CN101828319A - 用于使用活塞型气体压缩和膨胀单元存储和返回电能的装置和方法 - Google Patents

用于使用活塞型气体压缩和膨胀单元存储和返回电能的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于存储和返回电能的装置和方法，包括包含多孔耐火材料(11)的第一和第二隔热外壳(1，2)，通过使气体流经分别地插入所述第一和第二外壳的顶部和底端(11，21和11，22)之间的管道回路(1c，1d，2c，2d)中的第一和第二压缩/膨胀组(30，40)来使气体流动，每个压缩/膨胀组均包括在气缸(30b，40b)中平移移动的活塞(30a，40a)，每个组均在不同的模式中操作，不是在压缩模式中就是在膨胀模式中，两个压缩/膨胀组之一接收处于高于另一个组中的温度下的气体，这样在压缩模式中它由消耗用于存储E1的电能的电动机(41)驱动，并且在热力发动机模式中它驱动能够使电能(ER)被返回的发电机(52)。电能以热的形式存储在耐火物质的质量中，并且所述存储的热势能以电能的形式返回。

Description

用于使用活塞型气体压缩和膨胀单元存储和返回电能的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种适于存储几十乃至几百兆瓦时(MWh)的用于存储和返回电能的装置，并且它还涉及其中使用本发明的装置存储热能形式的电能的方法，和一种用于使用本发明的方法从存储的热能中返回电能(ER)的方法。
背景技术
本发明涉及在高温下存储能量并且尤其涉及存储电能从而在消耗高峰时将它从电网返回。
电通常是由发电站使用用于生成能量的多种燃料例如气体、油、煤或褐煤发出的。另一种方法是使用核燃料生成热，热然后在高压蒸汽涡轮中转换成电能。
在不同的国家中还已知能够在很大程度上对电的生产做出贡献的可再生能量。在其它的可能中，可以提到：从水坝获得的液压能、风力涡轮机、从海流中获得能量的水轮机和从海浪或从太阳能中回收能量的各种设备。
虽然从燃料或从由水坝保持的水中发电的装置能够在很长的时期内以额定或最大功率连续地操作，可再生能量的特征是操作是间歇的，并且在网络中包含可再生能量通常用于卸载仅仅一部分传统的发电站，其中的一些因此能以低功率运行甚至停止，而等待网络上的功率需求。
已知使用涡轮或往复式发动机来从燃料例如气体或油中生成机械能的各种技术，它们主要在于压缩氧化剂-通常为空气，然后混合它与燃料并且使它在燃烧室中燃烧，并且最后回收所生成的机械能。在该类型的回转机械中会寻求最大效率，其中最大效率是膨胀涡轮或发动机入口温度的函数。对操作温度的限制是由于膨胀涡轮中的叶片或在使用活塞发动机时发动机的各种活动部件的金属部分更特别地是阀、气缸盖和活塞顶盖的温度特性。
也已知蒸汽涡轮用于核电站中用于将已经带入非常高的温度的蒸汽形式的水的能量首先转换为机械能，然后在联接到蒸汽涡轮轴的端部的发电机内转换成电能。这种蒸汽涡轮在热输送流体的闭路中操作，蒸汽相的水在涡轮上游并且液体水在所述涡轮下游。
在很长时间内已经尝试存储能量从而使能量可以在消耗峰值期间几乎同时地可用。已经开发了多种技术，并且在其它之间可以提及电存储电池-通常是铅酸电池，或者将水泵送至高处的水坝，从而在能量需求的峰值期间驱动涡轮。
在铅酸电池中存储能量对小型和中型容量是有效的技术，但是当需要存储核电站单元的当量即大约1200兆瓦(MW)超过24小时(h)或36h的时期时，所需的装置就会变得很巨大并且实际上不现实。
尽管水坝构成了用于存储能量的很好的设施，不幸的是适当的地点的数目是有限的，并且另外存储非常大量的能量需要调动非常大量的水，该数量然后需要从可用的数量中取出，随后它们需要在其中不需要这些数量的水时例如用于灌溉的时期内释放，在用于灌溉的该情形中水会部分地失去。然而，几个地点包括高的贮存点和低的贮存点，通常为大容量的湖泊，并且当存储能量时，低的湖泊的包含物被泵送直至高的湖泊，以可以在消耗高峰需要附加的功率输送至电网时用于沿相反方向驱动涡轮。
另一种技术在于存储压缩空气形式的能量，然后由活塞发动机、叶轮电动机或涡轮将它再转换成机械能。
专利WO 2005/108758描述了一种在地下的外壳中存储热形式的能量的技术，热由最初在大气压和环境温度下的压缩空气生成，且地下存储中的温度大约为700℃。在该申请中，气体即空气会在存储阶段期间在开路中从自由的大气流入洞穴中，然后在能量返回阶段期间从洞穴流到自由的大气中。
在另一个技术领域中，再生炉通常用在使用火即具有鼓风炉的工业中、在陶瓷和赤陶工业中、在玻璃制造和水泥制造工业中，这些再生炉发送热的燃烧废气到大的塔中以加热容纳在其中的耐火物质，从而在将所述气体释放到大气之前从气体中回收热。当在耐火材料内达到最大温度时，热气的流动停止并且冷却空气的回流流过，该空气在被导入炉子入口或导入燃烧器之前通过与耐火材料接触变热。这些布置能够使消耗大量能量的工业生产过程中的热损失相当大地减少。
所造成的问题是从传统的发电站例如煤、气体、油或核电站存储电能，以便能够在当能量需求超过生产量时在峰值期间向电网络非常迅速地返回很大数量的能量。
同样，使用可再生能量例如风力涡轮机或海水涡轮机，问题是能够在强风或水流时期期间能够存储大量的能量，所述能量对应于过剩的生产，以便在其中生产不充分的阶段即当风或水流不能使发电水平维持在最小阈值期间返回所述能量。
发明内容
为了做到这一点，本发明基本上在于将相当数量的电能以热的形式存储在耐火材料物质中，能够使能量传递的流体是气体，优选地为惰性气体例如氩，然后将所述存储的热势能以电能的形式返回。
更精确地，本发明提供了一种用于存储和返回电能的装置，该装置的特征在于它包括：
A)第一隔热外壳，充满适于通过气体的第一多孔耐火材料，其中气体在所述第一外壳的顶端和底端之间流动通过所述第一外壳；和
B)第二隔热外壳，充满适于通过气体的第二多孔耐火材料，其中气体在所述第二外壳的顶端和底端之间流动通过所述第二外壳；和
C)能够使气体在两个外壳之间的闭路中流动的隔热管道，管道包括位于两个外壳的顶端之间的第一和第二顶部管道和位于两个外壳的底端之间的第一和第二底部管道；和
D)气体压缩和膨胀单元，包括：
D1)插入所述第一外壳和第二外壳的顶端之间的至少一个第一气体压缩/膨胀组，它分别地通过第一顶部管道和第二顶部管道连接到所述第一外壳和第二外壳上，该组包括适于在所述第一气缸中平移移动的第一活塞，所述第一气体压缩/膨胀组联接到电动机和发电机上，所述第一气体压缩/膨胀组能够如下操作：
●在压缩模式中，所述第一活塞在由电能提供动力的所述电动机的驱动下平移移动从而在所述第一气缸中压缩来自第二外壳的所述顶端的气体并且将它发送至第一外壳的所述顶端；
●或者在膨胀或“热力发动机”模式中，所述活塞通过来自第一外壳的所述顶端的气体在所述第一气缸中的膨胀平移移动以经由所述第二顶部管道发送至第二外壳的所述顶端，所述第一活塞的运动用来驱动所述发电机并因此返回电能(ER)；和
D2)插入所述第一外壳和第二外壳的底端之间的至少一个第二气体压缩/膨胀组，它分别地连接至所述第一底部管道和第二底部管道，该组包括适于在第二气缸中平移移动的第二活塞，所述第二活塞的运动耦合到所述第一活塞的运动上，其方式为所述第二气体压缩/膨胀组适于如下操作：
●在膨胀或者“热力发动机”模式中，当所述第一压缩/膨胀组在压缩模式中操作时，以便膨胀来自第一外壳的所述底端的气体并且将它发送至第二外壳的所述底端；
●或者在压缩模式中，当所述第一压缩/膨胀组在膨胀模式中操作时，压缩来自第二外壳的所述底端的气体并且将它发送至第一外壳的所述底端；和
E)第一气体加热设备，适于加热在所述第二顶部管道中所述第二外壳的顶端和所述第一压缩/膨胀组之间流动的气体，并且优选地第二气体加热设备，适于加热所述第二外壳内部的气体；和
F)气体冷却设备，优选地为热交换器，适于冷却在所述第一底部管道中第一外壳的底端和所述第二压缩/膨胀组之间的气体。
应当理解，第一活塞和第二活塞的运动连在一起，这样由气体在第一气缸中的膨胀导致的所述第一活塞在膨胀或“热力发动机”模式中的运动并未完全地返回至所述发电机，因为它还导致所述第二活塞在压缩模式中移动以在第二气缸中压缩气体，并且反之亦然，所述第二活塞在膨胀模式中由气体在第二气缸中的膨胀导致的运动有助于移动处于压缩模式中的所述第一活塞用于压缩第一气缸中的气体。
更特别地，所述第一和第二活塞通过机械方式联接至公共曲柄轴，该公共曲柄轴适于由所述电动机旋转驱动并且适于驱动所述发电机，所述第一和第二活塞的运动优选地设定成在180°处反相。
因此可以理解，当所述第二活塞处于尽可能远离所述第二气缸的气缸盖(“下死点”)的初始位置中时，所述第一活塞在其行程结束时会尽可能近地接近所述第一气缸的气缸盖(“上死点”)，并且反之亦然。
更特别地，第一气缸和第二气缸中的每一个均包括至少两个阀，它们分别使气体进入所述第一气缸和第二气缸和从其中排出，所述阀的打开和关闭被控制为活塞在所述气缸中的位置的函数或者作为所述气缸中气体压力的值的函数。
更特别地，气缸的两个阀被导致打开和关闭如下：
1)用于所述压缩/膨胀组的活塞在压缩模式中操作：
1a)当活塞处于上死点并且开始移动远离气缸盖时进气阀打开并且排气阀关闭；
1b)当活塞处于下死点并且开始朝气缸盖返回时进气阀关闭，因此压缩气体；和
1c)一旦气缸中的压力达到下游外壳中的压力值，排气阀就打开；
