CN111065798B - 用于将电能存储为热量的蓄能器和出于该目的的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于以热能形式存储电能的蓄能器，包括用于将电能转换为热能的电加热器，用于存储电加热器的热能的蓄能器，以及用于从蓄热器释放热能的热交换器。蓄热器至少包括：复数个金属杆，其直立排列并用于存储来自电加热器的热能；基座；及复数个支撑单元，其中每个支撑单元支撑金属杆之一，并与基座连接。此外还描述了一种用于运行这种蓄能器的相应方法。

Description

用于将电能存储为热量的蓄能器和出于该目的的方法

技术领域

本发明的第一方面涉及一种于以热能形式存储电能的蓄能器。

在第二方面，本发明涉及一种用于操作蓄能器的方法，可以将电能存储为热能且可以输出热能。

背景技术

电能的蓄能器具有巨大的经济意义。特别是由于太阳能和风能的逐渐增多的获取，所产生的电能随时间变化很大。这暂时导致电能的大量过剩，目前尚不能有效地存储或仅一小部分有效地存储。电化学存储器(电池)尽管成本高昂，但只能提供较小的存储容量。大量的能量可以作为热量存储。可以预期的是，就经济性使用增加，这种蓄能器将在再生能源方面起决定性作用。一个国家的蓄能器的能量存储量应随太阳能和风能在总发电量中所占的比例而增加。

申请人在例如专利EP 3 139 108 A1或EP 3 139 107 A1中描述了通用的蓄能器。用于将电能存储为热能的通用的蓄能器包括：

-将电能转化为热能的电加热器；

-用于存储电加热器的热能的蓄热器；和

-用于从蓄热器输出热能的热交换器。

一种用于运行蓄能器的方法，其中电能可以以热能的形式存储，且可以输出热能，类似地包括至少以下列步骤：

-通过电加热器将电能转化为热能；

-用蓄热器存储电加热器的热能；和

-通过热交换器输出蓄热器的热能。

蓄热器可以是金属体，该金属体在较大的温度范围内加热以存储热能，例如从室温到接近金属体的熔点的温度，例如600℃。由于这些强烈的温度变化，金属体会经历明显的热膨胀。热膨胀可导致蓄热器的相邻部件的机械应力。常规的蓄能器的问题在于如何以低成本和特别简单的设计，来限制由于部件的热膨胀引起的应力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄能器，其中热应力特别小，且同时其结构特别具有成本效益，且允许有效的能量存储和输出。此外，也描述一种用于操作蓄能器的对应方法。

该目的通过蓄能器和方法来解决。

蓄能器和本发明的方法的有利的变型方案是从属权利要求的主题，并且也在下面的描述中进行说明。

根据本发明，如上所述的蓄能器至少包括以下内容：

-复数个直立排列的金属条，用于存储电加热器的热能；

-一基座；

-多个支撑单元，其中每个支撑单元支撑其中一个金属条，并且与基座耦合/连接。

根据本发明，在上述类型的方法中，蓄热器至少包括：

-复数个直立排列的金属条，用于存储电加热器的热能；

-一基座；

-复数个支撑单元，其中每个支撑单元支撑其中一个金属条，并且与基座耦合/连接。

由于本发明的设计，热膨胀的影响有利地变小。在现有技术中，通常使用大的主体作为蓄热器，例如金属板。对于这种板，在水平方向，即垂直于重力方向上的膨胀可能是有问题的。本发明的设计通过形成具有复数个金属条的蓄热器而提供了优点。金属条具有直立排列的纵轴，即沿垂直方向或重力方向。优选地，金属条在向上方向为自由的，即未被夹紧或固定，从而在重力方向上的热膨胀不成问题。当金属条的直径小于其在重力方向上的长度时，例如，其长度是直径的至少5倍或至少10倍，水平方向上的膨胀很小。在金属条具有成角度的横截面的情况下，直径可以被认为是其横截面中的最大尺寸。金属条彼此间隔开，使得在加热金属条时的热膨胀仅减小了金属条之间的空间，然而，尽管有热膨胀，横截面方向上的整体尺寸，即，由最外面的金属条或彼此最远的金属条覆盖的面积，基本上是恒定的。这对于承载金属条(通过支撑单元)的基座而言尤其重要。当金属条热膨胀时，基座没有或几乎没有任何机械应力。支撑单元对于基座的热膨胀是相关的。支撑单元至少部分地将基座与金属条隔离，从而与金属条与基座直接接触的情况相比，基座被金属条加热的程度较小且较慢。在现有技术的设计中，尤其是基座的热膨胀是非常成问题的。

通过在金属条和基座之间使用支撑单元，可具有设计非常简单的支撑单元，使其质量和成本较低。此外，可非常经济地制造金属条。金属条也可以称为杆或坯。除了与支撑单元的接触外，金属条在空间中是独立的，因此金属条的形状和尺寸的公差可更大。此外，几乎不需要或不需要任何铣削步骤来形成金属条。对于其他形状，特别是在蓄热器将直接与电加热单元或热交换器管接合的情况下，铣削或成形的成本要高得多，并且可能远远超过蓄热器的材料成本。

