CN106716040A - 具有高温热能交换系统的蓄充系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有至少一个高温热能交换系统的蓄充系统。高温热能交换系统包括至少一个热交换室，该热交换室具有围绕热交换室的至少一个室内部的室边界，其中，该室边界包括至少一个进口开口和至少一个出口开口，该进口开口用于将至少一种传热流体的进流导向进入该室内部，该出口开口用于将传热流体的出流导向离开该室内部。至少一种储热材料设置在热交换室内部，使得通过热交换室内部的传热流体的热交换流引起储热材料和传热流体之间的热交换。该蓄充系统配备有用于加热进流的传热流体的至少一个蓄充单元。

Description

具有高温热能交换系统的蓄充系统及方法

本发明的背景

1. 技术领域

本发明涉及具有高温热能交换系统的蓄充系统以及使用热能蓄充高温热能交换系统的储热材料的方法。

2. 背景技术

尽管可再生能源被整合至公共电力能源系统（电网）中，但目前很大一部分电力仍然是由化石能源产生。但全球气候变化要求对可再生能源的进一步发展。

在一整天或一整年中，可再生能源（如风能和太阳能）的能量输出不是恒定的。因此，通过使用来自可再生能源的能量所产生的电力会波动。

为了应对这个波动，电能储存单元被发展。这样的能量储存单元是：（a）机械储存单元，例如，抽水储能器、压缩空气储能器或飞轮；（b）化学储能单元，例如，氢气的储能器、电池和有机分子储能器；（c）磁性储能单元；以及（d）使用水或熔盐的热储能单元。

然而，目前只有抽水储能器已经是广泛建立的并且作为大规模能量储存技术是成熟的。所有其它储存技术缺乏以低成本储存电能的能力，而抽水储能则在地理上受限于特定区域（足够的大地高程（geodetic heights））。

发明内容

本发明的目的是提供用于储存（吸收）能量的高效解决方案。

此目的由权利要求中具体说明的本发明而实现。

一种具有至少一个高温热能交换系统的蓄充系统被提供。高温热能交换系统包括至少一个热交换室，该至少一个热交换室具有围绕热交换室的至少一个室内部的室边界，其中，该室边界包括至少一个进口开口和至少一个出口开口，该至少一个进口开口用于将至少一种传热流体的进流导向进入室内部，该至少一个出口开口用于将传热流体的出流导向离开室内部。至少一种储热材料设置在热交换室内部，使得通过热交换室内部的传热流体的热交换流引起储热材料和传热流体之间的热交换。该蓄充系统配备有用于加热进流的传热流体的至少一个蓄充单元。热量是热能。进入热交换室的传热流体的进流和离开热交换室的传热流体的出流形成通过热交换室内部的传热流体的热交换流。

除了具有高温热能交换系统的蓄充系统以外，使用热能蓄充该蓄充系统的储热材料的方法被提供。由此，在高温热能交换系统的蓄充模式中，传热流体被导向通过热交换室内部。由此，使用热能蓄充（加热）传热材料被实现。在蓄充模式期间，发生从传热流体到储热材料的传热。

蓄充单元被设置成使得能够向进流的传热流体高效传热。为了使热能的损失最小化，蓄充单元被优选地设置在进口开口处（在进口开口附近）。

优选地，蓄充单元包括至少一个电加热装置，该至少一个电加热装置从由电阻加热器、感应加热器、电磁辐射发射器和热泵组成的组中选择。电磁辐射优选地是红外辐射。在电阻加热器的辅助下，热能被产生并且被传递至传热流体（经由直接接触、对流或辐射）。由此，能够利用源自可再生能源的电力来驱动电加热。优选地，一个或多个电阻加热器位于热交换流中。优选地，电阻加热器包括用于从电阻加热器到传热流体的高效热交换的大的热交换区域。例如，该大的热交换表面由电阻加热器的格栅形成。曲折形状的电阻加热器也是可能的。利用这样的手段，向传热流体的传热被改进。另外，不期望的热点的出现的可能性被降低。

电阻加热器的热交换表面位于传热流体的进流中，而电阻加热器的控制单元和/或推进单元位于进流的外部。优选地，这样的单元位于高温热能交换系统的相应的冷的区域处或者位于导向进流的管道或通道系统的外部。

