CN104303004B - 用于发电厂功率的热存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在蓄充状态下存储来自相对较热的气体(2)的至少100MWh的热能且在释放状态下向相对较冷的气体(2)释放热能的热存储器(1)，该热存储器(1)具有用于在蓄充状态下引入气体(2)的至少一个具有流入开口(11)的流入面(10)，以及用于在向粒状热存储介质(40)散热后导出气体(2)的至少一个具有流出开口(21)的流出面(20)，其中流入面(10)至少局部区段形成被流出面(20)尤其是完全地包围的通道(12)，且在流入面(10)和流出面(20)之间限定了其中布置粒状热存储介质(40)的中间空间(30)。

Description

用于发电厂功率的热存储器
技术领域
本发明涉及一种用于在蓄充状态下存储来自相对较热的气体的至少100MWh的热能且在释放状态下向相对较冷的气体放出此热能的热存储器。此外，本发明涉及一种用于蓄充和释放此热存储器的方法。
背景技术
用于由发电厂功率存储大量热能的热存储器典型地用作季节性存储器以中间存储来自能量生成的多余能量。因此，从经济性方面的考虑，可能希望的是将在峰值负载时间之外产生的多余能量以热力学形式进行中间存储。多余能量可从常规发电中获取，或也可通过再生能量产生尤其是通过太阳能高温能量生产来提供。
从DE 10 2004 019 801 A1中例如已知，通过气体-沙换热器中间存储来自相对较热的气体的热能。热传输在此在具有与气体入口和气体出口连接的多孔的井壁的井内进行。在井内布置了沙行程，这保证处在其内的沙以可调节的速度运动通过井。在气体-沙换热器的运行中，热气体通过多孔井壁流入到填充以沙的空间内且通过直接的热接触将热能部分地传输到沙颗粒。然后，这样加热的沙可以以合适的方式储存且供给用于例如热回流应用的时间上随后的取热使用。
但此热存储器的缺点是此设备的相对昂贵的运行，因为沙在获取热能时也必须被重新处理，以将热能传输到流动介质。此外，与热存储介质相比，仅可向沙传输相对少的热量，即考虑到相对高的损失功率。另外的缺点是从现有技术中已知的此设备具有可运动的机械部分，这可能是易损的且因此可能需要很大的维护成本。此外，这导致不希望的停机时间且因此导致此设备的运行商方面财务的损失。
从现有技术中已知的热存储器的另外的缺点在于其用于实现足够的隔热的高成本。恰好在与典型地存在的环境温度相比相对高的温度水平(>100摄氏度)下存储热能，用于提供充分隔热的成本已证实是较高的。因为此外用于存储来自发电厂功率的多余能量的热存储器在尺寸上相对大，所以时常于实现足够的隔热的成本因此是显著的，无论热存储器可否经济地运行。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是提供一种合适的热存储器，所述热存储器可实现季节性存储发电厂产生的多余能量，但避免了现有技术中已知的缺点。尤其是，本发明的技术问题是建议一种热存储器，其用于提供充分的隔热的成本不使得经济的运行成问题。
本发明所基于的技术问题通过按照本发明的热存储器以及通过按照本发明的此热存储器的运行方法解决。
尤其是，本发明的技术问题通过一种用于在蓄充状态下存储来自相对较热的气体的至少100MWh的热能且在释放状态下向相对较冷的气体放出热能的热存储器解决，所述热存储器具有用于在蓄充状态下引入气体的至少一个具有流入开口的流入面，以及用于在向粒状热存储介质散热后导出气体的至少一个具有流出开口的流出面，其中流入面至少局部区段形成被流出面尤其是完全包围的通道，且其中在流入面和流出面之间限定了其中布置粒状热存储介质的中间空间。
在此且在下文中，热存储介质的颗粒性理解为所述热存储介质可灌注但同时给气体提供了足够的中间空间以被气体流过。此外，颗粒性在颗粒的尺寸分布方面不应受到限制。从优选的实施形式的角度考虑，单独的颗粒的形状和体积分布是任意的。但根据本发明，关键的是单独的颗粒的形状和体积分布足以使得气体流在单独的颗粒之间通过。此外，此气体流动必须可足够大，以便可在热存储器内储存希望的热能。
