WO2014089717A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines stroms von wärme transportierendem fluid - Google Patents

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WO2014089717A1
WO2014089717A1 PCT/CH2013/000222 CH2013000222W WO2014089717A1 WO 2014089717 A1 WO2014089717 A1 WO 2014089717A1 CH 2013000222 W CH2013000222 W CH 2013000222W WO 2014089717 A1 WO2014089717 A1 WO 2014089717A1
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heat storage
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fluid
pcm
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Giw ZANGANEH
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Airlight Energy Ip Sa
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating a flow of heat-transporting fluid from a heat accumulator and a heat accumulator for carrying out this method.
  • Heat storage find, inter alia, in power plants use, especially in solar power plants, but also in smaller units such as solar systems for a house.
  • the currently generated heat quantity depends on the weather conditions (and of course on the time of day), whereby the fluctuations can be very large during the day due to weather conditions. Frequent weather fluctuations or bad weather periods result in heat production failures that can be so severe that the production of solar heat is not an option due to weather conditions at locations that otherwise would not have to be excluded from the sun's rays.
  • Dish Sterling systems are equipped with paraboloid mirrors that focus sunlight to a focal point where a heat receiver is located.
  • Solar tower power plant systems have a central, raised (on the "tower") mounted absorber for hundreds to thousands of individual mirrors mirrored to him Sunlight, with which the radiation energy of the sun is concentrated over the many mirrors or concentrators in the absorber and thus reaches temperatures of up to 1300 ° C, which is favorable for the efficiency of the downstream thermal machines (usually a steam or fluid turbine power plant for power generation) ,
  • the "Solar two" plant in California has a capacity of several MW.
  • Parabolic trough power plants have a large number of collectors, which have long concentrators with a small transverse dimension, and thus have not a focal point, but a focal line. These line concentrators today have a length of 20 m to 150 m. In the focal line runs an absorber tube for the concentrated heat (up to 500 ° C or more, are today temperatures of 600 ° C to 700 ° C), which transports them to the power plant. As a heat-transporting fluid is for example thermal oil or superheated steam in question. The nine SEGS parabolic trough power plants in Southern California together produce an output of approximately 350 MW.
  • the "Nevada Solar One" power plant which went into operation in 2007, has trough collectors with 182,400 curved mirrors arranged over an area of 140 hectares and produces 65 MW.
  • Another example of parabolic trough power plants is Andasol 1 to 3 in Andalusia, with a concentrator area of 510 ⁇ 00 m2 each and 50 MW output, whereby the temperature in the absorber pipes is around 400 ° C.
  • the heat generated in the concentrator of a parabolic trough power plant can reach 500 degrees, the further development being aimed at even higher temperatures, for example 600 ° C. or 650 ° C. Since in tower power plants temperatures of over 1000 ° C. can be realized, the storage of heat in such temperature ranges is also up to date.
  • the heat removed from the storage has a constant temperature over time, allowing the downstream process (such as power generation by a Rankine process or chemical processes) to interpret the heat better and more efficiently.
  • Latent heat storage devices use a heat storage medium that contains PCMs (Phase Change Material) and that changes the state of aggregation during the charging and discharging process.
  • PCMs Phase Change Material
  • latent heat storage devices would in principle be suitable for delivering heat uniformly at a temperature which corresponds to the melting temperature of the PCM.
  • a disadvantage is the complicated and expensive construction of such latent heat storage, for example, in view of the large temperature difference between the necessarily held at its melting temperature PCM and the supplied heat transporting fluid to be heated in the latent heat storage.
  • the temperature of the PCM is necessarily above 500 ° C, up to 650 ° C or even higher, while the inlet temperature of the heat-carrying fluid is ids in the heat storage but only in the range of 80 C or 100 C, which is constructively demanding.
  • Another disadvantage is during the operation of a latent heat storage with respect to the heat transfer in the PCM itself.
  • phase boundaries in the PCM are constantly shifting, so that the zones with different rates of heat transfer in the PCM constantly change, with the result that the heat flow to the passed, heat-transporting fluid is not always uniform to the desired extent.
  • Sensitive heat accumulators do not change the state of aggregation during loading or unloading, but heat up and cool down as the accumulator is loaded or unloaded.
  • Sensitive heat storage systems have the advantage of simple construction and are also inexpensive to produce on an industrial scale, inter alia if the heat storage medium is a bulk material consisting of stones, that is, for example, consists of gravel.
  • a filling made of gravel (or other suitable material such as ceramic, hereinafter referred to as gravel for simplicity) has a comparatively large heat capacity and can be traversed by a heat-transporting fluid, since the spaces between the individual stones sufficiently related and a allow uniform flow over the entire cross section of the gravel filling.
  • a hot fluid By a hot fluid, the gravel filling is heated, which then later in turn can transfer the heat back to a cooler fluid.
  • heat accumulators with a heat-storing bulk material are suitable for storing heat generated by solar energy.
  • a disadvantage of sensitive heat accumulators is that the starting temperature of the heat-transporting fluid always decreases during the discharge, so that the downstream machines must be set up for operation in a temperature window. Accordingly, it is the object of the present invention to provide a structurally simplified, inexpensive heat storage for industrial use, which can be discharged at a substantially constant temperature. This object is achieved by a method having the features of claim 1 or by a heat accumulator having the features of claim 11.
  • the heat-transporting fluid is preheated before the latent heat storage to a preheating, it can be easily and inexpensively preheated by any heat source such as a sensitive heat storage close to the melting temperature of the PCM of the latent heat storage, so that the main burden of heat storage easy and inexpensive can be made.
  • the so-preheated heat storing fluid is passed through a latent heat storage, it can be removed below the constant melting temperature, even if its input temperature changes in the latent heat storage over time, for example, by the cooling of an upstream sensitive heat storage drops.
  • the heat-transporting fluid in a preferred embodiment of the present invention passes through a main heat storage before the latent heat storage, the preheating can take place close to the melting temperature, so that the latent heat storage must be constructively simplified to only relatively small amounts of heat and small temperature differences to be interpreted.
  • the preheating temperature range preferably adjoins the melting temperature of the PCM, which allows a maximum proportion of the amount of heat to be stored to be stored favorably in the main heat storage and in the latent heat storage only that small proportion which is necessary to achieve the current temperature drop in a discharge cycle to compensate.
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement according to the invention using the example of a solar power plant
  • Figure 2 is a diagram with the temperature profile in the main heat storage and the latent heat storage over a discharge time of 16 hours here, and
  • FIG. 3 schematically shows a preferred embodiment of the heat accumulator according to the invention with a main heat storage of the bulk material as a heat-storing medium.
  • 1 shows a diagram of a solar power plant 1 with here a field 2 of solar panels irradiated by the sun and a machine house 3, which is equipped here for generating electricity with a system of turbines T and generators G, so that electricity can be discharged via power lines 4.
  • a heat storage 5 stores heat that can be obtained when the solar panel 2 does not provide enough heat for the current demand in the machine house 3.
  • the heat is basically generated by any desired heat source, and the heat accumulator can also be designed for a wide variety of storage temperatures, from the use of heat for the small requirement at comparatively low temperatures to industrial large-scale production high temperatures can reach.
  • High temperatures are those above 1000 ° C or even above 2000 ° C, as achieved for example in the solar tower power plant or in special parabolic mirrors for highest temperatures, for example according to WO 2011/072410.
  • the stored heat does not necessarily have to serve the generation of electricity, but can also be used arbitrarily, for example, in the chemical industry (process technology), namely according to the invention where the retrieval of stored heat is inquired at a substantially constant temperature.
  • the heat generated in the solar panel 2 is carried away by a heat-transporting fluid from the solar panel 2.
  • a conduit system 6 for the heat-transporting fluid (which is referred to below as "fluid") on the one hand establishes a direct connection from the solar field 2 to the machine house 3, which is symbolized for relieving the figure only by the double arrow 7, and on the other hand from the solar field 2 to the heat accumulator 5 and of these This can be returned via a first line 10 of the conduit system 6 from the solar panel 2 heated fluid to the heat storage 5 and the cooled in this fluid via a second line 11 into the solar panel 2. Further, via a third line 12 through the heat storage 5 heated fluid to the machine house 3 and cooled via a fourth line 13 to the heat storage 5 are returned.
