ES2927075T3 - Acumulador de energía para la acumulación de energía eléctrica como calor y procedimiento para ello - Google Patents
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Abstract
Un acumulador de energía para almacenar energía eléctrica en forma de energía térmica comprende un calentador eléctrico (10) para convertir energía eléctrica en energía térmica y cuerpos de almacenamiento de calor (20) que están dispuestos en un recipiente a presión (30). El fluido de transferencia de calor, que puede ser calentado por el calentador eléctrico (10), entra y sale del recipiente a presión (30) a través de las conexiones de la línea de fluido de transferencia de calor (32, 33). Los cuerpos de almacenamiento de calor (20) comprenden una pluralidad de varillas de metal (20a) que están dispuestas en posición vertical y se utilizan para almacenar energía térmica del calentador eléctrico (10). Un soporte poroso (23) soporta las varillas metálicas (20a) y se coloca sobre un soporte (25). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Acumulador de energía para la acumulación de energía eléctrica como calor y procedimiento para ello
La presente invención se refiere en un primer aspecto a un acumulador de energía para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica según el preámbulo de la reivindicación 1.
En un segundo aspecto la invención se refiere a un procedimiento para la acumulación de energía mediante un acumulador de energía, en el cual se puede acumular energía eléctrica en forma de energía calorífica y se puede extraer energía calorífica, según el preámbulo de la reivindicación 14.
Los acumuladores de energía para energía eléctrica tienen una inmensa importancia económica. En particular debido al creciente uso de energía solar y eólica las cantidades generadas de energía eléctrica varían mucho en el tiempo. A causa de esto surgen temporalmente considerables excedentes de energía eléctrica, los cuales de momento no se pueden acumular eficientemente o solo en una pequeña parte. Los acumuladores electroquímicos (baterías) ofrecen pese a los altos costes solo cantidades de acumulación muy bajas. Cantidades de energía mayores se pueden acumular en forma de calor. Se espera que este tipo de acumuladores de energía desempeñen un papel decisivo en el caso de un uso mayor en términos económicos de fuentes de energía renovables. Por lo tanto una cantidad de acumulación de los acumuladores de energía debe aumentar previsiblemente en la proporción en que la energía solar y eólica han aumentado en la energía eléctrica generada en total en un país.
Un acumulador de energía típico para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica incluye:
- un calentador eléctrico para la transformación de energía eléctrica en energía calorífica,
- un acumulador de calor para la acumulación de la energía calorífica del calentador eléctrico y
- una carcasa, la cual rodea el acumulador de calor y o bien incluye tubos de intercambiador de calor para la transferencia de energía calorífica del acumulador de calor a un fluido de transferencia de calor o bien posibilita una corriente libre de fluido de transferencia de calor a través de la carcasa a lo largo del acumulador de calor para transferir energía calorífica al fluido de transferencia de calor o tomarla de este.
Tales acumuladores de energía fueron descritos por ejemplo por la solicitante en el documento EP 3139108 A1 o en el documento EP 3139107 A1 así como en la solicitud de patente europea con el número de solicitud EP 17184877.3.
De manera correspondiente un procedimiento típico para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica con un acumulador de energía incluye por lo menos los siguientes pasos:
- transformar energía eléctrica en energía calorífica a través de un calentador eléctrico y calentar un fluido de transferencia de calor,
- hacer entrar el fluido de transferencia de calor por medio de conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor en una carcasa de acumulador de energía,
- transferir energía calorífica del fluido de transferencia de calor a cuerpos de acumulador de calor, los cuales están dispuestos en la carcasa de acumulador de energía,
- hacer salir fluido de transferencia de calor, el cual ha circulado a lo largo de los cuerpos de acumulador de calor, por medio de las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor fuera de la carcasa de acumulador de energía.
Para la acumulación de cantidades de energía más grandes los cuerpos de acumulador de calor pueden ser cuerpos metálicos, cuya altura puede ser de varios metros o incluso de más de 10 m. Los cuerpos metálicos se calientan por medio de un gran rango de temperatura, por ejemplo de la temperatura ambiente hasta una temperatura próxima al punto de fusión del cuerpo metálico, por ejemplo 600 °C. Debido a estos fuertes cambios de temperatura el cuerpo metálico experimenta considerables dilataciones térmicas. Estas pueden tener como consecuencia cargas mecánicas de los componentes colindantes del acumulador de energía. Problemático en el caso de los acumuladores de energía conocidos es cómo se pueden mantener bajas las cargas debido a la expansión térmica de los componentes con bajos costes y una construcción lo más sencilla posible.
Del documento DE 1005673 B1 es conocido un intercambiador de calor, en el caso del cual hileras de barras de hierro están dispuestas en un canal, el cual es recorrido alternativamente por medios disipadores de calor y medios que hay que calentar. Los medios disipadores de calor se pueden tratar de gases de escape polvorientos de un horno. Las varillas de hierro pueden estar suspendidas en un soporte que transcurre transversalmente o longitudinalmente a través del canal.
Como una tarea de la invención se puede considerar la puesta a disposición de un acumulador de energía, en el caso del cual las cargas térmicas son lo más bajas posible y al mismo tiempo una construcción es lo más rentable posible y son posibles una acumulación y extracción eficientes de grandes cantidades de energía. Además se debe indicar un procedimiento correspondiente.
Esta tarea se soluciona a través del acumulador de energía con las características de la reivindicación 1 y a través del
procedimiento con las características de la reivindicación 14.
Variantes ventajosas del acumulador de energía de conformidad con la invención y del procedimiento de conformidad con la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes y se explican además en la siguiente descripción.
El acumulador de energía de conformidad con la invención para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica incluye:
- un calentador eléctrico para la transformación de energía eléctrica en energía calorífica,
- un recipiente de presión,
- cuerpos de acumulador de calor para la acumulación de energía calorífica del calentador eléctrico, en donde los cuerpos de acumulador de calor están dispuestos en el recipiente de presión, en donde el recipiente de presión incluye conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor para hacer entrar fluido de transferencia de calor, el cual se puede calentar por medio del calentador eléctrico, y para hacer salir fluido de transferencia de calor,
en donde los cuerpos de acumulador de calor incluyen varias varillas de metal, las cuales están dispuestas en vertical y sirven para la acumulación de energía calorífica del calentador eléctrico, y
- un soporte y un apoyo poroso, en donde el apoyo poroso porta las varillas de metal y está dispuesto sobre el soporte.
El procedimiento de conformidad con la invención para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica con un acumulador de energía, que incluye los siguientes pasos:
- transformar energía eléctrica en energía calorífica a través de un calentador eléctrico y calentar un fluido de transferencia de calor,
- hacer entrar fluido de transferencia de calor por medio de conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor en un recipiente de presión,
- transferir energía calorífica del fluido de transferencia de calor a cuerpos de acumulador de calor, los cuales están dispuestos en el recipiente de presión, en donde los cuerpos de acumulador de calor incluyen varias varillas de metal, las cuales están dispuestas en vertical y sirven para la acumulación de energía calorífica,
- en donde el acumulador de energía incluye además un soporte y un apoyo poroso, en donde el apoyo poroso porta las varillas de metal y está dispuesto sobre el soporte,
- hacer salir fluido de transferencia de calor, el cual ha circulado a lo largo de las varillas de metal, por medio de las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor fuera del recipiente de presión.
