ES2924916T3 - Elemento para el almacenamiento de energía térmica - Google Patents

Abstract

La invención proporciona un elemento para un almacenamiento de energía térmica fácilmente escalable, que se distingue porque el elemento comprende: una capa exterior que es una combinación de encofrado y refuerzo, un medio sólido de almacenamiento térmico en forma de hormigón endurecido, cuyo hormigón ha sido colado y endurecido en dicha capa exterior. Procedimiento de construcción y aprovechamiento del elemento, y almacenamiento de energía térmica que comprende los elementos de la invención. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento para el almacenamiento de energía térmica

Campo de la invención

La presente invención se refiere al almacenamiento de energía. Más concretamente, la invención se refiere a un elemento para el almacenamiento de energía térmica (TES) de estado sólido, que hace que la fabricación, el aumento o la reducción de escala, el funcionamiento y el mantenimiento de un almacenamiento de energía térmica sean más sencillos, eficientes y duraderos, reduciendo así el coste del almacenamiento y el posterior suministro de energía.

Antecedentes de la invención y estado de la técnica

La energía en forma de electricidad y calor es vital para la sociedad moderna. La mayor parte de la energía actual procede de fuentes de energía primaria fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas. Las emisiones de la energía fósil acaban provocando el calentamiento global y otros efectos medioambientales negativos. El mundo ha iniciado lentamente la transición hacia las fuentes de energía renovables, como la solar y la eólica. La naturaleza inherente de estas fuentes de energía es que dependen del sol, del tiempo y de las condiciones climáticas, lo que en última instancia conduce a una intermitencia y a una baja fiabilidad del suministro energético. La mayoría de los países tienen ahora la ambición de aumentar la proporción de energía renovable en su combinación energética total, eliminando gradualmente las centrales eléctricas fósiles contaminantes. Desgraciadamente, se ha probado que es muy difícil cerrar esas plantas, simplemente porque la mayoría de las fuentes de energía renovables no son fiables y no pueden garantizar el suministro de energía cuando se necesita; por tanto, hay que mantener la capacidad de producción de energía convencional en lugar de eliminarla. Por esta razón, el almacenamiento de energía eficiente y a gran escala se ha identificado como el factor clave para facilitar la transición a la dependencia de las energías renovables y hacer que la energía procedente de éstas sea predecible y fiable.

El almacenamiento de energía térmica (TES) tendrá un papel clave en este futuro, especialmente en las plantas de energía solar de concentración (CSP) en las que el calor del campo solar puede ser almacenado durante el día y liberado para su uso durante la tarde y la noche. Los TES también pueden utilizarse para almacenar la energía sobrante de las plantas eólicas o fotovoltaicas, convirtiendo el excedente de electricidad en calor, que puede reconvertirse en electricidad más tarde. Los TES también pueden encontrar aplicaciones en las centrales eléctricas convencionales de base fósil o nuclear, permitiendo una mayor flexibilidad operativa, lo que es cada vez más urgente en zonas con alta penetración de fuentes de energía renovables intermitentes.

El almacenamiento de energía es, en efecto, una cuestión de desplazamiento temporal de la energía desde el momento en que se produce hasta el momento en que se necesita. Algunos factores son de especial interés para los almacenamientos de energía, como: la pérdida de energía, la capacidad de almacenamiento, la tasa de transferencia de energía durante la entrada-salida y, evidentemente, también el coste. El reto es desarrollar una tecnología de almacenamiento de energía que pueda cumplir todos estos factores. El almacenamiento de energía permite el suministro en los momentos en que las fuentes variables no pueden hacerlo, lo que permite que una parte proporcional mayor de las fuentes de energía sea renovable y respetuosa con el medio ambiente. Además, se puede aumentar el suministro máximo, ya que tanto las fuentes como los almacenamientos pueden suministrar energía al mismo tiempo, y las redes de transferencia de energía eléctrica o térmica pueden ser más pequeñas, ya que los almacenamientos pueden estar situados donde se encuentra la demanda.

A pesar de las disposiciones con apoyo de los gobiernos, el rendimiento general de los costes es y será el principal motor del cambio hacia las energías renovables y sostenibles a gran escala. Al final, el reto crucial es conseguir una tecnología energética sostenible y, en particular, una nueva tecnología de almacenamiento de energía que pueda facilitar el tan deseado cambio hacia un suministro de energía respetuoso con el medio ambiente.

Parte de la tecnología pertinente se describe en las publicaciones de patentes WO 2008/106700 A1, US 6.789.608 B, DE 10350879 A1, US 5816314 A y WO 97/47825 A1.

