CN103154633A - 用于太阳能热电站的高温热量存储器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种廉价的并且长寿命的高温热量存储器，其使用环境空气作为热量载体介质并且至少部分地利用颗粒状的和/或多孔的存储介质（6）填充。

Description

用于太阳能热电站的高温热量存储器

技术领域

本发明涉及一种用于工业规模的、存储温度水平至少为280℃的高温热量形式的热能的存储器或方法。

背景技术

太阳能热电站在没有存储器的情况下仅仅能够在具有高的直接阳光辐射的时间中产生电能、热或者蒸汽。由集中布置的太阳能收集器（接下来描述为太阳能场）的联合体提供的热量的温度越高，那么连接的发电站的效率就越高。在海水脱盐设备中也有要求由太阳能产生高温度的热量。

通常太阳能热蒸汽发生器或者太阳能场是尺寸超大的，由此可以在早晨太阳升起的较短时间里就能够产生用于发电或者海水脱盐的相应的蒸汽量。在中午期间，多数情况下产生过多的蒸汽，因此太阳能场的镜面或者被折叠或者将过剩的热量热存储起来。

热量存储可以在通常设计成蓄汽器、所谓的路德蓄汽器的短时存储器中实现，或者在盐存储器中实现，在盐存储器中，液态盐溶液接收待存储的热量。在日落之后，在短时存储器中存储的热量通过热量交换器再次传递给热电站的水-蒸汽循环、热油循环或者海水脱盐设备。

至今都没有对高温度水平的工业规模的热量存储器的需求，这是因为，在早些时候，除了一些例外情况之外缺少在太阳能热电站中的中心应用。在此期间，在建的或者运行中的太阳能热电站的数量，进而对具有大的存储能力的可信赖的和连接的热量存储器的需求也在世界范围内不但增长。

在水泥存储器中，在水泥和其中循环有热量载体的管线之间的较差的热量传递是本质上的缺陷。

PCM存储器（“相变材料”存储器）在原理上呈现出一种非常有趣的存储器系统。现在，对于超过280℃的高温应用来说，仅仅存在千瓦范围的小型试验性设备。在此，应用在相同温度时在从液态至固态或者从固态至液态的相变时的热量的输出和热量的吸收。能量密度显著高于水泥存储器或者盐存储器。其缺点在于，用于PCM存储器以及用于热量传递的必需的金属管道和金属面的成本高。存储器在可接收的时间中的加载和卸载展现出一个巨大的挑战。此外，在小型的试验性设备中需要考虑滞后效应，其使得存储器变得较无效率并且降低了可使用的存储器容量。此外还完全不清楚，在对PCM材料的工作效率没有影响的情况，PCM材料能够经受住多少次加载和卸载循环。

目前，提出了用于PCM存储器的相应的盐，例如像NaNO2，NaNO3或者KNO3。哪些材料在超过大约340℃的高温时可以应用并且具有多大的成本都是不清楚的。PCM存储器的缺点在于固定在确定的温度水平，取决于该温度水平来应用哪些材料。

PCM存储器的成本方面的较大缺陷与水泥存储器类似，都需要非常长并且昂贵的高压蒸汽管道，其必须被铺设通向PCM存储器并且必须穿过PCM引导。

在1976年4月1日公开的文献DT2444217中例如提出，当相应的管道系统穿过热量存储介质引导时，沙子或者砂砾如何可以作为热量存储器来使用，以及该热量存储介质应该满足哪些特征。在工业规模的实践中，为了通过存储介质来吸收相应的热量而需要几千立方米的沙子或者砂砾。在DT2444217中提出的系统在用于工业规模的实践中是不实用的，这是因为一方面管道系统的成本过高，另一方面在管道系统和存储介质之间以及在存储介质的内部的热量传递较差，加载和卸载的时间过长。即使在理想的、如已经在DT2444217中描述的管道系统中，加载和卸载的时间也很长。因此，这种系统可能比上述的水泥存储器有明显更差的运行特性。

在1979年1月25日公开的文献DE2731115中描述了一种系统，其应用了颗粒状的固体小颗粒的填料并且将天然镁石或者橄榄石称为存储介质。这种系统是为较小的应用而设计的并且具有决定性的特征，即加载流在一个封闭的环路中循环。热量在该系统中并不通过热量交换器引入，而是通过电加热棒。该系统因此不能用于具有要求超过20MWh的存储容量的工业规模的应用。如果尝试将该系统在工业规模的应用中使用，那么会遇到一个问题，即加载流随着时间的变化而达到总是较高的温度并且在封闭的环路中的压力会升高。这要求该系统被压力固定地设计并且同时会导致高的成本。此外，温度和压力上升的效果会导致对风扇的消极影响，该风扇使得加载流在环路中运动。此外，基于在产生电流时的效率损失的原因，通过对产生电流的迂回来对用于太阳能热电厂的热量存储器的加载以及通过加热棒来产生热量是没有意义的。

由US4222365A公开了一种热量存储器，其中，砂砾、石块以及石墨或者大理石被作为存储材料使用。

存储材料与风扇、热量交换器48和空气管道56共同设置在壳体46的内部。流动的热量交换器48通过液态的碱金属并且在那里将热量输出给在壳体的内部在封闭的环路中循环的空气。这样加热的空气穿过由石块构成的床，石块由此被加热。在存储器卸载时，空气的流动方向相反并且热量由石块输出给空气和穿过热量交换器流动的热量载体。

