CN102971600A - 具有利用压缩气体的换热器装置的热能储存和回收设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种热能储存和回收设备（100、300），其包括：换热器装置（110、310），其被配置为用于导引换热器装置（110、310）第一端（112a）与换热器装置（110、310）第二端（114a）之间的传热介质流；以及储热材料（108），其以下述方式围绕换热器装置（110、310），即：使得形成热相互作用区域，以将传热介质与储热材料（108）热耦接。换热器装置（110、310）以下述方式相对于储热材料（108）密封，即：如果热能储存和回收设备（100、300）处于储热材料（108）应从传热介质接收热能的第一操作模式，则已通过气体压缩过程加热的压缩气体能够用作传热介质，以将热能从传热介质传到储热材料（108）。此外，本发明涉及包括这种热能储存和回收设备（100、300）的热能储存和回收系统（330）。
Description
技术领域
本发明涉及暂时储存热能的领域。具体地，本发明涉及包括换热器装置和储热材料的热能储存和回收设备。进一步地，本发明涉及包括这种热能储存和回收设备的热能储存和回收系统。
背景技术
来自各种类型的替代性能量源（诸如风力涡轮机、太阳能发电站和波浪能发电站）的电能产生是不连续的。该产生可能取决于环境参数，诸如风速（对于风力涡轮机而言）、日照强度（对于太阳能发电站而言）以及波浪高度和方向（对于波浪发电站而言）。能量产生和能量需求之间常常很少相关或完全无关。
解决电能产生与电能需求无关的问题的一种已知途径是暂时储存已经产生但是并未被需求的能量，并且在需求大时释放所储存的能量。过去已经提出了暂时储存能量的许多不同方法。所提出的方法例如为：a）机械能量储存方法（例如抽水储存、压缩空气储存和飞轮），b）化学能量储存方法（例如电化学电池和有机分子储存），c）磁能量储存，以及d）热能量储存。
WO 9214054 Al公开了一种以风为动力的能量产生和储存系统，其包括经由传动装置与发电机驱动接合的风转子，热泵也连接到所述系统以操作至少一个换热器单元。风转子被设计为风轮，该风轮具有与位于下侧发动机外壳中的主轴直接驱动接合的轮缘，除了发电机和热泵之外，双循环泵也与该主轴耦接，用于将被加热和被冷却的液体从位于发动机外壳中的加热容器和冷却容器分别输送到分离的储热站和储冷站。经由蒸汽分离器和泵送设备，蒸汽发生器可以连接到储热站，该储热站经由蒸汽涡轮机驱动额外的发电机，以便在风平缓期间产生电力。储存站可以埋在具有沙子、石块或类似材料的填充物的土壤中。这种以风为动力的能量产生和储存系统的一个缺点在于，能量储存系统与风力涡轮机直接机械连接，并且除了储存站之外的所有能量储存装备都位于风力涡轮机中，导致系统组件的机械布置复杂。这导致了已知系统不够灵活。
需要改进热能的暂时储存，尤其是在热能储存系统的灵活性和效率方面。
发明内容
此需要由根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本发明的优选实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种热能储存和回收设备，其包括：a）换热器装置，其被配置为用于导引所述换热器装置的第一端与所述换热器装置的第二端之间的传热介质流；以及b）储热材料，其以下述方式围绕所述换热器装置，即：使得形成热相互作用区域，以将所述传热介质与所述储热材料热耦接。换热器装置以下述方式相对于储热材料密封，即：如果热能储存和回收设备处于储热材料应从传热介质接收热能的第一操作模式，则已通过气体压缩过程加热的压缩气体可用作传热介质，以将热能从传热介质传到储热材料。
所描述的热能储存和回收设备基于下述构思，即：通过采用被加热的压缩气体作为输入气体输入（例如经由第一端）热能储存和回收设备中，则可以实现很高的热能储存效率。由此，剩余在从热能储存和回收设备作为输出气体（例如经由第二端）返回的压缩气体中的能量（具体是机械能）可以用于帮助驱动压缩步骤，从而将被加热的压缩空气馈送到换热器装置的第一端。
可以例如通过绝热过程实现对压缩气体的加热，在该绝热过程中在进行压缩步骤期间不与周围环境发生热交换。
所述气体可以是例如空气或任意其它种类的气体，诸如氩气和/或氮气。
第一端和第二端可以位于热能储存和回收设备的同一侧。通过将换热器装置的入口端和出口端放置为彼此相对靠近，可以最小化由于向换热器装置进行馈送的长流体（传热介质）馈送管和/或从换热器装置返回的长的流体返回管而导致的热损失。
根据本发明的实施例，所述换热器装置适于a）如果所述热能储存和回收设备处于第一操作模式，则将所述传热介质从所述第一端传输到所述第二端，以及b）如果所述热能储存和回收设备处于第二操作模式，则将所述传热介质从所述第二端传输到所述第一端，在该第二操作模式中，所述储热材料应该向所述传热介质释放热能。