  • the heat accumulator 5 has a main heat accumulator 15, a latent heat accumulator 16 and a suitable fluid lines having arrangement for the passage of the fluid through it, wherein the passage arrangement has a charging branch 17 for a fluid circuit with the solar panel 2 and a discharge branch 18 for a fluid circuit with the machine house 3 , Both branches 17, 18 are connected in a suitable manner to the respective first to fourth lines 10 to 13 to the solar field 2 or machine house 3. Both branches 17,18 switch the main heat accumulator 15 with the latent heat accumulator 16 in series, but in countercurrent, the charging branch 17 first in the latent heat accumulator 16 and the discharge branch 18 in the main heat accumulator 15, as seen in the direction of flow.
  • Loading in the operating mode is according to the heat storage 5 via the charging branch 17 and discharged in the operating mode via the discharge branch 18 operated.
  • the main heat storage 15 is during the discharge of the heat with changing temperature in a temperature window, as is the case for example with a sensitive heat storage, which cools with progressive discharge.
  • This temperature window corresponds in the discharge mode to a preheat temperature range for the fluid, which thus preheated into the latent heat accumulator 16 preheated due to the series connection of the main heat accumulator 15.
  • the main heat accumulator 15 is preferably designed in accordance with WO 2012/027854 and has a material that stores heat from a bulk material (see also the description of FIG.
  • the latent heat storage 16 has a PCM (Phase Change Material, see above) as a heat-storing material, for example, in the loading mode from solid to liquid or discharged in the mode from liquid to solid state and thereby converts high amounts of heat, but his Temperature does not change as the process runs at the melting temperature of the PCM.
  • the unloaded in mode by the main heat storage 15 in one Temperature window preheated fluid can thus reheated in the latent heat storage 16 during the entire discharge cycle to the melting temperature of the PCM and thus this always be removed again at the same temperature.
  • the latent heat accumulator 16 thus continuously compensates for the temperature drop inevitably occurring during discharge in the (here: sensible) main heat accumulator 15, and is preferably also provided only for this purpose.
  • the heat is stored mainly in the main heat storage 15 and discharged in the mode discharged by the latent heat storage 16 at a constant temperature.
  • the theoretically accurately determined temperatures actually intentionally or slightly unintentionally in operation, for example by local overheating or local supercooling in the heat storage media or the provided in the heat storage 5 heat exchangers between the heat-storing media and the fluid. In view of the present invention, however, this is not essential and does not diminish the advantages according to the invention.
  • the inventive method is to provide a method for generating a flow of heat-transporting fluid of substantially constant temperature from a heat storage 5, wherein the heat-storing fluid preheated to a preheating temperature range and then into a latent heat storage 16 with at least melting temperature PCM is passed, it is removed after its further heating to at least the melting temperature of the PCM again.
  • a heat accumulator for carrying out this method has a main heat accumulator and a latent heat accumulator, which are connected in series for the passage of a heat-transporting fluid through an arrangement for the passage of the fluid, this being designed to discharge for an operating mode in which the latent heat accumulator on Output of the heat accumulator is such that then discharged from the heat storage to the outside fluid has the current temperature of a provided in the latent heat storage PCM.
  • FIG. 2 shows in a diagram the temperature profile of the fluid in the discharge branch 18 during a 16-hour discharge cycle of the heat accumulator 5. A preferred embodiment of such a heat accumulator is described in more detail below in connection with FIG. A heat reserve for 16 hours is desirable, especially in a solar power plant, if the power supply for 24 hours a day should be ensured.
  • the curve A shows the temperature profile in the discharge display 18 behind the main heat accumulator 15, the curve B the temperature profile behind the latent heat accumulator 16, ie the temperature at which the fluid via the third line 12 in the machine house 3 (or to another consumer) arrives.
  • the curves A and B are the result of simulations of the applicant, wherein the solar field with collectors according to WO 2010/037243 and a heat storage according to WO 2012/027854 (see above) are formed.
  • the PCM is LiF (46) + NaF (44) + MgF 2 (10), with a (theoretical) melting temperature of 632 ° C and a heat capacity of 858 kJ / kg at a density of 2610 kg / m 3 .
  • the person skilled in the art can also provide another suitable PCM, in particular if a different melting temperature is desired in the specific case.
  • PCM particularly suitable as PCM are also metal alloys such as AISÜ2 which has a melting temperature of 573 ° C and a heat of fusion of 500 kJ / kg with a thermal conductivity of 140 W / mK.
  • Salt-based PCMs have a low thermal conductivity of k ⁇ 2W / mK, with the result that the distance from the inner region of the PCM to its interface with the heat-transporting fluid must be small in order to allow a homogeneous temperature distribution during heat exchange.
  • AISÜ2 which has a melting temperature of 573 ° C and a heat of fusion of 500 kJ / kg with a thermal conductivity of 140 W / mK.
  • Salt-based PCMs have a low thermal conductivity of k ⁇ 2W / mK, with the result that the distance from the inner region of the PCM to its interface with the heat-transporting fluid must be small in order to allow a homogeneous temperature distribution during heat exchange.
  • PCMs based on metal alloys are about 10 times cheaper and far less corrosive: they can be encapsulated in simple steel tubes, with the heat-transporting fluid surrounding these steel tubes.
  • spherical capsules should be provided for salt-based PCM, for example, with a comparatively small diameter due to the poor thermal conductivity, which in addition to the increased design complexity also entails a high dead weight of the capsule material.
  • the latent heat storage 16 has been slightly overheated during loading, so has been charged to a melting temperature of 632 ° C slightly exceeding temperature.
  • the main heat storage tank 15 was charged to a temperature of about 632 ° C, which corresponds to the melting temperature.
  • phase II begins after about 2 hours and should first be explained.
  • the fluid is heated by the sensitive main heat accumulator 15 to the melting temperature of the PCM, so that the fluid flows through the latent heat accumulator without heat exchange with the PCM. Due to the continuous removal of heat, the temperature of the sensitive main heat accumulator 15, and thus the inlet temperature of the fluid in the latent heat accumulator 16, the temperature of which still corresponds to the melting temperature of his PCM of 632 ° C. Thus, a heat exchange takes place between the cooler fluid and the PCM until the fluid has the melting temperature and can be removed from the heat accumulator 5.
  • the temperature of the sensitive skin heat storage has fallen to below 600 ° C, the temperature of the fluid after the heat storage 5 but always remained in the range of 632 ° C.
  • the fluid heated by the collector field 2 is passed through the charge branch 17 first through the latent heat accumulator 16 and then into the main heat accumulator 15.
  • the fluid must be supplied to this with a slightly higher temperature, for example, 640 ° C or more, so that a temperature difference for faster heat transfer from the fluid into the memory consists. Because of the series connection then flows through the fluid at this higher temperature first, the latent heat storage 16, which can then overheat because of its comparatively low heat capacity slightly until the main heat storage 15 is fully charged.
  • the PCM of the latent heat storage 16 after its melting temperature of 632 ° C sensitively further heated to here a total of 640 ° C.
  • phase I of the discharge cycle ie from the beginning of the discharge until about 2 hours, slightly above the melting temperature.
  • the latent heat storage cools sensitive down to its melting temperature.
  • the latent heat storage 16 heat latently from, until the discharge cycle is completed. This does not harm with respect to the fluid to be dispensed at a constant temperature, because during phase I, slightly cold fluid can be mixed in as required behind the heat accumulator.
  • the fluid is heated to at least the melting temperature of the PCM.
  • At least the latent heat accumulator can be sensitively charged beyond the melting temperature and then, during discharge, it can first be discharged to the melting temperature in a sensitive manner and then be further discharged on it.
  • FIG. 2 shows the preferred design of the heat accumulator 5, according to which the preheating temperature range is adjacent to the melting temperature. At a melting temperature of 632 ° C, this means that the preheat temperature range is from about 632 ° C to about 590 ° C.
  • a constructive optimization of the heat accumulator 5 is made possible such that a maximum amount of heat in the sensitive and structurally simple and cheap main heat storage 15 can be stored and the complex latent heat storage 16 must have only a minimum size, which is the storage of a Quantity of heat used, as is necessary for the compensation of the temperature drop in the main heat storage 15.
