CN103890324A

CN103890324A - 使用填充在多个封闭体中的热存储材料存储和回收热能量

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Publication number: CN103890324A
Application number: CN201280053716.7A
Authority: CN
Inventors: H.劳伯格; H.斯蒂伊斯达
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: CN103890324B; DK2758637T3; EP2758637A1; WO2013064286A1; EP2758637B1; US9726437B2; EP2589762A1; US20140284021A1

Abstract

描述了热能量存储和回收装置(100、200)，其包括：(a)容器(105)，具有用于将热传递介质插入容器的内部的第一流体终端(110、210)和从容器的内部取出热传递介质的第二流体终端(120、220)；(b)热存储材料，用于在装置处于第一操作模式时从热传递介质接收热能量，以及在装置处于第二操作模式时将热能量释放至热传递介质；和(c)多个封闭体(130)，各自被至少部分地填充有热存储材料的一部分，其中封闭体在空间上配置在容器内，使得能在第一流体终端与第二流体终端之间引导热传递介质的流动，并当热传递介质在第一流体终端与第二流体终端之间流动时能在热传递介质与封闭体之间获得直接热接触。此外，描述了配备有这种装置的热能量存储和回收系统。此外，描述了在这种装置内存储热能量的方法以及从这种装置回收热能量的方法。

Description

使用填充在多个封闭体中的热存储材料存储和回收热能量

技术领域

本发明涉及临时存储和回收热能量的领域。具体地，本发明涉及：(a)包括热存储材料的热能量存储和回收装置，所述热存储材料可被热力学地耦合至热传递流体。此外，本发明还涉及：(b)配备有这种热能量存储和回收装置的热能量存储和回收系统。此外，本发明还涉及：(c)用于在这种热能量存储和回收装置内存储热能量的方法；以及(d)用于从这种热能量存储和回收装置回收热能量的方法。

背景技术

来自比如风力涡轮机、太阳能发电站和波浪能发电站等各种替代能量来源的电力生产是不连续的。该生产可以取决于环境参数，比如风速(对于风力涡轮机)、日照强度(对于太阳能发电站)以及波浪高度和方向(对于波浪能发电站)。在能量生产与能量需求之间常常存在很少或没有相关性。

一种用以解决不相关的电力生产和电力需求的问题的已知途径是临时存储已经被产出但还未被需求的能量，并在存在高需求时释放所存储的能量。过去，已经建议了许多不同的方法来临时地存储能量。所建议的方法例如有：(a)机械能量存储方法，例如抽水存储器、压缩空气存储器和飞轮，(b)化学能量存储方法，例如电化学电池和有机分子存储器，(c)磁能量存储，和(d)热能量存储。

文献US 2010/0301614 A1公开了一种用于存储和恢复电能量的设施。所公开的设施包括第一封闭体和第二封闭体，它们各自包含气体和多孔性耐火材料，适合于通过所述多孔性耐火材料与流动穿过相应封闭体的气体之间的接触来传递热。所公开的设施进一步包括压缩器和膨胀器，来用于在一封闭体的与其它封闭体的端部连接的端部的每个之间在管中流动的气体。多孔性耐火材料可以形成为砖，比如耐火粘土或类似材料。

文献WO 2009/044139 A2公开了一种用于存储能量的设备。所公开的设备包括：(a)用于接收气体的压缩室器件；(b)用于压缩被包含在压缩室器件中的气体的压缩活塞器件；(c)用于接收和存储来自被压缩活塞器件压缩的气体的热能量的第一热存储器件；(d)用于接收暴露于第一热存储器件之后的气体的膨胀室器件；(e)用于膨胀被接收在膨胀室器件中的气体的膨胀活塞器件；和(f)用于将热能量传递至被膨胀活塞器件膨胀的气体的第二热存储器件。由该设备使用的循环具有两个不同的阶段，其可被分割到分离的装置中，或者可被组合到一个装置中。第一热存储器件和第二热存储器件可以配备有代表热存储材料的砂砾或岩石。

