CN102997730A - 修改沿热能存储和恢复装置的热交换设备的空间温度分布 - Google Patents

Abstract

本发明涉及修改沿热能存储和恢复装置的热交换设备的空间温度分布。描述了一种热能存储和恢复装置(400)，包括：(a)热交换设备，其具有第一端(412a)和第二端(413a)，其中热交换设备(110)配置用于引导第一端和第二端之间的热传递流体的流动；(b)热存储材料，其以下面这种方式热耦合到热交换设备，即沿着热交换设备的物理延伸部分，形成热相互作用区域以便使热传递流体与热存储材料进行热耦合；(c)流体端子(415a)，其经由热交换设备的支管(415b)连接到热交换设备，其中支管(415b)位于第一端和第二端之间；和(d)控制装置，其耦合到流体端子并且配置为使得可以下面这种方式控制经过流体端子的流体的流动，即可调整在热交换设备内沿着热相互作用区域的至少一部分的空间温度分布。

Description

修改沿热能存储和恢复装置的热交换设备的空间温度分布

技术领域

本发明涉及临时存储热能的领域。具体地讲，本发明涉及一种包括热交换设备和热存储材料的热能存储和恢复装置。另外，本发明涉及一种用于调整沿着热能存储和恢复装置的热交换设备的温度分布的方法。另外，本发明涉及一种包括这种热能存储和恢复装置的热能存储和恢复系统。

背景技术

来自各种类型的替代能源(诸如例如，风涡轮机、太阳能发电厂和波浪能发电厂)的电力的生产在时间上不是连续的。生产可能依赖于环境参数，诸如例如风速(针对风涡轮机)、日照强度(针对太阳能发电厂)以及浪高和方向(针对波浪能发电厂)。通常在能量生产和能量需求之间几乎没有或者没有时间相关性。

解决不相关的电力生产和电力需求的问题的一种已知方案是临时存储已生产但还不需要的能量，并在存在大量需求时释放存储的能量。在过去，已提出临时存储能量的许多不同的方法。提出的方法是例如(a)机械能存储方法，例如抽水存储、压缩空气存储和飞轮，(b)化学能存储方法，例如电化学电池和有机分子存储，(c)磁能存储，和(d)热能存储。

为了临时存储热能，已知热能存储和恢复装置，该装置包括热存储材料和由热存储材料包围的嵌入的热交换设备。在用于在热存储材料内存储热能的第一工作模式中，热的热传递介质被引导通过热交换设备。由此，热传递介质经由热交换设备把它的热能的至少一些传递到热存储材料。结果，热传递介质冷却，并且热存储材料变热。在用于从热存储材料释放热能的第二工作状态中，冷的热传递介质被引导通过热交换设备。由此，热存储材料经由热交换设备把它的热能的至少一些传递到热传递介质。结果，热存储材料冷却，并且热传递介质变热。

当为热能存储和恢复装置充入热能(“第一工作模式”)时，空间温度分布将会沿着热交换设备的物理延伸部分产生。能够容易地理解这一点，因为在进入热能存储和恢复装置时，热传递介质是热的，并且在把它的热能的至少一些传递到热存储材料之后，它将会冷却。结果，在热交换设备的入口端附近的热存储材料的温度将会高于在热交换设备的出口端附近的热存储材料的温度。类似的考虑应用于将会在从热能存储和恢复装置释放热能时产生的空间温度分布。

在多次热能充入和热能释放周期的过程中，所描述的空间温度分布将会变平。如果空间温度分布的这种变平不限于热能存储和恢复装置的内部区域而是扩展到热交换设备的入口端和出口端，则热存储材料和热传递介质之间的可用最大温差将会减小。这具有这样的缺点：热能存储和恢复装置的热效率将会降低。

可能需要特别地在热能存储和恢复周期的效率方面改进热能的临时存储。

发明内容

这种需要可由根据独立权利要求的主题满足。本发明的有益实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种热能存储和恢复装置。所提供的热能存储和恢复装置包括：(a)热交换设备，其具有第一端和第二端，其中热交换设备配置用于引导第一端和第二端之间的热传递流体的流动；(b)热存储材料，其以下面这种方式热耦合到热交换设备，即沿着热交换设备的物理延伸部分，形成热相互作用区域以便使热传递流体与热存储材料进行热耦合；(c)流体端子，其经由热交换设备的支管连接到热交换设备，其中支管位于第一端和第二端之间；和(d)控制装置，其耦合到流体端子并且配置为使得可按照下面这种方式控制经过流体端子的流体的流动，即可调整在热交换设备内沿着热相互作用区域的至少一部分的空间温度分布。

所描述的热能存储和恢复装置基于这样的思想：通过在第一端和第二端之间在热交换设备处提供支管，具有某一温度的（热传递）流体能够以下面这种方式(a)被馈入热交换设备，或者(b)被从热交换设备提取，即能够修改沿着热交换设备的延伸部分的空间温度分布。特别地，沿着热交换设备的延伸部分的空间温度梯度（gradient）能够增加(即，温度分布变得更尖锐)，从而与第一端相邻的热交换设备的第一部分内的温度至少近似地恒定，和/或与第二端相邻的热交换设备的第二部分内的温度也至少近似地恒定。由此，一端可称为热端并且另一端可称为冷端，因为冷端的温度小于热端的温度。