由WO2010/060524公开了一种热量存储器，其中多个由平行的管道穿过的固体作为存储介质应用。在热量存储器的中央设置有热量交换器。通过在热量存储器的内部的封闭的环路中循环的空气来加载和卸载存储介质。

该系统的缺点在于，基于该系统的理念，壳体具有较大的外部尺寸，这是因为在壳体的内部除了要布置存储介质之外还要布置空气管道、风扇和热量交换器。这提高了成本并降低了存储器的效率。

此外，由US4222365A公开的系统在卸载时需要使用两个热量交换器（第一热量交换器布置在壳体的内部，以及第二热量交换器布置在蒸汽发生器中），从而可以在用于产生电流的蒸汽轮机中使用存储的热量。

基本上，没有发现这样的技术文件和专利文献，其能够满足在高温时具有快速的卸载时间和高的循环次数以及具有高的存储容量的要求。即使对相关的应用进行修改也不会获得可接受的解决方案。

发明内容

联系到所要保护的发明而使用了接下来的技术术语：

高温热量存储器被理解为包括所属的外围设备（热量交换器，风扇，管道，阀门等等）的一个或者多个存储模块。

存储模块包括气密的壳体，一个或者多个存储介质处于该壳体的内部。该存储介质可以通过（多个）供应管线和（多个）排放管线加载或者卸载。因为根据本发明的存储模块可以不依赖于外围设备来生产以及驱动，因此利用本申请也可以要求对根据本发明的存储模块的保护。

相应地，本发明的目的在于提供一种存储器系统，该存储器系统包括实际的高温热量存储器和所属的外围设备，该存储器系统可在高的温度和宽的温度范围上应用，并且在该系统中，即使在多年后使用了许多的加载和卸载循环后也能快速地导入热量并且再次排出热量。同时，该存储器系统应该具有较低的投资成本和运行成本。

本发明的目的由此实现，即例如在太阳能场中产生的并且传递给热量载体，例如蒸汽、液态盐溶液、热油或者另外的液态介质的热量通过可在市场上获得的热量交换器输出给环境空气并且该加热的空气通过供应管线输送到根据本发明的存储模块中。根据本发明的存储模块填充有颗粒状的和/或多孔的存储材料，例如像沙子、砂砾、石块、金刚砂和/或石墨。这种颗粒状的和/或多孔的存储材料非常快速地并以较小的温度差（梯度）吸收穿流的空气中的热量。该空气在环境压力或者在小的过压下运动，从而使空气通道和存储模块本身都不必处于超过2-3bar_abs的较高压力下。此外，用于将空气输送穿过根据本发明的高温热量存储器的风扇（通风装置或者通风设备）仅仅输送冷的环境空气，从而可以使用在商业上常用的并且廉价的组件。这降低了成本并明显地提高了可用性。

最后，由此对用于风扇的电驱动功率的要求也较小，因为冷的环境空气的体积也要远小于热空气的体积。由此进一步降低了运行成本并且系统的效率也被提高了。

热量的排放（卸载）类似地发生，也就是说冷空气，优选环境空气穿过存储介质引导并且同时吸收存在于存储模块中的热量。然后，热空气通过合适的管道输送给热量交换器，该热量交换器又将热量输出给盐溶液、热油或者另外的介质或者优选的是水或者蒸汽。

该系统相对于另外的热量存储器系统的优点在于，利用沙子、砂砾、石块以及也许可能还利用石墨作为廉价的并且到处都可以获得的热量存储材料。这些材料在较宽的温度范围上具有非常大的加载和卸载循环强度并且可以无级别地在技术上吸引人的任何温度范围中应用。热量通过较低压力的空气比较轻松地通过用于传输介质的风扇带给热量存储材料，在空气和热量存储材料之间的热量传递由于对热量存储材料的环流的原因而非常良好。

在优选的实施例中，总是通过风扇来输送低于50-60℃的温度的冷空气，这对于风扇的功率以及系统的能量消耗产生非常有利的影响。

另一个可能的设计方案中提出了排出的空气流的余热的回收。这意味着，通过余热利用的或者再生的空气-空气热量交换器将存在的余热输出给在风扇之后的冷空气流。根据本发明的热量回收允许较长时间的卸载运行并且提高了整个系统的效率。这样的空气-空气热量交换器在技术上容易进行自我控制。

在一个运行上优化的设计方案中，空气流的一部分也可以输送到环路中。这可以或者在整个系统的框架内转换或者也可以仅仅通过热量交换器转换。系统的空气通道可以由标准组件和标准材料廉价地制造。

在市场上大量存在的热量交换器系统（例如蒸汽-空气热量交换器）或者另外的改装过的、能在市场上获得的废热锅炉系统可以作为热量交换器使用。通过选择性地应用使用常规的燃料，例如天然气或者油的辅助燃烧器或者辅助燃烧装置可以对加载过程并且尤其是卸载过程进行优化并且使运行稳定。

原理上，在该方法或者系统中无需使用特别的并且成本高昂的材料或者设备。由此能够以较低的成本实现工业规模的热量存储器系统。

通过相应的优化可能性，例如在存储介质分层时或者改变应用的存储材料的颗粒的平均直径，该系统也可以在尺寸方面、在存储密度方面、在其要求的体积和需要的面积方面保持可接受的尺寸量级。