此外，本发明的技术问题通过一种用于蓄充和释放此热存储器的方法解决，其中为蓄充热存储器使相对较热的气体流入到通道内，使得所述气体流过流入面的流入开口且在其向流出面的流出开口的行程中将热量释放到粒状热存储介质，其中气体作为相对较冷的气体从流出开口流出且从热存储器导出，且为释放热存储器使相对较冷的气体通过流出开口流入，所述气体在其通过粒状热存储介质的行程中从粒状热存储介质吸热，且在从流入面的流入开口离开之后作为相对较热的气体可供使用。
由发电厂所产生的多余能量应因此根据本发明通过气态热传输介质传输到合适的固态热存储介质。热传输介质可通过不同的方式获得以其传输的热量。因此可构思使得气态热传输介质从排气中获取，且因此将多余的过程热例如燃烧过程热传输到热存储介质。也可构思使得待存储的热能来自次级生成过程，例如用于热生成的压缩机过程，其中此生成过程本身以多余能量供给。
根据本发明，热存储器应适用于存储至少100MWh的热能。此类大量的能量典型地仅与通过发电厂产生的功率相关，所述发电厂也处于本发明的使用领域中。
在进行存储之后，可将中间存储的热量又提供给另外的发电厂过程或能量生成过程来利用。以此方式，随着时间延迟可从热存储器调取能量且在需要时将此能量用于重新生成能量。
从蓄充状态的角度，对于根据本发明的热存储器的组成部分进行描述。但这不作为热存储器的公开的限制，因为专业人员可理解的是在蓄充状态反转时，即在释放状态下，热存储器单独的组成部分维持其基本功能性。因此，如果在蓄充状态下气体流过流入面的流入开口，则专业人员应理解的是在释放状态下流入面起到流出面的功能且流入开口起到流出开口的功能。但为可更好地理解，热存储器的单独的部件的描述从蓄充状态的角度描述。
根据本发明的热存储器允许通过直接热传输从相对较热的气体吸收能量，且将该能量传输到粒状热存储介质。在此，相对较热的气体流过流入面的流入开口到其中布置了粒状热存储介质的中间空间内。由于希望的待调节的气体压力，相对较热的气体流过热存储介质的因其颗粒性而具有的自由空间。在相对较热的气体已流过整个中间空间而进行放热之后，所述气体到达流出面且通过流出面内的流出开口导出。由于连续的放热，在靠近流入面的通道布置的热存储介质的区域内形成了比在靠近流出面布置的区域更高的温度水平。因此，只要未实现热存储器的完全蓄充就产生了希望的温度降低。
因为热存储器提供为用于中间存储所产生的多余能量，所以典型地不达到热存储器的完全蓄充。而是热存储器在其运行中在热存储介质中具有如上所述的希望的温度分布。但由此靠近中间空间的流出面布置的区域在热损失方面作用为靠近流入面的通道布置的区域的隔热器。以粒状热存储介质填充的中间空间的较外部的相对较冷的区域因此防止从靠近流入面布置的较内部的相对较热的热传输。这一方面导致热存储器整体上要求较低的隔热花费，因为将会发生通过以热存储介质填充的中间空间的外部区域的较低的热传输。
尤其是，当以预先确定的热量蓄充热存储器但通过气体不再进行另外的热供给时，则要求在热存储器内吸收的能量被尽可能有效地保留，直至在随后的时刻在热存储器的释能时又可将此能量放出到相对较冷的气体。
但所产生的多余能量的存储有时要求将此热量存储数小时或数日。因为来自发电厂功率的多余能量是相对大的能量，所以能量存储典型地也在相对高的温度水平下进行(>100摄氏度)。为了也可以提供此热能量用于发电厂过程中的蒸汽产生，要求在典型地超过400摄氏度的温度水平下的存储。由于与自然环境温度相比的高温度水平，如果不选择合适的隔热装置则担心从热存储器的很明显的热能损失。就此而言，也明显地表明有时相对大的热存储器应相对于此热损失有效地被隔热。由于根据本发明提供的几何布置或流入面与流出面的相对布置，在布置在中间空间内的粒状热存储介质中出现了热分布，所述热分布就已具有相对高的温度水平的区域而言具有附加的希望的隔热效果。
根据优选的实施形式，热存储器提供为布置在地面上。由于待存储在其内的热能的量，热存储器以相对大量的粒状热存储介质填充，其中优选地应将当地常见的且区域可获得的材料提供为热存储介质。
根据本发明的热存储器的另外的优选实施形式可建议使得流入面的通道具有第一对称性，所述第一对称性与包围流入面的通道的流出面的至少一个预设区段的第二对称性一致。由于流入面以及流出面的一致的对称性，在粒状热存储介质中可形成至少局部地也对称地形成的温度场。此温度场的对称性此外降低了热损失，因为粒状热存储介质的温度相对较高的区域和温度相对较低的区域更好地定位。因此，例如可导致向外的不希望的有效放热的热点的形成比非对称总体结构的情况可能性更小。
