CN107810312A - 用于储能的储能装置和储能方法 - Google Patents

Abstract

储存能量的储能装置(1)包括：‑高温蓄热式换热器(120)，其含有储能材料和作为传热介质的工作气体(A)，用于在储存材料和流经的工作气体(A)之间换热，‑用于工作气体(A)的闭合的蓄能回路(100)，包括第一压缩机(110)、第一膨胀机(140)、具有第一换热管路(130a)和第二换热管路(130b)的第一间壁式换热器(130)、高温蓄热式换热器(120)以及预热器(151)，其中第一压缩机(110)通过轴联接至第一膨胀机(140)，‑用于工作气体(A)的释能回路(200)，并且包括‑切换机构(400，401)，其选择性地将高温蓄热式换热器(120)与蓄能回路连接或者与释能回路连接，使得包含高温蓄热式换热器(120)的回路形成闭合回路。

Description

用于储能的储能装置和储能方法

技术领域

本发明涉及用于储能的储能装置。本发明还涉及储能方法。

背景技术

再生能源例如风能或太阳能越来越多地用于能源生产。为了确保基于可再生能源的可持续和稳定的能源供应，有必要储存所生产的能源并且以错时的方式将其传递回去。为此，需要能够暂时储存过量能源并且将其以错时方式传输回去的便宜的储能装置。

文献EP2147193B1一方面公开了储存热能的装置和方法。该文献还公开了储存电能并且将其以错时的方式传递的装置。在这个情况下，为了向储能器蓄能，电能被转换为热，并且以热能储存。在释能的时候，该热能被转换为电能，然后被传递。这种装置和这种方法的缺点在于它们的运行需要两个分离的储能器，一个储热器和一个储冷器，而且，其必须在高达2000℃的非常高的温度以及低至-80℃的非常低的温度下运行，因此该装置除了包括储热器和储冷器外还包括压缩机、换热器等，该装置的结构、运行和维护都非常复杂并且昂贵。而且，必需的压缩机是相对大型的，使得它们的功率密度是低的。

文献DE102011088380A1公开了一种用于储存季节性出现的过量电能的储能装置。该储能以非常长期的方式实现。储存能量的释放采用蒸汽回路的方式实现。这种装置的缺点在于效率以及费用方面。

发明内容

因此本发明的目的在于创造一种经济上更加有利的储能装置以及经济上更加有利的储能方法。

本发明的另一个目的在于创造一种特别是经济上更加有利的装置以及经济上更加有利的储存以及回收电能的方法。

这个目的通过具有权利要求1的特征的装置来实现。从属权利要求2-10涉及进一步的有利实施例。该目的还通过具有权利要求11的特征的方法来实现。从属权利要求12-14涉及进一步的有利方法步骤。

该目的特别通过储存能量的储能装置来实现，该储能装置包括：

-高温蓄热式换热器，包含固态的、特别是多孔的储存材料以及作为传热介质的工作气体，以在储存材料和流经的工作气体之间换热，

-用于工作气体的闭合的蓄能回路，包括第一压缩机、第一膨胀机、具有第一换热管路和第二换热管路的第一间壁式换热器、高温蓄热式换热器以及预热器，其中第一压缩机通过轴联接至第一膨胀机，并且其中蓄能回路以这样的方式实现，使得从高温蓄热式换热器开始，至少间壁式换热器的第一换热管路、第一膨胀机、预热器、间壁式换热器的第二换热管路、第一压缩机以及然后高温蓄热式换热器以流体传输的方式互相连接，形成闭合回路，

-用于工作气体的闭合的释能回路，包括-切换机构，其以可控的方式将高温蓄热式换热器流体传输地连接于蓄能回路或者连接于释能回路，使得该高温蓄热式换热器形成蓄能回路的一部分或者形成释能回路的一部分，蓄能回路、释能回路以及高温蓄热式换热器具有相同的工作气体，使得工作气体在蓄能回路和释能回路中都直接与储存材料接触。

本发明的目的还特别通过一种在储能装置中储存热能的方法而实现，该储能包括含有固态储存材料的高温蓄热式换热器，其中工作气体作为换热介质在闭合的蓄能回路中循环，其中工作气体与储存材料换热，并且其中工作气体在高温蓄热式换热器之后在第一间壁式换热器中冷却，接下来在第一膨胀机中膨胀，接下来在第一预热器中预热，接下来在第一间壁式换热器中加热，接下来在压缩机中被压缩和加热，并且因此加热的工作气体被供给至高温蓄热式换热器，其中热能通过闭合的释能回路从所述高温蓄热式换热器中排出，其中高温蓄热式换热器形成了蓄能回路的一部分或者形成了释能回路的一部分，其中所述高温蓄热式换热器以流体传输的形式切换至蓄能回路或者切换至释能回路，从而实现其中有工作气体循环的闭合电路。其中蓄能回路、释能回路以及高温蓄热式换热器中存在相同的工作气体。在蓄能回路以及释能回路中，工作气体直接绕储存材料流动，因此后者直接与工作气体接触。

