CN101720380A - 用于存储和返还电能的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于存储并返还电能的装置，所述装置包括：第一和第二外罩(1、2)，其包含气体和多孔耐高温材料(11)，多孔耐高温材料(11)适合于通过在所述多孔耐高温材料与流过所述外罩的气体之间的接触来传热；以及压缩机模块(3b、4b)和膨胀机模块(3c、4c)，其用于使气体在连接到另一个外罩的一端的外罩每一端之间的管道中流动。本发明涉及一种在其中使用了本发明的装置的以热能形式存储电能的方法，本发明还涉及一种从借助于根据本发明的方法存储的热能返还电能(ER)的方法。电能以热的形式存储在耐高温材料块内，且所述存储的热势能以电能的形式返还。
Description
技术领域
本发明涉及一种装置，用于存储和返还电能，其适合于存储几十、或甚至几千兆瓦时(MWh)，本发明还涉及一种以热能形式存储电能的方法，在其中利用了本发明的装置，且本发明还涉及从借助本发明的方法存储的热能返还电能的方法。
本发明涉及在高温存储能量，且更具体地涉及存储电能以便在耗电高峰期间通过电力网络返还电能。
背景技术
通常由电站使用用于产生能量的各种燃料来产生电力，例如燃气、石油、煤或褐煤。另一种方法在于使用核燃料来产生热量，随后在高压蒸汽涡轮机中将其变换为电能。
也已知可再生能源，其在不同国家中在不同程度上对电力的产生做出贡献。除了其它可能性之外，还可以包括：来自水坝、从海流中取得能量的风力涡轮机、水力涡轮机以及从海洋的涌浪或者实际上从太阳能回收能量的各种设备的水力能源。
尽管从燃料或大坝的蓄水产生电力的装置可以在非常长的时期中连续地工作在额定功率或最大功率，但可再生能源的特征在于间歇地工作，并且将可再生能源并入网络中通常用来减轻仅仅一小部分传统电站的负担，部分这些电站随后可以在等待来自网络的电力要求时以低功率运行或者甚至停止。
已知使用涡轮机来从诸如燃气或石油的燃料产生机械能的多种技术，该技术包括压缩氧化剂(通常是空气)；随后将它与燃料混合，并使其在燃烧室中燃烧；且最后将其引向膨胀涡轮机，以便回收所产生的机械能，通常将压缩机和膨胀涡轮机成一条直线安装在公共轴上。在该类型的回转机械中，寻求最大效率，其中，最大效率是入口温度与膨胀涡轮机的函数。在工作温度上的限制是由于在膨胀涡轮机中的桨叶的温度特性，假定燃烧气体在极高温度有较强侵蚀性的性质，燃烧气体通常由CO2、NOx及对用于构成涡轮机的桨叶的合金有侵蚀性的其它混合物组成。
还已知在核电站中使用蒸汽涡轮机来将已经升到极高温度而成为蒸汽形式的水力能首先转换为机械能，随后转换为耦合到蒸汽涡轮机轴一端的发电机内的电能。这种蒸汽涡轮机工作在用于输送热的流体的闭合回路中，蒸汽状态的水从轮机上行，液态水从所述轮机下行。
长期以来尝试了存储能量，以便获得在耗电高峰期间几乎立刻可使用的能量。为了在能量需求的峰值期间驱动涡轮机，已经开发了多种技术，除了其它可能性之外，还可以包括蓄电电池(通常为铅酸电池)，或者将水泵送到高处的大坝。
在铅酸电池中存储能量对于中小型容量是有效的技术，但在必须存储相当于核电站设施的容量(即在24小时(h)或36h的时间段内大约1200兆瓦(MW))时，所需的装置就变得巨大且完全不切实际。
尽管大坝构成了存储能量的极佳的手段，但不幸的是适合的地点在数量上受到限制，且此外存储非常大量的能量需要使大量的水移动，于是就需要从可利用的量中来获得这个量，随后需要在无需这么大量的水的时候释放它们，例如在灌溉期间，在此情况下，都或多或少地浪费了水。然而，几个地点包括通常是大容量湖泊的高位水库和低位水库，在存储能量时，将低位湖泊中容纳的水泵送到高位湖泊，以便在耗电高峰需要将额外的电力传送到电网中时，可用于以相反的方向驱动涡轮机。
另一种技术是以压缩空气的形式存储能量，随后由活塞发动机、叶轮发动机或者就是涡轮机将其重新转换为机械能。
专利WO 2005/108758描述了一种以热量形式将能量存储在地下容器中的技术，该热量通过压缩起初在大气压和环境温度下的空气来产生，其中在地下存储库中的温度是大约700℃。在该应用中，气体(即空气)在存储阶段期间在开放回路中从自由大气流入到地下存储库中，随后在能量返还阶段，从地下存储库流回自由大气。
在另一个技术领域中，在使用炉火的工业(即使用高炉的陶瓷和陶土工业、玻璃制造和水泥制造工业)中，通常利用回热器，该回热器将烧热的气体输送到巨大的塔中来加热包含在其中的耐高温物质，以便在将所述气体排放到空气中之前从气体回收热。当在耐高温材料内达到最高温度时，停止热气体的流动，并输送冷空气的反向流动，该冷空气在被引导到熔炉或燃烧炉的入口之前，其通过与耐高温材料接触而变热。这些设备实现了极大地减小了在耗费大量能量的工业过程中的热损失。
所引起的问题是从诸如煤、燃气、石油或者甚至是核电站的传统电站存储能量，以便能够在能量要求超出了生产能力的高峰期间非常迅速地将能量大量返还给电网。
类似地，对于诸如风力涡轮机或海水涡轮机的可再生能量，问题是如何能够在强风或水流期间存储大量的能量，所述能量相当于过剩的生产，以便在生产不足的阶段中，即风力或水流不能够保持在最低阈值的能量产生程度时，返还所述能量。
发明内容
为此，本发明基本上是以热形式将相当大量的电能存储在耐高温材料物质内，能够传递能量的流体是气体，优选地是诸如氩的惰性气体，随后以电能的形式返还所述存储的热势能。
更准确地，本发明提供一种装置，用于存储并返还电能，所述装置特征在于其包括：
·第一和第二外罩，其包含气体和第一及第二多孔耐高温材料，其适合于通过在所述多孔耐高温材料与流过所述外罩的气体之间的接触来传热；及
·管道的闭合回路，其能够使气体连续地从一端到另一端通过这两个外罩中的每一个；及
·压缩机模块和膨胀机模块，用于压缩和膨胀在所述管道中在连接到另一个外罩的一端的外罩每一端之间流动的气体；及
·优选地，第一气体加热器模块，其适合于加热在所述第二外罩中流动的气体；及
再优选地，冷却器模块，其用于冷却在第一外罩的一端与所述压缩机模块和膨胀机模块之间流动的气体，适合于在所述膨胀机模块中进行膨胀之前冷却在所述端离开所述第一外罩的气体，或者分别冷却在由所述压缩机模块压缩后进入所述第一外罩中的气体。
应当理解的是，这两个所述第n顶管(或底管)可以是两个平行管道(在所述涡轮机/压缩机与单个外罩之间提供接头)，或者二者之一包括在所述涡轮机/压缩机之前的来自另一个的支管。
更具体地，根据本发明，一种用于存储并返还电能的装置包括：
A)第一保温外罩，其填充有第一多孔耐高温材料，第一多孔耐高温材料适合于传送在所述第一外罩的顶端与底端之间流过所述第一外罩的气体；及
B)第二保温外罩，其填充有第二多孔耐高温材料，第二多孔耐高温材料适合于传送在所述第二外罩的顶端与底端之间流过所述第二外罩的气体；及
C)保温管道，使得气体能够流入这两个外罩之间的闭合回路，所述管道包括在这两个外罩的顶端之间的第一顶管和第二顶管、以及在这两个外罩的底端之间的第一底管和第二底管；及
D)优选地，第一气体加热器模块，其适合于加热在所述第二外罩中的气体；及
E)第一气体压缩机模块，其包括电动机，电动机适合于被输入电能来存储，以便驱动第一压缩机，第一压缩机适合于压缩通过所述第二顶管的来自所述第二外罩的所述顶端的气体，以经由所述第一顶管将其传递到所述第一外罩的所述顶端；及
F)第一气体膨胀机模块，其包括第一涡轮机，第一涡轮机适合于膨胀通过第一底管的来自所述第一外罩的所述底端的气体，以经由第二底管将其传递到所述第二外罩的所述底端；及
G)第二气体压缩机模块，其适合于压缩通过另一个第二底管的来自所述第二外罩的所述底端的气体，以经由另一个第一底管将其传递到所述第一外罩的所述底端；及
H)第二气体膨胀机模块，其包括第二涡轮机，第二涡轮机适合于膨胀通过另一个第一顶管的来自所述第一外罩的所述顶端的气体，以通过另一个第二顶管将其传递到所述第二外罩的所述顶端，所述第二膨胀机模块适合于驱动发电机，发电机适合于返还电能；及
I)气体冷却器模块，优选的是热交换器，适合于分别冷却在所述第一外罩的底端与所述第二压缩机和所述第一涡轮机的出口和入口之间在所述第一底管中流动的气体。
优选地，本发明的电能存储和返还装置包括第二气体加热器模块，适合于加热在所述第二外罩的顶端与所述第一压缩机之间流入所述第二顶管的气体。
根据本发明的装置的其它有利特性：
·所述第一涡轮机适合于由以机械方式耦接的所述第一压缩机来驱动；
·所述第二涡轮机耦接到适合于驱动其的辅助电动机；及
·所述第二压缩机由以机械方式耦接的所述第二涡轮机驱动。
在优选实施例中，本发明的装置填充有惰性气体，优选地是氩气。