En la publicación de patente WO 2012/169900 A1se describe un TES que tiene propiedades beneficiosas respecto a los almacenamientos de la técnica anterior. Más concretamente, se proporciona una solución práctica y rentable para un almacenamiento térmico que utiliza material de estado sólido como principal medio de almacenamiento, lo que permite el almacenamiento de energía como calor de alta temperatura, es decir, energía térmica a una temperatura lo suficientemente alta como para convertir el calor eficazmente en energía eléctrica en un grupo turbina-generador o medio equivalente. Según la reivindicación 1 de la publicación de patente WO 2012/169900 A1, las características obligatorias incluyen un recipiente de transferencia de calor que contiene un fluido de transferencia de calor, toda la convección y conducción de transferencia de calor por el fluido de transferencia de calor tiene lugar dentro del recipiente de transferencia de calor. Los medios para la entrada de energía son tubos de alta presión, para recibir el calor de las plantas de energía solar, de las plantas de energía de carbón, de las fuentes nucleares, de las fuentes de biomasa y de otras fuentes capaces de suministrar la energía como fluido caliente, y opcionalmente calentadores eléctricos, para recibir la energía de las fuentes capaces de suministrar la energía eléctrica, como las turbinas eólicas o las plantas solares basadas en la energía fotovoltaica. Los medios para la salida de energía son tubos de alta presión separados o los mismos tubos de alta presión utilizados para la entrada de calor. El almacenamiento de energía térmica de la publicación de patente WO 2012/169900 A1 se denomina almacenamiento de energía térmica NEST.

En la solicitud de patente internacional WO 2014/003577 A1, se describe cómo el almacenamiento de energía térmica de la publicación de patente WO 2012/169900 A1 es beneficioso para simplificar y aumentar la eficiencia de las plantas de energía de diversos tipos, como las plantas de energía solar concentrada. Las características esenciales proporcionan eficiencia y simplicidad en la transferencia de energía desde la fuente de calor y la entrega del calor almacenado a una turbina u otro usuario.

Aunque las enseñanzas de la publicación de patente WO 2012/169900 A1 yWO 2014/003577 A1 proporcionan etapas significativas hacia el aumento del uso de fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente en nombre de las fuentes fósiles y las fuentes nucleares, todavía se requieren mejoras. En la práctica, el coste es y será el principal incentivo en este sentido, aunque los gobiernos tomen medidas para aumentar el cambio hacia soluciones más respetuosas con el medio ambiente. El coste no sólo está relacionado con el coste de los materiales y del edificio, sino también con el coste operativo, la durabilidad, el mantenimiento y la eficiencia energética general. Encontrar una tecnología y un diseño mejorados para un TES de estado sólido puede tener un impacto económico significativo, ayudando así a cambiar el mercado energético en una dirección más sostenible.

Por lo tanto, existe una demanda de tecnología que pueda reducir el coste y mejorar el rendimiento de los TES. Sumario de la invención

La presente invención satisface la demanda proporcionando un elemento sorprendentemente sencillo y versátil para un almacenamiento de energía térmica.

Más específicamente, la invención proporciona un elemento para un almacenamiento de energía térmica fácilmente escalable, en el que el almacenamiento de energía térmica es fácilmente escalable mediante el apilamiento, la combinación o la disposición de elementos de forma próxima. El elemento comprende:

una carcasa exterior que es una forma de fundición y refuerzo de anillo combinados, en la que la carcasa exterior tiene un extremo cerrado,

un medio de almacenamiento térmico sólido de hormigón endurecido, cuyo hormigón ha sido vertido y endurecido en dicha carcasa exterior, y

un intercambiador de calor de tubos, para la entrada y la salida de calor; moldeado en el hormigón y, por tanto, incrustado en el elemento, en el que el intercambiador de calor de tubos incrustado tiene un diámetro lo suficientemente pequeño como para proporcionar un flujo turbulento en condiciones normales de funcionamiento, según lo determinado por un rango de Re, el número de Reynold, en el que el hormigón llena completamente el volumen dentro de la carcasa exterior, desde el extremo cerrado hasta un nivel prescrito, en el que los extremos o las conexiones del intercambiador de calor de tubos se extienden por encima de la parte superior del elemento si se considera que está en posición vertical, excepto el volumen de los intercambiadores de calor de tubos con los espaciadores necesarios. El elemento se distingue en que el elemento comprende además un elemento calefactor eléctrico, como medios para la entrada de calor, dichos medios han sido moldeados en el hormigón y por lo tanto incrustados en el elemento.

