita problemas potenciales a través de diferentes expansiones de calor en la circunferencia exterior de las barras metálicas 21.

[0057] Como se sugiere en la Fig. 5, el orificio receptor 22 puede tener una porción de introducción que sea más ancha o ensanchada hacia el extremo de la barra metálica 21. Esta porción de introducción facilita poner la barra metálica 21 y el tubo 23 juntos. Detrás de la porción de introducción, una forma del orificio de recepción 22 corresponde a la forma del tubo 23, en el ejemplo mostrado así cilíndrico con una sección transversal redonda o en principio angular. Un extremo cerrado del orificio receptor 22 que está distanciado del extremo inferior de la barra metálica 21 puede ser ahusado, como se muestra en la Fig. 5. Esta forma es conveniente si un extremo superior del tubo 23 también tiene una sección transversal decreciente hacia el extremo, que es útil para insertar el tubo 23 en la abertura de recepción 22.

[0058] Una longitud de la tubería 23 puede corresponder a entre el 20 % y el 50 %, preferiblemente entre el 25 % y el 45 % de la longitud de la barra metálica 21. Se desea una gran longitud de la tubería 23 para una gran distancia a la base y por lo tanto un aislamiento térmico particularmente bueno para la base. Sin embargo, la estabilidad mecánica de la tubería 23 disminuye con el aumento de la longitud de la tubería, por lo que, en el caso de una tubería de gran longitud, se debe elegir un tamaño de sección transversal de la tubería 23 más grande, lo que a su vez aumenta indeseablemente la transferencia de calor a la base. Por tanto, existe una gama ideal de longitudes de tubería 23, que depende de la barra metálica 21 que se lleve. Si la longitud de la tubería es menor que el 20 % de la longitud de la barra metálica, la distancia a la base es tan pequeña que la transferencia de calor se vuelve indeseablemente alta; con una longitud de tubería superior al 50 % de la longitud de la barra metálica, la transferencia de calor a su vez se vuelve indeseablemente alta debido a un diámetro de tubería necesario mayor.

[0059] En particular, en los casos anteriores, se puede prever que el diámetro de la barra metálica sea entre 1,5 y 2,5 veces el diámetro del tubo.

[0060] La interacción del almacenamiento de calor 20 con otros componentes del almacenamiento de energía se describe a continuación con referencia a la Fig. 2. La Fig. 2 muestra el almacenamiento de energía 100 en una vista en sección transversal (es decir, un corte perpendicular a la dirección de las barras metálicas del acumulador de calor). Las barras metálicas 21 tienen una sección transversal rectangular, preferiblemente cuadrática, en este ejemplo. Las barras metálicas 21 están dispuestas en varias filas 26, 27, 28. Una distancia entre las barras metálicas vecinas 21 dentro de una fila 26, 27, 28 es menor que la distancia entre dos filas contiguas 26, 27 o 27, 28. Esto crea un espacio libre respectivo entre filas vecinas 26, 27, 28. En uno o varios de los espacios libres, se dispone un elemento calefactor respectivo de un calentador eléctrico 10. En uno o varios otros de los espacios libres, están dispuestos tubos de intercambio de calor 31, 32 de un intercambiador de calor 30. El elemento calefactor o los tubos 31, 32 del intercambiador de calor no hacen contacto con las barras metálicas 21.

[0061] El elemento calefactor del calentador eléctrico 10 puede extenderse continuamente sobre toda la longitud o sobre al menos el 80 % de la longitud total de las filas vecinas 27, 28. El elemento calefactor se calienta y, por tanto, emite radiación térmica. Una transferencia de calor desde el calentador eléctrico 10 a las barras metálicas 21 y desde las barras metálicas 21 al intercambiador de calor o los tubos del intercambiador de calor se efectúa a través de la radiación de calor y a través del gas entre ellos, en donde no se proporciona ningún cuerpo de conexión entre los elementos de calentamiento y las barras metálicas 21 o entre las barras metálicas 21 y el intercambiador de calor 30 o los tubos intercambiadores de calor 31, 32, a través de los cuales podría producirse una transferencia de calor. Ventajosamente, las barras metálicas 21, el calentador eléctrico 10 y el intercambiador de calor 30 pueden experimentar expansiones térmicas independientes y diferentes entre sí durante el funcionamiento, sin tensiones entre estos componentes.