2)用于在膨胀模式中也被称作“热力发动机”模式中操作的所述压缩/膨胀组的活塞：
2a)当活塞处于上死点并且开始移动远离气缸盖时进气阀打开并且排气阀关闭；
2b)在活塞达到下死点之前进气阀关闭，这样当活塞处于下死点并且开始朝气缸盖返回时，气缸中压力的值就基本上等于下游室中的压力；和
2c)一旦活塞达到下死点，排气阀就打开。
在一个优选实施例中，本发明的装置充满惰性气体特别是氮气，并且优选地为氩。
如下所述，氩气是有利的，因为它充当持久和惰性的气体，并且因此不会腐蚀管道，且单原子气体具有易于加热的优点，因此具有有限的压缩比，并且由于其丰富而成本低。
在特别的实施例中，装置具有特性，藉此：
●所述第一外壳和第一多孔耐火材料能够承受至少300℃的温度T1，优选地至少为300℃至1000℃，更优选地为400℃至600℃；和
●所述第二外壳和第二多孔耐火材料能够承受至少100℃的温度T2，优选地为至少100℃至500℃，更优选地为200℃至400℃。
有利的是，所述第一气缸的体积大于所述第二气缸。
更特别地，所述第一气缸尺寸设计成分别地压缩和膨胀，并且在所述温度T1和T2之间分别地加热和冷却气体，而所述第二气缸的尺寸设计成分别地压缩和膨胀并且在位于-50℃至-20℃的范围内的温度T3和环境温度T0之间分别地加热和冷却气体。
优选地，所述耐火材料具有至少2000千焦每立方米每开尔文(kJ.m-3.K-1)的每单位体积的固有热容量，并且更优选地为至少2800kJ.m-3.K-1。
有利的是，所述第一和第二多孔耐火材料具有位于20％至60％范围内的孔隙率。
更特别地，所述第一和第二多孔耐火材料由一个对着另一个装配的多孔砖构成，优选地具有由此贯穿通过的圆柱形穿孔，穿孔平行于公共的纵向方向平行布置，该公共的纵向方向是多孔砖在其中装配的外壳的纵向方向，所述穿孔更优选地具有在2毫米(mm)至20mm的范围内的直径。
在特别的实施例中，所述第一和第二多孔耐火材料由具有高含量的从氧化镁、氧化铝和石灰中选取的混合物的火泥构成。
可以提及的耐火材料是耐火粘土、氧化镁、白云石、莫来石以及碳、耐火混凝土乃至天然材料例如隧石砂。
更特别地，所述第一多孔耐火材料由重烤火泥或耐火粘土构成，并且所述第二多孔耐火材料由初烤火泥构成。
在特定实施例中，所述第一外壳和第二外壳具有不小于500立方米(m3)的各自的体积，并且优选地位于1000m3至5000m3的范围内。
有利的是，所述第一外壳和第二外壳中的每一个均由多个竖直钢柱构成，钢柱的顶端和底端分别地经由顶部歧管和底部歧管分别地连接至公共的所述顶部管道和公共的所述底部管道。
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，该方法的特征在于，在预热被加热至温度T2的所述第二外壳的气体的初始步骤之后，所述装置充满初始地处于环境温度T0下的永久气体，执行下面的相继步骤：
1)离开在温度T2的第二外壳顶端的气体在被输送至所述第一外壳的顶端之前通过在压缩机模式中操作的所述第一压缩/膨胀组中压缩而加热至比温度T2更高的温度T1，其中压力P1被确定为高于第二外壳的压力P2，所述第一压缩组由将被存储的电能提供动力的所述电动机驱动；和
2)气体在所述顶端和其所述底端之间完全通过所述第一外壳，并且它在环境温度T0或大于T0但是小于T2的温度T’1离开第一外壳的所述底端；和
3)气体然后在适当的地点被位于第一外壳的底端的出口的下游的所述气体冷却器设备冷却至环境温度T0，且冷却器设备优选为热交换器类型；和
4)气体然后通过在膨胀模式中操作的所述第二压缩/膨胀组膨胀成低于压力P1的第二外壳的所述压力P2，气体因此在经由所述第二外壳的底端进入它之前被冷却成低于T0的温度T3；和
5)气体被导致在第二外壳的所述底端和顶端之间流经所述第二外壳，因此具有的效果是增大在冷却至温度T3的所述第二外壳的底部中耐火材料的体积，并且减小处在温度T2或低于T2但是大于T0和T’1的T’2处的其顶部的体积，并且如果有必要的话，在适当的地点，离开温度T2下的第二外壳的端部的气体通过第二气体加热设备的帮助被加热至温度T’2；和
6)上面的步骤1)至5)重复直到被加热至温度T1的第一外壳的顶部占据了至少80％的所述第一外壳的体积，并且第二外壳的底部冷却至温度T3，占据了至少80％的第二外壳的体积。
应当理解，在每个步骤2)处，当气体在初始地全部处于温度T0的第一外壳的顶端处达到温度T1并且气体从顶端朝第一外壳的底端向下移动时，流经所述第一多孔耐火材料的气体具有气体向第一外壳的顶部中的所述第一耐火材料输送热的效果，所述第一外壳然后变得加热至温度T1，而未被加热或被更小程度地加热的其底部处于位于T0至T1范围内的温度T’1处，并且实际上在T0至T2的范围内。当在闭环中循环的气体继续通过时，第一外壳中热的顶部和冷的底部之间的锋面，更确切地说热过渡层会向下移动，并且处于温度T1下的顶部占据了不断增大的体积。并行地，在步骤5)中，气体渗入处于低温T3下的第二外壳的底部，因此具有从所述第二多孔耐火材料中提取热并因此冷却第二外壳的底部从温度T2变成温度T3的效果。当气体继续通过时，第二外壳中热的顶部和冷的底部之间的锋面，更确切地说热过渡层会向上前进，并且处于温度T3下的底部占据了不断增大的体积。
用于向在压缩模式中操作的第一压缩/膨胀组供给能量的电能E1因此以(热)热能的形式存储在第一外壳中并且以(冷)热能的形式存储在第二外壳中，且该能量取决于梯度T1-T3。
优选地，存储被中断，这样处于所述温度T’1下的第一外壳的底部表示了第一外壳的体积的至少10％，优选地为第一外壳体积的10％至20％，和/或处于温度T2下的第二外壳的顶部表示小于所述第二外壳体积的20％，优选地为10％至20％。
依照有利的本发明的其它特定特性，所使用的所述耐火材料具有下列性能和质量：
●所述温度T1和T2为T1/T2＝1.2至2并且T1/T0大于1.3，优选地大于1.5，并且还优选地小于2.5，并且P1/P2在2至4的范围内；并且
●T1为300℃至1000℃，优选地为400℃至600℃，并且T2为100℃至500℃，优选地为200℃至400℃；并且
●压力P1位于20-300巴绝对压力(2MPa至30MPa)的范围内，更特别地在30至150巴绝对压力(3MPa至15MPa)的范围内，并且压力P2位于10至100巴绝对压力(1MPa至10MPa)的范围内，并且更特别地在20至50巴绝对压力(2MPa至5MPa)的范围内；并且
●T0为10℃至40℃并且T3为-50℃至-20℃，T1’位于20℃至100℃的范围内，在适当的位置处。
有利的是，存储的电能的量位于20Mwh至1000Mwh的范围内。
本发明还提供一种从由如上所界定的本发明的方法存储的热能中返回电能的方法，该方法的特征在于，在其中所述第一和第二压缩组由所述电动机驱动的初始起动阶段之后，会执行下列相继的步骤，其中在该初始阶段中，所述第一和第二组被导致分别在膨胀模式和压缩模式中操作，其方式为在第一外壳中的压力P’1和第二外壳中小于P’1的压力P’2之间建立压力梯度，P’1优选地大于P1并且P’2优选地小于P2：
1)经由所述温度T1下的第一外壳的顶端离开的气体通过所述第一膨胀/压缩组被膨胀和冷却至温度T2，其中所述第一膨胀/压缩组在膨胀模式中操作并且驱动能够使返回的电能被输送的所述发电机；和
2)气体从所述第二外壳的顶端至其底端流经所述第二外壳，第二外壳的顶部被加热至温度T2，第二外壳的底部仍然处于所述温度T3处；和
3)离开处于温度T3下的所述第二外壳的底端的气体然后通过流经所述第二压缩/膨胀组被压缩，从而在所述第二压缩/膨胀组的出口处被加热至大于环境温度T0并且适当地大于T’1但是小于T2的温度T4，其中所述第二压缩/膨胀组在压缩模式中操作，由在膨胀模式中操作的所述第一压缩/膨胀组释放的能量驱动；和
4)优选地，在由所述第一外壳的底端导入所述第一外壳以进入处于所述温度T’1下的所述第一外壳的底部之前，气体然后由所述冷却器设备冷却至环境温度T0或T’1；和
5)气体被导致流经所述第一外壳，因此具有增大耐火材料在处于所述温度T’1下的底部中的体积和减小耐火材料在处于所述热的温度T1下的顶部中的体积的效果；和
6)上面的步骤1)至5)重复直至处于所述温度T1下的第一外壳的底部表示了至少80％的第一外壳的体积，并且处于所述温度T2下的所述第二外壳的顶部表示了至少80％的所述第二外壳的体积。
应当理解，为了如本发明的能量存储方法中那样将外壳维持在相同的温度T1和T2中，在最初的步骤中，需要在两个外壳之间建立大于本发明的存储方法期间外壳之间的压力梯度的压力梯度。
应当理解，在每个步骤2)中，当气体达到第二外壳的顶端处的温度T2时，其最初在温度T2或小于T2的T’2处不大于20％，并且气体从第二外壳的顶端朝底端向下移动，气体通过所述第二多孔耐火材料的通道具有气体向在第二外壳的顶部中的所述第二耐火材料输送热的效果，第二外壳因此变得加热至温度T2，而其非加热的底部保持在温度T3下。当气体继续通过时，第二外壳中热的顶部和冷的底部之间的锋面，更确切地说热过渡层会向下移动，并且处于温度T3下的底部占据了不断减小的体积。并行地，在步骤5)中，气体达到环境温度T0或处于在第一外壳的底部中的温度T’1处，因此冷却所述第一多孔耐火材料并且因此冷却第一外壳的底部，且该底部从温度T1变成温度T’1。当气体继续通过时，第一外壳中热的顶部和冷的底部之间的锋面，更确切地说热过渡层会向上移动，并且处于温度T1下的顶部占据了不断减小的体积。
