RS67405B1 - Postrojenje i postupak za skladištenje toplotne energije u zemlji - Google Patents

Description

[0001] Opis

[0003] OBLAST TEHNIKE

[0005] Pronalazak se odnosi na postrojenje i na postupak za skladištenje toplotne energije.

[0007] STANJE TEHNIKE

[0009] Postoji potreba za skladištenjem energije. Vremenske i sezonske promene izazivaju varijacije i u proizvodnji i u potrošnji toplote i električne energije. Danas postoje neki raspoloživi postupci za skladištenje energije. Na primer, vrela voda može biti uskladištena u jamama, pećinama i bušotinama, a električna energija može biti uskladištena u baterijama ili, kao potencijalna energija, upumpavanjem vode u rezervoare.

[0010] Svi ovi postupci za skladištenje imaju jedan ili više nedostataka, kao što su da imaju nisku efikasnost i visoku cenu, da su nepodesni za duže periode skladištenja, da obezbeđuju previše nisku temperaturu kada energija treba da bude preuzeta i iskorišćena, itd.

[0011] Stoga još uvek postoji potreba za efikasnim skladištenjem toplotne energije, a naročito za dugoročnim skladištenjem između sezona, u cilju da se poboljša snabdevanje energijom u današnjem društvu.

[0012] Dokument EP 3118558 A1 opisuje postrojenje za skladištenje toplotne energije prema uvodnom delu zahteva 1.

[0014] SUŠTINA PRONALASKA

[0016] [0006] Cilj pronalaska je da obezbedi postrojenje za skladištenje toplotne energije, pomoću kog postrojenja toplotna energija može biti uskladištena u skladištu toplote tokom dužih perioda, pri čemu se obezbeđuje preuzimanje energije iz skladišta na relativno visokim temperaturama.

[0017] Ovaj cilj je ostvaren pomoću postrojenja za skladištenje toplotne energije, gde postrojenje sadrži kolo koje sadrži radni fluid, i kolo ima mnoštvo cevi, koje cevi su raspoređene po zapremini zemlje koja formira skladište toplote, i svaka cev je postavljena u kanalu u zemlji radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje, i gde postrojenje sadrži električni grejni element, i električni grejni element je postavljen u kanalu u zemlji da bi zagrevao zemlju radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, i radni fluid je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 120°C na atmosferskom pritisku.

[0018] Pronalazak je zasnovan na saznanju da se pomoću takvog postrojenja električna energija može efikasno pretvoriti u toplotnu energiju pomoću električnog grejnog elementa, koja toplotna energija dalje može biti uskladištena u zemlji tokom dužih perioda na visokim temperaturama na efikasan način. Takvo direktno zagrevanje zemlje je efikasno, na primer, u poređenju sa indirektnim zagrevanjem gde električni grejač zagreva vodu, koja voda se dalje koristi za zagrevanje zemlje.

[0019] Pomoću pronalaska višak električne energije se može direktno pretvoriti u toplotu u skladištu toplote. Mada se, teorijski, zemlja može zagrejati do temperatura do tačke topljenja postojeće stenovite podloge ili sedimenta, samo kao primer, tipični temperaturski interval za skladište toplote može biti 120-600°C.

[0020] Zahvaljujući ovome moguće je uskladištiti toplotu iz visokotemperaturskih izvora toplote i obezbediti toplotnu energiju iz skladišta toplote na visokim temperaturama dovoljnim za proizvodnju daljinskog grejanja, procesnog grejanja i/ili toplote ili pare za generisanje električne energije. U isto vreme, sistem može raditi na atmosferskom pritisku bez stavljanja radnog fluida pod pritisak.

[0021] Nasuprot opštem mišljenju, pronalazači su otkrili da povećanje temperature u skladištu toplote neće nužno povećati gubitke povezane sa kretanjem podzemnih voda, pošto će se male pukotine i poroznosti zatvoriti kada se stenska masa bude širila čineći stenovitu podlogu gušćom. Dalje, ključanje postojećih podzemnih voda će rezultovati pritiskom pare koja će potiskivati okolne podzemne vode iz centralne vrele zone skladišta u okolnu hladniju zonu. Na ovaj način sprečeno je da podzemne vode dalje dopru do skladišta toplote, što stvara suvo okruženje u skladištu toplote i dovodi do smanjenja konvektivnih gubitaka toplote.

[0022] Pošto električni grejni element ima svoj sopstveni kanal i svaka cev je postavljena u posebnom kanalu, svaka cev je postavljena na rastojanju od električnog grejnog elementa. Ovo dalje omogućava zagrevanje stenske mase oko električnog grejnog elementa do temperatura iznad maksimalne dozvoljene temperature radnog fluida u cevi. Ovo dozvoljava više prosečne temperature skladištenja i stoga veću gustinu energije u skladištu toplote. Energija se može uskladištiti korišćenjem veće snage električnog grejnog elementa zbog temperaturskog gradijenta u stenovitoj podlozi između električnog grejnog elementa i cevi.