[0062] La distancia entre las barras metálicas 21 de una fila 26 es menor que el diámetro de las barras metálicas 21 (o menor que la dimensión de la barra metálica en la dirección de la fila 26). Con una distancia tan pequeña, la radiación de calor emitida por el calentador eléctrico 10 incide sustancialmente por completo en las barras metálicas 21 y pasa por una fila 27 de barras metálicas 21 sólo en pequeña extensión. Esto es importante para una transferencia de calor particularmente eficiente. Además, la radiación de calor que se emite desde las barras metálicas de una fila 26 y que pasa por los tubos 31 del intercambiador de calor, incide en las barras metálicas de la siguiente fila 27 y así la energía térmica emitida no se pierde sino que permanece en el acumulador de calor.

[0063] El elemento de calentamiento eléctrico del calentador eléctrico 10 puede estar formado con uno o más cuerpos metálicos a los que se suministra una corriente eléctrica y que, por tanto, se calientan. Entre diferentes filas de barras metálicas, se puede proporcionar un elemento de calentamiento eléctrico respectivo. En la dirección transversal a las filas (es decir, en los espacios libres entre las diferentes filas), los elementos calefactores eléctricos y los tubos del intercambiador de calor pueden alternar, como se muestra en la Fig. 2.

[0064] En la Fig. 3, se muestra un corte longitudinal de un almacenamiento de energía 100 de la invención. Se puede ver que la base 25 es al menos tan larga como las filas de barras metálicas y puede formarse integralmente, por ejemplo, como un bloque de hormigón. Los tubos 23 pueden sobresalir directamente hacia el interior del bloque de hormigón o hacia los dispositivos de sujeción en el bloque de hormigón y pueden fijarse de esta manera. El material de los tubos 23 se elige de manera que su coeficiente de dilatación térmica se desvíe como máximo en un 5 % de los coeficientes de dilatación térmica del material de la base. Cada tubo 23 puede conectarse con la base 25 de forma independiente entre sí o los tubos 23 pueden conectarse entre sí y luego montarse conjuntamente en la base 25.

[0065] Como se muestra en la Fig. 3, varios tubos intercambiadores de calor 32-37 se extienden uno encima del otro entre las mismas dos filas de barras metálicas. Tal apilamiento de tubos intercambiadores de calor permite transferir energía térmica a lo largo de toda la altura de las barras metálicas al intercambiador de calor. Preferiblemente, una distancia desde los tubos 32, 37 de intercambiador de calor más superiores a los más bajos corresponde al menos al 80 % de la altura/longitud de las barras metálicas 21. También se representa una dirección de flujo del fluido en los tubos del intercambiador de calor. La dirección del flujo es opuesta en los tubos 32, 33 del intercambiador de calor que están contiguos entre sí en una dirección de arriba a abajo. De esta manera se logra una salida de calor más uniforme sobre una fila de barras metálicas.

[0066] Diferentes tubos 37 intercambiadores de calor que se extienden a la misma altura entre diferentes filas de barras metálicas pueden conectarse entre sí y pueden compartir una bomba 38. Esto logra una configuración más simple con un flujo de fluido más uniforme y por lo tanto una salida de calor más uniforme.

[0067] El fluido debe bombearse más hacia arriba a un tubo de intercambiador de calor 34 que está dispuesto más alto que otro tubo de intercambiador de calor 33 y, por lo tanto, sin más medidas, el caudal en los tubos de intercambiador de calor disminuye al aumentar la altura del tubo de intercambiador de calor. Entonces, una salida de calor en la región superior de las barras metálicas sería menor. Para compensar esto, los tubos 37 del intercambiador de calor en una región superior se pueden suministrar con una presión de bomba más fuerte que los tubos 32 del intercambiador de calor en una región inferior.

[0068] En lugar de varias o diferentes bombas 38, también se puede emplear una bomba común con divisores de fluido. Pueden proporcionarse diferentes presiones a través de reguladores en líneas entre la bomba común y los tubos intercambiadores de calor descritos.