El recipiente de presión posibilita que un fluido de transferencia de calor fluya directamente a lo largo de las varillas de metal para transferir calor a las barras de metal o extraerlo de estas. En particular energía calorífica se puede transferir del fluido de transferencia de calor a las varillas de metal, cuando el calentador eléctrico está activo, y energía calorífica se puede extraer de las varillas de metal, cuando el calentador eléctrico está inactivo. No es necesario ningún sistema de tuberías para el fluido de transferencia de calor por dentro del recipiente de presión, con lo cual en relación con la tubería de fluido de transferencia de calor tampoco surge ningún problema con respecto a una dilatación irregular en el caso de fuertes calentamientos y con ello consiguientes tensiones y fatigas del material. Como recipiente de presión se puede considerar un contenedor (estanco a los fluidos hasta las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor), el cual está diseñado para soportar también altas presiones del fluido de transferencia de calor, por ejemplo al menos 5 bar o al menos 10 bar.
Además a través del diseño de conformidad con la invención los efectos de las dilataciones térmicas sobre el soporte de los cuerpos de acumulador de calor también son bajos. En el estado de la técnica se utiliza normalmente un cuerpo más grande como acumulador de calor, por ejemplo una placa de metal. Las dilataciones en la dirección horizontal, es decir transversalmente o en vertical a la dirección de la fuerza de gravedad, pueden ser problemáticas en el caso de tales placas. Ventajas ofrece el diseño de conformidad con la invención, en el caso del cual como cuerpos de acumulador de calor se utilizan varias varillas de metal. Las varillas de metal tienen un eje longitudinal, el cual está dispuesto en vertical, es decir en la dirección vertical o en la dirección de la fuerza de gravedad. Hacia arriba las varillas de metal son preferiblemente libres, esto es no sujetadas o fijadas, de manera que una dilatación térmica en la dirección de la fuerza de gravedad no es problemática. Una dilatación en la dirección horizontal es baja, ya que un diámetro de las varillas de metal es considerablemente más pequeño que su longitud en la dirección de la fuerza de gravedad, por ejemplo la longitud es al menos 5 veces o al menos 10 veces tan grande como el diámetro. Si las varillas de metal tienen una sección transversal en ángulo, como diámetro se puede entender su dimensión más grande por dentro de su plano de sección transversal. Las varillas de metal están separadas o se pueden mover las unas con respecto a las otras, de manera que una dilatación térmica en caso de calentamiento de las varillas de metal solamente reduce espacios libres entre las varillas de metal. La dimensión total en las direcciones de sección transversal, es decir el área, la cual se cubre a través de las varillas de metal más exteriores o más alejadas unas de otras, puede ser fundamentalmente constante a pesar de la dilatación térmica. Esto es especialmente importante para el soporte, el cual porta las varillas de metal (por medio del apoyo poroso). El soporte no experimenta ninguna o casi ninguna carga mecánica, cuando las varillas de metal se expanden térmicamente. Para una expansión térmica del soporte es relevante el apoyo poroso. A través de este el soporte está por lo menos parcialmente aislado de las varillas de metal, de manera que el soporte se calienta con menos intensidad y más lento a través de las varillas de metal, que si las varillas de metal estuvieran unidas directamente con el soporte. Precisamente las dilataciones térmicas del soporte
son en el caso de las realizaciones del estado de la técnica especialmente problemáticas.
Un soporte poroso ofrece una construcción sencilla y bajos costes. Las varillas de metal también se pueden fabricar de forma rentable. Ellas también se denominan como palanquillas o tochos. Como ellas están libres en el espacio hasta el contacto con el soporte poroso, son posibles mayores tolerancias en la forma y las dimensiones de las varillas de metal. Además no son necesarios casi ningún o ningún paso de fresado para formar las varillas de metal. En el caso de otras formas, en particular cuando el acumulador de calor debe contactar directamente con la unidad calefactora eléctrica o tubos de intercambio de calor, los costes de fresado o conformado son considerablemente mayores y pueden exceder mucho los costes de material para el acumulador de calor.
Las varillas o barras de metal pueden tener forma cilíndrica en principio con una forma de sección transversal cualquiera. Por ejemplo su sección transversal puede tener forma circular o rectangular, lo que permite una fabricación sencilla. Las varillas de metal forman la parte del acumulador de calor, la cual sirve para la acumulación de energía calorífica. Esto quiere decir que de una energía calorífica tomada durante el funcionamiento del acumulador de energía se acumula al menos 60 % o al menos 80 % en las varillas de metal, mientras que las partes de energía restantes son distribuidas por ejemplo por el apoyo poroso, el fluido de transferencia de calor o los componentes de pared de carcasa. Alternativamente también la capacidad calorífica de las varillas de metal puede ser al menos 60 % o al menos 80 % de la capacidad calorífica de todo el acumulador de calor.
Para mantener baja una transferencia de calor de las varillas de metal al soporte, las varillas de metal pueden estar separadas del soporte. Un contacto se crea preferiblemente solo por medio del apoyo poroso. En este caso el coeficiente de conductividad térmica del material del apoyo poroso es preferiblemente más pequeño que un coeficiente de conductividad térmica del material de las varillas de metal.
El material de las varillas de metal debe tener una capacidad calorífica específica lo más grande posible, la cual es preferiblemente mayor que la del apoyo poroso o el soporte. Por ejemplo las varillas de metal pueden estar hechas de acero.
Al estar separadas las varillas de metal del soporte a través del apoyo poroso, se reduce un calentamiento del soporte y de la parte del apoyo poroso respectivo directamente colindante con el soporte, con lo cual las dilataciones térmicas en el soporte no deberían ser problemáticas. Adicionalmente sin embargo también un material del apoyo poroso y un material del soporte pueden ser seleccionados de tal manera que sus coeficientes de expansión térmica varíen alrededor de como máximo 10 %, preferiblemente como máximo 5 %, el uno del otro. En cambio el valor exacto de los coeficientes de expansión térmica de las varillas de metal es menos relevante, ya que estas se pueden dilatar ampliamente de forma libre. Por eso los materiales para las varillas de metal, el apoyo poroso y el soporte se pueden seleccionar de tal manera que los coeficientes de expansión térmica de los materiales del apoyo poroso y del soporte estén más cerca entre sí que los coeficientes de expansión térmica de los materiales de las varillas de metal y del soporte.
Como coeficiente de expansión térmica se puede entender una variación de longitud con un aumento de temperatura de alrededor de 1 °C, en particular de 20 °C a 21 °C.
El soporte puede incluir por ejemplo uno o varios bloques de metal o bloques de hormigón. El soporte tiene un lado superior, en el cual está dispuesto el apoyo poroso. Un lado inferior del soporte puede tener una superficie, la cual es más pequeña que una superficie del lado superior. El tamaño del lado superior está determinado fundamentalmente por que con este se puede mantener la unidad de apoyo porosa. Por ejemplo puede estar previsto que las dimensiones superficiales del lado superior coincidan con la superficie, la cual se cubre/se sujeta a través de la unidad de apoyo porosa, o varíen como máximo 20 % de esta. El lado inferior del soporte puede ser seleccionado ahora más pequeño que el lado superior, con lo cual una transferencia de calor a un suelo (sobre el cual está el soporte) puede ser más pequeña. Esto puede ser por ejemplo ventajoso, cuando el suelo está formado por una placa de suelo del acumulador de energía o del recipiente de presión. En este caso las dilataciones térmicas de la placa de suelo se mantienen bajas. Además a través de esto el área superior del soporte se puede dilatar en la dirección horizontal, mientras que el área inferior con sección transversal pequeña no experimenta ninguna dilatación excesivamente grande, lo que a su vez es ventajoso en relación con las tensiones del material con respecto a la placa de suelo.