以(热)热能的形式存储在第一外壳并且以(冷)热能的形式存储在第二外壳中的电能E1因此由在气体从第一外壳的膨胀和冷却期间使用的所述第一压缩/膨胀组释放的机械能转换为电能ER。
优选地，在步骤6)中，能量返回方法被中断，从而将第一外壳的顶部维持在所述温度T1，所述顶部表示了小于20％并且优选地10％至20％的所述第一外壳的体积，和/或处在所述低温T3的第二外壳的底部表示小于20％并且优选地为10％至20％的第二外壳的体积。
有利的是，由所述发电机返回的电能的效率ER/E1大于60％，并且优选地位于70％至80％的范围内。
依照对本发明的返回电能的方法有利的其它特性：
●比率P’1/P’2位于2.2至5的范围内；并且
●T4位于30℃至100℃的范围内；并且
●压力P’1位于60至400巴绝对压力(6兆帕(MPa)至40MPa)的范围内并且P’2位于15至90巴绝对压力(1.5MPa至9MPa)的范围内。
附图说明
根据参照下图给出的下列详细说明，本发明的其它优点和特性将会显现出来，其中：
●图1A是本发明的装置在本发明的能量存储方法中即第一外壳或热源的再充能阶段中的功能图；
●图1B是在以电的形式返回第一外壳或热源中存储的热能时本发明的装置的功能图；
图2A至2D显示了在能量存储方法情形中分别在压缩模式和热力发动机模式中操作的第一和第二压缩/膨胀组30和40的操作循环的不同阶段；
●图3是本发明的装置的外壳的剖视图和侧视图，包括显示圆柱形穿孔的放大图；
●图3A和3B是显示形状分别为正方形和六边形的用于耐火材料元件的两个变体布置的水平面上的剖视图；
●图4显示了理想气体型热力循环和真实气体的压缩和膨胀；
●图5显示了用于从网络中获取的电能对第一外壳再充能的热力循环；
●图6显示了为了再注入网络中而返回来自第一外壳的能量的热力循环；
●图7、7A和7B显示了高度为h的热过渡层如何在所述第一外壳(图7)中在顶端和底端(分别在图7A和7B)之间推进；并且
图8A和8B是构成本发明的外壳的形式为压力下的竖直柱的一组罐的剖视图和侧视图，绝热系统在所述罐(3C)外部或所述罐(3D)内部。
具体实施方式
用于存储电能和用于返回电能的本发明的设备包括：
●第一隔热外壳1，包括10mm至100mm厚的钢壁并且充满能够抵抗其中容纳的惰性气体的高温和压力的第一多孔耐火材料，其中的温度T1在300℃至1000℃的范围内并且更特别地在400℃并且压力P1在50巴绝对压力(bara)至300bara的范围内(即在5MPa至30MPa的范围内)；和
●第二隔热外壳2，具有相同的体积，例如位于1000m3至5000m3的范围内，具有厚度在10mm至100mm范围内的钢壁并且充满第二多孔耐火材料，该第二耐火材料能够抵抗其中容纳的惰性气体的温度T2和压力P2，即T2位于100℃至500℃的范围内并且更特别地为大约250℃。
所述第一外壳1和第二外壳2基本上完全地填充有具有如上所述的高生热量的多孔耐火材料11。
该设备包括用于所述第一外壳1和第二外壳2之间的闭路循环的管路从而使容纳在装置中的气体在优选地分别位于所述外壳的顶端和底端的其两个相对端11-12和22-22之间流经每个外壳。
第一和第二外壳之间的循环管路还包括用于在两个外壳之间压缩/膨胀气体的压缩/膨胀设备(30和40)，如下所述。
更特别地，所述第一和第二外壳竖直地布置。
在图1A和1B中，第一外壳1在其顶端11处具有展开进入第一外壳的顶部1a中的顶部管路1d，并且在其底端12处它具有展开进入第一外壳1的底部1b中的第一底部管路1c。
类似地，第二外壳2在其顶端21处具有展开进入第二外壳2的顶部2a中的第二顶部管路2d和在其底端22展开进入第二外壳2的底部2b中的第二底部管路2c。
所述第一底部管路1c和第二底部管路2c和顶部管路1d、2d同样是隔热的。
所述第二外壳2联接到第一加热器5a上，优选为包括电阻5a1和第二外壳的两个端部之间的闭路的加热器管道系统5a3的加热器，在加热器管道系统5a3中流动的气体由所述第一加热器5a加热。
压缩和膨胀单元50插入所述第一外壳1和第二外壳2之间。压缩和膨胀单元50包括由电能E1供电的电动机51，用来驱动在压缩模式中操作的第一活塞压缩/膨胀组30，如下所述。单元50还具有联接到第一压缩/膨胀组30上并且以互补方式操作的第二活塞压缩/膨胀组40，如下所述。
所述第一组30在其出口处经由所述第一顶部管道1d连接至第一外壳1的顶端11，并且所述第一组30在其入口处经由所述第二顶部管道2d连接至所述第二外壳2的顶端21。在存储循环期间并且所述第一组在压缩模式中操作时压缩之后，所述顶部管道2d构成第一组30的进料管道并且所述第一顶部管道1d构成存储循环第一组30的排气管，如下所述。
优选地包括第二电阻5a2的第二加热器5b与所述第二顶部管道2d协同操作，所述第二加热器5b插入第二外壳2的顶端21与第一组30的入口之间。
参见图1A和1B，两个加热器5a和5b虽然描述为单独的，但是完全可以使用单个加热器，只要管路的路由适当地改造的话。
第二压缩/膨胀组40由所述第一底部管道1c连接至所述第一外壳1的底端12，并且所述第二压缩/膨胀组40经由所述第二底部管道2c连接至所述第二外壳2的底端22。所述第一底部管道1c用来向第二压缩/膨胀组40供给从第一外壳1的底部1b获得的气体，并且当设备在存储循环中操作并且所述第二组在如下所述的膨胀模式或“热力发动机模式”中操作时，离开所述第二压缩/膨胀组40的气体经由所述第二底部管道2c进入所述第二外壳2的底部2b。
热交换器6与在所述第一外壳1的底端12与所述第二压缩/膨胀组40之间的所述第一底部管道1c协同操作。
单元50还具有联接到所述第一压缩/膨胀组30上用于发电的交流发电机52从而在能量撤回循环中当所述第一压缩/膨胀组在膨胀模式或“热力发动机”模式中操作时返回电能ER。
第一压缩/膨胀组30经由提供了与第一外壳1的连接的所述第一顶部管路1d被供给气体。并且当设备在撤回循环中操作时，离开所述第一压缩/膨胀组30的膨胀气体经由第二顶部管路2d排放到第二外壳2的顶端21，因此提供了与第二外壳的顶端21的连接。
所述第二组40由所述第二底部管路2c供给气体，因此提供了它与第二外壳的底端22的连接。气体经由所述第一底部管路1c从所述第二组40朝所述第一外壳1的底端12排出。
图2A至2D详细显示了能量存储循环期间第一组30和第二组40的操作。
电动机51连接至曲柄轴53，曲柄轴53自身连接至发电机52，所述曲柄轴驱动第一组30，第一组30在能量存储阶段充当压缩机并且在能量返回阶段充当热力发动机。所述曲柄轴还连接至所述第二组40，第二组40在能量存储阶段充当热力发动机并且在能量返回阶段充当压缩机。
第一组30由第一活塞30a在其中轴向地移动的第一气缸30b构成，第一活塞优选地设置有活塞环30d并且由第一连杆30c以传统方式连接到所述曲柄轴53的曲柄销(未显示)上。第一气缸盖34装配有两个第一阀31a-31b，第一阀31a-31b由第一致动器32a-32b以传统方式或机械地、电地或液压地驱动从而使气缸的内部体积以存储能量时的压缩循环或返回能量时的膨胀热力循环的各自次序与各自的孔33a-33b连通。
以相同的方式，第二组40由第二活塞40a在其中轴向地移动的第二气缸40b构成，该第二活塞优选地具有活塞环40d并且由第二连杆40c以传统方式连接至所述曲柄轴53的曲柄销(未显示)。第二气缸盖44装配有第二阀41a-41b，第二阀41a-41b由第二致动器42a-42b以传统方式或机械地、电地或液压地驱动从而使气缸的内部体积以能量存储期间的膨胀热力循环或当返回能量时的压缩循环的各自次序与各自的孔43a-43b连通。
第一和第二气缸分别在设置有各自的第一和第二气缸盖的第一气缸和第二气缸中以本领域普通技术人员已知的方式平移移动，气缸盖装配有所述进气/排气阀，所述进气/排气阀以本领域普通技术人员已知的方式或者机械地、电地或液压地控制以实现下文更详细描述的次序。两个活塞30a和40a以反相即在曲柄轴53上的180°处安装。因此，当曲柄轴53旋转时，第一和第二活塞沿着它们各自的气缸的轴线平移移动，其方式为当活塞之一接近其自己的气缸盖时，相对的活塞远离其自己的气缸盖。
所述曲柄轴首先连接至电动机51然后连接至发电机52，其方式为在能量存储阶段期间，电动机51由来自网络的电能E1驱动，然后发电机52从所述网络上断开，而在返回能量的进行期，电动机51从网络上断开并且发电机52生成再注入所述网络的电能ER。
所述气缸盖中的每一个均具有最少两个阀即进气阀和排气阀，这些阀被机械地、电地或液压地单独地驱动，其特定次序取决于循环类型：能量充能循环或能量返回循环。
在充能循环中，第一组30充当压缩机而第二组40充当热力发动机，因此向充当压缩机的所述第一组30返回能量。相反，在能量恢复循环期间，角色反转并且第二组40充当压缩机，第一组30充当热力发动机并且向充当压缩机的所述第二组40返回能量。
本发明的压缩机提供了一组至少两个分别充当进气阀和排气阀的阀。
因此，在第一或第二组在“压缩机”模式中的操作期间，阀被单独地控制从而允许“低压-低温”气体在活塞远离气缸盖时通过驱动第一阀进入气缸内，且第二阀保持密封地关闭，并且允许“高压-高温”气体在活塞朝气缸盖移动时通过驱动第二阀而第一阀密封地关闭而逃逸。压缩循环发生在曲柄轴的一个回转中。在压缩循环期间，为了避免气体从下游管路返回压缩室，排气阀的打开有利地与所述室中压力的升高同步，即它不会打开直至所述室内的压力至少等于下游的压力。类似地，只要活塞在它一旦即将到达气缸盖并且开始沿相反方向移动时，排气阀的关闭就迅速地被驱动，然后进气阀被驱动以允许气体从上游管路通过。