[0069] La Fig. 6 muestra una forma de realización ejemplar adicional de un almacenamiento de energía de la invención. Este almacenamiento de energía se diferencia de los ejemplos anteriores en el diseño del intercambiador de calor 30. En este caso, el intercambiador de calor no comprende tubos para un fluido de transferencia de calor que se extienden entre las barras metálicas 21 o los elementos calefactores 11. En su lugar, el fluido caloportador fluye aquí libremente a lo largo de las barras metálicas 21. Las barras metálicas 21 del acumulador de calor y los elementos calefactores 11 están encerrados en una carcasa 40 que puede estar aislada térmicamente y puede proporcionar un espacio para el fluido caloportador (en donde la sala es hermética a excepción de las aberturas de entrada y salida). Alternativamente o además, también se pueden proporcionar paredes 41 de conducción de gas/aire que forman paredes limitantes para el fluido caloportador. Las paredes de conducción de aire 41 y/o la carcasa 40 también encierran una región inferior debajo de las barras metálicas 21 así como una región superior por encima de las barras metálicas 21, además de la región de las barras metálicas 21 y los elementos calefactores 11. El intercambiador de calor 30 comprende un tubo de entrada que conduce a la zona inferior y un tubo de salida que está conectado con la zona superior. Un ventilador 39 transporta gas como fluido caloportador a través del tubo de entrada a la región inferior desde donde asciende a lo largo de las barras metálicas 21 y los elementos calefactores 11, donde se calienta y finalmente sale por el tubo de salida. El tubo de salida conduce a un segundo intercambiador de calor 45 a través del cual el calor sale a un circuito de fluido adicional 46. Desde el segundo intercambiador de calor 45, el gas llega de nuevo al tubo de entrada, a través del ventilador 39. Como este diseño del calor el intercambiador 30 no usa tubos intercambiadores de calor dentro de la carcasa 40, se evita el problema de la expansión de calor de los tubos intercambiadores de calor; además, la introducción de los gases relativamente fríos (el gas es más frío que las barras metálicas 21) en la región inferior tiene la consecuencia de que las unidades de soporte 23 y por tanto la base 25 se enfrían o se calientan menos intensamente. Esta es una ventaja significativa con respecto a la expansión térmica de la base 25.

[0070] Debido a la zona superior libre y la zona inferior libre (en comparación con las barras metálicas 21 y los elementos calefactores 11 que están dispuestos muy apretados uno al lado del otro y que actúan como estranguladores para los gases entrantes y, por lo tanto, provocan una caída de presión), una distribución de los gases introducidos en la región inferior se produce antes de que los gases introducidos asciendan a lo largo de las barras metálicas 21. Ventajosamente, puede proporcionarse un flujo uniforme a lo largo de las barras metálicas 21, sin el ventilador 39 u otros medios para transportar los gases necesariamente dispuestos dentro del carcasa 40, donde la tensión del material sería alta debido a las altas temperaturas.

[0071] La Fig. 7 muestra una variante de la forma de realización ejemplar de la Fig. 6. El circuito cerrado del intercambiador de calor 30 comprende en este caso un volumen de expansión 42 con un tamaño que aumenta al aumentar la presión del aire encerrado. El volumen de expansión puede comprender una pared 43 móvil para este propósito. De manera ventajosa, esto compensa al menos parcialmente un aumento de presión en el intercambiador de calor 30 que resulta de un aumento de temperatura del aire. El volumen de expansión 42 puede comprender un recipiente con un volumen variable que está acoplado a través de una línea con el resto del volumen del intercambiador de calor. La línea se puede conectar al resto del volumen del intercambiador de calor aguas arriba de las barras metálicas 21 de modo que no se transporta el aire que acaba de ser calentado por las barras metálicas 21 al volumen de expansión 42, sino el aire que se acaba de enfriar en el segundo intercambiador de calor 45; de esta manera, una cantidad menor de energía térmica permanece sin utilizar en el volumen de expansión, lo que aumenta la eficiencia general. Alternativamente, la línea también puede conectarse a la región superior de la carcasa 40 o al tubo desde la región superior al segundo intercambiador de calor 45. En este caso, el aire recién calentado en las barras metálicas 21 se conduce al volumen de expansión 42, y así la compensación de presión resultante reacciona de forma particularmente sensible a la temperatura del acumulador 20 de calor.

[0072] La Fig. 8 muestra un corte horizontal a través del almacenamiento de energía de la Fig. 6 o la Fig. 7. Uno de los elementos calefactores 11 del calentador eléctrico 10 está ubicado entre dos filas vecinas 26, 27 o 27, 28 de barras metálicas 21. En este caso, los tubos del intercambiador de calor no están dispuestos entre las filas de barras metálicas 21.