El apoyo poroso incluye espacios huecos, a través de lo cual se reduce una transferencia de calor de las varillas de metal hacia abajo. Dependiendo del diseño del apoyo poroso las varillas de metal pueden ser mantenidas por el apoyo poroso, de manera que se evita un volteo de las varillas de metal debido al apoyo poroso, o meramente están sueltas en el apoyo poroso.
El apoyo poroso puede incluir por ejemplo un bloque aislante, el cual puede estar hecho en particular de cerámica. Las varillas de metal pueden estar sueltas en el bloque aislante, esto es se pueden mover hacia este, con lo cual diferentes dilataciones térmicas no son problemáticas. Para que las varillas de metal no se volteen lateralmente, ellas pueden estar apoyadas en una pared de carcasa/un cilindro interno, como posteriormente se describe en más detalle. En vez de un bloque aislante también se puede usar una placa perforada, en donde debido a los agujeros una superficie de la placa perforada puede ser más pequeña que la suma de las secciones transversales de todas las
varillas de metal. También es posible un material a granel como apoyo poroso, en donde debido a la movilidad de los elementos del material a granel los unos con respecto a los otros aquí tampoco son problemáticas las dilataciones de material térmicas. Alternativamente el apoyo poroso también puede incluir varios elementos de apoyo separados los unos de los otros. Cada elemento de apoyo porta exactamente una varilla de metal (u opcionalmente también respectivamente varias varillas de metal), en donde cada elemento de apoyo puede estar unido con rigidez con el soporte, en particular anclado en este. Por ejemplo los elementos de apoyo pueden ser elementos de metal, los cuales sobresalen de un soporte de hormigón. Los elementos de apoyo/elementos de metal pueden ser en particular tubos, los cuales portan respectivamente una de las varillas de metal.
Un tubo puede ser hueco, con lo cual la masa del tubo es más pequeña y con ello se produce una conductividad térmica más baja hacia el soporte. El tubo también puede estar formado sin embargo por una varilla no hueca. El tubo puede tener además una sección transversal más pequeña que la varilla de metal portada por él. También a causa de esto se reduce la conductividad térmica hacia el soporte.
Un extremo superior del tubo puede sobresalir en un orificio de alojamiento, el cual puede presentar cada varilla de metal en su extremo inferior, para que la varilla de metal respectiva sea portada por el tubo (o más en general: por el elemento de apoyo que sobresale en el orificio de alojamiento). Una sección transversal del orificio de alojamiento puede ser más grande que una sección transversal del extremo superior del tubo, de manera que se forma una hendidura, en particular a temperatura ambiente o 20 °C. Si la varilla de metal tiene un coeficiente de expansión térmica más grande que el tubo, entonces a través de la hendidura se puede garantizar que el tubo no se dañe en caso de una expansión térmica de la varilla de metal. Para que a pesar de ello esté garantizado un apoyo, el orificio de alojamiento es suficientemente profundo, en particular al menos 3 veces, preferiblemente al menos 4 veces, tan profundo como el diámetro del orificio de alojamiento. Debido a las diferentes dilataciones térmicas puede ser preferible que la varilla de metal (en particular con su orificio de alojamiento) esté puesta únicamente en el elemento de apoyo y no se fije más, en particular no se atornille o se suelde. Alternativamente también se puede prescindir de una hendidura, con lo cual en el caso de un calentamiento la presión de la varilla de metal sobre el tubo se aumenta.
Para los tubos/elementos de apoyo se puede utilizar por ejemplo acero inoxidable y un otro acero, esto es ningún acero inoxidable, para las varillas de metal. Cada varilla de metal es portada preferiblemente por su propio elemento de apoyo, con lo cual por tanto cada elemento de apoyo porta exactamente una varilla de metal. En este caso un elemento de apoyo está hecho preferiblemente de un cuerpo de una pieza, a través de lo cual las dilataciones térmicas son menos problemáticas. Un elemento de apoyo está hecho por consiguiente de un material uniforme, cuyo coeficiente de conductividad térmica puede ser más pequeño que el coeficiente de conductividad térmica de la varilla de metal, la cual preferiblemente también es un cuerpo de una pieza a partir de un material uniforme. Alternativamente también son concebibles sin embargo elementos de apoyo, los cuales están unidos directamente los unos con los otros y por tanto forman una estructura, la cual porta varias varillas de mitad. En este caso varias varillas de metal pueden ser portadas por una unidad de apoyo o varios elementos de apoyo sirven para sostener una varilla de metal.
A través de un sostenimiento de la varilla de metal por medio de su orificio de alojamiento y el tubo que sobresale del elemento de apoyo es posible que un perímetro exterior de cada varilla de metal esté libre y no limite con el elemento de apoyo. Ventajosamente a través de esto la varilla de metal se puede dilatar hacia fuera, sin que se produzcan tensiones con respecto a por ejemplo el elemento de apoyo.
Pueden estar dispuestas una pluralidad de varillas de metal, por ejemplo al menos 20 o 30, las unas junto a las otras en el mismo soporte. En este caso las varillas de metal pueden estar alineadas con sus ejes longitudinales en paralelo las unas con respecto a las otras.
Puede estar previsto que una separación de varillas de metal colindantes sea mayor que una dilatación térmica, la cual experimentan las varillas de metal colindantes en la dirección de su separación las unas con respecto a las otras, cuando ellas se calientan de 20 °C a una temperatura de 100 °C por debajo de su temperatura de fusión, y que esta separación sea más pequeña que el quíntuplo de la dilatación térmica mencionada. Una temperatura en el rango de 100 °C por debajo de la temperatura de fusión de la varilla de metal o del elemento de apoyo ofrece durante el funcionamiento una separación de seguridad suficientemente grande, de manera que se evita un fundido. Al mismo tiempo se evita que debido a sus dilataciones térmicas las varillas de metal ejerzan una presión excesiva las unas sobre las otras. La dilatación térmica mencionada arriba también puede ser definida alternativamente para un calentamiento de 20 °C sobre un límite superior de un intervalo de temperatura del acumulador de calor utilizado durante el funcionamiento.
Una transferencia de calor del calentador eléctrico a las varillas de metal se produce por medio del fluido de transferencia de calor, el cual mediante al menos un ventilador o una bomba fluye a través del recipiente de presión. El calentador eléctrico no debe estar dispuesto entre las varillas de metal, sino que puede estar dispuesto por encima de las varillas de metal en el recipiente de presión o por fuera del recipiente de presión.