组30和40在膨胀模式或热力发动机模式中以类似的方式操作对应于曲柄轴的一个回转的周期，但是阀操作的方式相对于当在压缩机模式中操作时是反向的。
因此，当组30和40在膨胀模式或“热力发动机”模式中操作时，阀被单独地控制从而在活塞远离气缸盖时通过驱动第一阀且第二阀然后密封地关闭来允许“高压-高温”气体进入到气缸中，并且当活塞接近气缸盖时通过驱动第二阀且第一阀然后密封地关闭而允许“低压-低温”气体逃逸。“热力发动机”循环发生在曲柄轴的一个回转中。
在存储能量的压缩机模式中和撤回能量的热力发动机模式中，第一组均在T1和T2之间的高温处操作，并且它显示了大的气缸容量。
在存储能量的热力发动机模式中和撤回能量的压缩机模式中，第二组均在T3和T0或T’1之间的低温处操作，并且它显示了小于第一组的气缸容量。
在图2A至2D中，可以看到对应于存储阶段即左活塞充当压缩机而右活塞充当热力发动机时曲柄轴的一个周转的设备的一个全循环的剖视图和侧视图。
在图2A中：
●第一活塞30a(在左侧)已经达到其下死点并且开始朝气缸盖34倒退，压缩气体：阀31a和31b均关闭，并且气缸中的压力增大，同时
●第二活塞40a(在右侧)已经达到其上死点并且开始移动远离气缸盖44；阀41b关闭并且阀41a打开从而允许来自第一外壳1的底部的热气经过。
在图2B中：
●阀31b位于关闭位置，第一活塞30a(在左侧)朝气缸盖34移动并且压缩气体直至压力P1对应于下游压力，即基本上等于第一外壳中的压力值。阀31a然后打开从而朝下游管路指引气体，并且同时
●阀41b关闭，且第二活塞40a(在右侧)远离气缸盖44，并且来自第一外壳的气体继续经由处于打开位置的阀41a进入到第二气缸中直至右侧的第二活塞已经在第二气缸中移动长度e的行程。
在图2C中：
●当第二活塞(在右侧)已经移动行程e时，阀41a关闭。在阀41b保持关闭时，热气膨胀并且向系统输送能量，所述能量直接传递至仍然处于压缩阶段的第一活塞(在左侧)；
●距离e被实时地计算和调整，其方式为当在右侧的第二活塞处于下死点时，所述第二气缸内的压力基本上等于第二外壳中出现的压力(P2)。
在图2D中：
●第二活塞(在右侧)已经达到其下死点时，第二活塞然后朝气缸盖倒退，阀41b然后被打开从而指引气体至第二外壳2的底部；
●类似地，第一活塞(在左侧)达到其上死点并且阀31a关闭时，然后阀31b立即地打开从而允许来自第二外壳2顶部的气体进入。
然后重新开始参见图2A说明的循环。应该观察到，触发阀41a的关闭的值e与触发阀31a的打开的压力值P1并无关联。
在上述存储循环期间，能量基本上是由电动机51提供的。由热力发动机(右活塞)输送的能量表示了很少量的能量，例如是由电动机输送的能量的1％至5％，但是它对于将所述能量重新注入系统从而避免存储撤回循环的总效率不会暴跌至关重要。
撤回循环与存储循环相同，并且因此关于阀的打开和关闭次序是对称的，左活塞变成热力发动机并且右活塞变成压缩机。然后热力发动机提供了非常大的数量的能量，而右压缩机仅仅使用该能量中的很小一部分，例如1％至5％，剩余的能量然后驱动发电机52，而发电机52将能量再注入电源网络ER中。
当起动撤回循环时，起动曲柄轴的运动并因此起到活塞的运动是适当的。为此，因为发电机没有加载，电动机51被驱动很短的时间例如10分钟，该段时间足以使设备达到其操作速度。然后电动机被断开连接并且发电机52连接至网络以再注入生成到所述网络中的能量。
在本发明的优选方案中，电动机和发电机包括单个回转机械，因此简化了本发明的设备的机械设备。
为了便于解释，第一组30和第二组40中的每一个在图1A和1B中均显示为具有单个活塞和气缸组件，然而活塞和气缸组件的数目有利地增大以提高单元50的容积。第一组30可以具有数目不同于第二组40的多个气缸，但是它们仍然与相同的曲柄轴关联，并且因此具有相同的电动机51和相同的发电机52。
对于大功率，有利地具有多个平行操作的组50。在这种情况下，每个组50与其它组在相同的模式下同时操作，无论是在存储模式还是撤回模式。然而，所有它们同时操作却不是必要的：一些组可以停止，例如用于维修。对所述停止组特有的气体输送和排气管然后由图1A和1B所示的隔离阀61a-61b和62a-62b从系统中隔离开。
外壳1和2中充满能够使气体在所述外壳的顶端11-12和底端12-22之间完全流动通过它们的多孔耐火材料11。第一和第二外壳中使用的多孔耐火材料可以具有在20％至60％范围内的孔隙率(空隙百分比)，因此构成首先气体和耐火材料之间充分的热交换和其次压头损失充分地低同时保持通过所述多孔材料的充分地高的流动速度之间的良好的折衷。在操作中，本发明的设备完全充满惰性气体，优选地为氩，即上述管道回路、涡轮、压缩机、加热器和所述第一和第二外壳都充满惰性气体。
图3是外壳的剖视图和侧视图，该外壳包括气密金属外罩13和布置在金属外罩13的壁与一堆耐火材料11的块或砖之间的内部绝热绝热层材料系统12，耐火材料11呈现出穿孔形式的竖直通道111，优选地为圆截面且具有在2mm至15mm范围内的直径，完全地经过它们并且以基本上均匀地方式布置在每个面中所述第一外壳的整个水平段上，如图3A和3B中详细显示的那样。
在各种叠置的块11中的通道111彼此对齐从而允许气体沿着外壳1、2的纵向方向ZZ在外壳的两个相对端之间循环而在沿相同的纵向方向ZZ彼此叠置的各个块中的通道之间不会有阻碍。位于所述外壳的底部中的高穿孔的支承结构14使气体能够经由相邻的隔热底部管路1c、2c进入或离开以在所述外壳的整个部分上以基本上均匀的方式展开，因此当从底部开始供给时，将气体以最佳方式即以最小的压头损失指引至竖直地通过耐火材料11的所述块的通道111。类似地，空区15设置在外壳的顶部中从而能在从顶部向外壳供给气体时使气体很好地散开。在图3中，气体经由底部进入并且通过外壳的顶部离开，这对应于第二外壳的存储阶段和第一外壳的返回阶段，如下所述。
图3A是图3的平面AA上的平面图中的局部水平剖面。耐火材料块11是正方形的并且它们穿设有多个沿垂直于图所在平面的垂直方向ZZ延伸的平行圆柱孔。块有利的是彼此间隔开，例如间隔的距离e＝5mm，这样在温度变化期间所述块的膨胀就会发生而不会损坏生成的空隙空间的厚度，并且还能够使所述空间在适当的地方用作使气体从外壳2的底部通过到达其顶部的竖直通道。耐火材料块11有利的是经由所述外壳的绝热绝热层材料12与外壳的壁直接接触，从而限制冷气或热气在所述区域中的任意直接和不受控制的通过。在本发明的第一方案中，在耐火材料块的连续平面中的块有利的是彼此偏移半个模块，即块交错半个块，从而保证组件在所述外壳内稳定，如图3所示。在外壳的优选方案中，块在外壳的整个高度上彼此竖直地堆叠，从而形成相互独立的堆叠，它们在所有方向都彼此远离5mm至10mm，因此在存储返回循环中进行膨胀而同时避免所述存储-返回循环期间水平面AA中出现磨损的任何风险，如它们安装在如图3所示的交错配置中时发生的那样。
在图3B中，可以看到耐火块11a为六边形部分，靠近圆柱形形状的外壳的绝热壁。与绝热壁的连接的实现或是通过与块的边缘的直接接触或者以适于曲率的绝热块12a的形式，或者使用例如与所述外壳的绝热层材料12相同类型的材料的绝热材料12a包装，或者使用形状与该曲率匹配的耐火块12b。
本发明的设备能够以两种不同模式操作，即：
●具有存储或充能循环的第一模式；和
●具有能量返回或能量撤回循环的第二模式。
能量存储或充能模式操作如下。最初，惰性气体例如氩或氮气加载到设备中即进入两个外壳、涡轮、压缩机和管道系统。它处于环境温度下，例如T＝20℃。
图1A显示了在第一外壳1中再充能能量或存储能量的阶段。
最初，整个装置处于在10℃至20℃范围内的环境温度T0处，且气体容纳在外壳内并且管道系统因此处于所述环境温度T0处并且两个外壳处于与加载压力相关的相同的初始压力处，例如1bara至1.2bara。
第二外壳2内的耐火材料的质量然后被加热至250℃的温度T2。为了实现这一点，第二外壳的气体被导致在其顶端21和底端22之间的闭环内循环并且它在外壳外部使用第一加热器5a进行加热，其中第一加热器5a加热在其外部上形成第二外壳的底端22和顶端21之间的回路的加热器管道5a3中的气体。风扇5a5致使气体循环通过加热器管道系统5a3，并且第一加热器5a包括第一电阻5a1。阀5a4用来在当它在初始预热结束而不使用时隔离第一加热器5a，因此避免正常循环期间气体的不希望的传递和再循环。
当第二外壳2中全部量的耐火材料已经升高到250℃的温度T2时，阀5a4关闭并且气体经由第二顶部管路2d发送至第一压缩机3b从而在压缩机模式中所述第一组30的出口处将它加热至位于300℃至600℃范围内的温度T1，例如400℃。在两个外壳之间建立的压力梯度，第一外壳升高至20bara至300bara(5MPa至30MPa)的压力P1，并且第二外壳中的压力P2降低至大约10bara至100bara(2MPa至10MPa)并且更特别地20bara至50bara。
在第一外壳中，耐火材料的顶部1a因此朝400℃的温度T1升高，而底部1b变得确定在位于20℃至100℃范围的温度T’1处。