  • the inventive method then provides that the heat capacities of the main heat accumulator and the latent heat storage are matched to one another that compensates for the sensitive temperature drop of the main heat storage below the melting temperature for a predetermined discharge duration during operation of the latent heat storage.
  • the predetermined discharge time is preferably at least 8 hours, preferably 12 hours, more preferably 16 hours and most preferably 24 hours under maximum load of the heat accumulator 5.
  • the skilled person can design a heat storage as needed, i. in this specific case, the amount of heat to be stored, determine the PCM based on the desired melting temperature and the preheating area according to the local circumstances. It seems particularly suitable that the heat of fusion of the PCM is above 400 ° C., preferably above 500 ° C., more preferably above 700 ° C., and most preferably in a range between 600 ° C. and 650 ° C. The latter range appears favorable for the application of the inventive heat accumulator in trough power plants, while temperatures in the range of 400 ° C. may be favorable for smaller applications.
  • FIG. 3 schematically shows an exemplary embodiment of a heat accumulator according to the invention, as it is based on the model calculation mentioned in the description of FIG. Shown is a recessed in the ground heat storage 20, which is designed according to WO 2012/027854.
  • a heat-storing medium is once a bulk filling 21, which is arranged in a conical container 22, which forms the main heat storage.
  • As a heat-transporting fluid air is provided here.
  • a lower sieve bottom 23 separates the bulk material filling 21 from a bottom chamber 24, an upper sieve bottom 25 separates the bulk material filling 21 from a middle chamber 26.
  • a plate-shaped tank 27 which is filled with a PCM (preferably LiF (46) + NaF (44) + MgF 2 (10)) is filled, and thus forms a latent heat storage.
  • a PCM preferably LiF (46) + NaF (44) + MgF 2 (10)
  • the latent heat storage is located above the main heat storage and this covered over its cross-section, with the result that the air can flow through the full cross-section of the bulk filling 21 not only through this, but also through the middle chamber 25 and the correspondingly formed tank 27.
  • the diameter of the heat accumulator 20 at the bottom is 20 m, above 25 m and its height 16 m.
  • the tank 27 is filled with a 10 cm high layer of the above PCM, a total of about 50 m 3 .
  • the total storable heat is in the range of 4 * 10 ⁇ 9 KJ or 1.1 GWh, accounting for the PCM in the latent heat storage 2 to 4%.
  • the use of LiF (52) + NaF (35) + CaF 2 (13), with a melting temperature of 615 ° C., is also conceivable according to the invention.
  • the person skilled in the art can design and integrate a corresponding heat store in the given power plant easy to do.
  • the first to fourth lines 10 to 13 open into the heat accumulator 20, the flow direction of the fluid in the respective line 10 to 13 being indicated by an arrow in the figure.
  • Each of the lines 10 to 13 can be opened or closed by a first to fourth tap 30 to 33.
  • the air heated by the solar panel 2 passes through the first line 10 in the upper chamber 28, there is distributed horizontally over the surface of the tank 27 and flows through this vertically downwards with the help of suitable passages that can easily be designed by the expert , and are omitted for the relief of the figure.
  • vertically directed openings may be provided in the tank 27 having heat exchange fins along which the air flows. This heat is supplied to the PCM 27 in the tank and charged so the latent heat storage.
  • the air enters the middle chamber 26 flows through the upper sieve bottom 25 and through the bulk material filling 21, which thereby also absorbs heat, so that the sensible heat accumulator formed by the bulk material 21 is charged. Thereafter, the meanwhile cooled air continues to flow through the lower sieve bottom 23 into the bottom chamber 24, where it is caught by the second line 11 and guided back into the solar field 2.
  • the third cock 32 is closed, as is the fourth cock 33.
  • the bulk material 21 then has at the top, the upper sieve bottom 25 the highest and stepped down a lower temperature, which is lowest at the bottom of the sieve.
  • the bulk material filling is dimensioned such that the temperature stratification is still suitably present at full loading of the heat accumulator and thus there are no large temperature gradients in the heat accumulator 20, which allows a comparatively simple construction.
  • the loading is preferably continued until the bulk material 21 in the hottest (uppermost) zone has the melting temperature of the PCM.
  • the hottest zone is located as the top zone adjacent to the tank 27, which is advantageous for the discharge, since it can be passed directly in the discharge of the highest temperature zone directly into the latent heat storage, so that this fluid at full loaded main heat storage least, preferably not substantially and most strongly heated after a discharge cycle fully discharged main heat storage.
  • the bottom chamber 24, the middle chamber 26 and the uppermost chamber 28 in conjunction with the first to fourth faucets 30 to 33 form an arrangement form for the passage of the here formed as air fluid through the heat accumulator 20 therethrough.
  • the arrangement is loaded for an operating mode and also designed to discharge for an operating mode:
  • the first cock 30 and the second cock 31 are opened, the third cock 32 and the fourth cock 33 are closed.
  • the main heat accumulator formed here as a conical container 22 is now located at the entrance of the heat exchanger.
  • Me Itemss 20 is located so that cold, originating from the machine house 3 fluid heated by the bulk material filling 21 and, if it has not yet reached the melting temperature of the PCM in its hottest zone, is brought by this in the tank 27 to the melting temperature.
  • the arrangement for passing the fluid in the operating mode loaded generates a temperature stratification with a zone of highest temperature in the main heat storage, while connecting in unloaded operating mode, the highest temperature zone connects to the latent heat storage.

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Abstract

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht vor, in einem Vorwärmtemperaturbereich vorgeheiztes Wärme speicherndes Fluid durch einen Latentwärmespeicher zu leiten, dessen PCM (Phase Change Material) sich auf seiner Schmelztemperatur befindet, so dass das Fluid dem Wärmespeicher unabhängig von der Vorwärmtemperatur auf der Schmelztemperatur und damit mit konstanter Temperatur entnommen werden kann. Der erfindungsgemässe Wärmespeicher besitzt einen Hauptwärmespeicher (15,22) und einen Latentwärmespeicher (16), die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids durch eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch den Wärmespeicher (5,20) in Serie geschaltet sind, wobei die Durchleitungsanordnung für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Ausgang des Wärmespeichers (5,20) liegt, derart, dass dann aus diesem nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeicher (16) vorgesehenen PCM aufweist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Stroms von Wärme
transportierendem Fluid
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid aus einem Wärmespeicher und einen Wärmespeicher zur Ausführung dieses Verfahrens.
Wärmespeicher finden unter anderem in Kraftwerken Verwendung, insbesondere in Solarkraftwerken, aber auch in kleineren Einheiten wie Solaranlagen für ein Haus.
Insbesondere bei der Erzeugung von Wärme durch Solarenergie hängt aber die aktuell erzeugte Wärmemenge von den Witterungsbedingungen (und natürlich von der Tageszeit) ab, wobei die Schwankungen über Tag witterungsbedingt sehr gross sein können. Häufige Witterungsschwankungen oder Schlechtwetterperioden bringen Ausfälle an Wärmeproduktion mit sich, die so gravierend sein können, dass die Produktion von solarer Wärme wetterbedingt an Standorten nicht in Frage kommt, die sonst von der Sonneneinstrahlung her nicht zum Vornherein ausgeschlossen werden müssten.
In Solarthermischen Kraftwerken wird die Strahlung der Sonne durch Kollektoren mit Hilfe des Konzentrators gespiegelt und gezielt auf einen Ort fokussiert, in welchem dadurch hohe Temperaturen entstehen. Die konzentrierte Wärme kann abgeführt und beispielsweise zum Betrieb von thermischen Kraftmaschinen wie Turbinen verwendet werden, die wiederum die Strom erzeugenden Generatoren antreiben. Heute sind drei Grundformen von solarthermischen Kraftwerken im Einsatz: Dish-Sterling- Systeme, Solarturmkraftwerkssysteme und Parabolrinnensysteme.
Dish-Sterling-Systeme sind mit Paraboloidspiegeln ausgerüstet, die das Sonnenlicht auf einen Brennpunkt konzentrieren, wo ein Wärmeempfänger angeordnet ist. An dieser Stelle sei auf die in US-PS 4,543,945 dargestellten Ausführungsformen und die installierten Anlagen Distal und Eurodish der EU in Spanien verwiesen.
