NO339952B1 - Termisk energilager og varmeveklser - Google Patents

Description

TERMISK ENERGILAGER OG VARMEVEKSLER

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder termisk energilagring og varmevekslere. Mer spesifikt vedrører oppfinnelsen termisk energilagring som muliggjør varmeutveksling ved høy temperatur, egnet for effektiv konvertering av termisk energi til elektrisitet så vel som for andre typer anvendelser av den lagrede energien.

Bakgrunnen av oppfinnelsen og teknikkens

Kostnadseffektiv lagring, egnet for lagring av energi fra nye samt tradisjonelle energikilder og levere energi etter behov, er helt klart en "missing link" for mer effektiv utnyttelse av nye og eksisterende energikilder.

Lagring av energi gir bedre samsvar mellom når energien er produsert og når den skal brukes; kort sagt betyr dette muligheten til å "tidsskifte" energi levering i forhold til når den er produsert. Dette er spesielt viktig for å tilrettelegge for en høyere andel av fornybar energi. Det blir ingen levering av vindkraft når vinden ikke blåser, og det er ingen solenergi tilgjengelig når solen har gått ned. Utover dette, tradisjonelle kraftkilder som kull og atomkraftverk opererer mest effektivt ved konstant strømproduksjon mens markedets behov for kraft typisk varierer sterkt i løpet av en 24-timers syklus. Videre, å plassere lageret nær der elektrisiteten brukes innebærer at kraftnettet kan brukes mer effektivt og begrensninger forårsaket av flaskehalser i overføringkapasitet kan overvinnes. Storskala og kraftnettskala energiøager er klart en nøkkelkomponent i et miljøvennlig og effektivt fremtidig kraftsystem som kan nyttiggjøre på en best mulig måte fornybare og andre energikilder.

I patent publikasjon WO 2012/169900 A1, er et termisk energilager (TES) beskrevet som har fordelaktige egenskaper sammenlignet med tidligere energilagringsteknologi. Mer spesifikt, det angis en praktisk og kostnadseffektiv løsning for varmelager der et faststoff medium er hovedkomponenten for energilagringen, dette muliggjør lagring av energi i form av høytemperatur varme, som betyr termisk energi ved tilstrekkelig høy temperatur til effektive konvertering til elektrisk kraft ved hjelp av en dampturbin-generator eller tilsvarende utstyr.

I patentpublikasjon WO 2014/003577 A1 er det beskrevet hvordan termiske energilager av samme type som det som er fremlagt i WO 2012/169900 A1 er gunstig for å forenkle og øke effektiviteten av kraftverk av ulike typer, som for anlegg for konsentrert solenergi og atomkraftverk.

Annen teknikk relevant for oppfinnelsen er beskrevet i patentpublikasjonene DE 102009036550 A1 og US 2011/0100586 A1.

Ingen av de nevnte patentpublikasjonene beskriver et termisk energilager og varmeveksler omfattende et antall energilagerelementer av herdet betong; en bokskonstruksjon som elementene er arrangert innenfor; og et aktivt varmeoverførings-og lagringsmedium i volumet mellom de nevnte elementene og nevnte bokskonstruksjon, spesielt ikke et slikt lager anvendbart for høye temperaturer.

Til tross for betydelig fremskritt, som besørget av teknologien beskrevet ovenfor, er det fortsatt behov for ytterligere forbedringer. Forholdet mellom effekt og pris er alltid i fokus for ytterligere forbedring, samt også allsidighet og fleksibilitet for termisk energi forhold til å passe inn for energikilder av forskjellig slag. Videre, det et annet viktig mål å tilby bedre leveringspålitelighet fra fornybare energikilder som sol og vind. Siktemålet med denne oppfinnelsen er å imøtekomme økende behov og krav ved bruk av ny teknologi.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et termisk energilager og varmeveksler, særpreget ved at det omfatter: et antall energilagerelementer av herdet betong;

en bokskonstruksjon, som elementene er arrangert innenfor;

minst ett middel for levering av termisk energi til det termiske energilageret;

minst ett middel for å ta ut termisk energi fra energilageret,

termisk isolasjon, og

et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i volumet mellom de nevnte elementene og den nevnte bokskonstruksjon, i form av enten: et stillestående fluid eller faseovergangsmateriale, idet lageret omfatter en varmeveksler innstøpt i noen eller alle energilagerelementene som et middel for å

føre varme inn eller ut av lageret, eller

et dynamisk fluid som er tilpasset å strømme i volumet mellom nevnte elementer og nevnte bokskonstruksjon, idet lageret omfatter i det minste ett innløp for nevnte dynamiske fluid til bokskonstruksjonen og minst ett utløp for nevnte dynamiske fluid fra bokskonstruksjonen.

I en første viktigste utførelse av oppfinnelsen består termisk energilager og varmeveksler av en dynamisk væske, som termisk oljer, oppvarmet luft, eksos, røykgass, forbrenningsgass, inert gass, andre gasser, smeltete salter og smeltet metall, som aktivt varmeoverføringmedium og lagringmedium i volumet mellom nevnte elementer og omsluttende bokskonstruksjon, med minst en inngang for nevnte dynamiske fluider i bokskonstruksjonen, og minst et utløp for nevnte dynamiske fluider fra bokskonstruksjonen. Med begrepet dynamisk menes at nevnte væsker strømmer gjennom systemet under normal drift, for derved å oppnå forbedret lagring eller uttapping av termisk energi, samt forbedret lagring av termisk energi sammenlignet med om det skulle være ingen aktiv væske i volumet mellom elementene og den omsluttende bokskonstruksjonen. Den nevnte gjennomstrømmingen besørges av én eller flere funksjoner: en kompressor, en pumpe, internt trykkfall i væsken som besørget av denne funksjonen, og gravitasjon. Elementene sammenstilles med tilstrekkelig avstand for å oppnå flyt rundt og mellom elementer og for å oppnå ønsket konveksjon og tillate riktig sirkulasjon i forbindelse med ønsket gjennomstrømning mellom eksterne innløp og utløp tilknyttet lagerbygget.