在第一外壳的底端12的出口处，气体需要由处于热力发动机模式中的第二组40膨胀从而在经由其底部导入第二外壳之前将它重新确立在压力P2处，膨胀并且冷却至温度T3。在由系统存储的能量与温度梯度T1-T3相关的范围内，有利地是保持温度T3尽可能地低。为此，有利的是在尽可能低的温度下在热力发动机模式中使气体导入并且渗入到第二组40中。这就是气体在导入第一涡轮机3c之前通过在第一外壳的底端12的出口处的热交换器6的帮助从温度T’1冷却到位于10℃到20℃范围内的温度T0的原因。
在各个气体循环周期进行而同时在存储模式中操作时，在400℃的温度T1下的热的第一外壳中的耐火材料的顶部1a会在外壳中占有不断增大的体积，即经由第一外壳1的顶端11导入的热气会向所述耐火材料传热并且加热第一外壳中不断增大体积的耐火材料。对应于温度过渡区的锋面1e由图1和2中的线表示。温度T1处的热的顶部1a和位于20℃至100℃范围内的温度T’1处的冷的底部1b在存储期间气体循环周期继续时逐渐向下移动。相反地，在位于至少-50℃至-20℃范围内的温度T3处的第二外壳的底部2b占据了外壳2中不断增大的体积。锋面2e表示由温度T3处的底部2b和温度T2处的顶部2a之间的过渡区构成的分隔线，并且它在各种气体循环周期进行时逐渐地向上移动。
在压缩机模式中的第一组30由消耗电能E1的电动机51驱动。在膨胀模式中的第二组40经由它们的轴联接到在压缩机模式中的第一组30上，这样除了由第一电动机51输送的能量之外，第二组40也向第一组30输送能量。
在能量存储模式中相继的气体循环周期中，第二外壳中顶部2a的温度趋于降低至低于T2的温度T’2，即低于200℃，例如位于150℃至175℃的范围内。
为了减轻第二外壳的顶部2a的这一温度下降，有利的是利用第二加热器5b加热离开第二外壳的顶端21的气体，第二加热器5b包括第二电阻5a2，它能够使顶部管路2d中流动的气体被加热从而在它达到压缩机模式中的第一组30之前将它保持在200℃的温度T2处。类似地，电动机51以这种方式调节从而将压缩机模式中第一组30的出口温度保持在大约400℃的恒定温度T1处。
在各个能量存储循环的整个持续时间内，第二加热器5b的入口处的气体温度被测量并且每秒注入的电能E2的量会被实时调节以将气体升高到基本上恒定的温度T2。在能量存储循环中注入装置的功率因此对应于供给电动机51的电能E1加上供给第二加热器5b的电能E2。
如上所述，在能量存储循环间，需要冷却离开第一外壳的底端12的气体从而在将它在第一涡轮机3c中膨胀之前将其温度降低至温度T0。这是使用热交换器6实现的。热交换器6被供给在10℃至20℃的范围内的温度处的冷却液例如冷水或空气，从而冷却离开第一外壳的在20℃至100℃范围内的温度T’1处的气体并且使其温度变成在10℃至20℃范围内的温度T0。取决于冷却空气或水的流速，来自热交换器6的冷却液在30℃至100℃范围内的温度处在6d处离开热交换器6。热交换器6因此释放热能E3，其形式为加热到30℃至100℃范围内的温度处的水。该热能E3是不能存储在系统中的能量，但是它可以在热泵中回收或者它可以用于工业过程甚至用于城市供热。因此，在完整的存储循环中，E3构成影响设备的总效率的损失。
为了在一系列不同通道从在存储模式中操作到在能量返回模式中操作期间稳定系统并且优化该操作，优选在整个第一外壳已经升高至温度T1或整个第二外壳已经降低至温度T3之前中断存储。
实际上，构成第一外壳的总体积的10％至20％的底部1b在所述外壳中维持在20℃至100℃范围内的温度T’1处。并行地，第二外壳的顶部2a维持在温度T2处或者接近温度T2，即当位于-50℃至-20℃的范围内的温度处的第二外壳的底部2b占据了第二外壳体积的80％至90％时，存储中断。
该10％至20％的体积对应于如下文参照图7所述的高度a的温度过渡区的体积。
图1B显示了用于返回存储在第一外壳1中电能Er形式的能量的循环。
最初，在充能阶段结束时，当电动机51被断电时，气体变得静止并且其压力会在两个外壳1和2中30bara至100bara(1.5.105Pa至2.5.105Pa)的中间值处进入平衡。
在开始能量返回或撤回循环中操作模式的阶段中，电动机51起动，它驱动联接到其上的第一组30和第二组40，这样就在两个外壳1和2之间确立了压力梯度，分别地在第一外壳1中具有比P1更高的压力P’1并且在第二外壳2中具有比P2低的压力P’2。
在起动期间，在压缩机模式中的第二组40从第二外壳抽吸气体并且将它发送至第一外壳，因此提高所述第一外壳中的压力，并因此向热动力模式中的第一组30供给气体，从而最后返回第二外壳并且继续其循环周期。一旦第一组30达到热动力模式中足够的操作惯性以驱动第二组40在压缩机模式中操作，电动机51就会断电。
在稳定状况下，第二组40从第一外壳的顶部抽吸气体并且将它输送至第二外壳而同时冷却和膨胀气体。为了优化装置的操作，希望离开第二组40的气体具有与存储循环结束时外壳2的顶部中的气体温度基本上相同的温度T2。为了实现这一点，组30和40中的损失是P’1/P’2＞P1/P2。实际上，P’1位于60bara至400bara的范围内并且P’2在15bara至90bara的范围内。
当压力梯度P’1/P’2建立时，电动机51断电。第二外壳的底部2b中的气体处于在50℃至-20℃范围内的温度T3处，该温度是其在存储循环结束时的温度。气体被带至第二组40，它在其中被再压缩至压力P’1。它同时被加热至温度T4，由于第二组40中的损失，该温度T4高于温度T0。通常，T4位于30℃至100℃的范围内。
因此在第二组40的出口处的处于大于T0的温度T4处的气体在输送至第一外壳1的底端12之前需要使用热交换器6冷却至温度T’1，其中底部1b处在位于20℃至100℃范围内的温度T’1处。
在撤回循环期间第二组40出口处的气体的冷却具有使热能E4通过加热冷却液体而失去的效果。然而气体从温度T4至T’1的这一冷却使得在能量存储循环中更易于将第一外壳的底端11的出口处的气体从温度T’1冷却至热交换器下游的温度T0，这样气体在能量存储循环期间进入第二组40时达到环境温度T0。总体上，在撤回循环期间的热能损失E4由热交换器6中小于存储循环的热能损失E3补偿。热能E3+E4总体上对应于装置中与梯度T4-T0相关的损失和由于第一组30和第二组40中的损失。
由系统返回的能量ER对应于第一组30释放的能量，其中第一组30驱动能够使能量以电的形式返回的发电机-交流发电机52。总体上，ER更精确地对应于由热动力模式中的第一组30释放的能量减去由联接到其上的第二组40消耗的能量。另外，装置在存储和撤回循环之间的总效率可以写成下面的形式：
ER＝E1+E2-(E3+E4)-E5
其中E5表示通过外壳、管路、第一组30和第二组40和各种附件的绝热层材料的损失。
与供给的能量E1+E2相比，损失E3+E4+E5表示20％至40％，所以装置的总效率并因此能量返回方法位于60％至80％的范围内。
为了优化装置的能量效率，有利的是避免在存储循环结束时将第一外壳完全地加热至温度T1，从而将底部1b中的热过渡层保存在温度T0或T’1处，并且将第二外壳的顶部2b中的热过渡区保存在温度T2处。类似地，在循环结束时的能量返回周期期间，在第一外壳已经完全地冷却并且第二外壳已经完全地加热之前停止撤回，从而保存顶部1a中的热过渡层对应于保持在温度T1处的外壳的体积的10％至20％，并且对应于保持在温度T3处的第二外壳的底部2b中的热过渡区，该层同样表示第二外壳的体积的10％至20％。
在温度T2处的第二外壳的顶部2b中的该热过渡区使之更易于在周期开始时重新建立两个外壳之间的压力梯度P’1/P’2用于分别地返回对应于第一/第二外壳中相同的温度T1/T2的能量。
在存储循环结束时和返回循环结束时将第一外壳和第二外壳中的每一个的一端保持热过渡区对于装置的总能量效率方面也是有利的。如果在存储循环结束时整个第一外壳被加热，然后在加热对应于第一外壳的底端处的热过渡层的体积时，离开第一外壳的底端11的气体将在比温度T’1更高的温度处离开，这将需要更大的冷却能量E3并因此需要更高的能量损失。
并行地，如果在返回周期结束时，整个第二外壳的底端22被加热，离开第二外壳的底端22的气体就会在比T3更高的温度处离开并且将在更高的温度T4处到达热交换器6下游，因此导致较高的冷却热损失E4并因此导致能量损失同样更大。
另外，在存储结束时将底部1b维持在温度T’1处并且在存储结束时将顶部2a维持在第二外壳中的温度T2处可以使之更易于开始返回循环，该返回循环需要在较短的时间内使用电动机51从而在返回期间分别在第一外壳和第二外壳中压力P’1和P’2处建立具有温度梯度T1和T2的稳定操作。同样，在能量返回时将热的顶部层1a维持在第一外壳中的温度T1处并且在返回周期结束时将冷的底部层2b维持在温度T3处可以通过减少在温度T2处维持气体进入第一组30所需的电能E2的量来使之更易于开始后续的存储循环。
第一气缸30b和第二气缸40b的标注尺寸非常不同，给定它们经受的气体温度和压力的话，第一气缸30b大于第二气缸40b。气体的体积随温度而增大，所以在气体入口处于高温下操作的气缸的尺寸需要较大。在存储阶段中，第一组30在300℃至500℃的温度T1下操作，而第二组40在大约-50℃至-20℃的温度T3下操作。应该观察到，实现在存储阶段很小的第二组40可以使之更易于由第一组30驱动。类似地，实现很小的第二组40会降低能量损失，并且能量ER对应于由第一组30释放的能量减去由第二组40消耗的能量。因此在第二组40的入口处具有尽可能低的温度T3具有附加的优点，从而同样减少影响系统的总能量消耗的能量消耗。