如果根据构造使得流入面的通道具有第一对称轴而所述第一对称轴在热存储器内的布置与包围流入面的通道的流出面的至少一个预设区段的第二对称轴一致，则也可形成合适的温度分布。也优选的此实施形式保证了以粒状热存储介质填充的中间空间内部的温度场的另外地改进的对称构造。通过两个对称轴(第一对称轴和第二对称轴)的重合，形成了相对于此对称轴也对称的温度分布场，且保证了希望的限定的温度分布。因此，例如有利的是中间空间的靠近流入面布置的相对较热的区域被靠近流出面的相对较冷的区域对称地包围，以因此导致对于相对较热的区域的均匀的隔热效果。
在特别优选的实施形式中建议，流入面的通道以及流出面的包围此通道的至少一个区段具有柱形几何形状，且流出面的区段相对于流入面同轴地布置。流入面和流出面的柱形对称的形成与二者的相互同轴布置一起保证了在热存储器的中间空间内部的粒状热存储介质内的特别均匀的温度分布。以此，围绕靠近流入面的通道布置的相对较热区也形成了相对统一的且限定的、靠近流出面布置的较冷区，且该较冷区与隔热层相似抵抗热损失。此外，也可在热存储器的释放状态期间保证均匀的气体温度，因为与气体从哪个方向流入到流入面的通道内无关地保证了从热存储器中均匀的放热。
根据本发明的热存储器的另外的实施形式，流入面的通道可在一侧被端侧封闭，其中端侧封闭件尤其是具有流入开口。由于封闭保证流入到流入面的通道内的全部气体通过流入开口转运到热存储器的中间空间内。通过封闭件的几何布置，此外在蓄充期间对于在热存储器内所形成的温度图形进行影响。通过将流入开口提供在封闭件内，因此也可将布置在封闭件下方的填充以粒状热存储介质的区域用于热存储。在此应注意的是在将热存储器布置在地面上时，封闭件的高度水平不应达到地面水平。从大量几何参数以及过程参数中得到封闭件所布置的合适高度，用以保证在热存储器内的尽可能有效的热传输。
根据本发明的另外的也优选的实施形式，每单位面积的流入开口的数量在通道内在流入的气体的流动方向上增加。因此，在通道内在流动下游布置了每单位面积相对更多的流入开口。以此，可抵抗导致温度分布场变形的热存储器内的对流现象。如果在布置在地面上的热存储器中例如流入面的通道根据重力场的方向从上向下延伸，则优选地在中间空间内更上方形成了温度分布图形的扩宽，因为与更重的相对较冷的空气相比，相对较热的空气向上升。尤其是，当相对较热的气体在粒状热存储介质内的流动速度相对低时(例如，0.1至0.2m/sec)，在所形成的温度图形中对流现象明显。为因此以较低的热供给此区域，在根据本实施方案的通道内每单位时间更少的气体体积直接流入此区域内。通过在通道的下游侧区域内每单位面积的流入开口的数量增加，将相对更多的气体提供到热存储器内。因此，在此区域内通过向粒状热存储介质的更多的热传输优选地形成了更高的温度。虽然处在此区域内的气体也通过对流而流入到处在其上的区域内，但总体上将更少的热储存在热存储器的中间空间的相对位于更上方的区域内。因此，形成了更少通过对流影响而变形的温度图形。
根据替代的实施形式，也可建议使得每单位面积的流入开口的尺寸在通道内在流入的气体的流动方向上增加。此布置的优点对应于前述实施例的优点。
根据热存储器的另外的优选的实施形式建议，使得通过流入面形成的通道具有直线的走向，所述走向在热存储器内尤其是平行于重力场定向。通过此定向，在热存储器内部的对流的效果相对对称且均等的分布，且可通过简单应用的措施来应对所述对流。因此，此布置又允许在热存储器内部形成相对均等分布的或对称的温度分布场。
根据本发明的另外的实施形式建议使得流入面是金属面，尤其是由钢制成的面，所述流入面具有作为流入开口的第一空隙。为此可使用的替代的材料是砖、陶瓷或玻璃。但优选的是金属面，因为金属面一方面廉价地提供，另一方面也满足对于运行温度和机械特性的要求。因此，例如要求使得流入面至少部分地支撑处于中间空间内的粒状热存储介质。由于有时由热存储器包围的大量粒状热存储介质，在此在流入面上出现的力是明显的，从而流入面必须形成为具有很大的机械抵抗力。金属尤其是适合于此。