Solarturmkraftwerksysteme besitzen einen zentralen, erhöht (auf dem "Turm") montierten Absorber für das durch hunderte bis tausende von einzelnen Spiegeln mit zu ihm gespiegelte Sonnenlicht, womit die Strahlungsenergie der Sonne über die vielen Spiegel bzw. Konzentra- toren im Absorber konzentriert und so Temperaturen bis zu 1300° C erreicht werden, was für den Wirkungsgrad der nachgeschalteten thermischen Maschinen (in der Regel ein Dampfoder Fluidturbinenkraftwerk zur Stromerzeugung) günstig ist. Die Anlage "Solar two" in Kali- fornien besitzt eine Leistung von mehreren MW.
Parabolrinnenkraftwerke besitzen Kollektoren in hoher Anzahl, die lange Konzentratoren mit geringer Querabmessung aufweisen, und damit nicht einen Brennpunkt, sondern eine Brennlinie besitzen. Diese Linienkonzentratoren besitzen heute eine Länge von 20 m bis zu 150 m. In der Brennlinie verläuft ein Absorberrohr für die konzentrierte Wärme (bis gegen 500° C oder mehr, angestrebt sind heute Temperaturen von 600° C bis 700° C), das diese zum Kraftwerk transportiert. Als Wärme transportierendes Fluid kommt beispielsweise Thermoöl oder überhitzter Wasserdampf in Frage. Die 9 SEGS-Parabolrinnen-Kraftwerke in Südkalifornien produzieren zusammen eine Leistung von ca. 350 MW. Das 2007 ans Netz gegangene Kraftwerk "Nevada Solar One" besitzt Rinnenkollektoren mit 182'400 gekrümmten Spiegeln, die auf einer Fläche von 140 Hektar angeordnet sind und produziert 65 MW. Ein weiteres Beispiel für Parabolrinnenkraftwerke sind Andasol 1 bis 3 in Andalusien, mit einer Konzentratorfläche von je 510Ό00 m2 und je 50 MW Leistung, wobei die Temperatur in den Absorberrohren bei ca. 400° C liegt.
Es ergibt sich, dass ein sehr breites Bedürfnis für die Speicherung von Wärme besteht:
Einerseits für die verschiedensten Wärmemengen von einzelnen kleinen Systemen wie z. B. Dish-Sterling Systemen bis hin zu im industriellen Massstab produzierter Wärme von Kraftwerken wie Andasol. Andererseits soll die Speicherung nur kurzzeitig stattfinden (Beschattung, Wartungsarbeiten, Wind etc.), dann mittelfristig, beispielsweise für den Gebrauch in der Nacht oder längerfristig während einer Schlecht-Wetterperiode. Schliesslich soll Wärme schon bei vergleichsweise niedriger, aber bevorzugt möglichst hoher Temperatur gespeichert und aus dem Speicher wieder abgegeben werden können, da hohe Temperaturen bei der U mwandlung in eine andere Energieform (beispielsweise Strom) für einen hohen Wirkungsgrad notwendig sind. Damit sind die Verluste bei der Wärmespeiche- rung nicht nur von der Isolation während der Speicherdauer und damit vom Temperaturabfall, sondern auch von der Temperatur der aus dem Speicher entnommenen Wärme bestimmt. Wie oben erwähnt, kann die im Konzentrator eines Parabolrinnenkraftwerks erzeugte Wärme 500 Grad erreichen, wobei durch die weitere Entwicklung noch höhere Temperaturen angestrebt werden, beispielsweise 600° C oder 650° C. Da in Turmkraftwerken Tempe- raturen von über 1000° C realisierbar sind, ist die Speicherung von Wärme in solchen Temperaturbereichen ebenfalls aktuell.
Für einen hohen Wirkungsgrad bei der nachfolgenden Umwandlung der Wärmeenergie ist auch wünschenswert, dass die aus dem Speicher entnommene Wärme über die Zeit eine konstante Temperatur aufweist, was erlaubt, den nachgeschalteten Prozess (wie beispielsweise die Stromerzeugung durch einen Rankine-Prozess oder bei chemischen Prozessen) bei der Umwandlung der Wärme besser und effizienter auszulegen.
Latentwärmespeicher benutzen ein Wärme - Speichermedium, das PCM's (Phase Change Ma- terial) enthält und das beim Lade- und Entladevorgang den Aggregatzustand ändert, wobei beim Wechsel des Aggregatzustands beträchtlich grössere Wärmemengen geladen oder entladen werden können, als dies durch die blosse Temperaturveränderung des Wärme - Speichermediums der Fall ist. Latentwärmespeicher wären also grundsätzlich geeignet, Wärme gleichmässig mit einer Temperatur abzugeben, die der Schmelztemperatur des PCM ent- spricht. Trotz verschiedener Versuche ist es bis heute aber nicht gelungen, einen Latentwärmespeicher für den industriellen Einsatz d.h. für Produktion mit vertretbaren Kosten bereitzustellen.
Nachteilig ist die komplizierte und aufwendige Konstruktion solcher Latentwärmespeicher, beispielsweise im Hinblick auf die grosse Temperaturdifferenz zwischen dem notwendigerweise auf seiner Schmelztemperatur gehaltenen PCM und dem zuzuführenden Wärme transportierenden Fluid, das im Latentwärmespeicher erhitzt werden soll. Beispielsweise bei Rinnenkraftwerken beträgt die Temperatur des PCM notwendigerweise über 500° C, bis zu 650° C oder sogar mehr, während die Eingangstemperatur des Wärme transportierenden Flu- ids in den Wärmespeicher aber nur im Bereich von 80 C oder 100 C liegt, was konstruktiv anspruchsvoll ist. Ein weiterer Nachteil besteht während des Betriebs eines Latentwärmespeichers im Hinblick auf den Wärmetransport im PCM selbst. Während der fortschreitenden Umwandlung des Aggregatzustands (fest /flüssig) verschieben sich die Phasengrenzen im PCM laufend, so dass sich damit die Zonen mit verschieden schnellem Wärmetransport im PCM ständig verändern, mit der Folge, dass der Wärmestrom zum durchgeleiteten, Wärme transportierenden Fluid nicht immer im erwünschten Mass gleichförmig ist.
Sensible Wärmespeicher ändern den Aggregatzustand während der Beladung oder Entladung nicht, sondern heizen sich auf und kühlen sich ab, je nachdem der Speicher beladen oder entladen wird. Sensible Wärmespeicher besitzen den Vorteil der einfachen Konstruktion und sind günstig auch im industriellen Massstab herzustellen, unter anderem wenn das Wärme - Speichermedium ein aus Steinen bestehendes Schüttgut ist, also beispielsweise aus Kies besteht.
Eine Füllung aus Kies (oder einem anderen geeigneten Material wie Keramik, wobei nachstehend der Einfachheit halber auf Kies Bezug genommen wird) besitzt eine vergleichsweise grosse Wärmekapazität und kann von einem Wärme transportierenden Fluid durchströmt werden, da die Zwischenräume zwischen den einzelnen Steinen genügend zusammenhängen und eine gleichmässige Durchströmung über den ganzen Querschnitt der Kiesfüllung erlauben. Durch ein heisses Fluid wird die Kiesfüllung erwärmt, die dann später ihrerseits die Wärme wieder an ein kühleres Fluid abgeben kann. Im Ganzen sind Wärmespeicher mit einem Wärme speichernden Schüttgut geeignet, durch Sonnenenergie erzeugte Wärme zu speichern.
Nachteilig ist sensiblen Wärmespeichern jedoch, dass die Ausgangstemperatur des Wärme transportierenden Fluids während der Entladung stets abnimmt, so dass die nachgeschalteten Maschinen für den Betrieb in einem Temperaturfenster eingerichtet sein müssen. Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konstruktiv vereinfachten, günstigen Wärmespeicher für auch den industriellen Einsatz bereitzustellen, der bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur entladen werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch einen Wärmespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 11 gelöst.