I en andre viktig utførelse av oppfinnelsen består den termisk energilagringen og varmevekslingen av en stillestående væske som termiske oljer, smeltete salter og smeltet metall eller materialer som kan endre fase og kan skifte mellom å være faststoff eller væske, væske eller gass, som aktive varmeoverfø rings- og/eller lagringsmedium i volumet mellom nevnte elementer og bokskonstruksjon, og en varmeveksler innebygd i noen eller alle termisk energilagringselementene som metode for å ta termisk energi inn eller ut fra lageret. Begrepet stillestående væske betyr at nevnte væske er stasjonær, uten noen betydelig strømning bortsett fra av mulig naturlig konveksjon under normal drift, men som samtidig gir forbedret lagring av termisk energi sammenlignet med om det skulle være ingen aktive væske eller materiale med faseendring i volumet mellom elementene og den omsluttende bokskonstruksjonen.

I tidligere teknologier, som nevnt i innledningen, ble isolasjon, som perlitt, eller luft, plassert mellom de termisk lagringselementene inne i lagerbygget. Nevnte volum mellom elementene hadde prinsipielt ingen aktiv funksjon for termisk energilagring eller uttak, eller termisk energilagring eller leveransekapasitet, og bare de termisk elementene hadde en slik funksjon i tidligere versjoner av teknologien.

Termisk energilager og varmeveksler består av termiske energilagringselementer av en størrelse og vekt som er enkel å håndtere med byggekran, antall elementer i et lager kan være 2, 5, 10, 40, 100, 200 eller 500 eller mer, og alle heltall i mellom disse tallene. Følgelig kan antallet kan variere fra mindre enn 10 og opp til flere titusenvis eller mer, avhengig av størrelsen på hvert element og dets respektive energilagringskapasitet, og den totale, ønskede energilagringskapasiteten for hele lagringssystemet. Elementene er ordnet loddrett stående, side-ved-side, som én eller flere grupper av elementer i et termisk lager, eller vannrett liggende og stablet som én eller flere grupper med stabler av elementer i et termisk lager; elementene ordnes ved fastholding eller nettverk eller med mellomliggende støtter for stabling, eller elementene ordnes tett i stablet eller pakket formasjon.

Det er å foretrekke for de fleste versjonene av oppfinnelsen at de termiske energilagringselementene av herdet betong er innesluttet i et ytre metalskall eller vevd fiberskall som en kombinert støpeform, forsterkning og beskyttende skall, og betongen er direkte støpt og herdet i det nevnte ytre skall. Temperaturen under drift skal ikke overstige maksimal godkjent brukstemperatur for valgte metall, legering eller vevd fibermateriale for det ytre skallet, som i de fleste tilfeller helst består av stål eller stållegering. Det ytre skallet i elementet har en tverrsnittform som er sirkulær, sekskantet, kvadratisk, rektangulær, rektangulær med avrundede hjørner eller halvsirkel kortsider, eller mangekantet, - helst har elementet har sirkulær tverrsnittsform, hvor det ytre skallet er korrugert med regelmessige korrugeringer, eller foldet overflate av Spiro-rørtypen, eller et ytre metallag som er glatt og jevnt.

Fortrinnsvis er det nevnte ytre metallskallet åpent i den ene enden, gjennom hvilken åpen ende den våte betongen er fylt og støpt, eventuelt er den åpne enden er lukket med metall-lokk etter støpingen er ferdig.

Helst er de termiske lagringselementene med herdet betong utstyrt med U-formede, tynne rør-varmevekslere for innføring og uttak av varme, og muligens også elektriske elementer for varmeninnføring, med utgang fra den ene enden av energilagringselementene, videre er varmevekslere dimensjonert for å gi turbulent, intern strømning under normale driftsforhold.

Det termiske energilageret og varmeveksleren består i henhold til oppfinnelsen fortrinnsvis av en åpning eller en utgang på lav høyde i bokskonstruksjonen, som utløp og drenering av væske for dynamisk aktiv varmeoverførings- og lagringsfluid eller som et utløp for drenering av en stillestående væske eller faseovergangsmateriale.

Det termiske energilageret og varmeveksleren i henhold til oppfinnelsen består fortrinnsvis av en åpning eller en innføring på stor høyde i lageret, som en åpning for dynamisk aktiv varmeoverførings- og lagringsfluid, nevnte innføring inneholderen pumpe, vifte eller kompressor som er operativt koblet for flyt av dynamisk fluid, eller som en åpning for å fylle en stillestående væske eller faseovergangsmateriale. Fortrinnsvis består lageret også av en åpning på lav høyde, fortrinnsvis sammen med pumpe, vifte eller kompressor operativt sammenkoblet og der åpningen er innløp og utløp kan

alterneres etter behov.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, innehar den termiske energilagringen en dynamisk aktiv varmeoverførings- og lagringfluid av oppvarmet luft eller andre former for gass, forbrenningsgass, eksos eller lignende, et innløp og et utløp for nevnte gass, termiske energilagringselementer av betong arrangert tett, men med mellomliggende avstand som tillater strømning rundt og mellom elementene, og med samlet tverrsnitt som er minst like stort som tverrsnittet for flyt gjennom innløpet og utløpet fra bokskonstruksjonen, med innebygde varmevekslere i de nevnte elementene, systemet av de innebygde varmevekslerne har termisk isolasjon på rør eller tilkoblinger som strekker seg utenfor nevnte elementer, og som muliggjør operativ drift med gass med inngangstemperaturer opp til 1000-1500 °C.

Oppfinnelsen tilveiebringer også anvendelse av det termiske energilager ifølge oppfinnelsen, for lagring av energi og levering av termisk energi.