通过对于不同操作模式采用不同的传热介质传输方向可以实现高效的热能储存。由此，可以实现至少在第二操作模式期间的一段时间达到这样的传热介质的出口温度，该出口温度至少在第一操作模式期间的一些时间不明显小于传热介质的入口温度。这意味着，在第二操作模式期间传热介质可以从热能储存和回收设备接收与在第一操作模式期间提供到热能储存和回收设备的传热介质相比相同的（高）温度。由此可以显著提高储热过程的效率。
所描述的利用了a）从第一端到第二端的第一传输方向以便向储热材料充载（charge）热能，和b）从第二端到第一端的相反第二传输方向以便从储热材料卸载（discharge）热能，从而可将该原理理解为采用了逆流原理。
具体地，在第一操作模式（即向储热材料充载热能），使热压缩气体或被加热的压缩气体进入第一端。在传递了它的至少部分热能之后，至少部分冷却下来的压缩气体在第二端返回。相应地，在第二操作模式（即从储热材料卸载热能），使相对冷的传热介质（例如蒸汽或还是压缩气体）进入第二端。在从储热材料接收了热能之后，至少部分地被加热的传热介质在第一端返回。
换言之，当受益于所描述的逆流原理时，在对热能储存和回收设备进行充载时用于使热压缩气体进入的换热器装置入口端与在对热能储存和回收设备进行卸载时用于排出被加热的传热介质的换热器装置出口端可以相同。相应地，在对热能储存和回收设备进行充载时用于排出冷却下来的压缩气体的换热器装置出口端与在对热能储存和回收设备进行卸载时用于使冷传热介质进入的换热器装置入口端可以相同。
在这方面，要明确说明的是，在第二操作状态中压缩气体也可以用作传热介质。然而，指出对于第二操作状态也可以使用其它传热介质，诸如具体是合适的流体，即液态或气态介质。
根据本发明的另一实施例，换热器装置包括：a）与第一端相关联的第一换热段，b）与第二端相关联的第二换热段，c）连接第一换热段和第二换热段的第一连接段，以及d）平行于第一连接段地连接第一换热段和第二换热段的第二连接段。其中，连接段中的至少一个包括阀，用于控制通过相应连接段的传热介质流。
这可以提供下述优点，即：可以调节换热器装置的换热能力和/或热能储存和回收设备的热能储存能力使其适合于实际操作条件。例如，通过关闭（打开）所述阀可以减少（增加）对所描述的热能储存有贡献的储热材料的有效数量或质量。这同样适用于换热器装置和储热材料之间的总换热速率。
一般而言，通过改变阀的设定或调节，可以实现降低或提高换热能力和热能储存能力。由此，能够调节热能储存和回收设备，使其适于当前操作条件。
要说明的是，除一个或多个阀之外，加热装置和/或冷却装置（例如加热回路和/或冷却回路）也可以用于操作热能储存和回收系统中的热能储存和回收设备，以便优化所描述的热能储存和回收设备的入口和/或出口温度。由此可以进一步提高能量储存效率。
要进一步说明的是，所述阀中的一个或多个可以是恒温器控制的和/或远程控制的。
根据本发明的另一实施例，换热器装置由管制成。所述管可以由足以防漏的任意材料制成，以便将压缩空气保持在换热器装置中。优选地，用于管的材料是钢和/或混凝土。
根据本发明的另一实施例，热能储存和回收设备进一步包括绝热装置，该绝热装置用于：a）使整个热能储存和回收设备与其外界环境绝热，和/或b）使所述热能储存和回收设备的不同隔室互相绝热。这可以提供下述优点，即：热能储存和回收设备可以至少部分地与其周围环境热隔离和/或所述设备的不同隔室或区域可以至少部分地彼此热隔离，从而可以鉴于给定操作条件优化热能储存和回收设备的有效尺寸。
绝热装置可以包括例如矿棉、玻璃棉、岩棉或其它更好的类似绝热材料。
根据本发明的另一实施例，储热材料包括固体材料，特别是例如沙子、土壤、灰粉、石块和/或砾石。当然，也可以使用优选同样相对便宜并且包括类似热特性的其它材料。
根据本发明的另一实施例，所述第一端包括单个第一开口，所述第二端包括单个第二开口。其中，a）在所述第一操作模式中，所述第一开口用于接收已通过气体压缩过程加热的压缩气体，所述第二开口用于排出冷却下来的压缩气体，并且b）在所述第二操作模式中，所述第二开口用于接收冷流体，所述第一开口用于排出热流体，该热流体表示被加热的冷流体。这可以提供下述优点，即：单个换热器装置足以实现所描述的逆流换热原理。
要说明的是，在第二操作状态用作传热介质的流体也可以是压缩气体，然而，在第二操作状态使用的流体还可以是（过热）蒸汽，至少当传热介质处于其较高温度时。这可能意味着，当从所描述的热能储存和回收设备卸载或提取热能时，冷液态流体（例如水）可以被加热，从而转化为气态或至少部分气态的蒸汽。如果所提取的热能用于驱动蒸汽涡轮机（该蒸汽涡轮机自身驱动电力发电机），那么这是尤其有益的。