根据本发明的储能装置包括含有固态储存材料的高温蓄热式换热器和作为传热介质的工作气体，以便通过沿着储存材料流过的工作气体在工作气体和储存材料之间换热。

对于换热器，特别要对间壁式换热器和蓄热式换热器进行区分。对于间壁式换热器，两种流体在彼此隔开的空间中传输，其中在空间之间进行热交换。因此，在间壁式换热器中，两种流体例如通过隔离壁被完全隔开，其中由共用的隔离壁在两种流体之间进行传热。蓄热式换热器是在换热操作期间将热暂时存储在介质中的热交换器。对于蓄热式换热器，在一个可能的实施例中，工作气体直接绕储存材料流动。在蓄热式换热器蓄能的过程中，由工作气体所供给的热能被传递至储存材料并且被储存在储存材料中。在蓄热式换热器的释能过程中，通过工作气体将热能从储存材料中吸走，储存材料被冷却，通过工作气体所吸走的热能被供给至接下来的过程。对于蓄热式换热器，工作气体有利地在蓄能过程中和释能过程中均与储存材料直接接触。

根据本发明的储能装置具有的优点在于只需要一个储能器，并且可能还需要储热水器。根据本发明的储能装置除了高温蓄热式换热器以外还包括蓄能回路、释能回路以及用于连接到高温蓄热式换热器以便使蓄能回路蓄能或使释能回路释能的切换机构。固态材料比如，例如多孔的、耐火的石头、沙子、砾石、混凝土、石墨或者陶瓷适合在高温蓄热式换热器中被用作为储存材料。该储存材料可被加热至优选600至1000℃的温度范围，如果需要的话甚至达到1500℃。该蓄能回路和释能回路都被设计为闭合回路。该实施例的优势在于工作气体也可具有大于大气压的压力，其相应地增加了压缩机和汽轮机的功率密度。在有利的实施例中，氩气或氮气被用作工作气体。然而，其它的气体也适于作为工作气体。根据本发明的储能装置的优势在于它具有高的能量密度，使得高温发生器可为相对紧凑的设计。而且，因为储能材料非常方便并且环境相容，所以可以便宜地生产高温蓄热式换热器。根据本发明的储能装置还具有的优点在于释能回路根据需求例如为了产生电能可在设计上有所不同。

在一个特别有利的设计中，储能装置包括发电机，在优选的设计中还包括电机，使得根据本发明的储能装置可被充入电能，并且也在释能时传回电能。这种储能装置也被称作“借助于泵送热的电能储存系统(ESSPH)”。根据本发明的储能装置包括发电机和电机，因此能够将电能转换为热能、储存热能，并且将储存的热能转换回电能。根据本发明的储能装置可因此也被称作“热电池”，其可通过蓄能操作而被蓄能并且通过释能操作而被释能，蓄能操作受所采用的热气热泵的影响，释能操作优选受到所采用的燃气轮机过程的影响。旋转式涡轮机或直线活塞式机器尤其适用于压缩和膨胀的目的。

至于部分蓄能和部分释能在任何时候都是可能的，根据本发明的储能装置或者热电池可以以与电池相似的方式被蓄能和释能。根据本发明的储能装置所基于的储存概念使得通过对子部件进行适当的设计可以在1至50MW之间的范围内储存能量输出，并且在1至250MWh的范围内储存能量，并且以错时的方式将其输回。在特别有利的设计中，该发电机和该电机被设计为电机/发电机形式的单个机器。根据本发明的储能装置非常适合于随时间迁移的电能，例如用于将在白天产生的太阳能储存在电网中并且在晚上再将其传回。

而且，储能装置非常适用于稳定电网，特别适用于频率稳定，只要储能装置的压缩机和膨胀机被设计为旋转机器即可。在有利的操作模式中，储能装置以恒定的转速运行并且连接至电网。

