一种热能储存和回收设备（100、300）包括：换热器装置（110、310），其被配置为用于导引换热器装置第一端（112a）与第二端（114a）之间的传热介质流；储热材料（108），其以下述方式围绕换热器装置，即：使得形成热相互作用区域，以将传热介质与储热材料热耦接；以及控制单元，用于控制设备的操作。换热器装置适于a）如果设备处于储热材料从传热介质接收热能的第一操作模式，则将传热介质从第一端传输到第二端，以及b）如果设备处于储热材料向传热介质释放热能的第二操作模式，则将传热介质从第二端传输到第一端。热相互作用区域至少具有沿传热介质的传输方向的下述物理长度，并且控制单元被配置为以下述方式操作所述设备，即：使得当在设备中用热传热介质储存热能时或用冷传热介质回收热能时，存在一区域（R），其中此区域的传热介质的入口和出口温度保持恒定。此外描述了相应的方法和包括这种设备的系统。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及暂时储存热能的领域。具体地，本专利技术涉及包括换热器装置和储热材料的热能储存和回收设备。进一步地，本专利技术涉及包括这种热能储存和回收设备的热能储存和回收系统以及利用这种热能储存和回收设备储存和回收热能的方法。
技术介绍
来自各种类型的替代性能量源(诸如风力涡轮机、太阳能发电站和波浪能发电站) 的电能产生是不连续的。该产生可能取决于环境参数，诸如风速(对于风力涡轮机而言)、日照强度(对于太阳能发电站而言)以及波浪高度和方向(对于波浪发电站而言)。能量产生和能量需求之间常常很少相关或完全无关。解决电能产生与电能需求无关问题的一种已知途径是暂时储存已经产生但是并未被需求的能量，并且在需求大时释放所储存的能量。过去已经提出了暂时储存能量的许多不同方法。所提出的方法例如为a)机械能量储存方法(例如抽水储存、压缩空气储存和飞轮)，b)化学能量储存方法(例如电化学电池和有机分子储存)，c)磁能量储存，以及d)热能量储存。WO 9214054 Al公开了一种以风为动力的能量产生和储存系统，其包括经由传动装置与发电机驱动接合的风转子，热泵也连接到所述系统以操作至少一个换热器单元。风转子被设计为风轮，该风轮具有与位于下侧发动机外壳中的主轴直接驱动接合的轮缘，除了发电机和热泵外，双循环泵也与该主轴耦接，用于将被加热和被冷却的液体从位于发动机外壳中的加热容器和冷却容器分别输送到分离的储热站和储冷站。经由蒸汽分离器和泵送设备，蒸汽发生器可以连接到储热站，该储热站经由蒸汽涡轮机驱动额外的发电机，以便在风平缓期间产生电力。储存站可以埋在具有沙子、石块或类似材料的填充物的土壤中。这种以风为动力的能量产生和储存系统的一个缺点在于，能量储存和回收系统与风力涡轮机直接机械连接，并且除了储存站之外的所有能量储存装备都位于风力涡轮机中，导致系统组件的机械布置复杂。这导致这种已知的系统不够灵活。需要改进热能的暂时储存，尤其是在热能储存系统的灵活性和效率方面。
技术实现思路
此需要由根据独立权利要求的主题来满足。从属权利要求描述了本专利技术的优选实施例。根据本专利技术的第一方面，提供了一种热能储存和回收设备，包括换热器装置，其被配置为用于导引所述换热器装置的第一端与所述换热器装置的第二端之间的传热介质流；储热材料，其以下述方式围绕所述换热器装置，即使得形成热相互作用区域，以将所述传热介质与所述储热材料热耦接；以及控制单元，用于控制所述热能储存和回收设备的操作。所述换热器装置适于a)如果所述热能储存和回收设备处于第一操作模式，则将所述传热介质从所述第一端传输到所述第二端，在该第一操作模式中，所述储热材料应从所述传热介质接收热能，以及b)如果所述热能储存和回收设备处于第二操作模式，则将所述传热介质从所述第二端传输到所述第一端，在该第二操作模式中，所述储热材料应向所述传热介质释放热能。此外，所述热相互作用区域至少具有沿所述传热介质的传输方向的下述物理长度，并且控制单元被配置为以下述方式操作所述热能储存和回收设备，即使得当在所述热能储存和回收设备中用热传热介质储存热能时或用冷传热介质回收热能时，存在一区域，其中这一区域的传热介质的入口温度和出口温度保持至少基本恒定。