根据本发明的热存储器的另外的实施形式，粒状热存储介质可包括由岩石形成的散料。因此，可例如使用就像由岩石或废砖形成的碎料的卵石。所述卵石容易够得且廉价。当然金属废料可适合于粒状热存储介质，因为其一方面具有好的热容量而另一方面也可提供足以气体流动的自由空间。优选地，在热存储器内使用可当地获得的介质。由于由热存储器包围的相对大量的热存储介质，所以废料或例如岩石的廉价建材是特别合适的。为使其有利地在热存储器或热存储器的中间空间内分布，要求所述废料是可灌注或至少可分布的。可灌注的且同时粒状的热存储介质包括单独的颗粒或由岩石形成的、因另外的组成部分而独特的碎料。
根据本发明的有利的实施形式可建议使得粒状热存储介质的散料具有至少1cm直径的平均颗粒度，优选地具有至少3cm的直径的平均颗粒度。此类的颗粒度允许在单独的颗粒之间形成足够大的自由空间，使得为放热而流入到热存储器内的相对较热的气体无过大的流动阻力地可流过粒状热存储介质。这尤其是涉及在0.1至0.5m/sec的气体流动速度下的流动阻力。
当粒状热存储介质的散料在热存储器内逐层布置且在各个层之间设置气体不能通过的对流屏障时，实现了本发明的热存储器的进一步的有利的实施形式。层可在此在热存储器的整个中间空间上延伸或仅在部分上延伸。对流屏障可此外也形成为气体能部分地通过的对流屏障。关键的仅在于对流屏障实现了使对流的气体绕行。因此，对流屏障例如提供为使得气体在对流过程期间遇到对流屏障且由对流屏障导出到另外的区域内。尤其是，当对流屏障水平布置时，可通过屏障实现有效的对流阻碍。通过对流屏障使流入到热存储器内的气体绕行，使得该气体抵抗形成由于对流而形成的过分变形的温度分布水平。即通过使得通过流入面的流入开口流入的相对较热的气体不可因对流而自由地克服重力运动而是通过对流屏障被引导，可促进形成合适的温度分布图形。
根据本发明的另外的实施形式，流出面可以是金属面尤其是由钢制成的面，所述流出面具有作为流出开口的第二空隙。如在流入面的情况中，可替代地使流出面也由砖、陶瓷或玻璃形成。由于在使用另外的材料时为流出面提供的高的成本，金属是优选的材料。
根据另外的实施形式可建议使得流入面和/或流出面通过接触支撑粒状热存储介质。流入面或流出面因此必须可充分地承受机械支撑力，以支撑粒状热存储介质。在此，专业人员当然理解的是流入面所包围的流入开口和流出面所包围的流出开口的大小仅需选择为使得一方面不明显地阻碍气体流动，且另一方面使粒状热存储介质不可通过流入面或流出面。选择流入面和流出面的适合大小对于专业人员好理解。根据本发明，也可将流入面或流出面罩以合适的栅格。
根据本发明的优选的实施形式，热存储器的高度尺寸至少为10m，优选地至少为15m，且其宽度尺寸至少为30m，优选地至少为45m。尤其是，热存储器的宽度尺寸大于其高度尺寸。根据特别优选的实施形式，宽度尺寸等于直径宽度尺寸。因此，可一方面保证热存储器可存储足够的热量以存储来自发电厂过程的多余能量，而另一方面可保持热存储器尽可能低的占地需求。也可构思将热存储器在地面内的凹陷内沉入到使其不从地面突出。
根据热存储器的另外的实施形式建议使得流出面由与其远离粒状热存储介质的一侧间隔的隔热装置包围，且因此在流出面和隔热部本身之间限定了流出通道，从流出开口流出的气体可通过所述流出通道被导出。在此流出通道内，从热存储器的中间空间离开的相对较冷的气体被导出。由于典型地离开的气体量形成了气体流动，所述气体流动包围流出面且同时对其起到隔热效果。尤其是，当从流出开口离开的气体通过流出开口均匀地分布时，所形成的空气流动可有利地被考虑为热存储器的整体隔热构思中的附加的隔热层。
此外，应考虑到从流出开口离开的相对较冷的气体在通过热存储器的中间空间的行程中已至少部分地放出其能量，且因此具有更低的温度水平。因此，与在相对较低温度下无故障地保证热存储器的隔热相比，对于隔热的要求也更低。有时在必须相对向上对流的气体向上限制热存储器的中间空间的隔热装置中，可能表现不同的情况。因为在中间空间中典型地在上部区域内由于气体对流而出现更高的温度，所以在此处也应提供可耐受此更高温度但同时保证良好隔热的隔热器件。
根据本发明的另外的实施形式可建议，使得隔热装置被至少部分地气密的壳体包围。此至少部分区域的气密的壳体保证从流出面的流出开口离开的气体也在不希望的通过隔热装置时不可从热存储器以不受控的方式流出。尤其是，壳体有助于形成在流出面和隔热部之间的或在流出面和气密的壳体之间的限定的气体流动。