如以下所解释的，氩气是有优势的，因为它是固定不变且不活泼的气体，即，它不会腐蚀管道，且它是单原子气体，其呈现了易于加热的优点，从而导致了有限的压缩率，并且已知其数量丰富而成本较低。
在具体实施例中，所述装置由此呈现特性：
·所述第一外罩和第一多孔耐高温材料能够耐受至少750℃的温度T1，优选地在750℃到2000℃的范围内，更优选地为1000℃到1500℃；
·将所述第二涡轮机定容积为使得在所述温度T1膨胀气体，而将容积比第二涡轮机小的所述第一涡轮机定容积为用于将气体从环境温度T0膨胀到-80℃到-20℃范围中的温度T3；
·所述第二外罩和第二多孔耐高温材料能够耐受至少400℃的温度T2，优选地在400℃到1000℃范围中，更优选地为500℃到700℃；及
·将所述第一压缩机的容积定为用于压缩在所述温度T2的气体，而将容积比第一压缩机小的所述第二压缩机的容积定为用于将气体从-80℃到-20℃范围中的温度T3压缩到环境温度。
再更具体地，所述第一压缩机适合于以大于所述第一涡轮机的体积流率进行传递、所述第二涡轮机适合于以大于所述第二压缩机的体积流率进行传递、以及所述第一压缩机和第二涡轮机由碳制成。
优选地，所述耐高温材料呈现至少每立方米每开尔文2000千焦(KJ.m-3.K-1)的每单位体积的内在热容量，更优选地为至少2800KJ.m-3.K-1。
有利地，所述第一和第二多孔耐高温材料呈现在20％到60％范围内的孔隙率。
更具体地，所述第一和第二多孔耐高温材料由一块接一块装配的多孔砖组成，优选地具有贯穿其中的圆柱形穿孔，圆柱形穿孔在常见纵向上平行布置，该方向是在其中装配多孔砖的外罩的纵向，所述穿孔更优选地具有5毫米(mm)到20mm范围内的直径。
在具体实施例中，所述第一和第二多孔耐高温材料由耐火泥构成，耐火泥具有从氧化镁、氧化铝和石灰中选择的较高含量的化合物。
可包括的耐高温材料是耐火粘土、氧化镁、白云石、多铝红柱石、以及碳。
更具体地，所述第一多孔耐高温材料由重烤耐火泥或耐火粘土构成，而所述第二多孔耐高温材料由初烤耐火泥构成。
在具体实施例中，所述第一和第二外罩分别具有不小于5000立方米(m3)的体积，优选地分别在10,000m3到45,000m3范围中。
本发明还提供了一种以热能形式存储电能的方法，其中，使用了本发明的装置，所述方法特征在于：在将加热到温度T2的所述第二外罩的气体预热的初始步骤后，将所述装置填充起初在环境温度T0的惰性气体，执行以下连续的步骤：
1)在将离开第二外罩顶端的温度T2的气体传送到所述第一外罩顶端之前，通过在所述第一压缩机中压缩该气体从而将其加热到高于温度T2的温度T1，在第一外罩中建立高于第二外罩的压力P2的压力P1，所述第一压缩机由要存储的电能供电的第一电动机驱动；及
2)气体在所述顶端与其所述底端之间从头到尾穿过所述第一外罩，且其将第一外罩的所述底端维持在环境温度T0或高于T0但小于T2的温度T’1；及
3)随后如果需要的话，由优选地是热交换器类型的所述气体冷却器模块将气体冷却到环境温度T0，气体冷却器模块位于第一外罩的底端的出口的下游；及
4)随后通过优选地由所述第一压缩机驱动的所述第一涡轮机将气体膨胀到第二外罩的所述压力P2，其低于压力P1，随后在通过所述第二外罩的底端进入所述第二外罩之前，将气体冷却到低于T0的温度T3；及
5)使得气体在所述第二外罩的所述底端与顶端之间流过所述第二外罩，从而获得增大在冷却到温度T3的所述第二外罩底部中的耐高温材料的体积的效果，并获得减小在温度T2或低于T2但高于T0和T’1的T’2的其顶部的体积的效果，且如果需要而必须的话，借助于第二气体加热器模块将离开第二外罩的温度T’2的气体加热到温度T2；及
6)重复以上步骤1)到5)，直到加热到温度T1的第一外罩的顶部占据了所述第一外罩的体积的至少80％、且第二外罩的底部冷却到温度T3从而占据第二外罩的体积的至少80％。
应当理解的是，在每一个步骤2)中，当气体在起初完全在温度T0的第一外罩顶端达到温度T1且气体从第一外罩的顶端向底端移动时，通过所述第一多孔耐高温材料的气体获得了使得气体将热传递给在第一外罩的顶部中的所述第一耐高温材料的效果，第一外罩的顶部随后被加热到温度T1，而没有被加热或加热程度较小的其底部是在T0到T1范围、且实践中是T0到T2范围中的温度T’1。随着在闭合环路中循环的气体不断地通过，在第一外罩的热顶部与冷底部之间锋面或者更恰当地说是热过渡层向下移动，在温度T1的顶部占据了不断增大的体积。同时，在步骤5)中，气体在冷温度T3进入第二外罩的底部，从而获得从所述第二多孔耐高温材料抽取热并因此冷却第二外罩的底部的效果，第二外罩的底部从温度T2变为温度T3。随着气体不断通过，在第二外罩的热顶部与冷底部之间的锋面或者更恰当地说是热过渡层逐步向上前进，在温度T3的底部占据了不断增大的体积。
从而用于为第一压缩机提供能量的电能E1以(热的)热能(卡)的形式存储在第一外罩中、并以(冷的)热能(千卡)的形式存储在第二外罩中，该能量取决于梯度T1-T3。
优选地，中断存储，以使得在所述温度T’1的第一外罩的底部占第一外罩的体积的至少10％、优选地是第一外罩的体积的10％到20％，和/或在温度T2的第二外罩的顶部占小于所述第二外罩的体积的20％、优选地是10％到20％。
根据本发明有利的其它具体特性，所使用的所述耐高温材料具有以下特性和质量：
·所述温度T1和T2使得T1/T2＝1.5到3、T1/T0大于2并优选地大于3且更优选地小于6、以及P1/P2在2到4范围中；及
·T1是750℃到2000℃、优选地是1000℃到1500℃，且T2是400℃到1000℃，优选地是500℃到700℃；及
·压力P1在2到4巴表压(2×105Pa到4×105Pa)范围中，且压力P2在0.5到1.5巴表压(0.5×105Pa到1.5×105Pa)范围中；及
·如果需要的话，T0在10℃到50℃范围中、T3在-80℃到-20℃范围中且T1’在20℃到150℃范围中。有利地，存储在20MWh到10,000MWh范围中的大量电能。
本发明还提供了一种从借助于如上定义的本发明的方法存储的热能返还电能的方法，所述方法特征在于，在由所述辅助电动机驱动所述第二压缩机和所述第二涡轮机的初始开始阶段后，在该初始阶段期间，在第一外罩中的压力P’1与第二外罩中的小于P’1的压力P’2之间建立压力梯度，以使得P’1大于P’2、P’1优选地大于P1且P’2优选地小于P2，执行以下连续的步骤：
1)将经由第一外罩的顶端离开的在所述温度T1的气体通过第二涡轮机膨胀并冷却到温度T2，且所述第二涡轮机致动所述第二发电机，从而使得返还的电能能够传递；及
2)气体从其顶端到其底端通过所述第二外罩，将第二外罩的顶部加热到所述温度T2，第二外罩的底部保持在所述温度T3；及
3)随后借助于通过所述第二压缩机来压缩离开所述第二外罩的底端的在温度T3的气体，优选地由第二涡轮机释放的能量来致动所述第二压缩机，以便气体在所述第二压缩机的出口处加热到高于环境温度T0且如果需要的话大于T’1但小于T2的温度T4；及
4)优选地，随后在被引入到所述第一外罩中、由其底端(12)进入在所述温度T’1的所述第一外罩的底部中之前，气体由所述冷却器模块冷却到环境温度T0或T’1；及
5)使得气体流过所述第一外罩，从而获得增大在所述温度T’1的底部中的耐高温材料的体积、并减小在所述热温度T1的顶部中的耐高温材料的体积的效果；及
6)重复以上步骤1)到5)，直到在所述温度T1的第一外罩的底部占第一外罩的体积的至少80％、且在所述温度T2的所述第二外罩的顶部占所述第二外罩的体积的至少80％。
应当理解的是，为了在外罩中保持与本发明的能量存储方法相同的温度T1和T2，在初始步骤中有必要在两个外罩之间建立压力梯度，其大于在本发明的存储方法过程中在外罩之间的压力梯度。
应当理解的是，在每一个步骤2)中，当气体在第二外罩的顶端(其在温度T2或小于T2的T’2最初不大于的20％)达到温度T2且气体从第二外罩的顶端向下移动到底端时，气体通过所述第二多孔耐高温材料的传送获得了使得气体向所述在第二外罩顶部中的第二多孔耐高温材料传热的效果，从而将第二外罩顶部加热带温度T2、同时其未加热的底部保持在温度T3。随着气体继续通过，在第二外罩的热顶部与冷底部之间的锋面或者更恰当地说是热过渡层向下移动、且在温度T3的底部占据的体积不断减小。同时，在步骤5)中，气体在第一外罩的底部达到环境温度T0或温度T’1，从而冷却所述第一多孔耐高温材料、并因此冷却第一外罩的底部，底部从温度T1变为温度T’1。随着气体继续通过，在第一外罩的热顶部与冷底部之间的锋面或者更恰当地说是热过渡层向上移动，在温度T1的顶部占据的体积不断减小。
