CN110945307A - 用于热能的存储装置 - Google Patents

Abstract

本文描述的是一种用于热能的存储装置(1；100；200)，包括：热载体单元(2；102；202)，以及蓄热器单元(4；104；204)。所述热载体单元(2；102；202)包括用于工作流体的一个以上的流动管道(6；106，106！，106*；206)。所述蓄热器单元(4；104；204)包括热存储材料，所述热存储材料构造为在与所述工作流体的热交换关系中操作，并且用于由于与所述工作流体的热交换而存储和释放热能，所述蓄热器单元具有包括在10与150mm²/s之间的热扩散率。

Description

用于热能的存储装置

技术领域

本发明关于用于热能的存储装置，尤其是用于热能的静态存储装置。

背景技术

现有技术提供了用于热能的存储装置的许多示例，其使用诸如水、导热油或者熔盐的流体作为存储材料，并且通常包括移动机械部件，所述移动机械部件用于转移并且通常管理能够用作能量热载体流体的存储流体。

这种装置的一个主要问题在于需要相对密集的维护来保持装置效率、出现水垢的可能性、可能需要采用辅助加热器来以降低流体的黏度为目标开始操作。此外，由于不能消除的固有限制，所以基于储热流体的储热装置容易受到不良性能的影响。用于热能的存储装置通常包括用于工作流体的流动管道，所述工作流体与蓄热器单元处于热交换关系。

如果蓄热器单元使用流体存储材料，则当存储材料释放所存储的热能时，其在由于返混而增加熵的同时经受热能质量退化的现象，这会导致平均存储温度下降。因此，结果是所存储的热能的剩余部分的退化，并且通常是传递至工作流体的热的质量的退化，所述工作流体通常是设备所需的流体。

另一方面，用于热能的(静态)存储装置(其中存储材料为固体类型)包括例如，基于用于热力学设备的混凝土的存储系统。

存储材料包括通过浇铸提供的混凝土砌块，在其中嵌入有维修/加工管，所述维修/加工管穿过整个砌块并且与一个或多个安装在末端的歧管有关。

尽管不需要频繁的维护和拆卸，但这种类型的系统受到存储材料的热力学性能不良的限制，尤其是受到低热导率的限制，这导致热能传递速度低(蓄放热时间长)，以及由于单个、大质量混凝土的各个区域之间的热连续性，导致储能质量退化(尽管较慢)。

此外，应当观察到，混凝土的极低的热导率转化为管理高热功率(即，在时间单位内传递大量能量)的不可能性，而不必使用广阔的交换表面和大的存储体积。

这意味着，例如，假设由于材料的低热导率，热降几乎全部位于存储材料的大部分中，而且朝向释放流体的热传递的实际驱动力极低(在围绕热载体单元的存储材料的有点广阔的区域中，快速地达到伪稳态的“饱和”状态)，所以不能通过使混凝土砌块经受高温和/或高装载流体流量而没有不可逆地损害存储系统或者延长释放时间来强制装载时间。

于是，存在与限制最大可控温度有关的问题：假设混凝土已经以大约500℃的温度经受退化，但只要不与氧化剂接触，诸如石墨的耐火材料能够一直使用到它们的熔化温度(3000℃以上)。

最后，假设释放步骤期间的不良性能使得在维持可接受的能量效率水平的同时串联或者并联连接基本上不可行，则已知类型的用于热能的存储系统中的移动机械零件的存在和存储流体的使用二者严重影响了系统的灵活性，就像变得具有挑战性的是：在给定的时间间隔内以与设备一致的温度确保给定的流体流量、而没有(在别处)引起比将会导致利用流体流量的能量回收高的能量损耗。

发明目的

本发明的目的是克服上述技术缺陷。特别地，本发明的目的是提供一种用于热能的存储装置，其提供装载步骤期间以及释放步骤期间的低维护、高能量效率，可控的装载和释放时间，高交换功率/系统质量比，在恒定温度(或等效地，恒定的热功率)下分配给用户的恒定流量，并且以非常灵活的方式适用于串联或并联连接，而且通常在将返混和熵增加现象最小化的同时构成模块化储热阵列。

发明内容

本发明的目的通过一种热存储装置来实现，该热存储装置具有形成以下一个或多个权利要求的主题的特征，这些特征形成了本文提供的关于本发明的技术公开的主要部分。

特别地，本发明的目的通过一种用于热能的存储装置来实现，该用于热能的存储装置包括：

-热载体单元，以及

-蓄热器单元

其中：

-所述热载体单元包括用于工作流体的一个或多个流动管道，

-所述蓄热器单元包括热存储材料，所述热存储材料构造为在与所述工作流体的热交换关系下操作，并且用于由于与所述工作流体的热交换而导致的热能的存储和释放。

附图说明

现在，将参照仅通过非限制性示例的方式提供的附图来描述本发明，其中：

-图1为根据本发明的第一实施例的用于热能的存储装置的局部分解立体图，

-图2和图3分别包括部分A和部分B，其分别示出了根据本发明的用于热能的存储装置的热载体单元的组装立体图和分解立体图，其中图2和图3示出了热载体单元的两个变型，

-图4和图5为使用分别根据图2和图3的热载体单元的用于热能的存储装置的组装状态的两个立体图，

-图6包括部分A和部分B，其分别代表根据本发明的第一实施例的用于热能的存储装置的阵列的俯视平面图和仰视平面图，

-图7为示出图6A和图6B的构造中的工作流体的流路的示意图，

-图8和图9分别包括部分A和部分B，并且它们示出了本发明的第二实施例的两个变型，其中部分A示出了组装立体图，而部分B示出了相同的视图，但为了更好地理解装置的内部结构突出显示了隐藏线，

-图10包括部分A和部分B，其表示图8和图9的装置的阵列连接的可行技术方案的俯视平面图和仰视平面图，

-图11表示图8和图9的装置的可行阵列连接的又一技术方案，

-图12包括部分12.1、部分12.2以及部分12.3，其分别示出了根据本发明的存储装置的充电、保持以及放电操作，

-图13包括部分13.1和部分13.2，其示出了根据本发明的存储装置的阵列与已知类型的流体存储装置的释放性能之间的比较，

-图14示出了根据本发明的用于热能的存储装置的另一实施例的立体图，

-图15A为图14的装置的纵向截面，而图15B是同一装置的横截面，

-图16为根据图14的装置的阵列的侧视图，

-图17为根据本发明又一实施例的用于热能的存储装置的阵列的立体图，

-图17A、图17B分别为根据图17的线XVII/A-XVII/A和XVII/B-XVII/B的剖视图，

-图17C示出了在系统的瞬时充电期间图17的阵列的热剖面，

-图18和图19分别示出了根据图17的模块化单元和装置的阵列，其中，图19的模块化单元能够用于提供图18的阵列，以及

-图20是根据本发明的用于存储装置的阵列的电模拟模型的支持电路。

具体实施方式

通过对以下详细描述的介绍，需要考虑以下在行业中通常通过品质因数(FOM)(即，用于表征热存储系统的存储容量的性能指标)的表达表示的参数列表。

i)特定可存储能量(E_wt)，作为通过存储材料的质量单位在充电期间能够从热载体流体吸收、或者等同地在放电期间能够转移到热载体流体并且因此用户可用的最大能量(考虑相同的操作温度范围)，包括热存储材料将经受状态(熔化/凝固或者沸腾/液化)的变化时吸收/转移的能量，或者

ii)体积可存储能量(E_vol)，作为通过存储材料的体积单位在充电期间能够从热载体流体吸收、或者等同地在放电期间能够转移到热载体流体并且因此用户可用的最大能量(考虑相同的操作温度范围)，包括热存储材料将经受状态(熔化/凝固或者沸腾/冷凝)的变化时吸收/转移的能量。