Som nevnt ved driftstemperatur opp til 1500 ° C for termisk lagring med elementer uten en ytre metallag men med eventuelt vevd fiberskall og isolerte koblinger til innstøpte varmevekslere, videre for driftstemperaturer opp til 570-700 ° C og termiske lager med elementer med et ytre metallag, fortrinnsvis med leveringstemperaturfor varme fra lagring så høyt som mulig mens fortsatt innenfor et område som er mulig for en elektrisk turbin-generator eller lignende, og derved effektiv konvertering til elektrisitet.

Faststoffmaterialet i energilagringselementene er helst en spesiell type betong som er støpt og herdet, fortrinnsvis i det ytre skallet for versjoner av oppfinnelsen som har et slikt ytre skall, skallet fungerer da som en armering og som en støpeform og en livsforlengende beskyttelse mot langsiktige virkninger av temperaturvariasjoner og kjemiske effekter av mediet mellom elementene og bokskonstruksjonen. Begrepet betong har her den videst mulige tolkning; det menes en hvilken som helst blanding av herdende materialer som gjør bruk av sement eller andre bindemidler, herunder spesielle herdende ildfaste blandinger. Geomaterialer som har vært sintret vil også falle innenfor denne kategorien. Betongen kan også være fiber-armert. Helst skal det ytre skallet være laget av stål sammenføyet fra valset tynnplatebånd ved bruk av folding, sveising eller lodding eller andre sammenføyningsmetoder, og fungere som ringarmering og støpeform. En "Spiro" type rørseksjon, med et påført endelokk og eventuelt også et topplokk, er eksempel på en foretrukket versjon av det ytre stålskallet. Maskiner for fabrikasjon av Spioro-type rør med bruk av tynnstål plate på rull er tilgjengelig fra kommersielle leverandører. Eksempelvis selger kommersielle leverandører slike rør eller rørseksjoner for ventilasjon, utslipp, kloakk eller annen bruk. Alternativt kan det ytre skallet være ferdige såkalt sømløse, tynne stålrør eller tynne rør som er laget fra tynnplate ved longitudinell eller spiralmessig sammensveising.

Alternativt, i stedet for å ha et rundt tverrsnitt, kan elementene og det ytre skallet ha sekskantet tverrsnitt eller tversnitt av annen form, slik som kvadratisk eller rektangulært, for derved å oppnå tettere pakking og økt forholdstall mellom elementer og totalvolum innenfor bokskonstruksjonen. Et sekskantettverrsnitt fordeler ekstern strøm av fluid mellom elementene mer jevnt, tilrettelegger uniform avstand mellom elementer, som igjen medfører bedre varmeoverføring fra det omsluttende medium, og tillater tettere pakking og høyere faststoff/volum forhold innen bokskonstruksjonen, alt dette vil være fordelaktig i de fleste situasjoner. Et stålskall eller rørseksjon med endelokk vil typisk være egnet som støpeform, for elementer med opp til omtrent 12 meter høyde og 0,5 meter diameter. Andre materialer, slik som stållegeringer, aluminium eller legeringer som motstår høye temperaturer og kjemisk stabile kompositter, slik som carbonbaserte kompositter, er mulige materialer for skallet.

I en foretrukket utførelse er elementene korrugert eller har finner, elementene er arrangert tett side-ved-side i vertikalt stående posisjon eller de legges horisontalt. Korrugeringene er fortrinnsvis sirkulære eller av helisk (spiral-) form og går i den fulle lengden av elementene. En sirkulære korrugering utgjøre en sirkel rundt elementet, en helisk korrugering beskriver en spiral rundt og langs lengden av elementet. Alternativt, det kan være longitudinale finner som er ekstrudert, sveiset, eller på annen måte festet til skalloverflaten. Korrugerte eller f i nnef ormede ytre elementskall tillater bedre varmeoverføring på grunn av økt overflateareal for visse versjoner. Tettere elementpakking kan oppnås ved at korrugeringene arrangeres vekselvis eller forskjøvet i forhold til naboelementene. Tilsvarende, elementer med korrugert skall med ujevn overflate arrangeres fortrinnsvis tett side-ved-side inne i bokskonstruksjonen. Bøyde eller rullede plater, ved bruk av utstyr egnet for formålet, med sømsveising eller foldesammenføyning, kan bli brukt til å produsere korrugerte eller ikke-korrugerte skall. Å presse runde rør til en sekskantet form er en foretrukket produksjonsmetode.

Området for aktuelle dynamisk driftstemperatur er nesten uten begrensninger, slike grenser er typisk gitt av materialene som er brukt i konstruksjonen og egenskapene til det anvendte fluidet. Et typisk temperaturområde er 50-750 °C, mere vanlig 120-570 °C mens begrensninger kan mer direkte være relatert egenskaper av anvendte materialer så som 250-570 °C (for salter) og 150-420 °C (for termiske oljer). De høyeste temperaturene kan oppnås med metaller (bly eller zink, for eksempel) eller saltsmelte eller svært varme gasser mellom lagringselementene. Flere salter vil solidifiseres (størkner) i det anvendte temperaturområdet, og derved tilveiebringer økt varmekapasitet (latent varme) assosiert med faseovergang, normalt uten å forårsake uakseptable spenninger i bokskonstruksjonen eller i selve elementene siden størkningen typisk medfører volumkontraksjon. De mest vanlige saltene er nitrater, slik som sodium-, potassium-, og kalsium nitrater og salthydrater. Materialer som lagrer latent varme ved hjelp av faseovergang fra fststoff til væske, og motsatt, er vanligvis betegnet faseovergangsmaterialer (Phas Change Materials, PCM). Termisk lagring kan også i en foretrukket utførelse innebære elektriske varmeelementer som plasseres i mediet mellom elementene og bokskonstruksjonen, i særdeleshet hvis det nevnte materialet er et faseovergangsmateriale (PCM).