金属条或杆可具有原则上任意横截面形状的圆柱形状。例如，它们的横截面可以是圆形或矩形，这使得易于生产。金属条形成蓄热器的一部分，该蓄热器用于存储热能。这意味着，在运行期间，由蓄能器接收的热能的至少60％或至少80％存储在金属条中，而剩余部分的能量则分布在例如支撑单元或热交换器之间。可选地，金属条的热容量因此可以是总蓄热器的热容量的至少60％或至少80％。

为了使从金属条到基座的热传递保持较低，金属条可与基座间隔开，即它们不直接接触基座。优选地，仅通过各自的支撑单元来提供接触。优选地，支撑单元的材料的热传递系数小于金属条的材料的热传递系数。例如，不锈钢可以用作支撑单元，而另一种钢，即非不锈钢，可用作金属条。优选地，每个金属条由其各自的支撑单元支撑，并且因此每个支撑单元正好承载一个金属条。优选地，支撑单元由整体构成，由此热膨胀的影响较小。因此，支撑单元由均质材料构成，该均质材料的传热系数应(如上所述)小于金属条的传热系数，优选地，该金属条也是由均质材料形成的整体。然而，可选地，彼此直接连接并形成带有多个金属条的支架的支撑单元也是可行的。在这种情况下，复数个金属条可以由一个支撑单元承载，或者多个支撑单元用于支撑一个金属条。

优选地，金属条的材料具有高的比热容，优选地，其大于支撑单元或基座的比热容。

借助于支撑单元将金属条与基座分开，减少了基座以及直接靠近基座的各个支撑单元的各部分的热量，因此在基座上的热膨胀是不成问题的。可选地，还可以选择支撑单元的材料和基座的材料，使得它们的热膨胀系数彼此相差至多10％，优选地至多5％。相反，金属条的热膨胀系数的确切值不太相关，因为金属条可以基本自由地膨胀。因此，用于金属条，支撑单元和基座的材料可以选择为，使得支撑单元和基座的材料的热膨胀系数比金属条和基座的材料的热膨胀系数更靠近。

可以理解的是，热膨胀系数为由于温度升高1℃，特别是从20℃至21℃而引起的长度变化。

基座定义一地面区域，在该地面区域上，金属条通过支撑单元保持。地面区域的宽度和长度可以至少与金属条跨过/覆盖的区域一样大。这样可确保安全直立。基座可以由硬体组成，以确保金属条彼此之间的一定距离和设置，这对于热交换器和电加热器相对于金属条的精确设置而言可以是相关的。基座特别地由混凝土组成或可包括混凝土。优选地，支撑单元封闭或嵌入在基座中，因此特别地保持在混凝土中，这提供了安全和成本有效的安装。

每个支撑单元可以是管道(恰好是一根管道)，也可以包括一根或几根管道。该管道可以是中空的，因此管的质量较小，并且因此减少了向基座的热传递。然而，该管道也可以由非空心的杆形成。管道的横截面可能比其承载的金属条小。这也减少了向基座的热传递。

管道的下端固定在底座中或底座上，优选地，嵌入混凝土中。管道的上端可以延伸到容纳开口中，每个金属条可在其相应的下端处包括该容纳开口，使得相应的金属条由管道(或更一般地：由在容纳开口中突出的支撑单元)支撑。容纳开口的横截面可以大于管道的上端的横截面，从而形成间隙，特别是在室温或20℃。如果金属条的热膨胀系数大于管道的热膨胀系数，则该间隙可确保在金属条热膨胀时不会损坏管道。为了仍然保证支撑，容纳开口足够深，特别是其深度至少是容纳开口直径的三倍，优选地，至少四倍。由于不同的热膨胀，可优选地，仅将金属条(特别是具有其容纳开口)放置在支撑单元上，并且不再进一步固定，特别是不拧紧或焊接。可选地，可以省略间隙，该间隙在加热时会增加金属条在管道上的压力。

通过将金属条保持在其容纳开口和支撑单元的突出管道的上方，每个金属条的外圆周可以是自由的并且不邻接支撑单元。有利的是，金属条因此可以自由地向外膨胀，而不会在例如支撑单元处产生张力。由于金属条的外圆周大于容纳开口处的内圆周，因此外圆周上的热膨胀更为相关，并且对于与外圆周接界的支撑单元将引起更严重的问题。

多个金属条，例如至少20或30个，可以在同一基座上彼此相邻设置。金属条可设置成彼此相邻的几排，并且可以使其纵轴彼此平行地对准。

为了有效地进行热传递，可优选地，金属条彼此相邻直立。以这种方式，由电加热器发出的大量热辐射冲击在金属条上。此外，紧密的设置有利于热交换器管对多个金属条的同时使用。然而，优选的是，金属条之间的距离将考虑到它们的热膨胀。因此可以规定，如果将相邻的金属条从20℃加热到低于其熔化温度的温度100℃，则该行的相邻金属条的距离大于相邻的金属条在行方向上经历的热膨胀，并且该距离小于上述热膨胀的五倍。低于金属条或支撑单元的熔化温度的100℃范围内的温度，在操作期间提供了足够大的安全裕度，从而排除了熔化。此外，在较大的温度范围内排除了金属条之间的不期望的接触。可选地，上述热膨胀定义为从20℃加热到在蓄热器的操作中使用的温度范围的上限。