与例如其中在能量返回循环中气体并未在第一外壳的底端下游的热交换器中冷却的实施例相比，在能量存储期间从第一外壳的底端下游和在能量返回期间从第一外壳的底端上游在能量存储循环和能量撤回循环中使用相同的热交换器能够使热交换器的尺寸减小。
在能量返回阶段中发生连续的气体循环周期时，第一外壳中T’1处的冷的底部1b和T1处的热的顶部1a之间的锋面1e会逐渐地向上移动，而同时第二外壳中温度T2处的热的顶部2a与温度T3处的冷的底部2b之间的锋面2e会逐渐地向下移动。
应该观察到，首先热交换器6在第二组40和第一外壳1的底部之间的气体回路的操作并且其次第一组30的操作会以这种方式调节从而在整个能量返回周期中将所述温度T1和T2维持在各自的恒定值例如1300℃和500℃处。
还应该观察到，依照本发明的本质初始特性，温度T1和T2在能量存储/充能循环和能量返回/放能循环期间是恒定的并且相同。
图4是对应于热力循环的曲线图，其中横坐标轴表示体积并且纵坐标轴表示绝对压力(bara)。显示了四条等温线，它们分别地对应于：
●T0(环境温度20℃)；
●T1(第一外壳温度：400℃)；
●T2(热的第二外壳温度：200℃)；和
●T3(冷的第二外壳温度：-50℃至-20℃)。
在点A和B之间，对于理想气体在温度T1和T2之间应用关系PVγ＝常数表示了绝热压缩/膨胀周期。在实机中，特性是不同的，并且对于T2和T1之间的绝热压缩，实际遵循的曲线是AB1，它显示了在低于Pb的压力Pb1和大于Vb的体积Vb1处达到温度T1。类似地，在绝热膨胀期间，在低于Pa的压力Pa1和大于Va的体积Va1处达到温度T2。
应该观察到，为了对两个外壳中的热进行有效的管理，在存储阶段和在返回阶段中每个气体外壳的高部处于基本上相同的各自温度下很重要。为了解释这一点，考虑例如第一外壳的顶部。在存储阶段期间，热气从顶部渗入到耐火材料供应中。固体的温度不能超过气体的温度但是可以仅仅尽可能地接近它。在返回阶段期间，离开第一外壳中耐火材料供应顶部的气体的温度可以最多等于所述耐火材料的温度。可以对第二外壳做出同样的评论。为了获得最高可能的效率，很重要的是在第一外壳中对于所有在存储阶段喷射的气体的热可以在返回阶段尽可能好地使用，并且在第二外壳中对于存储阶段期间从气体回收的所有热能够在返回阶段尽可能好地再使用。换句话说，使温度T1和T2在存储和返回阶段尽可能低靠近(理想地相同)是有利的。
如上参见图4所述，如果在膨胀或压缩期间使用实机使用相同的温度T1和T2，那么压力比会不同。这意味着在存储和返回阶段期间使用的发动机-和-压缩机组件的压力比需要是不同的。例如，从图4可知，在存储阶段，高压为Pb1并且低压为Pa，而在返回阶段，高压为Pb并且低压为Pa1。
图5和图6显示了分别对应于参见图1和2描述的装置和方法中发生的能量存储和返回周期的热力循环。这些热力循环对应于单位体积例如1m3的气体执行一个全循环，在该全循环期间，它在外壳之一或压缩机中获得能量，然后在热力发动机或另一个外壳中将能量返回。所述单位体积在与存储或返回循环的整个持续时间相比很短长度的时间内执行该热力循环，并且因此它成百上千乃至上万次的热力循环，即它很多次地经过压缩机、热力发动机、管路和每个外壳。
图5显示了如参照图1A描述的存储阶段。来自第二外壳的顶部的气体在点A处温度T2下进入压缩机模式中的第一组30。它被压缩并且在点B处温度T1下离开。它渗入到第一外壳1的耐火物质11中，流经向其上输送热的耐火物质，因此导致温度锋面逐渐向下移动。气体在6a处大约20℃至100℃的温度下离开第一外壳的底部，然后流经热交换器6，其中它向外部输送能量E3从而在对应于20℃的环境温度的基本上恒定的温度T0处离开所述热交换器，这对应于图形中的点C。然后它流经第二组40的热力发动机，它在其中将其能量散发至压缩机模式中的第一组30，并且它在对应于图形中的点D的温度T3(-30℃)离开管道2c中处于热力发动机模式中的第二组40。最后，它进入第二外壳的下部，它在其中从穿过其向上流动的耐火物质中回收热，因此导致温度锋面E2逐渐向上升高。最后，气体从第二外壳的顶部离开它并且被带入压缩机3b，这里气体在温度T2处进入，或者在流经加热器5b之后，如果有必要的话，它接收足够的能量E2以重新调整所述气体温度至值T2。气体然后返回图形上的点A并且然后开始新的循环。
用于如图6中详细所示那样返回能量的热力循环发生如下。高温T1下的气体从顶部离开第一外壳1，这对应于图形中的点B。然后气体流经处于热力发动机模式中的第一组30，它在其中向发电机输送能量(ER)并且达到温度T2下的图形上的点A。之后它进入第二外壳的顶部并且将其热输送至耐火物质11，因此导致温度锋面2e逐渐向下移动，并且它从对应于图形上的点D的温度T3下的底部离开所述外壳。然后气体流经处于压缩机模式中的第二组40，它在其中比期望的温度T0更高的温度T4下离开；然后它流经热交换器6，它在其中向外部输出能量E4的量，从而返回温度T0，并且因此返回所述图形的点C。最后，它从底部渗入到第一外壳中，它在其中回收能量和热直至达到图形中的点B，因此导致温度锋面1e逐渐向上升高，换句话说使所述第一外壳总体上冷却下来。
图7在左侧上侧视图中的剖面中显示了第一外壳和在其中温度大约为20℃的底部区域和其中温度大约为400℃的顶部之间的升高的锋面1e。该升高的锋面对应于如图7中右侧的曲线图更详细地显示的高度h的过渡区。在能量存储阶段期间，过渡区向下移动(图7B)，并且在返回阶段中它向上移动(图7A)。为了保持在对应于最好效率的热力发动机的操作范围内，第一外壳有利的是既不完全充能又不完全放能，如图7B中详细显示的那样，这对应于将充能/放能循环限制为最大高度δH1例如对应于总高度并且因此对应于所述第一外壳的总最高容量的80％-90％。以类似的方式，相似的过渡区出现在第二外壳中，然而它对应于不同的温度，例如底部中的-30℃和顶部中的200℃。所使用的生热物质的百分比然后对应于高度δH2，所述使用的百分比优选地与所述第一外壳的基本上相同，即80％-90％。
利用具有处于不同温度下的两个外壳的该配置，使用仅仅使用了其热容量的80％-90％的耐火材料物质，可以获得数量级为60％至80％的非常好的效率。
这首先是由于能量在均高于环境温度的两个温度范围T2至T1之间被交替地泵送和回收的事实。由卡诺定理可知，热机的效率随着其热源的温度的升高而增大。
第二条理由在于温度T1和T2在存储阶段和返回阶段期间均相等，而这是通过使用不同的涡轮和压缩机组件以不同的压力比(P1/P2和P’1/P’2)操作获得的。
好的总效率的第三条理由在于在存储阶段期间处于压缩机模式中的第一组30的损失会以气体中的热的形式提取的事实。该能量存储在第一外壳1的耐火材料中，正类似于从第二外壳泵送的热。从热的压缩机的该能量损失因此大部分回收成返回阶段中有用功的形式。
第四条理由是由于使用再生炉与气体交换热造成的。可以布置能够在非常高的温度下操作并且可以在气体和固体之间提供很大的热交换面积的成组的耐火材料部分。这使之可以能在两个阶段中尽可能近地接近温度T1和T2之间的相等。存储容量与耐火材料的质量有关。本发明的配置提供的优点是几乎所有耐火材料物质被用于执行两个角色：存储热和与气体换热。
好的总效率的最后原因缘自于由在存储阶段期间热力发动机模式中的第一组30中的膨胀生成的低温同样地存储在外壳2中。在返回阶段中，这能够使气体在由处于压缩机模式中的第二组40压缩之前被冷却，因此减小了由处于压缩机模式中的第二组40吸收的能量的量，其中该能量是由返回的能量ER中获取的。
热力发动机的功率由于下面的公式给出：
W＝m.Cp.(T2-T1)
其中：m是以千克每秒(kg/s)为单位的气体的质量流率，Cp是以焦耳每千克每开尔文为单位的气体的热容，T1是气体进口温度并且T2是气体出口温度。对于热力发动机，T2＜T1并且W因此是负的(功率从气体中提取的)。对于压缩机，W是正的(功率输送至气体)。
在热动力公式中：PVγ＝常数
对于单原子气体γ＝1.66；
对于双原子气体γ＝1.4；并且
用于三原子气体，γ＝1.33。
温度比T1、T2取决于压力比P1、P2或P’1、P’2，可以应用公式：
T 1 T 2 = ( P 1 P 2 ) γ - 1 γ
可以看出对于给定温度比，单原子气体的压力比(γ＝1.66)小于双原子气体(γ＝1.4)或三原子气体(γ＝1.33)。该在外壳的设计中是实际的优点。外壳的壁厚与气体的最大压力有关。另外，因为该方法具有存储非常大量的能量的容积，所以它可以使用非常大尺寸的外壳。因此试图将气体的内压力级减小到最低是经济地有利的。实现该结果的一个简单方法是限制气体的压缩比，为此优选选择单原子气体。
因此，可以使用单原子气体例如氦、氖、氩或具有高分子质量的其它惰性气体获得最好的循环。
双原子气体例如氮气和三原子气体例如空气或CO2非常丰富和便宜，但是在高温下它们会侵蚀构成外壳罩、管道或涡轮和压缩机叶片的金属，这是设备内的气体有利的是相对于设备的金属元件完全惰性的惰性气体的原因，例如为氦、氖、氩或具有较高摩尔质量的其它惰性气体。氦、氖和氩在环境空气中占有很大的百分比并且它们能够以可接受的成本大量地获得。这三种气体中，氩是具有最佳性能以用于本发明的设备中的气体，因为它是单原子的，在高温和非常高的温度下相对于构成本发明的设备的金属元件惰性，并且它具有很高的分子质量并且获取成本低。