相对于具有低E_wt值或者低E_vol值的材料，具有高E_wt值并且类似地具有高E_vol的材料能够分别以质量单位或者以体积单位存储更高的能量。

iii)最高操作温度(T_max)，作为存储材料的最大允许温度，以避免其热劣化，即，保持材料的化学/物理特性和整体性。

关于存储材料的选择，具有高T_max值的材料是优选的，使得假定其能以较高温度获得，则在能获得与所述高T_max值相匹配的能量源、热载体流体热载体流体以及液压管路系统的情况下，相比于具有低T_max值的材料，能够存储更优质的能量。

iv)热扩散率(α)，作为存储材料(如果为固体，或者容易受到专门通过传导运动的交换热的影响)的热导率(κ)或者等效的热导率(如本文所限定的，如果为液体，或者容易受到甚至通过对流运动的交换热的影响)与其比热(c_p)和密度(ρ)的乘积之间的比率：该物理量为存储材料的固有特性(其温度的函数)，在于其专门取决于其特性，并且对于描述非平稳状态下的热场的传播是有用的。

如果经受温度梯度，则具有高热扩散率α的材料允许热流更容易地从其通过，并且因此与具有低热扩散率α的材料相比，保证了热波的更好的传输。

此外，相比于其他之前存在的技术方案，用于比较本发明的系统主题的性能，定义了以下指数：

iv)单个存储模块的特征时间常数(τ)，表示达到63.2％的存储容量所需的时间。通过与电路RC的时间常数类比，在这种情况下，时间常数仅取决于所用材料的固有特性和系统的几何结构。特别地，在固体存储材料的情况下，时间常数能够表达为：

τ＝(λ/κ_acc)/(n_tubi·S_tubo)·ρ_acc·V_acc·c_p,acc

其中λ是热载体单元与蓄热器单元之间的热交换的等效平均距离的特性测量值(可通过实验估算的热波的渗透距离)；κ_acc、ρ_acc、c_p,acc分别为存储材料的热容量、密度和比热(操作温度范围内的平均值)；n_tubi为热载体单元的管子的数量；S_tubo为热载体单元与蓄热器单元之间的交换表面；V_acc为蓄热器单元的体积。

在液体存储材料的情况下，替代地，时间常数能够表达为：

τ＝(λ/κ_acc,eq)/(n_tubi·S_tubo)·ρ_acc·V_acc·c_p,acc,eq

其中符号保持与上述固体材料的情况相同的物理含义，除了作为存储液体的等效热导率的κ_acc,eq，以及作为存储液体的等效比热的c_p,acc,eq。

存储液体的等效热导率是增加了等于Nu的努塞尔特数的因数的热导率，

κ_acc,eq＝κ_acc·Nu

考虑自然对流运动的存在，后者通常定义为：

Nu＝h·L/κ

其中h是由自然对流进行的热交换的系数，L是系统的特征距离，而κ是热导率。给定系统的努塞尔特数能够从文献中的广为人知且可获得的经验关系式提供，适用于多种和若干几何形状的系统以及关于受质量和热流影响的管道的设置，并且作为流态(自然的或强制的)的函数，关于其应参考其他来源。

例如，假设热存储流体在运行周期(熔化/凝固或者沸腾/冷凝)期间仅经历一种相变，则存储液体的等效比热能够被定义为：

c_p,acc,eq＝c_p,acc+Γ/(T_cf–T_rif)

其中Γ是相变潜热(充电步骤中的熔化/沸腾，放电步骤中的凝固/冷凝)。T_cf为发生相变的温度；T_rif为参考温度(在充电步骤期间可与操作周期的最低温度相比，或者，在放电步骤期间可与操作周期的最高温度相比)；c_p,acc为存储材料的比热(相变温度与参考温度之间的平均值)。

应当注意到，关于本发明的适用性，先验(priori)排除了用作热存储流体的流体的任何机械位移，能够对通过传热的热转移机构进行参考，或者至多对自然的对流机构进行参考，虽然由于说明书中的上述原因后者久而久之能够引起所存储的能量的质量的退化。

与参考简单RC电路而在电气技术领域中已知的类似，时间常数对于建立系统的充电和放电瞬变的持续时间是有用的：等于5τ的一段时间后，能够认为充电/放电瞬变完成。

v)每个储能单元的平均充电时间(τ_spec)，代表相对于所存储的能量达到99.3％的正常化充电所需的时间：

τ_spec＝5τ/(E_wt·m_acc)＝5τ/(E_vol·V_acc)

具有高τ_spec值的系统在充电/放电步骤期间需要大量时间来存储/转移热能单元，并且因此，考虑到操作周期的相同操作条件，相对于具有低τ_spec值的系统提供较低的性能。

vi)每个转移的热功率单位所需的交换表面(σ_τ)，给出了每时间单位转移的热能达到充电的63.2％所需的热载体流体热载体流体与存储材料之间的交换面积的指示：该指数在概念上能够同热载体流体热载体流体与存储材料之间的交换的热流的倒数相比较，在等于系统的特征常数τ的时间段之后(63.2％充电)估算：

σ_τ＝S_scambio·τ/E_τ

其中E_τ是在时间τ之后存储的能量，等于最大可存储能量的63.2％。

从二者之间的交换表面变为因数时起，该参数对于比较除了其特征在于材料之外、还在于蓄热器单元以及热载体单元的不同几何形状等的存储系统是有用的。

相比于具有低σ_τ值的系统，考虑到相同的已实现的充电，具有高σ_τ值的系统需要较大的交换表面，以在充电/放电步骤中转移热功率单元，考虑到相同的总储能量，或者由于需要大量的管子而因此更加笨重和复杂。

图1中的附图标记1总体指示根据本发明的第一优选实施例的用于热能的存储装置。存储装置1包括至少一个热载体单元2和蓄热器单元4。如将在下文中从本申请的整个说明书更加清楚的是，“热载体单元”与“蓄热器单元”之间的区别主要在于功能目的。在一些实施例中，区别与装置1相同。在该实施例中，存储装置1包括两个热载体单元2以及包括在所述两个热载体单元2之间的蓄热器单元4。

热载体单元2包括用于工作流体的流过的流动管道6，在该实施例中，所述流动管道被设置为具有平行环的盘绕管道，并延伸到导热基质8中。基质8由高热导率材料制成，例如铜、铝以及通常具有超过100至200W·m^-1·K^-1的热导率的任何材料，并且基质8包括第一圆形板10和第二圆形板12，第一圆形板10和第二圆形板12分别设置有平行的弦板14(即，沿着板的几何圆周的平行的弦延伸)并且设置有通孔16。

沟槽14的形状和布置复制了限定流动管道6的盘绕管道的延伸，使得当板10和12以包裹状的模式在盘绕管道6的相反侧闭合时，沟槽14在联接时限定圆形通道，管道6的环路的一部分容纳在所述圆形通道中。

孔16被相同地布置在两个板10、12上，以便在联接期间对准，并且以便因此引导螺栓或者螺钉(在后一种情况下，在孔16的两个板中的一个上，在不影响与另一块板上的孔对齐的事实的情况下可以是非贯穿型)，以使组件保持封闭的包裹状的模式。

蓄热器单元4包括壳体，所述壳体提供一个或多个同心护套18。在该实施例中，提供有三个同心的护套18，其中一个在外部并且包含另外两个。

三个护套18确定相等数量的内部容积20，在所述内部容积20内布置有热存储材料，根据本发明，所述热存储材料为固体材料或液体材料，或者为两者的两相组合(固体在液体中的悬浮液)，其具有高热导率κ，优选大于30W·m^-1·K^-1，具有高比热，优选大于400J/(kg·K)，并且具有高热扩散率α，优选大于10mm²/s。

根据本发明的优选解决方案(通常适用于本说明书中说明的所有实施例)是按照原样使用固体粉末状材料，并且更一般地使用具有包括在0.1μm至150μm之间的晶粒尺寸的粉末状材料，以便其能够被充分压实，或者使用颗粒状的固体材料，并且更一般地使用具有包括在1mm与20mm之间的晶粒尺寸的颗粒状的固体材料，其浸入流体型的第二材料中，以形成两相热存储材料，从而使其性能参数适用于为了本发明的适用性的目的而确定的最佳操作值。本文提供的关于基质8和热存储材料的热导率值、热容量以及热扩散率对于本文描述的全部实施例均有效，同样的情况适用于热存储材料的晶粒尺寸值。