En el recipiente de presión puede estar dispuesto un cilindro interno, en donde las varillas de metal están dispuestas en el cilindro interno. El cilindro interno representa un contenedor o una pared, la cual está prevista adicionalmente a la pared interior del recipiente de presión. Aquella conexión de tubería de fluido de transferencia de calor, por medio
de la cual se introduce fluido de transferencia de calor, (la entrada de fluido de transferencia de calor), puede estar unida con el cilindro interno para introducir el fluido de transferencia de calor en el cilindro interno. En particular esta conexión de tubería de fluido de transferencia de calor puede estar unida con un área superior del cilindro interno. En su área inferior el cilindro interno puede estar abierto para hacer salir fluido de transferencia de calor fuera del cilindro interno en un área entre el cilindro interno y una pared/pared interior del recipiente de presión. En esta área el fluido de transferencia de calor puede ascender. Aquella conexión de tubería de fluido de transferencia de calor, por medio de la cual se extrae fluido de transferencia de calor, (la salida de fluido de transferencia de calor), puede estar dispuesta en un área superior del recipiente de presión (por fuera del cilindro interno). A través del cilindro interno se proporciona por consiguiente un canal de flujo desde la entrada de fluido de transferencia de calor a lo largo de las varillas de metal hasta la salida de fluido de transferencia de calor.
El cilindro interno puede tener en principio una sección transversal cualquiera, en donde una sección transversal anular, esto es una forma circular, puede ser preferible para un flujo regular y un buen llenado a través de las varillas de metal. Hacia arriba el cilindro interno puede estar cerrado hasta la entrada de fluido de transferencia de calor, es decir hacia arriba no hay ninguna unión de fluido entre un espacio interior del cilindro interno y un área entre el cilindro interno y el recipiente de presión.
En su área inferior el cilindro interno está por el contrario abierto, de manera que el fluido de transferencia de calor que viene de arriba puede salir hacia fuera. El cilindro interno puede estar sobre el apoyo poroso o el soporte, es decir el cilindro interno no tiene propiamente un suelo, sino que está fundamentalmente cerrado a través del apoyo poroso o el soporte en el lado inferior, en donde el cilindro interno puede tener en su pared lateral (superficie lateral) en el área inferior orificios, a través de los cuales el fluido de transferencia de calor sale hacia fuera.
Las varillas de metal pueden estar sueltas sobre el apoyo poroso e impedirse lateralmente a través de un (o el) cilindro interno contra el volteo. El cilindro interno puede estar unido opcionalmente con una pieza de tapa que se describe posteriormente en más detalle o por medio de distanciadores con una pared interior del recipiente de presión para evitar un deslizamiento en el caso de varillas de metal de contrapresión. También en el caso de realizaciones, en el caso de las cuales las varillas de metal son mantenidas por el apoyo poroso y no solo están sueltas en este, también se puede garantizar no obstante a través del cilindro interno un apoyo lateral de las varillas de metal. El recipiente de presión puede incluir en su lado superior una pieza de tapa. La pieza de tapa puede incluir las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor. Además el calentador eléctrico puede estar fijado en la pieza de tapa. Al estar todas las conexiones de fluido de transferencia de calor y conexiones eléctricas en un lado superior del recipiente de presión y del acumulador de energía, varios acumuladores de energía se pueden disponer fácilmente los unos junto a los otros en poco espacio (en cambio debido al alto peso un apilamiento es más bien indeseable) y además los trabajos de mantenimiento se vuelven más sencillos, cuando por medio de una pieza de tapa todas las conexiones son intercambiables o accesibles.
La pieza de tapa puede ser por ejemplo un cuerpo metálico, el cual se puede unir con las paredes circundantes del recipiente de presión. Además el cuerpo de metal, el cual forma la pieza de tapa, puede incluir una tubería que sobresale en el cilindro interno y una tubería que sobresale en el área entre el cilindro interno y el recipiente de presión, en donde estas dos tuberías terminan en un lado externo de la pieza de tapa en las dos conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor. A través de este diseño solo la pieza de tapa y ningún otro componente del recipiente de presión tiene un contacto con las tuberías de fluido de transferencia de calor.
El calentador eléctrico puede estar dispuesto en un lado inferior de la pieza de tapa, a través del cual un espacio interior del recipiente de presión está limitado. En particular el calentador eléctrico puede estar dispuesto aquí por dentro de un tubo/una tubería al cilindro interno. El excesivo calentamiento del fluido de transferencia de calor a través del calentador eléctrico se produce a través de esto por dentro del área, la cual debe soportar de todos modos las altas temperaturas de los cuerpos de acumulador de calor, en donde no otras tuberías, las cuales conducen a las conexiones de fluido de transferencia de calor en el recipiente de presión, están expuestas a estas temperaturas. Estas tuberías de alimentación pueden ser realizadas a causa de esto de forma más sencilla y están expuestas a cargas térmicas más bajas.
La pieza de tapa puede incluir además un ventilador/una bomba para transportar el fluido de transferencia de calor. Al ser también el ventilador/la bomba parte de la pieza de tapa, esto es al no estar unido con otros componentes del recipiente de presión, se simplifican la fabricación y el mantenimiento.
El cilindro interno también puede estar fijado en la pieza de tapa y se puede extender desde esta hacia abajo. En este caso la pieza de tapa puede estar separada del apoyo poroso y el soporte o no ser portada por estos. Si el cilindro interno está unido directamente con la pieza de tapa, no es necesaria ninguna pared superior del cilindro interno (ya que el cilindro interno se limita hacia arriba a través de la pieza de tapa). Si el calentador eléctrico está fijado en un lado inferior de la pieza de tapa, el calentador eléctrico se puede encontrar a causa de esto por dentro del cilindro interno.
Un calentador eléctrico puede estar en principio diseñado como se quiera, siempre que él transforme energía eléctrica de la forma más completa posible, por ejemplo hasta al menos 80 %, en energía calorífica. Un calentador eléctrico
puede trabajar en particular de forma resistiva, es decir él es recorrido por corriente eléctrica y debido a la resistencia eléctrica él se calienta en este caso. Por medio del o de los calentadores eléctricos en el acumulador de energía se pueden alimentar grandes potencias, por ejemplo hasta 8 MW.
El calentador eléctrico puede estar unido con una red de corriente externa y además accionarse para tomar siempre energía eléctrica y convertirla en calor cuando exista temporalmente una sobreoferta de energía eléctrica. La energía calorífica emitida por el acumulador de calor, esto es el fluido de transferencia de calor calentado, se puede usar en particular para fines de calefacción o para la generación de energía eléctrica. Por lo tanto con el fluido de transferencia de calor calentado o con un otro fluido de trabajo, el cual se calienta a través del fluido de transferencia de calor calentado, se puede accionar una unidad de motor-generador o una unidad de turbina-generador para generar energía eléctrica.
Como ventilador o bomba se debe entender cada instalación, con la cual se puede acelerar un fluido de transferencia de calor, por ejemplo un compresor o un ventilador para gases o justamente una bomba para fluidos. La elección de esta instalación es irrelevante para la invención, por lo que en la presente descripción uno de estos términos debe figurar en representación de todas estas instalaciones.
Durante el funcionamiento la temperatura del acumulador de calor varía excesivamente y dependiendo del estado de carga puede ser por ejemplo de 20 °C o 600 °C. La temperatura del fluido de transferencia de calor depende por consiguiente también mucho del estado de carga del acumulador de calor. Una presión demasiado alta con temperatura de fluido de transferencia de calor alta se debería evitar. Para ello el circuito del fluido de transferencia de calor puede incluir un volumen de expansión, cuyo tamaño aumenta con una presión creciente. Esto se puede realizar por ejemplo a través de una pared móvil, la cual pueda estar en particular bajo una pretensión (por ejemplo un resorte puede presionar la pared móvil contra el fluido de transferencia de calor encerrado). Con mayor temperatura de fluido de transferencia de calor la pared móvil se desliza debido a la creciente presión de fluido de transferencia de calor, de manera que también en el caso de una temperatura de fluido de transferencia de calor aumentada la presión de fluido de transferencia de calor no se vuelve excesivamente alta.