在这个方面，需要提及的是，如果第一部分内的温度和第二部分内的温度至少近似地恒定，则在热能存储在热能存储和恢复装置中的第一工作模式中，离开热能存储和恢复装置的(冷却的)热传递流体的输出温度将会至少在对应充入周期的一部分期间是恒定的。对应地，在从热能存储和恢复装置释放热能的第二工作模式中，离开热能存储和恢复装置的(加热的)热传递流体的输出温度将会至少在对应放出周期的一部分期间是恒定的。结果，针对对热能存储和恢复装置充热以及针对对热能存储和恢复装置排热二者，都能够受益于两端之间的完全温差。结果，将会优化包括热能存储和热能释放的周期的效率。

术语热交换设备可以是任何物理装置，该装置允许(a)引导第一端和第二端之间的热传递流体的流动，和(b)使热传递流体热耦合到热存储材料。热交换设备可以例如由被热存储材料包围的管子实现。可替换地，热交换设备可以是容纳热存储材料的容器。

术语物理延伸部分可特别地表示热交换设备的长度。在热交换设备由至少一个管子实现的情况下，物理延伸部分可以特别地是管子的长度。在热交换设备包括曲线的情况下，物理延伸部分不是在其中能够实现整个热能存储和恢复装置的尺寸或维度，而是热交换设备相应地用于热交换设备的管子的总长度或有效长度。

与热传递流体相比，经由流体端子提供给热交换设备的热流体或冷流体可以是相同类型或者不同类型的流体。

所描述的控制装置可由数据处理装置实现，数据处理装置基于（多个）合适的软件程序能够控制所描述的热能存储和恢复装置的操作。然而，需要指出的是，所描述的控制单元也可包括硬件部件，诸如例如用于控制(热传递)流体的流动的阀和用于控制阀的设置的致动器。由此，优选地位于靠近相应流体端子的阀可例如由合适的旋转门和/或档板开闭器实现。

然而需要提及的是，可能热交换设备的第一端和第二端不必位于热交换设备的相对侧。热交换设备的第一端和第二端也可能位于热能存储和恢复装置的相同一侧。通过放置彼此相对比较靠近的热交换设备的入口端和出口端，能够使由通向或来自热交换设备的长热传递流体馈给管和/或长热传递流体返回管引起的热损失最小化。

根据本发明的实施例，热能存储和恢复装置还包括：至少一个另外的流体端子，其经由热交换设备的另一支管连接到热交换设备，其中所述另一支管也位于第一端和第二端之间，并且其中支管和所述另一支管在空间上沿着热交换设备的物理延伸部分分布。这可提供这样的优点：能够沿着热交换设备(的物理延伸部分)在不同位置执行通过热的或冷的热传递流体实现的“热注入”。结果，能够实现沿着热交换设备(的物理延伸部分)的空间温度分布/梯度的改进的修改。

根据本发明的另一实施例，沿着热交换设备提供具有对应的流体端子的多个支管，由此在位于与第一端或第二端相邻的端部区域中沿着热交换设备的物理延伸部分的支管的密度高于在位于第一端和第二端之间的中间区域中沿着热交换设备的物理延伸部分的支管的密度。这可提供这样的优点：能够在这些区域中最好地修改空间温度分布，其中针对利用所描述的热能存储和恢复装置执行的热能存储和恢复周期的(热)效率，分布修改具有最高的效果。

根据本发明的另一实施例，控制装置配置用于控制经过彼此独立的各种流体端子的流体的流动。这可提供这样的优点：对于每个流体端子，能够单独地控制对应的流体流，并且对于热交换设备的每个部分（该部分被分派给相应支管），能够调整合适的热量输入或热量输出。

根据本发明的另一实施例，流体端子和/或所述另外的流体端子配置用于(a)允许流体进入热交换设备，以及(b)防止流体离开热交换设备。

描述性地讲，流体端子和/或所述（多个）另外的流体端子仅用作(热传递)流体入口。这可提供这样的优点：不能从热交换设备损失热传递流体，并且能够容易地确定添加到交换设备以便修改空间温度分布的流体的温度，以便获得最佳的空间温度分布修改。

根据本发明的另一实施例，热存储材料包括固体材料，诸如特别地，沙子、土壤、灰、石头和/或砾石。当然，也可使用优选地也相对比较便宜并且包括类似热性质的其它材料。

根据本发明的另一实施例，热交换设备的物理延伸部分为至少80 m，优选地至少为500 m，并且特别地为至少1000 m。

通过具有热交换设备的长的物理延伸部分，并且结果，通过具有热传递流体和热存储材料之间的长的热相互作用区域(即，热交换设备放置在热存储材料中的区域)，能够确保，在第二工作模式(即，从热能存储和恢复装置恢复存储的热能)期间，冷的热传递流体的温度增加到与热的热传递流体的入口温度值相同或几乎相同的温度值。以这种方式，如果在第一工作模式期间提供给热能存储和恢复装置的热的热传递流体包括像加热的蒸汽一样高的温度值，则加热的热传递流体也可包括或者可转换成加热的蒸汽，该加热的蒸汽随后可直接用于驱动蒸汽涡轮机而不需要任何另外的加热装置。由此，能够实现所描述的热能存储和恢复装置的热能存储能力的高效率。

根据本发明的另一实施例，热能存储和恢复装置还包括：隔热设备，(a)用于使整个热能存储和恢复装置与它的环境隔热，和/或(b)用于使热能存储和恢复装置的不同分隔室彼此隔热。这可提供这样的优点：热能存储和恢复装置能够至少部分地从它的周围环境热去耦，和/或该装置的不同分隔室或区域能够至少部分地相对于彼此热去耦，从而考虑到给定的工作条件，能够优化热能存储和恢复装置的有效尺寸。