[0023] Korišćenje cevi i električnog grejnog elementa koji su odvojeni jedan od drugog takođe će omogućiti da se uskladišti toplota iz niskotemperaturskih izvora energije pomoću cevi i od električne energije pomoću električnog grejnog elementa. Skladištenje toplote iz niskotemperaturskih izvora energije može se vršiti sve dok se temperatura stenovite podloge ne približi temperaturi niskotemperaturskog izvora temperature. Električni grejni element može obezbediti toplotu istovremeno i/ili se može koristiti pošto skladište toplote dostigne temperaturu niskotemperaturskog izvora energije da bi se temperatura dalje povećala. Dodatno tome, toplota od električnog grejnog elementa može se uskladištiti u skladištu toplote dok se toplota iz skladišta toplote preuzima putem cirkulacije radnog fluida u cevi.

[0024] Prema jednom primeru izvođenja postrojenja, kolo sadrži potkolo koje ima grupu cevi od mnoštva cevi, koje cevi su redno fluidički povezane i postavljene su na različitim rastojanjima od električnog grejnog elementa. Zahvaljujući ovome cevi se mogu postaviti u različitim temperaturskim zonama i kada toplota iz skladišta toplote treba da se preuzme pomoću kola, onda radni fluid može cirkulisati u potkolu tako da se razmena toplote između radnog fluida i zemlje odvija na različitim temperaturama, gde radni fluid prvo ulazi u cev smeštenu u zoni sa relativno niskom temperaturom i posle toga ulazi u cevi u zonama sa višim temperaturama, i konačno ulazi u cev smeštenu u zoni sa najvišom temperaturom.

[0025] Prema sledećem primeru izvođenja, postrojenje sadrži izmenjivač toplote i potkolo je fluidički povezano sa izmenjivačem toplote radi snabdevanja energijom iz skladišta toplote. Na ovaj način se toplota radnog fluida može preneti na drugi nosač energije na racionalan način.

[0026] [0015] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, kolo sadrži mnoštvo pomenutih potkola, koja potkola su povezana paralelno sa izmenjivačem toplote. Na ovaj način može se povećati snaga prenete toplote. Jedno ili više takvih potkola mogu se koristiti u isto vreme u zavisnosti od aktuelnih temperatura skladišta toplote i potrebne snage prenete toplote.

[0027] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, grupa cevi od mnoštva cevi je postavljena duž zamišljenog kruga, gde je svaka cev postavljena u suštini na istom rastojanju od centralne tačke, kada se zemlja posmatra odozgo. Na ovaj način ove cevi mogu biti smeštene na različitim položajima u skladištu toplote, ali u zoni gde zemlja ima u suštini istu temperaturu. Centralna tačka može biti centralna tačka skladišta toplote ili lokalna centralna tačka za deo skladište toplote, gde se toplota prenosi u zemlju radi skladištenja toplotne energije.

[0028] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, električni grejni element je postavljen unutar zamišljenog kruga, a prvenstveno u centralnoj tački. Na ovaj način zemlja se može zagrejati i provođenjem toplote radijalno od električnog grejnog elementa, a grupa cevi koja je postavljena duž zamišljenog kruga će biti smeštena u istoj temperaturskoj zoni.

[0029] Prema sledećem primeru izvođenja, postrojenje sadrži mnoštvo pomenutih grupa cevi, koje grupe cevi su postavljene duž različitih zamišljenih krugova, zamišljeni krugovi su raspoređeni koncentrično tako da imaju zajedničku centralnu tačku. Na ovaj način različite grupe cevi mogu biti smeštene u različitim temperaturskim zonama.

[0030] Prema sledećem primeru izvođenja, postrojenje sadrži mnoštvo pomenutih električnih grejnih elemenata, koji električni grejni elementi su raspoređeni po zapremini zemlje koja formira skladište toplote. Na ovaj način toplota se može uskladištiti ravnomernije unutar skladišta toplote i za nekoliko temperatura se može realizovati mnoštvo temperaturskih zona koje imaju u suštini istu temperaturu.

[0031] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, radni fluid ima opseg radne temperature od najniže dozvoljene temperature do najviše dozvoljene temperature, za koji opseg radne temperature radni fluid je tečnost na atmosferskom pritisku. Na ovaj način se može ostvariti nekomplikovani sistem kome nije potreban sistem za stavljanje pod pritisak.

[0032] [0021] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, radni fluid je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C, na atmosferskom pritisku. Zahvaljujući korišćenju radnog fluida koji ima relativno visoku tačku ključanja sistem može raditi sa tečnošću na visokim temperaturama. Ovo dalje omogućava i skladištenje toplote iz visokotemperaturskih izvora toplote i obezbeđivanje toplotne energije iz skladišta toplote na visokim temperaturama dovoljnim za proizvodnju daljinskog grejanja, procesnog grejanja i/ili toplote ili pare za generisanje električne energije. U isto vreme, sistem može raditi na atmosferskom pritisku, bez ma kakvog stavljanja radnog fluida pod pritisak.

[0033] Prema sledećem primeru izvođenja postrojenja, radni fluid je ulje ili jedinjenje ili element u tečnom stanju, kao što je rastopljena so. Na ovaj način, u kolu postrojenja mogu se koristiti podesni radni fluidi sa relativno visokom tačkom ključanja (u poređenju sa vodom) koji imaju povoljna svojstva prenosa toplote.