根据本发明的另外的也优选的实施形式建议，使得流入面的通道的靠近流出面的一侧与流出面间隔至少15m，优选地至少20m。因此，相对较热的气体在换热器的中间空间内保持的距离至少为15m，优选地至少为20m。根据大的流动路径可保证使得相对较热的气体在流入到热存储器的中间空间内时将其能量的大部分传输到粒状热存储介质。此外，此流动路径保证了存储大量的热能，所述热能也能够在释放过程中驱动发电厂过程。
根据本发明的方法的优选实施形式建议使得为蓄充热存储器使得质量流量至少为10kg/sec尤其是至少为40kg/sec的相对较热的气体流入到热存储器内。尤其是优选地，此质量流量值针对空气作为气体的情况。因此，可一方面在热存储器蓄充时保证足够大的量可输入到热存储器内，另一方面可明显升高以如此方式运行的热存储器的效率。
根据方法的另外的实施形式可建议使得在热存储器蓄充时不完全蓄充，尤其是在相对较热的气体的预先确定的温度水平下最高蓄充至可能的能量吸收量的70％。根据另外的合适的实施形式，热存储器的蓄充可最高至最大可能的能量吸收量的90％或80％，或最高至最大可能的能量吸收量的60％或50％。此上限对应于热存储器的根据按本发明实施方案的最大希望的蓄充。通过避免热存储器的完全蓄充可尤其是保证以粒状热存储介质填充的中间空间的靠近流出面布置的区域可作为适合于靠近流入面布置的区域的隔热层，因为所述靠近流出面布置的区域相对较冷且因此具有更低的放热损失。如果蓄充根据本发明实施方案不运行到最大可能的值(即，带有在填充以粒状热存储介质的中间空间内部基本上均匀的温度分布的完全蓄充)，则填充以粒状热存储介质的中间空间的相对较冷的区域对于填充以粒状热存储介质的中间空间的相对较热的区域起到有利的隔热作用。
根据方法的另外的实施形式可建议使得在蓄充期间或在蓄充状态下在流入面和流出面之间形成或已形成向着流出面的温度降。蓄充状态在此尤其是其中蓄充未进行到最大可能值(填充以粒状热存储介质的中间空间内的基本上均匀的温度分布)的状态。因此，根据本发明的实施方案形成相对较冷的区域，所述较冷的区域对于填充以粒状热存储介质的中间空间的相对较热的区域起到隔热作用，且因此可抵抗放热能量损失。根据本发明实施方案，温度降可为，使得在流入面和流出面之间存在至少25％，优选地至少50％的温度差。
根据本发明的另外的实施形式建议，在蓄充期间或在蓄充状态下在流入面和流出面之间形成或已形成并非线性地走向的温度分布。此走向又可有助于使得填充以粒状热存储介质的中间空间内的相对较冷的区域对于所述中间空间的相对较热的区域起到隔热效果，且因此可抵抗放热能量损失。通过合适的温度分布，可有利地调节放热损失。
附图说明
下文中根据附图详细描述本发明的具体实施例。在此，本发明不限制于此实施形式，而是要求具有一般形式的根据本发明的构思。此外，在附图中详细图示的图中与另外地示出的特征以及细节特征相结合地被要求。
此外应注意到在如下的附图中图示的实施形式仅是示意性图示。从中不可导出在功能性或可具体化方面的限制。
各图为：
图1是根据本发明的热存储器的第一实施形式的横截面侧视图；
图2是从上方示出了通过在图1中所示的热存储器的横截面视图；
图3是如例如所示的实施形式中可使用的流入面的通道；
图4是根据本发明的热存储器的另外的实施形式的横截面侧视图；
图5是在热存储器蓄充之后可形成的两个不同的热分布图形的走向，在热存储器的外部边界中描述；
图6是用于图示根据本发明的方法的第一实施形式的示意性流程图；
图7是用于图示根据本发明的方法的第二实施形式的示意性流程图。
具体实施方式
图1示出了通过根据本发明的热存储器1的第一实施形式的横截面侧视图，所述热存储器1具有用于相对较热的气体2流入的具有流入开口11的流入面10，所述流入面10成型为通道12。在蓄能过程期间，气体2流入到通道12内且通过流入开口11进入到热存储器1的中间空间30内。由于直接的热传输，气体的热能至少部分地传输到处在中间空间30内的热存储介质40。热存储介质40具有合适的颗粒度，使得气体2可通过热存储介质40的单独的颗粒之间的空隙流动或流通。通道12可根据实施形式具有合适的流入开口。尤其是，通道12可通过封闭件13被端侧封闭，其中封闭件13本身可具有用于气体2流出的空隙或开口。