热交换器可包括多个热交换器管，流体通过该多个热交换器管输送或泵送。流体可以是例如水。更一般地，液体或蒸气可以用作流体。热交换器管可以在金属条之间延伸，并且与金属条间隔开。因此，借助于金属条的热辐射，从金属条到热交换器管以及其中所容纳的流体发生热传递。此外，一定的热传递是由金属条和热交换器管之间的气体实现的，即通过加热气体的对流空气流。然而，不会通过将金属条和热交换器管直接耦合的固体内的热传导发生热传递。

电加热器可包括设置在金属条之间及与金属条间隔开的多个加热元件。类似于上述向热交换器管的热传递，热量从加热元件传递到金属条。

热交换器管和/或加热元件相对于金属条可移动地布置，以允许它们之间的可变热膨胀。为此，热交换器管或加热元件均未与金属条或支撑单元连接或固定耦合。热交换器管和/或加热元件原则上可以与基座连接，而基座仅略微热膨胀。为实现热交换器管和/或加热元件的热膨胀不成问题，优选地，它们可移动地支撑或悬挂，其中它们的悬挂不与金属条或支撑单元连接。悬架可固定在基座上，或者固定在不与基座刚性连接的支架上。

金属条可以设置成几排，且可以特别地形成棋盘图案。然而，可优选的是，金属条的相邻行之间的行距离大于一行中的相邻金属条的距离。以这种方式，在行之间形成自由空间，并且在该自由空间中可设置热交换器或电加热器。热交换器管可设置在金属条的行之间，并且加热元件可设置在金属条的其他行之间。优选地，在自由空间中交替设置热交换器管和加热元件，即按以下顺序：一行金属条、加热元件、一行金属条、热交换器管、一行金属条、加热元件等。热交换器管可在成行的金属条之间水平地延伸或具有小于10％的斜率。因此，热交换器管垂直于金属条或成80°至100°之间的角度。以这种方式，热交换器管沿着数个金属条延伸，且从所有这些金属条接收热能。

在每种情况下，数个热交换器管可在彼此上方设置，且在不同的高度层中彼此间隔开。因此，热交换器管接收在相邻金属条的高度上散发的热能。例如，设有热交换器管的高度层可以跨越金属条的高度的至少70％。为每个高度层可分别提供一泵，或可选地，可以通过与单个泵连接的分流器，来提供多个高度层的热交换器管。为了从金属条均匀地吸收热量，特别地，可以设置一个或复数个泵，以通过热交换器管输送流体，且设置为，流体的流动方向在位于热交换器顶部的热交换器管中彼此相反。因此，设置在彼此顶部上的热交换器管平行延伸，其中，设置在彼此顶部上的热交换器管内，流动方向是反平行的。

热交换器不必须包括在金属条之间延伸的热交换器管。相反，热交换器的传热介质也可以在金属条之间自由流动，且可接触金属条。热交换器可包括通风机，作为热传递介质的气体通过该通风机沿着金属条输送。可以理解的是，通风机包括可以利用其来加速气体的任何单元，例如压缩机或风扇。还可设置一壳体，该壳体，尤其是气密的，包围电加热器和蓄热器。热交换器可以包括在壳体的下部区域中的入口管，以将待加热的气体引入壳体的下部区域中，特别是在金属条下方的区域中。热交换器可以包括在壳体的上部区域处的出口管，以使加热的气体从壳体的上部区域中出来。更一般地，可以理解的是，上部区域和下部区域使得上部区域在下部区域上方。然而，若额外地，由进气管形成的进入壳体的气体入口在金属条的下方，使得流入的气体首先到达支撑单元，则支撑单元由相对较冷的气体冷却。这有利于减少基座的升温和由此引起的热膨胀。出口管以及因此从壳体的气体出口，可有利地设置在金属条上方。这对于使气体均匀地流过壳体是有利的：壳体在金属条上方提供了一个自由空间，该自由空间基本上没有阻碍流动的空间，以使存在基本均匀的压力；金属条彼此靠近，从而阻碍了流动/起到了引发压力下降的节流阀的作用。支撑单元比金属条彼此进一步间隔开，从而形成具有基本共同压力的下部区域。当将气体输送到具有大致均匀压力的下部区域中时，由于金属条的缘故，向金属条上方的空间产生了压力下降，其中，在金属条上方的所述空间中存在大致均匀的压力。这意味着气体在所有金属条之间，而不仅仅是靠近壳体的进气口，几乎均匀地上升。因此，气体入口和气体出口的设置对于实现所有金属条流过它们的气体具有均匀的热量输出很重要。

热交换器可以形成气体在其中循环的闭合回路。优选地，惰性气体或气体混合物可用作为气体。特别可理解地，其为没有氧气的气体混合物。这使金属条和电加热器腐蚀的危险保持在较低水平。

在热交换器的闭合回路处，可设置第二热交换器，该第二热交换器将热能释放给第二流体回路。优选地，热交换器的通风机可设置在壳体的外部，以避免在壳体内经受高温。因此，优选地，通风机设置在第二热交换器和入口管之间。