Preferentemente, la carcasa exterior es una carcasa metálica. Alternativamente, la carcasa exterior es una carcasa de fibra tejida, por ejemplo, una carcasa de fibra de carbono, fibra de vidrio o fibra de boro, o una carcasa de material compuesto o una carcasa de material de carbono, u otro material que cumpla los requisitos funcionales para la realización y el uso específicos de la misma. Más concretamente, la resistencia del refuerzo, la conductividad térmica, las propiedades a temperaturas elevadas y el coste resultante son los parámetros más relevantes para cumplir los requisitos funcionales. Una carcasa de acero exterior, como una carcasa de acero al carbono o una carcasa de acero inoxidable, será preferente para la mayoría de las realizaciones.

La carcasa exterior es preferentemente una carcasa metálica, que tiene una forma de sección transversal circular, hexagonal, cuadrada, rectangular, rectangular con esquinas redondeadas o lados cortos semicirculares, o poligonal u otra forma. Preferentemente, para aplicaciones con temperaturas muy altas o con un gran rango dinámico de temperatura, el elemento tiene forma de sección transversal circular para soportar mejor el estrés térmico. Preferentemente, la carcasa exterior está abierta en un extremo, en el que se ha vertido y moldeado el hormigón fresco y no endurecido. Opcionalmente, el extremo abierto se cierra con una tapa metálica después del vertido, lo que es preferente para las realizaciones en las que los elementos van a estar totalmente contenidos dentro de una carcasa de un almacenamiento de energía térmica. Alternativamente, la carcasa exterior puede estar abierta en ambos extremos, pero tener una tapa preliminar durante el vertido en un extremo, con o sin aberturas para que los intercambiadores de calor u otros equipos sean moldeados y por lo tanto incrustados. El procedimiento de vertido del hormigón de almacenamiento térmico sólido es preferentemente un procedimiento de una sola etapa, sin embargo, el procedimiento de vertido puede incluir varias etapas, por ejemplo dejando agujeros para los intercambiadores de calor después de la primera etapa, insertando los intercambiadores de calor y posteriormente moldeando y por lo tanto incrustando los intercambiadores de calor, utilizando la misma calidad de hormigón o una lechada de mayor calidad para el vertido posterior.

La carcasa metálica exterior es ondulada, con ondulaciones regulares o con superficie abombada del tipo Spiro-pipe, o la carcasa metálica exterior es lisa y uniforme. El elemento de la invención comprende un intercambiador de calor como medio de entrada y salida de calor y una resistencia eléctrica, como medio de entrada de calor, dichos medios han sido moldeados en el hormigón y por lo tanto incrustados en el elemento. El intercambiador de calor está dimensionado para proporcionar un flujo turbulento del fluido de transferencia de calor en condiciones normales de funcionamiento. Para un intercambiador de calor de tubos de pequeño diámetro, esto significa que Re > 4000, más preferentemente Re > 5000, en la que Re es el número de Reynold. Para ello, los tubos deben tener un diámetro interno relativamente pequeño en comparación con el caudal, de ahí el término de tubo de pequeño diámetro. Como es sabido por los expertos en la materia, Re = QD/vA, en la que Q es el caudal volumétrico (m3/s), D es el diámetro interior del tubo (m), v es la viscosidad cinemática (m2/s) y A es la sección transversal del tubo (m2). Los tubos de pequeño diámetro también facilitan el flujo de fluido a alta presión para la entrada y salida de calor, en un tubo de paredes relativamente finas en comparación con los tubos de mayor diámetro. Para otras formas de sección transversal, el Re en condiciones normales de funcionamiento también debería estar en el rango de flujo turbulento, ya que el flujo turbulento en el intercambiador de calor mejora el intercambio de calor. Opcionalmente, el intercambiador de calor tiene aletas externas, salientes, placas u otros aumentos estructurales que aumenten la superficie de intercambio de calor con el medio de almacenamiento de estado sólido, sin embargo, para el diseño detallado debe tenerse en cuenta la precaución de evitar el agrietamiento del hormigón. Como alternativa que no entra en el ámbito de la presente invención o como complemento a los calentadores eléctricos incrustado, el aporte de calor de la fuente eléctrica puede tener lugar calentando el fluido de transferencia de calor antes de que dicho fluido llegue a los elementos.

En una realización para aplicaciones de alta temperatura, debido a la resistencia al estrés térmico, el elemento comprende un intercambiador de calor de tubos de pequeño diámetro, en forma de una sección de tubo de menor diámetro de extremo abierto dispuesta dentro de una sección de tubo de extremo cerrado de mayor diámetro.