然而，在替代能量来源被设立以及能量生产与能量需求不相应的许多位置处，砂砾或岩石无法大量获得。通常，例如在丹麦，地貌的特征在于来自多个冰河时代的例如沙子等沉积物和堆积物。在这类地区可获得的例如燧石等沉积岩不适合于加热和重复的热循环，因为石头有开裂的风险。用于高温存储的优选岩石被称为火成岩，例如花岗岩，但是这种类型的岩石不是到处都可获得的，需要被运输，其是昂贵的。

可能存在需求来提供一种热能量存储和回收装置，其适合于使用广泛可获得的且便宜的材料作为热存储材料。

发明内容

该需求可以通过独立技术方案的主题来得到满足。本发明的有利实施例由从属技术方案来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种热能量存储和回收装置，其包括：(a)容器，其具有用于将热传递介质插入所述容器的内部中的第一流体终端和用于从所述容器的内部取出所述热传递介质的第二流体终端；(b)热存储材料，其(b1)用于在所述热能量存储和回收装置处于第一操作模式时从所述热传递介质接收热能量，以及(b2)用于在所述热能量存储和回收装置处于第二操作模式时将热能量释放至所述热传递介质；和(c)多个封闭体，各自被至少部分地填充有所述热存储材料的一部分，其中所述封闭体在空间上配置在所述容器内，使得(i)能在所述第一流体终端与所述第二流体终端之间引导所述热传递介质的流动，并且(ii)当所述热传递介质在所述第一流体终端与所述第二流体终端之间流动时能在所述热传递介质与所述多个封闭体之间获得直接的热接触。

所描述的热能量存储和回收装置基于以下构思：通过将热存储材料在空间上配置在容器内，热传递介质可被引导穿过容器，而不必需要特殊的热交换器件比如延伸穿过容器的金属管以及在热存储介质与特殊的热交换器件之间提供热交互作用。通过避免使用在空间上分配于容器内的热交换器件，可确保的是：在第一流体终端与第二流体终端之间在流动穿过容器的热传递介质与热存储介质之间存在良好的热接触。由此，热能量存储和回收工艺的效率可得到提高。

所描述的封闭体可以由任何适当的物理结构实现，所述任何适当的物理结构被构造成接收或容纳热存储材料。由此，热存储材料可以被相应的封闭体完全地或部分地环绕。在这方面，关键的是：在热能量存储和回收装置的操作寿命期间，热存储材料被维持在相应的封闭体中，并且封闭体不会丢失它们的热存储材料。

封闭体使得有可能建成热能量存储和回收装置，其中各个封闭体之间的空隙空间提供容器内的空间分布通道，用于热传递流体在第一流体终端与第二流体终端之间的流动。

热传递介质可以是任何流体(即液体和/或气体)，其可在第一流体终端与第二流体终端之间被引导穿过容器。优选地，热传递介质是空气。

根据本发明的一个实施例，所述封闭体至少部分地由纤维材料制成，特别是由玻璃纤维材料和/或由玄武岩纤维材料制成。这可以提供以下优点：纤维材料提供便宜且机械上稳定的结构，以便在容器内将热存储材料保持就位。具体地，由纤维材料制成的封闭体比由钢制成的公知封闭体便宜得多。

根据本发明的再一实施例，所述封闭体为管状结构。由此，容纳热存储材料的管状结构可以具有呈柱体形式的外形，特别是呈椭圆柱体或圆柱体的形式。管状结构可以具有两个开放的端面，使得热存储材料可从两端被填充到管状结构的内部中。替代地，管状结构可以只具有一个开放端面，使得热存储材料可只穿过一个单个的开放端部被填充到管状结构的内部中。在后一情况下，管状结构的三维形状类似于袜子(sock)。

在所描述的管状结构由纤维材料制成的情况下，纤维材料可以被编织或织造为管状物或袜状物。

此外，形成为管状或袜状方式的纤维材料可以提供以下优点：热存储材料还可至少部分地包括普通的石材。在热能量存储和回收装置的操作期间，其具有多个温度循环，每个温度循环包括温度升高和温度降低，石材可能腐蚀。然而，即使石材将转变成粒状或颗状材料(例如沙子)，该材料也将被保持在封闭体内。