[0034] Pronalazak se takođe odnosi na postupak za skladištenje toplotne energije, koji sadrži korake zagrevanja zapremine zemlje koja formira skladište toplote, pomoću električnog grejnog elementa, električni grejni element je postavljen u kanalu u zemlji da bi zagrevao zemlju radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, i prenos toplote iz skladišta toplote na nosač energije radi snabdevanja energijom, pomoću kola koje sadrži radni fluid, uz korišćenje radnog fluida koji je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 120°C na atmosferskom pritisku, kolo ima mnoštvo cevi, koje cevi su raspoređene po pomenutoj zapremini zemlje, svaka cev je postavljena u kanalu u zemlji radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje.

[0035] Pronalazak je zasnovan na saznanju da se pomoću takvog postupka električna energija može efikasno pretvarati u toplotnu energiju pomoću električnog grejnog elementa, koja toplotna energija se dalje može uskladištiti u zemlji tokom dužih perioda na visokim temperaturama na efikasan način. Takvo direktno zagrevanje zemlje je efikasno, na primer, u poređenju sa indirektnim zagrevanjem, gde električni grejač zagreva vodu, koja voda se dalje koristi za zagrevanje zemlje. Pomoću pronalaska višak električne energije može se direktno pretvoriti u toplotu u skladištu toplote. Mada se, teorijski, zemlja može zagrejati do temperatura do tačke topljenja postojeće stenovite podloge ili sedimenta, samo kao primer, tipični temperaturski interval za skladište toplote može biti 120-600°C.

[0036] Na ovaj način je moguće i skladištenje toplote iz visokotemperaturskih izvora toplote i obezbeđivanje toplotne energije iz skladišta toplote na visokim temperaturama dovoljnim za proizvodnju daljinskog grejanja, procesnog grejanja i/ili toplote ili pare za generisanje električne energije. U isto vreme, sistem može raditi na atmosferskom pritisku, bez ma kakvog stavljanja radnog fluida pod pritisak.

[0037] [0026] Prema jednom primeru izvođenja postupka, postupak sadrži korak korišćenja radnog fluida koji ima opseg radne temperature od najniže dozvoljene temperature do najviše dozvoljene temperature, za koji opseg radne temperature radni fluid je tečnost na atmosferskom pritisku. Na ovaj način može se ostvariti nekomplikovani sistem kome nije potreban sistem za stavljanje pod pritisak.

[0038] Prema sledećem primeru izvođenja, postupak sadrži korak korišćenja radnog fluida koji je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C, na atmosferskom pritisku. Zahvaljujući korišćenju radnog fluida koji ima relativno visoku tačku ključanja, sistem može raditi sa tečnošću na visokim temperaturama. Ovo dalje omogućava i skladištenje toplote iz visokotemperaturskih izvora toplote i obezbeđivanje toplotne energije iz skladišta toplote na visokim temperaturama dovoljnim za proizvodnju daljinskog grejanja, procesnog grejanja i/ili toplote ili pare za generisanje električne energije. U isto vreme, sistem može raditi na atmosferskom pritisku, bez ma kakvog stavljanja radnog fluida pod pritisak.

[0039] Prema sledećem primeru izvođenja, postupak sadrži korak prenosa toplote iz spoljašnjeg izvora energije na radni fluid u kolu, radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, gde se temperatura radnog fluida povećava iznad 120°C, podesno iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C pomoću spoljašnjeg izvora energije. Na ovaj način se toplotna energija, pored toplote proizvedene pomoću električnog grejnog elementa, može uskladištiti u skladištu toplote na visokim temperaturama putem razmene toplote između radnog fluida i zemlje. Toplota iz spoljašnjeg visokotemperaturskog izvora toplote može se koristiti za povećanje temperature radnog fluida, kao što je, na primer, toplota iz solarnog termalnog postrojenja.

[0040] Druge prednosti i podesne karakteristike pronalaska opisane su u sledećem opisu i u patentnim zahtevima.

[0042] KRATKI OPIS SLIKA NACRTA

[0044] Sa pozivom na priložene slike nacrta, u nastavku sledi detaljniji opis primera izvođenja pronalaska koji su navedeni kao primeri.

[0045] Na slikama nacrta:

[0047] slika 1 je šematski izgled koji prikazuje postrojenje za skladištenje toplotne energije,

[0048] slika 2A prikazuje izgled preseka duž A-A na slici 1, koji ilustruje kanal u kome je smeštena cev u obliku izmenjivača toplote u vidu U-cevi koja se koristi u postrojenju,

[0050] slika 2B prikazuje varijantu cevi sa slike 2A koja je izvedena kao koaksijalni cevni izmenjivač toplote,

[0052] slika 2C prikazuje presek duž B-B na slici 1, koji ilustruje kanal u kome je smešten električni grejni element i okolna zemlja,

[0054] slika 3 je izgled preseka duž C-C na slici 1, koji ilustruje električni grejni element koji je postavljen u kanalu u centru skladišta toplote, čije tri cevi su redno fluidički povezane jedna sa drugom, gde je svaka cev postavljena u odgovarajućem kanalu, i sledeći kanal,

[0056] slike 4A, 4B i 4C su šematski izgledi odozgo koji prikazuju različite varijante konfiguracija cevi i električnog grejnog elementa u postrojenju,

[0058] slike 5A, 5B i 5C prikazuju neke ilustrativne primere izvođenja postrojenja sa različitom konfiguracijom kola, i

[0060] slika 6 je šematski algoritam za ilustraciju ilustrativnog primera izvođenja postupka.