Preferentemente, el elemento comprende uno o más intercambiadores de calor de tubos de pequeño diámetro incrustados, como una, dos, tres, cuatro o más secciones de tubo en forma de U, preferentemente dos secciones de tubo en forma de U dispuestas en paralelo en el material de almacenamiento térmico sólido pero conectadas a una entrada y una salida comunes, o uno o más intercambiadores de calor de tubos de pequeño diámetro incrustados en forma de hélice. Estas realizaciones son preferentes para una amplia gama de temperaturas de funcionamiento y rangos de temperaturas dinámicas. Como se ha mencionado, el término tubo de pequeño diámetro se refiere a un diámetro pequeño en comparación con el caudal, lo que da lugar a un flujo turbulento a un caudal normal. Las realizaciones con múltiples tubos de pequeño diámetro en forma de U, o múltiples elementos intercambiadores de calor en forma de U u otra forma, pueden estar en un sistema de tubos continuos o ser varios sistemas de tubos, acoplados en serie o en paralelo. Los sistemas de tubos continuos ahorran conexiones y reducen los posibles puntos de fuga, pero pueden ser difíciles de realizar.

El elemento comprende preferentemente medios incrustados para la entrada y salida de calor, dispuestos con conexiones o extremos de un lado del elemento. La carcasa exterior es preferentemente una carcasa de acero realizada de chapa fina con un grosor de pared de 0,1 a 1 mm, preferentemente con un grosor de pared de aproximadamente 0,5 mm, y ha sido enrollada y conformada en forma de sección transversal circular a partir de bandas de acero, al igual que un conducto de ventilación, y opcionalmente conformada además, por ejemplo en forma de sección transversal hexagonal, y tiene una tapa o capuchón inferior. El medio de almacenamiento térmico sólido es preferentemente una mezcla de hormigón o lechada fácilmente vertible que tiene una mayor capacidad de almacenamiento térmico, una mayor conductividad térmica y una mayor resistencia contra el agrietamiento inducido térmicamente, en comparación con el hormigón de construcción normal, que es el hormigón estándar para la construcción. En este contexto, el término hormigón incluye materiales refractarios que pueden endurecerse en la capa exterior, útiles para las temperaturas de funcionamiento más elevadas. La carcasa metálica exterior se fabrica alternativamente mediante el plegado longitudinal de una tira metálica plana y la unión de los lados de la tira mediante soldadura o plegado.

La invención también proporciona un procedimiento de construcción de un elemento según la invención. El procedimiento se distingue por las etapas:

disponer una carcasa exterior en posición vertical, con un extremo superior abierto y un extremo inferior cerrado,

disponer un intercambiador de calor de tubos y una resistencia eléctrica como medios para la entrada y salida de calor en la carcasa exterior, utilizando separadores según sea necesario, antes del vertido, rellenar la lechada o la mezcla de hormigón hasta un nivel prescrito en el que los extremos o las conexiones de dichos medios se extienden hacia arriba sobre la parte superior del elemento en posición vertical,

en el que el hormigón llena completamente el volumen del interior de la carcasa exterior hasta dicho nivel prescrito, excepto el volumen de los intercambiadores de calor de tubos con espaciadores según sea necesario.

Preferentemente, el procedimiento comprende hacer vibrar el elemento durante el vertido, para mejorar la compactación del hormigón y eliminar las burbujas de aire.

La invención también proporciona el uso de los elementos de la invención, para la construcción, el aumento o la reducción, o el mantenimiento, de un almacenamiento de energía térmica.

La característica de tener una carcasa exterior, como una carcasa metálica, siendo una forma de fundición y un refuerzo combinados, facilita la producción en masa, rentable y sencilla, de elementos fácilmente transportables. Preferentemente, el elemento no contiene ninguna otra armadura o refuerzo, salvo las posibles fibras o agregados especiales en la lechada u hormigón vertible, y el posible efecto de refuerzo de los intercambiadores de calor o calentadores incrustados, lo que simplifica la producción y reduce el coste. El blindaje o refuerzo consiste, por tanto, en la carcasa exterior. El elemento y, por tanto, la carcasa exterior, tiene preferentemente una forma redonda o en sustancia redonda, como se observa en sección transversal, ya que esto proporciona una resistencia extrema contra el agrietamiento inducido térmicamente, permitiendo temperaturas muy altas y rangos de temperatura dinámicos muy altos en funcionamiento sin dañar el elemento. La carcasa exterior en forma de anillo tiene una forma ideal para recoger las tensiones anulares que se producen al variar la temperatura durante el funcionamiento de un acumulador térmico que contenga elementos de la invención. Preferentemente, la carcasa exterior es como una sección de un conducto de ventilación, a menudo llamado tubo de tipo "Spiro". Se trata de un tubo enrollado en el que las bandas metálicas de acero o aluminio se han plegado y/o fusionado al formar el tubo mediante el bobinado. En el extremo inferior se dispone de una tapa o capuchón inferior o similar. La resistencia de la carcasa, y por tanto su espesor, debe ser suficiente para soportar la presión hidrostática cuando se produzca el vertido de la lechada o del hormigón. Como alternativa, se puede utilizar cualquier sección de tubo que sea lo suficientemente resistente en el momento del vertido y el funcionamiento, o bien se pueden soldar o unir las bandas metálicas de otras maneras. La electrosoldadura de las bandas mediante la disposición de las bandas con solapamiento entre dos electrodos giratorios que se comprimen es un ejemplo de un procedimiento de unión alternativo factible. Sin embargo, existen en el mercado máquinas para enrollar tubos o conductos de ventilación del tipo Spiro, disponibles en el mercado de varios proveedores, dichas máquinas son útiles para producir la carcasa exterior de los elementos de la invención.