该方法或者系统的另外的应用情况在于，直接将例如来自太阳能电站，例如塔式电站的加热的热空气，或者来自热空气涡轮的废气或者来自燃气轮机的热的废气直接供给到在存在于第二供给管线中的风扇之后的系统的空气管道（第二供给管线）中。

在此，能够以简单的方式并且对风扇无损害地将相应的热量输入到存储器系统中。视设定到哪些参数，例如温度和压力而定，风扇可以相应地运行并同时输送来自环境的、混合有被输送的流的相应空气流。在此，当例如废气涡轮的废气温度足够高并且存在相对高的废气压力，并且该废气压力足以克服穿过存储器系统时的压力损失时，风扇也不是必需的。

基本上，由此也可以在工业范围内通过该系统来合理地存储或者应用来自热的或者高温的废气流的热量。

在这些应用实例中用于回收余热的空气-空气热量交换器（如在之前的段落描述的那样）为了进行优化而可以做出多大程度的贡献以及该热量交换器安装在何处都取决于各个参数。

在该方法或者系统中在使用来自燃烧的例如来自辅助燃烧设备的废气或者在使用燃气轮机的废气时遵守关于排放方面的相应的规章和规定也是没有问题的。

视应用情况以及对空气温度的要求而定，存储材料也可以在材料和/或层构造方面进行优化。该优化例如可以提出，即对于存储材料的层来说，替代沙子、砂砾、石块或者石墨可以使用封闭的球体，该球体中填充有相变材料（PCM）。在这种类型的实施例中，根据本发明的热量存储器的优点（例如在加载时的高的入口温度、良好的热量传递以及廉价材料的应用）能够与用于这种类型的应用的PCM的优点（即在空气出口处相当稳定的温度）相结合。在空气出口处的稳定的温度在多个后续的进程时（蒸汽发生器等等）带来在运行管理和组件设计方面的优点。

为了实现根据本发明的高温热量存储器而有利地证明，处于一个或者多个存储模块中的存储材料以存储区域的形式布置，该存储区域例如可以如在底板和壳体的盖子之间的分离壁一样设置。但是，该存储区域也可以水平地/垂直地布置。由此可以实现多个积极的效果。

首先，通过布置成一个或多个存储区域的形式的存储材料能够使得热量载体在穿过存储区域流动时的阻力非常的小。这可以首先由此实现，即与供应管线或者排放管线中的流动横截面相比，至少一个存储区域的出口面和入口面是非常大的。因此，热量载体以非常小的速度通过至少一个存储区域流动并且在穿过至少一个存储区域流动时仅仅产生非常小的压力损失。

一个另外的重要效果在于，存储区域在热量载体的流动方向上相对较薄，从而使热量载体仅仅需要在一个较短的路径上穿过存储区域。这也导致了降低的压力损失。然而，因为热量载体如已经描述的那样以较小的流动速度穿过存储区域流动，在热量载体上存储的敏感的（sensitive）热量的一大部分仍然被传递给存储材料并进而从根据本发明的存储器或者存储模块中排出。

当然，热量载体也可以在其从供给管线至排出管线的路径上多次穿过不同的存储壁流动。当热量载体依次地穿过多个例如也布置成层叠的存储区域流动时，不同的存储区域具有不同的温度，从而在存储器卸载时冷的热量载体在相反的流动方向上穿过存储区域流动时使得温度损失最小化。同样，首先冷的热量载体由存储壁加热，其温度仅仅稍微大于冷的热量载体的温度。以这种方式加热的热量载体然后穿过第二存储区域流动，该第二存储区域的温度稍微高于第一存储区域等等的温度。由此可以与对流热量交换器类似，热量传递不仅在加载时也可以在卸载时以近乎恒定的温度差在存储材料和热量载体之间进行，这使得在加载和卸载根据本发明的存储模块时的能量损失最小化。

因为根据本发明的存储模块由颗粒状的存储器介质填充，并且该颗粒状的存储器介质在各种情况下都是松散的，因此在许多情况下都需要通过网、格栅、打孔金属板、无纺布和/或另外的可由气体穿过的多孔来限制面，至少将存储区域的入口面和出口面限制起来。由此确保存储材料保持在预设的区域中。也可以类似地提出一种根据本发明的存储壁，如金属丝格栅筐，其由石块、碎石或者砂砾填充。

当然，在此需要注意的是，网、格栅、打孔金属板、无纺布应该为热量载体带来尽可能小的流动阻力，从而在穿过存储区域流动时使得压力损失最小化。

在此必须的是在入口面和/或出口面的区域中设置一个支承结构。该支承结构可以例如通过多个彼此并行的布置的金属棒形成，其例如支承用于阻止在存储区域中的存储材料的散落的格栅或者打孔金属板或者无纺布。当然，在此需要注意的是，支承结构应该尽可能小地减小存储区域的横截面，从而保持小的流动速度和小的压力损失的优点。

本发明的一个就此而言特别优选的设计方案提出，存储区域设计成垂直的壁并且在存储区域的内部设置有多个在垂直方向上彼此重叠地布置的薄层。这些薄层可以例如由钢板制成并且用于保持存储材料的位置。这些薄层可以例如设计成倾斜布置的钢板。通过倾斜布置的薄层，重力将存储材料压到存储区域的中央。在入口面和出口面处的支承结构可以由此取消。此外，在许多情况中，在入口面和出口面处的网、格栅、打孔金属板、无纺布不是必要的。由此，根据本发明的存储区域的流动阻力被再一次降低并且此外降低了生产成本。