应提及的是：除管状结构外，其它模式或几何结构也可以是能够用以实现封闭体的。

根据本发明的再一实施例，在容器内，管状结构被配置在交错层中，由此在每个层内，管状结构取向成相对于彼此平行，并且由此分配给相邻层的管状结构取向成相对于彼此成一定角度。这可以提供以下优点：封闭体借助于非常简单的几何结构在空间上得到配置，其使热能量存储和回收装置的组装非常简单。

优选地，被分配给相邻层的管状结构取向成相对于彼此垂直。这可以提供以下优点：封闭体的空间配置的三维结构可被做得更加简单。

根据本发明的再一实施例，被容纳在所述封闭体内的热存储材料至少部分地是沙子。这可以提供以下优点：便宜且广泛可获得的材料可被用作热存储材料，使得整个热能量存储和回收装置可通过相对较便宜的方式得以实现。

根据本发明的再一实施例，所述封闭体被密封材料密封。这可以提供以下优点：热存储材料将被保持就位，即使是在例如多个极端温度循环之后热存储材料已转变成细小粉末或灰尘时也如此。密封材料可以是例如焦油和/或优选的薄金属箔。

根据本发明的再一实施例，容器的外壁至少部分地由混凝土制成。这可以提供以下优点：容器可通过便宜的且机械上非常稳定的方式得以实现。由此，容器的仅一个、两个或更多个并且特别是所有外壁可以至少部分地由混凝土制成。

根据本发明的再一实施例，所述外壁被包括隔热材料的隔热层隔热，所述隔热材料能够承受高于550摄氏度的温度。

隔热层，其可以具有0.5～2米的厚度，可以被配置在外壁的内侧处和/或外侧处。优选地，隔热层只配置在内侧处，使得隔热材料被混凝土保护。

根据本发明的再一方面，提供了一种热能量存储和回收系统，其包括：(a)如以上所描述的热能量存储和回收装置；(b)与第一流体终端连接的第一流体能量机器；和(c)与第二流体终端连接的第二流体能量机器。由此，第一流体能量机器和第二流体能量机器被构造成使得：(i)在所述热能量存储和回收装置应该接收热能量的第一操作模式中，所述第一流体能量机器为热能量存储和回收装置生成热能量，并且所述第二流体能量机器从热能量存储和回收装置接收热能量，其中所生成的热能量大于所接收的热能量。此外，(ii)在热能量存储和回收装置应该释放热能量的第二操作模式中，所述第一流体能量机器从热能量存储和回收装置接收热能量，并且所述第二流体能量机器为热能量存储和回收装置生成热能量，其中所接收的热能量大于所生成的热能量。

所描述的热能量存储和回收系统基于以下构思：当以上描述的热能量存储和回收装置以适当方式与两个流体能量机器协同操作时，可实现高效的临时热存储和热回收。

在本文献中，术语“流体能量机器”可以用于任何热力学机构，其能够与工作流体交换机械功或机械能量。这里，工作流体可以是被引导穿过热能量存储和回收装置的容器的热传递介质。替代地，工作流体可以是任何其它流体，其例如经由热交换器与热传递介质热力学地耦合。

如以上定义出的流体能量机器：(a)将来自外部的机械功或机械能量传递至工作流体；或(b)从工作流体提取机械功或机械能量，并将该提取的机械功或能量输送至外部(例如发电机的旋转轴)。

在第一操作模式中，第一流体能量机器可以代表气体压缩器，其中借助于外部机械能量，工作流体(例如热传递介质)被压缩。依据公知的热力学原理，工作流体的压缩还导致工作流体的温度的升高。此外，在第一操作模式中，第二流体能量机器可以代表膨胀器，其中一定的能量，其仍然被包含在离开热能量存储和回收装置的已冷却热传递介质中，被用于生成一定的机械功。再次，膨胀器可以被热传递介质或被另一工作流体直接地驱动，所述另一工作流体例如借助于热交换器与离开热能量存储和回收装置的热传递介质热力学地耦合。

应提及的是：工作流体相应地热传递介质可以携带不同类型的能量。具体地，工作流体相应地热传递介质可以携带热能量与机械能量之间的混合能量，其中机械能量被存储在可压缩流体中，这时该流体处于压力下。此外，当工作流体(或热传递介质)以一定速度流动穿过相应的引导通道时，动能也可以关联于工作流体(或热传递介质)。