因此，将以(热的)热能(卡)形式存储在第一外罩中并以(冷的)热能(千卡)形式存储在第二外罩中的电能E1借助由所述第二涡轮机释放的机械能转换为电能ER，在气体从第一外罩的膨胀和冷却过程中使用了所述第二涡轮机。
优选地，在步骤6)中，中断能量返还方法，以便将第一外罩的顶部保持在所述温度T1，所述顶部占小于所述第一外罩的体积的20％、优选地占10％到20％，和/或在所述冷温度T3的第二外罩的底部占小于第二外罩的体积的20％、优选地占10％到20％。
有利地，由所述发电机返还的电能的效率ER/E1大于60％，优选地在75％到85％范围中。
根据本发明的返还电能的方法的有利地具有其它特性：
·比率P’1/P’2在3到5范围中；及
·T4在150℃到400℃范围中；及
·压力P’1在3到5巴表压(2×105Pa到4×105Pa)范围且P’2在1到1.5巴表压(1×105Pa到1.5×105Pa)范围中。
附图说明
本发明的其它优点和特性按照参考以下附图而给出的以下的详细描述将显而易见，在附图中：
·图1是本发明的装置处于本发明的能量存储方法中的功能图，即在重新充电第一外罩或热源的阶段；
·图2是本发明的装置的功能图，其中以电的形式返还存储在第一外罩或热源中的热能量；
·图3是本发明的装置的外罩的剖面图和侧视图，包括显示了圆柱形穿孔的放大图；
·图3A和3B是在水平平面上的剖面图，显示了耐高温材料部件的两个不同的排列，它们的形状分别是方形和六边形；
·图4显示了理想气体类型的热力循环、以及真实气体的压缩和膨胀；
·图5显示了用于以从网络取得的电能来重新充电第一外罩的热力循环；及
·图6显示了为了被重新注入网络的用于从第一外罩返还的能量的热力循环；
·图7、7A和7B显示了高度h的热过渡层如何在顶端与底端之间(分别是图7A和7B)在所述第一外罩内前进(图7)。
具体实施方式
用于存储电能及用于返还电能的本发明的设备包括：
·第一保温外罩1，其包括钢壁，钢壁为10mm到100mm厚并且填充有第一多孔耐高温材料，第一多孔耐高温材料能够耐受包含在其中的惰性气体的高温和高压，即在位于1000℃到1600℃范围中、更具体地在1300℃的温度T1、以及在2巴表压(bara)到5巴表压(即，在2×105帕斯卡(Pa)到5×105Pa范围)范围中的压力P1下；及
·第二保温外罩2，其具有相同的体积、例如在10,000m3到15,000m3范围中，其具有在10mm到100mm范围中厚度并填充有第二多孔耐高温材料的钢壁，第二多孔耐高温材料能够耐受它所包含的惰性气体的温度T2和压力P2，即，T2在500℃到700℃范围中，更具体地在大约600℃。
所述第一和第二外罩1和2基本上被完全填充有多孔耐高温材料11，其具有如上所述的高发热体积。
所述设备包括导管，用于在所述第一外罩1和第二外罩2之间的闭路循环，以便使得包含在装置中的气体能够在其两个相对端11-12与21-22之间通过每一个外罩，所述两个相对端优选地分别位于每一个所述外罩的顶端和底端。
在第一和第二外罩之间的循环导管还包括模块，用于在这两个外罩之间压缩/膨胀气体，这将在后文说明。
更具体地，竖直布置所述第一和第二外罩。
在图1和2中，第一外罩1在其顶端11具有顶导管1d，开口在第一外罩的顶部1a中，并且在其底端12它具有第一底导管1c，开口在第一外罩1的底部1b中。
类似地，第二外罩2在其顶端21具有第二顶导管2d，开口在第二外罩2的顶部2a中，以及在其底端22的第二底导管2c，开口在第二外罩2的底部2b中。
对所述第一和第二底导管1c、2c和顶导管1d、2d进行同样的保温。
将所述第二外罩2耦接到第一加热器5a，优选地是包括电阻5a1和在第二外罩两端之间的加热器管路5a3的闭合回路的加热器，在加热器管路5a3中流动的气体由所述第一加热器5a加热。
将第一压缩/膨胀组3设置在所述第一外罩1与第二外罩2之间。该第一压缩/膨胀组3包括电动机3a，其由电能E1供电并用于致动轴向式或离心式第一动压力压缩机3b和其自身耦接到所述第一压缩机3b的第一燃气涡轮机3c，第一压缩机3b和第一燃气涡轮机3c各自的轴彼此耦接，这将在后文说明。
将所述第一压缩机3b在其出口处经由所述第一顶管1d连接到第一外罩1的顶端11，且将所述第一压缩机3b在其入口处经由所述第二顶管2d连接到所述第二外罩2的顶端21。所述第二顶管2d构成第一压缩机3b的进料管，所述第一顶管1d构成在存储周期中压缩后从第一压缩机3b的排气管，这将在后文说明。
优选地包括第二电阻5a2的第二加热器5b与所述第二顶管2d协作，将所述第二加热器5b设置在第二外罩2的顶端21与第一压缩机3b的入口之间。
将所述第一涡轮机3c经由所述第一底管1c连接到所述第一外罩1的顶端12，并将所述第一涡轮机3c经由所述第二底管2c连接到所述第二外罩2的底端22。当设备工作在存储周期中时，所述第一底管1c用于给所述第一涡轮机3c输入从第一外罩1的底部1b排出的气体，且从所述第一涡轮机3c排出的气体经由所述第二底管2c达到所述第二外罩2的底部2b，这将在后文说明。
热交换器6与在所述第一外罩1的底端12与所述第一涡轮机3c之间的所述第一底管1c协作。
如图2所示，将称为发电机组的第二组4如下设置在所述第一外罩1与所述第二外罩2之间。所述发电机第二组4包括第二电动机4d，其耦接到第二燃气涡轮机4c和第二压缩机4b。第二电动机4d是小型电机，基本上用于在开始能量返还/回收周期时启动第二涡轮机4c，这将在后文说明。
发电机第二组4包括交流发电机4a，其耦接到所述第二燃气涡轮机4c的出口轴和所述第二压缩机4b的出口轴，以便在能量回收周期过程中，在启动所述第二涡轮机4c和所述压缩机4b时返还电能ER，这将在后文说明。
由导管1d’或平行于所述第一顶管的导管为所述第二涡轮机4c供应燃气，导管1d’构成从所述第一顶管1d的支路连接(也称为第一顶支管1d’)，从而提供在第一外罩1的顶端11与第二涡轮机4c之间的连接。当设备运行在回收周期中时，离开所述第二涡轮机4c的膨胀气体经由在第二顶管2d上的支管2d’(也称为第二顶支管2d’)或者经由平行于所述第二顶管的导管向第二外罩的2的顶端21排放，从而提供在第二外罩的顶端21与第二涡轮机4c之间的连接的导管。
由在所述第二底管2c上的支管2c’(也称为第二支路底管2c’)或者平行于其的管路为所述第二压缩机4b供应气体，从而提供在第二外罩的底端22与第二压缩机4b之间的连接。气体经由在所述第一底管1c上的支管1c’(也称为第一支路底管1c’)或者平行于第一底管1c的导管从所述第二压缩机4b向所述第一外罩1的底端12排放气体，从而提供在底端12与所述第二压缩机4b之间的连接。
在第二底管2c到达所述第一涡轮机3c之前，第二支路底管2c’提供在第二压缩机4b与第二底管2c之间的连接。在第一顶管1d到达所述第一压缩机3b之前，第一支路顶管1d’提供在第二涡轮机4c与第一顶管1d之间的连接。第二支路顶管2d’提供在第二涡轮机4c与第二顶管2d之间的连接，其中第二顶管2d在所述第二加热器5b与所述第一压缩机3b之间。第一支路底管1c’提供在第二压缩机4b与第一底管1c之间的连接，其中第一底管1c在所述热交换器6与第一涡轮机3c之间。
将外罩1与2填充多孔耐高温材料11，其能够使气体从头至尾流过在其顶端11-21与底端12-22之间的所述外罩。用于第一和第二外罩中的多孔耐高温材料可以呈现在20％到60％范围中的孔隙率(孔隙百分比)，从而不仅实现在气体与耐高温材料之间的充分的热交换还实现足够低的压头损失、同时保持了通过所述多孔材料的足够高的流动速度。在操作中，将本发明的设备完全填充有惰性气体，优选地使氩气，即，将上述管路、涡轮机、压缩机、加热器和所述第一与第二外罩均填充有惰性气体。
图3是外罩的剖面图和侧视图，其包括不透气的金属外壳13和布置在金属外壳13的壁与一堆耐高温材料11的块或砖之间的内部保温系统12，其中耐高温材料11提供了穿孔形式的竖直通道111，优选地具有直径在5mm到30mm范围中的圆形剖面，从头至尾穿过它们，并以基本上均匀的方式布置在所述第一外罩的整个水平剖面上的每一个剖面中，如图3A与3B详细示出的。
在多个重叠的块11中的通道111彼此对齐，以便允许气体在外罩1、2的纵向ZZ上在外罩的两个相对端之间循环且在外罩1、2的纵向ZZ上相互重叠的多个块中的通道之间不存在阻碍。位于所述外罩的底部中的非常多孔的支撑结构14使得气体能够经由相邻的保温底管1c、2c进入或排出，以便以基本上均匀的方式在所述外罩的整个剖面上扩散，从而在从底部进行输送时，以最佳的方式(即以最小压头损失的方式)将气体引导到垂直通过所述耐高温材料11块的通道111。类似地，在外罩的顶部中提供闲置空间15，以便能够在从顶部为外罩输送气体时，很好地扩散气体。在图3中，气体经由外罩的底部进入并通过外罩的顶部离开，这对应于第二外罩的存储阶段和第一外罩的返还阶段，这将在后文说明。