在运行中，根据存储状态，蓄热器的温度变化很大，例如可以为20℃或600℃。因此，作为传热介质的气体的温度在很大程度上取决于蓄热器的充电状态。应避免在较高的气体温度下空气或气体压力过高。为此，热交换器的闭合回路可以包括膨胀体积，该膨胀体积的尺寸随着压力而增加。例如，这可以通过可移壁来实现，可选地，该可移动壁可被偏压(例如，弹簧将可移动的壁推向封闭的气体)。随着气体温度的升高，可移动壁随着气体压力的升高而移动，使得气体压力不会随着气体温度的升高而变得过高。

金属条的行之间的加热元件可跨越高度，该高度对应于金属条的高度的至少70％，且可跨越在金属条的相邻行的整个长度上延伸的长度。这为金属条提供了非常均匀的加热。

原则上，加热元件可任意设计，只要其将电能完全完全转换成热能，例如电能的至少80％。特别地，加热元件可根据电阻原理起作用，即，电流流过加热元件，从而由于它们的电阻而加热它们。加热元件可包括例如螺旋形或曲折延伸的金属条或金属板，通过其他方式(例如通过激光切割)在其中铣削或提供间隙或空间，从而使金属板的剩余部分具有曲折形状，即曲折的弯道或蛇形。金属，例如钢，的电阻用于加热金属。为此，曲折的轨道或车道可设置有可在其上施加电压的电端子。

可设置的是，在蓄热器的两行金属条之间仅设置一个如上所述的加热元件。

板状加热元件可设置在蓄热器的金属条的行之间，使得金属板是直立的，即，板状的长边而不是其最短尺寸的方向(可以称为金属板厚度/强度)与金属条的纵向对齐。由于直立设置，从金属板散发的大部分热能到达蓄热器的金属条，而仅散发在金属板的纤细侧面上的热辐射的一小部分辐射至未设置金属条的其他方向。

可通过加热元件将例如高达8MW的高功率水平馈送到蓄能器中。

弯曲形状的加热元件的设计必须防止变形(例如，由于加热元件的重量或由于热膨胀引起的变形)导致弯曲形状的相邻部分彼此接触。为此可以使用保持条(holdingbars)，其与弯曲的形状段连接，且将它们彼此以限定的关系保持在一起。曲折形状的轨道(即，行或杆部)可视为曲折形状部。优选地，每个轨道在重力方向上(平行于金属条)延伸，使得数个轨道部分在水平方向上彼此相邻。这对于金属板的稳定性、悬挂和固定很重要。优选地，形成在上部和/或下部区域中，特别是所有曲折的轨道部分处，的各自保持元件，例如孔或突起，不同。对于在上部或下部区域中的保持元件，提供有一个或多个保持条，其在与保持元件匹配的位置处包括固定形状(保持特征)，该固定形状与保持元件接合。如果保持元件形成为孔或凹部，则固定形状可以形成为突起或钩形，反之亦然。这样，可保持金属板，并确保曲折条部分之间的距离。特别地，可提供保持条，该保持条在上部区域中与保持元件连接(所述保持杆因此水平地延伸)，而第二保持条在下部区域中与保持元件连接，且因此也水平地延伸。

保持条至少在其表面上是电绝缘的，以避免在弯折弯道之间以及在金属板和相邻元件之间(例如蓄热器)的不期望的电接触。

对于每个加热元件，可设置相应的悬架，该悬架定位在水平方向上的相应的加热元件的中央区域，其中，加热元件在该水平方向上的外部区域是自由的(即，那些位置没有设置悬架)，以允许加热元件在水平方向上的热膨胀。每个加热元件的下侧可自由地保持在空气中(因此与位于其下方的基座间隔开)，以允许加热元件在垂直方向上的热膨胀。悬架可以与蓄热器的一个或多个中心金属条连接，即，加热元件可以由蓄热器的一个或多个金属条保持。“中心”在这里可以理解为是指一行金属条的中间。

可选地，加热元件的中央悬架也可以与基座连接。这允许加热元件在水平方向上自由地向上热膨胀。然而，在这种情况下，传输至基座的热量更多，这使得基座的热膨胀更加成问题。因此，优选地，加热元件的悬架导致金属条或不与基座连接的另一支架限制向基座的热传递。

电加热器或其悬架的设计也可视为独立的发明概念，其可以独立于上述蓄热器的设计来实施，即独立于金属条、支撑单元和基座。

可以理解的是，蓄能器包括电加热器、蓄热器和热交换器的表达方式可以是设置至少一个电加热器、至少一个蓄热器和至少一个热交换器。

本发明的方法的变型是由蓄能器的特征的预期用途产生的，所述特征被描述为可选特征。

附图说明

下面参照附图描述本发明的其他优点和特征，其中：

图1是本发明的蓄能器的蓄热器的示意性透视图。

图2是本发明的蓄能器的示意性剖视图。

图3是本发明的蓄能器的示意性纵向剖视图。

图4是本发明的蓄能器的蓄热器的局部透视图。

图5是本发明的蓄能器的蓄热器的部分的剖视图。

图6是本发明的蓄能器的另一示例性实施例。

图7是本发明的蓄能器的另一示例性实施例。

图8是图6或图7的蓄能器的水平剖视图。

图9是本发明的蓄能器的加热元件。

图10是本发明的蓄能器的加热元件的电触点；及

图11是本发明的蓄能器的加热元件。

在图中，相似且作用相似的部件通常以共同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出了本发明的蓄能器的示例性实施例的蓄热器20的示意性透视图。