Med betegnelsen rør med liten diameter for varmevekslerne innen lagringselementens refereres til ikke bare strømning men også typen av væskestrøm, som skal være av typen «turbulent» for å oppnå best mulig varmeoverføring. For eksempel, rør med liten diameter for varmevekslerne har et tversnitt som medfører turbulent væskestrøm ved normale operasjonelle betingelser, som er Re > 4000, mer å foretrekke Re > 5000, hvor Re står for Reynoldstall. For andre tverrsnitt, bør Re ved normale operasjonsbetingelser tilsvarende være i området for turbulent væskestrøm, siden turbulent strømning i varmevekslerne øker varmevekslingen.

For lavere brukstemperaturer, med mindre temperaturavhengige effekter, kan andre typer materialer og tversnittsformer andre enn runde for rør og for skall være mere aktuelle. Varmevekslerne kan være av platetypen hvis hvis driftstemperaturen, eller mer spesifikt den dynamiske driftstemperaturen, og de faste materialene tillater det, - dette betyr fortrinnsvis at det vil være liten eller ikke-eksisterende materialoppsprekning. Alternativt, elementene kan være som beskrevet i Søkerens WO 2012/169900 A1.

I en foretrukket utførelse av lageret i henhold til oppfinnelsen, med varmevekslere innstøpt i de termiske elementene og med faseovergangsmaterialet PCM arrangert i volumet mellom de termiske elementene, og også en metode for drift av lageret; når varmeenergi tas ut av lageret sirkuleres vann gjennom varmevekslerne slik at faseovergangsmaterialet PCM strørkner mens vannet omdannes til damp. Dette innebærer at den avgitte varmen fra størkningen av faseovergangsmaterialet brukes til å fordampe vannet.

Figurer

Oppfinnelsen er illustrert med 18 Figurer, av hvilke:

Figur 1 er en forenklet illustrasjon sett ovenfra av et lager i henhold til oppfnnelsen med dynamisk varmeoverføringsfluid og elementer med sirkulært tverrsnitt. Figur 2 er en forenklet illustrasjon sett ovenfra av et lager i henhold til oppfinnelsen med dynamisk varmeovergangsfluid og sekskantede elementer. Figur 3 er en forenklet illustrasjon av et langsgående tverrsnitt av et lager i henhold til oppfinnelsen med dynamisk varmeoverføringsfluid på utsiden av elementene. Figur 4 er en forenklet illustrajon sett ovenfra av et lager i henhold til oppfinnelsen med dynamisk varmeoverføringsfluid og sirkulære elementer innenfor en sylindrisk bokskonstruksjon. Figurene 5 og 6 illustrerer forskjellige elementarrangementer og tilsvarende

volumforholdstall inne i bokskonstruksjonen.

Figur 7 illustrerer elementer sett i longitudinalt og i tverrsnittsplan, med og uten integrerte varmevekslere og elektrisk varmeelement. Figurene 8-14 illustrerer noen versjoner av lageret i henhold til oppfinnelsen, mer spesifikt:

Fig. 8 med saltsmelte eller olje som varmeoverføringsfluid HTF,

Fig. 9 med gass som varmeoverføringsfluid HTF inn og ut,

Fig. 10 med saltsmelte inn og superopphetet damp ut,

Fig. 11 med olje inn og superopphetet damp ut,

Fig. 12 med varm gass inn og vann/damp ut,

Fig. 13 med vann/damp inn og ut, eller med olje inn og ut, og fortrinnsvis faseovergangsmateriale PCM mellom elementene,

Fig. 14 med elektrisk oppvarming inn og vann/damp ut,

Figur 15 viser en konstruksjonsdetalj av bokskonstruksjonen,

Figur 16 illustrerer design for en vegg i bokskonstruksjonen,

Figur 17 viser en annen design av en vegg i bokskonstruksjonen,

Figur 18 viser en tredje versjon av design av en vegg i bokskonstruksjonen.