[0062] DETALJNI OPIS ILUSTRATIVNIH PRIMERA IZVOĐENJA

[0064] Slika 1 je šematski izgled koji prikazuje postrojenje 1 za skladištenje toplotne energije. Postrojenje 1 je prikazano u izgledu odozgo, posmatrano ka zemlji odozgo. Postrojenje 1 je takozvano podzemno skladište toplotne energije. Postrojenje 1 sadrži kolo 2 koje sadrži radni fluid. Radni fluid cirkuliše u kolu 2. Kolo 2 je bar delimično postavljeno u zemlji, a prvenstveno većinski ili je u suštini celo kolo 2 postavljeno ispod zemlje, mada je na slici 1 prikazano kolo 2 za svrhe ilustracije. Skladište toplote koristi zemljište, sediment i/ili stenovitu podlogu koja se prirodno nalazi u zemlji ispod površine zemlje, za skladištenje toplote.

[0065] Kolo 2 ima mnoštvo cevi 3, 3a, 3b, 3c, koje cevi 3 su raspoređene po zapremini zemlje, tako da formiraju skladište toplote. Takva cev 3 je označena kružićem sa tačkom unutar kruga. Svaka cev 3 je postavljena u kanalu 4 u zemlji radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje. Takva cev 3 koja je postavljena u takav kanal 4 formira kolektorski bunar za radni fluid. Svaki kanal 4 može biti bušotina, a prvenstveno vertikalna bušotina u zemlji za prihvat vertikalno postavljene cevi 3.

[0066] Zapremina zemlje koja formira skladište toplote definisana je površinom po kojoj su cevi raspoređene i dužinom ovih cevi 3, tj. dubinom kanala 4 u kojima su postavljene cevi 3.

[0067] Dalje, postrojenje 1 sadrži električni grejni element 5. Električni grejni element 5 je označen kružićem i krstićem na slici 1. Električni grejni element 5 je postavljen u kanalu 4’ u zemlji da bi zagrevao zemlju, čime se toplotna energija skladišti u skladištu toplote. Električni grejni element 5 ima svoj sopstveni kanal 4’ u zemlji. Drugim rečima; grejni element 5 je podesno postavljen odvojeno od cevi 3 u posebnom kanalu. Takav električni grejni element 5 koji je postavljen u takvom kanalu 4’ formira električno zagrevani bunar. Na sličan način kao što je navedeno u vezi cevi 3, kanal 4’ za električni grejni element 5 je podesno bušotina, a prvenstveno vertikalna bušotina, u zemlji, za prihvat električnog grejnog elementa 5. Rastojanje između električnog grejnog elementa i najbližih cevi može biti izabrano na osnovu snage električnog grejnog elementa, temperaturskog gradijenta u stenovitoj podlozi, dozvoljene temperature radnog fluida itd. Na primer, rastojanje može biti u opsegu od 1-10 metara, i obično od 2-5 metara.

[0068] Električni grejni element 5 može biti otporni grejač koji pretvara električnu energiju u toplotu. Električni grejni element 5 je podesno postavljen u centralnom položaju skladišta toplote. Snabdevanje energijom 6 električnog grejnog elementa 5 šematski je prikazano na slici 1.

[0069] Radni fluid u kolu 2 podesno ima opseg radne temperature od najniže dozvoljene temperature do najviše dozvoljene temperature, u kom opsegu radne temperature je radni fluid tečnost na atmosferskom pritisku. Pod atmosferskim pritiskom se podrazumeva standardni pritisak na površini mora, jedna standardna atmosfera, koja je jednaka 760 mmHg.

[0070] [0038] Radni fluid je tečnost koja ima tačku ključanja iznad najmanje 120°C, podesno iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C, na atmosferskom pritisku. Za mnoge primene, tačka ključanja radnog fluida može biti čak viša, iznad 300°C. Prvenstveno je temperatura ključanja radnog fluida unutar intervala 200-600°C, i obično

[0071] 300-600°C. Iz ovog razloga radni fluid može biti ulje ili jedinjenje ili element u tečnom stanju, kao što je rastopljena so. Neki primeri korisnih radnih fluida su biljna ulja, kao što je rafinisano repičino ulje, parafinska ulja, kao što su Duratherm HTO i Duratherm HF, silikonska ulja, kao što je Duratherm S, i rastopljene soli, a naročito tercijarne smeše soli, kao što je Solar Power Molten Salt.

[0072] Mnoge od gore navedenih tečnosti su takođe podesne zbog činjenice da one mogu raditi na relativno niskim temperaturama, gde je najniža dozvoljena temperatura (temperatura tečenja) obično unutar intervala od minus 50°C do minus 5°C. Ovo je povoljno zbog smanjenog rizika od začepljenja i zamrzavanja kada je sistem hladan. Pumpanje tečnosti može se vršiti na niskim temperaturama, pošto će tečnost zadržati relativno nisku viskoznost na niskim temperaturama.