图3A是图3的平面AA的平面图中的局部的水平剖面。耐高温材料的块11是方形的，它们由多个平行圆形圆柱孔贯穿，这些孔在垂直于图的平面的竖直方向ZZ上延伸。块有利地例如以距离e＝5mm彼此间隔开，以使得所述块在温度变化期间能够发生膨胀，而不会损害产生的缝隙空间的厚度，还使得所述空间如果需要的话充当竖直通道，用于将气体从外罩2的底部传送到其顶部。耐高温材料块11有利地经由所述外罩的隔热层12与外罩的壁直接接触，以便限制冷或热气体在所述区域中的任何直接或不受控制的通过。在本发明的第一形式中，在耐高温材料块的连续平面中的块有利地彼此偏移半个模块，即这些块交错半个块，以便确保该组件在所述外罩内的稳定，如图3所示。在外罩的优选形式中，这些块在外罩的整个高度上彼此竖直堆叠，以便组成相互独立的堆，它们在所有方向上都彼此间隔开5mm到10mm，从而在存储-返还周期中实现膨胀，同时避免了在所述存储-返还周期中在水平面AA中的任何磨损风险，如在将它们安装在如图3所示的交错结构中时会发生的。
在图3B中，可以看出六边形截面的耐高温块11a，其接近圆柱形的外罩的绝热壁。通过与块的边缘的直接接触、或者以适合于该曲率的绝热块12a的形式、或者实际上通过填充有绝热材料12a(例如与所述外罩的隔热层12相同类型的材料)、或者实际上由匹配曲率的形状的耐高温块12b来进行与绝热壁的连接。
在以下之间的连接处提供支路连接阀V1到V4：
·第一顶管1d与第一支路顶管1d’之间：V1；
·第二顶管2d与第二支路顶管2d’之间：V2；
·第一底管1c与第一支路底管1c’之间：V3；及
·第二底管2c与第二支路底管2c’之间：V4。
如以下参考图1和2解释的，可以通过在能量存储周期期间断开所述发电机第二组4的连接来独立地操作所述压缩机第一组3(第一压缩机3b和第一涡轮机3c)，或者相反地，可以在能量回收循环期间断开所述第一压缩机3的连接、并打开所述支管以使得所述第二压缩机4工作。
本发明的设备可以以两种不同的模式操作，即：
·第一模式，存储或充电周期；及
·第二模式，能量返还或能量回收周期。
能量存储或充电模式如下来操作。起初，将诸如氩气的惰性气体装入设备，即装入两个外罩、涡轮机、压缩机和管路中。其在环境温度，例如T＝20℃。
图1显示了在第一外罩1中再充电能量或存储能量的阶段期间的设备。
起初，整个装置处于在10℃到20℃范围中的环境温度T0中，从而包含在外罩和管路中的气体也在所述环境温度T0、且两个外罩在相同的初始压力下，初始压力与装入压力有关，例如1巴表压到1.2巴表压。
随后将在第二外罩2中的耐高温材料物质加热到600℃的温度T2。为此，使得第二外罩的气体在其顶端21与底端22之间的闭合环路中循环，并在外罩之外使用第一加热器5a为其加热，第一加热器5a加热在加热器管5a3中的气体，加热器管5a3构成了第二外罩的在其外部的底端22与顶端21之间的环路。由风扇5a5使气体通过加热器管道5a3循环，且第一加热器5a包括第一电阻5a1。阀门5a4用于在初始预热结束不再使用它时隔离第一加热器5a，从而避免了在正常循环期间气体的不期望的传输和再循环。
当将在第二外罩2中的耐高温材料的整体都已经升到600℃的温度T2时，阀门5a2关闭且气体经由第二顶管2d传送到第一压缩机3b中，以便将其加热到在1200℃到1400℃范围中的温度T1，例如在所述第一压缩机出口的1300℃。在这两个外罩之间建立压力梯度，将第一外罩升到2巴表压到4巴表压(2×105Pa到4×105Pa)的压力P1，并将第二外罩中的压力P2减小到大约1巴表压(1×105Pa)。
在第一外罩中，耐高温材料的顶部1a因此向1300℃的温度T1上升，同时底部1b建立在20℃到100℃范围中的温度T’1。
在第一外罩的底端12的出口，气体需要由第一涡轮机3c膨胀，以便在经由第二外罩的底部重新引入第二外罩、膨胀并冷却到温度T3之前，将其重新确立在第二外罩的压力P2下。只要由系统存储的能量与温度梯度T1-T3相关联，那么将温度T3保持得尽可能低就是有利的。为此，使得气体以尽可能低的温度引入并穿过第一涡轮机3c是有利的。这就是为什么在将气体引入第一涡轮机3c之前、借助热交换器6将气体从温度T’1冷却到在10℃到20℃范围中的温度T0的原因，其中热交换器6位于第一外罩的底端12的出口处。
随着工作在存储模式时多个气体循环周期的进行，在1300℃的温度T1的热的第一外罩中的耐高温材料的顶部1a占据了外罩中越来越多的体积，即，经由第一外罩1的顶端11引入的热气体向所述耐高温材料传热、并加热在第一外罩中体积不断增大的耐高温材料。由图1和2中的线来表示对应于温度过渡区的峰面1e。随着在存储期间气体循环周期继续进行，在温度T1的热的顶部1a和在20℃到100℃范围中的温度T’1的冷的底部1b逐步地向下移动。相反地，在至少-80℃到-20℃范围中的温度T3的第二外罩的底部2b占据了外罩2中不断增大的体积。峰面2e表示分离线，其由在温度T3的底部2b与在温度T2的顶部2a之间的过渡区组成，并且其随着多个气体循环周期进行而逐步地向上移动。
第一压缩机3b由消耗电能E1的电动机3a来致动。第一涡轮机3c借助它们的轴耦接到第一压缩机3b，以便除了由第一电机3a传递能量之外，第一涡轮机3c也向第一压缩机3b传递能量。
在能量存储模式中的连续气体循环周期中，第二外罩中的顶部2a的温度倾向于减小到温度T’2，T’2低于T2，即低于600℃，例如在300℃到450℃范围中。
为了减轻在顶部2a的温度中的下降，借助于第二加热器5b来加热离开第二外罩的顶端21的气体是有利的，第二加热器5b包括第二电阻5a2，第二电阻5a2能够加热流入顶管2d的气体，以便在气体到达第一压缩机3b之前将其保持在600℃的温度T2。类似地，以这样的方式来调整电机3a，以便将第一压缩机3b的出口温度保持在大约1300℃的恒温。
在全部多个能量存储周期的持续期间，测量在第二加热器5b入口处的气体的温度、并实时调整每秒注入到第二加热器5b中的电能E2的量，以便将气体升高到基本上恒定的温度T2。在能量存储周期中注入装置的功率从而对应于供应给第一电动机3a的电能E1加上供应给第二加热器5b的电能E2。
如上所述，在能量存储循环期间，必须冷却离开第一外罩的底端12的气体，以便在第一涡轮机3c中膨胀其之前将其温度减小到温度T0。这通过使用热交换器6来实现。为热交换器6供应诸如在10℃到20℃范围中温度的冷水或空气的冷却流体，以便冷却离开第一外罩的在20℃到100℃范围中温度T’1的气体，并使得其处于10℃到20℃范围中的温度T0。取决于冷却空气或水的流动速率，来自热交换器6的冷却流体以50℃到100℃范围中的温度在6d处离开热交换器6。因此，热交换器6以加热到在50℃到100℃范围中的温度的水的形式释放热能E3。该热能E3是不能存储在系统中的能量，但可以以热泵来回收它，或者它可以用于工业过程中，或者甚至用于城市供暖。因此，在一个完整的存储循环期间，E3构成影响设备的总体效率的损失。
为了在从工作存储模式中到工作于能量返还模式中的连续的不同转变期间稳定系统并优化该操作，优选地在将整个第一外罩升高到温度T1或者将整个第二外罩降低到温度T3之前中断存储。
在实践中，将构成第一外罩的总体积的10％到20％的底部1b在所述外罩中保持在位于20℃到100℃范围中的温度T’1。同时，将第二外罩的顶部2a保持在温度T2或接近温度T2，即，当在位于-80℃到-20℃范围中的温度的第二外罩的底部2b占第二外罩的体积的80％到90％时，中断存储。
该10％到20％的体积对应于高度a的温度过渡区的体积，如以下参考图7所述的。
图2显示了用于以电能Er形式返还存储在第一外罩1中的能量的周期。
一旦第一外罩1的充电完成，就停止第一电机3a并致动多个阀门V1到V4，以便为第二组4提供所述第一和第二支路顶管1d’、2d’以及所述第一和第二支路底管1c’、2c’，不再为第一压缩机3b和第一涡轮机3c供应气体。
起初，在充电阶段的结束、当关闭第一电机3a时，气体成为静止的，使其压力在两个外罩1和2中平衡，其在1.5巴表压到2.5巴表压(1.5×105Pa到2.5×105Pa)的中间值。
在开始能量返还或回收周期中的操作模式的阶段期间，启动小型电机4d，其驱动第二涡轮机4c和与其耦接的第二压缩机4b，以便在两个外罩1和2之间建立压力梯度，其分别具有高于第一外罩1的P1的压力P’1和低于第二外罩2的P2的压力P’2。