为了生产这样的存储区域，这已经是足够的了，即首先将在相应的承载结构中的薄层构建在壳体的内部，并且接下来将存储材料倾倒在薄层之间的空间中。通过薄层的向内倾斜的这种布置方式，由此形成了存储壁。

在存储壁的垂直截面可看到例如多个垂直地重叠布置的散料锥体，其中这些薄层用于使得不同的散料锥体具有相同的底面，从而将垂直的存储壁设定成具有近似恒定的壁厚度。

本发明的另一个优选的设计方案提出，除了入口面和出口面之外的至少一个存储区域由气密的壁限定。该气密的壁对于确保热量载体必须强制地穿过存储区域流动进而在旁路流过至少一个存储区域的情况下阻止在供应管线和排放管线之间的短路是必须的。现在确保的是全部在根据本发明的存储模块中安置的存储材料都用于存储敏感的热量并进而确保根据本发明的存储模块具有高的效率。

沙子、砂砾、石块、金刚砂或石墨和/或所谓的相变材料（PCM）可以作为存储材料应用。对于除了可能应用的PCM之外的颗粒状的材料之外的各个颗粒的合适的尺寸来说，在2mm至80mm之间的直径被证明是有利的。当应用PCM时，PCM必须在合适的容器中安装到存储器中，其形状和尺寸在考虑到热量传递和热膨胀的情况下来进行优化。

基本上，直径越小，这样的颗粒直至其核心的加热就越快。但是，在颗粒之间的间隙也就越小并且由于这个原因使得流动阻力上升。在此，需要相应于个别情况的要求来进行适当的折中。

在此，存储材料还可以在存储壁的内部水平地或者垂直地分层并且在各层之间应用的存储材料的直径或者应用的存储材料本身都可以变化。由此，存储材料的热性能能够与在存储壁的各个区域中起主导作用的流动技术上的条件和热条件相匹配并且由此实现对根据本发明的存储模块的效率的进一步优化。

为了阻止存储材料随着时间的变化而“离析”，这是因为存储材料的小颗粒在重力的作用下向下掉并且大颗粒保留在上方，在此提出，在存储区域的内部设置构成一个空间的结构，该结构由小细管、拉西环、三维的格栅网或者另外的填充体构成的结构。由此确保存储材料不会随着时间被压缩和离析，并由于该原因使得穿过在具有压缩的存储材料的区域中的存储区域时的流动阻力上升。

为了能够控制根据本发明的存储模块的加载和卸载，在至少一个供应管线和/或至少一个排放管线设置有关闭机构，尤其是阀门。

至少一个存储区域可以设计成圆柱形的存储壁或者螺旋形的。在此，当多个圆柱形的存储区域彼此同心地布置是特别优选的。由此，在存储模块的较小的结构空间的情况下获得非常高的效率，并且同时在加载和卸载时对热量传递进行优化。

当然，视模块的几何轮廓而定，至少一个存储器层也可以设计成直角平行六面体或者平行六面体、圆柱体、空心圆柱体和/或设计成具有螺旋形底面的壁。

基本上，用于热量载体的供应管线和排放管线能够布置在壳体的任意位置处。在此需要注意的是，至少一个供应管线和至少一个排放管线允许对存储区域的均匀的穿流并且此外使得热量载体在穿过存储区域流动时的压力损失最小。由此，这经常是有意义的，即存储模块的壳体被设置在供给管线侧面和排放管线上方。当然，供应管线和排放管线也可以布置在存储模块的任意位置上。

此外，为了在加载和卸载时使得壳体的温度波动最小化，被证明特别优选的是，壳体在其内侧覆盖有由存储材料制成的层。由此，该存储材料参与到热量存储当中。在壳体的内侧覆盖由存储材料制成的层的另一个优点在于，壳体的温度波动被缓和并由此降低了壳体的热负载。

当然可以提出，壳体优选在其外侧是隔热的，从而使得由在周围环境中的辐射和热对流造成的能量损失最小化。根据本发明的存储模块可以与多个类似的或者结构相同的存储模块串联或者并联连接。由此可以提供高温存储器，其根据需要由多个存储模块组成。在此，该存储模块能够以标准化的结构尺寸廉价地生产。该模块化的结构方式使向安装地点的运输更加容易。

该模块化的结构方法的另一个优点在于，各个存储模块在需要时能够后续添加或者在出现损坏的情况下能进行更换，而太阳能电站不必停止运行。

沙子或砂砾或石块或金刚砂或石墨或类似材料（例如PCM）或者上述材料的组合物可以作为存储材料使用。

该存储器的设计方案相对于另外的可能的热量存储器系统的优点在于，可以利用沙子、砂砾、石块或者金刚石以及可能的情况下还有石墨或者PCM材料来应用作为非常廉价的以及到处都可以获得的热量存储材料。根据本发明的设计方案的存储模块以及存储区域允许以最小的压力损失来对存储器进行加载和卸载。

该存储器能够以不同的设计方案来建造，但是优选地提出，各个存储模块设计成具有标准尺寸的集装箱的形式。其可以相对简单地进行运输和廉价地进行生产。这些模块可以彼此排列成行或者彼此重叠地放置，从而以简单的方式相应地增大整个存储器容量。视应用情况而定，有意义的是，不仅可以使用标准集装箱的结构方式，也可以使用罐状集装箱的形式。

