PT1857614E - Acumulador de calor para o armazenamento de ar comprimido adiabático para fins de armazenamento de energia - Google Patents

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PT1857614E
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Description

1
DESCRIÇÃO "ACUMULADOR DE CALOR PARA O ARMAZENAMENTO DE AR COMPRIMIDO ADIABÁTICO PARA FINS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA"
Campo técnico A presente invenção refere-se a um acumulador de calor para o reaquecimento de ar comprimido durante a respectiva saida de um acumulador de ar comprimido de grande capacidade subterrâneo para a compensação da refrigeração durante a expansão do gás comprimido antes da respectiva passagem através da turbina para fins de produção de energia.
Estado da técnica
Centrais hidroeléctricas com recuperação por bombagem, nas quais a água quando existe um execedente de energia eléctrica é bombeada para uma altura mais elevada e a partir dai quando existe uma necessidade de energia após um percurso em declive circula através de turbinas e ai volta a transformar parcialmente em energia eléctrica a energia potencial anteriormente armazenada, que no final do percurso em declive se apresenta sob a forma de energia cinética, são amplamente conhecidas e úteis em zonas montanhosas. Nas planícies as centrais hidroeléctricas com recuperação por bombagem da natureza acima referida apenas seriam concebíveis enquanto obras extremamente complexas e dispendiosas. Por conseguinte por todo o mundo com alguns escassos acumuladores de ar comprimido subterrâneos (por exemplo cavernas de sal) procura-se uma outra forma para o armazenamento temporário de energia nas planícies, nos quais com energia periodicamente produzida em excesso é comprimido ar e posteriormente armazenado num acumulador 2 subterrâneo vedante relativamente ao gás de grande capacidade, para durante consumos de energia eléctrica periodicamente maiores através da saida e fluição através de uma turbina voltar a ser transformada em energia eléctrica.
Durante a compressão do ar o referido ar aquece. (Para uma compressão sem permuta térmica, tal como se apresenta aproximadamente no curto momento da compressão, considerando que o tempo não é suficiente para uma permuta térmica, para a presão p, o volume V e a temperatura T são válidas as equações de estado adiabáticas p.VY=const e TY .p1~Y=const, sendo que o coeficiente adiabático γ é definido como y=Cp/cv, a relação da capacidade térmica molar com uma pressão constante ou um volume constante.)
Quando o referido ar aquecido é bombeado para a caverna, arrefece pelo menos parcialmente até à respectiva saida.
Quando o referido ar arrefecido durante a saida volta a fluir através da turbina expandindo-se (igualmente de forma adiabática), então arrefece intensamente conduzindo a formações de gelo indesejadas.
Para evitar o problema acima referido antes da entrada para a turbina o ar é artificialmente reaquecido, o que habitualmente é realizado através da combustão de combustíveis fósseis, pelo que o equilíbrio do meio ambiente é negativamente influenciado.
Por conseguinte já foi sugerido, transferir o calor produzido durante a compressão do ar para um acumulador de calor e durante a saida de gás do acumulador de pressão 3 voltar a transferi-lo para gás, de modo que o gás seja armazenado de forma adiabática e não tenham de ser aplicadas quaisquer energias adicionais, para aquecer o gás. Até à presente data não é conhecido um acumulador de calor que com a grande capacidade pretendida, o faça satisfatoriamente. Um acumulador de calor, que apresenta as caracteristicas do preâmbulo da reivindicação 1, foi divulgado no doocumento DE-A-3 545 622.
Objectivo da invenção A presente invenção tem por objectivo conceber um acumulador de calor que, perante um débito de gás elevado e perante uma pressão elevada (até aproximadamente 65 bar) , seja capaz de resistir a temperaturas elevadas (até aproximadamente 650°C) do gás bombeado para o acumulador de pressão e de retransferir o gás para o gás extraído do acumulador subterrâneo. Preferencialmente o sistema deverá funcionar de forma adiabática, sendo que no caso óptimo não deverá ser necessária a utilização de qualquer energia adicional para o aquecimento do gás.
Descrição da invenção O objectivo acima referido é alcançado através das caracteristicas referidas no preâmbulo da reivindicação 1.
As caracteristicas essenciais da presente invenção são: O acumulador de calor/permutador de calor é um recipiente resistente à pressão, cujo revestimento (1, 7) admite seguramente pressões de aproximadamente 65 bar. Apresenta pelo menos um conduto de entrada (12) 4 para o ar comprimido quente e pelo menos um conduto de sarda (13) para o ar arrefecido do permutador de calor para o acumulador de pressão subterrâneo. Além disso apresenta um conduto de entrada (13) do acumulador de pressão subterrâneo para o acumulador de calor, que pode iqualmente servir de conduto de sarda (13) do acumulador de calor para o acumulador de pressão, bem como um conduto de sarda (12) do ar reaquecido no acumulador de calor para a turbina. 0 revestimento em betão (1) é predominantemente constituido por betão de alta resistência. 0 pré-esforço é realizado na horizontal e na vertical preferencialmente através de elementos tensores (11, 10) de fibra de carbono.