在开始期间，第二压缩机从第二外罩抽气并将其输送到第一外罩，从而增大在所述第一外罩中的压力，并从而为第二涡轮机供应气体，以便气体最终返回到第二外罩中并继续其循环周期。只要涡轮机达到其操作速度，就关闭小型电机4d。
在稳定状况下，第二涡轮机4c从第一外罩的顶部抽气并将其传送到第二外罩，同时冷却并膨胀气体。为了优化该装置的操作，希望离开第二涡轮机4c的气体在存储周期结束时获得与在外罩2的顶部中的气体的温度基本上相同的温度T2。为了实现该目的，在涡轮机与压缩机中的损失使得P’1/P’2＞P 1/P2。在实践中，P’1在3巴表压到5巴表压范围中，P’2在1巴表压到1.5巴表压范围中。
当建立压力梯度P’1/P’2时，关闭电机4d。在第二外罩底部2b中的气体在位于-80℃到-20℃范围中的温度T3，这是其在存储周期结束时的温度。将气体带入第二压缩机4b，其中将其重新压缩到压力P’1。同时将其加热到温度T4，因为在第二压缩机中的损耗，该温度T4高于温度T0。通常，T4在100℃到150℃范围中。
在被传送到第一外罩1的底端12之前，在第二压缩机4b出口的高于T0的温度T4的气体因此需要通过使用热交换器6冷却到温度T’1，其中底部1b在位于20℃到120℃范围中的温度T’1。
在回收周期期间在第二压缩机4b出口的气体的冷却具有通过加热冷却液体来使热能E4损失的效果。然而，气体从温度T4冷却到T’1使得在能量存储周期期间更易于在热交换器的下游将在第一外罩的底端11的出口的气体从温度T’1冷却到温度T0，以使得气体在能量存储周期中进入第一涡轮机3c时达到环境温度T0。总之，由在热交换器6中的热能损失E3来补偿在回收周期期间的热能损失E4，该损失比存储周期中的小。热能E3+E4总体对应于与梯度T4-T0相关联且起因于压缩机和涡轮机中损失的装置的损失。
由系统返还的能量ER对应于由第二涡轮机4c释放的能量，第二涡轮机4c驱动发电机-交流发电机4a，发电机4a使得能量能够以电的形式返还。总之，ER更准确地对应于由第二涡轮机4c释放的能量减去由与其耦接的第二压缩机4b消耗的能量。此外，在存储周期与回收周期之间的装置的总效率可以写成如下等式：
ER＝E1+E2-(E3+E4)-E5
其中，E5表示通过外罩的保温层、导管、涡轮机、压缩机和多个附件的损失。
与提供的能量E1+E2相比，损失E3+E4+E5占15％到25％，所以装置和能量返还方法的总效率从而在75％到85％范围中。
为了优化装置的能量效率，避免在存储周期结束时将第一外罩完全加热到温度T1是有利的，以便将在底部1b中的热过渡层保持在温度T0或T’1，并将在第二外罩的顶部2b中的热过渡层保持在温度T2。类似地，在周期结束时的能量返还周期中，在完全冷却第一外罩和完全加热第二外罩之前停止回收，以便将在顶部1a中的热过渡层保持为对应于保持在温度T1的外罩体积的10％到20％、并对应保持在温度T3的在第二外罩底部2b中的热过渡区，该层同样占第二外罩的体积的10％到20％。
在温度为T2的第二外罩的顶部2b中的该热过渡区使得更易于在返还能量的周期开始处在两个外罩之间重新建立压力梯度P’1/P’2，其分别对应于在第一/第二外罩的相同温度T1/T2。
在存储周期的结束与返还周期的结束时将热过渡区保持在第一与第二外罩每一个的一端在装置的总能量效率方面也是有利的。如果在存储周期的结束要加热整个第一外罩，那么离开第一外罩的底端11同时加热对应于在第一外罩的底端的热过渡层的体积的气体会维持高于温度T’1的温度，其会需要更大的冷却能量E3，以及因此更高的能量损失。
同时，如果在返还周期的结束时要加热整个第二外罩的底端22，那么离开第二外罩的底端22的气体就会维持在高于T3的温度，并会在热交换器6的下游达到较高的温度T4，从而导致较高的冷却热损失E4，从而导致类似更大的能量损失。
另外，在存储结束时将底部1b保持在温度T’1及在存储结束时将第二外罩中的顶部2a保持在温度T2使得更易于开始返还周期，其需要在较短的时间长度中使用电机4d，以便在返还期间在压力P’1与P’2下分别在第一外罩与第二外罩中以温度梯度T1和T2建立稳定的操作。同样地，在能量返还结束时在第一外罩中将热的顶层1a保持在温度T1，及在返还周期结束时将冷的底层2b保持在温度T3，那么使得更易于通过减小保持气体进入在温度T2的第一压缩机3b所需的电能E2的量来开始随后的存储周期。
在给定它们所经受的不同温度的情况下，在存储周期中使用的第一压缩机3b与第一涡轮机3c的尺寸确定与在回收周期中使用的第二压缩机4b和第二涡轮机4c的尺寸确定极为不同。气体的体积随温度增大，所以在气体入口在高温情况下操作的压缩机和涡轮机需要尺寸较大。这就是为什么在存储阶段期间第一压缩机3b是大型压缩机(因为其工作在1300℃的温度T1)、而第一涡轮机3c是小型涡轮机(因为其工作在大约-50℃的温度T3)。与此相反，在回收周期中，工作在-50℃的温度T3的第二压缩机4c是小型压缩机，而工作在大约1300℃的温度T1的第二涡轮机4c是大型涡轮机。应当注意的是，在存储阶段期间实现为小型的第一涡轮机3c使得其更易于由大型第一压缩机3b驱动。类似地，实现为小型的第二压缩机4b减小了能量损失，且能量ER对应于由第二涡轮机4c释放的能量减去由第二压缩机4b消耗的能量。因此存在使得在第二压缩机4b的入口的温度T3尽可能低的额外优点，以便同样地减小能量消耗，该能量消耗影响了系统的总能量消耗。
在能量存储周期期间和在能量回收周期期间，能量存储期间在第一外罩的底端的下游和能量返还期间在第一外罩的底端的上游均利用采用相同的热交换器来冷却，这使得与例如气体在能量返还周期期间在第一外罩的底端的下游不在热交换器中冷却的实施例相比，热交换器的尺寸能够减小。
随着在能量返还阶段期间连续的气体循环周期进行，第一外罩中的在T’1的冷底部1b和T1的热顶部1a之间的峰面1e逐步地向上移动，同时第二外罩中在温度T2的热顶部2a与在温度T3的冷底部2b之间的峰面2e逐步地向下移动。
应当注意的是，首先在第二压缩机4b与第一外罩1的底部之间的气体返回回路上操作热交换器6、其次操作第二涡轮机4c的调整使得以便在全部能量返还周期中都将所述温度T1和T2保持在例如1300℃和500℃的各自的恒定值。
人们还观察到，根据本发明的基本原始特性，温度T1和T2在能量存储/充电周期期间和在能量返还/放电周期期间是恒定且相同的。
图4是对应于热力学循环的曲线图，其中横轴表示体积，纵轴表示表压(bara)。显示了四条等温线，分别对应于：
·T0(环境温度20℃)；
·T1(第一外罩温度：1300℃)；
·T2(热的第二外罩温度：600℃)；及
·T3(冷的第二外罩温度：-80℃到-20℃)。
在点A与B之间，表示了理想气体在温度T1与T2之间的绝热压缩/膨胀循环，应用了关系式：PVγ＝常数。在实际机器中，表现是不同的，对于在T2与T1之间的绝热压缩，曲线在实践中是沿着AB1的，其显示了在低于Pb的压力Pb1及大于Vb的体积Vb1下达到温度T1。类似地，在绝热膨胀期间，在低于Pa的压力Pa和大于Va的体积Va1下达到温度T2。
应当注意的是，对于在两个外罩中的有效的热管理，每一个气体外罩的高位部分在存储阶段期间和在返还阶段期间处于基本上相同的各自温度是重要的。为了解释这一点，以第一外罩的顶部来举例说明。在存储阶段期间，热气体从顶部进入耐高温材料储备。固体的温度不能超过气体的温度，但可以尽可能地与其接近。在返还阶段期间，离开第一外罩中耐高温材料储备的顶部的气体的温度最好等于所述耐高温材料的温度。可以对第二外罩做出相同的评价。为了获得可能的最高效率，重要的是，在第一外罩中在存储阶段期间注入的气体的全部热量在返还阶段期间尽可能地被利用、且在第二外罩中在存储阶段期间从气体回收的全部热量在返还阶段期间尽可能地被重新利用。换句话说，在存储和返还阶段期间，设法获得尽可能接近的(理想地相同的)温度T1和T2是有利的。
如上参考图4所述的，如果以实际机器在膨胀或压缩过程中使用相同的温度T1和T2，那么压力比是不同的。这意味着，在存储和返还阶段期间使用的涡轮机与压缩机组件的压力比需要不同。例如，依据图4，在存储期间，高压是Pb1且低压是Pa，而在返还阶段期间，高压是Pb且低压是Pa1。
图5和6显示了在如参考图1和2所述的装置和方法中分别发生的对应于能量存储和返还周期的热力学循环。这些热力学循环对应于执行一个完整循环的例如1m3单位体积的气体，气体在一个完整循环期间获得外罩之一或压缩机中的能量，随后在涡轮机中或其他外罩中返还该能量。所述单位体积在与存储或返还周期的完整持续时间相比是非常短的时间长度中执行该热力学循环，因此该单位体积进行了几百或几千或甚至几万次热力学循环，即，它有那么多次通过压缩机、涡轮机、导管和每一个外罩。