根据本发明的另一实施例，热能储存和回收设备进一步包括：a）另一换热器装置，其被配置为用于导引所述另一换热器装置的另一第一端与所述另一换热器装置的另一第二端之间的另一传热介质流；以及b）另一储热材料，其以下述方式围绕所述另一换热器装置，即：使得形成另一热相互作用区域，以将所述另一传热介质与所述另一储热材料热耦接。这可以提供下述优点，即：可以使用另一传热介质来充载和/卸载所描述的热能储存和回收设备。其中，所述另一传热介质可以是与用作传热介质的压缩气体不同的流体。或者，所述另一传热介质也可以是压缩气体。总之，传热介质（即压缩气体）和另一传热介质（即压缩气体或另一种流体）被导引通过穿过储热材料的不同换热管。
相比于与上述换热器装置相关的储热材料，与所述另一换热器装置相关的所述另一储热材料可以是相同的材料或者可以是不同材料。
所述换热器装置和所述另一换热器装置两者的各个入口端和出口端可以仅用于使初始时冷的流体和初始时热的流体在热能储存和回收设备的单独的腔室或导管中流动。由此，为了回收所储存的能量，仅让初始时冷的流体流过所述设备，而为了储存能量，仅让初始时热的流体流过所述设备。
根据本发明的另一实施例，所述换热器装置和所述另一换热器装置形成逆流换热器系统，其中a）所述另一传热介质和所述传热介质是能够同时传输的，并且其中b）所述另一传热介质是能够沿相对于所述传热介质的相反方向传输的。
一般而言，所描述的逆流换热器系统可以使两个传热介质同时但沿彼此相反的方向传播通过所述换热器装置或所述另一换热器装置各自的管。以此方式，传热介质在逆流换热器系统的单独腔室或导管中沿互相相反的方向移动。其中，流入逆流换热器系统的热进入流的速度可以与流入逆流换热器系统的冷进入流的速度不同。这可以提供下述优点，即：可以根据冷和/或热进入流的速度缓慢地汲取或缓慢地储存所储存的热能。
根据本发明的第一方面，提供一种热能储存和回收系统，其包括：a）如上文所述的热能储存和回收设备，b）热产生装置，其与热能储存和回收设备直接或间接连接并且适于加热从热能储存和回收设备已接收的和应传输到热能储存和回收设备的传热介质，以及c）热消耗装置，其与热能储存和回收设备直接或间接连接并且适于从已被热能储存和回收设备加热的传热介质中接收热能。
所描述的热能储存和回收系统基于下述构思，即：当上述热能储存和回收设备协同热产生装置和热消耗装置进行操作时，可以实现高效的暂时热储存和热回收。
热产生装置可以是能够将能量（具体是电能）转化为热能的任意设备。然后经由传热介质将所产生（更确切地说是所转化）的热能传到热能储存和回收设备。
如果热能储存和回收设备与热产生装置直接（热）连接，则热能储存和回收设备所使用的传热介质与热产生装置的操作介质相同。如果是间接连接，则可以使用不同流体作为传热介质和操作介质。然后利用换热器和/或利用冷凝器实现两种流体之间的热连接。
热消耗装置可以是能够将热能转化为机械能和/或能够被馈送到例如电力网的电能的任意设备。
如果热能储存和回收设备与热消耗装置直接（热）连接，则热能储存和回收设备所使用的传热介质与热转化装置的操作介质相同。如果是间接连接，则可以使用不同流体作为传热介质和操作介质。然后利用换热器和/或利用蒸发器实现两种流体之间的热连接。
优选地，热能储存和回收设备包括两个换热器装置，具体是上述换热器装置和上述另一换热器装置，其中，利用压缩气体操作与热产生装置相关联的一个换热器装置，另一个换热器装置与热消耗装置相关联。
根据本发明的实施例，热产生装置包括：a）压缩机，用于向热能储存和回收设备馈送已通过气体压缩过程加热的压缩气体，以及b）燃气涡轮机，用于从热能储存和回收设备接收冷却下来的传热介质。这可以提供下述优点，即：可以容易地并以高效方式产生可以用于将热能载入热能储存和回收设备的所描述的被加热的压缩空气。由于热能储存和回收设备将在气体穿过热能储存和回收设备的换热器装置期间使空气冷却下来，因此热能储存和回收设备出口处的空气压强将小于热能储存和回收设备输入处的热压缩气体的压强。
根据本发明的另一实施例，燃气涡轮机包括气体出口，以便输出用于冷却至少一个建筑中的至少一个房间内的环境空气的出口气体。这可以提供能够以显著高效方式实现空气调节的优点。
要说明的是，可以经由专用换热设备直接或间接使用由空气涡轮机的空气出口提供的出口空气，以执行所描述的冷却。
根据本发明的另一实施例，热产生装置进一步包括驱动所述压缩机的马达，其中，燃气涡轮机与马达机械连接。这可以提供下述优点，即：热产生装置可以达到高效率。
具体地，在已经将热压缩气体作为入口气体馈送到热能储存和回收设备的换热器装置之后，冷却的压缩气体可以在换热器装置的出口处返回，其中，所述冷却的压缩气体被馈送到燃气涡轮机，该燃气涡轮机可以与燃气涡轮机和压缩机共用的轴机械连接，帮助驱动压缩机，并由此提高所描述的热能储存和回收设备的效率。
热产生装置可以包括电锅炉和/或热泵。这可以提供下述优点，即：可以将电能（特别是通过替代性能量源诸如风力涡轮机产生的电能）转化为能够作为热能储存在上述热能储存和回收设备中的热量。