在第二操作模式中，第一流体能量机器可以代表燃气涡轮机，其中通过热能量，以及如果适用的话还通过存储在离开热能量存储和回收装置的热传递介质中的机械能量，机械能量(例如以旋转轴的形式)被生成。此外，在第二操作模式中，第二流体能量机器可以代表压缩器，其中被供给到热能量存储和回收装置的(冷的)热传递介质被压缩，以便能够在被引导(在压力下)穿过容器时从热能量存储和回收装置中提取较高量的热能量。

所描述的热能量存储和回收系统可以进一步提供以下优点：非常容易在第一操作模式与第二操作模式之间切换，方法是仅仅通过逆转热传递介质的流动方向，以及如果适用的话还逆转工作流体的流动方向。

根据本发明的一个实施例，所述热能量存储和回收系统进一步包括机械能量传输机构，其被连接在第一流体能量机器与第二流体能量机器之间。由此，机械能量传输机构被构造成在第一流体能量机器与第二流体能量机器之间直接地交换机械能量。这可以提供以下优点：高效的能量存储和回收工艺可以被实现，因为在两个流体能量机器之一处生成的机械能量可被直接地即在没有任何(低效)能量转换工艺的情况下传递至两个流体能量机器中的另一个。

具体地，在第一操作模式中，在已经由第一流体终端向容器中供给热的压缩热传递流体(例如空气)之后，至少部分地冷却的压缩热传递流体可以在第二流体终端处返回。由此，留在返回的并且被冷却的压缩热传递流体中的能量特别是机械能量可被作为膨胀器发挥作用的第二流体能量机器提取，并且可被使用来帮助驱动作为压缩器发挥作用的第一流体能量机器，所述压缩器用于被压缩然后经由第一流体终端供给至容器的热传递介质。

相应地，在第二操作模式中，作为涡轮机发挥作用的第一流体能量机器由被加热的压缩热传递流体(例如空气)驱动，所述被加热的压缩热传递流体(例如空气)从容器经由第一流体终端供给至第一流体能量机器。由此，并非所有的由涡轮机生成的机械能量都用于外部目的。相反，所生成的机械能量的一部分被直接地(即在没有任何低效率能量转换的情况下)传递至作为压缩器发挥作用的第二流体能量机器。这被传递的机械能量于是可被使用来帮助驱动压缩器，所述压缩器用于热传递介质，其应该经由第二流体终端被供给至容器，以便在经由第一流体终端离开容器之前被加热。

机械能量传输机构可以例如借助于使两个流体能量机器彼此连接的可旋转轴得以实现。

根据本发明的再一实施例，所述热能量存储和回收系统进一步包括冷存储装置，其具有用于将热传递介质插入所述冷存储装置中的第一流体端口和用于从所述冷存储装置取出热传递介质的第二流体端口，其中所述第一流体端口与所述第二流体能量机器连接，并且所述第二流体端口与所述第一流体能量机器连接。这可以提供以下优点：用于临时地存储热能量的热力学效率可不仅从热能量存储和回收装置内的高温而且还从冷存储装置内的低温取得益处。换言之，热能量存储和回收装置与冷存储装置之间的温度差可以是高的，使得依据公知热力学原理，用于临时热存储和热回收的热力学效率可得到最大化。

应提及的是：同样，当使用所描述的冷存储装置时，非常容易在第一操作模式与第二操作模式之间进行切换。再次，这只需逆转热传递介质的流动方向，以及如果适用的话还逆转工作流体的流动方向。当然，在该情况下，第一流体端口还必须被构造成从冷存储装置取出热传递介质，并且第二流体端口还必须被构造成将热传递介质插入冷存储装置中。