Detaljert beskrivelse

Det vises til Figur 1, som er et forenklet tverrsnitt av et lager i henhold til oppfinnelsen med dynamisk fluid for aktiv varmeoverføring og som lagringsmedium og sirkulære termiske lagringselementer av betong. Mer spesifikt, et termisk energilager og varmeveksler 1 i henhold til oppfinnelsen er illustrert, bestående av mange termiske energilagringselementer 2, der hvert element enten har eller ikke har et ytre skall 3, (referanse til Fig. 7) som fungerer som kombinert støpeform og armering, og et et termisk energilagringsmateriale 4 innenfor det alternative ytre skallet. Hvis det ikke er noe ytre skall så må det tilveiebringes en støpeform som må fjernes etter at støpingen av elementene har funnet sted. Det kan også være nødvendig å gjøre bruk av stålarmering inne i betongen. Elementene er arrangert inne en bokskonstruksjonen 5, et medium 6, så som termisk olje, saltsmelte, varm luft, varm forbrenningsgass, eksos eller røykgass fyller volumet mellom nevnte elementer og nevnte bokskonstruksjon, for effektiv energilagring og varmeoverføring. Det er arrangert i det minste ett innløp 7 for energilageret og minst ett utløp 8 for termisk energi, innløpet og utløpet er indikert bare med piler, men dette kan være en eller flere røråpninger eller lignende som går gjennom veggen eller taket eller lignende i bokskonstruksjonen, som et middel til å levere eller å ta ut termisk energi fra lageret, respektivt. Bokskonstruksjonen har termisk isolasjon 9, på innsiden eller på utsiden eller inne i selve veggen(e), gulvet, eller taket av bokskonstruksjonen 5, som også klart er illustrert i Figurene med nummer 15-18 og et varmt rom 10 og et kaldt rom 11, for derved å legge til rette for jevnt fordelt strøm av fluidet mellom og rundt elementene, fra den varme siden til den kalde siden. Et typisk lager i henhold til oppfinnelsen kan bestå av for eksempel 300 elementer arrangert side ved side inne i bokskonstruksjonen, hvert element med diameter på ca. 0,25 meter og lengde 10 meter. Antallet elementer kan være hundrevis eller tusenvis, og elementene kan være horisontalt liggende men arrangert eller stablet oppå hverandre, for alternative versjoner av oppfinnelsen. Mindre eller større elementer er også meget mulig. Det aktuelle antall elementer avhenger av krav til lagringskapasitet, elementene vil i hovedsak være identiske eller lignende på hverandre. Elementene kan arrangeres horisontalt eller vertikalt. Ved å rotere figuren 90 grader med urviseren viser Figur 1 også en illustrasjon av et lager i henhold til oppfinnelsen med horisontale elementer, elementene og bokskonstruksjonen vises i tverrsnitt, med lageret i driftsfase med lagring av termisk energi fra et dynamisk fluid som innføres på et høyt nivå i lageret og tas ut på et lavt nivå. For å ta ut termisk energi reverseres fortrinnsvis fluidstrømmen. Figurene er forenklet og komponenter kan være i uriktig relativ størrelse for derved å illustrere forhold som diskuteres i hver utførelse. For alle figurene er tilsvarende eller identiske egenskaper gitt identiske nummerreferanser. Figur 2 tilsvarer Figur 1, men elementene har har sekskantet tverrsnitt, dette tillater tettere pakking og nær konstant avstand mellom naboelementer. Som for Figur 1, elementene kan arrangeres horisontalt eller vertikalt. Ved å snu illustrasjonen 90 grader med urviseren viser Figur 2 også et lager i henhold til oppfinnelsen med horisontale elementer, der elementer og bokskonstruksjonen er vist i tverrsnitt, med lageret værende i en driftsfase med lagring av termisk energi fra et dynamisk fluid som bringes inn i lageret på høyt nivå og tas ut på lavt nivå. Figur 3 viser et forenklet longitudinalt snitt fra siden av et lager i henhold til oppfinnelsen med dynamisk varmeoverføringsfluid, slik som for Figur 1 og 2. På Figurene 1 -3 er det illustrert et varmt rom 10 ved innløpet, og et kaldt rom 11 ved utløpet, fluid nivået i det kalde rommet er lavere enn nivået på den varme siden, dette muliggjør gravitasjonsstrøm av et varmt medium, som i denne utførelsen for eksempel er varm væske, rundt og i lengden av elementene. I den illustrerte situasjonen lagrer elementene termisk energi. I den motsatte tilstanden, når termisk energi tas ut av lageret, holdes nivået i det kalde rommet høyere enn nivået i det varme rommet, hvilket medfører strømning i motsatt retning. Hvilken side som er varm eller kald i forhold til retningen på væskestrømmen kan derved byttes. Imidlertid kan strømmen i mediet bli drevet på en eller flere måter: inneværende trykk i kilden som mediet kommer fra, en pumpe som er koblet til eller integrert i innløpet og fortrinnsvis også utløpet, en kompressor, vifte eller pumpe eller integrert i innløpet eller fortrinnsvis også utløpet, og ved gravitasjon. For horisontalt liggende elementer i lageret er den varme siden fortrinnsvis på høyere nivå og den kalde siden fortrinnsvis på et lavere nivå, lagring av termisk energi er fortrinnsvis med fluidstrøm nedover og utladning er fortrinnsvis med med fluidstrøm oppover, hvorved dynamisk strømning og naturlig konveksjon fungerer paralelt. Figur 4 viser en videre utførelse, med en ringformet sylindrisk bokskonstruksjon med sylindriske elementer. Figurene 5 og 6 viser effekten av avstand mellom elementer med sirkulært tverrsnitt, respektivt anordnet i rekke eller forskjøvet, og for sekskantet tverrsnitt. Bokstaven d angir den halve avstanden mellom naboelementer slik at d=0 representerer situasjonen der elementene er tett pakket uten avstand seg imellom. For et lager med stillestående væske eller væske-faststoff, er det relevant med en liten d og det kan være å foretrekke av hensyn høy kostnad på fluidet. For et dynamisk varmeoverføringsfluid, som må være i stand til å flyte langs og rundt elementene i samsvar med trykkdifferanser, må d være

tilstrekkelig stor til å bevirke forønsket strømningshastighet under hensyntagen til trykkdifferanser, viskositet av fluidet, og overflatefriksjon. Kostnaden for varmeoverføringsfluider som saltsmalte og termiske oljer er typisk meget høyere enn for kostnaden av faststoffselementene, typisk en størrelsesorden høyere. I henhold til dette bør volumforholdet £ = volum av faststoff / totalt volum inne i lageret være så høyt som mulig. For stillestående væske eller væske-faststoff som varmeoverføringsfluid, eller mer korrekt betegnet varmelagerfluid siden det er stillestående, kan pakkingen være meget tett. For dynamisk aktive varmeoverføringsfluider og varmelagerfluider vil det eksistere et foretrukket volumforhold % for gitte driftsforhold. Mer spesifikt, hvis det kreves rask respons ved energilagring eller energilevering, så som når lageret leverer energi om dagen og lagrer energi om natten på regulær basis, kan en større andel varmeoverføringsfluid og et lavere volumforhold være å foretrekke enn om den regulerte perioden har større varighet med tilsvarende frekvens. Høyere strømningshastighet for væskeoverføringsfluidet, ved økt tverrsnitt fra å ha økt avstand mellom elementene, vil forbedre responsen eller hastigheten for innføring og uttak av varme.