Dadurch, dass das Wärme transportierende Fluid vor dem Latentwärmespeicher auf eine Vorwärmtemperatur vorgeheizt wird, kann es durch eine beliebige Wärmequelle wie beispielsweise einen sensiblen Wärmespeicher einfach und kostengünstig bis nahe zur Schmelztemperatur des PCM des Latentwärmespeichers vorerwärmt werden, so dass die Hauptlast der Wärmespeicherung einfach und günstig vorgenommen werden kann. Dadurch, dass anschliessend das so vorgeheizte Wärme speichernde Fluid durch einen Latentwärmespeicher geleitet wird, kann es unter der konstant bleibenden Schmelztemperatur entnommen werden, auch wenn dessen Eingangstemperatur in den Latentwärmespeicher über die Zeit ändert, beispielsweise durch die Abkühlung eines vorgeschalteten sensiblen Wärmespeichers abfällt.
Dadurch, dass das Wärme transportierende Fluid in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Latentwärmespeicher einen Hauptwärmespeicher durchläuft, kann die Vorerwärmung bis nahe an die Schmelztemperatur erfolgen, so dass der Latentwärmespeicher konstruktiv vereinfacht auf nur vergleichsweise kleine Wärmemengen und kleine Temperaturdifferenzen hin ausgelegt werden muss.
Über die gestellte Aufgabe hinaus grenzt der Vorwärmtemperaturbereich bevorzugt an die Schmelztemperatur des PCM an, was erlaubt, einen maximalen Anteil der zu speichernden Wärmemenge günstig im Hauptwärmespeicher zu speichern und im Latentwärmespeicher nur denjenigen kleinen Anteil, der notwendig ist, um in einem Entladezyklus den aktuellen Temperaturabfall zu kompensieren.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben.
Es zeigt: Figur 1 schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung am Beispiel eines Solarkraftwerks,
Figur 2 ein Diagramm mit dem Temperaturverlauf im Hauptwärmespeicher und dem Latentwärmespeicher über eine Entladedauer von hier 16 Stunden, und
Figur 3 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmespeichers mit einem Hauptwärmespeicher der Schüttgut als Wärme speicherndes Medium aufweist. Figur 1 zeigt ein Schema eines Solarkraftwerks 1 mit hier einem Feld 2 von durch die Sonne bestrahlten Sonnenkollektoren und einem Maschinenhaus 3, das hier zur Stromerzeugung mit einem System von Turbinen T und Generatoren G ausgerüstet ist, so dass Strom über Stromleitungen 4 abgegeben werden kann. Ein Wärmespeicher 5 speichert Wärme, die bezogen werden kann, wenn das Solarfeld 2 nicht genügend Wärme für den jeweils aktuell im Maschinenhaus 3 bestehenden Bedarf liefert.
Der Vollständigkeit halber sei hier wiederholt, dass die Wärme grundsätzlich durch eine beliebige Wärmequelle erzeugt werden, und auch der Wärmespeicher für verschiedenste Speichertemperaturen ausgelegt sein kann, was vom Gebrauch der Wärme für den kleinen Be- darf bei vergleichsweise tiefen Temperaturen bis hin zur industriellen Grossproduktion bei hohen Temperaturen reichen kann. Hohe Temperaturen sind solche über 1000° C oder sogar über 2000° C, wie sie beispielsweise im Solar-Turmkraftwerk oder bei speziellen Parabolspiegeln für höchste Temperaturen beispielsweise gemäss WO 2011/072410 erreicht werden. Ebenso sei wiederholt, dass die gespeicherte Wärme nicht notwendigerweise der Stromerzeugung dienen muss, sondern beliebig z.B. auch in der chemischen Industrie (Verfahrenstechnik) eingesetzt werden kann, nämlich erfindungsgemäss dort, wo der Abruf von gespeicherter Wärme unter im Wesentlichen konstanter Temperatur nachgefragt wird. Üblicherweise wird die im Solarfeld 2 erzeugte Wärme über ein Wärme transportierendes fluid vom Solarfeld 2 weggeführt. Ein Leitungssystem 6 für das Wärme transportierende Fluid (das im Folgenden als "Fluid" bezeichnet wird) stellt einerseits eine direkte Verbindung her vom Solarfeld 2 zum Maschinenhaus 3, die zur Entlastung der Figur nur durch den Doppelpfeil 7 symbolisiert ist, und andererseits vom Solarfeld 2 zum Wärmespeicher 5 und von die- sem wieder zum Maschinenhaus 3. Damit kann über eine erste Leitung 10 des Leitungssystems 6 vom Solarfeld 2 erwärmtes Fluid zum Wärmespeicher 5 und das in diesem abgekühlte Fluid über eine zweite Leitung 11 in das Solarfeld 2 zurückgeführt werden. Weiter kann über eine dritte Leitung 12 durch den Wärmespeicher 5 erwärmtes Fluid zum Maschinenhaus 3 und über eine vierte Leitung 13 abgekühlt zum Wärmespeicher 5 zurückgeführt werden.
Der Wärmespeicher 5 besitzt einen Hauptwärmespeicher 15, einen Latentwärmespeicher 16 und eine geeignete Fluidleitungen aufweisende Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch ihn hindurch, wobei die Durchleitungsanordnung einen Ladezweig 17 für einen Fluidkreislauf mit dem Solarfeld 2 und einen Entladezweig 18 für einen Fluidkreislauf mit dem Maschinenhaus 3 aufweist. Beide Zweige 17,18 sind auf geeignete Weise mit den jeweiligen ersten bis vierten Leitungen 10 bis 13 zum Solarfeld 2 bzw. Maschinenhaus 3 verbunden. Beide Zweige 17,18 schalten den Hauptwärmespeicher 15 mit dem Latentwärmespeicher 16 in Serie, jedoch im Gegenstrom, wobei der Ladezweig 17 in Stromrichtung gesehen zuerst in den Lat- entwärmespeicher 16 und der Entladezweig 18 zuerst in den Hauptwärmespeicher 15 mündet.
Im Betriebsmodus laden wird entsprechend der Wärmespeicher 5 über den Ladezweig 17 und im Betriebsmodus entladen über den Entladezweig 18 betrieben.
Der Hauptwärmespeicher 15 gibt während der Entladung die Wärme mit in einem Temperaturfenster wechselnder Temperatur ab, wie dies beispielsweise bei einem sensiblen Wärmespeicher der Fall ist, der sich mit fortschreitender Entladung abkühlt. Dieses Temperaturfenster entspricht im Modus entladen einem Vorwärmtermperaturbereich für das Fluid, welches somit auf Grund der Serieschaltung des Hauptwärmespeichers 15 mit dem Latentwärmespeicher 16 vorgewärmt in diesen gelangt. Bevorzugt ist der Hauptwärmespeicher 15 gemäss der WO 2012/027854 ausgebildet und besitzt ein aus einem Schüttgut bestehendes Wärme speichernden Material (s. dazu auch die Beschreibung zu Figur 2). Der Latentwärmespeicher 16 weist als Wärme speicherndes Material ein PCM (Phase Change Material, s. oben) auf, das beispielsweise im Modus laden vom festen in den flüssigen oder im Modus entladen vom flüssigen in den festen Zustand übergeht und dabei hohe Wärmemengen umsetzt, aber seine Temperatur nicht ändert, da der Prozess auf der Schmelztemperatur des PCM abläuft. Das im Modus entladen durch den Hauptwärmespeicher 15 in einem Temperaturfenster vorerwärmte Fluid kann also im Latentwärmespeicher 16 während dem ganzen Entladezyklus auf die Schmelztemperatur des PCM nachgewärmt und damit diesem stets mit der gleichen Temperatur wieder entnommen werden. In der gezeigten, bevorzugten Anordnung kompensiert der Latentwärmespeicher 16 somit laufend den im (hier: sensib- len) Hauptwärmespeicher 15 unvermeidlich während der Entladung auftretenden Temperaturabfall, und wird bevorzugt auch nur zu diesem Zweck vorgesehen. Im Ergebnis wird die Wärme überwiegend im Hauptwärmespeicher 15 gespeichert und im Modus entladen durch den Latentwärmespeicher 16 mit konstanter Temperatur abgegeben. Verschiedentlich wird es im konkreten Fall und je nach der konkreten Auslegung des Solarkraftwerks kaum zu vermeiden sein, dass die theoretisch genau zu bestimmenden Temperaturen gewollt oder ungewollt im Betrieb tatsächlich etwas abweichen, beispielsweise durch lokale Überhitzung oder lokale Unterkühlung in den Wärme speichernden Medien bzw. den im Wärmespeicher 5 vorgesehenen Wärmetauschern zwischen den Wärme speichernden Medien und dem Fluid. Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist dies aber nicht wesentlich und vermindert die erfindungsgemässen Vorteile nicht.