蓄能器除了蓄热器20外，还包括电加热器(在此未示出)，通过该电加热器可将电能从外部输入到蓄能器中并在其内存储。电加热器可以与外部电网连接，且可总在暂时供应电能时操作以消耗电能。电加热器将电能转换成热能。该热能被传递到下面更详细描述的蓄热器20，并暂时存储在该蓄热器中。

为了从蓄能器中获取热能，蓄能器包括未在图1中示出的热交换器。热交换器，更具体地，热交换器中输送的流体被蓄热器20加热。加热的流体被输送走，特别地可用于加热的目的或产生电能。因此，利用加热的流体或被加热的流体加热的另一种工作流体，可以驱动发动机-发电机单元或涡轮-发电机单元以产生电能。

蓄热器20包括多个金属条21，其被加热以存储热能。金属条21直立设置，即，它们的纵向平行于地球重力场的方向。每个金属条由各自的支撑单元23承载，其中支撑单元23又被固定到公共基座25。因此，所有金属条21被支撑在公共基座25上方。

金属条21被剧烈加热，以例如在至少300℃或至少500℃的温度范围内存储热量。为了存储特别大量的能量，可能需要大的温度范围。在如此大的温度变化下，加热部件的热膨胀变得相关。由于不同的材料会经受不同的热膨胀，因此原则上在这些部件之间可能会出现拉力或损坏。根据本发明，通过蓄热器的设计和蓄热器的其他部件的设置使这种危险最小化。

为此，金属条或金属杆21的杆状设计及其直立设置是重要的：金属条21在纵向上经历绝对值最大的热膨胀。通过仅将金属条21保持在其下端，而金属条21在其他方面是自由的，则可以在纵向方向上扩展而不会对相邻部件施加张力。通过直立设置，可以将金属条仅在其下端(或原则上在其上端)保持；与例如水平设置相比，不需要在金属杆的复数个位置或两端处提供支撑单元。因此，在横截面方向上，金属条的热膨胀不成问题，特别是如果金属条仅在该方向上被空气/气体包围，则将在下面进一步详细描述。同样，由于金属条的横截面相对较小，所以横截面平面中的热膨胀的绝对值也较小。

每个支撑单元23支撑金属条21之一。在图4的透视图中示出了金属条21和支撑单元23的组合。此外，图5示出了切开金属条21之间的连接区域的长度。如图所示，支撑单元23可以由杆或管道23形成。管道23的横截面小于金属条21的横截面。这对于安装和隔热是有用的。较小的横截面减少了通过管道23至基座的热传递。由于基座可以整体形成或没有自由空间，因此重要的是，基座加热的程度要比金属条小，并且要慢。

如果金属条21在其下端具有容纳开口或孔22，管道23伸入该容纳开口或孔22，则管道23的较小横截面可以是有用的。这样，金属条21可以保持在管道23上，而无需彼此焊接、螺纹连接或固定连接。取而代之的是，金属条21位于管道23上，因此不同的热膨胀不成问题。对于这种堆叠，金属条的直立设置是有利的。此外，在容纳孔22中的支撑具有这样的效果，即金属条21的外周可以是自由的，即，每个金属条21的圆周表面仅紧邻空气，或者特别地不紧邻支撑单元。这避免了由于金属条21的外周处的不同热膨胀而引起的潜在问题。

如图5所示，容纳孔22可具有朝向金属杆21的端部，更宽或变宽的引入部。该引入部有助于将金属条21和管道23放置在一起。在引入部的后面，容纳孔22的形状对应于管道23的形状，在所示的示例中，因此是具有圆形或原则上有角度的横截面的圆柱形。如图5所示，容纳孔22上与金属条21的下端隔开的封闭端可以是锥形的。如果管道23的上端也具有朝向端部的变小的横截面，则该形状是有利的，这有助于将管道23插入容纳开口22中。

管道23的长度可以对应于金属条21的长度的20％至50％之间，优选地在25％至45％之间。对于与基座的长距离，期望管道23的长度较大，因此对基座的隔热效果特别好。然而，管道23的机械稳定性随着管子长度的增加而降低，因此，在管道长度大的情况下，必须选择更大的管道23的横截面尺寸，这反过来又增加了向基座的热传递。因此，存在管道23的长度的理想范围，其取决于要承载的金属条21。如果管道长度小于金属条长度的20％，则到基座的距离太小，以至于热传递不如期望地变高；当管道长度大于金属条长度的50％时，由于需要更大的管道直径，热传递反而不如期望地变高。