显然，能够使用一种凝聚性的固体材料，即紧凑的、且非颗粒的或者分馏的结构。

能够用于蓄热的目的的材料例如包括整体形式、或者细小的或微粉化的粉末形式的石墨，铝或者其合金，铸铁，或者甚至是复合材料或各种材料的最终混合物，甚至包含诸如沙子或用作填充剂的玄武岩的已知导电性差的材料，其性能一般落入发明人提到的对实现本发明的技术效果有用的区间内。讨论中的区间限定在附于本说明书的表格1中。

发明人观察到，为了实现本发明所基于的性能目标，必须选择存储材料以便既具有高体积热容量(比热cp与密度ρ之间的乘积)以便存储尽可能多的热而没有突然增加其温度-假定这将由于饱和而停止充电过程-又具有高热导率。

参考在本发明的详细描述开始时列出的性能指标(FOM)，发明人因此观察到，结合所讨论的参数的热扩散率α是实现本发明所基于的性能目标的独特参数。

如前面所观察到的，热扩散率α应当大于第一阈值，但是与此同时，它应当避免超过比第一阈值大的第二阈值。

这是由于以下事实：考虑到热扩散率的定义，低扩散率值要求具有低热导率和高热容量的材料。在发明人针对关于本发明的可接受的性能建立为10mm²/s的第一阈值(35mm²/s性能最好，而50mm²/s甚至性能更好(最佳的))以下，可获得的材料的热导率值将太低而不能从热运动学角度的需求确保性能一致。相反，如果热扩散率值α超过第二阈值，则发明人针对关于本发明的可接受的性能将该数值建立为150mm²/s，120mm²/s性能更好，而100mm²/s甚至性能更好(最佳)，可获得的材料的热容量值相对于针对本发明打算实现的目的所提供的存储要求将会太低。

因此，关于存储材料，限定了以下的热扩散率区间：

i)10-150mm²/s

ii)更优选地，35-120mm²/s

iii)甚至更优选地，50-100mm²/s。

具有包括在上述极限值之间的热扩散率值的存储材料，不管蓄热器单元的最终几何形状，允许满足在充电动态、放电动态以及在期望的温度下长时期保持对用户的流体流量方面的性能目标，并且因此保证热的快速转移，而且总之，能够保证交换的功率与存储质量之间的高比率、存储的能量与存储质量之间的高比率以及存储质量与体积之间的高比率。

参考图2A、图2B以及图3A、图3B，热载体单元2可以方便地设置有四边形/正方形的几何形状(图2)或者圆形的几何形状(图3)。为此，具有四边形几何形状的单元2分别在图2中由附图标记2S表示，而具有圆形几何形状的单元2在图3中由附图标记2C表示。

参考图4和图5，蓄热器单元4优选地复制热载体单元2的几何形状(截面)，并且特别是当热载体单元2设置为四边形，甚至蓄热器单元4也设置为四边形时，当热载体单元2设置为圆形，甚至蓄热器单元4也设置为圆形时。

因此，图4和图5的热载体单元采用热载体单元2所用的相同的名称，即，当它们被设置为具有联接至四边形的热载体单元2S的四边形基体的棱柱时，由附图标记4S表示，而当被设置为联接至圆形的热载体单元2S的圆柱体时，由附图标记图4C表示。

在热载体单元4S的情况下，护套18采取同轴布置在最外侧护套中的四边形的管状元件的形状。

如在图4和图5中观察到的，像在图1中那样，两个热载体单元2S/2C被布置在蓄热器单元4S/4C的相反端，以便基本上提供蓄热器单元4S/4C的两个头部。仅以非穷举示例的方式，假设像图4和图5所示的竖直的实现方式，下热载体单元2S、2C可能意在输送低温下的热载体流体热载体流体(或者，如下文中可观察到，冷/放电流体)，而上热载体单元2意在输送高温下的热载体流体热载体流体(热/充电流体)。

为了简单起见，与管理冷/放电流体的系统的区域或部件相关的数字参照由符号“*”充实，而与管理热/充电流体的系统的区域或部件相关的数字参照由符号“！”充实。因此，蜿蜒的流动管道采用参照6！和6*。

假设每个盘绕管道6！/6*的两端能够独立地形成工作流体的入口和出口，则存储装置1自然且简单地适于形成彼此液压连接的一系列装置。

在图6的实施例中，仅通过示例的方式，提供有十二个存储装置1，所述存储装置1通过U形布置以液压串联彼此连接，使得从几何学角度来看，它们是两列六个平行的装置1。由于热载体单元2在蓄热器单元4的相反侧的布置，因此在装置1的阵列内能够识别有热载体单元2的上部阵列A1_T和热载体单元2的下部阵列A1_B。每个阵列共享单元1的总体布置。

参照意在热/充电工作流体的循环的阵列A1_T，旁路管道BPC！像歧管那样在两列六个热载体单元2(并且就像六个存储装置那样)之间延伸，并且为此目的，具有三个回路节点J1！、J2！、J3！，通向所述回路节点中的是如下的分支管道：所述分支管道从相对于通道BPC！位于相反侧并且液压地布置在沿着相同的阵列相邻且串联地布置的成对装置1之间的更远的液压节点离开。在回路节点J1！、J2！、J3！处，就像从分支管道离开的更远的液压节点那样，布置有流量调节阀(优选自动的，例如通过设置具有驱动装置的可移动装备，或者通过气压致动)，所述流量调节阀能够在打开位置与关闭位置之间切换，并且在某些实施例中能够在打开时分开。

参照意在冷/放电工作流体的循环的阵列A1_B，旁路管道BPC*像歧管那样在两列六个热载体单元2(并且就像六个存储装置那样)之间延伸，并且为此目的，具有三个回路节点J1*、J2*、J3*，通向所述回路节点中的是如下的分支管道：所述分支管道从相对于通道BPC！位于相反侧并且液压地布置在沿着相同的阵列相邻且串联地布置的成对装置1之间的更远的液压节点离开。在回路节点J1*、J2*、J3*处，就像从分支管道离开的更远的液压节点那样，布置有流量调节阀(优选自动的，例如通过设置具有驱动装置的可移动装备，或者通过气压致动)，所述流量调节阀能够在打开位置与关闭位置之间切换，并且在某些实施例中能够在打开时分开。

全局地，关于充电流体，阵列A1_T包括三个操作端口，特别是：

-高温工作流体的入口！IN，高温工作流体(冷却的)的出口！OUT以及通过附图标记！BP指示的旁路管道BPC！的出口。

关于放电流体，阵列A1_B同样包括三个操作端口，特别是：

-低温工作流体的入口*IN，低温工作流体(加热的)的出口*OUT以及通过附图标记*BP指示的旁路管道BPC*的出口。

当全部单元1起作用时，工作流体的流动路径对应于区间6！(用于热流体)与区间6*(用于冷流体)的总和。

图7示意性地示出工作流体的入口和出口的全局布置。

存储装置1操作如下。该描述应适用于独立地考虑装置1以及考虑在阵列中操作的装置1。

存储装置1作为热电池操作，所述热电池通过热载体单元2充电和放电。作为能量充放的实质性对象的元件是蓄热器单元4。

特别地，其中流动有高温工作流体的热载体单元2(如果像在图6中布置的那样，是阵列A1_T的热载体单元)，由于在热载体单元中流动的工作流体与占据蓄热器单元4的存储材料之间的热交换而提供蓄热器单元4的充电以及系统中的热能的存储。

当工作流体在热载体单元2的流动管道6中流动时，只有流动管道被构造为承受工作流体的压力，而基质8不需要执行任何结构功能，只要其具有唯一的朝向蓄热器单元4中的热存储材料传送热流的功能，所述热存储材料的材料与基质8接触。

为此目的，热载体单元4的护套18用作导热鳍片，以便使能量从基质8到热存储材料的转移最大化。

当蓄热器单元被完全“充电”时，即，在达到作为工作流体的温度的函数的可能的最大充电温度(即，基本上是工作流体与蓄热器单元4中的热存储材料的温度之间的热平衡)时，由于从外部覆盖存储装置1的绝缘件(为了简化而未在附图中示出)，所以存储装置1被维持在充电状态，因此防止在完成充电过程时的朝向外部的热能损失。

可能地，也可以通过流通高温工作流体的最小流量来维持充电，从而恢复任何能量损失。

当使用存储在蓄热器单元4中的热能时，将低温工作流体引入到在相对于与热工作流体相关的单元2的相对端处的热载体单元2(如果根据图6布置则为阵列A1_B的热载体单元)中就足够了。