Zusammenfassend besteht das erfindungsgemässe Verfahren darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid von im Wesentlichen konstanter Temperatur aus einem Wärmespeicher 5 bereit zu stellen, wobei das Wärme speichernde Fluid auf einen Vorwärmtemperaturbereich vorgeheizt und danach in einen Latentwärmespeicher 16 mit sich wenigstens auf Schmelztemperatur befindendem PCM geleitet wird, dem es nach seiner weiteren Erwärmung auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM wieder entnommen wird.
Ein Wärmespeicher zur Ausführung dieses Verfahrens besitzt erfindungsgemäss einen Hauptwärmespeicher und einen Latentwärmespeicher, die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids durch eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids in Serie geschaltet sind, wobei diese für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latent- wärmespeicher am Ausgang des Wärmespeichers liegt, derart, dass dann aus dem Wärmespeicher nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeichers vorgesehenen PCM aufweist. Figur 2 zeigt in einem Diagramm den Temperaturverlauf des Fluids im Entladezweig 18 wä hrend einem 16 Stunden dauernden Entladezyklus des Wärmespeichers 5. Eine bevorzugte Ausführungsform solch eines Wärmespeichers ist unten in Zusammenhang mit Figur 3 detaillierter beschrieben. Ein Wärmevorrat für 16 Stunden ist gerade bei einem Solarkraftwerk wünschenswert, wenn die Energieversorgung für 24 h am Tag sichergestellt sein soll.
Die Kurve A zeigt den Temperaturverlauf im Entladewzeig 18 hinter dem Hauptwärmespeicher 15, die Kurve B den Temperaturverlauf hinter dem Latentwärmespeicher 16, also der Temperatur, mit der das Fluid über die dritte Leitung 12 in das Maschinenhaus 3 (oder zu ei- nem anderen Verbraucher) gelangt.
Die Kurven A und B sind das Resultat von Simulationsrechnungen der Anmelderin, wobei das Solarfeld mit Kollektoren gemäss der WO 2010/037243 und einem Wärmespeicher gemäss der WO 2012/027854 (s. oben) ausgebildet sind. Als PCM dient LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10), mit einer (theoretischen) Schmelztemperatur von 632° C und einer Wärmekapazität von 858 kJ/kg bei einer Dichte von 2610 kg/m3. Natürlich kann der Fachmann auch ein anderes geeignetes PCM vorsehen, insbesondere wenn im konkreten Fall eine andere Schmelztemperatur gewünscht ist. Besonders geeignet als PCM sind auch Metalllegierungen wie beispielsweise AISÜ2 das eine Schmelzemperatur von 573°C und eine Schmelzwärme von 500 kJ/kg bei einer Wärmeleitfähigkeit von 140 W/mK besitzt. PCM die auf Salzbasis basieren, haben eine kleine Wärmeleitfähigkeit von k < 2W/mK, mit der Folge, dass der Abstand vom inneren Bereich des PCM zu dessen Grenzfläche zum Wärme transportierenden Fluid klein sein muss, um während dem Wärmetausch eine homogene Temperaturverteilung zu ermöglichen. Als Metallegierung ausgebildete PCM erlauben auf Grund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit eine weitmaschigere Durchsetzung des PCM mit den Leitungen für das Wärmetransportierende Fluid, was konstruktiv einfacher ist. Zudem sind auf Metalliegierungen basierende PCM ca. um einen Faktor 10 günstiger und weit weniger korrosiv: sie können in einfachen Stahlrohren gekapselt wer- den, wobei dann das Wärme transportierende Fluid diese Stahlrohre umfliesst. Für PCM auf Salzbasis sind dagegen beispielsweise kugelförmige Kapseln vorzusehen, mit aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit vergleichsweise kleinem Durchmesser, was neben dem erhöhten konstruktiven Aufwand auch ein hohes Totgewicht des Kapselmaterials mit sich bringt. Für die konkrete Rechnung wurde in der Simulation unterstellt, dass der Latentwärmespeicher 16 bei der Beladung leicht überhitzt worden ist, also zu einer die Schmelztemperatur von 632° C etwas übersteigende Temperatur geladen worden ist. Der Hauptwärmespeicher 15 wurde auf eine Temperatur von etwa 632° C geladen, die der Schmelztemperatur ent- spricht.
Zu unterscheiden sind somit während der Entladung in zeitlicher Hinsicht die Phasen I und II, wobei die Phase II nach gegen 2 Stunden beginnt und zuerst erläutert werden soll. Zu Beginn der Phase II wird das Fluid durch den sensiblen Hauptwärmespeicher 15 auf die Schmelztem- peratur des PCM erwärmt, so dass das Fluid den Latentwärmespeicher ohne Wärmetausch mit dem PCM durchströmt. Durch die andauernde Entnahme von Wärme fällt die Temperatur des sensiblen Hauptwärmespeichers 15, und damit die Eingangstemperatur des Fluids in den Latentwärmespeicher 16, dessen Temperatur nach wie vor der Schmelztemperatur seines PCM von 632° C entspricht. Damit findet ein Wärmetausch statt zwischen dem kühleren Fluid und dem PCM, solange, bis das Fluid die Schmelztemperatur besitzt und aus dem Wä rmespeicher 5 abgeführt werden kann. Nach dem Ablauf von insgesamt 16 Stunden ist die Temperatur des sensiblen Hautpwärmespeichers auf unter 600° C gefallen, die Temperatur des Fluids nach dem Wärmespeicher 5 jedoch stets im Bereich von 632° C geblieben. Zur Beladung des Wärmespeichers 5 wird das durch das Kollektorfeld 2 erwärmte Fluid durch den Ladezweig 17 zuerst durch den Latentwärmespeicher 16 und dann in den Hauptwärmespeicher 15 geführt.
Soll der Hauptwärmespeicher 15 innert nützlicher Frist bis auf die Schmelztemperatur (632° C) beladen werden, muss das Fluid diesem mit einer etwas höheren Temperatur von beispielsweise 640° C oder mehr zugeführt werden, so dass eine Temperaturdifferenz für schnelleren Wärmeübergang vom Fluid in den Speicher besteht. Wegen der Serieschaltung durchströmt dann das Fluid mit dieser höheren Temperatur zuerst den Latentwärmespeicher 16, der dann wegen seiner vergleichsweise geringen Wärmekapazität etwas überhitzen kann, bis der Hauptwärmespeicher 15 vollständig geladen ist. Bei der vorliegend angenommenen, bevorzugten Auslegung erwärmt sich das PCM des Latentwärmespeichers 16 nach seiner Schmelztemperatur von 632° C sensibel weiter auf hier insgesamt 640° C. Aus diesem Grund liegt deshalb die Ausgangstemperatur in Phase I des Entladezyklus, d.h. ab Beginn der Entladung bis gegen ca. 2 Stunden, etwas über der Schmelztemperatur. In diesem Zeitraum kühlt der Latentwärmespeicher sensibel auf seine Schmelztemperatur herunter. Danach gibt der Latentwärmespeicher 16 Wärme latent ab, bis der Entladezyklus beendet ist. Dies schadet im Hinblick auf das mit konstanter Temperatur abzugebende Fluid nicht, da während der Phase I leicht hinter dem Wärmespeicher nach Bedarf etwas kaltes Fluid zugemischt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, Phase I zu vermeiden, indem im Modus beladen der Latentwärmespeicher durch einen Bypass im Ladezweig 17 umgangen wird, sobald das PCM beginnt, sich sensibel über die Schmelztemperatur hinaus aufzuwärmen. Hier sei angefügt, dass auch eine geringe lokale Überhitzung des PCM erwünscht sein kann, um mit Sicherheit das gesamte PCM, d.h. auch an lokal unterkühlten Stellen, mit Wärme auf Schmelztemperatur gesättigt zu haben.
Entsprechend wird während dem gesamten Entladezyklus gemäss während der Phasen I und II das Fluid auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM erwärmt.