特别地，热泵可以提供非常高效地产生热量的优点。当使用热泵时，电能首先被转化为压缩机的机械能，这与众所周知的物理原理相一致，在该原理中，热泵压缩气态热泵介质并且使该介质围绕主要包括冷凝器和蒸发器的闭合回路循环。由此，在冷凝器中释放的能量可以用于加热传热介质，然后该传热介质被传送到热能储存和回收设备。在这方面，要说明的是，可以通过空气、通过另一冷却装置和/或通过例如从分区加热设施泵送回的水来驱动所描述的蒸发器。
根据本发明的另一实施例，热消耗装置包括a）蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机在第二操作状态中从所述热能储存和回收设备接收热传热介质，和/或b）循环泵，用于将冷传热介质馈送到热能储存和回收设备。利用蒸汽涡轮机可以提供能够实现高效率的回收热能转化的优点。
在这方面，“热传热介质”可以表示初始时较冷的或冷的传热介质由于它穿过热能储存和回收设备而被加热了。此外，“冷传热介质”可以表示冷传热介质在其穿过热能储存和回收设备期间将被加热。
蒸汽涡轮机的转轴可以与电力发电机连接，该电力发电机能够将蒸汽涡轮机提供的机械能转化为电能，该电能可以被容易地馈送到电力网和/或直接被至少一个耗电器消耗。
蒸汽涡轮机可以与冷凝器连接，其中蒸汽涡轮机的操作介质在将其能量传输到蒸汽涡轮机之后转化到它的液相。
所描述的冷凝器可以是另一闭合回路的一部分，其与蒸发涡轮机分离，并且所述冷凝器可以主要包括泵和蒸发器。其中，可以经由所提及的蒸发器将从热能储存和回收设备释放的能量传到蒸汽涡轮机，其中，所述蒸发涡轮机的操作介质从液相转换为气相。
可以通过空气、通过另一冷却装置和/或通过从分区加热设施泵送回的水来驱动所描述的冷凝器。
根据本发明的另一实施例，热消耗装置进一步包括分区加热设施，该设施a）从所述蒸汽涡轮机接收传热介质，并且b）向循环泵提供传热介质。
分区加热设施系统可以包括热连接传热介质和流体（举例而言，例如水）的换热器系统。由此，分区加热设施可以经由水入口从水设施接收较冷的水并且可以经由水出口向水设施提供热水或温水。
根据本发明的另一实施例，热能储存和回收系统可以进一步包括控制单元，该控制单元连接到a）热能储存和回收设备、b）热产生装置和c）热消耗装置中至少一个。控制单元适于控制热能储存和回收系统的操作。
具体地，控制单元可以耦接到以下组件中的一个或多个：a）热产生装置的压缩机，b）热产生装置的阀，c）热能储存和回收设备的至少一个阀，d）驱动传热介质使其通过热能储存和回收设备的至少一个循环泵，e）热消耗装置的（蒸汽）涡轮机，f）热转化装置的馈送泵，g）用于使冷介质在蓄冷循环中循环的循环泵，其中所述冷介质驱动：g1）（利用上述热泵实现的）热产生装置的蒸发器，和/或g2）热消耗装置（主要包括蒸汽涡轮机）的冷凝器。
应该注意，已经参照不同主题描述了本发明的实施例。具体地，已参照针对热能储存和回收设备的权利要求描述了一些实施例，并且已参照针对热能储存和回收系统描述了其它实施例。然而，根据上文和下文的描述，本领域技术人员将总结出，除非另有说明，否则除了属于一类主题的特征的任意结合之外，涉及不同主题的特征之间的任意结合也应被认为已被本文公开。此外，当受益于此文件的公开内容时，本领域技术人员将理解所描述的热能储存和回收设备及系统的操作。因而，上述特征中至少一些特征的任意结合也可用来拟定一权利要求，该权利要求用于操作所描述的热能储存和回收设备和/或所描述的热能储存和回收系统。
根据下文描述的实施例，本发明的上文所限定的各个方面以及其它方面将变得明显，并且参照实施例对其进行解释。下文将参照实施例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例。
附图说明
图1示出了具有换热器装置的热能储存和回收设备的剖切俯视图，所述换热器装置包括与第一端相关联的第一换热段、与第二端相关联的第二换热段以及平行地连接第一换热段和第二换热段的三个连接段。
图2示出了图1所示的热能储存和回收设备的剖切俯视图。
图3示出了根据本发明第一实施例的热能储存和回收系统的示意图。
图4示出了根据本发明第二实施例的热能储存和回收系统的示意图。
图5示出了沿图1所示热能储存设备的换热器装置的管的示例性温度分布曲线。
图6借助于以下两种情形时温度沿换热器装置的管的局部依赖性图解说明了逆流原理，所述两种情形即：a）当传热介质沿第一方向流动以向热能储存设备充载热能时，以及b）当传热介质沿第二相反方向流动以对热能储存设备进行卸载时。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同的附图中，相似或相同元件具有相同的附图标记或仅在第一位数与相应附图标记不同的附图标记。
图1示出了热能储存和回收设备100的剖切俯视图。热能储存和回收设备100包括外罩102，所述外罩包括绝热材料。因此，外罩102代表热能储存和回收设备100的外绝热壁108。热能储存和回收设备100进一步包括将热能储存和回收设备100的空间分割成不同区域的内绝热壁104。根据这里描述的实施例，外绝热壁108和内绝热壁104都包括矿棉。