特别地，在上述情况下可以规定，金属条的直径在管道的直径的1.5至2.5倍之间。

下文参照图2描述蓄热器20与蓄能器的其他部件的相互作用。图2以截面图(即，垂直于蓄能器的金属条的纵向方向的剖视图)示出了蓄能器100。在该示例中，金属条21具有矩形，优选地为正方形，的横截面。金属条21设置成几行26、27、28。在一行26、27、28内的相邻金属条21之间的距离小于两个相邻行26、27或27、28之间的距离。这在相邻的行26、27、28之间创建了相应的自由空间。在一个或多个自由空间中，设置有电加热器10的各自的加热元件。在一个或多个其他自由空间中，设置有热交换器30的热交换器管31、32。加热元件或热交换器管31、32不接触金属条21。

电加热器10的加热元件可在整个长度上，或者在相邻的行27、28的整个长度上的至少80％上，连续地延伸。加热元件被加热并因此发出热辐射。从电加热器10到金属条21以及从金属条21到热交换器或热交换器管的热传递，通过热辐射和通过它们之间的气体实现，其中在加热元件和金属条21之间，或金属条和热交换器30之间，或热交换器管31、32之间，没有设置连接体，通过这些可发生热传递。有利的是，金属条21、电加热器10和热交换器30在操作中可经历彼此独立且不同的热膨胀，且这些部件之间没有张力。

行26的金属条21之间的距离小于金属条21的直径(或小于金属条在行26的方向上的尺寸)。在这样的小距离下，从电加热器10发出的热辐射基本上完全撞击在金属条21上，并且仅在很小的程度上通过金属条21的行27。这对于特别有效的热传递很重要。此外，从行26的金属条发出并通过热交换器管31的热辐射撞击在下一行27的金属条上，因此所散发的热能没有损失而是保留在蓄热器中。

电加热器10的电加热元件可以由一个或多个金属体形成，其上供应有电流并因此加热。在金属条的不同行之间，可以设置相应的电加热元件。如图2所示，在垂直于行的方向上(即在不同行之间的自由空间中)，电加热元件和热交换器管可以交替使用。

在图3中示出了本发明的蓄能器100的纵向剖视图。可以看出，基座25至少与金属条的行一样长，并且可以一体地，例如以混凝土块，形成。管道23可以直接伸入混凝土砌块中或伸入混凝土砌块处的保持装置中，并以这种方式固定。管道23的材料选择，使得它们的热膨胀系数与基座的材料的热膨胀系数至多相差5％。每个管道23可以彼此独立地与基座25连接，或者管道23可以彼此连接并共同安装至基座25。

如图3所示，多个热交换器管32-37在金属条的相同两行之间，延伸在彼此上方。热交换器管的这种堆叠，允许在金属条的整个高度上将热能传递到热交换器。优选地，从最高的热交换器管32到最低的热交换器管37的距离至少对应于金属条21的高度/长度的80％。还示出了热交换器管中的流体的流动方向。在上下方向上相邻的热交换器管32、33中，流动方向相反。通过这样的方式，在金属条的一行上实现了更均匀的热量输出。

在金属杆的不同行之间以相同的高度延伸的不同的热交换器管37，可彼此连接并且可共享泵38。这实现了更简单的设置以及更均匀的流体流动，并因此实现更均匀的热量输出。

进一步地，流体必须被向上泵送至设置高于另一热交换器管33的热交换器管34，因此，如果不采取进一步措施，则随着热交换器管高度的增加，热交换器管中的流速将降低。在金属杆的上部区域中的热输出将较低。为了对此进行补偿，可以向上部区域中的热交换器管37提供比下部区域中的热交换器管32更强的泵压。

除几个或不同的泵38，也可将共用的泵与流体分配器一起使用。可通过公共泵和所述的热交换器管之间的管路中的节流阀提供不同的压力。

图6示出了本发明的蓄能器的另一示例性实施例。该蓄能器不同于在热交换器30的设计上的先前的示例。在这种情况下，热交换器不包括用于在金属条21或加热元件11之间延伸的，用于热传递的管。相反，热传递流体在此沿着金属条21自由地移动。蓄热器的金属条21和加热元件11被封闭在壳体40中，该壳体40可以是绝热的并且可以提供用于热传递流体的空间(其中该空间是气密的，除了进口孔和出口孔)。可选地或额外地，也可以设置气体/空气引导壁41，其形成用于热传递流体的限制壁。除金属条21和加热元件11的区域之外，空气引导壁41和/或壳体40还封闭金属条21下方的下部区域以及金属条21上方的上部区域。热交换器30包括通向下部区域的入口管，和与上部区域连接的出口管。通风机39将作为热传递流体的气体通过入口管输送到下部区域，气体沿金属条21和加热元件11上升，在该下部区域中被加热并最终通过出口管排出。出口管通向第二热交换器45，热量通过第二热交换器45输出到另一个流体回路46。气体从第二热交换器45通过通风器39再次到达入口管。由于热交换器30的这种设计在壳体40内不使用热交换器管，避免了热交换器管的热膨胀的问题；此外，在下部区域中引入相对较冷的气体(该气体比金属条21更冷)的结果是，支撑单元23以及基座25被冷却或被不太强烈地加热。对于基座25的热膨胀，这是显著的优点。

由于自由的上部区域和自由的下部区域(与彼此紧紧地设置在一起，且并用作节流阀的进入气体，并因此导致压降的金属条21和加热元件11相比)，引入气体在下部区域中的均匀分布，可在引入气体沿着金属条21上升之前引起。有利地，可提供沿着金属条棒21的均匀流动，而无需通风机39或其他必要的，设置在壳体40内的，用于输送气体的装置，其中由于高温，材料应力会很高。