图5显示了如参考图1所述的存储阶段。来自第二外罩顶部的气体在点A以温度T2进入第一压缩机3b。其被压缩并在点B以温度T1离开。气体进入第一外罩1的耐高温块11、通过向其传热的耐高温块，从而使得温度峰面逐步向下移动。气体在6a处以大约20℃到100℃的温度离开第一外罩的底部、并随后通过热交换器6，在这里它向外界传递能量E3，以便将所述热交换器维持在对应于20℃的环境温度的基本上恒定的温度T0，这对应于曲线图的点C。它随后通过涡轮机3c，在此将其能量释放给压缩机3b，且它在温度T3(-50℃)在管路2c中离开涡轮机，其对应于曲线图的点D。最后，它进入第二外罩的较低部分中，在此它从气体向上流动所通过的耐高温块回收热量，从而使得温度峰面E2逐步上升。最后，气体从第二外罩的顶部离开第二外罩并被送到压缩机3b，它有可能是在通过加热器5b后以温度T2进入压缩机3b，气体如果需要的话从加热器5b接收足够的能量E2以便将所述气体温度重新调整到值T2。随后将气体返回到曲线图上的点A，并随后进行新的循环。
如图6中详细示出的用于返还能量的热力学循环如下进行。在高温T1的气体从顶部离开第一外罩1，对应于曲线图上的点B。气体随后通过涡轮机4c，在这里它向发电机(ER)传递能量，并在温度T2达到曲线图上的点A。此后，它进入第二外罩的顶部，并将其热量传递给耐高温块11，从而使得温度峰面2e逐步向下移动，且它在对应于曲线图上的点D以温度T3从底部离开所述外罩。气体随后通过第二压缩机4b，在此气体维持在高于预期温度T0的温度T4：气体随后通过热交换器6，在此它将能量E4的量传递给外界，以便返还到温度T0，从而返还到所述曲线图的点C。最后，气体从底部进入第一外罩，在此它回收能量，并加热达到曲线图的点B，从而使得温度峰面1e逐步上升，换句话说使得所述第一外罩整个冷却。
图7在左侧以剖面侧视图显示了第一外罩和在底部区与顶部之间的上升峰面1e，其中底部区的温度是大约20℃，顶部的温度大约是1300℃。该上升峰面对应于高度h的过渡区，如在图7的右侧由曲线图更详细示出的。过渡区在能量存储阶段期间向下移动(图7B)、在返还阶段期间向上移动(图7A)。为了保持在对应于最佳效率的涡轮机的工作范围内，既不完全充电也不完全放电第一外罩是有利的，如图7B详细示出的，其对应于将充电/放电周期限制在最大高度δH1，例如，对应于总高度的80％-90％，从而是所述第一外罩的总峰值容量的80％-90％。以类似的方式，在第二外罩中存在类似的过渡区，然而其对应于不同的温度，例如，在底部为-50℃和在顶部为500℃。随后所使用的发热块的百分比对应于高度δH2，所述使用的百分比优选地与所述第一外罩的基本上相同，即为80％-90％。
采用包含不同温度的两个外罩的该结构、借助仅使用了其热容量的80％-90％的耐高温材料块，那么有可能获得在75％到85％数量级上的非常好的效率。
这首先是由于在均远远高于环境温度的两个温度级T2到T1之间交替地泵送和回收能量的事实。由卡诺定理可知，热机的效率随着其热源的温度的增大而增大。
第二个原因在于在存储和返还阶段期间温度T1与T2均相等，这是通过使用具有不同的压力比(P1/P2和P’1/P’2)的不同涡轮机和压缩机组件来获得的。
良好的总效率的第三个原因在于在存储阶段期间以气体中的热量的形式提取了热压缩机3b的损失的事实。该能量存储在第一外罩1的耐高温材料中，就好像是从第二外罩泵送的热量。因此在返还阶段期间以有用功的形式回收了来自热压缩机的该能量损失的大部分。
第四个原因起因于使用回热器来与气体交换热量。可以布置耐高温部件组，其可以在极高的温度工作并在气体与固体之间提供了非常大的热交换面积。这使得有可能在两个阶段中温度T1与T2尽可能接近地的相等。存储容量与耐高温材料质量有关。本发明的布置的有利之处在于，将几乎全部耐高温块都用于扮演两个角色：存储热和与气体交换热。
良好的总效率的最后一个原因起因于该事实：在存储阶段期间由在涡轮机3c中的膨胀产生的冷量同样地存储在外罩2中。在返还阶段期间，这使得气体在由压缩机4b压缩气体之前进行冷却，从而减小了由压缩机4b吸收的能量的量，该能量取自于返还的能量ER。
由公式给出涡轮机的功率：
W＝m.Cp.(T2-T1)
其中：m是千克每秒(kg/s)的气体质量流动速率，Cp是焦耳每千克每开尔文(J/kg/K)的气体热容量，T1是气体入口温度，T2是气体出口温度。对于涡轮机来说，T2＜T1、且W因此是负值(从气体提取功率)。而对于压缩机来说，W是正值(将功率传递给气体)。
气体的密度与其分子量成正比。压缩或膨胀重气体比轻气体更容易。与轻气体相比，对于重气体，必需的机器更小且更便宜。
氩气的分子量是40，CO2的是44，氪气的是84，氙气的是131，氡气的是222。
因此，将氪气或氙气用作其气体的涡轮机与使用诸如分子量4的氦气或分子量28的氮气的气体的相比紧凑得多。另外，在热力学公式中：
PVγ＝常数
对于单原子气体，γ＝1.66；
对于双原子气体，γ＝1.4；和
对于三原子气体，γ＝1.33。
温度比T1、T2取决于压力比P1、P2或P’1、P’2，应用公式：
可以看出，对于给定温度比，单原子气体(γ＝1.66)的压力比与双原子气体(γ＝1.4)或三原子气体(γ＝1.33)的压力比相比而言更小。这在外罩的设计中具有实际的优势。外罩的壁厚与气体的最大压力相关联。另外，由于该方法能够存储非常大量的能量，它会使用非常大尺寸的外罩。因此，设法使气体的内部压力最小在经济上是有利的。获得该结果的一个简单方式是限制气体的压缩比，为此优选地选择单原子的气体。
因此，用诸如氦、氖、氩或其它高分子量的惰性气体的单原子气体获得了最佳循环。
诸如氮气的双原子气体和诸如空气或CO2的三原子气体是非常丰富且廉价的，但在高温下，它们对于构成外罩的外壳、管道或涡轮机和压缩机的叶片的金属是有侵蚀性的，这就是为什么在设备内的气体是惰性气体的优势，惰性气体相对于设备的金属元件是完全惰性的，例如氦、氖、氩或其它高分子量的惰性气体。氦、氖、氩以相当大的百分比存在于环境空气中，可以可接受的成本来大量地获得它们。这三种气体中，对于用于本发明的设备来说，氩是提供了最佳性能的气体，因为它相对于构成本发明的设备的金属元件在高和极高温度下是单原子、惰性的，它提供了高分子量以及低获取成本。
第一外罩的所述第一耐高温材料例如是耐火粘土，也称为重烤耐火泥，其能够耐受1200℃、或者实际上是包含高含量的氧化铝和/或氧化镁的合成物。第二外罩中的第二耐高温材料可以是初烤耐火泥。
如上所述，耐高温材料11是砖形式的，它们由具有5mm到20mm直径且从头至尾穿过这些砖的平行通道穿透，耐高温材料11布置成使得气体能够沿着通道在外罩的纵向上循环并通过。
在下表中列出了在经济上可接受的条件下，可用的各种极高温度耐高温材料。
| 材料 | 成分 | 温度限制 | 密度kg·m-3 | 热容量(J·kg-1·K-1) | 热容量(kJ·M-3·K-1) |
| 耐火粘土 | 耐火泥(35％Al2O3) | 1250℃ | 2000 | 1000 | 2000 |
| 氧化镁 | MgO | 1800℃ | 3000 | 1200 | 3600 |
| 白云石 | CaO-MgO | 1800℃ | 2700 | 1100 | 2970 |
| 多铝红柱石 | 70％Al2O3 | 1700℃ | 2600 | 1088 | 2830 |
| 碳 | C | 2200℃ | 2200 | 1300 | 2860 |
耐火粘土在所有这些材料中是最便宜的，但其最高温度比其它的都低得多。
此外，存储在一立方米的耐高温材料中的能量由以下公式给出：
E＝V.Cp(T-T0)
其中，E以焦耳表示，V是热的耐高温材料的体积，Cp是焦耳每立方米每开尔文(J/m3/K)的热容量，T是热温度，T0是加热前的初始温度。
因此，可以看出，存储温度T越高，每单位体积的耐高温材料存储的能量的量就越大。
因此，对于氧化镁，1800℃的限制温度按照每单位体积热容量方面来说提供了更好的性能，其值为：
Cp＝3600kJ*M-3*k-1
举例来说，对于具有3000MHh、能够存储并返还100MW的功率、对应于充电超过40小时和返还超过30小时的容量的设备来说，其由以下组成：
·具有41米(m)直径和20m高度的圆柱形第一外罩，其包含16,500m3的氧化镁、呈现25％的孔隙率，即，37,000公吨(t)的耐高温材料；及