外罩102中填充有储热材料108。储热材料108包括沙子、土壤、灰粉、砾石、石块和/或包括大比热容的其它种类固体材料。整个热能储存和回收设备100被嵌入地面或基础（ground）120内，基础120也可以包括土壤、砾石、石块、岩石、灰粉和/或沙子或类似材料。
热能储存和回收设备100进一步包括换热器装置110。换热器装置110被嵌入有储热材料108。换热器装置110包括与换热器装置110的第一端112a相关联的第一换热段112、与换热器装置110的第二端114a相关联的第二换热段114以及平行地连接第一换热段112和第二换热段114的三个连接段116、117和118。在各个连接段116、117和118中，分别设置阀116a、117a和118a。可以通过未示出的控制单元控制阀116a、117a和118a，使得可以单独地打开、关闭或部分打开/关闭三个连接段116、117和118中的每个。通过关闭阀116a、117a和118a中的一个或多个，可以控制穿过换热器装置110的传热介质流。由此，可以有效地将热能储存和回收设备100的与该关闭的阀相关联的子区域与热能储存和回收设备100的剩余区域分开。这意味着，通过打开一个阀并关闭其它阀中的一个或多个，能量储存容量可以随着换热器装置100的使用容量的减小或增加而相应地减小或增加。
所描述的热能储存和回收设备100的尺寸可以大于1000m长、100m宽和5m深。这使得体积为500000 m3。如以上已经提及的，储热材料可用沙子进行填沙，沙子的比热容为0.8 kJ/ (kg K)并且沙子的密度为1740 kg/m3。当沙子108从20℃被加热到200℃（即温度差为180℃）时，使得储热容量达到125280 GJ。这相当于34.8 GWh。
当然，为了获得其它储热容量，也可以使用具有其它尺寸和其它操作温度的热能储存和回收设备。
当操作热能储存设备100时，不同的操作模式用于a）向热能储存和回收设备100充载热能，以及b）用于卸载热能储存和回收设备100，即用于从热能储存和回收设备100取回热能。具体地，在第一操作模式中，通过从代表传热介质的被加热的压缩空气或热压缩空气接收热能来充载热能储存和回收设备100，所述压缩空气从第一端112a传输到第二端114a。在第二操作模式中，通过向传热介质提供热能来卸载热能储存和回收设备100，传热介质从第二端114a传输到第一端112a。在第二操作模式中使用的传热介质还可以是压缩空气和/或蒸汽（例如包括水）。
传热介质的传输方向对操作状态的所述依赖性可以看作是采用逆流原理。通过利用此逆流原理，当从热能储存和回收设备100回收热能时，可以将冷的传热介质加热到一温度，该温度接近与热能进入热能储存和回收设备100时热传热介质（即压缩空气）的入口温度相同。这使得所描述的热能储存和回收设备100的热力学效率很高。
要说明的是，根据这里描述的实施例，热能储存和回收设备100进一步包括也未示出的另一换热器装置，其具有包括另一第一末端的另一第一换热段和包括另一第二末端的另一第二换热段。于是，利用逆流原理，热流体可以被馈送到第一端之一中并且返回第二端之一中，并且冷流体可以被馈送到另一第一端中并且返回另一第二端中。对于换热器装置110，所述另一换热器装置可以包括单独的腔或导管。
图2示出了热能储存和回收设备100的剖切俯视图。在热能储存和回收设备100的前侧可以看到换热器装置110的端112a和114a。此外，根据以上描述的实施例，在热能储存和回收设备100的右侧设置第一端112a和另一换热器装置的另一第一端112b。相应地，在热能储存和回收设备100的左侧设置第二端114a和另一换热器装置的另一第二端114b。
要说明的是，在图2所示的方位中，可以将热能储存和回收设备100向下放置到基础120中。
图3示出了根据本发明第一实施例的热能储存和回收系统330的示意图。为了将能量储存在热能储存和回收设备300中，使用热产生装置370。为了从热能储存和回收设备300回收能量，使用热消耗装置390。
如从图3可见的，热产生装置370包括通过马达376被驱动的压缩机372。压缩机372包括空气入口372a。空气入口372a中的空气可以具有例如20摄氏度的温度和例如1巴的压强。在压缩空气期间，压强可以上升至例如25巴并且温度可以上升至例如500摄氏度。此被加热和压缩的空气被馈送到热能储存和回收设备300的换热器装置310的入口中。然后，当前具有例如20摄氏度的温度和仍接近25巴的压强的压缩空气经由换热器装置310的出口返回。
然后将压缩的出口空气馈送到空气涡轮机374中。根据这里描述的实施例，空气涡轮机374、马达376和压缩机372具有共用轴377。这提供了空气涡轮机374将帮助马达376驱动压缩机372的优点，从而将提高热产生装置370的效率。