以下基于示例性实施例详细描述本发明。

附图说明

用于解释示例实施例的附图示出了：

图1储能装置的第一个示例实施例，包括蓄能回路和释能回路；

图2根据图1的蓄能回路的细节；

图3根据图1的释能回路的细节；

图4储能装置的第二个示例实施例；

图5释能回路中压缩机的细节图，具有压缩机中间冷却和共用的轴；

图6具有压缩机后冷却的释能回路的细节图；

图7具有压缩机预冷却的释能回路的细节图；

图8具有压缩机中间冷却以及两个轴的释能回路中压缩机的细节图；

图9储能装置的第三个实施例；

图10储能装置的第四个实施例；

图11a-11i不同设计的热泵部件。

原则上，在附图中，相同的部分采用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了用于储存热能的储能装置1，包括具有管线101的蓄能回路100、具有管线201的释能回路200、高温蓄热式换热器120以及切换机构400、401，该切换机构400、401以此方式连接至管线101、201，即该高温蓄热式换热器120可以流体传输的方式连接至蓄能回路100或释能回路200，使得该高温蓄热式换热器120分别形成蓄能回路100的一部分或者释能回路200的一部分。为了控制储能装置1，闭环控制装置500以信号传导方式连接至切换机构400、401以及未详细表述的其它传感器和致动器。图2和图3分别详细地示出了在图1中表示的蓄能回路100和释能回路200。该高温蓄热式换热器120包含固态的储存材料以及作为传热介质的工作气体A，以便在储存材料和流经的工作气体A之间换热。适用于高温蓄热式换热器的固态储存材料例如为多孔的、耐火的材料，石头、沙子、砾石、混凝土、石墨，或者还有比如为碳化硅的陶瓷。该高温蓄热式换热器120包括外罩120a和内部空间，固态储存材料被放置于内部空间和/或设计成使工作气体A流经该储存材料或者绕该储存材料流动以进行热交换。从图2可见，该高温蓄热式换热器120还包括至少一个入口120b和至少一个出口120c，从而使在管线101和201中流动的工作气体A分别输送到高温蓄热式换热器的内部空间和从高温蓄热式换热器的内部空间排出，使得在蓄能回路100或释能回路200中循环的工作气体A与固态储存材料直接接触。图1示出了沿竖向延伸或放置的高温蓄热式换热器120，在蓄能过程中，该工作气体A从上至下流动，在释能过程中，该工作气体A从下至上流动。

图2详细地示出了在图1中表示的闭合的蓄能回路100。用于工作气体A的闭合的蓄能回路100包括第一压缩机110、第一膨胀机140、具有第一换热管路130a和第二换热管路130b的第一间壁式换热器130、高温蓄热式换热器120以及预热器151，该第一压缩机110通过共用轴114联接至第一膨胀机140。实现为阀的切换机构400被切换至通流，未在图2中示出的切换机构401被阻断，从而实现闭合蓄能回路100，其中工作气体A沿流动方向A1流动或者沿蓄能流动方向A1流动。优选氩气或氮气用作工作气体A。工作气体A有利地保持在大于大气压的压力下，从而增加压缩机110和汽轮机140的功率密度，并且改善热装置中的换热。该压力优选在1至20bar的范围内。从高温蓄热式换热器120开始，该工作气体A至少被连续供应至间壁式换热器130的第一换热管路130a、第一膨胀机140、预热器151、间壁式换热器130的第二换热管路130b、第一压缩机110，之后再到高温蓄热式换热器120，形成了闭合的导流回路。该第一压缩机110、第一膨胀机140、第一间壁式换热器130以及预热器151形成热泵。由预热器151和间壁式换热器130所预热的工作气体A作为进气被供应至第一压缩机110，并在其中被压缩，导致温度和压力升高。压缩后的工作气体A被供应至高温蓄热式换热器120，在其中被冷却，接下来在间壁式换热器130中进一步冷却，接下来在第一膨胀机140内膨胀，从而接下来在预热器151和间壁式换热器130中被再次预热。第一膨胀机140和压缩机110设置在同一轴114上，使得第一膨胀机140辅助第一压缩机110的驱动。轴114由未表示出的驱动设备例如电动机、汽轮机或者通常的动力发动机所驱动。

为了再次释放储存在高温蓄热式换热器120中的热能，需要释能回路200。这个释能回路200可根据需要所储存的热能的需求而具有不同的设计。图3详细示出了在图1中表示的闭合释能回路200，其被设计为燃气轮机过程。所采用的工作气体A与蓄能回路100中的工作气体相同，优选氩气或氮气。用于工作气体A的闭合释能回路200包括第二压缩机210、第二膨胀机250、具有第一换热管路230a和第二换热管路230b的第二间壁式换热器230、高温蓄热式换热器120以及第一冷却器270，其中该第二压缩机210通过轴214联接至第二膨胀机250。该设计为阀的切换机构401被切换至通流，未在图3中表示的切换机构400被阻断，从而实现闭合的释能回路200，其中工作气体A沿流动方向A2流动或者沿释能流动方向A2流动。释能回路200以此方式实现，即从高温蓄热式换热器120开始，至少第二膨胀机250、第二间壁式换热器230的第一换热管路230a、第一冷却器270、第二压缩机210、间壁式换热器230的第二换热管路230b以及接下来的高温蓄热式换热器120以流体传导的方式依次互相连接，形成了闭合回路，工作气体A沿流动方向A2流动或者沿释能流动方向A2流动。如图3表示，在第一冷却器270内冷却至环境温度U。如从图2和图3可见，在高温蓄热式换热器120中，释能流动方向A2的流动方向与蓄能流动方向A1相反。流出高温蓄热式换热器120的工作气体A通过第二膨胀机250膨胀并且因此冷却，接下来在工作气体A被在第二压缩机210内压缩之前在第二间壁式换热器230和第一冷却器270内进一步冷却，并且接下来在第二间壁式换热器230中预热，从而接下来流回至高温蓄热式换热器210。第二压缩机210和第二膨胀机250被设置在同一轴214上，使得第二膨胀机250驱动第二压缩机210。例如对于将要连接到轴214上的发电机或机器而言，通过未表示出的布置从轴214获取能量是可能的。