根据本发明的再一方面，描述了一种用于在如以上所描述的热能量存储和回收系统的热能量存储和回收装置内存储热能量的方法。所描述的方法包括：(a)将热传递流体从所述冷存储装置传递至所述第一流体能量机器，(b)通过所述第一流体能量机器压缩传递来的热传递流体，使得所述热传递流体被加热，(c)将被压缩和加热的热传递流体从所述第一流体能量机器传递至所述热能量存储和回收装置，(d)引导传递来的被压缩和加热的热传递流体穿过所述热能量存储和回收装置，由此使热能量从所述热传递流体传递至所述热存储材料，使得所述热传递流体得到冷却，(e)将被冷却的热传递介质从所述热能量存储和回收装置传递至所述第二流体能量机器，(f)通过所述第二流体能量机器膨胀传递来的被冷却的热传递介质，使得机械能量处于生成，并且热传递介质被进一步冷却，以及(g)将被膨胀和进一步冷却的热传递介质从所述第二流体能量机器传递至所述冷存储装置。

用于存储热能量的所描述方法基于以下构思：以上描述的热能量存储和回收装置可用于具有非常高的热力学效率因素的热力学热能量存储工艺。

根据本发明的再一方面，描述了一种用于从如以上所描述的热能量存储和回收系统的热能量存储和回收装置内回收热能量的方法。所描述的方法包括：(a)将热传递流体从所述冷存储装置传递至所述第二流体能量机器，(b)通过所述第二流体能量机器压缩传递来的热传递流体，使得所述热传递流体被加热，(c)将被压缩和加热的热传递流体从所述第二流体能量机器传递至所述热能量存储和回收装置，(d)引导传递来的被压缩和加热的热传递流体穿过所述热能量存储和回收装置，由此使热能量从所述热存储材料传递至所述热传递流体，使得所述热传递流体被进一步加热，(e)将被进一步的热传递介质从所述热能量存储和回收装置传递至所述第一流体能量机器，(f)通过所述第一流体能量机器膨胀传递来的被进一步加热的热传递介质，使得机械能量处于生成，并且热传递介质被冷却，以及(g)将被膨胀和冷却的热传递介质从所述第一流体能量机器传递至所述冷存储装置。

同样，用于回收热能量的所描述方法基于以下构思：以上描述的热能量存储和回收装置可用于具有非常高的热力学效率因素的热力学热能量回收工艺。

必须指出的是：已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。具体地，一些实施例已经参考方法类型技术方案得到描述，而另一些实施例已经参考设备类型技术方案得到描述。然而，本领域的技术人员将从以上和以下描述推断出：除非另有指明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，与不同主题有关的特征之间的特别是方法类型技术方案的特征与设备类型技术方案的特征之间的任意组合也被视为被本文公开。

本发明的以上限定出的多个方面和再一些方面将从在以下描述的实施例中变得清楚明了，并且参考实施例得到说明。下面将参考实施例的示例详细描述本发明，但是本发明并不局限于所述实施例的示例。

附图说明

图1依据本发明一实施例示出了能量存储和回收装置。

图2依据本发明一实施例示出了处于第一操作模式的能量存储和回收系统，其中能量存储和回收装置被充注热能量。

图3示出了处于第二操作模式的图2中绘出的能量存储和回收系统，其中能量存储和回收装置被释放热能量。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应指出的是：在不同图中，类似或相同的元件被提供附图标记，其只在第一数字内不同于相应附图标记。

图1示出了用于临时地存储热能量的能量存储和回收装置100。能量存储和回收装置100包括具有外壁105a的容器105。根据这里描述的实施例，外壁由混凝土制成。此外，混凝土壁105a在内部通过0.5～2米厚的隔热材料层(未示出)隔热。优选地，隔热材料能够承受高于550℃的温度。

能量存储和回收装置100进一步包括第一流体终端110和第二流体终端120。经由两个流体终端110、120之一，热传递介质比如液体或气体可被供给至容器105的内部。经由两个流体终端110、120中的另一个，热传递介质可从容器105被释放。

根据这里描述的实施例，两个流体终端110、120定位在容器105的相对侧处。这允许热传递介质长距离流动穿过容器105而无需任何内壁。

此外，每个流体终端被分割成数个子终端，以便允许热传递介质轻松地进入容器105中以及允许热传递介质从容器105中轻松地离开。流体终端110、120优选分别形成为进料口和出料口，以便在热传递介质穿过流体终端110、120时减少湍流和/或非需的压力下降。

如从图1的放大插图中可最佳地看出的，在容器105内设置有多个封闭体(enclosure)130。根据这里描述的实施例，封闭体是管状或袜状结构130，其至少部分地填充有热存储材料(未示出)。在所描述实施例中，管状结构130填充有沙子，其代表广泛可获得且便宜的热存储材料。