Figurene 5-7 illustrerer elementene 2 i større detalj. Figur 5 viser også noen av de mange alternative tverrsnitt som elementene kan ha, nemlig kvadratisk, rektangulært og elliptisk. Andre former er også mulig slik som hyperelliptisk. Elementene kan være med eller uten varmevekslere 12 (midler for varmeinnføring og varmeuttak), eller med en eller begge av de nevnte midlene, avhengig av anvendelsen, og med eller uten ytre skall 3. Varmeveksleren trenger ikke nødvendigvis å være et rør med liten diameter eller bøyd rør, eller rør-i-rør, for lavere temperaturområder kan det være et spiralformet rør eller rørsløyfe eller rull, eller plater eller rør som har finner eller lignende geomtrierfor å oppnå større overflate for varmeveksling, siden det ikke nødvendigvis vil kreves rund form for å unngå oppsprekning.

Elementene 2 kan arrangeres vertikalt stående, side-ved-side, som en eller flere grupper av elementer i et varmelager, eller horisontalt liggende og stablet som en eller flere grupper av stablede elementer i et termisk varmelager. Elementene kan bli posisjonert ved hjelp av holdere eller maler eller mellomliggende elementer for stabling, eller elementene kan arrangeres tett stablet eller pakket, alt avhengig av den foreskrevne ytelse og integrasjon i eksisterende kraftanlegg eller systemer og tilgjengelige energikilder. Egenskapen ved å ha et ytre metallskall som utgjør en kombinert funksjon av støpeform og armering muliggjør kostnadseffektiv, enkel, masseproduksjon av lett transportable elementer og tett stabling og pakking. Elementene inneholder fortrinnsvis ingen ytterligere forsterkning eller armering enn det nevnte ytre skall, bortsett fra muilge fibre eller spesialaggregater i den støpbare massen eller betongen, og mulig armeringseffekt fra de innestøpte varmevekslerne eller varmeelementene, som samlet forenkler produksjon og reduserer kostnader. Forsterkningen eller armeringen består som sådan primært av det ytre metallskallet.

For et stillestående, aktivt varmeoverførings- eller lagringsmedium, hvilket fortrinnsvis vil være et faseovergangsmedium, kan et rundt, et sekskantet, et rektangulært eller kvadratisk element være å foretrekke. For et dynamisk fluid som aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium vil elementene fortrinnsvis være sekskantete, kvadratiske eller rektangulære.

Som nevnt, Figurene 8-14 illustrerer noen av de mange mulige utførelsene av et lager 1 i henhold til oppfinnelsen.

Figur 8 illustrerer et lager med saltsmelte som varmeoverføringsfluid (HTF) inn og ut,

som egner seg for temperaturområder over frysepunktet for saltsmelte. Formålet med å ha faststoff lagringselementer i tanken er å redusere kostnader ved å erstatte en del av saltsmelten med et billigere betongmateriale. Merk også at denne løsningen er en «en-tanks» termoklin løsning hvor temperaturen varierer fra en side til den annen. For å være i stand til å smelte saltet i tanken under oppstart av anlegget og fungere som en sikkerhetsanordning, ikke illustrert, arrangeres elektriske varmeanordninger i elementene eller i saltsmelten eller begge steder. Strømningshastigheten av salt, og derved hastigheten og responsen for varmeoverføring, avhenger av forskjellen i høydenivå mellom kald og varm side, på temperaturen og derved også viskositeten, og av distansen mellom elementene. Prosessen kan faktisk kontrolleres ved hjelp av

hastigheten for fylling og uttak av fluid fra tanken. For varmeuttak vil væskestrømmen og høyden på væskenivå reverseres. Lageret innholder midler for strømningskontroll, slik som basert på høydenivå, trykk eller kontroll over strømningshastighet,. Rør og ventiler for inntak og uttak, fra en ende av lageret til den andre, er ikke illustrert for å oppnå klarhet i tegningen. I tillegg, elementene kan alternativt inneholde varmevekslere og varmeanordninger hvis det anses fordelaktig. I et slikt tilfelle fungerer systemet både som termisk lager og som en varmeveksler mellom saltsmelte og et annet varmeoverføringsfluid som kan være termisk olje eller endog direkte damp. Den illustrerte utførelsen kan lett integreres i eksisterende kraftanlegg basert på konsentrert solkraft (CSP), kull eller kjernekraft, med saltsmelte som varmeoverføringsfluid. Alternativt kan det brukes olje som varmeoverføringsfluid inn og ut, samsvarende med et temperaturområde for drift over frysepunktet og under kokepunktet for for oljen. I samsvar med dette vil den praktiske øvre temperaturgrensen være omtrent 400 °C avhengig av kokepunktet for oljen og trykk-kapasiteten i lagertanken. Kokepunktet kan økes ved å anvende økt trykk, men trykk over omtrent 10 bar vil trolig være upraktisk for større lager på grunn av kostnaden av trykktanken (bokskonstruksjonen). Den nedre temperaturgrensen henger i praksis sammen med strømningen av olje, som i sin tur er påvirket av økt viskositet ved fallende temperatur, differansen på væskenivåene i kamrene og pakkingen av elementene. Den illustrerte utførelsen kan lett integreres i eksisterende kraftanlegg basert på konsentrert sol (CSP) og bruk av olje som varmeoverføringsfluid.

Figur 9 har likhetstrekk med utførelsen i Figur 8, men med gass som varmeoverføringsfluid inn og ut, og strømningshastigheten av gass er trykkstyrt. Dette

kan lett bli integrert i industrielle anlegg eller kraftanlegg som produserer varm gass, slik som varm luft, eksos og røykgass, som for visse typer industrielle installasjoner eller for kull- eller oljefyrte anlegg eller anlegg basert på biobrennstoff, og kjernekraftanlegg med varm gass.