第一外壳的所述第一耐火材料是例如耐火粘土，它也被称作重烤耐火粘土，能够抵抗1200℃的温度，或是具有高含量的氧化铝和/或氧化镁的组分。第二外壳中的第二耐火材料可以是初烤耐火粘土、耐火混凝土或天然材料例如隧石砂。
如上所述，耐火材料11的形式为由具有5mm至20mm直径的平行通道穿孔的砖并且这些通道完全穿过砖，布置方式为能够使气体循环并且沿外壳的纵向方向经过通道。
下表中列出了在经济地接受的情况下可用的各种类型的非常高温的耐火材料。
  材料   混合物   极限温度   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   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
  莫来石   70％Al2O3   1700℃   2600   1088   2830
  碳   C   2200℃   2200   1300   2860
耐火粘土仍然是所有这些材料中最不昂贵的，但是其热容量仍然保持低于其它材料的热容量。
另外，存储在每立方米的耐火材料中的能量由下面的公式给出：
E＝V.Cp(T-T0)
其中E以焦耳表示，V是热的耐火材料的体积，Cp是以焦耳每立方米每开尔文(J/m3/K)表示的热容量，T是热的温度，并且T0是加热之前的初始温度。
因此可以看出，存储温度T越高，每单位体积的耐火材料中就会存储越大量的能量。
因此，在每单位体积的热容量方面，氧化镁提供了更好的性能，其值为：
Cp＝3600kJ*m-3*K-1
作为实例，对于具有3000MWh容积、能够以100MW存储和返回功率、对应于充能超过40小时并且返回超过30小时的设备，它的构成为：
●圆柱形的第一外壳，具有41米(m)的直径和20m的高度，包含16,500m3的氧化镁，提供了25％的孔隙率，即37,000公吨(t)的耐火材料；和
●第二外壳，具有48m的直径，20m的高度，并且包含22,500m3的耐火粘土，提供了35％的孔隙率，即29,500t的耐火材料，包括100MW电动机3a、117MW压缩机3b、17MW涡轮3c的存储组和包括100MW发电机4a、156MW涡轮4c和56MW压缩机4b的返回组。包括连接管路但是不包括对应于耐火材料的有效质量的体积的整个装置的内部体积达到大约35,000m3。一部分气体被限制在绝热材料隔热的热的耐火外壳(大约12,000m3)的壁的绝热材料内并且仅仅23,000m3的可用体积可以参与气体循环。该装置在起动1巴即2bara的压力之前充满氩，这对应于体积为70,000标准立方米(Nm3)的容积，其中46,000Nm3可以自由地循环。在存储阶段期间，第一外壳中的压力P1为3bara并且第二外壳中的压力P2为0.9bara，而在放能期间，这些压力分别是3.3bara(P’1)和0.6bara(P’2)。温度T1变得确立在1256℃处而温度T2为大约600℃。在存储阶段期间，气体向涡轮3c或压缩机3b的流量为193标准立方米每秒(Nm3/s)，给出了如图5中所示的238秒的热力循环时间，这对应于一次完全充能的持续时间的600个周期的气体循环。针对放能循环可以获得类似的值。存储在第一和第二外壳中的能量不会失去，除非设备在充能-放能时保持很长时间的静止，并且然后周围的介质发生损失，大部分地是通过所述外壳的绝热层材料12。
因为该方法本质上具有存储大量能量的优点，所以外壳相对地容积很大，这意味着它们的表面体积比很小。大的外壳的热损失仅仅是所存储能量的一小部分。隔热是使用具有高孔隙率的材料例如陶瓷纤维毛毡或陶瓷泡沫实现的。计算显示了在上面引用的实例中，使用传统纤维材料的2m厚度的绝热层材料能够使能量损失限制为每天小于1％。
因为温度T1的级别保持为适度的(400℃)，外壳1和2有利的是由钢支撑，优选地使用大直径(1m至2m)的钢管路。外壳然后构成为相当大高度例如12m至24m的多个竖直管路或柱70，所述管路70被连接在一起如图8C和8D中所示。所有柱优选地在直径、高度和耐火材料的填充方面相同，这样它们中的每一个均具有相同的压头损失。它们在其顶端70a处由顶部歧管71a并且在它们的底端70b处由底部歧管71b连接在一起。柱组可以在外部与围绕介质绝热，如图8C中所示，或者每个柱可以与所述柱的内部绝热，因此显著地降低其容积用于加载在耐火材料中，但是能够使组件在更高的温度下操作，因为高压罐的钢然后基本上处于环境温度下。有利的是，内部和外部绝热模式连在一起，然后具有降低与在外部的绝热体系统相比钢壁所经受温度的效果，如上参见图8C所述。
本发明描述为第一和第二气体压缩/膨胀组的活塞的移动轴平行。当第一活塞朝其气缸盖移动时，相对的活塞远离其气缸盖，因为各自的连杆连接至相同的曲柄销：第一和第二活塞然后永久地设定成在180°处的反相中。然而所述连杆与不同的曲柄销相关，无论是正交(90°)或在同相(0°)或是处在任意其它相位偏移角中，都仍然在本发明的精神内。类似地，如果活塞的轴向运动彼此垂直并且如果连杆连接至曲柄轴上相同的曲柄销，那么活塞就会相位正交(90°)。
本发明的优选方案是使在轴向并且平行地移动的活塞反相运动，因为由发动机活塞输送的功会直接地传递给相对的压缩机活塞。在不同于180°的相位偏移处，由发动机活塞输送的能量以旋转动能的形式传递至曲柄轴并且随后再转移至具有相应的相位偏移的压缩机活塞。

Claims (27)

1.一种用于存储和返回能量的装置，该装置的特征在于它包括：
A)第一隔热外壳(1)，充满适于通过气体的第一多孔耐火材料，其中气体在所述第一外壳的顶端和底端(11，12)之间流动通过所述第一外壳；和
B)第二隔热外壳(2)，充满适于通过气体的第二多孔耐火材料，其中气体在所述第二外壳的顶端和底端(21，22)之间流动通过所述第二外壳；和
C)隔热管道(1c，2c，1d，2d)，能够使气体在两个外壳之间的闭路中流动，管道包括两个外壳的顶端(11，21)之间的第一和第二顶部管道(1d，2d)和两个外壳的底端(12，22)之间的第一和第二底部管道(1c，2c)；并且
D)气体压缩和膨胀单元(50)，包括：
D1)插入分别通过第一和第二顶部管道连接的所述第一和第二外壳(1，2)的顶端(11，21)之间的至少一个第一气体压缩/膨胀组(30)，该组包括适于在第一气缸(30b)中平移移动的第一活塞(30a)，所述第一气体压缩/膨胀组联接至电动机(51)和发电机(52)，所述第一气体压缩/膨胀组(30)能够如下操作：
●在压缩模式中，所述第一活塞在由用于存储的电能(E1)提供动力的所述电动机的驱动下平移移动，从而在所述第一气缸中压缩来自第二外壳的所述顶端(21)的气体并且将它发送至第一外壳的所述顶端(11)；
●或者在膨胀或“热力发动机”模式中，所述活塞通过来自第一外壳的所述顶端(11)的气体在所述第一气缸中的膨胀平移移动以经由所述第二顶部管道(2d)发送至第二外壳的所述顶端(21)，所述第一活塞(30a)的运动用来驱动所述发电机(52)并因此返回电能(ER)；和
D2)插入分别通过所述第一和第二底部管道(1c，2c)连接的所述第一和第二外壳的底端之间的至少一个第二气体压缩/膨胀组(40)，该组包括适于在第二气缸(40b)中平移移动的第二活塞(40a)，所述第二活塞的运动耦合到所述第一活塞的运动上，其方式为所述第二气体压缩/膨胀组(40)适于如下操作：
●在膨胀或者“热力发动机”模式中，当所述第一压缩/膨胀组在压缩模式中操作时，以便膨胀来自第一外壳的所述底端(12)的气体并且将它发送至第二外壳的所述底端(22)；
●或者在压缩模式中，当所述第一压缩/膨胀组在膨胀模式中操作时，压缩来自第二外壳的所述底端(22)的气体并且将它发送至第一外壳的所述底端(12)；和
E)第一气体加热设备(5b)，适于加热在所述第二外壳的顶端与所述第一压缩/膨胀组(30)之间的所述第二顶部管道(2d)中流动的气体，和优选地第二气体加热设备(5a)，适于加热所述第二外壳内部的气体；和
F)气体冷却设备，优选地为热交换器(6)，适于冷却在第一外壳的底端(12)与所述第二压缩/膨胀组(40)之间的所述第一底部管道(1c)中流动的气体。
2.如权利要求1所述的能量存储和返回装置，其特征在于，所述第一和第二活塞通过机械方式联接到适于由所述电动机(51)旋转传动并且适于驱动所述发电机的公共曲柄轴(53)，所述第一和第二活塞的运动优选地设定成在180°处反相。
3.如权利要求2所述的能量存储和返回装置，其特征在于，第一和第二气缸(30b，40b)中的每一个均包括分别能使气体进入所述第一和第二气缸并且从中排出的至少两个阀(31a-31b，41a-41b)，所述阀的打开和关闭是作为活塞(30a，40a)在所述气缸中位置的函数或者作为所述气缸中气体压力的值的函数进行控制的。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电能存储和返回装置，其特征在于，它充满了惰性气体，优选地为氩。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电能存储和返回装置，其特征在于：
●所述第一外壳和第一多孔耐火材料能够承受至少300℃的温度T1，优选地至少为300℃至1000℃，更优选地为400℃至600℃；并且