Na área superior do recipiente resistente à pressão (1) está integrada uma calota de aço (7). A referida calota de aço é amovivel, de modo a facilitar o acesso ao interior do acumulador de calor para a respectiva montagem, carregamento e manutenção. Pelo menos a calota de aço (7) do acumulador de calor está disposta acima do nivel do solo, sendo que o resto pode estar disposto abaixo do nivel do solo. O revestimento em betão (1) e a calota de aço (7) podem estar termicamente isolados do meio envolvente através de material de isolamento térmico (16).
Uma camada de isolamento térmico (4) protegida por uma camada resistente ao calor (3) separa o material de acumulação térmica (2) do betão com sensibilidade ao calor (1) . Entre a camada de isolamento térmico e o revestimento de betão (l)/a calota de aço (7) além disso, pressupondo que a camada de isolamento térmico em si não oferece um isolamento térmico suficiente, preferencialmente está disposta uma camada de 5 isolamento térmico adicional (5), preferencialmente de ar. 0 material de acumulação térmica (2) devido à alteração do respectivo volume durante permutas de temperatura preferencialmente não estabelece qualquer contacto com a camada resistente ao calor (3) ou então existem interstícios entre os elementos individuais (2), que actuam de modo a compensar a expansão. 0 material de acumulação de calor (2) preferencialmente está disposto sobre um tecto (8) que assenta sobre suportes (18), preferencialmente de betão.
No interior do revestimento de betão (1) existe um circuito de refrigeração (6) para a refrigeração da face interior do revestimento.
As figuras apresentam mais detalhadamente uma possivel forma de realização: A figura 1 apresenta um corte transversal através de um acumulador de calor de acordo com a presente invenção "sob a forma de cápsula medicinal", cuja maior parte neste caso está disposta de forma sobreterrânea, sendo que a parte inferior (o arredondamento da cápsula) está incorporada numa fundação (17) de betão. A altura total da cápsula do acumulador de calor é de 43 m, dos quais 35 m são sobreterrâneos. 0 revestimento de betão (1) apresenta uma espessura de 2 m e é cosntituido por betão de alta resistência C80/90, pré-esforçado na horizontal e na vertical através de elementos tensores de fibra de carbono (11, 10) . 6
Na respectiva extremidade superior o acumulador de calor é fechado por uma calota de aço com vinte centímetros de espessura (7), que está fixada de forma amovível numa cinta de aço (15) ancorada no revestimento de betão (1).
Isto é mais detalhadamente apresentado na figura 2.
No respectivo lado exterior sobreterrâneo o acumulador de calor está envolvido por um isolamento térmico com 50 cm de espessura (16) . Na área da calota de aço com apenas 20 centímetros (7) o respectivo isolamento apresenta uma espessura de 2,30 m. No interior da cápsula de pressão exterior (1, 7) com um distanciamento (5) de 30 cm, preenchido com ar ou um material de isolamento com elevado teor de ar, está disposta uma cápsula resistente ao calor (3, 4, 8, 9, 18) com uma forma semelhante. A cápsula resistente ao calor (3, 4, 5, 8, 9, 18) preferencialmente é constituída por uma parte inferior (9) de betão com um tecto incorporado (8), que está disposto sobre suportes (18) no solo (9) da cápsula resistente ao calor que por sua vez estão dispostos sobre suportes mais curtos sobre a cápsula de pressão (1). A parte (3, 4) da cápsula resistente ao calor acima do tecto incorporado (8) é realizada com duas camadas. É constituída por uma camada exterior com 20 cm de espessura (4) de tijolos de betão celular, construídos em alvenaria e que engrenam uns nos outros num sistema de macho e de fêmea. Para o interior à referida camada está ligada uma camada com 10 cm de espessura (3) de betão resistente ao calor. Alternativamente pode igualmente ser realizada uma 7 construção de uma única camada de betão celular resistente ao calor com propriedades de isolamento térmico elevadas.
Uma possivel construção das paredes do acumulador de calor de acordo com a presente invenção é mais detalhadamente apresentada na figura 3.
No interior da cápsula resistente ao calor (3, 4) e sobre o tecto (8) de betão resistente ao calor estão empilhados elementos de acumulação de calor (2) de um material cerâmico, que preferencialmente engrenam uns nos outros através de um sistema de macho e de fêmea, para que os constantes ciclos de temperatura não conduzam a deslocamentos dos elementos (2) uns relativamente aos outros. Os elementos de acumulação de calor (2) para fins de permuta de calor apresentam orifícios de passagem para o gás. Os elementos de acumulação de calor (2) preenchem aproximadamente a área tubular central da "cápsula medicinal". 0 arredondamento inferior no interior da cápsula é a área de entrada e de saída para o ar comprimido refrigerado para o acumulador de pressão ou do acumulador de pressão. 0 arredondamento superior da cápsula é a área de entrada e de saída para o ar quente, proveniente do compressor, ou reencaminhado para a turbina. A figura 4 apresenta um corte transversal horizontal através de um acumulador de acordo com a presente invenção. A figura 5 apresenta o acumulador de calor, em corte gráfico, conforme se apresenta na paisagem.