对热能存储和恢复装置的不同分隔室进行热去耦可进一步提供这样的优点：由于不同分隔室之间的有限的热传导，利用引入到热交换设备中或从热交换设备提取的减少的热能量和/或在缩短的时间量内，能够实现所希望的温度分布的重新建立。

根据本发明的另一实施例，热能存储和恢复装置还包括：(a)第一公共馈给管，其连接到从用于把热流体引入到热交换设备中的流体端子和所述至少一个另外的流体端子选择的至少两个第一端子；和/或(b)第二公共馈给管，其连接到从用于把冷流体引入到热交换设备中的流体端子和所述至少一个另外的流体端子选择的至少两个第二端子。由此，(i)第一端子不同于第二端子，(ii)热流体的温度高于冷流体的温度，(iii)热流体用于加热热交换设备内的热传递流体，以及(iv)冷流体用于冷却热交换设备内的热传递流体。这可提供这样的优点：为了有效地修改空间温度分布，仅必须提供两个不同的储存器，其中分派给热的(热传递)流体并包括热的(热传递)流体的第一储存器耦合到第一公共馈给管，并且分派给冷的(热传递)流体并包括冷的(热传递)流体的第二储存器耦合到第二公共馈给管。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于调整沿着如上所述的热能存储和恢复装置的热交换设备的温度分布的方法。所提供的方法包括：(a)引导第一端和第二端之间的热传递流体的流动；以及(b)以下面这种方式控制经过流体端子的流体的流动，即调整在热交换设备内沿着热相互作用区域的至少一部分的空间温度分布。

所描述的方法也基于这样的思想：能够消除或至少减小沿着热交换设备的空间温度分布的不利的变差，其在某一数量的热存储和热释放周期之后可能因为在对热能存储和恢复装置充热时以及在对热能存储和恢复装置排热时的减小的可用温度差而导致热能存储和恢复装置的降低的效率。因此，通过以可使用最大温差的这种方式修改沿着热交换设备的温度分布，热能存储和恢复装置的热效率能够保持在最大水平。

根据本发明的实施例，流体和/或热传递流体是气态流体，并且特别地是压缩气体。

优选地，至少当(热传递)流体处于它的较高温度时，(热传递)流体是压缩空气或过热蒸汽。这可意味着，当把热能充入到所描述的热能存储和恢复装置中时，引入到热交换设备中的热传递流体至少部分地是气态的。当热传递流体离开热交换设备时，它可再次变为液体。对应地，当从所描述的热能存储和恢复装置排出或提取热能时，冷的液体流体可以被加热，从而它被转换成气态或至少部分地气态的蒸汽。如果提取的热能用于驱动蒸汽涡轮机(该蒸汽涡轮机自身驱动发电机)，则这一点可特别有益。

根据本发明的另一实施例，(a)在热存储材料应该从热传递流体接收热能的第一工作模式中，热传递流体被从第一端传输并且传输到第二端，以及(b)在热存储材料应该把热能释放到热传递流体的第二工作模式中，热传递流体被从第二端传输并且传输到第一端。

通过对于不同的工作模式采用热传递流体的不同传输方向，能够实现高效的热能存储。具体地讲，(a)针对两种不同工作模式的不同传输方向和(b)热能存储和恢复装置内的热相互作用区域的相对较长的物理延伸部分(例如，超过至少80 m，超过至少500 m，或者超过至少1000 m)的组合可允许实现在第二工作模式期间至少在某一时间的热传递流体的出口温度，该出口温度并不显著小于在第一工作模式期间至少在某一时间的热传递流体的入口温度。这意味着，在第二工作模式期间，能够从热能存储和恢复装置接收几乎具有与在第一工作模式期间已提供给热能存储的热传递流体的温度相同的(高)温度的热传递流体。以这种方式，如果热的热传递流体包括加热的蒸汽，则加热的(原来)冷的热传递介质也可包括加热的蒸汽，该加热的蒸汽随后可直接用于驱动蒸汽涡轮机而不需要任何另外的加热设备。由此，热存储和恢复过程的效率能够显著增加。

所描述的使用(a)针对对热存储材料充入热能的从第一端到第二端的第一传输方向和(b)针对从热存储材料排出热能的从第二端到第一端的相反的第二传输方向的原理能够被解释为采用逆流原理。

具体地讲，在第一工作模式(即，对热存储材料充入热能)中，让热的热传递流体进入到第一端中。在已传递它的热能的至少一部分之后，至少部分冷却的热传递流体在第二端返回。对应地，在第二工作模式(即，从热存储材料排出热能)中，让相对较冷的热传递流体进入到第二端中。在已从热存储材料接收热能之后，至少部分加热的热传递流体在第一端返回。

换句话说，当受益于所描述的逆流原理时，当对热能存储和恢复装置充热时用于热的热传递流体的热交换设备的入口端可以与当对热能存储和恢复装置排热时用于加热的热传递流体的热交换设备的出口端相同。对应地，当对热能存储和恢复装置充热时用于冷却的热传递流体的热交换设备的出口端可以与当对热能存储和恢复装置排热时用于冷的热传递流体的热交换设备的入口端相同。