[0073] Mogu se koristiti različiti tipovi cevi 3. Neki primeri su detaljnije prikazani na slikama 2A i 2B, gde su prikazani izgledi preseka kanala u kome je postavljena cev i okolna zemlja.

[0074] Slika 2A je izgled preseka duž A-A na slici 1, koja prikazuje takvu cev 3 u obliku izmenjivača toplote u vidu U-cevi. Kanal 4 je vertikalna bušotina u zemlji 7. U-cev je deo kola 2, tako da radni fluid može cirkulisati dok struji naniže u prvom delu 8 cevi i naviše u drugom delu cevi 9 U-cevi. U isto vreme može se razmenjivati toplota između radnog fluida i okolne zemlje 7. Cev 3 može biti napravljena, na primer, od čelika.

[0075] Slika 2B prikazuje varijantu takve cevi 3’ u obliku koaksijalnog cevnog izmenjivača toplote. Kanal 4 je vertikalna bušotina u zemlji. Koaksijalna cevna konfiguracija ima unutrašnji deo 10 cevi i spoljašnji deo 11 cevi. Koaksijalna cevna konfiguracija je deo kola 2 tako da radni fluid može cirkulisati dok struji naniže u spoljašnjem delu 11 cevi i naviše u unutrašnjem delu 10 cevi. U isto vreme može se razmenjivati toplota između radnog fluida i okolne zemlje 7. Cev 3’ može biti napravljena, na primer, od čelika. Smer strujanja može se preokrenuti tako da fluid struji naniže u unutrašnjem delu cevi i naviše u spoljašnjem delu cevi, ako toplota treba da se prenese sa radnog fluida u skladište toplote.

[0076] [0043] Drugim rečima; radni fluid može strujati u kolu 2 iz položaja 12 u blizini površine zemlje do dna 13 kanala 4 i nazad do položaja 12’ u blizini površine zemlje. Naravno, postrojenje 1 može biti projektovano tako da se smer strujanja radnog fluida može preokrenuti za bilo koju konfiguraciju cevi. Kanali i cevi mogu imati dužinu, na primer, u intervalu od 10-200 metara, i obično od 25-150 metara.

[0077] Generalno postoje dve glavne opcije za kreiranje željenog kola 2 za korišćenu konfiguraciju cevi. Prema prvoj opciji, samo su cevi koje su uključene u prethodno određeno potkolo gde treba da cirkuliše radni fluid fluidički povezane jedna sa drugom, kao što je redno ili paralelno jedna drugoj. Prema drugoj opciji, više cevi ili sve cevi postrojenja su fluidički povezane jedna sa drugom, a pomoću ventila i upravljačke opreme može se otvarati ili zatvarati strujanje između cevi. Stoga cevi koje treba da budu uključene u izvesno potkolo mogu da se izaberu putem upravljanja ventilima tako da radni fluid cirkuliše kroz ove izabrane cevi, koje cevi mogu biti povezane redno ili paralelno jedna drugoj. Obe ove opcije, naravno, mogu biti kombinovane i korišćene u istom skladištu toplote. Kolo 2 sa cevima može sadržati dva ili više potkola.

[0078] Slika 2C je izgled preseka duž B-B na slici 1, koji prikazuje kanal 4’ u kome je postavljen električni grejni element 5 i okolna zemlja 7. Kanal 4’ je vertikalna bušotina u zemlji. Električni grejni element 5 je postavljen u kanalu 4’ da bi emitovao toplotu u okolnu zemlju 7.

[0079] Postrojenje 1 može sadržati mnoštvo pomenutih električnih grejnih elemenata 5, koji električni grejni elementi 5 su raspoređeni po zapremini zemlje koja formira skladište toplote. Više električnih grejnih elemenata je podesno prilagođeno veličini skladišta toplote i broju i veličini cevi postavljenih u kanalima u skladištu toplote. Broj i snaga električnih grejnih elemenata su takođe podesno prilagođeni korišćenom radnom fluidu i postojećoj stenovitoj podlozi ili sedimentu zemlje.

[0080] Na primer, električni grejni elementi 5 mogu biti raspoređeni unutar unutrašnje zone u centru skladišta toplote, gde su cevi 3 postavljene izvan električnih grejnih elemenata ili je svaki električni grejni element postavljen u lokalnoj centralnoj tački ili zoni skladišta toplote, gde su cevi postavljene sa spoljašnje strane odgovarajućeg električnog grejnog elementa.

[0081] Kao što je takođe naznačeno na slikama 2A, 2B i 2C, senzori 14 mogu biti postavljeni u skladištu toplote radi merenja bilo koje relevantne fizičke veličine, kao što je temperatura skladišta toplote.

[0082] Na primer, temperaturski senzor se može koristiti za merenje temperature zemlje, cevi ili radnog fluida.