从通道12离开的且转运到中间空间30内的气体2由于在热存储器内建立的气体压力而流入到中间空间30的进一步远离通道12布置的区域内，且最终到达其内具有流出开口21的流出面20上。在其到此处的行程中，原来相对较热的气体2将其热能部分地释放到粒状热存储介质40，且作为相对较冷的气体2从流出面20的流出开口离开，以被导出。流出面20为合适的隔热被隔热装置50包围且在本身和隔热部50之间形成了流出通道60。在此流出通道60中，从流出开口21离开的相对较冷的气体2被导出且最终形成流动层，所述流动层附加地对于中间空间起到隔热作用。为防止从热存储器1的气体损失，隔热部50此外可被气体至少部分不可通过的壳体70包围，所述壳体70除机械保护的功能外也可保证气密性。
如在图示中可见，通道12具有圆柱对称几何形状，所述几何形状具有第一对称轴SA1。流出面20同样具有圆柱对称几何形状，其第二对称轴SA2与通道12的第一对称轴SA1重合。圆柱对称的通道12和圆柱对称的流出面20因此相互同轴布置。以此保证在热存储器1蓄充时在其中间空间30内也形成圆柱对称的温度分布图形。一方面有利的是，中间空间30内的热存储介质40的靠近流出面20布置的相对较冷的区域围绕热存储介质40的靠近通道12的相对较热的区域均匀地分布。由此得到的有利的隔热效果防止从靠近通道12布置的相对较热的区域的热损失。因此，相比热存储介质40的相对较热的区域靠近流出面20布置的情况，对于隔热装置50提出了更低的要求。因此，降低了材料以及准备成本。但按本发明实施方案，对于受到更高温度的热覆盖装置55选择高性能隔热。形成此更高的温度的原因首先是在蓄充状态期间流入到通道12内的气体的对流。因为通过气体在中间空间30内的对流使增多的更热的气体聚集在热覆盖部55下方，所以在此区域中也达到更高的温度水平。因此，对于热覆盖装置的要求高于对于隔热装置50的要求。也就是说如果例如隔热装置50通过塑料层实现，则对于热覆盖装置55有时仅可提供耐火石材(废料)。
图2从上方示出了通过在图1中图示的热存储器1的横截面。在此显见，通道12和流出面20的圆柱对称形状。仅示意性地图示了布置在中间空间30内的热存储介质40的颗粒。热存储介质40的此颗粒可例如是由岩石制成的合适的散料。典型地，在通道12的流入面和流出面20之间的整个中间空间30以热存储介质40填充。填充可基本上均匀地构成。但也可构思在热存储介质40内提供通道，所述通道有助于气体2的更快速的流动。以此，虽然向热存储介质40的热传输不再比较有效地进行，但可以此方式合适地降低流动阻力。
图3从侧面示出了具有多个流入开口11的流入面10的通道12的示意图。所图示的通道可例如使用在前述图1和图2中所图示的热存储器1的实施形式中。尤其是，在通道12上图示了根据所示的图示从上向下走向地每单位面积增加的流入开口11。如果通道12根据图1和图2中的热存储器中的定向提供，则相对更少的气体在进入到通道12内之后在上部区域内离开，而是更多的气体在通道12的下部区域内。因此，保证了在靠近通道12的上部区域内的流入开口11布置的区域内更少的热输入，但在靠近通道12的下部区域内的流入开口11布置的区域内具有相对更大的热输入。由于在中间空间30内的对流形成了流动降低，相对较热的气体从下向上上升，其中同时所述气体从通道12向流出面20流动。以此，热量从下部区域输送到上部区域内，其中在考虑到原来的更少的输入时通过在通道12的上部区域内的每单位面积的更少的流入开口11的数量，可形成更均匀的温度图形。
为应对此对流效果，也可建议将热存储器1的中间空间30逐层填充，其中在各个层之间设置对流屏障45。这在图4中图示。此对流屏障45可由气体不可通过的或由气体仅部分可通过的材料制成。为合适地引导引入到中间空间30内的相对较热的气体2的量以抵抗对流效应，对流屏障45可布置为相互具有均匀的间隔或相互具有不均匀的间隔。此外，对流屏障45可在热存储器1的中间空间的整个宽度上延伸，或仅在其部分区域上延伸。此外，可有利的是对流屏障不水平地相互定向，而是相互成角度的布置。以此，可更好地实现处在中间空间30内的相对较热的气体2的有目的的引导。