·具有48m直径、20m高度的第二外罩，其包含22,500M3的耐火粘土、呈现35％的孔隙率，即，29,500t的耐高温材料，存储组包括100MW电动机3a、117MW压缩机3b和17MW涡轮机3c，且返还组包括100MW发电机4a、156MW涡轮机4c和56MW压缩机4b。整个装置的内部体积，包括连接导管、但不包括对应于耐高温材料的有效质量的体积，约为35,000m3。将一部分气体限制在绝热材料内，绝热材料防护热的耐高温外罩的壁(大约12,000m3)，并且只有23,00m3可用体积的气体能够参与气体循环。在建立1巴、即2巴表压的压力之前，将装置填充氩气，其对应于70,000归一化立方米(Nm3)的体积，其中的46,000Nm3可以自由循环。在存储阶段期间，第一外罩中的压力P1是3巴表压，第二外罩中的压力P2是0.9巴表压，而在放电期间，这些压力分别是3.3巴表压(P’1)和0.6巴表压(P’2)。温度T1确立为1256℃，而温度T2约为600℃。在存储阶段期间，气体到涡轮机3c或压缩机3b的流动速率是193归一化立方米每秒(Nm3/s)，从而提供如图5中所示的238秒的热力学循环时间，这对应于完全充电的持续时间中600个周期的气体循环。可以为放电周期获得类似的值。
因为起因于燃烧的气体攻击力，离心式或轴向式的压缩机和涡轮机通常在温度上受到限制，然而在本发明的设备中，所述涡轮机和所述压缩机用于具有诸如氩气的惰性气体的闭合回路中，从而使得这种机器能够提供以比现有技术高得多的温度的工作点。
存储在第一和第二外罩中的能量直到使设备在充电-放电方面维持长时间不工作才会损失，于是就会在周围的介质中产生损失，主要是通过所述外罩的保温层12发生损失。
由于本方法在存储大量能量中实质上是有优势的，外罩是体积相对庞大的，其意味着它们的表面与体积之比较小。大外罩的热损失仅占存储的能量的一小部分。呈现高孔隙率的材料(例如，陶瓷纤维毡或陶瓷泡沫塑料)实现了绝热。计算显示在上述示例中，使用传统纤维材料的2m厚度的保温层能够将能量损失限制在每天小于1％。
由于气体是惰性的，工作在高温的大型压缩机3b和大型涡轮机4c可以有利地以碳基材料来制成。这种材料能够在机械上承受极高的温度，高达超过2000℃。它们并不经常用于构造涡轮机，因为它们在诸如空气或燃烧产物的氧化气体中迅速氧化。该局限在这里是不适用的，所以可以设想使用碳基材料。已经实验性地或者为寿命不超过几分钟的火箭引擎制造了碳涡轮机。在本发明的该应用中，这种涡轮机或压缩机不存在寿命上的限制。在使用金属制成的目前的机器中，必须借助冷气体的内部流动来冷却叶片，且这样来实现对效率有损失。尽管如此，由于蠕变现象，运动的叶片呈现了有限的寿命。
图1显示了两个单独的加热器5a和5b，然而只要使导管的结构适当地加以修改适应，可以使用单个加热器。
Claims (29)
1.一种用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述装置包括：
·第一和第二外罩(1、2)，所述第一和第二外罩(1、2)包含气体和第一及第二多孔耐高温材料(11)，所述第一及第二多孔耐高温材料(11)适合于通过在所述多孔耐高温材料与流过所述外罩的气体之间的接触来传热；及
·管道(1c、1c’、2c、2c’、1d、1d’、2d、2d’)的闭合回路，所述闭合回路能够使气体连续地从一端到另一端通过这两个外罩中的每一个；及
·压缩机模块(3b、4b)和膨胀机模块(3c、4c)，用于压缩和膨胀在连接到另一个外罩的一端的外罩每一端之间的所述管道中流动的气体；及
·优选地，第一气体加热器模块，所述第一气体加热器模块适合于加热在所述第二外罩(5a)中流动的气体；及
·再优选地，冷却器模块(6)，用于冷却在所述第一外罩的一端与所述压缩机模块(4b)和膨胀机模块(3c)之间流动的气体，所述冷却器模块(6)适合于冷却在所述膨胀机模块(3c)中进行膨胀之前在所述端离开所述第一外罩的气体、或者适合于分别冷却在由所述压缩机模块(4b)压缩后进入所述第一外罩中的气体。
2.如权利要求1所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，其包括：
A)第一保温外罩(1)，所述第一保温外罩(1)被填充有第一多孔耐高温材料，所述第一多孔耐高温材料适合于传送在所述第一外罩的顶端与底端(11、12)之间流过所述第一外罩的气体；及
B)第二保温外罩(2)，所述第二保温外罩(2)被填充有第二多孔耐高温材料，所述第二多孔耐高温材料适合于传送在所述第二外罩的顶端与底端(21、22)之间流过所述第二外罩的气体；及
C)保温管道(1c、1c’、2c、2c’、1d、1d’、2d、2d’)，所述保温管道使得气体能够流入在这两个外罩之间的闭合回路，所述管道包括在这两个外罩的顶端(11、21)之间的第一顶管和第二顶管(1d-1d′，2d-2d′)，及在这两个外罩的底端(12、22)之间的第一底管和第二底管(1c-1c′，2c-2c′)；及
D)优选地，第一气体加热器模块(5a)，所述第一气体加热器模块(5a)适合于加热在所述第二外罩中的气体；及
E)第一气体压缩机模块(3)，所述第一气体压缩机模块(3)包括电动机(3a)，所述电动机(3a)适合于被输入电能(E1)来存储，以便致动第一压缩机(3b)，所述第一压缩机(3b)适合于压缩通过所述第二顶管(2d)的来自所述第二外罩的所述顶端(21)的气体，以经由所述第一顶管(1d)将其传递到所述第一外罩的所述顶端(11)；及
F)第一气体膨胀机模块(3c)，所述第一气体膨胀机模块(3c)包括第一涡轮机(3c)，所述第一涡轮机(3c)适合于膨胀通过第一底管(1c)的来自所述第一外罩的所述底端(12)的气体，以经由第二底管(2c)将其传递到所述第二外罩的所述底端(22)；及
G)第二气体压缩机模块(4b)，所述第二气体压缩机模块(4b)适合于压缩通过另一个第二底管(2c、2c’)的来自所述第二外罩的所述底端(22)的气体，以经由另一个第一底管(1c、1c’)将其传递到所述第一外罩的所述底端(12)；及
H)第二气体膨胀机模块，所述第二气体膨胀机模块包括第二涡轮机(4c)，所述第二涡轮机(4c)适合于膨胀通过另一个第一顶管(1d、1d’)的来自所述第一外罩的所述顶端(11)的气体，以经由另一个第二顶管(2d、2d’)将其传递到所述第二外罩的所述顶端(21)，所述第二膨胀机模块适合于致动发电机(4a)，所述发电机(4a)适合于返还所述电能(ER)；及
I)气体冷却器模块，优选地是热交换器(6)，所述气体冷却器模块适合于冷却分别在所述第一外罩的所述底端(12)与在所述第二压缩机(4b)和所述第一涡轮机(3c)的出口和入口之间的所述第一底管(1c、1c’)中流动的气体。
3.如权利要求2所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，其包括第二气体加热器模块(5b)，所述第二气体加热器模块(5b)适合于加热在所述第二外罩的顶端与所述第一压缩机(3b)之间的所述第二顶管(2d)中流动的气体。
4.如权利要求2或3所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一涡轮机(3c)适合于由以机械方式耦接于其上的所述第一压缩机(3b)来致动。
5.如权利要求2-4中任意一项所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第二涡轮机(4c)耦接到适合于驱动其的辅助电动机(4d)。
6.如权利要求2-5中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第二压缩机(4b)由以机械方式耦接于其上的所述第二涡轮机(4c)驱动。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述装置填充惰性气体，优选地是氩气。
8.如权利要求2-7中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一外罩和第一多孔耐高温材料能够耐受至少750℃的温度T1，优选地在750℃到2000℃的范围内、更优选地为1000℃到1500℃；以及将所述第二涡轮机的尺寸定为用于使气体在所述温度T1膨胀，而将容积比第二涡轮机小的所述第一涡轮机的尺寸定为用于将气体从环境温度T0膨胀到-80℃到-20℃范围中的温度T3。