[0083] Slika 3 je izgled preseka duž C-C na slici 1. Ovaj izgled prikazuje električni grejni element 5 koji je postavljen u kanalu 4’ u centru skladišta toplote. Dalje, kao primer, prikazane su tri cevi 3a, 3b, 3c koje su redno fluidički povezane jedna sa drugom. Svaka cev je postavljena u kanalu 4. Radni fluid cirkuliše u kolu 2 do cevi 3a, 3b, 3c i nazad radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje 7 kada radni fluid struji u vertikalnim cevima 3a, 3b, 3c. Kao što je prikazano, električni grejni element 5 i cevi 3 su postavljeni u stenovitu podlogu ili sediment ispod zemlje. Kanali 4 za prihvat cevi su podesno formirani bušenjem, ali se mogu napraviti pomoću bilo koje druge opreme koja omogućava da se cev postavi u zemlju.

[0084] Cevi 3a, 3b, 3c su postavljene u stenovitu podlogu ili sediment. U slučaju da kanali 4 nisu u potpunosti ispunjeni cevima 3a, 3b, 3c, može se koristiti visoko provodni materijal 15 za popunu za punjenje kanala 4 i ostvarivanje svojstava provođenja toplote koja su neophodna. Visoko provodni materijal 15 može biti, na primer, kvarcni pesak ili magnetitni pesak. Međutim, u gornjem delu svakog kanala 4 podesno je da se koristi nisko provodni materijal 16 radi smanjenja gubitaka na zemlji najbližoj površini zemlje. Nisko provodni materijal može biti, na primer, ekstrudirana glina ili penasto staklo. Neposredno iznad cevi 3a, 3b, 3c i stenovite podloge nalazi se sloj 17 izolacionog materijala, kao što je penasto staklo ili ekspandovana glina. Delovi kola 2 koji povezuju različite cevi 3 jednu sa drugom, podesno su postavljeni u ovom izolacionom sloju 17. Na gornjoj strani izolacionog sloja 17 može biti postavljen materijal 18 za popunu, kao što je zemlja ili šljunak.

[0085] Dodatno tome, sledeći kanal 4" u obliku vertikalne bušotine prikazan je na slici 3. Postrojenje može sadržati takve naredne bušotine 4" radi sprečavanja ili bar suprotstavljanja tome da podzemne vode dopru do skladišta toplote. Naredne bušotine za suprotstavljanje doticanju podzemnih voda mogu se koristiti za ubrizgavanje zaptivnog sredstva u stenovitu podlogu, kao što su cement ili koloidna silika i/ili se ma kakve podzemne vode koje dopru do ovih bušotina mogu ispumpati, na primer, pomoću potapajuće pumpe ili bunarske pumpe. Sledeća opcija je da se ma kakve podzemne vode koje dopru do ovih bušotina 4" zamrznu. Postrojenje 1 može sadržati mnoštvo takvih bušotina 4" u zemlji koje su postavljene duž granica skladišta toplote radi suprotstavljanja da podzemne vode dopru do skladišta toplote. Vidi takođe sliku 1, gde je mnoštvo takvih narednih bušotina 4" smešteno duž krajnjih spoljašnjih kružnih granica 19 skladišta toplote označeno kružićima.

[0086] Slike 4A, 4B i 4C su šematski izgledi odozgo koji prikazuju različite varijante konfiguracija cevi i električnih grejnih elemenata. U ilustrativnim primerima izvođenja prikazanim na slikama 4A i 4B jedan električni grejni element 5 je postavljen u centru skladišta toplote. Broj cevi 3 postavljenih sa spoljašnje strane električnog grejnog elementa 5 na različitim rastojanjima od centra skladišta toplote je veći na slici 4A nego na slici 4B. U ilustrativnom primeru izvođenja prikazanom na slici 4C postoje četiri električna grejna elementa 5. Jedan električni grejni element je postavljen u centru skladišta toplote, dok su ostala tri električna grejna elementa raspoređena u skladištu toplote. Ovi električni grejni elementi 5 formiraju lokalne centralne tačke i cevi 3 su postavljene sa spoljašnje strane svakog električnog grejnog elementa 5.

[0087] Kao što je prikazano na slici 1, kolo 2 može sadržati potkolo 20 koje ima grupu 21 cevi od mnoštva cevi. Više cevi 3 iz svake grupe 21 cevi može biti u intervalu 2-20, obično 5-15. U ovom ilustrativnom primeru izvođenja, tri cevi 3a, 3b, 3c su redno fluidički povezane i postavljene su na različitim rastojanjima od električnog grejnog elementa 5. Radni fluid može cirkulisati u smeru od cevi 3a koja je najudaljenija od električnog grejnog elementa 5 do cevi 3c koja je najbliža električnom grejnom elementu 5 kada toplota treba da se prenese iz skladišta toplote na radni fluid, i dalje na nosač energije za obezbeđivanje snabdevanja energijom.

[0088] Postrojenje 1 prvenstveno sadrži izmenjivač 22 toplote za prenos toplote između radnog fluida u kolu 2 i nosača energije. Potkolo 20 je fluidički povezano sa izmenjivačem 22 toplote radi snabdevanja energijom iz skladišta toplote. Dalje, postrojenje 1 podesno sadrži dodatnu opremu, kao što je pumpa 50, za cirkulaciju radnog fluida u kolu 2. U ilustrativnom primeru izvođenja prikazanom na slici 1, kolo 2 sadrži dva pomenuta potkola, koja potkola 20, 20’ su povezana paralelno sa izmenjivačem 22 toplote. Na primer, broj potkola može biti u intervalu od 2-30, podesno od 5-20. Izmenjivač 22 toplote dalje može biti prilagođen za prenos toplote sa radnog fluida na nosač energije radi snabdevanja energijom, kao što je proizvodnja daljinskog grejanja, procesnog grejanja i/ili toplote ili pare za generisanje električne energije.