所描述的热能储存和回收设备基于以下构思，即通过对于不同操作模式采用不同的传热介质传输方向可以实现高效的热能储存，其中，热相互作用区域的物理长度大于一预定的纵向延伸。具体地，a)两种不同操作模式的不同传输方向，和b)较长的物理长度使得至少在第二操作模式期间的一段时间传热介质达到这样的出口温度，该出口温度至少在第一操作模式期间的某一时间不明显小于传热介质的入口温度。这意味着，在第二操作模式期间传热介质可从热能储存和回收设备接收与在第一操作模式期间提供到热能储存和回收设备的传热介质相比相同的(高)温度。以此方式，如果热传热介质包括被加热的蒸汽，则(初始时)被加热的冷传热介质也可以包括被加热的蒸汽，该被加热的蒸汽之后可在不需要任何其它加热装置的情况下直接用于驱动蒸汽涡轮机。由此可以显著提高储热过程的效率。所描述的利用了 a)从第一端到第二端的第一传输方向以便向储热材料充载(charge)热能,和b)从第二端到第一端的相反第二传输方向以便从储热材料卸载 (discharge)热能，从而可将该原理理解为采用了可逆流原理。具体地，在第一操作模式(即向储热材料充载热能)，使热传热介质进入第一端。在传递了它的至少部分热能之后，至少部分冷却下来的传热介质在第二端返回。相应地，在第二操作模式(即从储热材料卸载热能)，使相对较冷的传热介质进入第二端。在从储热材料接收了热能之后，至少部分地被加热的传热介质在第一端返回。换言之，当受益于所描述的逆流原理时，对热能储存设备进行充载时换热器装置的用于热传热介质的入口端与对热能储存设备进行卸载时换热器装置的用于被加热的传热介质的出口端可以是相同的。相应地，热能储存和回收设备充载时换热器装置用于冷却下来的传热介质的出口端与热能储存和回收设备卸载时换热器装置用于冷的传热介质的入口端可以是相同的。传热介质可以是流体，即液态或气态介质。优选地，传热介质可以是压缩空气或至少当传热介质处于其较高温度时是过热蒸汽。这可意味着，当将热能充载到所描述的热能储存和回收设备中时，被加入换热器装置中的传热介质至少部分是气态的。当传热介质离开换热器装置时，它可以再次变为液体。相应地，从所描述的热能储存和回收设备卸载或提取热能时，冷液态流体可以被加热，从而转化为气态或至少部分气态的蒸汽。如果所提取的热能用于驱动蒸汽涡轮机(该蒸汽涡轮机自身驱动电力发电机)，那么这是尤其有益的。由于所描述的在传热介质和储热材料之间较长物理长度的热相互作用区域结合了以上描述的逆流换热原理，可以确保用热流体(热能储存流体)进行充载并且用冷流体 (热能回收流体)进行卸载的热能储存单元的温度梯度在逆流系统的流的整个长度上保持近似恒定。此外，可以确保热能储存单元的入口和出口温度也近似恒定。具有较长物理长度的换热器装置以及使用逆流换热原理可以确保能够实现近似恒定的热能储存和回收设备入口和出口温度。这使得很容易控制连接的装备来回收所储存的能量并且向电网供应电力。通过使卸载传热介质具有恒定的出口温度，可以在整个热能卸载周期期间保持高效率。这与诸如电池的其它能量储存方案相比是一个重大的优点，在电池中，效率在放电期间降低并且在不同放电速率下效率不同。所描述的热能储存和回收设备也比具有较小相互作用区域的已知设备有效得多，在已知设备中，整个储热材料的温度通常在卸载周期期间 (即第二操作模式)逐渐降低，导致效率降低。根据本专利技术的一个实施例，所描述的传热介质入口和出口温度保持恒定的区域比所述热能储存和回收设备的传热介质相应入口和出口温度基本上不恒定的其它区域长。根据本专利技术的实施例，热相互作用区域的物理长度至少为200m，优选为至少 500m，尤其是至少1000m。通过在传热介质和储热材料之间具有较长物理长度的相互作用区域，即换热器装置位于储热材料中的区域，以及通过采用逆流换热原理，可以确保在第二操作模式(即从热能储存和回收设备回收所储存的热能)期间冷流体的温度增加到与热流体的入口温度相同或近似相同的温度。以此方式，如果在第一操作模式期间提供到热本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：H施蒂斯达尔，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：
国别省市：
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