图4示出了特别有利的储能装置1。与图1-图3中表示的具有两个分离的间壁式换热器130的储能装置1不同，图4中表示的储能装置1具有单个共用的间壁式换热器130。工作气体A通过采用例如是阀的切换机构400、401以可切换的方式传导，于是形成蓄能回路100或释能回路200，该蓄能回路100或释能回路200除了只有单个共用的间壁式换热器130以外，分别类似于在图2和图3中表示的蓄能回路100或释能回路200。

在另一个特别有利的设计中，储能装置1除了蓄能回路100和释能回路200以外还包括用于循环预热流体V的预热系统150。预热系统150特别包括其中储存有加热后的预热流体V1的第一流体储存器152、其中储存有冷却后的预热流体V2的第二流体储存器222以及流体管线155、224，以及可能的传输机构153、223，以使预热的流体V在预热系统150中循环，特别是将其供给至预热器151和冷却器221。在所示的示例实施例中，预热流体V从第一流体储存器152开始，该加热后的预热流体V被供给至预热器151，并且接下来冷却后的预热流体V被供给至第二流体储存器222。第二流体储存器222的冷却后的预热流体V被供给至冷却器221，并且接下来加热后的预热流体V被供给至第一流体储存器152。因为水具有高的储热密度，所以优选用水作为预热流体V。第二流体储存器222可被设计为流体容器，使得预热系统150实现闭合回路。该第二流体储存器222也可为开放式设计，在这种情况下，替代容器，例如是湖的水体也将适用于容置冷却的预热流体V或者提供冷却流体V。

在特别有利的设计中，储能装置1被用于储存电能并且以错时的方式输出电能。图4示出了这种用于电能的储存设备，其包括储能装置1，并且包括电机170和发电机290。在特别有利的设计中，将电机170和发电机290相结合以形成单个机器，形成所谓的电机/发电机。因此，图4所示的储能装置1可以特别有利的方式制造，因为只需要单个电机/发电机170/290、单个高温蓄热式换热器120以及单个间壁式换热器130。

下文对图4所示的特别有利的储能装置1的一些其它的功能上的细节进行解释。在蓄能回路100中，第一压缩机110、第一膨胀机140、第一间壁式换热器130以及预热器151形成了热泵。预热的工作气体A被供给至第一压缩机110，并且在其中达到蓄能回路100中的最大压力或者最高温度。接下来工作气体A被引导通过高温蓄热式换热器120，因此被冷却，并且接下来在间壁式换热器在130中被再次冷却。接下来工作气体A在第一膨胀机140中膨胀，达到蓄能回路100的最低压力，因此在第一膨胀机140中被释放的能量被部分用于驱动第一压缩机110。工作气体A接下来流经预热器151并且因此被预热。预热器151与预热系统150相连，并且从第一流体存储器152获取用于温的预热流体(如所示实施例中的温水)的热能。

释能回路200包括第二压缩机210，其被设计为具有冷却器221的中间冷却燃气轮机压缩机，并且还包括间壁式换热器130、高温蓄热式换热器120、第二膨胀机250以及冷却至环境温度U的第一冷却器270。冷却器221通过管线224连接至预热系统150，从储存器222中获取冷却流体，通过传输机构223供给至冷却器221，加热后的流体被供给至储存器152。

图5中示意性地示出了中间冷却压缩机210的示例实施例，包括低压副压缩机210b、中间冷却器221以及高压副压缩机210a。在第一冷却器270中已经几乎冷却到环境温度的工作气体A进入第二压缩机210并且被进一步压缩。该中间冷却器221减小了所需的压缩能量，并且实现了近似的等温压缩。中间冷却器221所提取的热量被储存在是热水储存器的第一流体储存器152中。接下来工作气体A被供给至间壁式换热器130并且因此被加热。最高循环温度在高温蓄热式换热器120的紧急情况下出现。通过共用轴214，该第二膨胀机250驱动第二压缩机210和发电机290。在图5所示的具有中间冷却器221的第二压缩机210具有的优势是释能回路200具有高功率密度。因为压缩由此进一步接近于理想的等温压缩，所以燃气轮机的效率还可进一步通过附加的中间冷却器221而提高。