图5示出了两个不同的热分布曲线(WV1和WV2)，所述热分布曲线示意性地描述了根据图1或图4中所示的热存储器1的热存储器的实施形式。第一热分布曲线WV1和第二热分布曲线WV2在横截面中以通过热存储器1的中间空间30的等温线出现。例如，此等温线对应于200摄氏度的温度，或另外地给出的温度。如容易地可见，第一热分布曲线WV1靠近热覆盖装置55在流出面20的方向上比第二热分布曲线WV2延伸更远。出现此效果的情况例如是，由于中间空间30内的相对较热的气体的更强的对流使得气体向上上升且在相对更上方布置的区域内由于存在于中间空间30内的气体压力而在流出面20的方向上运动。可通过在中间空间30中例如在图4中所示提供对流屏障45来应对较热的气体2的此对流运动，所述对流屏障45不再允许从下向上的自由对流，而是有目的地在预先确定的方向上引导气体。如果提供此对流屏障45，则因此可避免使得更多的热量通过对流从中间空间30的下部区域输送到上部区域内。解释了带有改进的热分布的情况的第二热分布曲线WV2示出，靠近热覆盖装置55，该曲线WV2与第一热分布曲线相比更少靠近流出面20。但与此相对，不再通过对流被输送的热量被储存在中间空间30的下部区域内。因此，第二热分布曲线WV2与第一热分布曲线WV1相比也在通道12的下方具有更大的侧向尺寸。
在图5中图示的热分布曲线WV1和WV2仅示意性地理解且并非从精确的热力学计算中得出。但所述热分布曲线足以表明对流可对于热存储器内部的热分布产生影响。
如已在前述图1和图4中通过解释了气体2的流动的双箭头示意，热存储器1可在蓄充以及释放状态下运行。在蓄充状态下，相对较热的气体2流入通道12内且通过中间空间30流向流出面20。但如果热存储器1在释放状态下运行，则相对较冷的气体通过流出通道60通过流出面20的流出开口21流入，且在其通过中间空间30的行程中从热存储介质40吸热，然后相对较热的气体流入到流入面10的通道12内且可从此通道12取出。但为简明起见优选地考虑蓄充状态。
图6示出了用于解释根据本发明的方法的第一实施形式的示意性流动图。在此，为蓄充热存储器使相对较热的气体2流入到热存储器1的流入面10的通道12内。在热存储器1被完全蓄充的时刻之前的时刻使流入停止。此状态是根据本发明实施方案的蓄充状态。以此保证在流入面10和流出面20之间的中间空间30内的粒状热存储介质40具有比其他区域更冷的区域。此相对较冷的区域适合于对于靠近流入面10布置的相对较热的区域进行隔热。
图7示出了用于解释根据本发明的方法的第二实施形式的示意性流动图。根据此实施例，为蓄充热存储器使相对较热的气体2流入到流入面10的通道12内。在流入面10和流出面20之间在热存储介质40内存在的温度降低的时刻之前的时刻使流入停止。此状态是根据本发明实施方案的蓄充状态。以此保证在流入面10和流出面20之间的中间空间30内的粒状热存储介质40具有比其他区域相对较冷的区域。此相对较冷的区域适合于对于靠近流入面10布置的相对较热的区域进行隔热。

Claims (20)

1.一种用于在蓄充状态下存储来自相对较热的气体(2)的至少100MWh的热能且在释放状态下向相对较冷的气体(2)释放热能的热存储器(1)，所述热存储器(1)具有用于在蓄充状态下引入气体(2)的至少一个具有流入开口(11)的流入面(10)，以及用于在向粒状热存储介质(40)散热后导出气体(2)的至少一个具有流出开口(21)的流出面(20)，其中流入面(10)至少局部区段形成被流出面(20)包围的通道(12)，且在流入面(10)和流出面(20)之间限定了其中布置粒状热存储介质(40)的中间空间(30)，其特征在于，所述粒状热存储介质(40)在所述热存储器(1)内逐层布置，且在各个层之间设置所述气体(2)不能通过的对流屏障，其中，所述对流屏障水平地定向，或定向为使得所述对流屏障相互成角度地定向。
2.根据权利要求1所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)至少局部区段形成被所述流出面(20)完全地包围的通道(12)。
3.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)的通道(12)具有第一对称性，所述第一对称性与包围所述流入面(10)的通道(12)的流出面(20)的至少一个预设区段的第二对称性一致。