在该存储模块上连接有具有空气阀门的用于供给空气和排放空气的相应的空气管道。该存储模块在结构上能够如此地设计，即空气管道接头被设置在上方和下方或者侧面。这在考虑到面积要求的情况下允许大的灵活性。

基本上，在该存储器中无需使用特别的材料或者设备，这是因为存储器也能够以在1.5巴（a）之下的压力运行。由此能够以较低的成本实现大型的热量存储器系统。

通过相应的优化可能性，例如在对存储器介质进行分层或者改变在模块的内部或者模块之间的应用的存储材料的颗粒的平均直径，还可实现相应于需求的优化的布线连接。

在高于1.5巴的压力下的运行基本上也是可能的，但是能够预料到的是明显高的研发和运行成本。

附图说明

图1示出了对热量存储器系统的加载；

图2示出了对热量存储器系统的卸载；

图3示出了对热量存储器系统的加载，具有调节阀门15的实施例；

图4至9示出了根据本发明的高温热量存储器的实施例；以及

图10示出了根据本发明的热量存储器的第二实施例的框图。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的高温热量存储器的原理性实施例和在加载时的运行。在此，来自周围环境的冷空气利用风扇4通过接下来称作第二供给管线19的空气管道、旁路管线21以及阀门11输送给热交换器3。存储器模块以标号29示出。阀门10在加载是关闭的。

来自太阳能场的多余的热量通过太阳能场的热量载体介质，例如蒸汽、热油通过管线1输送给热量交换器3。

通过热量交换器3，来自太阳能场的多余的热量传递给穿流的空气流。来自太阳能场的该冷却的热量载体介质通过管线2离开热量交换器3。被加热的空气通过空气管道5、第一供给管线17和空气阀门13输送给存储器模块29。热空气在存储器模块29的壳体16的内部在较大的横截面上分布并且例如通过打孔金属板7或者喷嘴穿过热量存储材料6流动。壳体16由金属、水泥和/或另外合适的材料制成，并且如果需要而设计具有隔热结构（未示出）。

热量存储材料6也可以分成多个层，这些层具有不同的层厚度、不同的存储材料以及不同的平均直径的存储材料。不同的层可以为了避免彼此混合而在此通过抗高温的透气的无纺布或者打孔金属板或者网状物或者多孔的陶瓷结构彼此分隔开。

热空气将热量输出给热量存储材料6并且通过第一排放管线18和开启的阀门9离开存储模块29。在加载根据本发明的存储模块29时，阀门8、12、以及10是关闭的。

在图1b中示出了一个可选的实施例，该实施例除了已经联系到图1a描述的组件之外还具有管线24和布置在该管线24中的可控制的阀门23。

在可以使用的情况下，来自之前的进程的热空气或者热废气可通过该管线24直接导入到存储模块29中，从而使得在其中包含的敏感的热量能够不“绕弯路”地通过空气/空气热量交换器存储到根据本发明的存储模块29中。

因为管线24在风扇4的下游通入到第二供给管线19中，因此风扇4不会被加载有在管线24中流动的空气或者废气的高温。因此，管线24允许气态介质（空气或者废气）在温度低于热量交换器3中的温度时的敏感热量的耦合。

图2示意性地示出了根据图1a的根据本发明的高温热量存储器系统的卸载。根据图1b的根据本发明的高温热量存储器系统的卸载在关闭阀门23时以简单的方式实现，从而使特别的描述变得可有可无。

在卸载时，来自周围环境的、具有至少大约50℃温度的冷空气通过风扇4吸入并且通过第二供给管线19和开启的阀门10输送给存储模块29。阀门11在卸载时关闭。

冷空气通过打孔金属板7或者喷嘴在壳体16的内部分配并且通过存储介质6并且在那里吸收热量。加热的空气然后通过第二排放管线20和开启的阀门12离开存储器并且然后通过旁路管线21输送至热量交换器3并且在那里将在管线1和2中流动的热量载体加热。

热量交换器3可以基本上如根据燃气轮机的标准的加热锅炉一样来设计。

热空气在热量交换器3中将热量输出给后续连接的并且并未示出的、具有水、蒸汽环路的电厂过程设备，其中，例如水通过管线2引入到热量交换器3中并且作为具有相应的高温度的水蒸汽通过管线1离开热量交换器3。

在热量交换器3之前还可以安装有一个辅助燃烧装置14，其一方面可以用于进一步提高空气的温度并且例如或者使得在热量交换器中的热量传递保持稳定。具有辅助燃烧装置14的这种设计方案尤其在以下情况时具有优点，即存储器被卸载到如此程度，即空气的温度被降到后续连接的电厂过程设备不能合理运行的水平。

详细的实际设计方案取决于多个框架参数。例如，在存储器较大的情况下，存储材料的入流被分成多个部分并且为了使得流量均匀而设置有可单独控制的阀门15。该调节阀门15如此地设置，即对空气流和压力比进行优化地分配。