在这种情况下，在流动管道6*中流动的工作流体通过基质8与蓄热器单元4中的热存储材料进行热交换，使得从热载体单元2(端口*OUT)流出的流体相对于入口(在端口*IN上)处的流体具有较高的温度。

应当观察到，只要热能的静态存储是由固体材料提供的，则装置1免于影响流体热存储装置的返混现象，并且因此能够以更长的时间间隔而且没有实质上的内部损失地维持在期望温度下通过热载体单元2的期望的工作流体的流量(放电)，从而允许满足接收由存储在装置1中的能量加热的流体的若干设备和/或各种应用的要求。

单元1在外部完全绝缘，并且因此与周围环境绝热，而且甚至在若干不同且单独的时段也能够充电和/或放电：如果装置1例如串联安装至太阳能集中器(在所述太阳能集中器中，工作流体为导热油或者加热的蒸汽)，则在没有太阳辐射的情况下暂停充电步骤，同时停止工作流体的循环。所存储的能量被维持在蓄热器单元4中，直到再次有太阳辐射可用，因此允许恢复充电。有效的绝缘能够允许限制热分散并且维持甚至若干天的存储温度。当系统为了满足用户的需要而被完全充电或者依然被充分充电时，能够使待加热的工作(放电)流体流通，与此相关的是，在整个系统尺寸合适时，能够保证在恒温下的恒定流量的分散，甚至在充电步骤期间也没有损害使工作流体(放电流体)流通的可能性，随之而来的是对存储系统进行充电所需的时间的增加。

假若装置1的组如图6A、图6B所示以阵列形式连接，仅仅通过当需要时在液压节点上设置阀所允许的各种连接件，作用在终止于系统的液压端的阀上使得能够改变阵列中存储的能量的量以及装置1的阵列的充电和放电方式。

一般而言，充电过程期间的高温工作流体(充电流体)流过阵列A1_T的入口！IN，并且流过一系列的流动管道6！，由流量调节阀的开关方式来限定流动管道的延伸。只要需要时就将一部分热流体量排放到管道BPC！中还允许减少充电过程。在任何情况下，除了通过旁路管道BPC！排出的工作流体以外，剩余量的冷却的高温工作流体从出口！OUT流出。

依然一般来说，放电过程期间的低温工作流体(放电流体)流过阵列A1_B的入口*IN，并且流过一系列的流动管道6*，由流量调节阀的开关方式(通常与阵列A1_B的阀的开关方式分开和独立)来限定流动管道的延伸。只要需要时就将一部分热流体流量排放到管道BPC*中还允许减少系统的放电过程，例如，关于用户的临时需要，或者为了防止与在超过被热载体流体热载体流体接受的最大温度(壁和总体限制温度)时对热载体流体热载体流体进行放电有关的热化学退化(不可逆)现象，应当具有过剩的流量。

根据本发明的有益方案，系统的液压节点上的阀允许排除一个或多个存储装置1，以便例如在放电步骤中仅使用一些连续的装置1(布置成紧邻和液压串联)，并且严格要求使放电工作流体达到期望的温度，而没有过热或超过其壁温的风险。

该技术方案还接受分别使用两种不同的工作流体用于充电和放电步骤的可能性。通过示例，人们能够在充电步骤中使用高压水蒸气(例如，在太阳能集中器中产生)，以便达到较高的存储温度和/或在短时间内对蓄热器单元4进行充电，以及在放电步骤中使用导热油，其受到最大可接受总体温度和壁温的限制的影响，必须绕过随后的在达到限制温度时可能依然在充电的装置1。

一旦在放电步骤中受到导热油的流通的影响的装置1未被充分地充电而不能保证放电流体的期望的温度，则通过连续地激活一个以上的另外的模块装置1(已经被充电并且绕过了该点)而作用在阀上，以便确保不变的工作放电流体流量和温度，即，对用户而言是不变的功率。

用于热流体和冷流体的两个阵列A1_T和A1_B(分别为充电线路和放电线路)的旁路系统(回路节点上的阀单元)完全独立，以便具有出色的使用灵活性，具有甚至在回路的不同部分的两种流体的同时流动的可能性，并且因此同时执行充电和放电的两个步骤。

当热/充电流体和冷/放电流体同时在系统中流动时，或者当只有两种流体中的一种流体流通时，每个蓄热器单元4(这也适用于热载体单元2)为了热交换的目的而运转，就像热交换器的通过热中断件而与相邻的部分分开的隔热部分，这类似于在2016年1月29日的第102016000009566号专利申请中描述的。热中断件横向于或者热或者冷的工作流体的流动方向布置。

实际上，显然在串联连接的随后的蓄热器单元之间设置的热中断件允许在空间上物理隔离通常容易具有甚至彼此非常不同的温度的热存储材料部分。

如果不是这种情况，则两个随后的蓄热器单元4之间的热梯度会在存储材料中产生热流，所述热流将通过传导而沿着系统的纵向方向(即，沿着热载体流体热载体流体的流动方向)延伸。在足够长的时间内，这将使温度拉平并且均匀，因此引起所存储的热的退化，或者热的“质量”的损失，这将变得没有“价值”并且更加无用(由于混合导致的熵的增加)。

图8和图9示出了根据本发明的用于热能的存储装置的两个另外的实施例。

参考图8A和图8B，附图标记100表示根据本发明的用于热能的存储装置的第二实施例。

装置100包括热载体单元102和蓄热器单元104。热载体单元102包括分别用于容纳在基质108中的高温和低温下的工作流体的第一流动管道106！和第二流动管道106*，所述基质108是为了在第一和第二板110、112的管道106*、106！上以包裹状的模式进行封闭而设置的。

板110、112带有轴向沟槽114，当在包裹状的封闭期间匹配时，所述轴向沟槽114为管道106！和106*的插入提供圆形截面。与其中与蓄热器单元的接触仅发生在热载体单元4的一个面上的装置1相反，装置100提供了将热载体单元102嵌入在蓄热器单元104中，尤其是整个热载体单元102被热载体单元104的固态的热存储材料包围。

以上的全部也被封装在绝热壳体IL中，所述绝热壳体IL允许防止朝向外部的大量热分散，从而起到被动热充电保持器的作用。

参考图9A和图9B，附图标记200表示根据本发明的第三实施例的用于热能的存储单元。

装置200的显着特征在于，热载体单元和蓄热器单元之间的纯功能隔离，假设在这种情况下，蓄热器单元形成热载体单元的基质。

关于这一点，用于热能的存储装置200包括热载体单元202，所述热载体单元202包括嵌入形成蓄热器单元的基质204中的多个流动管道206。基质204包括第一半基质204A和第二半基质204B，所述第一半基质204A和第二半基质204B优选由具有凝聚性的(非颗粒状的)结构的固态热存储材料制成，通过设置能够容纳流动管道206的沟槽对所述固态热存储材料进行加工。类似于装置100的壳体IL，以上的全部被封装在绝热壳体IL中。根据能够随着需要而变化的关联，能够打算将流动管道206用于热流体和冷流体。

不管蓄热器单元的几何形状如何，为了能够为最终用户保证不变的放电热载体流体热载体流体温度(只要它低于或至多等于存储周期的最高操作温度)，与2016年1月29日的专利申请第102016000009566号中描述的类似，优选甚至在蓄热器单元中提供热中断件，以消除或至少限制沿着热载体流体的主流动方向的热流。取决于蓄热器单元沿着热载体流体的流动方向的延伸，对这种设置的需求成比例地增加了所使用的存储材料的传导性的提高。此外，在热存储材料是液体类型的情况下需要这种设置，并且如果液体正在经历相变(沸腾的液体)则更加需要。事实上，容易受影响的液体具有增强热交换效率的自然对流运动，并且所以，如果液体正在沸腾则自然对流运动甚至更多(高热交换系数)，相对于将会在将要发生的事情中被证明的，如果能够处于不同温度的区域由于使用前述热中断件设置的空间隔离而维持这样的状态，则存储阵列的更广泛区域的热级将变得一致，随着时间而减小。