根据本发明的另一方面，描述了一种热能存储和恢复系统。所描述的热能存储和恢复系统包括：(a)如上所述的热能存储和恢复装置；(b)热产生设备，其直接或间接连接到热能存储和恢复装置，并且配置为加热应该被传输到热能存储和恢复装置的热传递流体；和(c)热消耗设备，其直接或间接连接到热能存储和恢复装置，并且配置为从已被热能存储和恢复装置加热的热传递流体接收热能。

所描述的热能存储和恢复系统基于这样的思想：当上述热能存储和恢复装置与热产生设备以及与热消耗设备协作时，能够实现高效的临时热存储和热恢复过程/周期。

热产生设备可以是能够把能量(特别地，电能)转换成热能的任何装置。产生的或（respectively）转换的热能随后经由热传递流体传递到热能存储和恢复装置。

在热能存储和恢复装置和热产生设备之间的直接(热)连接的情况下，由热能存储和恢复装置使用的热传递流体可以与热产生设备的工作介质相同。在间接连接的情况下，不同的流体可用于热传递流体以及用于该工作介质。这两种流体之间的热连接可随后通过热交换器和/或通过冷凝器实现。

热消耗设备可以是能够把热能转换成机械能和/或电能的任何装置，电能能够被例如馈入电网。

在热能存储和恢复装置和热消耗设备之间的直接(热)连接的情况下，由热能存储和恢复装置使用的热传递流体可以与热转换设备的工作介质相同。在间接连接的情况下，不同的流体可用于热传递流体以及用于提及的工作介质。这两种流体之间的热连接可随后例如通过热交换器和/或通过蒸发器实现。

需要提及的是，所描述的热能存储和恢复装置也可包括两个热交换设备，特别地，上述热交换设备和另一热交换设备，其中这两个热交换设备之一与热产生设备关联，并且这两个热交换设备中的另一个与热消耗设备关联。

根据本发明的实施例，热产生设备配置用于在热能存储和恢复装置处于第一工作模式的情况下产生用于热传递流体的压缩热气体。

优选地，所描述的压缩能够通过绝热压缩来实现。这可提供这样的优点：热产生设备的热产生能够以有效的方式实现。

根据本发明的另一实施例，热消耗设备包括膨胀（expanding）设备，该膨胀设备能够在热能存储和恢复装置处于第二工作模式的情况下被由热能存储和恢复装置提供的膨胀热传递流体驱动。

膨胀设备可以以机械方式耦合到发电机，从而能够实现从(a)已临时存储在热能存储和恢复装置中的热能到(b)电能的高效能量转换。

必须注意的是，已参照不同主题描述本发明的实施例。特别地，已参照方法类型权利要求描述了一些实施例，而已参照设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将会从以上和下面的描述推断，除非另外指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间(特别地，方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间)的任何组合也视为在本文件中公开。

本发明的以上定义的方面和另外的方面通过以下描述的实施例的例子变得清楚，并且参照实施例的例子解释这些方面。以下参照实施例的例子更详细地描述本发明，但本发明不限于此。

附图说明

图1示出具有超长热交换设备的热能存储和恢复装置和沿着超长热交换设备的管子的对应温度行为。

图2示出沿着热交换设备的管子的温度分布，其中在热充入期间，温度分布的梯度沿一个方向移动，并且在热排出期间，温度分布沿相反方向移动。

图3示出因为热能存储和恢复装置的多个热充入/排出周期的空间温度分布的变平和通过热的和冷的热传递介质注入实现的所希望的空间温度分布的重新建立。

图4示出包括多个流体端子的热能存储和恢复装置，所述多个流体端子分别经由支管连接到热交换设备以便允许空间温度分布的锐化。

图5示出具有两个公共馈给管的热能存储和恢复装置，每个公共馈给管用于提供具有某一温度的流体。

图6示出热能存储和恢复系统的配置，其中能够使用本文件中描述的根据本发明的实施例的热能存储和恢复装置。

具体实施方式

附图中的表示是示意性的。需要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件提供有相同的标号或者仅在第一数字内与对应的标号不同的标号。

图1示出根据本发明实施例的热能存储和恢复装置100，该热能存储和恢复装置100包括热交换设备110和另一热交换设备111。热交换设备110和111二者都嵌入在热存储材料108中。热存储材料可以是固体材料，诸如特别地，沙子、土壤、灰、石头和/或砾石。当然，也可使用优选地也相对比较便宜并且包括类似热性质的其它材料。

根据这里描述的实施例，热交换设备110和111具有大约1000 m的物理延伸部分。结果，形成(a)热存储材料108和(b)大约1000m的热交换设备110和111之间的物理/热相互作用长度。当然，也能够采用其它物理延伸部分或物理/热相互作用长度。

从图1能够看出，热能存储和恢复装置100经由内隔热壁104划分成几个分隔室105，这些分隔室105相对于彼此分开或者隔热。

热交换设备110还包括入口端112a和出口端113a。所述另一热交换设备111包括入口端113b和出口端112b。为了把热能存储在热能存储和恢复装置100中，具有温度t1的热的热传递流体被馈入入口端112a中并以温度t2经由出口端113a返回。为了从热能存储和恢复装置100恢复热能，具有温度t3的相对较冷的热传递流体被馈入入口端113b中并以温度t4经由出口端112b返回。

热能存储和恢复装置100还包括流体端子115a、115b、116a和116b，如以下更详细所述，这些流体端子可用于把特定温度的流体引入到热交换设备110或所述另一热交换设备111中。由此，能够保持或重新建立沿着热交换设备110或所述另一热交换设备111的延伸部分的所希望的空间温度分布或所希望的空间温度梯度。