El fluido de transferencia de calor puede ser en principio cualquier gas, mezcla de gas, vapor o fluido. En particular se puede utilizar un gas/mezcla de gas sin oxígeno para evitar la corrosión. En vez de esto se puede utilizar un gas inerte, por ejemplo dióxido de nitrógeno.
La invención se refiere también a una disposición de acumulador de energía con varios acumuladores de energía de conformidad con la invención. Cada acumulador de energía puede presentar un aislante térmico en su área superior (en particular en su pieza de tapa) y su área inferior. Los acumuladores de energía están dispuestos los unos junto a los otros y puede estar previsto un aislamiento térmico lateral común, el cual rodea lateralmente los varios acumuladores de energía. Los propios recipientes de presión no incluyen por lo tanto en la dirección lateral ningún aislamiento térmico, de manera que es posible una transferencia de calor entre los distintos recipientes de presión. No obstante la disposición total de recipientes de presión se rodea lateralmente hacia fuera a través de una pared aislante para reducir una disipación de calor en la dirección lateral. En principio en las modificaciones de la invención los recipientes de presión también pueden ser reemplazados por carcasas normales estancas a los fluidos. Las formulaciones según las cuales el acumulador de energía incluye un calentador eléctrico, un acumulador de calor o una entrada y una salida de fluido de transferencia de calor se pueden entender de tal manera que están previstos al menos un calentador eléctrico, al menos un acumulador de calor, al menos una entrada de fluido de transferencia de calor y al menos una salida de fluido de transferencia de calor.
Las propiedades de la invención descritas como características de dispositivo adicionales dan como resultado en el caso de un uso correcto también variantes del procedimiento de conformidad con la invención.
Otras ventajas y características de la invención se describen a continuación con referencia a las figuras esquemáticas adjuntas:
La fig. 1 es una representación esquemática de un ejemplo de realización de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 2 es una representación esquemática de un otro ejemplo de realización de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 3 es una representación esquemática de un ejemplo de realización de una disposición de acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 4 es una representación esquemática de componentes de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 5 es una representación esquemática de componentes de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 6 es una representación esquemática de componentes de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 7 es una representación de sección transversal esquemática de un ejemplo de realización de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 8 es una representación esquemática de un ejemplo de realización de un acumulador de energía de conformidad con la invención;
la fig. 9 es una representación esquemática de un ejemplo de realización de una disposición de acumulador de energía de conformidad con la invención y
la fig. 10 es una representación esquemática de un otro ejemplo de realización de una disposición de acumulador de energía de conformidad con la invención.
Las partes integrantes iguales y de efecto idéntico están marcadas en las figuras normalmente con los mismos símbolos de referencia.
La fig. 1 muestra un ejemplo de realización de un acumulador de energía 100 de conformidad con la invención. La energía eléctrica a acumular se transforma con un calentador eléctrico (no representado en la fig. 1) en energía calorífica. Con esto se calienta un fluido de transferencia de calor, el cual se introduce en un recipiente de presión 30. Para ello el recipiente de presión 30 incluye una conexión de tubería de fluido de transferencia de calor 32, la cual representa una entrada de fluido de transferencia de calor. En el recipiente de presión 30 se encuentran cuerpos de acumulador de calor 20, los cuales se calientan a través del fluido de transferencia de calor. Como cuerpos de acumulador de calor 20 están presentes varias varillas de metal 20a dispuestas en vertical, las cuales están mostradas esquemáticamente en la fig. 1 y se describen posteriormente en más detalle. Las varillas de metal 20a están en un apoyo poroso 23, el cual está dispuesto a su vez sobre un soporte 25. El soporte 25 puede estar en una placa de suelo 26, la cual cierra el recipiente de presión 30 o el acumulador de energía 100 hacia abajo.
Este diseño posibilita una acumulación de mayores cantidades de energía calorífica, sin que las dilataciones térmicas de los componentes del acumulador se energía 100 se vuelvan demasiado problemáticas. Puesto que diferentes materiales experimentan distintas dilataciones térmicas, en principio entre estos componentes pueden aparecer tensiones o daños. Este peligro se minimiza a través del diseño de conformidad con la invención del acumulador de energía. Para ello es importante entre otras cosas el diseño en forma de barra de las varillas de metal 20a y su disposición vertical: la dilatación térmica más fuerte en valores absolutos la experimentan las varillas de metal 20a en la dirección longitudinal. Si las varillas de metal 20a solo se mantienen en sus extremos inferiores y están por lo demás libres, se puede producir una dilatación en la dirección longitudinal, sin que se produzcan tensiones con componentes colindantes. A través de la disposición vertical es posible mantener una varilla de metal 20a solo en su extremo inferior; al contrario de por ejemplo una disposición horizontal no es necesario prever en varios sitios o en ambos extremos de la varilla de metal un apoyo o fijación. En la dirección de sección transversal una dilatación térmica de la varilla de metal 20a no es igualmente problemática, en particular ya que la varilla de metal en esta dirección solo está rodeada de fluido de transferencia de calor. Pero también porque la sección transversal de las varillas de metal 20a es proporcionalmente baja, una dilatación térmica en términos absolutos en el plano de sección transversal es baja.
Por debajo las varillas de metal 23a son mantenidas por el apoyo poroso 23, lo que se describe posteriormente en más detalle. A través del apoyo poroso 23 una transferencia de calor al soporte 25 es más pequeña que si las varillas de metal 23a fueran mantenidas directamente sobre el soporte 25. El soporte 25 puede ser por ejemplo un bloque de hormigón. Variaciones de temperatura del soporte 25 demasiado grandes o irregulares podrían dañarlo. Este peligro se reduce al estar separadas las varillas de metal 23a, y a través del diseño del apoyo poroso 23, lo que se describe posteriormente en más detalle. El lado inferior del soporte 25 puede ser además más pequeño que su lado superior, con lo cual se reduce una corriente de calor en la placa de suelo 26. A causa de esto las dilataciones térmicas de la placa de suelo 26 son menos problemáticas. Sin embargo aún más importante es que a causa de esto un área superior del soporte 25 se puede expandir libremente en la dirección horizontal; (si el soporte 25 estuviera como placa lisa en la placa de suelo 26, él rozaría en el caso de dilataciones térmicas con toda su superficie por la placa de suelo 26, con lo cual las cargas de material serían mayores, en particular también debido al inmenso peso, el cual el soporte 25 tiene que portar a través de las varillas de metal 20a). El soporte 25 puede tener en particular una sección transversal en forma de T, como está representado.