经由空气出口374a由空气涡轮机374提供的膨胀出口空气的温度在空气从25巴压强膨胀到1巴压强时会下降到例如摄氏零下一度（-1℃）。这使得来自空气涡轮机374的膨胀出口空气适合用于冷却用途，例如用于对在一个或多个建筑物中的一个或多个房间中的环境空气进行空气调节。
为了回收所储存的能量，将温度为例如20摄氏度的冷流体馈送到热能储存和回收设备300的另一换热器装置311的入口中。根据这里描述的实施例，这通过循环泵392完成。循环泵392从包括水入口398a的分区加热设施398收集水。
在穿过另一换热器装置311之后，流体具有出口温度，该出口温度显著大于另一换热器装置311的入口处的流体入口温度。由于所描述的在热能储存和回收设备300中的逆流流体流动，离开另一换热器装置311的流体的出口温度与进入换热器装置310的热压缩空气的入口温度几乎相同。
以此方式，冷流体转换为蒸汽，在使蒸汽进入蒸汽涡轮机394之前可以通过加热装置（未示出）进一步过加热所述蒸汽，所述蒸汽涡轮机394通过轴连接驱动电力发电机396。任选地，还可以使蒸汽进入冷凝器（未示出），蒸汽在该处转变为水。可以通过空气（静止的或来自通风设备的环境空气）来驱动该冷凝器。替代性地或结合地，可以将从分区加热设施398返回的水泵送通过冷凝器，以便冷却蒸汽。经冷凝的水可以被泵送回到分区加热设施398并且通过分区加热设施398的水出口398b返回。电力发电机396可以连接到公共电网（未示出）以及风力涡轮机或其它种类的替代性能量源（未示出）。
以此方式，马达376可以使用由例如风力涡轮机产生的电能，用于驱动压缩机372，用于馈送压缩空气穿过热能储存和回收设备300，以及用于将热能储存在热能储存材料（诸如砂子或具有高比热容的其它类似固体材料）中。在没有风或风较小的时期或也许在风力涡轮机所树立处风速过高的时期，可以将水泵送穿过热能储存和回收设备300，将水加热为蒸汽，之后该蒸汽驱动蒸汽涡轮机394。蒸汽涡轮机394驱动向公共电网供电的电力发电机496。
图4示出了根据本发明第二实施例的热能储存和回收系统430的示意图。在此实施例中，分区加热设施或热力发电站435连接到公共电网450并且连接到热能储存和回收设备400。根据这里描述的实施例，分区加热设施或热力发电站435包括具有冷凝器（未示出）和连接的电力发电机445的蒸汽涡轮机440以及具有内嵌式马达的压缩机472。压缩机472可以被替代为电锅炉或增补以热泵系统或其它加热装置。
分区加热设施或热力发电站435连接到热能储存和回收设备400，既用于能量储存也用于回收所储存的能量。同样，风力涡轮机460或其它类型的替代性能量源可以连接到公共电网450。
具有内嵌式马达的压缩机472还包括机械连接的空气涡轮机（未示出），与马达一起帮助驱动压缩机472。空气涡轮机可以连接到热能储存和回收设备500的换热器装置出口，接收该出口中的冷却的压缩空气。
图5示出了沿图1所示热能储存设备的换热器装置的管的示例性温度分布曲线。现在用附图标记500表示热能储存设备。在图5中，示出了在热传热介质已经流过换热器装置至少一段时间之后热能储存和回收设备500的热状态。这意味着，热能储存和回收设备500至少部分地充载有热能。结果是，在沿换热器装置的不同位置处（其由实心圆表示）出现以下温度：500℃、500℃、490℃、450℃、350℃、250℃、150℃、50℃、20℃、20℃。
用于对热能储存和回收设备500进行充载的传热介质的流动方向可以用箭头519a来表示。根据上述逆流原理，当从热能储存和回收设备400取回热能时，沿相反方向泵送传热介质使其穿过热能储存和回收设备400的换热器装置。如果热能储存和回收设备400包括与所述换热器装置不同的另一换热器装置，则此另一换热器装置可以用于导引从储热材料接收热能的传热介质。以此方式，当从热能储存和回收设备400取回能量时，可以将冷传热介质加热到与对热能储存和回收设备400进行充载时热流体（即热压缩空气）的入口温度近似相同的温度。
图6借助温度沿换热器装置的管的局部依赖性图解说明了逆流原理。在横坐标上，标注了沿管的测量点的位置L。在纵坐标上标注了各个温度。
当对热能储存设备进行充载时，初始时热的传热介质沿管从热入口端“l2”流到冷出口端“l1”。由此，温度分布曲线692将上升。当对热能储存设备进行卸载时，初始时冷的传热介质沿管从热入口端“l1”流到冷出口端“l2”。由此，温度分布曲线694将上升。
一般而言，图6示出了如何利用逆流原理在传热介质穿过热能储存设备的换热器时分别加热和冷却所述传热介质。充载和卸载两者的温度梯度在逆流系统的流的整个长度上保持恒定。以此方式，可以将冷传热介质加热到与所使用的热传热介质（即被加热的压缩空气或热压缩空气）基本相同的温度。
应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。
附图标记列表：
100 热能储存和回收设备
102 外罩/外绝热壁
104 内绝热壁
108 储热材料
110 换热器装置
112 第一换热段
112a 第一端