图6示出了另一种布置，其中第二冷却器221连接于第二压缩机210的下游。图7示出了另一种布置，其中第二冷却器221连接于第二压缩机210的上游。与图5所示的实施例相比，图6和图7所示的两个实施例本身也是有利的，其具有更小的功率密度和储存效率。

图8示出了双轴燃气轮机布置。该第二膨胀机250包括高压膨胀机250b和低压膨胀机250a，该高压膨胀机250a通过第二轴214b连接至第二压缩机210并且驱动作为自由运行单元的后者，低压膨胀机250a通过第一轴214a连接至发电机290。这种布置具有的优势在于双轴系统在部分负载下比单轴系统具有更好的操作性能，并且例如压缩机/膨胀机、膨胀机和压缩机组合的标准部件可用于实现经济优势。

图9示出了储能装置1的另外的示例实施例，其也包括蓄能回路100、释能回路200和预热回路150。根据图9的储能装置1与根据图4的储能装置1具有相似的设计，但是至少关于以下方面有所不同：

-该预热回路150被设计为包括封闭容器22的闭合回路，水优选用作闭合回路中的流体。另外，与环境U换热的换热器154位于预热回路150内。或者，该换热器154也可被放置在冷水储存器222和传输机构223之间。或者，换热器154也可被放置在冷水储存器222内，从而直接在冷水储存器222和环境U或者其它介质之间换热。例如，该冷水储存器222可在换热器154的作用下在晚上被冷却。

-在有利的设计中，该蓄能回路100包括辅助加热系统190，其位于第一压缩机110和高温蓄热式换热器120之间。该辅助加热系统190用于再次加热离开第一压缩机110的热的工作气体A，例如从750℃加热到1500℃，从而因此增加储存在高温蓄热式换热器120中的能量。该辅助的加热系统190可包括例如电加热系统190a，以加热流经的工作气体A。根据在辅助加热系统190作用下工作气体A温度的升高，储存在高温蓄热式换热器120中的热能可以增大相当大的倍数例如增大2倍。

-释能回路200包括附加冷却器260，通过该附加冷却器260可从释能回路200中提取用于热过程260a的热量。热过程260a例如可以是用于加热住宅的局部加热网络。

而且，在图9中还表示了在所示的储能装置1的情况下所必需的切换机构400、401或阀，以在蓄能运行和释能运行之间进行切换，或者在蓄能回路100和释能回路200之间进行切换。

在图9中表示的储能装置1尤其具有的优点是，如果需要的话，热能也可被直接提取，而且热能也可被提取至不同的位置以及不同的温度水平。如图9所表示，该第二流体储存器222也可被设计为例如封闭容器，与环境换热的附加换热器154被设置在预热回路150中。

图10示出了储能装置1的另一个示例实施例，其也包括具有管线101的蓄能回路100、具有管线201的释能回路200以及预热回路150。该预热回路没有详细地表示，而是与图9中示出的设计相同。在图10中，冷却器221和预热器151因此由预热回路150供给。将该冷却器270冷却至环境温度U。图10示出了在释能运行过程中的储能装置1，释能回路200的管线201由实线表示，所有的阀401被打开且所有的阀400被关闭。蓄能回路100的管线101由虚线表示。如果所有的阀401被关闭且所有的阀400被打开，那么该储能装置1处于蓄能状态。示出的储能装置1被设计为双轴系统，并且包括单个涡轮增压器，也称之为压缩机/膨胀机，其包括第二压缩机210、第二膨胀机250b的高压部分以及第二轴214b。根据阀400、401的位置，该涡轮增压器或按照前文描述使用或者以其形成第一膨胀机140和第一压缩机110b的方式使用，该第一膨胀机140和第一压缩机110b通过第二轴114b互相连接。与前文表述的示例实施例相比，这个回路布置使省去涡轮增压器成为可能。该膨胀机250a的低压部分通过第一轴214a与发电机290直接相连。第一压缩机110a的低压部分直接通过第一轴114a或者通过变速器与电机170相连。如图11c或11d所示，压缩机110a也可通过变速器172与电机170相连。图10中示出的储能装置1的优势在于因此其需要自由运行设计的单个涡轮增压器或压缩机/膨胀机。因为释能过程200的第二膨胀机250b的高压部分必须大于蓄能过程100的第一膨胀机140的高压部分，所以必须配置有影响工作气体A的体积流率的闭环控制装置，从而处理膨胀机140的更小的入口体积流率。这个储能装置1可因此特别便宜地生产。相反，在图1、图4和图9中所表示的储能装置1各自需要两个涡轮增压器，使得它们实现为双轴布置。