La invención también proporciona un almacenamiento de energía térmica, distintivo en que comprende elementos de la invención, una carcasa aislada térmicamente, en la que la carcasa aislada térmicamente los elementos se han dispuesto próximamente, y medios para la entrada y salida de energía térmica. El número de elementos de la invención en un almacenamiento de la invención puede variar ampliamente, y una característica distintiva es la facilidad con la que el almacenamiento se puede ampliar o reducir, añadiendo o quitando elementos de la invención, siendo de un tamaño y peso fácil de manejar con una grúa de obra. El número de elementos de un almacenamiento puede ser de 2, 5, 10, 40, 100, 200 o 500 y más, y cualquier número entero intermedio. En consecuencia, dicho número puede variar entre menos de 10 y varias decenas de miles o más, dependiendo del tamaño de cada elemento y de su respectiva capacidad de almacenamiento de energía, así como de la capacidad de almacenamiento de energía deseada para todo el sistema de almacenamiento. Por ejemplo, un elemento de 12 metros de longitud y 250 mm de diámetro puede almacenar entre 25 y 50 kWh de energía térmica o más, por lo que un TES con una capacidad de 50 MWh necesitaría entre 1000 y 2000 elementos de este tipo. Asimismo, la instalación, el mantenimiento, la reparación y la sustitución son fáciles, instalando, sacando o colocando elementos de la invención con una grúa. Los elementos pueden disponerse en posición vertical, uno al lado del otro, como uno o más grupos de elementos en un almacenamiento térmico, o en posición horizontal y apilados como uno o más grupos de pilas de elementos en un almacenamiento térmico. Los elementos pueden disponerse en una fijación o plantilla o con elementos intermedios para su apilamiento, o los elementos pueden disponerse estrechamente apilados o empaquetados, dependiendo del rendimiento solicitado y de la integración en las centrales o sistemas existentes y de las fuentes de energía disponibles. Las diferentes formas de realización tienen diferentes ventajas. Sin embargo, hay dos grupos principales de realizaciones, a saber, con o sin un fluido de transferencia de calor y almacenamiento activo en el volumen dentro del almacenamiento, entre los elementos y dentro de la carcasa. Dicho fluido de transferencia y almacenamiento de calor activo es estancado o dinámico. Dichos fluidos estancados son líquidos, como un aceite térmico, una sal fundida o un metal fundido, o un material de cambio de fase líquido-sólido (PCM). Dichos fluidos dinámicos son gases o líquidos. Un empaquetamiento próximo o casi próximo de los elementos de la invención puede ser factible para los almacenamientos de la invención que contienen transferencia de calor estancada o líquido de almacenamiento o PCM. Factible para el embalaje de los elementos que permita el flujo alrededor de los elementos, es una transferencia de calor activa dinámica y el fluido de almacenamiento en el volumen dentro de la carcasa de almacenamiento, entre los elementos. Esto significa que un fluido fluye a través del almacenamiento térmico, fuera y alrededor de los elementos, pero dentro de la carcasa, teniendo la carcasa de almacenamiento una entrada y una salida para dicho fluido. Dicho fluido activo puede ser gases calientes, como los gases de escape, los gases de combustión, los gases de combustión u otros gases calientes, hasta una temperatura soportable para la carcasa exterior y los intercambiadores de calor o calentadores incorporados opcionalmente, como por ejemplo hasta unos 1000-1200 °C. Se pueden utilizar aceites activos y sales o metales fundidos activos. El flujo del fluido activo dinámico alrededor de los elementos de la carcasa se consigue por gravedad o por flujo forzado, o por ambos. El flujo forzado, o la convección forzada, se consigue mediante el bombeo o la compresión por separado o por la presión inherente al fluido tal y como sale de la fuente. Una o ambas cosas, el aumento de la capacidad de almacenamiento de calor y el aumento de la tasa de transferencia de calor del almacenamiento se proporciona con dicho fluido de transferencia de calor y almacenamiento dentro de la carcasa, entre los elementos y la carcasa. Además, para las realizaciones de almacenamiento de calor con un intercambiador de calor incrustado en algunos o todos los elementos, se facilita el calentamiento y la evaporación del agua circulada u otro fluido factible a través del intercambiador de calor, lo cual es beneficioso para conectar el intercambiador de calor directamente a una turbina, como una turbina de vapor. Para la evaporación directa de, por ejemplo, agua a vapor en los elementos, cuando se extrae energía del almacenamiento, el flujo de agua a través de los intercambiadores de calor y del almacenamiento se dispone preferentemente de forma gradual o escalonada hacia arriba, disponiendo los elementos en posición horizontal y disponiendo el flujo de agua de forma gradual o escalonada hacia arriba, de elemento a elemento. De este modo, tanto el flujo en los intercambiadores de calor incrustados como el efecto de separación debido a la gravedad actúan en la dirección deseada hacia arriba y hacia la salida, cuya salida de los intercambiadores de calor se encuentra preferentemente en un punto alto del almacenamiento, mientras que la entrada a los intercambiadores de calor se encuentra preferentemente en un punto bajo del almacenamiento.