Además es importante una corriente de fluido de transferencia de calor apropiada por dentro del recipiente de presión 30 para intercambiar calor entre las varillas de metal 23a y el fluido de transferencia de calor. Para ello se puede utilizar un cilindro interno 35, el cual está dispuesto por dentro del recipiente de presión 30. Un eje longitudinal del cilindro interno 35 está fundamentalmente en paralelo a un eje longitudinal del recipiente de presión 30 y a los ejes longitudinales de las varillas de metal 20a. Por medio de la entrada de fluido de transferencia de calor 32 se introduce fluido de transferencia de calor en un área superior del cilindro interno 35. Debido a las paredes laterales del cilindro interno 35 el fluido de transferencia de calor solo puede fluir hacia abajo a lo largo de las varillas de metal 20a. A la
altura de los extremos inferiores de las varillas de metal 20a el cilindro interno 35 está abierto hacia fuera, de manera que líquido de transferencia de calor puede fluir aquí radialmente hacia fuera. Ahora el fluido de transferencia de calor fluye por la pared interior del recipiente de presión 30 a lo largo hacia arriba. En el lado superior del recipiente de presión está presente una otra conexión de tubería de fluido de transferencia de calor 33, la cual funciona como salida de fluido de transferencia de calor. La salida de fluido de transferencia de calor 33 está unida fluídicamente con el área entre el cilindro interno 35 y la pared interior del recipiente de presión 30 y no por ejemplo con el espacio interior del cilindro interno 35. A causa de esto el fluido de transferencia de calor que asciende por la pared interior del recipiente de presión 30 sale del recipiente de presión 30 por la salida de fluido de transferencia de calor 33.
Al estar diseñada una carcasa del acumulador de energía como recipiente de presión 30, el fluido de transferencia de calor se puede conducir bajo presión a través del espacio interior del recipiente de presión. Una vía de flujo se define a través del cilindro interno 35. La dirección de la fuerza de gravedad y las variaciones de temperatura del fluido de transferencia de calor durante el recorrido del recipiente de presión no desempeñan en cambio ningún papel relevante para la vía de flujo. El recipiente de presión está por lo tanto diseñado de tal manera que él también permanece estanco al aire en caso de presiones más altas de por ejemplo 10 bar o 20 bar.
Para mantener bajos una transferencia de calor al soporte 25 y los efectos desventajosos de las dilataciones térmicas, el apoyo poroso 23 desempeña un papel relevante. Con “poroso” se entiende aquí que una sección transversal horizontal del apoyo poroso 23 se ocupa en una gran parte, por ejemplo hasta al menos 30 % o al menos 50 %, por espacios huecos llenados de aire. Este puede ser el caso por ejemplo en el caso de un bloque aislante como apoyo poroso 23. El bloque aislante tiene numerosos poros y puede estar hecho de por ejemplo cerámica para mantener baja la transferencia de calor. Las varillas de metal 20a pueden estar sueltas en el bloque aislante o en principio a través de una formación de lado superior apropiada del bloque aislante también ser mantenidas en vertical por este. A través de las paredes laterales del cilindro interno 35 las varillas de metal pueden además ser mantenidas en vertical, de manera que ellas no se voltean. En vez de un bloque aislante también se pueden utilizar una o varias placas perforadas dispuestas una encima de la otra. Más ejemplos de un apoyo poroso 23 se describen posteriormente.
Con referencia a la fig. 2 se describe un ejemplo de realización del acumulador de energía 100 de conformidad con la invención, en donde componentes técnicos y que potencialmente requieren mantenimiento están alojados juntos en un componente de recipiente, a saber una pieza de tapa 31. El recipiente de presión 30 se cierra en su lado superior a través de la pieza de tapa 31. La pieza de tapa 31 puede estar formada de tal manera que ella está colocada en su área exterior desde arriba sobre paredes del recipiente de presión 30 y en su área central sobresale hacia abajo. A causa de esto su centro de gravedad es más bajo que su área de apoyo en las paredes del recipiente de presión 30, con lo cual se posibilita un ensamblaje más estable y sencillo.
En la pieza de tapa 31 están fijadas dos tuberías de fluido de transferencia de calor, las cuales sobresalen hacia abajo en el recipiente de presión 30 y proporcionan por encima del recipiente de presión las dos conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor 32 y 33. La tubería de la entrada de fluido de transferencia de calor 32 desemboca en un área central en el cilindro interno 35, mientras que la tubería de la salida de fluido de transferencia de calor 33 desemboca más afuera por fuera del cilindro interno 35 en el espacio interior del recipiente de presión 30. Un ventilador/una bomba 14 está dispuesto en la tubería de la entrada de fluido de transferencia de calor 32 para introducir fluido de transferencia de calor en el recipiente de presión 30. El ventilador 14 se encuentra en el área ahondada de la pieza de tapa 31.
Igualmente fijado en la pieza de tapa 31 está el calentador eléctrico 10. Las conexiones eléctricas del calentador eléctrico 10 se encuentran en el lado superior de la pieza de tapa 31. El área del calentador eléctrico 10, en la cual se genera o emite energía calorífica (p. ej. un área resistiva para el calentamiento óhmico) se puede encontrar en un lado inferior de la pieza de tapa 31 y a causa de esto por dentro del cilindro interno 35. A causa de esto el calentador eléctrico 10 genera altas temperaturas de fluido de transferencia de calor fundamentalmente solo por dentro del recipiente de presión 30, con lo cual las tuberías de fluido de transferencia de calor por encima de la pieza de tapa 31 están expuestas a cargas térmicas más bajas.
Una realización alternativa se describe con referencia a la fig. 3, la cual representa una disposición de acumulador de energía 110 de conformidad con la invención, la cual incluye varios acumuladores de energía 100 dispuestos los unos junto a los otros. Al estar todas las conexiones de un acumulador de energía 100 formadas en su lado superior, varios acumuladores de energía 100 pueden estar dispuestos los unos junto a los otros aprovechando espacio, en donde no obstante todas las conexiones son fácilmente accesibles. En el caso del ejemplo representado el calentador eléctrico 10 y el ventilador 14 se encuentran por fuera del recipiente de presión 30, a saber en una tubería de fluido de transferencia de calor, la cual conduce a una de las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor 32 del acumulador de energía 100. O bien cada acumulador de energía puede incluir un calentador eléctrico propio, o bien varios acumuladores de energía 100 pueden compartir el mismo calentador eléctrico 10.
Una vista detallada de componentes de un acumulador de energía 100 ejemplar está mostrada en la fig. 4. Están representadas las varillas de metal 20a verticales, las cuales son mantenidas por el apoyo poroso 23 sobre un soporte 25. El apoyo poroso 23 está formado aquí por varios elementos de apoyo 23a separados los unos de los otros. Cada elemento de apoyo 23a porta una varilla de metal 20a, como también está representado de forma aumentada en la
fig. 5. La fig. 6 muestra un recorte de la fig. 5 para ilustrar el apoyo de la varilla de metal 20a en el elemento de apoyo 23a.
Como está mostrado, cada elemento de apoyo 23a puede estar formado por una varilla o un tubo 23a. El tubo 23a tiene una sección transversal más pequeña que la varilla de metal 20a. Esto es útil para la fijación y el aislamiento térmico. A través de una sección transversal más pequeña una transferencia de calor por medio del tubo 23a al soporte es más baja. Puesto que el soporte puede estar formado de una pieza o sin espacios libres, es importante que el soporte se caliente menos intensamente y rápido que las varillas de metal.
La sección transversal más pequeña del tubo 23a puede ser útil cuando la varilla de metal 20a tiene un orificio o agujero de alojamiento 20b en su extremo inferior, en el cual el tubo 23a se adentra (fig. 6). De esta manera la varilla de metal 20a se puede mantener en el tubo 23a, sin que estos se suelden entre sí, se atornillen o se unan con rigidez. Más bien la varilla de metal 20a se asienta en el tubo 23a, con lo cual las diferentes expansiones térmicas no son problemáticas. Para este asentamiento es a su vez ventajosa una disposición vertical de las varillas de metal. Además a través del mantenimiento en el agujero de alojamiento 20b se logra que un perímetro exterior de las varillas de metal 20a pueda estar libre, es decir las superficies laterales de cada varilla de metal 20a limitan solo con fluido de transferencia de calor o en particular no con una unidad de apoyo. A través de esto se evitan posibles problemas debido a diferentes dilataciones térmicas en el perímetro exterior de las varillas de metal 20a.