4.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)的通道(12)具有第一对称轴(SA1)，所述第一对称轴在所述热存储器(1)内的布置与包围所述流入面(10)的通道(12)的流出面(20)的至少一个预设区段的第二对称轴(SA2)一致。
5.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)的通道(12)以及流出面(20)的包围所述通道的至少一个区段具有圆柱对称几何形状，且所述流出面(20)的所述区段相对于所述流入面(10)同轴地布置。
6.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，每单位面积的流入开口(11)的数量在通道(12)内在流入的气体(2)的流动方向上增加。
7.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，通过所述流入面(10)形成的通道(12)具有直线走向，所述直线走向在热存储器(1)内定向。
8.根据权利要求7所述的热存储器，其特征在于，通过所述流入面(10)形成的通道(12)具有直线走向，所述直线走向在热存储器(1)内平行于重力场方向定向。
9.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述粒状热存储介质(40)包括由岩石制成的散料。
10.根据权利要求9所述的热存储器，其特征在于，所述粒状热存储介质(40)的散料具有至少1cm直径的平均颗粒度。
11.根据权利要求10所述的热存储器，其特征在于，所述粒状热存储介质(40)的散料具有至少3cm的直径的平均颗粒度。
12.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述热存储器的高度尺寸至少为10m，而宽度尺寸至少为30m。
13.根据权利要求12所述的热存储器，其特征在于，所述热存储器的高度尺寸至少为15m，而宽度尺寸至少为45m。
14.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述流出面(20)由与所述流出面(20)的远离粒状热存储介质(40)的一侧相间隔的隔热部(50)包围，且因此在所述流出面(20)和隔热部(50)本身之间限定了流出通道(60)，从流出开口(21)流出的气体(2)通过所述流出通道(60)导出。
15.根据权利要求1或2所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)的通道(12)的靠近流出面(20)的一侧与所述流出面(20)间隔至少15m。
16.根据权利要求15所述的热存储器，其特征在于，所述流入面(10)的通道(12)的靠近流出面(20)的一侧与所述流出面(20)间隔至少20m。
17.一种用于蓄充和释放根据前述权利要求中任一项所述的热存储器的方法，其特征在于，为蓄充热存储器(1)使相对较热的气体(2)流入到通道(12)内，使得所述气体流过流入面(10)的流入开口(11)且在其向流出面(20)的流出开口(21)的行程中将热量释放给粒状热存储介质(40)，其中所述气体作为相对较冷的气体(2)从所述流出开口(21)流出且从热存储器(1)导出，且为释放热存储器(1)使相对较冷的气体(2)通过流出开口(21)流入，所述气体在其通过所述粒状热存储介质(40)的行程中从粒状热存储介质(40)吸热，且在从所述流入面(10)的流入开口(11)离开时能作为相对较热的气体(2)供使用。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述热存储器(1)蓄充时不完全蓄充。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述热存储器(1)蓄充时，在相对较热的气体(2)的预先确定的温度水平下最高蓄充至可能的能量吸收量的70％。
20.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，在蓄充期间或在蓄充状态下在所述流入面(10)和所述流出面(20)之间形成或已形成向着所述流出面(20)的温度降低。
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