从图1能够看出，流体端子115a经由支管115b操作连接到热交换设备110，并且流体端子116a经由支管116b操作连接到热交换设备110。对应地，流体端子117a经由支管117b操作连接到热交换设备110，并且流体端子118a经由支管118b操作连接到热交换设备110。

需要提及的是，也可通过仅一个热交换设备实现热能存储和恢复装置100。这意味着，为热能存储和恢复装置100充入热能和热能存储和恢复装置100的热能的排出(释放热能)二者都通过所述仅一个热交换设备利用热传递流体的合适的流动来执行。优选地，当为热能存储和恢复装置100充入热能时的热传递流体的第一流动方向与当为热能存储和恢复装置100排出热能时的热传递流体的第二流动方向相反。在这种情况下，已知的逆流原理用于热能存储和恢复装置100的充入/排出周期。

在图1的底部能够看出，排热的热传递流体达到几乎与充热流体的入口温度t1相同的温度t4。这种有益的温度行为因为两个原因而实现：

(A)(a)通过经流体端子115a和/或经流体端子117a引入热的(热传递)以及(b)通过经流体端子116a和/或经流体端子118a引入冷的(热传递)，在热能存储和恢复装置100的内部区域内能够保持沿着热交换设备110和/或所述另一热交换设备111的延伸部分的空间温度梯度。结果，沿着热交换设备110的延伸部分和/或沿着所述另一热交换设备111的延伸部分的温度在位于与入口端112a、出口端112b、入口端113a和出口端113b相邻的端部区域内至少近似地恒定。

(B)在(a)位于一侧的热交换设备110和所述另一热交换设备111与(b)位于另一侧的热存储材料108之间的长的热相互作用长度。

(C)使用用于对热能存储和恢复装置100充热/排热的逆流热交换原理，由此用于热能存储和恢复装置100的充热和排热二者的温度梯度在逆流系统的流的全部长度保持至少近似地恒定。用于“排热”热传递流体的温度曲线看起来几乎与用于“充热”热传递流体的温度曲线相同，它仅移动距离d，而对于这两种热传递流体而言，入口温度和出口温度相同或者几乎相同。

图2示出沿着由热存储材料208包围的热交换设备210的管子的温度梯度。如以上已提及的，热存储材料208可包括例如沙子、土壤或废石或者这些物质的任何组合。通过把热的热传递流体输入到热交换设备210的左端中并且通过从热交换设备210的右端输出冷却的热传递流体，对由热交换设备210和周围的热存储材料208形成的热能存储和恢复装置200充入热能。对应地，通过把冷流体输入到热交换设备210的右端中并且通过在热交换设备210的左端输出变热的流体，从热能存储和恢复装置200释放热能。

虽然在图2中未示出，但热能存储和恢复装置200也受益于以上参照图1阐述的措施(A)、(B)和(C)。结果，当热能存储和恢复装置200被部分地充入热能时，产生位于紧挨着热交换设备210的左端的热区域210a，其中热区域210a内的温度至少近似地恒定在例如560℃。相应地，存在位于紧挨着热交换设备210的右端的冷区域210c，其中冷区域210c内的温度至少近似地恒定在例如20℃。在区域210a和210c之间，存在给出的中间区域210b，其中在热区域210a的热温度和冷区域210c的冷温度之间存在相对较强的空间温度梯度。在热能存储和恢复装置200正下方给出的插图中描述了这种情况。

当热能存储和恢复装置200被进一步充入热能时，包括所描述的温度梯度的中间区域210b的位置朝着右侧移动。所获得的温度分布示出在位于图2的左下侧的插图中。

当热能存储和恢复装置200进一步排出热能时，包括所描述的空间温度梯度的中间区域210b的位置朝着左侧移动。所获得的温度分布示出在位于图2的右下侧的插图中。

根据经过热存储介质的热传递流体的不同物理参数(像是，例如流速)，温度梯度可优选地产生在10至20米或更大的长度内。

图3示出因为热能存储和恢复装置的多个热充入/排出周期的空间温度梯度的变平和通过热的和冷的热传递介质注入实现的所希望的空间温度梯度的重新建立。标号352a、352b、352c、352d、352f和352g表示当热能存储和恢复装置处于它的最低热能充入水平时沿着热交换设备的延伸部分出现的各种空间温度梯度。标号354a、354b、354c、354e、354f和354g表示当热能存储和恢复装置处于它的最高热能充入水平时沿着热交换设备的延伸部分出现的各种空间温度梯度。

根据这里描述的实施例，热交换设备具有250 m的总长度。热交换设备的热端处于0 m的位置，并且热交换设备的冷端处于250 m的位置。在这个方面，需要提及的是，在热能传递到热能存储和恢复装置的第一工作模式中，热端是热的热传递流体的入口端，热传递流体在它经过热交换设备期间冷却。在从热能存储和恢复装置释放热能的第二工作模式中，热端是热的热传递流体的出口端，热传递流体在它经过热交换设备期间变热。

图3(a)描述作为例子的热能存储和恢复装置内的初始空间温度分布/梯度352a和354a。当以充入水平(a)不低于预定义的最低充入水平并且(b)不超过预定义的最高充入水平的方式操作热能存储和恢复装置时，实际空间温度梯度或者实际空间温度梯度将会总是在以曲线352a和354a为边界的区域内。