图11a到11h示出了蓄能回路100的不同设计的热泵部件。图11示出了设置在共用轴114上的电机170、第一压缩机110和第一膨胀机140的布置。该第一压缩机110被设计为轴流压缩机或者串联的径流压缩机，或者被设计为轴流压缩机和径流压缩机的组合。有利地，特别为了使电机170在50Hz的电网频率下运行，该布置以每分钟3000转的转速运行。特别是如果电机170以60Hz的电网频率运行，那么该布置也可以例如每分钟3600转的转速运行。这个布置特别适用于特别是大于15MW的大型系统。图11b示出了设置在共用轴114上的变速器172、第一压缩机110以及第一膨胀机140的布置。另外，电机170与变速器172相连。该第一压缩机110被设计为轴流压缩机或者串联的径流压缩机，或者被设计为轴流压缩机和径流压缩机的组合。有利地，该布置以每分钟3000转的转速运行。这个布置特别适用于特别是小于20MW的小型系统。图11c示出了电机170、第一压缩机110以及第一膨胀机140的布置，第一压缩机110是分体式设计，低压部分110a通过第一轴114a连接于电机170，高压部分110b通过第二轴114b以自由运行的方式连接于膨胀机140，并被特别设计为压缩机/膨胀机。低压压缩机110a被设计为轴流或径流低压压缩机110a。有利地，该低压压缩机110a以每分钟3000转的转速运行，该压缩机/膨胀机以自由运行方式旋转，优选转速大于每分钟3000转。这个布置特别适用于特别是大于15MW的大型系统。图11d示出了变速器172、第一压缩机110以及第一膨胀机140的布置，第一压缩机110是分体式设计，一个部分通过第一轴114a连接于变速器172，另一个部分通过第二轴114b连接于膨胀机140，其是自由运行设计并特别形成压缩机/膨胀机。另外，电机170与变速器172相连。有利地，该低压压缩机110a以大于每分钟3000转的转速运行，压缩机/膨胀机以自由运行方式旋转，同样优选以大于每分钟3000转的转速运行。这个布置特别适用于特别是小于20MW的小型系统。图11e示出了变速器172、第一压缩机110和第一膨胀机140的布置，该第一压缩机110和第一膨胀机140与变速器172相连，从而通过变速器172调整它们的转速。另外，该电机170与变速器172相连。该第一压缩机110被设计为径流压缩机。该变速器172提供互相调整的第一压缩机110的转速和第一膨胀机140的转速。由于该布置的固有灵活性，其适于高达40MW的宽功率范围。图11f示出了变速器172、第一压缩机110和第一膨胀机140的布置，该第一压缩机110包括低压压缩机110a和高压压缩机110b，该低压压缩机110a、该高压压缩机110b以及第一膨胀机140与变速器172相连，从而通过变速器172调整它们的转速。该低压压缩机110a和高压压缩机110b被设计为径流压缩机。由于该布置的固有灵活性，其适用于高达40MW的宽功率范围。

图11g示出了电机170、第一压缩机110和第一膨胀机140的布置，该第一压缩机110为分体式设计，高压压缩机110b通过第一轴114a连接于电机170，低压压缩机110b通过第二轴114b以自由运行的方式被连接于膨胀机140并特别设计为涡轮增压器。该高压压缩机110b被设计为活塞压缩机，该活塞压缩机优选在没有中间变速器的情况下被电机驱动。该低压压缩机110a被设计为轴流或径流低压压缩机110a。该膨胀机140被设计为轴流或径流膨胀机并且和低压压缩机110a一起形成了涡轮增压器。有利地，该高压压缩机110b以每分钟3000转或每分钟1500转的转速运行，该涡轮增压器以自由运行的方式优选以大于每分钟3000转的转速旋转。这种布置特别适用于特别是小于2MW的小型系统。图11h示出了与图11g中表示的实施例不同的另一种设计的热泵，其还包括变速器172，使得被设计为活塞压缩机的高压压缩机110b经由变速器172被电机170驱动。有利地，该电机170以50Hz的电网频率运行，特别以每分钟3000转或1500转的转速运行，然而该活塞压缩机以通过变速器172的传动比而增加的转速运行，例如大于每分钟3000转。

图11i详细地示出了释能回路200的部件。图11i示出了具有驱动变速器172的第二膨胀机250的布置，该变速器172驱动包括四个副压缩机210a、210b、210c、210d的第二压缩机210以及发电机290。图11a到图1h中所表示的布置也可被用于释能回路200，其中电机170被发电机290所替代，第一压缩机110被第二压缩机210所替代，且第一膨胀机140被第二膨胀机250所替代。

在图1至图11i所表示的示例实施例的情况下，蓄能回路100和释能回路200有利地以加压的方式操作。该第一压缩机110和第二压缩机210被优选设计为径流或轴流压缩机。如图11e或图11f所示，特别有利的是采用了变速器和压缩机，其中变速器172可与膨胀机140连接。但是，如图11g和图11h所示，该第一压缩机110和/或第二压缩机210也可被设计为活塞压缩机，如螺杆式压缩机。该第一压缩机110和第二压缩机210优选不具有闭环控制装置。但是，该第一压缩机110和第二压缩机210也可被配置有通流闭环控制装置。优选地，在径流式和轴流式的第一压缩机110或第二压缩机210的情况下，该通流闭环控制装置由一个或多个入口导流叶片构成。在一个可能的实施例中，在径流式和轴流式的第一压缩机110或第二压缩机210的情况下，该通流闭环控制装置可由一个或多个可调节的扩散器构成。