因此，关于根据本发明的存储装置的全部实施例(其中在热载体单元与蓄热器单元之间只存在功能性的隔离)，紧随上述热扩散间隔之后，按照对于提供本发明的技术目的重要性，对热中断件的在蓄热器单元(即，存储材料)中的横向于工作流体的流动方向的布置进行了分等。热中断件的设置既不是严格地需要在单个的蓄热器单元104、204中，在相对于热载体单元2甚至在物理上被隔离的蓄热器单元4的情况下也是不可行的，但是在任何情况下可行地设置为：当将各单元1、100、200连接为阵列时，并且如果设置在单元104、204中，则允许促进上述各存储装置的性能。因此，具有能够满足热扩散率要求的存储材料并且优选还具有热中断件(在流体类型的热存储材料的情况下是必需的)的根据本发明的用于热能的存储装置放大了本发明的结果和优点。

甚至更优选地，适用于先述的全部实施例以及随后的描述的主题，如果蓄热器单元也满足关于与τ_spec相对应，甚至更优选地与σ_τ相对应的FOM的要求，则本发明的优点被进一步放大。

参考图10和图11，类似于用于热能的存储装置1，用于热能的存储装置100和200适于作为阵列连接。俯视平面图(图10A)和仰视平面图(图10B)示出在图10中。与装置1的阵列相反，在装置100、200的阵列中，假定装置100、200包括单个的热载体单元，则可能不设置有两个头部(作为阵列A1_T和A1_B的替代)，在所述两个头部中分别流动有高温工作流体和低温工作流体。因此，在这种情况下，其流动管道部分地用于高温(充电)工作流体的流通，部分地用于低温(放电)工作流体的流通。

在本文中示出的装置100、200的阵列的示例性实施例中，为了简化说明，两个流动管道中的一个(106！，206！)用于高温工作流体(图10A)的流通，另一个(106*，206*)用于低温工作流体的流通。

液压连接方法与针对装置1的阵列所述的方法相同，但不影响将用于热流体和冷流体的回路集中在相同的基质中的事实。

实际上，通过示例，设置有十二个存储装置100、200，其中设置有两个单独的回路(热/冷)，每个回路提供具有U形布置的液压串联连接，使得从几何角度它们是装置100、200的两个平行阵列。

关于热/充电流体，旁路管道BPC！像歧管那样在两列六个存储装置之间延伸，并且为此目的，其具有三个回路节点J1！，J2！，J3！，分支管道通向所述三个回路节点中，所述分支管道从相对于通道BPC！位于相反侧的另外的液压节点离开并且液压地布置在沿着相同的阵列相邻且串联布置的成对装置100、200之间。

关于冷/放电流体，旁路管道BPC*像歧管那样在两列六个存储装置之间延伸，并且为此目的，其具有三个回路节点J1*，J2*，J3*，分支管道通向所述三个回路节点中，所述分支管道从相对于通道BPC*位于相反侧的另外的液压节点离开并且液压地布置在沿着相同的阵列相邻且串联布置的成对装置100、200之间。

全局地，关于充电流体，装置100、200的阵列包括三个操作端口，特别是：

-高温工作流体的入口！IN，高温工作流体(冷却的)的出口！OUT以及通过附图标记！BP指示的旁路管道BPC！的出口。

关于放电流体，装置100、200的阵列包括三个操作端口，特别是：

-低温工作流体的入口*IN，低温工作流体(加热的)的出口*OUT以及通过附图标记*BP指示的旁路管道BPC*的出口。

如能够从图11的视图看出的，用于高温和低温工作流体的流通的流动管道的布置基本上是水平的(共面的)。然而，在同样能够在图11中看到的替代实施例中，流动管道和旁路管道BPC！和BPC*能够例如布置在阵列的相反侧，使其放电端相反。

存储装置100、200基本上与装置1相同地操作，除了充电和放电流体根据需要流动(分开或同时)的事实。对布置在液压节点J1！，J2！，J3！以及相关的分支节点处的阀的作用允许提供用于热能的存储装置100、200的阵列的不同流动路径和放电/充电方式。能够基于与关于装置1的阵列的上述标准相同的标准来建立流动路径的延伸和开发。

图12在部分12.1、12.2、12.3中示出了充电操作期间(图12.1)、保持操作期间(图12.2)以及放电操作期间(图12.3)的装置100、200的阵列的热剖面的三个定性示例。图12的每个图形表示都说明了与三个随后的常规时刻相关联的三个等时曲线A、B、C(所述表示应被视作纯用于定性的目的)。等时曲线本质上在图中共存，这是因为它们作为时间发展参数t的基础的事实，图中指示了所述时间发展参数t的增大方向(A<B<C)。以单个模块100、200的形状示出的每个曲线表示固态存储装置相对于模块中沿着水平轴线的位置的温度的质量趋势(温度应被视为正交于水平轴线的表面上的平均值)。换言之，在每个矩形形状100、200中应当视为叠加有直角坐标系T-x，在所述直角坐标系T-x中，如图中右侧的关键词所指示的，温度T向上增长。

在充电步骤期间(图12.1)，穿过端口！IN冲击阵列的高温工作流体将热能转移至装置100、200的每个蓄热器单元的存储材料(直接在后者的情况下，没有热流穿过任何其他的基质)，这作为接收到的能量的量的函数增加相应的温度。特别地，能够观察到的是，流入到系统中的热流体流在其路径上遇到的第一装置100、200的充电非常快，并且在观察帧结束时蓄热器单元104、204中的存储材料的几乎整个体积升高至充电温度T_MAX(操作周期的最大温度)。在第二装置100、200的情况下，假设工作流体在与阵列的第一装置100、200的相互作用中已经损失了一定量的能量，则系统的温度发展得更加缓慢。在观察帧结束时，蓄热器单元104、204中的大约40％的存储材料将已达到充电温度T_MAX。在观察时间帧结束时，假定到现在为止工作流体将在与之前沿着路径遇到的存储装置的相互作用中损失其大部分热能，则工作流体路径上的最后的装置100、200基本上依然处于实质上放电的状态。

将热的工作流体与用于热能的存储装置100、200的阵列之间的相互作用扩展到超过图12.1所考虑的观察帧的限制，可以达到如下的状态：其中充电温度几乎在蓄热器单元104、204中的存储材料的整个体积，唯一的例外——在取决于用于充电的时间量的任何情况下——可能位于相对于热工作流体的流动路径的最后的装置100、200中。由于提供了绝热状态IL，所以装置100、200的充电能够以完全被动的方式维持较短的时期，并且能够通过使保持热流体流量(低于充电流量)流通来维持较长的一段时间(图12.2)。应当观察到的是，在给定的条件下并且以给定的时间段，即使在整个存储体积的部分充电条件下，也能够保证在所需的温度(最大)下向用户提供不变的热载体流体的流量，只要在高于用户所需的温度的平均温度下留下模块的阵列的至少一个模块(或者其小部分)即可。

最后，后续的图12.3图示出存储装置100、200的阵列的放电步骤。通过端口*IN冲击阵列的冷的流体流以相对较快的方式降低了第一装置100、200中的沿着流动路径与流体相互作用的存储材料的温度。在图12.3的观察帧对象结束时，几乎全部存储在第一存储装置中的热能转移至冷的工作流体，这因此提高了工作流体的温度。这体现在与随后的用于热能的存储装置的热相互作用中：在相对于系统流入温度较高的温度下已经与工作流体相互作用的第二装置依然在充电温度下将剩余大部分(大约60％以上)的较低量的热能转移。假设流体已经被加热到甚至较高的温度(根据用户的要求)，则该现象在几乎以一体的方式保持充电的阵列的最后一个装置100、200中被进一步放大。

随后的图13.1和13.2再次示出了用于热能的存储装置的放电步骤，但同时图13.1示出了根据本发明的装置的阵列(连接方法是图10的方法)，参照传统的油或者熔盐的热存储装置(IN和OUT为工作流体的入口和出口)，图13.2示出了相对于时间演化而被参数化的三个等温曲线A，B，C。