初始空间温度分布/梯度352a和354a的形状归因于在冷条件(即，到处都是环境温度)期间的热能存储和恢复装置中的热流特性。从充热的热传递流体(例如，热空气)到热能存储和恢复装置的热存储材料(例如，沙子)的热流与热传递流体和存储材料之间的温差成比例。

在下一充热/排热周期中，充热/排热热传递流体由于已有温度分布/梯度而经历相对于存储材料的不同温差。

看待这种热行为的另一方式如下：移动的充热/排热热传递流体增加沿着热交换设备的轴向方向的热传递。如果热能存储和恢复装置暂时站住不动，则梯度将会由于热存储材料中的热传导而变差。如果现在为了简单而假设一千克的充热/排热热传递流体在热传递布置的管子中来回流动。这种充热/排热流体将会在它位于热能存储和恢复装置的热部分中时变热并且在热能存储和恢复装置的冷部分中冷却。换句话说，它将会把热量从热部分传输到冷部分，并且因此加速了变平效果。

因此，观测到导致图3(b)中示出的温度分布的修改形状的不同热流。

图3(b)和3(c)示出在热能存储和恢复装置中在多个充热/排热周期期间的温度分布的产生。图3(b)示出在5个充热/排热周期之后的空间温度分布352b和354b。如以上已提及的，当热能存储和恢复装置处于它的最低热能充入水平时，出现温度分布352b，并且当热能存储和恢复装置处于它的最高热能充入水平时，出现温度分布354b。

图3(c)示出在10个充热/排热周期之后的空间温度分布352c和354c。由此，当热能存储和恢复装置处于它的最低热能充入水平时，出现温度分布352c，并且当热能存储和恢复装置处于它的最高热能充入水平时，出现温度分布354c。

从图3(c)并且特别地从针对0 m的曲线352c的温度水平将会容易地理解，变热的热传递介质的输出温度已经开始降低，因为热能存储和恢复装置已经处于它的最低热能充入水平。如果将会继续进一步排出热能，则变热的热传递流体的输出温度将会变得更低。换句话说，在不降低热传递流体的输出温度的情况下可能无法排出更多的热能，由此热能存储和恢复装置的效率降低。

类似的考虑应用于对热能存储和恢复装置充热。当热能存储和恢复装置处于由曲线354c代表的它的最高热能充入水平时，进一步把热能充入到热能存储和恢复装置中将会导致原来热的但冷却的热传递流体的输出温度的增加。这将会意味着，针对250 m的曲线354c的温度水平将会增加。结果，当对热能存储和恢复装置充热时的可用温差将会减小，并且热充入的效率也将会降低。

换句话说，随着温度梯度变差(温度梯度变得不那么尖锐并且变平)，热能存储和恢复装置的有效存储容量减小。在这里描述的示例性方案中，在大约10个充热/排热周期之后，在冷端的温度开始上升，结果，能量需要存储在另一热能存储和恢复装置中或者能量将会被浪费。

图3(d)示出充热周期，其中热的流体在位于热交换设备的两端之间的位置经由流体端子和支管被引入到热交换设备中。根据这里描述的实施例，该位置位于与热交换设备的热入口端相距大约75 m，并且热的进入流体是热的压缩空气。标号352d表示在热流体引入之前在最低充入水平沿着热交换设备的空间温度分布。标号352d’表示紧接在位置75 m的热流体引入之后沿着热交换设备的空间温度分布。通过热的入口流体，空间温度分布将会至少部分地恢复，并且空间温度梯度将会在肩部周围变得更陡峭(参见图3(f))。

图3(e)示出在一个另外的充热周期之后在最高充入水平的空间温度分布354e。然而，能够看出，该温度分布仍然相对较平并且能够在较低温度范围中改进。为了也在较低温度范围的(右)侧使空间温度分布锐化，通过在200 m的位置使冷流体进入到热交换设备中，故意地对热能存储和恢复装置进行排热。根据这里描述的实施例，冷流体是具有大约20℃的温度的(压缩)空气。标号354e’示出紧接在冷空气注入之后的空间温度分布。由于冷空气进入，空间温度分布将会也在低温侧至少部分地恢复，并且空间温度梯度将会在低温肩部周围变得更陡峭(参见图3(g))。

图3(f)示出在再一个充热周期和再一个排热周期之后的空间温度分布。对于最低充入水平(参见曲线352f)，原始温度分布(参见图3(a))在热交换设备的两端完全恢复。

图3(g)示出在又一个充热周期之后的温度梯度，其中对于最高充入水平(参见曲线354g)，空间温度分布也被恢复。热能存储和恢复装置不再饱和(比较图3(c))。

从这一点，能够断定，由于所描述的热能存储和恢复装置能够在充热周期(第一工作模式)期间在不同位置让热流体进入并且在排热(第二工作模式)期间在其它相对的位置让冷的空气进入，所以能够恢复所希望的尖锐的温度分布，如图1中所示，所述尖锐的温度分布包括(a)靠近热交换设备的热端的热区域，其中温度至少近似地恒定，(b)靠近热交换设备的冷端的冷区域，其中温度也至少近似地恒定，和(c)中间区域，其中在热区域的热温度和冷区域的冷温度之间存在相对较强的空间温度梯度。