在容器105内，管状结构130被配置在交错层中，由此在每个层内，管状结构取向成相对于彼此平行，并且由此分配给相邻层的管状结构130取向成相对于彼此垂直。在图1的放大插图中，上部第一层131、相邻的第二层132以及进一步配置在下方的第四层134和第六层136可被看见。一般来说，在每隔一个层中，管状结构130被放置成平行于容器的主轴线，其中所述主轴线代表热传递流体在容器105内的总体流动方向。其它层具有取向成垂直于流动方向的管状结构130，并且管状结构130彼此处于紧密接触，以便利用容器105内的可获得存储空间。

根据这里描述的实施例，每个奇数层(例如层131)内的管状结构定位成彼此分开大约10cm，从而允许热传递介质(例如空气)轻松地流动穿过容器105。当然，封闭体130的其它空间模式或分布也是可能的。

根据这里描述的实施例，封闭体130至少部分地由玻璃纤维材料制成。这可以提供以下优点：纤维材料提供便宜且机械上稳定的结构，以便在容器105内将热存储材料(这里为沙子)保持就位。可能有利的是：将玻璃纤维封闭体130密封，以便保持热存储材料就位，即使是在例如多个极端温度循环之后热存储材料已转变成细小粉末或灰尘时也如此。例如可以借助于金属箔和/或焦油来实现适当的密封。

应提及的是：在以热能量充注热能量存储和回收装置100(第一操作模式)期间，第一流体终端110用作热的被加热的热传递介质的热传递介质入口。在热能量存储和回收装置100释放热能量(第二操作模式)期间，第一流体终端110用作已冷却的热传递介质的热传递介质出口。

相应地，在以热能量充注热能量存储和回收装置100(第一操作模式)期间，第二流体终端110用作已冷却的热传递介质的热传递介质出口。在热能量存储和回收装置100释放热能量(第二操作模式)期间，第二流体终端110用作应该被加热的冷的热传递介质的热传递介质入口。

图2依据本发明一实施例示出了处于第一操作模式的能量存储和回收系统250，其中如以上所描述的能量存储和回收装置200被充注热能量。如从图2可看出的，除能量存储和回收装置200外，能量存储和回收系统250进一步包括冷源280、第一流体能量机器260和第二流体能量机器270。在所示第一操作模式中，第一流体能量机器像压缩器260一样发挥作用，并且第二流体能量机器像膨胀器270一样发挥作用。

冷源280经由冷源280的第二流体端口282和流体管线280a连接至压缩器260。此外，压缩器260经由流体管线260a连接至能量存储和回收装置200的第一流体终端210。此外，能量存储和回收装置200的第二流体终端220经由流体管线250a连接至膨胀器270，并且膨胀器270经由流体管线270a连接至冷源280的第一流体端口281。

流体管线280a、260a、250a和270a以及热能量存储和回收系统250的其它部件被设计成使得它们能够承受热传递介质(这里为空气)的相应温度和相应压力，所述热传递介质以循环方式被引导穿过热能量存储和回收系统250。

具体地，根据这里描述的实施例：(a)在流体管线280a内，热传递介质具有约为1巴的压力p1和约为20℃的温度T1；(b)在流体管线260a内，热传递介质具有约为15巴的压力p2和约为550℃的温度T2；(c)在流体管线250a内，热传递介质具有约为15巴的压力p3和约为20℃的温度T3；和(d)在流体管线270a内，热传递介质具有约为1巴的压力p4和约为-100℃的温度T4。

这时，应提及的是：可能但并非实质的是冷源280被设计成与能量存储和回收装置200为相同或相似的方式。

在以下，描述热能量存储和回收系统250的第一操作模式期间的热力循环，其中热能量存储和回收装置200被充注热能量。如从图2可看出的，热传递介质(这里为气体比如空气)离开冷源280并被传递至压缩器260。在压缩器260中，气体被加热(优选借助于绝热压缩)至大约550℃。气体然后被引导至热能量存储和回收装置200，在这里来自气体的热被传递至位于热能量存储和回收装置200内的热存储材料。如以上已经提及的，热能量存储和回收装置200包括多个封闭体，其根据这里描述的实施例由玻璃纤维制成。被配置在存储单元内的封闭体维持热存储材料(这里为沙子)，并形成用于气体的路径使得气体可流动穿过热能量存储和回收装置200。同时，封闭体确保气体与包含沙子的封闭体之间的直接热热传递。