El elemento de la invención puede comprender cualquier característica descrita o ilustrada en este documento, en cualquier combinación operativa, siendo cada una de estas combinaciones una realización de la invención. El almacenamiento de la invención puede comprender cualquier característica descrita o ilustrada en este documento, en cualquier combinación operativa, siendo cada una de estas combinaciones una realización de la invención. El procedimiento de la invención puede comprender cualquier etapa o característica descrita o ilustrada en este documento, en cualquier combinación operativa, siendo cada una de estas combinaciones una realización de la invención.

Figuras

La invención se ilustra mediante cinco figuras, de las cuales:

La figura 1 ilustra un elemento de la invención,

La figura 2 ilustra otra realización de un elemento de la invención,

La figura 3 ilustra una posible forma de realizar el proceso de vertido de la invención,

La figura 4 ilustra otra realización de un elemento de la invención, y también un detalle de un almacenamiento térmico de la invención que comprende elementos de la invención, y

La figura 5 ilustra un elemento de la invención con múltiples filas de intercambiadores de calor incrustados .

Descripción detallada

Se hace referencia a la figura 1, que ilustra un elemento de doble curva en U 1 de la invención, en sección longitudinal y en sección transversal. El elemento 1 para un almacenamiento térmico comprende medios para la entrada y salida de calor 2, un medio de almacenamiento térmico sólido 3 dentro de una carcasa metálica exterior 4 que es una forma de fundición y un refuerzo anular combinados. Los medios de entrada de calor son uno o ambos intercambiadores de calor de tubos de pequeño diámetro 2 y un elemento de calentamiento eléctrico 2E , y los medios de salida de calor son dichos intercambiadores de calor de tubos de pequeño diámetro 2. Se indican las flechas para el flujo de entrada o salida del fluido de transferencia de calor (HTF), y la figura ilustra los espaciadores 5, un gancho de acero (opcional) 6 útil como orejeta de elevación, y una tapa final de acero 7. El elemento de doble curva en U se llama así porque dos curvas en U 5U están dispuestas en paralelo pero a una distancia en el hormigón o la lechada. Cada intercambiador de calor de tubos de pequeño diámetro se extiende desde el hormigón del elemento, con los extremos superiores que se extienden sobre el hormigón, hasta o cerca del extremo inferior del elemento, donde la curva en U conecta dos secciones rectas paralelas. Los codos 5U se han unido por soldadura o por otro procedimiento a las secciones rectas de tubo fino. Como alternativa, se podría haber doblado un tubo continuo y delgado para darle la forma correcta en una máquina de doblado, como una máquina de doblado por inducción, con varias curvas y varios tramos rectos, con sólo los extremos terminales que se extienden por encima del hormigón. Opcionalmente, uno o más de los codos superiores pueden extenderse por encima del hormigón, para funcionar como orejetas de elevación. Como alternativa, se pueden conectar en serie dos o más curvas en U incrustadas en un elemento. El diámetro del tubo es lo suficientemente pequeño como para asegurar un flujo turbulento, y la disposición proporciona una pequeña distancia de conducción de calor y una gran área de superficie, a la vez que proporciona un elemento relativamente pequeño y ligero posible de levantar y manejar con grúas simples, lo que se considera una realización preferente.