Figur 10 viser en utførelse med saltsmelte inn og vann/superoverhetet damp ut. Driftstemperaturområdet er fra over frysepunktet for saltsmelte og minst opp til dagens maksimale praktiske temperaturområde for dampturbiner for strømproduksjon, det vil si omtrent 620 °C. Elekriske oppvarmingsanordninger (ikke illustrert) plasseres inne i lageret for smelting av salt om nødvendig. Denne utførelsen fungerer altså som salt til damp varmeveksler som kan være i kontinuerlig operasjon, forholdet mellom inntak (saltsmelte inn) og uttak (vann/damp og saltsmelte ut) forvarme avgjør hvor mye energi som lagres til enhver tid. Lageret kan integreres i et hvilket som helst anlegg som bruker saltsmelte som varmeoverførings- og lagringsmedium og superoverhetet damp for kraftgenerering, slik som konsentrert solkraftanlegg med saltsmelte og kjernekraftanlegg med saltsmelte. Selv om de fysiske prinsippene kan være mye av det samme for de to nevnte anvendelsene kan selve bruksmåten være forskjellig. Et anlegg for konsentrert sol kraft vil typisk bruke lager for å besørge kraftproduksjon under avbrudd på kraft (innkommet skydekke, periode etter at solen har gått ned) mens et kjernekraftanlegg kan ønske å bruke lageret for å oppnå bedre fleksibilitet i kraftproduksjonen ved å overføre noe av varmeproduksjonen i løpet av natten til å være tilgjengelig som økt kraftproduksjon når etterspørselen øker om dagen. Figur 11 viser en utførelse med likhetstrekk til Figur 10, men med olje inn og vann/overhetet damp ut. I samsvar med dette er driftstemperaturområdet fra lave temperaturer der viskositeten av oljen blir for høy og opp til kokepunktet for olje, strømningen av oljen avehenger, i tillegg til temperaturen, også av væskenivået i instrømningskammeret og utstrømingskammeret, trykket fra kilden, koblet til pumper eller ikke, og pakkingen av elementene. Oljetrykket holdes fortrinnsvis i nærheten av atmosfærisk trykk, av sikkerhetsgrunner og hva som er praktisk veggtykkelse i bokskonstruksjonen. Denne utførelsen er også en varmeveksler for olje til damp som kan opereres kontinuerlig, forholdet mellom innføring og uttak av varme bestemmer hvor mye energi som lagres eller leveres til enhver tid. Anvendelsesområdet er konsentrert solkraft eller andre energianlegg som anvender olje som varmeoverføringsfluid. Figur 12 illustrerer et lager med varm gass eller avgasser inn, og vann/damp ut, dette har anvendelser for kull- og biobrenselsanlegg, industrielle anlegg med spillvarme, eller kjernekraftsanlegg med gass. Driftstemperaturen er fortrinnsvis over 100 °C, fortrinnsvis

for trykksatt vann, overhetet damp eller superkritisk vann/damp.

Figur 13 viser et lager med vann/damp, og alternativt olje, inn og ut, og stillestående saltsmelte eller faseovergangsmateriale (PCM) mellom elementene. Driftstemperaturen har ingen praktisk nedre eller øvre grense, og er fortrinnsvis langt over smeltepunktet for salt eller PCM som øvre, og under størkningstemperaturen som nedre

temperaturgrense. Overhetet damp eller vann er mulig for varmevekslerne som befinner seg inne i elementene. Bruk av faseovergangsmateriale øker varmelagringskapasiteten betraktlig som funksjon av det høye energi-innholdet (entalpien) som er assosiert med selve faseovergangen. Anvendelsesområder er CSP-anlegg med med trykksatt vann eller direkte damp, kull-, olje-, eller biobrennstoff-fyrte anlegg, industriavfallbasert varme, geotermiske anlegg og kjernekraftsanlegg med vann.

Figur 14 viser en utførelse med elektrisk oppvarming inn og vann/damp ut., og mediet mellom cellene er saltsmelte eller PCM. Lageret har elektriske varmeelementer arrangert inne i cellene eller i det nevnte medium eller begge deler. Anvendelsesområdene er vindkraftanlegg, fotovoltaiske (solcelle) anlegg, elektriske kraftnett med tidvis tilgang på billig kraft, eller hvilken som helt annen elektrisk kraftkilde. Anvenbart temperaturområde er nesten uten begrensning siden energikilden er elektrisitet. Oppover er praktisk grense bestemt av maksimal trykk- og temperaturkombinasjon assosiert med dampturbinen fremfor begrensninger knyttet til rørene i varmevekslerne eller betongen eller salt eller PCM i lageret. I det minste er 600 °C ved over 270 bar damptrykk i varmevekslerne ansett for å være mulig i lageret. Figur 15 illustrerer prinsippet for forsterkning av bokskonstruksjonen for store installasjoner, mulig for olje og saltsmelte som medium eller fluid i beholderen. Strekkstag eller plater vil kunne tillate større lager med høyere trykk, uten uønsket økning i tykkelse av beholderveggen, tak eller bunnplate. Figurene 16-18 viser alternative utførelser av design som er egnet for oppfinnelsen. Figur 18 viser en vegg for høytemperaturanvendelser, for saltsmelte, smeltet metall eller

høytemperatur gass, bestående aven innvendig metallkledning 14, et lag med ildfast sten, isolasjon 9 og en armert betongvegg, med rekkefølge fra innsiden til utsiden. Veggdesignet i Figur 16 inneholder horisontale stivere 17.

Bokskonstruksjonen kan bli konstruert og bygd i henhold til god ingeniørpraksis av personer som er dyktige i sitt fag. Det indre metallkledningen kan bli laget i henhold til det publiserte internasjonalt patentet WO 2006046874.

Noen foretrukne utførelser av oppfinnelsen er illustrert og beskrevet over. Imidlertid kan visse trekk bli kombinert på andre måter, og fordelene eller ulempene som fremstår for spesifikke trekk vil generelt sett også være gyldige for andre utførelser enn de som er beskrevet med eksempler og spesifikt diskutert her. Et lager i henhold til oppfinnelsen kan inkludere et hvilket som helst trekk som beskrevet eller illustrert, i en hvilken som helst kombinasjon, og enhver slik operativ kombinasjon vil være en utførelse i henhold til oppfinnelsen.