El agujero de alojamiento 20b puede, como está indicado en la fig. 6, presentar hacia el extremo de la varilla de metal 20a un área de inserción ensanchada o que se ensancha. A través de esta área de inserción la varilla de metal 20a y el tubo 23a se pueden colocar entre sí de forma más sencilla. Por debajo del área de inserción una forma del agujero de alojamiento 20b corresponde a la forma del tubo 23a, en el ejemplo representado pues cilíndrica con una sección transversal redonda o en principio también en ángulo. Un extremo cerrado del agujero de alojamiento 20b, el cual está alejado del extremo inferior de la varilla de metal 20a, puede transcurrir de forma que se estrecha, como está mostrado en la fig. 6. Esta forma es apropiada cuando un extremo superior del tubo 23a también tiene una sección transversal que se vuelve más pequeña hacia el extremo, lo que es útil para la inserción del tubo 23a en el orificio de alojamiento 20b.
Una longitud del tubo 23a puede corresponder a la longitud de la varilla de metal 20a entre 20 % y 50 %, preferiblemente entre 25 % y 45 %. Una longitud grande del tubo 23a es deseable para una distancia grande con respecto al soporte y unido con esto un aislamiento térmico lo más bueno posible con respecto del soporte. Sin embargo la estabilidad mecánica del tubo 23a disminuye con una mayor longitud de tubo, por lo que en el caso de una mayor longitud de tubo se debe seleccionar un mayor tamaño de sección transversal del tubo 23a, con lo cual a su vez la conductividad de calor al soporte aumenta de forma indeseable. Por eso existe un área ideal de la longitud de tubo 23a, la cual depende de la varilla de metal 20a a portar. En el caso de una longitud de tubo menor que el 20 % de la longitud de varilla de metal la distancia con respecto al soporte es tan pequeña que una conductividad de calor se vuelve indeseablemente grande; en el caso de una longitud de tubo mayor que el 50 % de la longitud de varilla de metal la conductividad de calor se vuelve a su vez debido a un mayor diámetro de tubo necesario indeseablemente alta.
En particular en el caso de las contemplaciones de arriba puede estar previsto que un diámetro de la varilla de metal sea de entre 1,5 veces y 2,5 veces el diámetro del tubo.
Una sección transversal de un acumulador de energía 100 de conformidad con la invención está mostrada en la fig. 7. La pared interior del recipiente de presión 30 y el cilindro interno 35 alojado allí dentro pueden, como está representado, tener una sección transversal redonda (anular). Esto puede ser ventajoso para el flujo de fluido de transferencia de calor, el cual transcurre en el área 36 por dentro del cilindro interno 35 hacia abajo y en el área anular 37 por fuera del cilindro interno 35 hacia arriba. Las varillas de metal 20a pueden estar sueltas en el cilindro interno 35 en el apoyo poroso. A través de esto algunas varillas de metal 20a se tocan y se apoyan en el cilindro interno 35. Alternativamente las varillas de metal 20a se pueden mantener en su posición en el apoyo poroso, de manera que ellas no se ladean y están fijas en su posición horizontal, como por ejemplo está descrito en más detalle con respecto a los tubos 23a como apoyo poroso.
Mediante la fig. 8 se describe un posible circuito de fluido de transferencia de calor 34. El calentador eléctrico 10 y el ventilador 14 están dispuestos aquí por fuera del recipiente de presión 30. El fluido de transferencia de calor se introduce a causa del ventilador 14 hasta el calentador eléctrico 10 y por medio de la entrada de fluido de transferencia de calor 32 hasta el recipiente de presión 30. Dependiendo de si el calentador eléctrico 10 está activo, el fluido de transferencia de calor fue calentado y puede ahora emitir energía calorífica a las varillas de metal en el recipiente de presión 30, o el fluido de transferencia de calor no fue calentado y toma energía calorífica de las varillas de metal. Tras salir del recipiente de presión 30 por medio de la salida de fluido de transferencia de calor 33 el fluido de transferencia de calor se conduce a través de un intercambiador de calor 40, donde energía calorífica del fluido de transferencia de calor se puede transferir a un fluido de trabajo en un otro circuito 50.
El recipiente de presión puede opcionalmente además de la entrada de fluido de transferencia de calor 32 y salida de fluido de transferencia de calor 33 incluir una otra entrada de fluido de transferencia de calor 32b y una otra salida de
fluido de transferencia de calor 33b. El fluido de transferencia de calor se puede transportar entonces con un otro ventilador/una otra bomba 14b desde el intercambiador de calor 40 hasta la otra entrada de fluido de transferencia de calor 32b. Desde la otra salida de fluido de transferencia de calor 33b el fluido de transferencia de calor llega a su vez hasta el ventilador 14 y calentador eléctrico 10. En el caso de este diseño también se puede prescindir del cilindro interno 35 en el recipiente de presión 30.
La fig. 9 muestra esquemáticamente una realización, la cual se diferencia de la fig. 8 en el uso de varios acumuladores de energía 100, los cuales representan juntos una disposición de acumulador de energía 110. Un circuito de fluido térmico 34 cerrado está diseñado de tal manera que los varios acumuladores de energía 100 están unidos en paralelo en relación con el fluido de transferencia de calor. Por consiguiente una tubería de alimentación 38 común incluye desviaciones hasta las entradas de fluido de transferencia de calor respectivas de los acumuladores de energía 100 y una derivación 39 común recibe fluido de transferencia de calor, el cual viene de las salidas de fluido de transferencia de calor respectivas de los acumuladores de energía 100.
Un sobrepaso/una tubería de derivación 39a está presente, con lo cual la derivación 39 está unida con el calentador eléctrico 10, sin que el fluido de transferencia de calor recorra el intercambiador de calor 40. Al estar presente adicionalmente al ventilador 14 un ventilador de sobrepaso 14b, a través del accionamiento variable de estos dos ventiladores 14, 14b se puede ajustar en qué proporción fluye fluido de transferencia de calor desde la derivación 19 hasta el intercambiador de calor 40 o a través del sobrepaso 39a.
Mientras que la fig. 9 muestra un calentador eléctrico 10 central para todos los acumuladores de energía 100, en vez de o adicionalmente a este calentador eléctrico 10 central también cada acumulador de energía individual puede incluir un calentador eléctrico respectivo, como está representado en la fig. 2.
La fig. 10 muestra un otro ejemplo de realización de una disposición de acumulador de energía 110 de conformidad con la invención. La disposición de acumulador de energía 110 incluye varios acumuladores de energía 100, los cuales están unidos por medio de un circuito de fluido térmico 34 común, en donde el circuito de fluido térmico 34 transfiere por medio de un intercambiador de calor 40 calor a un fluido de trabajo en un circuito de fluido de trabajo 50. Además están presentes uno o varios otros acumuladores de energía 100b, los cuales por medio de un circuito de fluido térmico 34b propio con un otro intercambiador de calor 40b transfieren energía calorífica al circuito de fluido de trabajo 50. En el circuito de fluido de trabajo 50 se transporta un fluido de trabajo como fluido desde una bomba 51 hasta el intercambiador de calor 40, donde el fluido de trabajo se evapora. Después el fluido de trabajo evaporado se lleva al otro intercambiador de calor 40b, donde él se sobrecalienta. A continuación el fluido de trabajo sobrecalentado llega a una turbina 52, donde él se descomprime y en este caso acciona la turbina 52. Por último el fluido de trabajo descomprimido se condensa en un condensador 53 y llega de nuevo a la bomba 51.