Im Modus laden kann wenigstens der Latentwärmespeicher sensibel über die Schmelztemperatur hinaus geladen und dieser dann beim Entladen zuerst sensibel auf die Schmelztemperatur entladen und dann latent auf dieser weiter entladen werden.
Bei der in der Figur 2 gezeigten Auslegung des Solarkraftwerks findet also in Phase I durch den Latentwärmespeicher 16 keine weitere Erwärmung des Fluids statt. Wie erwähnt kann alternativ eine Überhitzung des PCM im Latentwärmespeicher 16 während der Beladung entfallen, so dass dann während des gesamten Entladezyklus des Wärmespeichers die Nacher- wärmung des Fluids auf die Schmelztemperatur des PCM erfolgt.
In Figur 2 ist die bevorzugte Auslegung des Wärmespeichers 5 gezeigt, wonach der Vorwärmtemperaturbereich an die Schmelztemperatur angrenzt. Dies bedeutet bei einer Schmelztemperatur bei 632° C, dass der Vorwärmtemperaturbereich von etwa 632° C bis gegen ca. 590° C reicht. Damit wird eine konstruktive Optimierung des Wärmespeichers 5 derart ermöglicht, dass eine maximale Wärmemenge im sensiblen und konstruktiv einfachen und günstigen Hauptwärmespeicher 15 gespeichert werden kann und der aufwendige Latentwärmespeicher 16 nur eine minimale Grösse aufweisen muss, welche der Speicherung einer Wärmemenge dient, wie sie für die Kompensation des Temperaturabfalls im Hauptwärmespeicher 15 nötig ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren sieht dann vor, dass die Wärmekapazitäten des Haupt- Wärmespeichers und des Latentwärmespeichers derart auf einander abgestimmt sind, dass im Betrieb der Latentwärmespeicher den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers unter die Schmelztemperatur für eine vorbestimmte Entladedauer kompensiert. Die vorbestimmte Entladedauer beträgt bevorzugt wenigstens 8 Stunden, bevorzugt 12 Stunden, besonders bevorzugt 16 Stunden und ganz bevorzugt 24 Stunden unter Maximallast des Wärmespeichers 5. Durch diese Abstufungen ist gewährleistet, dass zusätzlich zur Nachtzeit (in der nicht immer Wärme unter Maximallast entnommen werden muss) beispielsweise Schlechtwetter oder Wartungsperioden überbrückt werden können.
Der Fachmann kann einen Wärmespeicher je nach Bedarf auslegen, d.h. im konkreten Fall die zu speichernde Wärmemenge, das PCM anhand der gewünschten Schmelztemperatur und den Vorwärm bereich nach den lokalen Umständen bestimmen. Besonders geeignet erscheint, dass die Schmelzwärme des PCM oberhalb 400° C, bevorzugt oberhalb 500° C, besonders bevorzugt oberhalb 700° C und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 600° C und 650° C liegt. Letzterer Bereich erscheint für die Anwendung des erfindungs- gemässen Wärmespeichers in Rinnenkraftwerken günstig, während Temperaturen im Bereich von 400° C für kleinere Anwendungen günstig sein können.
Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmespeichers, wie er der in der Beschreibung zu Figur 2 erwähnten Modellrechnung zu Grunde liegt. Dargestellt ist ein im Untergrund versenkter Wärmespeicher 20, der gemäss der WO 2012/027854 ausgebildet ist. Als Wärme speicherndes Medium dient einmal eine Schüttgutfüllung 21, die in einem konischen Behälter 22 angeordnet ist, der den Hauptwärmespeicher bildet. Als Wärme transportierendes Fluid ist hier Luft vorgesehen. Ein unterer Siebboden 23 trennt die Schüttgutfüllung 21 von einer Bodenkammer 24, ein oberer Siebboden 25 trennt die Schüttgutfüllung 21 von einer mittleren Kammer 26. An diese schliesst ein plattenförmi- ger Tank 27 an, der mit einem PCM ( vorzugsweise LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10)) befüllt ist, und damit einen Latentwärmespeicher bildet. Oberhalb des Tanks 27 ist eine obere Kammer 28 vorgesehen. Aus der Figur ist ersichtlich, dass der Latentwärmespeicher über dem Hauptwärmespeicher liegt und diesen über seinen Querschnitt bedeckt, mit der Folge, dass die Luft über den vollen Querschnitt der Schüttgutfüllung 21 nicht nur durch diese, sondern auch durch die mittlere Kammer 25 und den entsprechend ausgebildeten Tank 27 hindurchströmen kann. Vorliegend beträgt der Durchmesser des Wärmespeichers 20 unten 20 m, oben 25 m und dessen Höhe 16 m. Der Tank 27 ist mit einer 10 cm hohen Schicht aus dem oben genannten PCM gefüllt, insgesamt ca. 50 m3. Die insgesamt speicherbare Wärme liegt im Bereich von 4 * 10Λ9 KJ oder 1.1 GWh, wobei auf das PCM im Latentwärmespeicher 2 bis 4% entfallen. Denkbar - nebst anderen geeigneten PCM - ist erfindungsgemäss auch die Verwendung von LiF(52) + NaF(35) +CaF2(13), mit einer Schmelztemperatur von 615° C. Der Fachmann kann die Auslegung und Integration eines entsprechenden Wärmespeichers in das gegebene Kraftwerk leicht vornehmen. In den Wärmespeicher 20 münden die erste bis vierte Leitung 10 bis 13 (s. dazu Figur 1), wobei in der Figur hilfsweise die Strömungsrichtung des Fluids in der jeweiligen Leitung 10 bis 13 durch einen Pfeil eingezeichnet ist. Jede der Leitungen 10 bis 13 kann durch einen ersten bis vierten Hahn 30 bis 33 geöffnet oder verschlossen werden. Im Betriebsmodus laden gelangt die durch das Solarfeld 2 erwärmte Luft über die erste Leitung 10 in die obere Kammer 28, verteilt sich dort horizontal über die Fläche des Tanks 27 und durchströmt diesen vertikal nach unten mit Hilfe von geeigneten Passagen, die der Fachmann leicht konzipieren kann, und die zur Entlastung der Figur weggelassen sind. Beispielsweise können vertikal gerichtete Öffnungen im Tank 27 vorgesehen werden, die Rippen für den Wärmetausch aufweisen, denen entlang die Luft strömt. Damit wird dem PCM im Tank 27 Wärme zugeführt und so der Latentwärmespeicher aufgeladen.
Nach dem Tank 27 gelangt die Luft in die mittlere Kammer 26, strömt durch den oberen Siebboden 25 und durch die Schüttgutfüllung 21, welche dadurch ebenfalls Wärme auf- nimmt, so dass der durch das Schüttgut 21 gebildete sensible Wärmespeicher aufgeladen wird. Danach strömt die mittlerweile abgekühlte Luft weiter durch den unteren Siebboden 23 hindurch in die Bodenkammer 24, wo sie von der zweiten Leitung 11 gefasst und zurück ins Solarfeld 2 geführt wird. Im Betriebsmodus laden ist der dritte Hahn 32 geschlossen, ebenso der vierte Hahn 33. Mit fortschreitender Beladedauer der Schüttgutfüllung 21 mit Wärme entsteht in dieser eine Temperaturschichtung, da sich die nach unten strömende Luft beim Durchgang durch das Schüttgut 21 von oben nach unten abkühlt. Entsprechend besitzt das Schüttgut 21 dann oben, beim oberen Siebboden 25 die höchste und nach unten abgestuft eine jeweils geringere Temperatur, die beim unteren Siebboden am tiefsten ist. Vorteilhafterweise wird die Schüttgutfüllung derart bemessen, dass die Temperaturschichtung bei voller Beladung des Wärmespeichers noch geeignet vorliegt und damit keine grossen Temperaturgradienten im Wärmespeicher 20 bestehen, was eine vergleichsweise einfache Konstruktion erlaubt.