112b 另一第一端
114 第二换热段
114a 第二端
114b 另一第二端
116 第一连接段
116a 阀
117 第二连接段
117a 阀
118 第三连接段
118a 阀
120 地面或基础
300 热能储存和回收设备
310 换热器装置
311 另一换热器装置
330 热能储存和回收系统
370 热产生装置
372 压缩机
372a 空气入口
374 空气涡轮机
374a 空气出口（用于空气调节）
376 马达
377 共用轴
390 热消耗装置
392 循环泵
394 蒸汽涡轮机
396 电力发电机
398 分区加热设施
398a 水入口
398b 水出口
400 热能储存和回收设备
430 热能储存和回收系统
435 分区加热设施/热力发电站
440 蒸汽涡轮机
445 电力发电机
450 公共电网
460 风力涡轮机
472 压缩机
500 热能储存和回收设备
519a 流动方向
692 充载期间的温度分布曲线
694 卸载期间的温度分布曲线。
Claims (16)
1. 一种热能储存和回收设备，包括：
换热器装置（110、310），其被配置为用于导引所述换热器装置（110、310）的第一端（112a）与所述换热器装置（110、310）的第二端（114a）之间的传热介质流，以及
储热材料（108），其以下述方式围绕所述换热器装置（110、310），即：使得形成热相互作用区域，以将所述传热介质与所述储热材料（108）热耦接，
其中，所述换热器装置（110、310）以下述方式相对于所述储热材料（108）密封，即：如果所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）处于所述储热材料（108）应从所述传热介质接收热能的第一操作模式，则已通过气体压缩过程加热的压缩气体能够用作所述传热介质，以便将热能从所述传热介质传到所述储热材料（108）。
2. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收设备，其中，所述换热器装置（110、310）适于：
a）如果所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）处于所述第一操作模式，则将所述传热介质从所述第一端（112a）传输到所述第二端（114a），以及
b）如果所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）处于第二操作模式，则将所述传热介质从所述第二端（114a）传输到所述第一端（112a），在该第二操作模式中，所述储热材料（108）应向所述传热介质释放热能。
3. 根据前述权利要求之一所述的热能储存和回收设备，其中，所述换热器装置（110、310）包括：
与所述第一端（112a）相关联的第一换热段（112），
与所述第二端（114a）相关联的第二换热段（114），
连接所述第一换热段（112）和所述第二换热段（114）的第一连接段（116），以及
平行于所述第一连接段（116）地连接所述第一换热段（112）和所述第二换热段（114）的第二连接段（117），
其中，这些连接段（116、117）中的至少一个包括阀（116a、117a），用于控制通过相应连接段（116、117）的传热介质流。
4. 根据前述权利要求之一所述的热能储存和回收设备，其中，
所述换热器装置（110、310）由管制成，特别是由钢管或混凝土管制成。
5. 根据前述权利要求之一所述的热能储存和回收设备，进一步包括绝热装置（102、104），该绝热装置（102、104）用于：
a）使整个热能储存和回收设备（100、300、400、500）与其外界环境绝热，和/或
b）使所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）的不同隔室互相绝热。
6. 根据前述权利要求之一所述的热能储存和回收设备，其中，
所述储热材料（108）包括固体材料，特别是例如沙子、土壤、灰粉、石块和/或砾石。
7. 根据前述权利要求1至6之一所述的热能储存和回收设备，其中，
所述第一端包括单个第一开口（112a），所述第二端包括单个第二开口（114a），其中，
· 在所述第一操作模式中，所述第一开口（112a）用于接收已通过气体压缩过程加热的压缩气体，所述第二开口（114a）用于排出冷却下来的压缩气体，并且
· 在所述第二操作模式中，所述第二开口（114a）用于接收冷流体，所述第一开口（112a）用于排出热流体，该热流体表示被加热的冷流体。
8. 根据前述权利要求1至5之一所述的热能储存和回收设备，进一步包括：
另一换热器装置（311），其被配置为用于导引所述另一换热器装置（311）的另一第一端（112b）与所述另一换热器装置（311）的另一第二端（114b）之间的另一传热介质流，以及