可选地，在径流式或轴流式的第一压缩机110或第二压缩机210的情况下，该通流闭环控制装置可由入口导流叶片和扩散器闭环控制的组合构成。

优选地，该第一压缩机110没有被冷却。可选地，该第一压缩机110也可被配置有冷却装置。

该高温蓄热式换热器120有利地是抗压、耐热、隔热的容器。该高温蓄热式换热器120被有利地配置有多孔的、耐热的储热材料121，工作气体A流入高温蓄热式换热器120的可用空间内。有利地，该高温蓄热式换热器120竖向地放置，并且在蓄能过程中优先从上到下接收通流，在释能过程中从下到上接收通流。

第一膨胀机140和第二膨胀机250优选为径流式或者轴流式膨胀机。可选地，该第一膨胀机140和第二膨胀机250可为活塞式膨胀机。径流式或轴流式的第一膨胀机140和第二膨胀机250优选不具有闭环控制。选用地，该径流式和轴流式的第一膨胀机140和第二膨胀机250可被配置有体积流率闭环控制。

预热回路150中的流体优选为水。可选地，也可采用其它液体，比如，例如水和(单)乙二醇的混合物。该预热回路150优选以未加压的方式操作。可选地，该预热回路150可以加压方式操作。为此，该预热回路150实现为抗压的。

优选地，蓄能回路100的驱动器170被设计为电机。可选地，该电机被配置有变频器。可选地，该蓄能回路100的驱动器170是汽轮机。可选地，该蓄能回路100的驱动器170是燃气轮机。可选地，该蓄能回路的驱动器170是内燃机。优选地，该蓄能回路100的旋转部件以恒定的转速运行。可选地，该蓄能回路100的旋转部件以可变的转速运行。

优选地，释能回路200的负载290被设计为发电机。可选地，该发电机被配置有变频器。可选地，释能回路200的负载290是压缩机。可选地，释能回路200的负载290是泵。可选地，释能回路200的负载290是推进器。优选地，释能回路200的旋转部件以恒定的转速运行。可选地，释能回路200的旋转部件以可变的转速运行。

在另一个可能的示例实施例中，空气也可能被用作工作气体，在这种情况下，接下来必须保证高温蓄热式换热器120中的储存材料是由不可燃烧的材料组成。

变速器172可包括多个旋转轴。例如，图11f中由电机170所驱动的变速器172也可包括大于四个的轴，例如五个、六个、七个或八个轴。此变速器172具有的优势在于，例如，可并行操作相同的压缩机。因此，在图11f中，例如，两个压缩机110a和110b可为相同的设计，并且具有共用的流体供应和流体排放，使得两个压缩机110a、110b可以相同的转速并联运行。但是，该变速器172也可能使例如两个压缩机110a、110b串联运行。

Claims (15)

1.一种用于储存能量的储能装置(1)，包括：

-高温蓄热式换热器(120)，包含固态的特别是多孔的储存材料以及作为传热介质的工作气体(A)，以在储存材料和流经的工作气体(A)之间换热，

-用于工作气体(A)的闭合的蓄能回路(100)，包括第一压缩机(110)、第一膨胀机(140)、具有第一换热管路(130a)和第二换热管路(130b)的第一间壁式换热器(130)、高温蓄热式换热器(120)及预热器(151)，其中所述第一压缩机(110)通过轴(114)联接至所述第一膨胀机(140)，并且所述蓄能回路(100)以这样的方式设计，从所述高温蓄热式换热器(120)开始，至少所述间壁式换热器(130)的第一换热管路(130a)、所述第一膨胀机(140)、所述预热器(151)、所述间壁式换热器(130)的第二换热管路(130b)、所述第一压缩机(110)且然后是高温蓄热式换热器(120)以流体传输方式互相连接，形成闭合回路，和

-闭合的释能回路(200)，

其特征是，切换机构(400，401)以可控方式将所述高温蓄热式换热器(120)流体传输地连接于所述蓄能回路(100)或者连接于所述释能回路(200)，使得该高温蓄热式换热器(120)形成所述蓄能回路(100)的一部分或者形成所述释能回路(200)的一部分，所述蓄能回路(100)、所述释能回路(200)以及所述高温蓄热式换热器(120)具有相同的工作气体(A)，使得所述工作气体(A)在所述蓄能回路(100)和所述释能回路(200)中直接与该储存材料接触。