图3示出了在加载具有调节阀门15的存储器时的相应的原理性的设计方案。

在卸载时也可以应用这种类型的调节阀门，从而例如对存储器进行分步地卸载并且使得离开存储器之后的空气温度水平长期地保持在高的水平。

图4示出了根据本发明的存储模块29的第一实施例的俯视图。存储模块29由在其中通入有供应管线17的壳体16构成。通过供应管线17，热的热量载体，例如空气可进入到壳体16的内部。在存储模块29的与供应管线17相对的一侧设置有排放管线18，其用于将在存储模块29中的冷却的热量载体排出。

在壳体16中总共布置有八个垂直的存储区域31.1至31.8。这些存储区域31彼此平行并且彼此保持一个间距。它们基本上由存储材料构成，这些存储材料例如是沙子、砂砾、石块或者类似物。

存储区域31在示出的实施例中形成为垂直的（存储-）壁。其从壳体16的底板41开始并且在壳体16的盖子处终止。该盖子在图4中并未示出，从而允许看到根据本发明的存储模块29的内部。

为了使得通过供应管线流入到壳体16中的热的热量载体能够均匀地在存储模块29的整个宽度上分配而设置有直径扩大部33，其以扩散器的形式导致穿过供应管线17流入的热量载体的延迟。在此，通过存储模块29的热量载体的路径通过多个箭头（无标号）示出。在此，明显看出，热量载体强制性地穿过存储壁31.1至31.8流动，从而从供应管线17到达排放管线18。

为了实现该目的，存储器壁存储壁31的端侧利用气密的壁35封闭。由此每两个相邻的存储层31的气密壁35连接在一起在此，分别一个气密的壁35将两个相邻的存储器层31彼此连接。在存储区域31.1和31.2的情况中，存储区域在面对供应管线17的一端彼此气密地连接。在存储器壁存储壁31.2和31.3时，存储区域的面对排放管线18的一端通过气密的壁35限定。

存储壁31.1在其面对排放管线18的一端通过气密壁35与壳体16连接。以类似的方式，在另外的存储区域31.3至31.8上交替地在端侧设置有气密的面35。由此，来自供应管线17的热的热量载体可仅仅在两个第二存储区域31或者存储区域31.1，31.8和壳体16之间的每个第二间隙中流动。

接下来，热量载体穿过存储区域31流动，然而可以到达存储区域的另一侧在排放管线18的方向上流动。如已经在图4中的简化视图中可见，总共八个存储区域31.1至31.8具有许多对于加载和卸载存储材料来说有利的特征：

存储区域31形成非常大的入口面37，并且因为该存储区域是直线的存储壁31，因此还具有同样大的出口面39。由此确保热量载体能够以非常小的速度并进而以非常小的压力损失穿过存储壁31流动。

通过小的流体流动速度使得热量载体在存储区域31中的滞留时间相对较长，从而可以在气态的热量载体和在存储区域31中的存储材料40之间进行良好的热量传递。

此外，在观察图4时明显的是，因为存储区域31的厚度相对较小，因此热量载体穿过存储区域31的流动路径相对较短，这同样对热量载体在穿过存储壁31流动时的压力损失起到积极的作用。

在图4中示出了对存储模块29的加载。当根据本发明的存储模块应该被卸载时，其例如应该如此地实现，即流动方向相反并且通过排放管线18将冷空气输送到存储模块29中。该冷空气反向于对存储模块29进行加载时的流动方向。在此，穿过存储壁31，在那里存储的热量的一大部分被吸收并且作为热的热量载体通过供应管线17离开壳体16。当然也可以的是并且在许多的应用情况中优选的是，通过独立的供应管线和排放管线实现对存储模块的加载和卸载，如根据图1和图2所描述的那样。附加的供应和排放管线未在图4中示出。

在图5中放大地并且以垂直截面示出了根据本发明的存储区域的第一实施例。

过滤器面31在下方由底板41限定并且在上方由壳体16的盖子43限定。为了使得在图5中以小卵石示出的存储材料不会由于重力的作用而向下滑动，在入口面37和出口面39上分别布置有打孔金属板或者格栅45。该打孔金属板或者格栅45必须考虑到其网眼宽度或者孔的尺寸而如此地与存储材料进行匹配，即存储材料不会穿过孔或者格栅45。同时，在此需要注意的是，流动阻力通过格栅45或者打孔金属板尽可能小地升高。可以考虑的是，设计有具有大的网眼宽度的格栅45并且在存储材料和该格栅45之间还设置有无纺布或者具有非常小的网眼宽度的格栅（未示出）。

图6中示出了根据本发明的存储壁31的另外的实施例。在该实施例中可以放弃使用打孔金属板或者格栅45，因为在入口面37和出口面39处设置有多个在垂直方向彼此重叠的薄层47。

这些薄层47的纵向轴线垂直于附图平面延伸，这些薄层倾斜地布置从而使得存储材料不会向外掉落。热量载体穿过具有薄层47的这样的存储区域31的流动阻力是非常小的。此外，这种类型的存储区域31能够非常简单地在当地制造，其中，在壳体中建造有用于薄层47的支承结构（未示出）。接下来，在薄层47之间的间隙通过存储材料填充。薄层47的倾斜位置必须是这样的，即一方面存储材料不会侧面地由存储壁掉落。另一方面需要注意的是，薄层47的间距在垂直方向上不要过大，使得从壁强度的方面看，存储壁31的厚度能够相对恒定地保持。当壁厚度由于存储材料的布料角的原因局部过大地减小时，热量载体流动（如通过图6中示出的箭头表示）优选地穿过该存储壁的较薄的区域并且在薄层47的高度上的其他区域则很少地被穿流。