另一储热材料，其以下述方式围绕所述另一换热器装置（311），即：使得形成另一热相互作用区域，以将所述另一传热介质与所述另一储热材料热耦接。
9. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收设备，其中，
所述换热器装置（110、310）和所述另一换热器装置（311）形成了逆流换热器系统，
其中所述另一传热介质和所述传热介质是能够同时传输的，并且
其中所述另一传热介质是能够沿相对于所述传热介质的相反方向传输的。
10. 一种热能储存和回收系统，包括：
根据前述权利要求之一所述的热能储存和回收设备（100、300、400、500），
热产生装置（370），其与所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）直接或间接连接并且适于加热从所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）已接收的和应传输到所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）的传热介质，以及
热消耗装置（390），其与所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）直接或间接连接并且适于从已被所述热能储存和回收设备加热的传热介质中接收热能。
11. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热产生装置（370）包括：
压缩机（372），用于向所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）馈送已通过气体压缩过程加热的压缩气体，以及
燃气涡轮机（374），用于从所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）接收冷却下来的传热介质。
12. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述燃气涡轮机（374）包括气体出口（374a），以便输出用于冷却至少一个建筑中至少一个房间内的环境空气的出口气体。
13. 根据前述权利要求10或11所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热产生装置（370）进一步包括：
驱动所述压缩机（372）的马达（376），其中，所述燃气涡轮机（374）与所述马达（376）机械连接。
14. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热消耗装置（390）包括：
蒸汽涡轮机（394），其在第二操作状态中从所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）接收热的传热介质，和/或
循环泵（392），用于向所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）馈送冷的传热介质。
15. 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热消耗装置（390）进一步包括：
分区加热设施（398），其从所述蒸汽涡轮机（394）接收传热介质并且向循环泵（392）提供传热介质。
16. 根据前述权利要求10至15之一所述的热能储存和回收系统，进一步包括：
控制单元，该控制单元连接到：a）所述热能储存和回收设备（100、300、400、500）、b）所述热产生装置（370）、和c）所述热消耗装置（390）中的至少一个，
其中，所述控制单元适于控制所述热能储存和回收系统（330）的操作。
Applications Claiming Priority (5)
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| EP10007149.7 | 2010-07-12 | ||
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| EP10190006 | 2010-11-04 | ||
| PCT/EP2011/056378 WO2012007196A2 (en) | 2010-07-12 | 2011-04-20 | Thermal energy storage and recovery device and system having a heat exchanger arrangement using a compressed gas |
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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