在操作方面和效率上的区别是清楚的：在根据本发明的热存储装置的阵列中，放电过程是非常均匀的，并且即使考虑到用户对工作流体的高流量的要求，工作流体也能够被高效地热调节。此外，由于随后的热载体单元被对应于装置间的部分(两个随后的装置之间)的热中断件彼此分离的事实，根据本发明的存储装置1、100、200的串联和/或并联连接基本上提供了集中热交换的系统。如果没有完全消除，则这强烈地限制了轴向方向上(特别是相邻的蓄热器单元之间)的寄生热交换，在横向于流动的方向上集中了热交换，使其效率最大化。

再次地，当热/充电流体和冷/放电流体二者同时在系统中流动时，或者当两者中只有一个流通时，出于热交换的目的，类似于在2016年1月29日的专利申请第102016000009566号中所描述的，每个热载体单元102、202像热交换器的通过热中断件与相邻的部分分开的隔热部分那样运转。

实际上，显然在用于热能的存储装置100、200与随后的存储装置之间设置的热中断件允许在空间中物理地隔离通常容易具有甚至可能彼此非常不同的温度的热存储材料部分。

如果不是这种情况，则两个随后的蓄热器单元4之间的热梯度将会在存储材料中产生沿着系统的纵向方向通过传导而延伸的热流。在足够长的时间内，这将使温度拉平并且均匀，因此导致所存储的热退化，或者热的“质量”的损失，这将变得没有“价值”并且更加无用。

如之前部分地讨论的，正是这种特定的技术方案(将观察扩展到同样作为阵列布置的装置1)允许能够保证用户流体的输出温度的恒久性，这与整个模块1、100、200的阵列的平均剩余电荷无关，只要存在阵列的完全充电区域即可，不论扩展如何(即，在最大设计充电温度TMAX时)，相同的情况适用于其流量(在给定的操作间隔内)。

由最终用户指定的，在恒定温度下的恒定流量的分配由于以下原因(组合地，或者最多只因为第二点)久而久之变得更加耐用：

-为单个的存储模块100、200提供内部热中断件，以及

-形成热存储电池的组装连续的存储模块1、100、200的方法(使用相同的连接导管物理地热分离)。

能够保证分配给用户的温度和流量的恒定性一段持续期间，所述持续期间取决于温度有多低和/或用户所需的流量。如果用户要求的工作温度低于最高存储温度，则通过仅在存储系统中发送工作流体流量的一个预定部分来提供两种规格。这将即时地加热到最高可用温度(取决于形成热电池的单个模块的剩余电荷)，并且替代地将与发送到旁路管道的预定热载体流体流量混合。随着时间进行，旁路流量逐渐减小，而发送到模块的流量逐渐增加，使得发送至用户的产生的累积流量始终不变，相同的情况适用于其温度。

相反地，如果用户要求的操作温度等于最高存储温度，则能够仅由于热中断件而维持用户的不变的温度和流量规格并且维持非常短的时期，即，只要存在至少一个具有等于最大温度的温度的存储元件即可。

当旁路流量变为零时，热电池将被完全放电(以满足用户的要求)：在那一刻，从热载体单元流出的流体的温度和流量恰好是用户所要求的，并且，如果流量仍保持不变，则设备的温度将不可避免地降至规格以下。

因此而想到的系统完全类似于普遍的可充电电池地操作，所述普遍的可充电电池能够分配不变的电流和不变的电压，直到充电充分为止。

相反，由于由图13B中的一对回路箭头示意性地表示的反向混合现象，随着寄生效应，在使用诸如油或者熔盐的流体的传统的热存储装置中(图13.2)，热到热存储材料中的转移与工作流体与热存储材料之间的主要热的转移重叠。因此，通过彼此接触的在不同温度下的流体体积的部分之间的对流热交换，可以转移至工作流体的大量热流在系统内无法挽回地消散。

参考随后的图14至图18，以下是根据本发明的用于热能的存储装置(由附图标记300表示)的另外的实施例的描述。

装置300仍然是如下的类型：其中热载体单元与蓄热器单元之间的隔离仅是功能性的，前者嵌入后者中，但是其特征在于它具有被隔离并且非对称的充电侧和放电侧。特别地，充电侧的几何形状与放电侧的几何形状不同，以便分别针对充电和放电允许两种不同类型的流体的最优管理。

存储装置300包括嵌入蓄热器单元304中的热载体单元302。蓄热器单元304是固态热存储材料的基质(具有凝聚性的或者紧凑的颗粒结构)，在其中容纳有第一管束306！，所述第一管束306！构造成用于充电流体(热流体，优选为水蒸气)的流通，并且第二管束306*构造成用于放电流体(冷流体，优选为导热油)的流通。

第一管束306！包括液压地连接至入口歧管308(端口！IN)和出口歧管310(端口！OUT)的共面且相邻的管子(在该实施例中为六个)的阵列，所述入口歧管和所述出口歧管二者设置为具有用于连接至蒸汽流通液压系统的端连接件的管体。

相反地，第二管束306*包括一个以上的管子(在该实施例中为两个)，所述管子在入口*IN处连接至调节阀V300(优选为自动的，例如通过为可移动设备提供驱动装置或者通过气动致动)，所述调节阀具有一个入口和两个出口，其中入口被构造为接收冷流体(导热油)的流量；第一出口在功能上提供端口*IN，并且第二出口终止于旁路通道(冷)BP*。

在相对的端部，旁路通道BP！连接至管束306*的出口*OUT，从而在单个连接法兰处连接两个流动路径。

参考图15A，将蓄热器单元304设置为由固态材料制成的基质，在所述基质内嵌入管束306！和306*，并且此外，转而封闭在由绝缘材料IL制成的护套中，通过所述护套，(除了限制朝向外部的热能分散以外)还提供有系统的充电的被动保持功能。

如在图15A中可观察到的(并且进一步参考图15B)，当存储材料是凝聚性的固态类型时，方便地在三个部分304A(上部)，304B(中间)，304C(下部)中设置替代蓄热器单元304的基质，其中，在与部分304B的各交界面处，部分304A和304C以包裹状的方式封闭部分304B，并且限定用于插入管束306*和306！的通道。

关于图14的视图以及图15A的截面，它们对应于用于热能的存储装置300的阵列的模块单元。对此，由于本发明所基于的存储装置的相当大的灵活性，所以甚至存在可行的两种不同的选择来设置装置的阵列，特别是：

i)串联连接的能够在图14、图15A中看出的类型的模块单元的集合，其中每个模块单元与相应的阀V300相关联，以便提供对旁路的独立控制。

ii)串联连接的上述模块单元的集合，但是具有取决于整个存储装置系列的单个阀V300，并且具有相对于整个系列分支的单个旁路通道BP*。这是在图16中可以观察到的情况。

关于这一点，应当观察到单元304的基质被插入由绝缘材料IL制成的护套中，所述绝缘材料优选地在基质的相对轴向端部处提供间隙。每个间隙用作热中断件，其在将装置300组装成阵列时实际上用作单个热电池，其中矩阵304的复合体等同于具有由间隙设置的热中断件的单个矩阵。

就蓄热器单元304的热存储材料的特性和操作而言，以上概述的全部观察结果均适用。

最后，参照图17至图19，根据本发明的用于热能的存储装置的又一实施例通过附图标记400表示。

装置400再次是如下的类型：其中热载体单元与蓄热器单元之间的隔离仅是功能性的，前者嵌入后者中，但是其特征在于它具有被隔离并且对称的充电侧和放电侧。特别地，充电侧的几何形状与放电侧的几何形状相同，但相应的管束布置在装置400的相反侧。

存储装置400包括嵌入蓄热器单元404中的热载体单元402。热载体单元304是固态热存储材料的基质(具有凝聚性的或者紧凑的颗粒结构)，在其中容纳有第一管束406！，所述第一管束406！构造成用于充电流体(热流体，优选为水蒸气)的流通，并且第二管束406*构造成用于放电流体(冷流体，优选为导热油)的流通。

第一管束406！包括一对平行、共面且相邻的管子，并且同样的情况适用于第二管束406*，其两个管子彼此平行并且平行于管束406！的管子。

参考图17至图19，蓄热器单元404被设置为固态材料的基质，其中嵌入有管束406！和管束406*。显然，整体能够被由隔热材料制成的护套覆盖。附图没有示出隔热涂层400，而是示出了包裹着四个装置400的阵列S400的护套IL，通过所述护套，除了限制朝向外部的热能分散以外，还提供有系统的充电的被动保持功能。