[0089] [0056] Postrojenje 1 može sadržati grupu 23 cevi 3 od mnoštva cevi postavljenih duž zamišljenog kruga 24, gde je svaka cev 3 postavljena u suštini na istom rastojanju od centralne tačke, kada se zemlja posmatra odozgo. Zahvaljujući postavljanju električnog grejnog elementa 5 unutar zamišljenog kruga 24, a prvenstveno u centralnoj tački, temperatura u skladištu toplote može biti u suštini ista za cevi 3 duž zamišljenog kruga 24.

[0090] Postrojenje 1 može sadržati mnoštvo pomenutih grupa cevi, koje grupe 23, 23’ cevi 3 su postavljene duž različitih zamišljenih krugova 24, 24’. Zamišljeni krugovi 24, 24’ su postavljeni koncentrično tako da imaju zajedničku centralnu tačku. U ilustrativnom primeru izvođenja prikazanom na slici 1 postoje tri takva zamišljena kruga 24, 24’, 24" sa tri grupe 23, 23’, 23" cevi 3. Na ovaj način skladište toplote može biti podeljeno na različite temperaturske zone. Prva unutrašnja zona 25 unutar prvog zamišljenog kruga 24, srednja zona 26 između prvog zamišljenog kruga 24 i drugog zamišljenog kruga 24’, i spoljašnja zona 27 između drugog zamišljenog kruga 24’ i trećeg zamišljenog kruga 24", gde je temperatura najviša u prvoj zoni najbližoj električnom grejnom elementu 5 i najniža je u spoljašnjoj zoni na najvećem rastojanju od električnog grejnog elementa 5.

[0091] Slike 5A, 5B i 5C prikazuju neke ilustrativne primere izvođenja postrojenja sa različitim konfiguracijama kola.

[0092] Na slici 5A, tri potkola 20, od kojih svako ima tri cevi 3 koje su redno fluidički povezane jedna sa drugom, fluidički su povezana paralelno jedno sa drugim u kolo 2. Cevi 3 u okviru jednog istog potkola su smeštene u različitim temperaturskim zonama skladišta toplote. Na primer, radni fluid struji u dovodnoj cevi 28 do potkola 20 i dalje u svakom potkolu do povratne cevi 29. Potkola 20 mogu biti povezana sa izmenjivačem toplote preko dovodne cevi 28 i povratne cevi 29.

[0093] Slika 5B prikazuje tri potkola 20, od kojih svako ima tri cevi 3 koje su redno fluidički povezane jedna sa drugom, gde svako potkolo ima dovodnu cev 28 i povratnu cev 29. Na primer, ova potkola 20 mogu biti povezana paralelno sa izmenjivačem toplote ili sa posebnim izmenjivačima toplote.

[0094] Alternativna varijanta je prikazana na slici 5C. U potkolu 20 tri cevi 3 su fluidički povezane paralelno jedna sa drugom. Radni fluid struji u dovodnom vodu 28 i dalje preko svake cevi 3 do povratne cevi 29. U ovom ilustrativnom primeru izvođenja cevi 3 potkola 20 su postavljene u istoj temperaturskoj zoni. Kao što je prethodno opisano, dovodna cev 28 i povratna cev 29 mogu biti povezane sa izmenjivačem toplote.

[0095] [0062] Slika 6 je šematski algoritam ilustrativnog primera izvođenja postupka. Što se tiče postrojenja 1 i njegovih komponenata, vidi takođe slike koje su ovde prethodno pomenute. Postupak za skladištenje toplotne energije sadrži korak 100 zagrevanja zapremine zemlje, koja formira skladište toplote, pomoću električnog grejnog elementa 5. Kao što je ovde prethodno opisano, električni grejni element 5 je postavljen u kanalu 4’ u zemlji 7 da bi zagrevao zemlju radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote.

[0096] Postupak dalje sadrži korak 200 prenosa toplote iz skladišta toplote na nosač energije radi snabdevanja energijom 300, pomoću kola 2 koje sadrži radni fluid. Kao što je ovde prethodno opisano, kolo 2 ima mnoštvo cevi 3, koje cevi su raspoređene po pomenutoj zapremini zemlje, gde je svaka cev 3 postavljena u kanalu 4 u zemlji 7 radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje.

[0097] Prema jednom ilustrativnom primeru izvođenja, pre prenosa toplote iz skladišta toplote na nosač energije, pored zagrevanja pomoću električnog grejnog elementa 5, postupak sadrži korak 400 prenosa toplote iz spoljašnjeg izvora energije na radni fluid kola 2, radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, gde se temperatura radnog fluida povećava iznad 120°C, podesno iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C pomoću spoljašnjeg izvora toplote. Na primer, toplota se može preneti sa nosača energije na radni fluid pomoću izmenjivača toplote. Takav izmenjivač toplote, koji se koristi za prenos toplote sa spoljašnjeg izvora toplote u skladište toplote, može biti isti kao izmenjivač 22 toplote, koji se koristi za prenos toplote iz skladišta toplote radi snabdevanja energijom, gde se smer strujanja radnog fluida u kolu preokrenuo.