[0073] La Fig. 9 muestra con más detalle el diseño de un elemento calefactor 11 que se puede utilizar en todos los ejemplos de realización descritos. El elemento calefactor 11 comprende una placa metálica en donde se cortan huecos de modo que la placa metálica restante forme un carril 12 serpenteante. Los huecos pueden formarse, por ejemplo, mediante corte o fresado con láser, y cortando la placa metálica de modo que el carril 12 serpenteante se extiende dentro de las dos dimensiones más largas de la placa de metal (y no en la dimensión más corta que es el espesor de la placa que se extiende hacia el plano del papel de la Fig. 9). En diferentes extremos o secciones del carril serpenteante, se proporcionan contactos eléctricos 12 (no mostrados) a través de los cuales se aplica un voltaje. A continuación, una corriente eléctrica fluye a lo largo del carril serpenteante 12 y la placa de metal se calienta debido a la resistencia eléctrica del metal, que también se denomina calentamiento resistivo u óhmico.

[0074] La estabilidad de la placa de metal a la vista de las expansiones térmicas es importante ya que la placa de metal puede calentarse desde la temperatura ambiente a más de 600°C en funcionamiento. En particular, debe evitarse que las secciones del carril serpenteante se comben y entren en contacto entre sí, lo que daría lugar a un cortocircuito en el contacto, con la consecuencia de que partes del carril serpenteante difícilmente serían alimentadas por corriente eléctrica y se calentarían menos. Para evitar esto, se unen una o más barras de soporte/barras de sujeción a la placa de metal. La placa de metal comprende elementos de sujeción 13 que pueden ser, por ejemplo, agujeros o protuberancias en la placa de metal que pueden estar dispuestos en una fila horizontal en un extremo superior de la placa de metal. En particular, se puede proporcionar un elemento de sujeción 13 en cada vuelta en forma de U del carril serpenteante. De manera similar, se prefiere que también se proporcione un elemento de sujeción respectivo 13 en la región inferior de la placa de metal en cada vuelta en forma de U del carril serpenteante.

[0075] Una barra de sujeción 15 que se muestra esquemáticamente en la Fig. 11 puede comprender características de sujeción 16 que se pueden elegir para que correspondan con los elementos de sujeción 13 de modo que sea posible la fijación entre las características de sujeción 16 y los elementos de sujeción 13. Una barra de sujeción 15 está conectada con todos los elementos de sujeción 13 de una fila. En el ejemplo de la Fig. 11, se proporciona una barra de sujeción 15 para la fila superior de elementos de sujeción 13 y se proporciona una barra de sujeción adicional 15 para la fila inferior de elementos de sujeción 13. Esto evita una deformación no deseada en cada arco en forma de U del carril serpenteante.

[0076] Las barras de sujeción 15 consisten preferiblemente en un material o materiales con un coeficiente de expansión térmica que se desvía como máximo en un 10 % del coeficiente de expansión térmica del material de la placa metálica. Esto mantiene bajas las tensiones del material causadas por la expansión térmica. Las barras de sujeción 15 son eléctricamente aislantes al menos en sus superficies para evitar establecer un contacto eléctrico adicional entre secciones del carril serpenteante.

[0077] Las barras de sujeción 15 también facilitan la suspensión de la placa de metal: Las barras de sujeción pueden estar suspendidas preferiblemente de una región central (en una dirección horizontal) de modo que los extremos horizontales de la barra de sujeción y la placa de metal se puedan expandir libremente en caso de aumentos de temperatura. La suspensión en la región central puede estar conectada en particular con una o más barras metálicas centrales 21 de una fila 26 o 27 o 28 o 29 que está al lado del respectivo elemento calefactor 11 de modo que el elemento calefactor 11 sea sostenido por barras metálicas vecinas. 21. Preferiblemente, un elemento de calentamiento 11 solo está suspendido en su región superior, por ejemplo solo en la barra de sujeción superior 15, y su borde inferior cuelga libremente en el aire. De esta manera también es posible libremente una expansión de calor hacia abajo y hacia arriba.

[0078] La Fig. 10 muestra esquemáticamente un contacto eléctrico de un carril serpenteante 12. Pueden proporcionarse tres contactos/terminales eléctricos L1, L2 y L3 que se alimentan con las tres fases de la tensión de red regular. Esto utiliza la red eléctrica de manera uniforme.