如在图17A中可观察到的(并且进一步参考图17B)，当存储材料是凝聚性的固态类型时，方便地在三个部分404A(上部)，404B(中间)，404C(下部)中设置替代蓄热器单元404的基质，其中，在与部分404B的各交界面处，部分404A和404C以包裹状的方式封闭部分404B，并且限定用于插入管束406*和406！的通道。

当装置400如在图17A至图17C中观察的被连接为阵列时，管束406！和管束406*通过大致U形的连接管道而液压连接。由于连接管道的构造，充电和放电回路的路径分别沿着阵列的延伸而盘绕。在附图中，热回路和冷回路的入口和出口分别通过附图标记！IN，！OUT以及*IN，*OUT表示(根据既定惯例)。同样在这种情况下，连接管道的存在实际上在阵列S400的全局蓄热器单元中提供了热中断件，即使这并不排除单个蓄热器单元404能够被提供包括在它们中的每个的基质中的热中断件的事实。

就蓄热器单元404的热存储材料的特征和操作而言，以上提供的全部观察结果将均适用。关于这一点，图17C示出了在一般的充电瞬时期间的阵列S400中的温度分布。

最后，参考图18和图19，下面是对能够通过串联连接若干装置400而设置的另外的热电池的另一描述。图18示出了完整的阵列，而图19示出了通过附图标记M400表示的阵列的模块单元，并且从所述阵列的模块单元开始随后的描述。

单元M400包括单个用于热能的存储装置400，其优选地封装在由绝缘材料制成的护套中并且安装在支撑框架F400上。

冷热回路(管束400！和400*)的入口和出口分别通过附图标记！IN，！OUT以及*IN，*OUT表示(根据既定惯例)。通过根据用于热流和冷流的逆流操作流动模式指定入口和出口的位置来提供以下描述。显然，本领域技术人员能够将下面的描述也适用于端口的各种布置，只要因此遵循连接的布置即可。

紧靠端口*OUT和！IN的下游布置有第一关闭阀V*和第二关闭阀V！(优选是自动的，例如通过为可移动设备提供驱动装置或者通过气动致动)。在本文中使用术语“上游”不必参考回路中的流体的流动方向，而是通过简单地将附图的中心(即，装置400)采用为“下游”位置。

当处于打开位置时，阀V*和V！使流量能够从装置400流过以及流向装置400。当处于关闭位置时，它们切断从装置400流过以及流向装置400的流量。

依然在阀V*和V！的上游，布置有第一分支和第二分支，它们分别连接至冷旁路管道(BP*)和热旁路管道(BP！)，在所述旁路管道上安装有相应的用于冷回路的旁路阀BPV*和用于热回路的旁路阀BPV！(再次，优选是自动的，例如通过为可移动设备提供驱动装置或通过气动致动)。旁路阀BPV*和BPV！调节沿着相应的旁路管道流过的流体，所述旁路管道在具有对应的连接凸缘BPCON*(冷)和BPCON！(热)的相反端终止。

依然在第一分支和第二分支的上游，依然在系统的相应的热侧或冷侧布置有第一分支连接件BPR*(冷)和第二分支连接件BPR！(热)，所述第一分支连接件和所述第二分支连接件用作在组装阵列时串联相邻的模块单元M400的凸缘BPCON*(冷)和BPCON！(热)的连接点。

最后，依然在分支BPR*和BPR！的上游，布置有第三关闭阀VCON*(冷)和第四关闭阀VCON！(热)，优选是自动的，例如通过为可移动设备提供驱动装置或通过气动致动，在所述第三关闭阀和所述第四关闭阀的上游依次布置有连接端口*CON(冷)和！CON(热)，后者被指定用于连接在组装阵列时串联相邻的模块单元M400的端口*IN和！OUT。

当切换到关闭位置时，关闭阀VCON*(冷)和VCON！(热)允许将单元M400从系列中完全排除，包括对应的旁路管道BP*和BP！(这不能通过阀V*和V！实现)。

根据描述的连接主题来组装一系列单元M400，允许提供一种热电池，在所述热电池中，与上文关于具有前述相同有益效果的装置100、200、300、400所描述的相同，由每个装置400的一系列单个热载体单元限定的热载体单元被横向于(在此平行)热/冷工作流体的流动方向的热中断件间隔开。

在本公开的结论中，应当考虑以下一般形式：允许在根据本发明的用于热能的存储装置100、200、300、400的阵列与电路之间建立类比。

在下文中并且结合根据图20的图表的是类比所基于的热量和电量之间的对应表。

已知导体的电阻R_el能够表达为：

R_el＝(ρL_c)/A＝L_c/(σA)

ρ是电阻率，σ是电导率，L_c是导体的沿着参考方向的特征尺寸(例如导体的长度)，以及A为导体的横截面，能够类似地写出限定热阻的表达式：

R_term＝L_c/(κA)

其中κ是热导率，并且L_c和A保持热导体的沿着参考方向的特征尺寸和横截面的物理意义。

在图20所示的热系统中，包括作为阵列(几何形状可以不需要体现实际形状：这恰好是示意图的情况)连接并且被热中断件分开的两个热存储装置100、200、300、400，尤其是能够确定轴向和径向热阻。图20中的附图标记分别指定

L：蓄热器单元的横向/径向上的特征尺寸；仅通过示例，圆柱或球形的几何形状的直径(图20)或半径，或者甚至棱柱的几何形状，或者在长方体几何形状的情况下的为截面的侧边

L_axial：蓄热器单元的轴向/纵向的长度

L_int：两个相邻的蓄热器单元之间的热中断件的轴向/纵向长度。

因此说，轴向/纵向上的热阻能够根据如下的关系式表达(不提供准确的相关性，但应被视为比例关系式或仅仅被视为操作性定义)：

R_t,axial＝N·[L_axial/(κ_mat·L²)]+(N-1)·[L_int/(κ_int·L²)]

其中，对以上附加的：

N是热存储装置的数量(认为是具有没有内部热中断件的蓄热器单元，因此N与蓄热器单元的数量一致)，

κ_mat是蓄热器单元的材料的热导率，

假定L是蓄热器单元在横向/径向上的特征尺寸，则当出现平方的(L²)时，径向方向的特征尺寸指示蓄热器单元的横截面的面积，

κ_int是形成热中断件的材料(例如，空气或绝缘材料)的热导率。

径向上的热阻能够替代地表达如下(再次，关系式不提供准确的相关性，而应被视为比例关系式或仅仅被视为操作性定义)：

R_t,radial＝L/(N·κ_mat·S_scambio)

其中，S_scambio是工作流体的流动管道与蓄热器单元之间的交换表面(如前所述)，并且因此其表示径向上的热的“流过截面”。其他符号保持之前采用的含义。

假设径向上的热阻R_t,radial与轴向/纵向上的热阻R_t,axial之间的比率ε如上所限定的小于20％，或更优选小于10％，甚至更优选小于2％，以通过所存储的热的合适的空间隔离尽可能地限制热分散为目标，能够将存储装置的(因此热载体单元的)数量N，并且因此将热中断件的数量N-1建立为存储装置100、200、300、400的特性的函数。

通过示例，通过以相反的形式应用以上概述的标准，将其应用于N＝1个存储装置(整体阵列，没有热中断件)，能够提供有

(R_t,radial/R_t,axial)<ε，从其得出

[L/(κ_mat·S_scambio)]/[L_axial/(κ_mat·L²)]<ε，因此

(L/L_axial)·(L²/S_scambio)<ε

这对应于提供相对“长”(L_axial)的存储装置100、200、300、400和/或具有相对“小”的径向延伸(L)，因此具有高的细长比L_axial/L，并且具有尽可能高的热交换表面与特性横截面之间的比率L²/S_scambio。

根据本发明的热中断件的存在具有沿纵向方向尽可能多地减少热交换，从而有助于沿径向方向的热交换的目的。因此，如上所述，这能够保证单个存储装置100、200、300、400及其阵列的放电过程，用于在整个放电过程中保持在不变的温度下分配至设备的流体流量。