2.根据权利要求1所述的储能装置，其特征是，所述释能回路(200)包括第二压缩机(210)、第二膨胀机(250)、具有第一换热管路(230a)和第二换热管路(230b)的第二间壁式换热器(230)、高温蓄热式换热器(120)以及第一冷却器(270)，其中所述第二压缩机(210)通过轴(214)联接至第二膨胀机(250)，并且所述释能回路(200)以这样的方式设计，从高温蓄热式换热器(120)开始，至少所述第二膨胀机(250)、所述第二间壁式换热器(230)的第一换热管路(230a)、所述第一冷却器(270)、所述第二压缩机(210)、所述间壁式换热器(230)的所述第二换热管路(230b)且然后是高温蓄热式换热器(120)以流体传输方式互相连接，形成闭合回路。

3.根据权利要求2所述的储能装置，其特征是，所述释能回路(200)包括第二冷却器(221)，第二冷却器在所述释能回路(200)中连接在所述第二压缩机(210)的上游、中间或下游。

4.根据权利要求3所述的储能装置，其特征是，预热回路(150)包括冷水储存器(222)、热水储存器(152)、所述第二冷却器(221)以及所述预热器(151)，其中所述预热回路(150)以这样的方式设计，从该冷水储存器(222)开始，至少所述第二冷却器(221)、所述热水储存器(152)、所述预热器(151)且然后是所述冷水储存器(222)以流体传输方式互相连接，形成回路。

5.根据前述权利要求中任一项所述的储能装置，其特征是，所述压缩机(110)至少包括两个副压缩机即低压副压缩机(110a)和高压副压缩机(110b)，所述压缩机(110)至少包括两个分开的轴(W1，W2)，所述膨胀机(140)和所述高压副压缩机(110b)被设置在共用轴上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的储能装置，其特征是，所述第一间壁式换热器(130)和第二间壁式换热器(230)被设计为共用的间壁式换热器(130)，并且所述切换机构(400，401)以这样的方式布置，所述共用的间壁式换热器(130)以可控的方式成为所述蓄能回路(100)的一部分或者所述释能回路(200)的一部分。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的储能装置，其特征是，所述第一膨胀机(140)和所述第一压缩机(110)通过共用轴(114)连接至电机(170)，所述第二膨胀机(250)和所述第二压缩机(210)通过共用轴(214)连接至发电机(290)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的储能装置，其特征是，所述高温蓄热式换热器(120)的储存材料是多孔材料、沙子、砾石、石头、混凝土、石墨或者比如为碳化硅的陶瓷。

9.根据前述权利要求中任一项所述的储能装置，其特征是，所述工作气体(A)是氩气或氮气。

10.根据前述权利要求中任一项所述的储能装置，其特征是，设有辅助加热系统(190)，其在所述蓄能回路(100)中被连接至高温蓄热式换热器(120)前方，使得所述工作气体(A)能在进入所述高温蓄热式换热器(120)之前被加热。

11.一种在储能装置(1)中储存能量的方法，所述储能装置包括含有固态储存材料的高温蓄热式换热器(120)，其中工作气体(A)作为换热介质在闭合蓄能回路(100)中循环，其中所述工作气体(A)与所述储存材料换热，并且工作气体(A)在所述高温蓄热式换热器(120)之后在所述第一间壁式换热器(130)中被冷却，接下来在第一膨胀机(140)中被膨胀，接下来在第一预热器(151)中被预热，接下来在第一间壁式换热器(130)中被加热，接下来在压缩机(110)中被压缩和加热，被如此加热的工作气体(A)被供给至高温蓄热式换热器(120)，其中热能通过闭合释能回路(200)从所述高温蓄热式换热器(120)中被取走，其特征是，所述高温蓄热式换热器(120)形成蓄能回路(100)的一部分或者形成释能回路(200)的一部分，其中所述高温蓄热式换热器(120)以流体传输形式切换至蓄能回路(100)或者切换至释能回路(200)，其中相同的工作气体(A)流经所述蓄能回路(100)、所述释能回路(200)以及所述高温蓄热式换热器(120)，使得所述工作气体(A)绕蓄能回路(100)中的储存材料和释能回路(200)中的储存材料流动。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征是，在释能回路(200)中，所述工作气体(A)在从所述高温蓄热式换热器(120)排出后在第二膨胀机(250)中被膨胀，接下来在第二间壁式换热器(230)中被冷却，接下来在第一冷却器(270)中被冷却，接下来在第二压缩机(210)中被压缩并因此被加热，接下来在所述间壁式换热器(130)中被再次加热，随后又被供给所述高温蓄热式换热器(120)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征是，所述第一压缩机(110)由电机(170)驱动，发电机(290)由所述第二膨胀机(250)驱动以供给和提取电能。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其特征是，预热回路(150)包括至少一个水储存器(222，152)，并且至少预热器(151)经由该预热回路(150)用水被加热。

15.将根据权利要求1至10中任一项所述的储能装置的用于储存电能并以错时方式输出电能的用途。