[0098] Podrazumeva se da predmetni pronalazak nije ograničen na gore opisane primere izvođenja i prikazane na slikama nacrta; umesto toga, stručnjak iz odgovarajuće oblasti će shvatiti da mogu da budu napravljene mnoge izmene i modifikacije tako da budu unutar okvira priloženih patentnih zahteva.

Claims (15)

1. Patentni zahtevi

1. Postrojenje (1) za skladištenje toplotne energije, postrojenje sadrži kolo (2) koje sadrži radni fluid, kolo koje ima mnoštvo cevi (3), koje cevi su raspoređene po zapremini zemlje koja formira skladište toplote, svaka cev (3) je postavljena u kanalu (4) u zemlji radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje, naznačeno time, što postrojenje (1) sadrži električni grejni element (5), električni grejni element je postavljen u kanalu

u zemlji da bi zagrevao zemlju radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, i radni fluid je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 120°C na atmosferskom pritisku.

2. Postrojenje prema zahtevu 1, naznačeno time, što kolo (2) sadrži potkolo (20) koje ima grupu (21) cevi (3a, 3b, 3c) od mnoštva cevi, koje cevi su redno fluidički povezane i postavljene su na različitim rastojanjima od električnog grejnog elementa (5).

3. Postrojenje prema zahtevu 2, naznačeno time, što postrojenje sadrži izmenjivač (22) toplote i potkolo (20) je fluidički povezano sa izmenjivačem toplote radi snabdevanja energijom iz skladišta toplote.

4. Postrojenje prema zahtevu 3, naznačeno time, što kolo sadrži mnoštvo pomenutih potkola, koja potkola (20, 20’) su povezana paralelno sa izmenjivačem (22) toplote.

5. Postrojenje prema bilo kom prethodnom zahtevu, naznačeno time, što je grupa (23) cevi (3) od mnoštva cevi postavljena duž zamišljenog kruga (24), gde je svaka cev postavljena u suštini na istom rastojanju od centralne tačke, kada se zemlja posmatra odozgo.

6. Postrojenje prema zahtevu 5, naznačeno time, što je električni grejni element (5) postavljen unutar zamišljenog kruga (24), a prvenstveno u centralnoj tački.

7. Postrojenje prema zahtevu 5 ili 6, naznačeno time, što postrojenje sadrži mnoštvo pomenutih grupa cevi, koje grupe (23, 23’, 23") cevi (3) su postavljene duž različitih zamišljenih krugova (24, 24’, 24"), zamišljeni krugovi su raspoređeni koncentrično tako što imaju zajedničku centralnu tačku.

8. Postrojenje prema bilo kom prethodnom zahtevu, naznačeno time, što postrojenje sadrži mnoštvo pomenutih električnih grejnih elemenata (5), koji električni grejni elementi su raspoređeni po zapremini zemlje koja formira skladište toplote.

9. Postrojenje prema bilo kom prethodnom zahtevu, naznačeno time, što radni fluid ima opseg radne temperature od najniže dozvoljene temperature do najviše dozvoljene temperature, za koji opseg radne temperature radni fluid je tečnost na atmosferskom pritisku.

10. Postrojenje prema bilo kom prethodnom zahtevu, naznačeno time, što je radni fluid tečnost koja ima tačku ključanja iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C, na atmosferskom pritisku.

11. Postrojenje prema bilo kom prethodnom zahtevu, naznačeno time, što je radni fluid ulje ili jedinjenje ili element u tečnom stanju, kao što je rastopljena so.

12. Postupak za skladištenje toplotne energije, koji sadrži korake zagrevanja (100) zapremine zemlje koja formira skladište toplote, pomoću električnog grejnog elementa (5), električni grejni element je postavljen u kanalu

u zemlji da bi zagrevao zemlju radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, i prenos (200) toplote iz skladišta toplote na nosač energije radi snabdevanja energijom (300), pomoću kola (2) koje sadrži radni fluid, uz korišćenje radnog fluida koji je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 120°C na atmosferskom pritisku, kolo ima mnoštvo cevi (3), koje cevi su raspoređene po pomenutoj zapremini zemlje, svaka cev je postavljena u kanalu (4) u zemlji radi razmene toplote između radnog fluida i zemlje.

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen korišćenjem radnog fluida koji ima opseg radne temperature od najniže dozvoljene temperature do najviše dozvoljene temperature, za koji opseg radne temperature radni fluid je tečnost na atmosferskom pritisku.

14. Postupak prema zahtevu 12 ili 13, naznačen korišćenjem radnog fluida koji je tečnost koja ima tačku ključanja iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C, na atmosferskom pritisku.

15. Postupak prema zahtevu 13 i 14, naznačen prenosom (400) toplote sa spoljašnjeg izvora energije na radni fluid kola radi skladištenja toplotne energije u skladištu toplote, gde se temperatura radnog fluida povećava iznad 120°C, podesno iznad 150°C, a prvenstveno iznad 200°C pomoću spoljašnjeg izvora energije.