图7示出了图6的示例性实施例的变型。在这种情况下，热交换器30的闭合回路包括膨胀容积42，膨胀容积42的尺寸随着封闭空气的压力的增加而增大。为此，膨胀容积可包括可移动壁43。有利地，这至少部分地补偿了热交换器30中由于空气的温度升高而引起的压力升高。膨胀容积42可包括具有可变容积的容器，该容器通过管线与热交换器容积的其余部分耦合。该管线可连接到金属条21的热交换器容积上游的其余部分，使得不是将刚被金属条21加热的空气输送到膨胀容积42中，而是将刚刚在第二热交换器45下冷却的空气输送到膨胀容积42中；以此方式，在膨胀容积处保留了较少量的未使用的热能，这提高了总效率。可选地，该管线也可连接至壳体40的上部区域，或连接至从上部区域至第二热交换器45的管道。在这种情况下，刚在金属条21处加热的空气被引入膨胀容积42中，因此，由此产生的压力补偿对蓄热器20的温度特别敏感地反应。

图8示出了穿过图6或图7的蓄能器的水平剖视图。电加热器10的加热元件11中的相应一个位于金属条21的两个相邻行26、27或27、28之间。在此，热交换器管未设置在金属条21的行间。

图9更详细地示出了加热元件11的设计，其可在所有描述的示例性实施例中使用。加热元件11包括金属板，在金属板中切割出间隙，使得剩余的金属板形成曲折弯道12。间隙可通过例如激光切割或铣削，及切割金属板形式，使得曲折弯道12在金属板的两个较长的尺寸内延伸(而不是在较短的尺寸内延伸，该较短的尺寸是延伸到图9的平面内的板厚度)。在曲折弯道12的不同端部或区段处，设置有电触点(未示出)，通过该电触点施加电压。电流后沿着曲折弯道12流动，并且金属板由于金属的电阻而加热，这也称为电阻加热或欧姆加热。

考虑到热膨胀，金属板的稳定性很重要，因为在操作中金属板可从室温加热到600℃以上。特别地，必须避免曲折弯道的各区段弯曲并彼此接触，这将导致接触短路，以及后果为，曲折弯道的部分几乎不会施加有电流，且更少地发热。为避免这种情况，将一个或多个支撑杆/保持杆连接到金属板上。金属板包括保持元件13，其可以是例如在金属板上的孔或突起，其可在水平的行上设置在金属板的上端。特别地，可在曲折弯道的每个U形转弯处设置保持元件13。同样优选的是，在曲折弯道的每个U形转弯处的金属板的下部区域，也设置有相应的保持元件13。

在图11中示意性地示出的保持杆15，可包括保持特征16，该保持特征可选择为，与保持元件13相对应，使得可以在保持特征16和保持元件13之间进行固定。保持条15与一行的所有保持元件13连接。在图11的示例中，提供了用于保持元件13的上方行的保持条15，并且为保持元件13的下方行提供了另一个保持条15。这避免了在曲折弯道的每个U形转弯处的不期望的翘曲。

优选地，保持条15由一种或多种热膨胀系数与金属板的材料的热膨胀系数偏离最多10％的材料构成。这使由热膨胀引起的材料张力保持较低。保持条15至少在其表面处是电绝缘的，以避免在曲折弯道的各部分之间建立额外的电接触。

保持条15还便于金属板的悬挂：优选地，保持条可从中心区域(在水平方向上)悬挂，使得保持条和金属板的水平端部可以在温度升高的情况下自由地膨胀。中央区域的悬架可特别地与行26或27或28或29的一个或多个中央金属条21连接，该金属条21紧邻相应的加热元件11，从而加热元件11由相邻的金属条21保持。优选地，加热元件11仅悬挂在其上部区域，例如仅悬挂在上部保持条15处，并且其下部边缘自由悬挂在空气中。这样也可以自由地向上和向下进行热膨胀。

图10示意性地示出了曲折弯道12的电触点。可设置三个电触点/端子L1、L2和L3，它们提供有常规电网电压的三相。这将均匀地使用电网。

根据本发明，蓄能器的设计以低成本且坚固的方式实现，使得蓄能器的部件的热膨胀不成问题。同时可以有效地从蓄能器输入，存储和输出能量。

Claims (15)