Lageret i henhold til oppfinnelsen frembringer økt lagringskapasitet ag raskere respons (hastighet for innføring og uttak av varme) til en lavere pris enn tidligere teknikk for varmelager. I tillegg, lager i henhold til oppfinnelsen muliggjør en økt dynamisk temperaturområde og utvidede områder for anvendelser.

Claims (12)

1. Termisk energilager og varmeveksler,karakterisert vedat det omfatter: et antall energilagerelementer av herdet betong; en bokskonstruksjon, som elementene er arrangert innenfor; minst ett middel for levering av termisk energi til det termiske energilageret; minst ett middel for å ta ut termisk energi fra energilageret, termisk isolasjon, og et aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i volumet mellom de nevnte elementene og den nevnte bokskonstruksjon, i form av enten: et stillestående fluid eller faseovergangsmateriale, idet lageret omfatter en varmeveksler innstøpt i noen eller alle energilagerelementene som et middel for å føre varme inn eller ut av lageret, eller et dynamisk fluid som er tilpasset å strømme i volumet mellom nevnte elementer og nevnte bokskonstruksjon, idet lageret omfatter i det minste ett innløp for nevnte dynamiske fluid til bokskonstruksjonen og minst ett utløp for nevnte dynamiske fluid fra bokskonstruksjonen.

2. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til krav 1, omfattende et dynamisk fluid, valgt iblant termiske oljer, eksosgass, luft, røykgass, forbrenningsgass, inert gass, annen gass, saltsmelte og smeltet metall, som aktivt varmeoverførings- og lagringsmedium i volumet mellom nevnte elementer og nevnte bokskonstruksjon.

3. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til krav 1, omfattende en stillestående væske valgt blant termiske oljer, saltsmelte og smeltet metall eller faseovergangsmateriale, som aktivt varmeoverførings- og varmelagringsmedium i volumet mellom nevnte elementer og bokskonstruksjon.

4. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til ett eller flere av krav 1-3, hvorved det omfatter termiske energilagringselementer av størrelse og vekt som egner seg til håndtering med en byggekran, antallet elementer i et lager er 2, 5, 10, 40, 100, 200, 500 og mer, og et hvilket som helst heltall derimellom; elementene er arrangert vertikalt stående, side-ved-side, som en eller flere grupper av stabler med elementer i et termisk lager; elementene er arrangert med fastholding eller mal eller mellomliggende innlegg for stabling, eller elementene er arrangert tett stablet eller pakket.

5. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til et eller flere av krav 1 -4, hvorved de termiske energilagringselementene av herdet betong har et ytre metallskall som er en kombinert støpeform, armering og beskyttende skall, betongen er blitt støpt og herdet i det nevnte ytre metallskall; det ytre metallskallet for et element har tverrsnitt som er sirkulært, sekskantet, kvadratisk, rektangulært, rektangulært med runde hjørner eller halvsirkelformede kortsider, eller polygonformet, mest å foretrekke har elementene sirkulær form, hvori det ytre skallet er korrugert, med regulære korrugeringer eller foldet overflate av Spiro-rør typen, eller et ytre metallskall som er glatt og jevnt.

6. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til krav 5, hvori det ytre metallskallet er åpent i en ende, i hvilken åpen ende den våte betongen har blitt fylt og støpt, om ønskelig har den åpne enden blitt lukket med et metall-lokk etter støpning.

7. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til ett eller flere av krav 1-6, hvori varmelagerelementene av herdet betong inneholder U-formede rørformede varmevekslere med liten diameter, for innføring og uttak av varme, og/eller et elektrisk varmeelement for varmeinnføring, satt sammen med varmevekslere, og elektrisk varmeelement som strekker seg ut fra en ende av de termiske energilagringselementene, varmevekslerne er blitt dimensjonert for å bevirke intern turbulent strømning under normale driftsforhold.

8. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til ett eller flere av krav 1-7, som inneholder en inngang eller en utgang på lavt nivå i bokskonstruksjonen, som en utgang og en dreneringsåpning for dynamisk aktiv varmeoverførings- og lagringsfluid eller som en dreneringsåpning for en stillestående væske eller faseovergangsmateriale.

9. Termisk energilager og varmeveksler i henhold til ett eller flere av krav 1-8, som inneholder en åpning eller inngang på høyt nivå i lageret, som en inngang for dynamisk aktiv varmeoverførings- og lagringsfluid, nevnte inngang inneholder en pumpe eller en kompressor for dynamisk fluid, eller som en åpning for å fylle stillestående væske eller faseovergangsmateriale.

10. Termisk energilager i henhold til krav 1 eller 2, som inneholder et dynamisk aktivt varmeoverførings- og lagringsfluid i form av varm luft, forbrenningsgass, eksosgass eller lignende, en inngang og en utgang for nevnte gass, termiske lagringselementer i betong tett arrangert men med et tverrsnittsareal for strømning rundt og mellom elementene som er minst like stort som tverrsnittet for inngangen og utgangen i bokskonstruksjonen, innstøpte varmevekslere i nevnte elementer, de innstøpte varmevekslerne har termisk isolasjon på rør og koblinger på utsiden av nevnte elementer, hvilken utførelse er egnet for inngangsgass med temperaturer opp til 1000-1500 °C.

11. Anvendelse av termisk energilager i henhold til ett eller flere av krav 1-10, for lagring av energi og leveranse av termisk energi.

12. Anvendelse i henhold til krav 11, for driftstemperaturer opp til 1500 °C for termiske lagre med elementer uten ytre metallskall og med isolerte koblinger til de innstøpte varmevekslerne, operasjonstemperaturer opp til 570-700 °C for termiske lagre med elementer med et ytre metallskall, fortrinnsvis er temperaturen for leveranse av termisk energi fra lageret så høy som mulig men likevel akseptabel for en turbin-generator eller lignende, for effektiv omdanning av termisk energi til elektrisitet.