Si la turbina 52 incluye varias etapas de turbina, para cada otra etapa puede haber presente un otro circuito de fluido térmico con respectivamente uno o varios acumuladores de energía. Tras cada recorrido de una etapa de turbina el fluido de trabajo puede a través de esto sobrecalentarse de nuevo por medio de un intercambiador de calor, el cual está unido con un circuito de fluido térmico respectivo.
A través de la construcción de conformidad con la invención de un acumulador de energía se puede lograr de manera rentable y robusta que las expansiones térmicas de los componentes no sean problemáticas. Al mismo tiempo en el acumulador de energía se puede incorporar, acumular y extraer energía de forma eficiente.
Claims (14)
1. Acumulador de energía para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica, que incluye:
- un calentador eléctrico (10) para la transformación de energía eléctrica en energía calorífica y
- cuerpos de acumulador de calor (20) para la acumulación de energía calorífica del calentador eléctrico (10) caracterizado por
- un recipiente de presión (30), en el cual están dispuestos cuerpos de acumulador de calor (20),
- en donde el recipiente de presión (30) incluye conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor (32, 33) para hacer entrar fluido de transferencia de calor, el cual se puede calentar por medio del calentador eléctrico (10), y para hacer salir fluido de transferencia de calor,
- en donde los cuerpos de acumulador de calor (20) incluyen varias varillas de metal (20a), las cuales están dispuestas en vertical y sirven para la acumulación de energía calorífica del calentador eléctrico (10),
- en donde el acumulador de energía incluye además un soporte (25) y un apoyo poroso (23), en donde el apoyo poroso (23) porta las varillas de metal (20a) y está dispuesto sobre el soporte (25).
2. Acumulador de energía según la reivindicación 1,
caracterizado por que,
el soporte (25) tiene un lado superior, en el cual está dispuesto el apoyo poroso (23), y
el soporte (25) tiene un lado inferior, cuya superficie es más pequeña que una superficie del lado superior.
3. Acumulador de energía según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por que,
el apoyo poroso (23) está formado por:
- varios tubos (23a), los cuales portan respectivamente una de las varillas de metal (20a), o
- por una placa perforada, en donde debido a los agujeros una superficie de la placa perforada es más pequeña que la suma de las secciones transversales de todas las varillas de metal, o
- un bloque aislante.
4. Acumulador de energía según una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por que,
en el recipiente de presión (30) está dispuesto un cilindro interno (35), que las varillas de metal (20a) están dispuestas en el cilindro interno (35), que aquella conexión de tubería de fluido de transferencia de calor (32), por medio de la cual se introduce fluido de transferencia de calor, está unida con un área superior del cilindro interno (35) para la introducción del fluido de transferencia de calor en el cilindro interno,
que el cilindro interno (35) está abierto en un área inferior para hacer salir fluido de transferencia de calor, el cual después puede ascender entre el cilindro interno (35) y una pared del recipiente de presión (30),
que aquella conexión de tubería de fluido de transferencia de calor (33), por medio de la cual se emite fluido de transferencia de calor, está dispuesta en un área superior del recipiente de presión (30).
5. Acumulador de energía según la reivindicación 4,
caracterizado por que,
las varillas de metal (20a) están sueltas en el apoyo poroso (23) y se impiden lateralmente contra el volteo por medio del cilindro interno (35).
6. Acumulador de energía según una de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado por que,
el recipiente de presión (30) incluye por arriba una pieza de tapa (31), en donde la pieza de tapa (31) incluye las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor (32, 33) y el calentador eléctrico (10) está fijado en la pieza de tapa (31).
7. Acumulador de energía según la reivindicación 6,
caracterizado por que,
el calentador eléctrico (10) está dispuesto en un lado inferior de la pieza de tapa (31), a través del cual un espacio interior del recipiente de presión (30) está limitado.
8. Acumulador de energía según la reivindicación 6 o 7,
caracterizado por que,
la pieza de tapa (31) incluye además un ventilador (14) o una bomba para el transporte de fluido de transferencia de calor.
9. Acumulador de energía según una de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado por que,
las varillas de metal (20a) están separadas del soporte (25) y
que un coeficiente de conductividad térmica del material del apoyo poroso (23) es más pequeño que un coeficiente de conductividad térmica del material de las varillas de metal (20a).
10. Acumulador de energía según una de las reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado por que,
soportes porosos (23) incluyen varios tubos (23a), los cuales portan respectivamente una de las varillas de metal (20a), y
que los tubos (23a) tienen secciones transversales más pequeñas que las varillas de metal (20a) portadas.
11. Acumulador de energía según la reivindicación 10,
caracterizado por que,
cada varilla de metal (20a) tiene en su extremo inferior un orificio de alojamiento (20b), en el cual se adentra uno de los tubos (23a) para portar la varilla de metal (20a) respectiva, y
que un perímetro exterior de cada varilla de metal (20a) está libre y no limita con los tubos (23a).
12. Acumulador de energía según la reivindicación 10 u 11,
caracterizado por que,
los tubos (23a) están dispuestos de tal manera que una distancia entre varillas de metal (20a) colindantes es más grande que una dilatación térmica, la cual experimentan las varillas de metal (20a) colindantes en la dirección lateral, cuando ellas son calentadas de 20 °C a una temperatura de 100 °C por debajo de su temperatura de fusión, y que esta distancia es más pequeña que el quíntuplo de la dilatación térmica mencionada.
13. Disposición de acumulador de energía con varios acumuladores de energía (100), los cuales están formados respectivamente según una de las reivindicaciones 1 a 12,
caracterizada por que,
los acumuladores de energía (100) presentan respectivamente un aislante térmico en su área superior y su área inferior,
que los acumuladores de energía están dispuestos los unos junto a los otros y
que está presente un aislamiento térmico lateral común, el cual rodea lateralmente los varios acumuladores de energía (100).
14. Procedimiento para la acumulación de energía eléctrica en forma de energía calorífica con un acumulador de energía, que incluye los siguientes pasos:
- transformar energía eléctrica en energía calorífica a través de un calentador eléctrico (10) y calentar un fluido de transferencia de calor,
- hacer entrar fluido de transferencia de calor por medio de conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor (32, 33) en un recipiente de presión (30),
- transferir energía calorífica del fluido de transferencia de calor a cuerpos de acumulador de calor (20), los cuales están dispuestos en el recipiente de presión (30), en donde los cuerpos de acumulador de calor (20) incluyen varias varillas de metal (20a), las cuales están dispuestas en vertical y sirven para la acumulación de energía calorífica, - en donde el acumulador de energía incluye además un soporte (25) y un apoyo poroso (23), en donde el apoyo poroso (23) porta las varillas de metal (20a) y está dispuesto sobre el soporte (25),
- hacer salir fluido de transferencia de calor, el cual es circulado a lo largo de las varillas de metal (20a), por medio de las conexiones de tubería de fluido de transferencia de calor (32, 33) fuera del recipiente de presión (30).
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