在已经传递其热能量的至少一部分之后，仍然为压缩的气体被引导至膨胀器270，在这里气体被膨胀。由此，例如借助于绝热工艺，产生冷。来自膨胀的冷于是被存储在冷存储器280中。

应提及的是：膨胀器270和压缩器260优选通过未示出的机械轴彼此连接。由此，可实现涡轮机组配置，并且整个热能量存储和回收系统250的总体效率将得到提高。

图3示出了图2中绘出的能量存储和回收系统250，其现在被标注为附图标记350，处于第二操作模式，其中能量存储和回收装置200被释放能量。与图2中绘出的第一操作状态相比，穿过系统250的流动方向是逆向的。此外，现在第一流体能量机器260作为涡轮机发挥作用，而第二流体能量机器270作为压缩器发挥作用。

能量被回收，方法是使用存储在冷存储器280中的冷，其中处于大约20℃的环境温度T1的气体被引导穿过冷存储器，使得气体在T4≈-100℃时离开冷存储器。冷却气体然后被压缩器270压缩至大约15巴，并被加热至大约20℃的正温度T3。被压缩和加热的气体然后被引导穿过热能量存储和回收装置200，在这里它被加热。气体在大约550℃的温度T2时离开热能量存储和回收装置200。处于高压力的热气体然后在涡轮机260中被利用，所述涡轮机260连接至未示出的发电机，以便生成电力。

应提及的是：还可通过一个或多个热交换器和/或通过蒸汽释放循环实现本文献中描述的热能量存储和回收系统。

应当指出的是：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，关联于不同实施例描述的元件可以进行组合。还应指出的是：权利要求中的附图标记不应该被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1. 一种热能量存储和回收装置，包括：

容器(105)，其具有用于将热传递介质插入所述容器(105)的内部中的第一流体终端(110、210)和用于从所述容器(105)的内部取出所述热传递介质的第二流体终端(120、220)，

热存储材料，其：

　　(a)用于在所述热能量存储和回收装置(100、200)处于第一操作模式时从所述热传递介质接收热能量，以及

　　(b)用于在所述热能量存储和回收装置(100、200)处于第二操作模式时将热能量释放至所述热传递介质，和

多个封闭体(130)，各自被至少部分地填充有所述热存储材料的一部分，其中所述封闭体(130)在空间上配置在所述容器(105)内，使得

　　(i)能在所述第一流体终端(110、210)与所述第二流体终端(210、220)之间引导所述热传递介质的流动，并且

　　(ii)当所述热传递介质在所述第一流体终端(110、210)与所述第二流体终端(120、220)之间流动时，能在所述热传递介质与所述多个封闭体(130)之间获得直接的热接触。

2. 如前述权利要求中所述的热能量存储和回收装置，其中，

所述封闭体(130)至少部分地由纤维材料制成，特别是由玻璃纤维材料和/或由玄武岩纤维材料制成。

3. 如前述权利要求中任一项所述的热能量存储和回收装置，其中，

所述封闭体为管状结构(130)。

4. 如前述权利要求中所述的热能量存储和回收装置，其中，

在所述容器(105)内，所述管状结构(130)被配置在交错层(131、132、134、136)中，由此在每个层(131、132、134、136)内，所述管状结构(130)取向成相对于彼此平行，并且由此被分配给相邻层(131、132、134、136)的管状结构(130)取向成相对于彼此成一定角度。