●所述第二外壳和第二多孔耐火材料能够承受至少100℃的温度T2，优选地为至少100℃至500℃，更优选地为200℃至400℃。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电能存储和返回装置，其特征在于，所述第一气缸的体积大于所述第二气缸。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电能存储和返回装置，其特征在于，所述第一气缸的尺寸设计成分别地压缩和膨胀，并且在所述温度T1和T2之间分别地加热和冷却气体，而所述第二气缸的尺寸设计成分别地压缩和膨胀并且在位于-50℃至-20℃的范围内的温度T3和环境温度T0之间分别地加热和冷却气体。
8.如权利要求1至7中任一项所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐火材料具有位于20％至60％范围内的孔隙率。
9.如权利要求8所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐火材料由一个对着另一个组装的多孔砖(11)构成，多孔砖(11)优选地具有由此贯穿通过的圆柱形穿孔(111)，穿孔(111)沿它们在其中装配的外壳的纵向方向的公共纵向方向平行地布置，所述穿孔更优选地具有5mm至20mm范围内的直径。
10.如权利要求1至9中任一项所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐火材料由具有高含量的从氧化镁、氧化铝和石灰中选取的混合物的火泥构成。
11.如权利要求1至10中任一项所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第一多孔耐火材料由重烤火泥或耐火粘土构成。
12.如权利要求1至11中任一项所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第二多孔耐火材料由初烤火泥构成。
13.如权利要求1至12中任一项所述的用于存储和返回能量的装置，其特征在于，所述第一和第二外壳具有不小于500m3的各自的体积，并且优选地位于1000m3至5000m3的范围内。
14.如权利要求1至13中任一项所述的电能存储和返回装置，其特征在于，所述第一和第二外壳中的每一个均由多个竖直钢柱(70)构成，钢柱的顶端(70a)和底端(70b)分别地经由顶部歧管(71a)和底部歧管(71b)分别地连接至公共的所述顶部管道(1d，2d)和公共的所述底部管道(1c，2c)上。
15.一种用于存储热能形式的电能(E1)的方法，其中使用了依照权利要求1至14中任一项所述的装置，该方法的特征在于，在将加热至温度T2的所述第二外壳的气体预热的初始步骤之后，所述装置充满最初处于环境温度T0下的永久气体，执行下列相继步骤：
1)离开在温度T2的第二外壳(2)的顶端(21)的气体在被输送至所述第一外壳的顶端(11)之前通过在压缩机模式中操作的所述第一压缩/膨胀组(30)中的压缩而被加热至比温度T2更高的温度T1，其中压力P1被确定为高于第二外壳的压力P2，所述第一压缩组(30)由将被存储的电能(E1)提供动力的所述电动机(51)驱动；和
2)气体在所述顶端(11)和其所述底端(12)之间完全通过所述第一外壳，并且它在环境温度T0或大于T0但是小于T2的温度T’1离开第一外壳的所述底端(12)；和
3)气体然后在适当的地点被位于第一外壳的底端(12)的出口的下游的所述气体冷却器设备(6)冷却至环境温度T0，且冷却器设备优选为热交换器类型；和
4)气体然后通过在膨胀模式中操作的所述第二压缩/膨胀组(40)膨胀成低于压力P1的第二外壳的所述压力P2，气体因此在经由所述第二外壳的底端(22)进入所述第二外壳之前被冷却至低于T0的温度T3；和
5)气体被导致在第二外壳的所述底端和顶端(22，21)之间流经所述第二外壳，因此具有的效果是增大在冷却至温度T3的所述第二外壳的底部(2b)中耐火材料的体积，并且减小处在温度T2或低于T2但是大于T0和T’1的T’2处的其顶部(2a)的体积，并且如果有必要的话，在适当的地点，离开在温度T2的第二外壳的端部的气体通过第二气体加热设备(5b)的帮助被加热至温度T’2；和
6)上面的步骤1)至5)重复直到被加热至温度T1的第一外壳的顶部(1a)占据了至少80％的所述第一外壳的体积，并且第二外壳的冷却至温度T3的底部(2b)占据了至少80％的第二外壳的体积。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在步骤6)中，存储被中断，这样处于所述温度T’1的第一外壳的底部(1b)表示了至少10％的第一外壳的体积，优选地为10％至20％的第一外壳的体积，和/或处于温度T2的第二外壳的顶部(2a)表示小于20％且优选地为10％至20％的所述第二外壳的体积。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，所述温度T1和T2为T1/T2＝1.2至2并且T1/T0大于1.3，优选地大于1.5，并且更优选地小于2.5，并且P1/P2位于2至4的范围内。
18.如权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，T1为300℃至1000℃，优选地为400℃至600℃，并且T2为100℃至500℃，优选地为200℃至400℃。
19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，压力P1位于20至300巴绝对压力(2MPa至30MPa)的范围内，并且压力P2位于10至100巴绝对压力(1MPa至10PMa)的范围内。
20.如权利要求17至19中任一项所述的方法，其特征在于，T0位于10℃至40℃的范围内并且T3位于-50℃至-20℃的范围内，T1’位于20℃至100℃的范围内，其中适当的位置处。
21.如权利要求17至20中任一项所述的方法，其特征在于，存储的电能的量位于20MWh至1000MWh的范围内。
22.一种从由依照权利要求15至21中任一项所述方法存储的热能中返回电能(ER)的方法，该方法的特征在于，在其中所述第一和第二压缩组(30，40)由所述电动机(51)驱动的初始起动阶段之后，会执行下列相继的步骤，其中在该初始阶段期间，所述第一和第二组被导致分别在膨胀模式和压缩模式中操作，其方式为在第一外壳中的压力P’1和第二外壳中小于P’1的压力P’2之间建立压力梯度，P’1优选地大于P1并且P’2优选地小于P2：
1)经由处于所述温度T1的第一外壳(1)的顶端(11)离开的气体通过所述第一膨胀/压缩组被膨胀和冷却至温度T2，其中所述第一膨胀/压缩组在膨胀模式中操作并且驱动所述发电机(52)，所述发电机(52)能够使返回的电能被输送；和
2)气体从所述第二外壳的顶端(21)至其底端(22)流经所述第二外壳，第二外壳的顶部(2a)被加热至温度T2，第二外壳的底部(2b)仍然处于所述温度T3处；和
3)离开处于温度T3的所述第二外壳的底端(22)的气体然后通过流经所述第二压缩/膨胀组被压缩，从而在压缩模式中操作的所述第二压缩/膨胀组(40)的出口处被加热至大于环境温度T0并且适当地大于T’1但是小于T2的温度T4，其中所述第二压缩/膨胀组由在膨胀模式中操作的所述第一压缩/膨胀组释放的能量驱动；和
4)优选地，在由所述第一外壳(1)的底端(12)导入所述第一外壳以进入处于所述温度T’1的所述第一外壳的底部(1b)之前，气体然后由所述冷却器设备(6)冷却至环境温度T0或T’1；和
5)气体被导致流经所述第一外壳，因此具有增大耐火材料在处于所述温度T’1的底部(1b)中的体积和减小耐火材料在处于所述热的温度T1的顶部(1a)中的体积的效果；和
6)上面的步骤1)至5)重复直至处于所述温度(T1)的第一外壳的底部(1b)表示了至少80％的第一外壳的体积，并且处于所述温度(T2)的所述第二外壳的顶部(2a)表示了至少80％的所述第二外壳的体积。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，在步骤6)中，能量返回方法被中断从而将第一外壳的顶部(1a)维持在所述温度T1，所述顶部(1a)表示了小于20％并且优选地为10％至20％的所述第一外壳的体积，和/或处在所述低温T3下的第二外壳的底部(2b)表示小于20％并且优选地为10％至20％的第二外壳的体积。
24.方法如权利要求22或23所述的方法，其特征在于，由所述发电机(4a)返回的电能的效率ER/E1大于60％，并且优选地位于70％至80％的范围内。
25.如权利要求22至24中任一项所述的方法，其特征在于，7P’1/P’2的比位于2.2至5的范围内。
26.如权利要求22至25中任一项所述的方法，其特征在于，T4位于30℃至100℃的范围内。
27.如权利要求22至26中任一项所述的方法，其特征在于，压力P’1位于60至400巴绝对压力(6MPa至40MPa)的范围内并且P’2位于15至90巴绝对压力(1.5MPa至9MPa)的范围内。
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