1.一种用于将电能存储为热能的蓄能器，包括：

-用于将电能转换成热能的电加热器(10)；

-用于存储电加热器(10)的热能的蓄热器(20)；及

-用于从蓄热器(20)输出热能的热交换器(30)；

其特征在于，

蓄热器(20)至少包括：

-复数个直立排列的金属条(21)，用于存储电加热器(10)的热能；

-基座(25)；

-复数个支撑单元(23)，其中每个支撑单元(23)与金属条(21)之一和基座(25)连接。

2.如权利要求1所述的蓄能器，其特征在于，

金属条(21)与基座(25)隔开，且

支撑单元(23)的材料的热传递系数小于金属条(21)的材料的热传递系数。

3.如权利要求1所述的蓄能器，其特征在于，

基座(25)是混凝土块，其定义一地面区域，在该地面区域上，金属条(21)通过支撑单元(23)保持。

4.如权利要求1至3任一项所述的蓄能器，其特征在于，

每个支撑单元(23)包括管道；

所述管道的横截面小于被支撑的金属条(21)的横截面。

5.如权利要求4所述的蓄能器，其特征在于，

每个金属条(21)在其下端具有容纳开口(22)，支撑单元(23)伸入容纳开口(22)以承载相应的金属条(21)，且

每个金属条(21)的外周是自由的，且不接触支撑单元(23)。

6.如权利要求1所述的蓄能器，其特征在于，

金属条(21)以彼此相邻的几行(26、27、28)设置，且其纵轴彼此平行地对准。

7.如权利要求6所述的蓄能器，其特征在于，

一行(26)内的相邻金属条(21)之间的距离大于，若从20℃加热到低于其的熔化温度100℃的温度，则相邻金属条(21)在行(26)的方向上经历的温度膨胀，且所述距离小于温度膨胀的五倍。

8.如权利要求1所述的蓄能器，其特征在于，

热交换器(30)包括通风机(39)，以沿着金属条(21)引导用作传热介质的气体，

设有壳体(40)，其封闭电加热器(10)和蓄热器(20)，

热交换器(30)包括在壳体(40)的下部区域中的入口管，以将待加热的气体引入壳体(40)的下部区域中，且热交换器(30)在壳体(40)的上部包括出口管，以将加热后的气体从壳体(40)的上部输出，

热交换器(30)形成闭合回路，且在该闭合回路中包括用作气体的惰性气体或气体混合物，

还有另一热交换器设置在闭合回路处，其中热能通过另一热交换器输出到另一流体回路，且热交换器(30)的通风机(39)设置在壳体(40)的外部，

热交换器(30)的闭合回路包括膨胀容积，其尺寸随着压力的增加而增加。

9.如权利要求1所述的蓄能器，其特征在于，

-热交换器(30)包括在金属条(21)之间延伸，并与金属条(21)间隔开的复数个热交换器管(31-37)，以允许它们之间的可变热膨胀；

和/或

-电加热器(10)包括设置在金属条(21)之间，并与金属条(21)间隔开的复数个加热元件(11)，以允许它们之间的可变热膨胀。

10.如权利要求9所述的蓄能器，其特征在于，

每个加热元件(11)提供有相应的悬架，其中该悬架在水平方向上位于相应加热元件(11)的中央区域，以允许加热元件(11)在水平方向的热膨胀；

每个加热元件(11)的下侧自由地保持在空气中，以允许加热元件(11)在垂直方向上热膨胀。

11.如权利要求9所述的蓄能器，其特征在于，

热量通过热辐射和位于加热元件(11)和金属条之间的气体，从加热元件(11)传递到蓄热器(20)的金属条(21)，其中在加热元件(11)和金属条(21)之间未设置通过自身传递热量的连接体。

12.如权利要求9-11任一项所述的蓄能器，其特征在于，

金属条(21)的相邻行(26,27)间的行距大于一行(26)内的相邻金属条(21)的距离，热交换器管(31；32-37)设置在金属条(21)的相邻的几行(26、27；28、29)之间，加热元件(11)设置在金属条(21)的其他相邻的几行(27、28)之间，

热交换器管在金属条(21)的行间水平或倾斜度小于10％延伸。

13.如权利要求9-11任一项所述的蓄能器，其特征在于，

多个热交换器管(32-37)分别堆叠在彼此上方，并在不同的高度层中彼此隔开，以接收在金属条(21)的高度上散发出来的热能，

设有一个或多个用于通过热交换器管(31-37)输送流体的泵(38)，并设置为相邻堆叠的热交换器管(32、33)中的流体的流动方向彼此相反。

14.如权利要求9所述的蓄能器，其特征在于，

每个加热元件(11)包括一块金属板，在该金属板上形成有自由空间，使得该金属板形成一个曲折弯道(12)，在该曲折弯道上通过电端子施加电压，

在不同的曲折弯道部分的上部和/或下部区域中，设置有相应的保持元件(13)，且提供有一个或多个保持条(15)，保持条在对应于保持元件(13)的位置包括保持特征(16)，其中，保持特征(16)与保持元件(13)接合，从而保持金属板并确保曲折弯道段之间的距离，其中，保持条(15)至少在其表面电绝缘，且每个金属板覆盖成行的金属条(21)之间的高度，该高度至少对应金属条(21)的高度的70％，且每个金属板覆盖在相邻行金属条(21)的整个行长度上延伸的长度。

15.一种用于运行蓄能器的方法，配置为将电能存储为热能，且配置为输出热能，该方法包括：

-通过电加热器(10)将电能转化为热能；

-用蓄热器(20)存储电加热器(10)的热能；及

-通过热交换器(30)输出蓄热器(20)的热能，其特征在于，

蓄热器(20)至少包括：

-复数个金属条(21)，其直立排列并存储来自电加热器(10)的热能，

-基座(25)，

-复数个支撑单元(23)，其中每个支撑单元(23)支撑金属条(21)之一并与基座(25)连接。

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