Lista de referências 8 1 Revestimento de betão de betão de alta resistência 2 Elementos de acumulação térmica 3 Camada resistente ao calor 4 Camada de isolamento térmico 5 Camada de ar de isolamento ou material de isolamento com elevado teor de ar resistente ao calor (por exemplo lã mineral) 6 Tubos de refrigeração 7 Calota de aço 8 Tecto de suporte de betão resistente ao calor 9 Elementos de montagem de betão resistente ao calor 10 Elementos tensores de fibra de carbono, pré-esforço vertical 11 Elementos tensores de fibra de carbono, pré-esforço horizontal 12 Conduto de entrada para o ar comprimido do compressor, simultaneamente conduto de saida para o ar reaquecido do acumulador de calor 13 Conduto de entrada para o acumulador de pressão, simultaneamente conduto de saida do acumulador de pressão 14 Armação de aço 15 Cinta de aço ancorada no revestimento 16 Isolamento térmico exterior 17 Fundação 18 Suporte de betão 19 Malha de aço soldada
Lisboa, 15 de Junho de 2010

Claims (7)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um acumulador de calor de grande capacidade para o armazenamento de ar comprimido adiabático para fins de armazenamento de energia, caracterizado por ser constituído por duas cápsulas incorporadas uma na outra (1, 7 e 3, 4, 9), que essencialmente apresentam a forma de um tubo disposto na vertical com calotas arredondadas nas respectivas extremidades, sendo que a cápsula exterior (1, 7) representa uma cápsula de pressão, que admite seguramente a pressões até 65 bar e a cápsula interior (3, 4, 9) representa uma cápsula resistente ao calor, que resiste seguramente a temperaturas até pelo menos 650°C e na qual estão dispostos os elementos de acumulação de calor (2), sendo que o revestimento (1, 7) da cápsula exterior é predominantemente constituído por betão pré-esforçado (11, 10) e a face interior do revestimento pelo menos na proximidade de áreas quentes da cápsula resistente ao calor (3, 4, 9) é refrigerada através de tubos de refrigeração (6) , sendo que no interstício (5) entre a cápsula exterior (1, 7) e a cápsula interior (3, 4, 9) se encontra ar ou um material de isolamento com elevado teor de ar, sendo que os elementos de acumulação de calor (2) estão empilhados sobre um tecto intermédio (8) no interior da cápsula resistente ao calor (3, 4, 9), sendo que no interior da cápsula resistente ao calor (3, 4, 9) na área abaixo do tecto intermédio (8) se encontra uma área de entrada e de saída para o ar proveniente do acumulador de ar comprimido subterrâneo, e, sendo que no interior da cápsula resistente ao calor (3, 4, 9) na área acima do empilhamento dos elementos de acumulação de calor (2) se encontra uma área de entrada e 2 de saída para o ar do compressor ou para a inatalação de produção de energia.
2. Um acumulador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cápsula de pressão (1, 7) na área superior ser concebida como calota de aço (7) e estar disposta de forma amovível no revestimento de betão (1) da cápsula de pressão (1, 7).
3. Um acumulador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por o revestimento de betão (1) da cápsula de pressão (1, 7) ser constituído por betão pré-esforçado na horizontal e na vertical com elementos tensores de fibra de carbono (10, 11).
4. Um acumulador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por o tecto intermédio (8), sobre a qual assentam os elementos de acumulação de calor (2) , ser constituído por betão resistente ao calor e ser sustentado por suportes (18), que assentam sobre o solo (9) da cápsula disposta abaixo, que por sua vez é sustentada por suportes sobre o solo da cápsula de pressão (1, 7).
5. Um acumulador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por a cápsula resistente ao calor (3, 4, 9) na área acima do tecto intermédio (8) ou ser constituída por pelo menos duas camadas (3, 4), nomeadamente uma camada interior (3) de betão resistente ao calor e uma camada 3 exterior (4) de betão celular, ou por uma camada única de betão celular resistente ao calor.
6. Um acumulador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado por os elementos de acumulação de calor (2) apresentarem machos e fêmeas ou saliências e reentrâncias com funções equiparadas, com os quais engrenam uns nos outros e por, apesar das alterações de temperatura constantes estão dispostos de forma não deslocável.
7. Um acumulador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado por a cápsula de pressão (1, 7) pelo menos nas áreas, que interiormente entram em contacto com ar quente, estar exteriormente envolvida por uma camada de isolamento térmico (16). Lisboa, 15 de Junho de 2010 1/5
Fig, 1 2/5
3/5
Fig. 3 4/5
Ρ) Η ".ν.. 5/5
Fig. 5
PT07105440T 2006-05-16 2007-04-02 Acumulador de calor para o armazenamento de ar comprimido adiabático para fins de armazenamento de energia PT1857614E (pt)

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