如果蓄热器单元几乎不沿轴向/纵向方向(即，充电流体和放电流体流动的方向)延伸，虽然在相反的方向的情况下(装置100、200、300、400的阵列以逆流的方式操作)，但仅选择热扩散率不足以减小沿纵向/轴向方向的热交换(实际上，沿所述方向减小的长度本身就是使热交换温度均匀化的诱因，尤其是如果在高热扩散率材料的情况下)。在这种情况下，热中断件阻止这种不希望的热交换，因此，如从以上描述清楚的，随着ε值减小并且随着细长比减小，热中断件的数量增加。

即使在细长比低的主体中，热中断件也能够恢复图13.1的平均温度对象的分布曲线(自然地被设置为细长体)。实际上能够通过一系列水平的线性部分来接近这样的曲线，这些水平的线性部分与存储单元一样多，每个处于其平均操作温度。

最后，热中断件允许在径向与轴向/纵向方向之间产生热扩散率的各向异性，甚至当等同质量的单个存储单元的几何形状不允许时，也允许提供所需的性能。

因此，相对于已知的用于热存储的技术方案，能够将本发明的优点基本上总结在以下列表中：

a)不存在可移动的机械部件

b)不存在运动中的存储流体

c)结构简单并且适合模块组装

d)由于相对于需要大量液体的传统油或熔盐系统的存储材料的良好的体积热容量(高比热和高密度)带来的可存储热能与存储体积之间的高比率

e)由于存储材料的高热导率带来的热的快速转移(高比热功率)

f)由于包括若干存储装置的串联/并列的模块构造的可能性以及实际上以模块发送的流量的配量的精确控制，相比于设备需要的总流量，将工作流体分配至用户的温度和流量久而久之几乎是一致的并且几乎不会变化。

g)相对于在保持或放电步骤期间久而久之发生所存储的热的返混和劣化的传统的油或者熔盐存储系统的所存储的能量的质量的有益管理。实际上，在装置1、100、200(以及相对阵列)中，即使在根据本发明的热存储材料中(取决于其热导率和空间扩展，并且尤其是在流体类型的热存储材料的情况下要求的)添加给定数量的热中断件，只要系统的至少一个部分完全充电，也能够根据用户的规格，在最佳条件下继续能量向工作流体的转移；

h)低操作成本和有限的维护操作

i)由于最贵的材料(能够抵抗高压力并且因此具有结构功能的材料)仅用于组成存储系统的总体积的小部分、流动有热载体流体热载体流体的管子的事实带来的低制造成本

j)不存在用于补偿有差异的膨胀的膨胀缝，在于管子在静态存储基质或在金属材料基质(如果存在)中免于沿着其纵向延伸方向膨胀，转而与实际存储材料接触。

k)充电和放电时间的可控性，假定由于当将用于热能的存储装置连接为阵列时铺设的管道和阀的网络，能够在较宽的范围内调整充电和放电流体的温度和流量。因此，能够利用系统的及时性而在较少的时间内(由于高热导率)并且没有系统劣化(由于存储材料的难熔性以及热稳定特性)地交换大量的能量。

显然，在不脱离由所附的权利要求书限定的本发明的保护范围的情况下，结构细节和实施例可以相对于已经描述和示出的内容广泛地变化。

Claims (12)

1.一种用于热能的存储装置(1；100；200；300；400)，包括：

-热载体单元(2；102；202；302；402)，以及

-蓄热器单元(4；104；204；304；404)

其中：

-所述热载体单元(2；102；202；302；402)包括用于工作流体的一个以上的流动管道(6；106，106！，106*；206；306！，306*；406！，406*)，

-所述蓄热器单元(4；104；204；304；404)包括热存储材料，所述热存储材料构造为用于在与所述工作流体的热交换关系中操作，并且用于作为与所述工作流体的热交换的结果的热能的存储和释放，所述热存储材料具有包括在10与150mm²/s之间的热扩散率。

2.根据权利要求1所述的存储装置(100；200；300；400)，其中，所述热载体单元(102；202；302；402)嵌入在所述蓄热器单元(104；204；304；404)内。

3.根据权利要求2所述的存储装置(200；300；400)，其中，所述蓄热器单元(204；304；404)针对所述热载体单元(202；302；402)的一个以上的流动管道(206；306！，306*；406！，406*)提供基质(204A，204B；304A，304B，304C；404A，404B，404C)。

4.根据权利要求1所述的存储装置(100)，其中，所述热载体单元(2，102)包括导热基质(8；108)，所述一个以上的流动管道延伸穿过所述导热基质(8；108)，其中，所述基质(104)与所述蓄热器单元(2，102)处于热交换关系，并且其选择性地：

-嵌入到所述热载体单元(104)中，或者

-与所述蓄热器单元(2)的存储材料接触。

5.根据权利要求4所述的存储装置(1)，其中，所述热载体单元(2)在外部布置到所述蓄热器单元(4)。

6.根据权利要求5所述的存储装置(1)，其中，所述基质(8)包括：

-第一板(10)

-第二板(12)

-蜿蜒的流动管道(6)，其布置在所述第一板(10)与所述第二板(12)之间，

所述第一板和第二板(10，12)中的每个设置有沟槽(14)，所述沟槽构造为在匹配所述第一板和第二板(10，12)时限定通道，所述蜿蜒的流动管道(6)的环形部容纳在所述通道中。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的存储装置(1)，包括布置在所述蓄热器单元(4)的相反端的第一热载体单元(2)和第二热载体单元(2)，其中，每个热载体单元(2)的所述基质(8)与所述蓄热器单元(4)的热存储材料处于热交换关系。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的存储装置(1；100；200；300；400)，其中，所述蓄热器单元(4；104；204；304；404)的所述热存储材料包括横向于所述热载体单元中的工作流体的流动方向的热中断件。

9.根据前面权利要求中任一项所述的存储装置(1；100；200)，其中，所述热存储材料具有包括在35与120mm²/s之间，并且更优选地在50与100mm²/s之间的热扩散率。

10.根据前面权利要求中任一项所述的存储装置(100；200；300；400)，其中，指定：

L：所述蓄热器单元在横向/径向方向上的特征尺寸

L_axial：所述蓄热器单元在轴向/纵向方向上的长度，所述轴向/纵向方向为所述工作流体的流动方向，

κ_mat：所述蓄热器单元的材料的热导率，

S_scambio：工作流体的所述流动管道与所述蓄热器单元之间的热交换表面，

并且定义：

径向方向上的热阻

R_t,radial＝L/(N·κ_mat·S_scambio)

轴向/纵向方向上的热阻

R_t,axial＝[L_axial/(κ_mat·L²)]

适用如下：

(R_t,radial/R_t,axial)<0.2，优选地(R_t,radial/R_t,axial)<0.1，更优选地(R_t,radial/R_t,axial)<0.02。

11.一种用于热能的存储装置的阵列，包括多个根据前面权利要求中任一项所述的、彼此液压连接的用于热能的存储装置(1；100；200；300；400)，其中，相邻并且液压连接的用于热能的存储装置(1；100；200；300；400)的热载体单元(2；102；202；302；402)在其两两之间具有热中断件。

12.根据权利要求11所述的用于热能的存储装置的阵列，其中，指定：

L：所述蓄热器单元在横向/径向方向上的特征尺寸

L_axial：所述蓄热器单元在轴向/纵向方向上的长度，所述轴向/纵向方向为所述工作流体的流动方向，

κ_mat：所述蓄热器单元的材料的热导率，

κ_int：形成所述热中断件的材料的热导率

S_scambio：工作流体的所述流动管道与所述蓄热器单元之间的热交换表面，

N：阵列中的蓄热器单元的数量

N-1：阵列中的热中断件的数量

L_int：两个相邻的蓄热器单元之间的热中断件在轴向/纵向方向上的长度并且定义：

径向方向上的热阻

R_t,radial＝L/(N·κ_mat·S_scambio)

轴向/纵向方向上的热阻

R_t,axial＝N·[L_axial/(κ_mat·L²)]+(N-1)·[L_int/(κ_int·L²)]

适用如下：

(R_t,radial/R_t,axial)<0.2，优选地(R_t,radial/R_t,axial)<0.1，更优选地(R_t,radial/R_t,axial)<0.02。

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