为此，间距A取决于薄层长度和薄层的倾斜角。优选的是，在入流侧的薄层和出流侧的薄层之间可以彼此错置地布置。

因此，在两个薄层47之间的垂直间距A对于根据本发明的存储区域31的设计来说是一个非常重要的参数。

图7示出了穿过根据本发明的存储模块29的一个实施例的垂直截面，其壳体16在俯视图中示意性地示出。存储壁31设计成圆环形并且通过之前描述的薄层47在径向方向上限定。存储壁31如在图8中沿着线A-A所示出的那样设计成圆环形。薄层47在该实施例中同样设计成圆环形。热的热量载体通过供应管线17流入到在存储模块29中的环形腔中，其在外部由壳体16限定并且在内部由存储壁31限定，并且径向向内穿过存储壁31流动并且通过在中央布置的排放管线18离开存储器模块29。

由沿着图8中的平面A-A的截面清晰可见，在此发生通过供应管线流动的热量载体非常强烈的延迟，并因此使得热量载体能够非常缓慢并且以较小的压力损失流动穿过存储壁31流动。

此外，根据本发明的存储模块的另外的优点在于，存储区域31仅仅由非常廉价的散料构成，该散料通过简单的并且通常金属的结构固定。由此例如由于频繁的加热和冷却存储层导致的应力撕裂的问题被避免。当该存储材料的热性能由于老化的原因而减弱或者当运行条件发生变化时，也可以毫无问题地更换存储材料。

在图9中示出了穿过根据本发明的存储模块29的另外的实施例的截面，其中存在三个同心地布置的过滤器壁31.1、31.2、31.3。在壳体16和最外面的存储壁31.1之间形成之前已经描述过的圆柱壳结构的供流管道49.1。此外，在第二过滤器壁31.2和第三过滤壁31.3之间形成另外的环形腔49.2，该环形腔与供应管线17连接并且因此由热的热量载体覆盖。热的热量载体由这两个环形腔49.1和49.2穿过存储壁31.1、31.2和31.3流动并且流入到中间布置的排放管线18中。为了使处于在第一存储区域31.1和第二存储区域31.2之间的第三环形腔49.3中的被冷却的热量载体能够被引入到排放线路18中，而在壳体16的中央设置有通向排放管线18的连接管道51。

在图10中示意性地示出了根据本发明的高温热量存储器的第二设计方案。其与图1至3中示出的实施例具有非常高的一致性，从而仅仅在此需要对一些附加的部件进行描述。

在高温热量存储器中存在有余热利用或再生的空气/空气热量交换器25，其在对高温热量存储器进行加载时，将在第一排放管线18中流动的、还具有热量的废气的热量从存储模块29传递给在第二供应管线19中的流动的（还）冷的环境空气。

由此，那些通过经过第一排放管线18离开存储模块29的废气的热量损失被极大地降低并且由此改善了根据本发明的高温热量存储器的存储效率和能力。

在对存储模块29进行卸载时，阀门8、10和12被开启，并且阀门9、11和13被关闭。

如图1b描述的那样来控制阀门23。

由此，通过风扇4吸入的环境空气通过空气-空气热量交换器25被加热，其中，在排放管线18中的废气流还有余热在从系统排出之前被输出。

视设计和参数而定，废气流可以具有大约90℃至250℃的温度。

热量的一大部分可以通过空气-空气热量交换器25传递给流入的环境空气并进而被回收。该热量保留在系统中并且极大地降低了通过利用管线22离开存储模块29的废气造成的热量损失。

为此所必需的空气-空气热量交换器25可以总是在一个恰当的运行点运行，这是因为通过第二供应管线19流入的空气量以及通过第一排放管线18或者管线22流出的废气的量在第一近似值上相同。

由此，高温热量存储器29在存储和排放方面的效率和能力明显超过90%。

Claims (42)

1.一种用于存储高温热量形式的热能的方法，其中，所述热量通过介质，例如水蒸汽、水、热油和/或液态盐或者盐混合物，借助于热量交换器（3）传递给空气，该加热的空气将所述热量向存储介质（6）传输并且在那里将所述热量输出给所述存储介质（6），其特征在于，为了对所述存储介质（6）进行加载而使用环境空气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述空气穿过所述存储介质（6）传输并同时吸收热量并且该加热的空气被输送至所述热量交换器（3），在所述热量交换器处，所述热量再次输出给介质，例如水蒸汽、水、热油和/或液态盐或者盐混合物，其特征在于，为了对所述存储介质（6）进行加载而使用环境空气。

3.一种高温热量存储器，包括具有壳体（16）的存储模块（29）以及设置在所述壳体（16）的外部的至少一个热量交换器（3）、风扇（4）、至少一个供应管线（17）以及至少一个排放管线（18）。

4.根据权利要求3所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）至少部分地由所述存储介质（6），尤其是具有平均直径在2至80mm的沙子、砂砾、石块、金刚砂和/或石墨填充。

5.根据权利要求3或4所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储介质（6）水平地或者垂直地分层并且每个层都能够具有另外的平均直径的存储介质和/或在每层中的不同的材料。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储介质（6）分成多个单一体积并且这些单一体积能够彼此并排或者重叠地布置或者布置成层叠。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储介质（6）通过金属网、打孔金属板（7）和/或无纺布保持在一起，所述空气可以穿过金属网、打孔金属板和/或无纺布引导至所述存储介质（6）。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述空气通过具有缝隙状开孔或者圆形孔的喷管引入到所述存储介质（6）中。