[0079] El diseño del acumulador de energía según la invención consigue de forma rentable y robusta que las expansiones térmicas de los componentes del acumulador de energía no presenten problemas. Simultáneamente, la energía se puede ingresar, almacenar y sacar de manera eficiente desde el almacenamiento de energía.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un almacenamiento de energía para almacenar energía eléctrica como energía térmica, que comprende:

- un calentador eléctrico (10) para convertir energía eléctrica en energía térmica;

- un dispositivo de almacenamiento de calor (20) para almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10), en donde el dispositivo de almacenamiento de calor (20) comprende una pluralidad de barras metálicas (21) que están dispuestas en posición vertical y sirven para almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10); y

- un intercambiador de calor (30) para producir energía térmica desde el dispositivo de almacenamiento de calor (20);

caracterizado porque

el dispositivo de almacenamiento de calor (20) comprende además:

- una base (25); y

- una pluralidad de unidades de soporte (23), en donde cada unidad de soporte (23) soporta una de las barras metálicas (21) y está conectada con la base (25).

2. El almacenamiento de energía de la reivindicación 1,

caracterizado porque

las barras metálicas (21) están distanciadas de la base (25), y

un coeficiente de transferencia de calor del material de las unidades de soporte (23) es menor que un coeficiente de transferencia de calor del material de las barras metálicas (21).

3. El almacenamiento de energía de la reivindicación 1 o 2,

caracterizado porque

la base (25) es un bloque de hormigón que define una zona de suelo sobre la cual se sujetan las barras metálicas (21) mediante las unidades de soporte (23).

4. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado porque

cada unidad de soporte (23) es o comprende una tubería;

dichos tubos tienen una sección transversal menor que las barras metálicas soportadas (21).

5. El almacenamiento de energía de la reivindicación 4,

caracterizado porque

cada barra metálica (21) tiene una abertura de recepción (22) en su extremo inferior, la unidad de soporte (23) sobresale dentro de la abertura de recepción (22) para llevar la barra metálica respectiva (21), y una circunferencia exterior de cada barra metálica (21) está libre y no entra en contacto con las unidades de soporte (23).

6. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,

caracterizado porque

las barras metálicas (21) están dispuestas en varias filas (26, 27, 28) una al lado de la otra y alineadas con sus ejes longitudinales en paralelo entre sí.

7. El almacenamiento de energía de la reivindicación 6,

caracterizado porque

una distancia entre las barras metálicas vecinas (21) de una fila (26) es mayor que la expansión de temperatura que experimentan las barras metálicas vecinas (21) en una dirección de la fila (26) si se calientan de 20°C a una temperatura de 100°C por debajo de su temperatura de fusión, y dicha distancia es menor que cinco veces la expansión de temperatura.

8. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizado porque

el intercambiador de calor (30) comprende un ventilador (39) para dirigir el gas como medio de transferencia de calor a lo largo de las barras metálicas (21),

se proporciona una carcasa (40) que encierra el calentador eléctrico (10) y el dispositivo de almacenamiento de calor (20),

el intercambiador de calor (30) comprende un tubo de entrada en una zona inferior de la carcasa (40) para introducir el gas a calentar en la zona inferior de la carcasa (40), en particular en una zona por debajo de las barras metálicas (21), y el intercambiador de calor (30) comprende un tubo de salida en una región superior de la carcasa (40) para sacar gas calentado de la región superior de la carcasa (40),

el intercambiador de calor (30) forma un circuito cerrado e incluye un gas inerte o una mezcla de gases como gas en el circuito cerrado,

un segundo intercambiador de calor (45) está dispuesto en el circuito cerrado, en donde la energía térmica se emite a través del segundo intercambiador de calor (45) a un segundo circuito de fluido, y el ventilador (39) del intercambiador de calor (30) está dispuesto en el exterior de la carcasa (40), en particular entre el segundo intercambiador de calor (45) y el tubo de entrada,

el circuito cerrado del intercambiador de calor (30) comprende un volumen de expansión cuyo tamaño aumenta al aumentar la presión.

9. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,

caracterizado porque

- el intercambiador de calor (30) comprende una pluralidad de tubos intercambiadores de calor (31-37) que se extienden entre las barras metálicas (21) y están separados de las barras metálicas (21) para permitir expansiones térmicas variables entre ellas,

y/o

- el calentador eléctrico (10) comprende una pluralidad de elementos calefactores (11) dispuestos entre las barras metálicas (21) y separados de las barras metálicas (21) para permitir expansiones térmicas variables entre ellas.

10. El almacenamiento de energía de la reivindicación 9,

caracterizado porque

se proporciona una suspensión respectiva para cada elemento calefactor (11), en donde la suspensión está ubicada en una región central del elemento calefactor respectivo (11) como se ve en una dirección horizontal, para permitir la expansión térmica de los elementos calefactores (11) en la dirección horizontal,

un lado inferior de cada elemento calefactor (11) se mantiene libremente en el aire para permitir la expansión térmica de los elementos calefactores (11) en una dirección vertical.

11. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,

caracterizado porque

el calor se transfiere desde los elementos calefactores (11) a las barras metálicas (21) del dispositivo de almacenamiento de calor (20) por radiación de calor y a través del gas ubicado entre ellos, en donde no se proporciona un cuerpo de conexión entre los elementos calefactores (11) y las barras metálicas (21) a través de las cuales se podría transferir el calor.

12. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11,

caracterizado porque

una distancia de fila entre filas vecinas (26, 27) de barras metálicas (21) es mayor que una distancia de barras metálicas vecinas (21) dentro de una fila (26),

los tubos del intercambiador de calor (31; 32-37) están dispuestos entre algunas de las filas vecinas (26, 27; 28, 29) de barras metálicas (21) y los elementos calefactores (11) están dispuestos entre otros de las filas vecinas (27, 28) de barras metálicas (21),

los tubos del intercambiador de calor se extienden horizontalmente entre las filas de barras metálicas (21) o con una pendiente inferior al 10 %.

13. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12,

caracterizado porque

varios de los tubos del intercambiador de calor (32-37) están en cada caso apilados uno encima del otro y espaciados entre sí en diferentes capas de altura, para recibir la energía térmica que se desprende a lo largo de la altura de las barras metálicas (21),

se proporcionan una o más bombas (38) para transportar fluido a través de los tubos intercambiadores de calor (31 -37) y están dispuestas de manera que las direcciones de flujo del fluido en los tubos intercambiadores de calor apilados vecinos (32, 33) sean opuestas entre sí.

14. El almacenamiento de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13,

caracterizado porque

cada elemento calefactor (11) comprende una placa de metal en donde se forman espacios libres de manera que la placa de metal forma un carril serpenteante (12) sobre el cual se puede aplicar una tensión eléctrica a través de terminales eléctricos,

se proporciona un elemento de sujeción respectivo (13) en una región superior y/o inferior de diferentes, en particular todas las secciones de carril serpenteantes, y se proporcionan una o más barras de sujeción (15) que comprenden características de sujeción (16) en las posiciones correspondientes a los elementos de sujeción (13), donde los elementos de sujeción (16) encajan con los elementos de sujeción (13) y, por lo tanto, sujetan la placa metálica y aseguran una distancia entre las secciones del carril serpenteante, donde las barras de sujeción (15) se aislan eléctricamente al menos en sus superficies, y

cada placa de metal cubre una altura entre filas de barras metálicas (21) que corresponde al menos al 70 % de la altura de las barras metálicas (21), y cada placa de metal cubre una longitud que se extiende a lo largo de una fila completa de las filas vecinas de barras metálicas (21).

15. Un método para operar un almacenamiento de energía en donde la energía eléctrica se puede almacenar como energía térmica y del cual se puede generar energía térmica, comprendiendo el método:

- convertir energía eléctrica en energía térmica mediante un calentador eléctrico (10);

- almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10) con un dispositivo de almacenamiento de calor (20) que comprende una pluralidad de barras metálicas (21) que están dispuestas en posición vertical y que almacenan energía térmica del calentador eléctrico (10); y

- emitir energía térmica del dispositivo de almacenamiento de calor (20) con un intercambiador de calor (30);

caracterizado porque

el dispositivo de almacenamiento de calor (20) comprende además:

- una base (25); y

- una pluralidad de unidades de soporte (23), en donde cada unidad de soporte (23) soporta una de las barras metálicas (21) y está conectada con la base (25).