Die Beladung wird bevorzugt fortgesetzt, bis das Schüttgut 21 in der heissesten (obersten) Zone die Schmelztemperatur des PCM besitzt. Die heisseste Zone liegt als oberste Zone benachbart zum Tank 27, was für die Entladung vorteilhaft ist, da damit auf einfache Weise die Luft bei der Entladung von der Zone höchster Temperatur direkt in den Latentwärmespeicher geleitet werden kann, derart, dass dieser das Fluid bei voll beladenem Hauptwärmespeicher am wenigsten, bevorzugt im Wesentlichen nicht und bei nach einem Entladezyklus voll entladenem Hauptwärmespeicher am stärksten erwärmt.
Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass die Bodenkammer 24, die mittlere Kammer 26 und die obers- te Kammer 28 in Verbindung mit dem ersten bis vierten Hahn 30 bis 33 (und den ihnen zugeordneten Abschnitten der ersten bis vierten Leitung 10 bis 13) eine Anordnung zur Durchleitung des hier als Luft ausgebildeten Fluids durch den Wärmespeicher 20 hindurch bilden. Dabei ist die Anordnung für einen Betriebsmodus beladen und auch für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet:
Im Betriebsmodus beladen sind der erste Hahn 30 und der zweite Hahn 31 geöffnet, der dritte Hahn 32 und der vierte Hahn 33 geschlossen. Damit liegt der hier als Tank 27 ausgebildete Latentwärmespeicher 27 am Eingang des Wärmespeichers 20, derart, dass dann das PCM des Latentwärmespeichers 27 der Eingangstemperatur des vom Solarfeld 2 stammenden warmen Fluids ausgesetzt werden kann.
Im Betriebsmodus entladen sind umgekehrt der erste Hahn 30 und der zweite Hahn 31 geschlossen und der dritte Hahn 32 und der vierte Hahn 33 geöffnet. Es ergibt sich, dass nun der hier als konischer Behälter 22 ausgebildete Hauptwärmespeicher am Eingang des Wär- mespeichers 20 liegt, so dass kaltes, vom Maschinenhaus 3 stammendes Fluid durch die Schüttgutfüllung 21 erwärmt und, falls es in deren heissester Zone noch nicht die Schmelztemperatur des PCM erreicht hat, durch dieses im Tank 27 auf die Schmelztemperatur gebracht wird.
Zusammenfassend erzeugt die Anordnung zur Durchleitung des Fluids im Betriebsmodus beladen eine Temperaturschichtung mit einer Zone höchster Temperatur im Hauptwärmespeicher, während sie im Betriebsmodus entladen die Zone höchster Temperatur mit dem Latentwärmespeicher verbindet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines Stroms von Wärme transportierendem Fluid von im We- sentlichen konstanter Temperatur aus einem Wärmespeicher (3,20), dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme speichernde Fluid auf einen Vorwärmtemperaturbereich vorgeheizt und danach in einen Latentwärmespeicher (16) mit sich wenigstens auf Schmelztemperatur befindendem PCM geleitet wird, dem es nach seiner weiteren Erwärmung auf wenigstens die Schmelztemperatur des PCM wieder entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des gesamten Entladezyklus des Wärmespeichers (3,20) die Nacherwärmung des Fluids auf die Schmelztemperatur erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens der Latentwärmespeicher (16) sensibel über die Schmelztemperatur hinaus geladen wird und dieser dann beim Entladen zuerst sensibel auf die Schmelztemperatur entladen und dann latent auf dieser weiter entladen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vorwärmtemperaturbereich an die Schmelztem- peratur angrenzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vorwärmung des Fluids durch einen dem Latentwärmespeicher (16) vorgeschalteten Hauptwärmespeicher (15,22) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Hauptwärmespeicher (15,22) eine Schüttgutfüllung (21) für die Speicherung der Wärme aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Hauptwärmespeicher (15,22) mit einer Temperaturschichtung betrieben wird, und wobei das Wärme speichernde Fluid bei der Entla- dung von der Zone höchster Temperatur direkt in den Latentwärmespeicher (16) geleitet wird, derart, dass der Latentwärmespeicher das Wärme transportierende Fluid bei voll beladenem Hauptwärmespeicher (15,22) am wenigsten, bevorzugt im Wesentlichen nicht und bei voll entladenem Hauptwärmespeicher (15,22) am stärksten erwärmt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Beladung des Hauptwärmespeichers (15,22) mit Wärme durch ein Wärme transportierendes Fluid vorgenommen wird, das vor dem Hauptwärmespeicher (15,22) durch den Latentwärmespeicher (16) geleitet worden ist, und diesen dabei mit Wärme auf dem Temperaturniveau von wenigstens der Schmelzwärme des PCM beladen hat.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schmelzwärme des PCM oberhalb 400 Grad, bevorzugt oberhalb 500 Grad, besonders bevorzugt oberhalb 700 Grad und ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 Grad und 650 Grad liegt.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmekapazitäten des Hauptwärmespeichers (15,22) und des Latentwärmespeichers (16) derart auf einander abgestimmt sind, dass im Betrieb der Latentwärmespeicher (16) den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers (15,22) unter die Schmelztemperatur für eine vorbestimmte Entladedauer kompensiert.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die vorbestimmte Entladedauer wenigstens 8 Stunden, bevorzugt 12 Stunden, besonders bevorzugt 16 Stunden und ganz bevorzugt 24 Stunden beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als PCM ein Salz oder eine Metalllegierung verwendet wird, und wobei bevorzugt das Salz LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10), und die Metalllegierung AlSin aufweist.
13. Wärmespeicher zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hauptwärmespeicher (15,22) und einen Latentwärmespeicher (16), die für den Durchfluss eines Wärme transportierenden Fluids über eine Anordnung zur Durchleitung des Fluids durch den Wärmespeicher (5,20) in Serie geschaltet sind, wobei die Durchleitungsanordnung für einen Betriebsmodus entladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Ausgang des Wärmespeichers (5,20) liegt, derart, dass dann aus diesem nach aussen abgegebenes Fluid die aktuelle Temperatur eines im Latentwärmespeicher (16) vorgesehenen PCM aufweist.
14. Wärmespeicher nach Anspruch 13, wobei die Durchleitungsanordnung weiter für einen Betriebsmodus beladen ausgebildet ist, in dem der Latentwärmespeicher (16) am Eingang des Wärmespeichers (5,20) liegt, derart, dass dann das PCM des Latentwärmespeichers (16) der Eingangstemperatur des Fluids ausgesetzt werden kann.
15. Wärmespeicher nach Anspruch 13, wobei der Latentwärmespeicher über dem Hauptwärmespeicher liegt und diesen im Wesentlichen über seinen Querschnitt bedeckt.
16. Wärmespeicher nach Anspruch 14, wobei die Durchleitungsanordnung im Betriebsmodus beladen eine Temperaturschichtung mit einer Zone höchster Temperatur im Hauptwärmespeicher (15,22) erzeugt, und die Durchleitungsanordnung im Betriebsmodus entladen die Zone höchster Temperatur mit dem Latentwärmespeicher (16) verbindet.
17. Wärmespeicher nach Anspruch 13, wobei die Schmelzwärme des PCM im Latentwärmespeicher (16) oberhalb 400 Grad, bevorzugt oberhalb 500 Grad, besonders bevorzugt oberhalb 700 Grad und ganz bevorzugt in einem Bereich zwischen 600 Grad und 650 Grad liegt.
18. Wärmespeicher nach Anspruch 13, wobei das PCM als Salz oder als Metalllegierung ausgebildet ist und wobei vorzugsweise das Salz LiF(46) + NaF(44) + MgF2(10), und die Metalllegierung AISi12 aufweist.
19. Solarkraftwerk mit einem Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 13 bis 17.
20. Verfahren zum Betrieb eines Solarkraftwerks mit einem Wärmespeicher (5,20), der einen sensiblen Hauptwärmespeicher (15,22) und einem Latentwärmespeicher (16) aufweist, wobei für die Entladung des Wärmespeichers (5,20) ein Wärme transportierendes Fluid zuerst durch den Hauptwärmespeicher (15,22) und dann durch den Latentwärmespeicher (16) geleitet wird, derart, dass der Latentwärmespeicher (16) während einer Entladeperiode den sensiblen Temperaturabfall des Hauptwärmespeichers (15,22) kompensiert und damit das Wärme transportierend Fluid mit im wesentlichen konstanter Temperatur auf dem Niveau der Schmelztemperatur des im Latentwärmespeichers vorhandenen PCM abgibt.
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