换句话说，所描述的热能存储和恢复装置使得有可能以下面这种方式恢复热存储材料内的陡峭的空间温度梯度，即能够存储更多的热能而不会升高在所描述的热能存储和恢复装置的冷端的温度。所描述的热能存储和恢复装置能够排热至更低的速度，而不会降低在热端的温度，并且由此保持热能存储和恢复装置中的温差并且把排热机构的效率保持在高水平。需要提及的是，空间温度分布/梯度不仅由于多个充热/排热周期而将会变平。如果任由热能存储和恢复装置自行发展(即，不充热，不排热)，则它也将会变平，因为热端和冷端之间的温差将会由于热存储材料和/或热交换设备的导热性而消除（level out）。

一般而言，通过沿着热存储具有许多流体入口的热能存储和恢复装置，能够消除或者至少减小空间温度分布/梯度的变差。以这种方式，有可能沿着热交换设备在不同位置注入热流体或冷流体，以便恢复或保持热能存储和恢复装置内的空间温度分布。

图4示出包括多个流体端子415a、416a、417a的热能存储和恢复装置400，所述多个流体端子415a、416a、417a分别经由支管415b、416b、417b连接到热交换设备以便允许沿着热交换设备的空间温度分布的锐化。热能存储和恢复装置400包括当热能存储和恢复装置400处于第一工作模式(即，对热能存储和恢复装置400充入热能)时让热的热传递流体进入的位于第一端的主入口端412a。热能存储和恢复装置400还包括当热能存储和恢复装置400处于第二工作模式(即，从热能存储和恢复装置400释放热能)时让冷却的热传递流体放出的位于第二端的主出口端413a。

另外，热能存储和恢复装置400包括沿着热能存储和恢复装置400的长度彼此分隔开的三个流体端子415a、416a、417a，其中每个流体端子415a、416a和417a代表用于流体的入口。流体入口能够以下面这种方式被独立地控制，即能够在各位置添加热流体或冷流体以保持或恢复沿着热能存储和恢复装置400的所希望的空间温度分布。当然有可能具有沿着热能存储和恢复装置400分布的不同数量的这种流体入口。

根据这里描述的实施例，流体端子415a、416a、417a连接到公共馈给管430。通过公共馈给管430，具有合适温度的流体能够被传输到热能存储和恢复装置400，以便恢复或保持沿着热能存储和恢复装置400的所希望的空间温度分布。

热能存储和恢复装置400设计用于敏感的热存储，其中热的(例如，550℃)气态流体经过包含存储材料(像是砾石或石头)的热能存储和恢复装置400。热的气态流体(该流体能够是环境空气)有益地通过绝热压缩而被加热，并经过热能存储和恢复装置400，由此在热传递流体经过热能存储和恢复装置400时，热传递流体冷却，从而热存储材料被加热。根据这里描述的实施例，气态流体冷却至环境温度 ，该环境温度在许多实际情况下可以是大约80℃的温度。

如以上已提及的，通过使该周期反过来对热能存储和恢复装置400进行排热，从而冷流体(例如20℃的环境空气)以下面这种方式从冷端413a到热端412a经过热能存储和恢复装置400，即能量从热的热存储材料传递到热传递流体。加热的热传递流体在热端412a离开热能存储和恢复装置400，具有近似地在理想情况下与靠近热端412a的区域内的热存储材料的温度相同的温度。

图5示出具有两个公共馈给管530、540的热能存储和恢复装置500，每个公共馈给管用于提供具有某一温度的流体。热能存储和恢复装置500包括入口端512a和出口端513a。在入口端512a和出口端513a之间，提供了几个流体端子515a、516a、517a、525a、526a和527a。流体端子515a、516a和517a连接到公共馈给管530。根据这里描述的实施例，公共馈给管530用于把热流体提供给连接的流体端子515a、516a和517a。对应地，流体端子525a、526a和527a连接到另一公共馈给管540。根据这里描述的实施例，所述另一公共馈给管540用于把冷流体提供给连接的流体端子525a、526a和527a。

图6示出热能存储和恢复系统650的配置，热能存储和恢复系统650也能够称为热能存储厂。热能存储和恢复系统650包括热能存储和恢复装置600，该热能存储和恢复装置600能够是例如在本文件中描述的任何热能存储和恢复装置。

在第一工作模式(即，热能存储在热能存储和恢复装置中)中，热能存储和恢复装置600的热入口端连接到热产生设备660。根据这里描述的实施例，热产生设备660包括绝热压缩器，该绝热压缩器通过对空气进行绝热压缩把例如由风涡轮机提供的电能转换成热量。

在第二工作模式(即，从热能存储和恢复装置释放热能)中，热能存储和恢复装置600的热入口端连接到热消耗设备670。根据这里描述的实施例，热消耗设备670包括具有发电机的膨胀器涡轮机，该膨胀器涡轮机把存储在热压缩空气中的能量转换成电力。

根据这里描述的实施例，充热热传递流体的温度是550℃。热传递流体是气体，诸如压缩环境空气或者任何其它压缩气体。

当对热能存储和恢复装置600充热能时，通过绝热压缩器660以绝热方式压缩并加热气体。当移经热能存储和恢复装置600时，气体冷却并以更低的温度(例如，以环境温度)离开热能存储和恢复装置600。

当对热能存储和恢复装置600排热时，让处于环境温度的压缩气体经过热能存储和恢复装置600。在它经过热能存储和恢复装置600期间，压缩气体变热并以高温度离开热能存储和恢复装置600。然后，变热的气体经过以机械方式耦合到未描绘的发电机的膨胀器涡轮机，该发电机能够产生电能。

应该注意的是，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。此外，结合不同实施例描述的元件可组合。还应该注意的是，权利要求中的标号不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种热能存储和恢复装置，包括：