5. 如前述权利要求中任一项所述的热能量存储和回收装置，其中，

被容纳在所述封闭体(130)内的热存储材料至少部分地是沙子。

6. 如前述权利要求中任一项所述的热能量存储和回收装置，其中，

所述封闭体(130)被密封材料密封。

7. 如前述权利要求中任一项所述的热能量存储和回收装置，其中，

所述容器(105)的外壁(105a)至少部分地由混凝土制成。

8. 如前述权利要求中所述的热能量存储和回收装置，其中，

所述外壁(105a)被包括隔热材料的隔热层隔热，所述隔热材料能够承受高于550摄氏度的温度。

9. 一种热能量存储和回收系统，包括：

如前述权利要求中任一项所述的热能量存储和回收装置(200)，

与所述第一流体终端(210)连接的第一流体能量机器(260)，和

与所述第二流体终端(220)连接的第二流体能量机器(270)，

其中

所述第一流体能量机器(260)和所述第二流体能量机器(270)被构造成使得

(a)在所述热能量存储和回收装置(200)应该接收热能量的第一操作模式中，

　　- 所述第一流体能量机器(260)为所述热能量存储和回收装置(200)生成热能量，并且

　　- 所述第二流体能量机器(270)从所述热能量存储和回收装置(200)接收热能量，其中所生成的热能量大于所接收的热能量，以及

(b)在所述热能量存储和回收装置(200)应该释放热能量的第二操作模式中，

　　- 所述第一流体能量机器(260)从所述热能量存储和回收装置(200)接收热能量，并且

　　- 所述第二流体能量机器(270)为所述热能量存储和回收装置(200)生成热能量，其中所接收的热能量大于所生成的热能量。

10. 如前述权利要求9中所述的热能量存储和回收系统，进一步包括：

机械能量传输机构，其被连接在所述第一流体能量机器(260)与所述第二流体能量机器(270)之间，其中所述机械能量传输机构被构造成在所述第一流体能量机器(260)与所述第二流体能量机器(270)之间直接地交换机械能量。

11. 如前述权利要求9～10中任一项所述的热能量存储和回收系统，进一步包括：

冷存储装置(280)，其具有用于将热传递介质插入所述冷存储装置(280)中的第一流体端口(281)和用于从所述冷存储装置(280)取出热传递介质的第二流体端口(282)，其中所述第一流体端口(281)与所述第二流体能量机器(270)连接，并且所述第二流体端口(282)与所述第一流体能量机器(260)连接。

12. 一种用于在如前述权利要求11中所述的热能量存储和回收系统(250)的热能量存储和回收装置(200)内存储热能量的方法，所述方法包括：

将热传递流体从所述冷存储装置(280)传递至所述第一流体能量机器(260)，

通过所述第一流体能量机器(260)压缩传递来的热传递流体，使得所述热传递流体被加热，

将被压缩和加热的热传递流体从所述第一流体能量机器(260)传递至所述热能量存储和回收装置(200)，

引导传递来的被压缩和加热的热传递流体穿过所述热能量存储和回收装置(200)，由此使热能量从所述热传递流体传递至所述热存储材料，使得所述热传递流体得到冷却，

将被冷却的热传递介质从所述热能量存储和回收装置(200)传递至所述第二流体能量机器(270)，

通过所述第二流体能量机器(270)膨胀传递来的被冷却的热传递介质，使得机械能量处于生成，并且热传递介质被进一步冷却，以及

将被膨胀和进一步冷却的热传递介质从所述第二流体能量机器(270)传递至所述冷存储装置(280)。

13. 一种用于从如前述权利要求11中所述的热能量存储和回收系统(350)的热能量存储和回收装置(200)中回收热能量的方法，所述方法包括：

将热传递流体从所述冷存储装置(280)传递至所述第二流体能量机器(270)，

通过所述第二流体能量机器(270)压缩传递来的热传递流体，使得所述热传递流体被加热，

将被压缩和加热的热传递流体从所述第二流体能量机器(270)传递至所述热能量存储和回收装置(200)，

引导传递来的被压缩和加热的热传递流体穿过所述热能量存储和回收装置(200)，由此使热能量从所述热存储材料传递至所述热传递流体，使得所述热传递流体被进一步加热，

将被进一步加热的热传递介质从所述热能量存储和回收装置(200)传递至所述第一流体能量机器(260)，

通过所述第一流体能量机器(260)膨胀传递来的被进一步加热的热传递介质，使得机械能量处于生成并且所述热传递介质被冷却，以及

将被膨胀和冷却的热传递介质从所述第一流体能量机器(260)传递至所述冷存储装置(280)。