Se hace referencia a la figura 2, en la que se ilustra un elemento de tubo en tubo de la invención en sección longitudinal y sección transversal. Los elementos similares o idénticos tienen la misma referencia numérica que en la figura 1. El medio para la entrada y salida de calor es en esta realización un tubo interior 2i dispuesto en un tubo exterior 2o, que puede verse claramente en la figura. El tubo interior 2i tiene un extremo inferior abierto, cuando el elemento está en posición vertical, como durante el moldeo, y el extremo inferior del tubo interior no se ha llevado hasta el extremo inferior del tubo exterior 2o. El extremo inferior del tubo exterior está cerrado, ya sea contra el tapón de acero 4L en el extremo inferior del elemento o por un tapón o tapa 8 independiente. Del mismo modo, el tubo exterior se cierra hacia el tubo interior en la parte superior 9. Para esta realización, se proporcionan espaciadores interiores 5i y espaciadores exteriores 5o, para sujetar la sección de tubo interior y exterior durante el moldeo, respectivamente. La realización de tubo en tubo es factible cuando la tensión inducida térmicamente es extrema, como en los extremos terminales de las pilas de elementos en un gran almacenamiento térmico que comprende muchos elementos conectados en serie. El área de la sección transversal del flujo del tubo interior y del tubo exterior con el tubo interior insertado, son similares o idénticos, o el número de Reynold del tubo interior y del tubo exterior con el tubo interior insertado son similares o idénticos, proporcionando un flujo turbulento, al contrario de las soluciones de la técnica previa.

La figura 3 ilustra un procedimiento de la invención para construir un elemento de la invención. Más concretamente, se ilustra la etapa de vertido, en la que la carcasa metálica exterior, en la que se han dispuesto correctamente los medios para la entrada y salida de calor (no se ilustra específicamente), se rellena con lechada u hormigón hasta un nivel prescrito 3P (visible en las figuras 1 y 2) en el que los extremos o conexiones de dichos medios se extienden hacia arriba sobre la parte superior del elemento en posición vertical. En este sentido, es esencial utilizar la carcasa exterior como una combinación de encofrado de vertido y refuerzo del anillo, de modo que no se requiera un encofrado separado ni un refuerzo o blindaje adicional. De este modo, se evitan los costes y el trabajo con formas de vertido y refuerzos separados, lo que contribuye a simplificar el procedimiento y a reducir los costes. Pueden utilizarse equipos típicos para la mezcla y el suministro de hormigón, como un silo de mezcla seca 10, una hormigonera ordinaria 11 y cubos de hormigón 12 para ser manipulados por una grúa 13 para la operación de vertido. Pueden utilizarse disposiciones de obra alternativas, como el bombeo de la mezcla de hormigón en las carcasas exteriores, o el uso de un dispositivo combinado de alimentación y mezcla, como un tornillo o transportador de alimentación y mezcla, o una cinta transportadora. La altura típica del elemento, en posición vertical, es de 4 a 12 m, y el diámetro típico es de 0,20 a 0,35 m. El peso típico del elemento es de 0,4 a 2 toneladas métricas. Ampliar o reducir el almacenamiento es sencillo, añadiendo o quitando elementos. La sustitución de los elementos dañados es sencilla mediante el uso de una grúa, lo que facilita el mantenimiento. Los elementos pueden ser vertidos directamente como se colocan en un almacén de la invención.

La figura 4 ilustra otra realización de un elemento 1 de la invención, y un detalle de un almacenamiento térmico de la invención que comprende elementos de la invención. Más concretamente, el elemento, ilustrado en la sección transversal C y en la sección longitudinal L, tiene una forma de sección transversal plana de tipo rectangular, con los lados cortos en forma de semicírculo, como se observa en vista transversal. Los intercambiadores de calor 2 se han moldeado en hormigón 3 en la carcasa exterior o revestimiento 4 y, por tanto, están incrustados. En un almacenamiento térmico de la invención, los elementos pueden estar dispuestos con orientación vertical u horizontal, o inclinada. También se ilustra un detalle de un acumulador S de la invención, con organización escalonada de los elementos para mejorar la transferencia de calor de un fluido dinámico activo de transferencia y almacenamiento.

La figura 5 ilustra un elemento 1 de la invención con múltiples filas de intercambiadores de cabeza incrustados 2 en una carcasa exterior de tipo rectangular 4.

El elemento de la invención está diseñado para cualquier temperatura de funcionamiento que varía desde bajo cero hasta 1000°C o más. La temperatura de funcionamiento está limitada por las propiedades del material y del fluido y adaptada a la aplicación específica del TES; normalmente 200 - 550°C para los almacenamientos térmicos conectados a las turbinas de vapor o a los ciclos Rankine orgánicos. Sin embargo, si se utiliza para la calefacción urbana, el almacenamiento por congelación o la climatización, la temperatura del elemento puede ser inferior al punto de congelación, por ejemplo -40 °C, o inferior a 100 °C. Las temperaturas muy bajas pueden requerir un fluido especial para la circulación en los tubos de entrada y salida de calor. Hay que tener en cuenta que el fluido dentro del intercambiador de calor no está en contacto directo con el hormigón; esto significa que no habrá ningún problema con el uso de fluidos bajo presión o fluidos con una composición química que puede ser perjudicial para el hormigón para los medios de transferencia de calor.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Elemento (1) para el almacenamiento de energía térmica fácilmente escalable, en el que el almacenamiento de energía térmica es fácilmente escalable mediante el apilamiento, la combinación o la disposición próximamente de los elementos, en el que el elemento comprende:

una carcasa exterior (4) que es una forma de fundición y refuerzo de anillo combinados, en la que la carcasa exterior tiene un extremo cerrado,

un medio de almacenamiento térmico sólido de hormigón endurecido (3), cuyo hormigón ha sido vertido y endurecido en dicha carcasa exterior, y

un intercambiador de calor de tubos (2), para la entrada y la salida de calor; en el que el intercambiador de calor de tubos tiene un diámetro lo suficientemente pequeño como para proporcionar un flujo turbulento en condiciones normales de funcionamiento, según se determina por un rango de Re, el número de Reynold, comprendiendo además el elemento un elemento de calentamiento eléctrico (2E), como medio para la entrada de calor,

caracterizado porque

el intercambiador de calor de tubos (2) está moldeado en el hormigón y, por lo tanto, incrustado en el elemento, en el que el hormigón llena completamente el volumen dentro de la carcasa exterior, desde el extremo cerrado hasta un nivel prescrito en el que los extremos o las conexiones del intercambiador de calor de tubos se extienden por encima de la parte superior del elemento si se considera que está en posición vertical, excepto el volumen de los intercambiadores de calor de tubos con espaciadores según sea necesario, y en el que dicho elemento de calentamiento eléctrico (2E) también está moldeado en el hormigón y, por lo tanto, incrustado en el elemento.

2. Elemento según la reivindicación 1, en el que la carcasa exterior es una carcasa metálica cuya sección transversal tiene forma circular.

3. Elemento según la reivindicación 1 o 2, en el que la carcasa exterior (4) está abierta en un extremo, en cuyo extremo abierto se ha vertido y moldeado el hormigón fresco.

4. Elemento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la carcasa exterior (4) es una carcasa metálica ondulada, con ondulaciones regulares o con superficie abombada del tubo tipo Spiro.

5. Elemento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende un intercambiador de calor de tubos de pequeño diámetro, en forma de una sección de tubo de extremo abierto de menor diámetro (2i) dispuesta dentro de una sección de tubo de extremo cerrado de mayor diámetro (2o).

6. Elemento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que comprende uno o más intercambiadores de calor de tubos de pequeño diámetro incrustados en forma de secciones de tubo en forma de U, preferentemente dos secciones de tubo en forma de U (5U) dispuestas en paralelo en el material sólido de almacenamiento térmico.

7. Elemento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, que comprende medios incrustados para la entrada y salida de calor (2), dispuestos con conexiones o extremos de un lado del elemento; la carcasa exterior es una carcasa de acero con un grosor de pared de 0,1 a 1 mm, preferentemente de unos 0,5 mm, y ha sido enrollada y formada en forma de sección transversal circular a partir de bandas de acero, así como un conducto de ventilación, y tiene una tapa o capuchón inferior, y el medio sólido de almacenamiento térmico es una mezcla de hormigón o lechada fácilmente vertible que tiene una capacidad de almacenamiento térmico mejorada, una conductividad térmica mejorada y una resistencia mejorada contra el agrietamiento inducido térmicamente, en comparación con el hormigón de construcción normal.

8. Procedimiento de construcción de un elemento (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1­ 7, caracterizado por las etapas de:

disponer una carcasa exterior (4) en posición vertical, con un extremo superior abierto y un extremo inferior cerrado,

disponer un intercambiador de calor de tubos (2) y un elemento de calentamiento eléctrico (2E) como medios para la entrada y salida de calor en la carcasa exterior, utilizando espaciadores según sea necesario, antes del vertido,

rellenar la lechada o la mezcla de hormigón (3) hasta un nivel prescrito en el que los extremos o las conexiones de dichos medios se extienden hacia arriba sobre la parte superior del elemento en posición vertical,

en el que el hormigón llena completamente el volumen del interior de la carcasa exterior hasta dicho nivel prescrito, excepto el volumen de los intercambiadores de calor de tubos con espaciadores según sea necesario.

9. Uso del elemento de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, para construir, ampliar o reducir, o realizar el mantenimiento de un almacenamiento de energía térmica.

10. Acumulador de energía térmica, caracterizado porque comprende elementos (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, una carcasa aislada térmicamente, dentro de la cual se han dispuesto estrechamente los elementos, y medios para la entrada y salida de energía térmica.

11. Almacenamiento de energía térmica según la reivindicación 10, que comprende un fluido de transferencia y almacenamiento de calor, o un material de cambio de fase, dispuesto en la carcasa del almacenamiento, entre los elementos.