热交换设备(110)，其具有第一端(112a，412a，512a)和第二端(113a，413a，513a)，其中热交换设备(110)配置用于引导第一端(112a，412a，512a)和第二端(113a，413a，513a)之间的热传递流体的流动；

热存储材料(108)，其以下面这种方式热耦合到热交换设备(110)，即沿着热交换设备(110)的物理延伸部分，形成热相互作用区域以便使热传递流体与热存储材料(108)进行热耦合；

流体端子(115a，415a，515a)，其经由热交换设备(110)的支管(415b)连接到热交换设备(110)，其中支管(415b)位于第一端(112a，412a，512a)和第二端(113a，413a，513a)之间；以及

控制装置，其被耦合到流体端子(115a，415a，515a)并且配置为使得能够以下面这种方式控制经过流体端子(115a，415a，515a)的流体的流动，即能够调整在热交换设备(110)内沿着热相互作用区域的至少一部分的空间温度分布。

2.根据前述权利要求所述的热能存储和恢复装置，还包括：

至少一个另外的流体端子(116a，416a，516a)，其经由热交换设备(110)的另一支管(116b，416b)连接到热交换设备(110)，其中所述另一支管(116b，416b)也位于第一端(112a，412a，512a)和第二端(113a，413a，513a)之间，并且其中所述支管(415b)和所述另一支管(116b，416b)在空间上沿着热交换设备的物理延伸部分分布。

3.根据前述权利要求所述的热能存储和恢复装置，其中沿着热交换设备(110)提供具有对应的流体端子(115a，116a，415a，416a，417a)的多个支管(115b，116b，415b，416b，417b)，由此在位于与第一端(112a，412a)或第二端(113a，413a)相邻的端部区域(210a，210c)中沿着热交换设备(110)的物理延伸部分的支管(115b，116b，415b，416b，417b)的密度高于在位于第一端和第二端之间的中间区域(210b)中沿着热交换设备(110)的物理延伸部分的支管(115b，116b，415b，416b，417b)的密度。

4.根据前述权利要求2至3中任何一项所述的热能存储和恢复装置，其中所述控制装置配置用于彼此独立地控制经过各种流体端子(115a，116a，415a，416a，417a，515a，516a，517a)的流体的流动。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置，其中所述流体端子(115a，415a，515a)和/或所述另外的流体端子(116a，416a，417a，516a，517a)配置用于：

(a)允许流体进入热交换设备(110)，以及

(b)防止流体离开热交换设备(110)。

6.根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置，其中所述热存储材料(108)包括固体材料，诸如特别地，沙子、土壤、灰、石头和/或砾石。

7.根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置，其中所述热交换设备(110)的物理延伸部分为至少80 m，优选地至少为500 m，并且特别地为至少1000 m。

8.根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置，还包括：隔热设备(104)，其用于(a)使整个热能存储和恢复装置(100)与它的环境隔热，以及/或者

(b)使热能存储和恢复装置(100)的不同分隔室(105)彼此隔热。

9.根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置，还包括：

第一公共馈给管(430，530)，其连接到从用于把热流体引入到热交换设备(110)中的所述流体端子和至少一个另外的流体端子选择的至少两个第一端子(415a，416a，417a)；以及/或者

第二公共馈给管(540)，其连接到从用于把冷流体引入到热交换设备(110)中的所述流体端子和至少一个另外的流体端子选择的至少两个第二端子(525a，546a，527a)，

-其中第一端子(415a，416a，417a)不同于第二端子(525a，546a，527a)，

-其中热流体的温度高于冷流体的温度，

-其中热流体用于加热热交换设备(110)内的热传递流体，以及

-其中冷流体用于冷却热交换设备(100)内的热传递流体。

10.一种用于调整沿着根据前述权利要求中任何一项所述的热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)的热交换设备(110)的温度分布的方法，该方法包括：

引导第一端(112a，412a，512a)和第二端(113a，413a，513a)之间的热传递流体的流动；以及

以下面这种方式控制经过流体端子(115a，415a，515a)的流体的流动，即调整在热交换设备(110)内沿着热相互作用区域的至少一部分的空间温度分布。

11.根据前述权利要求所述的方法，其中所述流体和/或热传递流体是气态流体，并且特别地是压缩气体。

12.根据权利要求10至11中任何一项所述的方法，其中在热存储材料(108)应该从热传递流体接收热能的第一工作模式中，热传递流体被从第一端(112a，412a，512a)传输并且传输到第二端(113a，413a，513a)，以及

在热存储材料(108)应该把热能释放到热传递流体的第二工作模式中，热传递流体被从第二端(113a，413a，513a)传输并且传输到第一端(112a，412a，512a)。

13.一种热能存储和恢复系统(650)，包括：

根据权利要求1至9中任何一项所述的热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)；

热产生设备(660)，其直接或间接连接到热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)，并且配置为加热应该被传输到热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)的热传递流体；以及

热消耗设备(670)，其直接或间接连接到热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)，并且配置为从已被热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)加热的热传递流体接收热能。

14.根据前述权利要求所述的热能存储和恢复系统，其中所述热产生设备(660)配置用于在热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)处于第一工作模式的情况下产生用于热传递流体的压缩热气体。

15.根据权利要求13和14所述的热能存储和恢复系统，其中所述热消耗设备(670)包括膨胀设备，该膨胀设备能够在热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)处于第二工作模式的情况下被由该热能存储和恢复装置(100，200，400，500，600)提供的膨胀热传递流体驱动。

Images