9.根据权利要求3至8中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述空气通过打孔的或者开缝的平面金属板输入到所述存储介质中。

10.根据权利要求3至9中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，仅仅使用一个用于存储和排放所述热量的热量交换器（3）。

11.根据权利要求3至10中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述热量交换器（3）是必要的稍微改装的燃气轮机设备的废热锅炉。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述系统或者所述热量交换器（3）配备有用于通常的燃料，例如油或者天然气的辅助燃烧装置（14）。

13.根据权利要求3至12中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述空气流被分配并且通过可控制的阀门（8、9、10、11、12、13、15）输送给处于所述存储模块（29）中的所述存储介质（6）。

14.根据权利要求3至13中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述热量存储器（3）具有至少280℃的运行温度。

15.根据权利要求3至14中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，第一供应管线（17）能够与所述热量交换器（3）的热侧连接。

16.根据权利要求3至15中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，第二排放管线（17）能够与所述热量交换器（3）中的一个冷侧连接。

17.根据权利要求3至16中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，在第二供应管线（19）和第二排放管线（20）之间设置有旁路管线（21）。

18.根据权利要求3至17中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述空气流（在管线22中）在所述热量交换器（3）中输出热量之后，在对所述热量交换器进行加载时，通过第二热量交换器将余热输出给在第二管线（21）中流动的空气。

19.根据权利要求3至18中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述空气流（在管道22中）在卸载时将余热输出给在所述第二供应管线（19）或者所述旁路管线（21）中在所述风扇（4）之后流动的空气。

20.根据权利要求3至19中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，管线（24）通入到所述第二供应管线（19）中，并且通过所述管线（24），热空气，尤其是太阳能产生的热空气或者热废气，尤其是燃气轮机的废气可输送到所述第二供应管线（19）中。

21.根据权利要求20所述的高温热量存储器，其特征在于，所述管线（24）在所述风扇（4）的下游通入到所述第二供应管线（19）中。

22.根据权利要求20或21所述的高温热量存储器，其特征在于，在所述管线（24）中设置有可控制的阀门（23）。

23.根据权利要求3至22中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储模块（29）的存储部分或者存储层由球体填充，所述球体由相变材料（PCM）填充。

24.根据权利要求3至23中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储模块（29）的存储部段或者存储层由热化学存储元件和存储材料，例如沸石或者金属氢化物球体或者材料，例如CaO或者Ca(OH)₂填充。

25.根据权利要求3至24中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，每个存储层（31）都具有一个入口面（37）和一个出口面（39），并且所述存储层（31）在所述入口面（37）和/或所述出口面（39）处通过网、格栅、打孔金属板和/或无纺布限制。

26.根据权利要求25所述的高温热量存储器，其特征在于，至少一个所述存储区域（31）在所述入口面（37）和所述出口面（39）的区域中具有支承结构。

27.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储层（31）设计成直角平行六面体、平行六面体、圆柱体、空心圆柱体形式的垂直或者水平的壁或者设计成具有螺旋形的底面的壁。

28.根据权利要求27所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储区域（31）由多个薄层（47）包围或者限定，并且所述薄层（47）在垂直方向上彼此重叠地布置。

29.根据权利要求28所述的高温热量存储器，其特征在于，所述薄层（47）优选在垂直方向的所述入口面（37）和所述出口面（39）的区域中相对于水平面倾斜。

30.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，至少一个所述存储区域（31）除了所述入口面（37）和所述出口面（39）之外由透气的壁（35，16，41，43）限定。

31.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，在所述至少一个存储区域（31）被旁路的情况下，所述透气的壁（35，16，41，43）阻止在所述供应管线（17）和所述排放管线（18）之间的短路。

32.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述存储材料水平地或者垂直地分层并且每层都具有另外的平均尺寸的存储材料和/或另外的存储材料。

33.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，在所述存储区域（31）的内部夹杂有形成立体格子的结构，所述结构由小细管、拉西环、三维的格栅网或者另外的填充体实现，以确保所述存储材料不会随着时间被压缩或者穿过所述存储材料的压力损失不会升高。

34.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，在供应管线（17）和/或排放管线（18）中设置有关闭机构，尤其是阀门，从而能够在对模块进行加载或者卸载时调节穿流。

35.根据权利要求34所述的高温热量存储器，其特征在于，多个圆柱形的存储壁（31.1，31.2，31.3）彼此同心地布置。

36.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）具有用于所述热量载体的至少一个侧面的供应管线（17）或者至少一个侧面的排放管线（18）。

37.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）在其底板（41）和/或盖子（43）上具有用于所述热量载体的至少一个供应管线（17）或者至少一个排放管线（18）。

38.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）是隔热的。

39.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）在其内侧由一层存储材料覆盖。

40.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，多个存储模块（29）能够串联或者并联地布置。

41.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述壳体（16）以模块化的集装箱结构方式以标准化的集装箱尺寸或者罐状集装箱尺寸设计。

42.根据前述权利要求中任一项所述的高温热量存储器，其特征在于，所述至少一个存储区域（31）设计成圆柱形的存储壁（31.1，31.2，31.3）、设计成螺旋形的存储壁或者设计成直角平行六面体或者平行六面体。

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