9.如权利要求2-8中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第二外罩和第二多孔耐高温材料能够耐受至少400℃的温度T2，优选地在400℃到1000℃范围中、更优选地为500℃到700℃；以及将所述第一压缩机的尺寸定为用于使气体在所述温度T2压缩，而将容积比所述第一压缩机小的所述第二压缩机的容积定为用于将气体从-80℃到-20℃范围中的温度T3压缩到环境温度。
10.如权利要求2-9中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一压缩机适合于以大于所述第一涡轮机的体积流率进行传递、且所述第二涡轮机适合于以大于所述第二压缩机的体积流率进行传递，以及所述第一压缩机和第二涡轮机由碳制成。
11.如权利要求1-10中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高温材料呈现在20％到60％范围内的孔隙率。
12.如权利要求11所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高温材料由一块接一块装配的多孔砖(11)组成，优选地，所述多孔砖(11)具有贯穿其中的圆柱形穿孔(111)，所述穿孔(111)在常见的纵向上来平行布置，该纵向方向是在其中装配多孔砖(11)的外罩的纵向方向，所述穿孔更优选地具有5mm到20mm范围中的直径。
13.如权利要求1-12中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高温材料由耐火泥构成，所述耐火泥具有高含量的从氧化镁、氧化铝和石灰中选择的化合物。
14.如权利要求1-13中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一多孔耐高温材料由重烤耐火泥或耐火粘土构成。
15.如权利要求1-14中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第二多孔耐高温材料由初烤耐火泥构成。
16.如权利要求1-15中任意一项所述的所述的用于存储并返还电能的装置，其特征在于，所述第一和第二外罩分别具有不小于5000m3的体积，优选地在10,000m3到45,000m3范围中。
17.一种以热能形式存储电能(E1)的方法，其中，使用了权利要求1-16中任意一项所述的装置，所述方法特征在于，在将加热到温度T2的所述第二外罩中的气体预热的初始步骤后，将所述装置填充起初在环境温度T0的惰性气体，执行以下连续的步骤：
1)在将离开第二外罩(2)顶端(21)的温度T2的气体传送到所述第一外罩的顶端(11)之前，通过在所述第一压缩机(3b)中压缩该气体从而将其加热到高于温度T2的温度T1，在第一外罩中建立高于第二外罩的压力P2的压力P1，所述第一压缩机(3b)由要存储的电能(E1)供电的第一电动机(3a)驱动；及
2)气体在所述顶端(11)与其所述底端(12)之间从头到尾穿过所述第一外罩、且将第一外罩的所述底端(12)维持在环境温度T0或高于T0但小于T2的温度T’1；及
3)如果需要的话，随后由优选地是热交换器类型的所述气体冷却器模块(6)将气体冷却到环境温度T0，气体冷却器模块位于第一外罩的底端(12)的出口的下游；及
4)随后通过优选地由所述第一压缩机(3b)驱动的第一涡轮机(3c)将气体膨胀到第二外罩的所述压力P2，其低于压力P1，随后在通过所述第二外罩的底端(22)进入所述第二外罩之前，将气体冷却到低于T0的温度T3；及
5)使得气体在所述第二外罩的所述底端与顶端(22、21)之间流过所述第二外罩，从而获得增大在冷却到温度T3的所述第二外罩底部(2b)中的耐高温材料的体积的效果，并获得减小在温度T2或低于T2但高于T0和T’1的T’2的其顶部(2a)的体积的效果，并且，如果因需要而必须的话，借助于第二气体加热器模块(5b)将离开第二外罩的温度T’2的气体加热到温度T2；及
6)重复以上步骤1)到5)，直到加热到温度T1的第一外罩的顶部(1a)占据了所述第一外罩的体积的至少80％、且第二外罩的底部(2b)冷却到温度T3从而占据第二外罩的体积的至少80％。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在步骤6)中，中断存储，以使得在所述温度T’1的第一外罩的底部(1b)占第一外罩的体积的至少10％、优选地是第一外罩的体积的10％到20％，和/或在温度(T2)的第二外罩的顶部(2a)占小于所述第二外罩的体积的20％、优选地是10％到20％。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述温度T1和T2使得T1/T2＝1.5到3；T1/T0大于2，优选地大于3，更优选地小于6；且P1/P2在2到4范围中。
20.如权利要求17-19中任意一项所述的方法，其特征在于，T1是750℃到2000℃，优选地是1000℃到1500℃；且T2是400℃到1000℃，优选地是500℃到700℃。
21.如权利要求19或20所述的方法，其特征在于，压力P1在2到4巴表压(2×105Pa到4×105Pa)范围中，且压力P2在0.5到1.5巴表压(0.5×105Pa到1.5×105Pa)范围中。
22.如权利要求17-21中任意一项所述的方法，其特征在于，如果需要的话，T0在10℃到50℃范围中，T3在-80℃到-20℃范围中，T1’在20℃到150℃范围中。
23.如权利要求17-21中任意一项所述的方法，其特征在于，所存储的电能的量在20MWh到10,000MWh范围中。
24.一种从借助于如权利要求17-23中任意一项所述的方法存储的热能返还电能(ER)的方法，所述方法特征在于，在由所述辅助电动机(4d)驱动所述第二压缩机(4b)和所述第二涡轮机(4c)的初始开始阶段后，在该初始阶段期间，在第一外罩中的压力P’1与第二外罩中的小于P’1的压力P’2之间建立压力梯度，以使得P’1大于P’2、P’1优选地大于P1且P’2优选地小于P2，执行以下连续的步骤：
1)通过第二涡轮机(4c)将经由第一外罩(1)的顶端(11)离开的在所述温度T1的气体膨胀并冷却到温度T2，且所述第二涡轮机(4c)致动所述第二发电机(4a)，从而使得能够返还要传递的电能(ER)；及
2)气体从其顶端(21)到其底端(22)通过所述第二外罩，将第二外罩的顶部(2a)加热到所述温度T2，第二外罩的底部(2b)保持在所述温度T3；及
3)随后借助于通过所述第二压缩机(4b)来压缩离开所述第二外罩的底端(22)的在温度T3的气体，所述第二压缩机(4b)优选地借助于由第二涡轮机(4c)释放的能量来致动所述第二压缩机，以便气体在所述第二压缩机(4b)的出口处加热到高于环境温度T0且如果需要的话下大于T’1但小于T2的温度T4；及
4)优选地，随后在由其底端(12)被引入到所述第一外罩(1)中从而进入在所述温度T’1的所述第一外罩的底部(1b)中之前，气体由所述冷却器模块(6)冷却到环境温度T0或T’1；及
5)使得气体流过所述第一外罩，从而获得增大在所述温度T’1的底部(1b)中的耐高温材料的体积、并减小在所述热温度T1的顶部(1a)中的耐高温材料的体积的效果；及
6)重复以上步骤1)到5)，直到在所述温度(T1)的第一外罩的底部(1b)占第一外罩的体积的至少80％、且在所述温度(T2)的所述第二外罩的顶部(2a)占所述第二外罩的体积的至少80％。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，在步骤6)中，中断所述能量返还方法，以便将第一外罩的顶部(1a)保持在所述温度T1，所述顶部(1a)占小于所述第一外罩的体积的20％、优选地10％到20％，和/或在所述冷温度T3的第二外罩的底部(2b)占小于第二外罩的体积的20％、优选地10％到20％。
26.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，由所述发电机(4a)返还的电能的效率ER/E1大于60％，且优选地在75％到85％范围中。
27.如权利要求24-26中任意一项所述的方法，其特征在于，比率P’1/P’2在3到5范围中。
28.如权利要求24-27中任意一项所述的方法，其特征在于，T4在150℃到400℃范围中。
29.如权利要求24-28中任意一项所述的方法，其特征在于，压力P’1在3到5巴表压(2×105Pa到4×105Pa)范围，P’2在1到1.5巴表压(1×105Pa到1.5×105Pa)范围中。
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