不同的电加热装置的组合是可能的。替代地或额外地，在废能（waste energy）或燃烧热的辅助下加热传热流体也是可能的。

蓄充系统优选地包括用于从传热流体的进流中去除颗粒的装置。这样的装置是过滤器或旋风器。颗粒的去除用作高效传热、避免遮盖以及避免可能的失火的目的。

热交换室是储热材料位于其中的空间、腔体、凹穴或壳体。在热交换室内进行热交换。为了提供高效的热交换，优选地使热交换室与周围环境热隔离。通过热隔离而减少热能的损失。

传热流体经由进口开口被导向（引导）进入热交换室内部并经由出口开口被导向离开热交换室内部。存在具有进口开口的室边界的进口区域，并且存在具有出口开口的室边界的出口区域。

为了将传热流体导向进入热交换室并且为了将传热流体导向离开热交换室，管道系统（或通道系统、管路系统）被使用。这个管道系统能够是闭合的（具有闭环）或者能够是开放的（具有开环）。例如，传热流体是周围环境的（环境的空气）。环是开环。来自环境的空气被引入至热交换系统中，并且热交换系统的空气被释放至周围环境。在热交换系统的操作期间，存在空气交换。与此相反，在闭环的操作期间，不存在空气交换或选择地调节的空气交换。这具有下述具体优点：在具有几乎完全蓄充的储热材料的情形中，在开环中含有余热的传热流体被释放至环境。该余热被损失掉。与此相反，在闭环中含有余热的传热流体保持在热交换系统中。余热不被损失。因此，在优选实施例中，闭环被实施，以及其中，进流包括出流。出流被导向回进口开口。

蓄充系统操作在蓄充模式下。被蓄充的高温热能交换系统能够被再次释放。为了将高温热能交换系统释放，该高温热能交换系统在释放模式下操作。在优选实施例中，高温热能交换系统配备有至少一个释放单元，该至少一个释放单元用于将出流中的传热流体的热量释放以用于产生电力。热能被释放并被转换成电力。该热能特别是用于驱动水/蒸汽循环。

为了提高灵活性，火力发电厂（或核电厂等）的蒸汽循环能够与此处提出的高温热能交换系统组合。安装的设备仅用于使用热回收工艺中储存的热能而产生电能，例如在CCPP（联合循环电厂）中，或者使用高温热能交换系统来提高热电厂的灵活性。在后一种情况中，当燃料成本低于电力成本时用燃料操作锅炉，如果电力价格较低则储能器被蓄充。蓄充能够在能量过量产生的时间段中进行。

当电力价格和需求高时或者当可再生能源的产量低时，能够实现释放模式。很合适的是CCPP，因为它们的热回收蒸汽发生器（HRSG）类似于此处提出的应用。然而，能够使用硬煤、油、天然气、废物焚烧、木材或褐煤燃烧发电厂，因为加热装置能够被设计用于高温以便与蒸汽发生器中使用的温度相配。在混合模式中，燃料能够被用于将温度从储存器的温度水平提高到原始熔炉或锅炉设计的操作温度。

取决于操作模式，特定的开口能够具有进口开口的功能或者具有出口开口的功能。热交换流的流动方向取决于操作模式。优选地，在蓄充模式期间，热交换流在蓄充模式方向上被引导，在释放模式期间，热交换流在释放模式方向上被引导，并且蓄充模式方向和释放模式方向是彼此相反的（逆流）。但热交换流的方向的变化不是必需的。蓄充模式方向和释放模式方向包括相同的方向（并流）。在不同的操作使用中，对于蓄充模式和释放模式而言，传热流体的主流动方向是相同的。

在逆流操作中，从蓄充模式切换到释放模式时，通过热交换室内部的交换流的方向被反转，并且因此，开口（进口开口、出口开口）的功能以及在开口处的相对温度（冷或热）也被反转。在这样的解决方案的情况下，特别有利的是对于蓄充模式和释放模式使用相同的传热流体。但是当然，对于蓄充模式和释放模式也能够使用不同的传热流体。

高温热能交换系统特别适于在高温下的操作。因此，在优选实施例中，操作模式的操作温度从300℃和1000℃之间的范围内选择，优选地从500℃和1000℃之间的范围内选择，更优选地从600℃和1000℃之间、650℃至1000℃的范围内选择，最优选地从700℃和1000℃之间的范围选择。该温度范围的偏差是可能的。在本发明的上下文中，非常有利的是温度范围的上限为900℃，以及最优选地，温度范围的上限为800℃。

储热材料能够是液体和/或固体。例如，储热材料的芯部是固体，并且这个固体芯部的涂层是液体。这样的液体涂层能够包括离子液体。

固体材料优选地包括散料。不同液体材料的混合物和不同固体材料的混合物以及液体材料和固体材料的混合物是可能的。

可能的是，储热材料是热化学储能材料：能量能够经由吸热反应而被储存，而能量能够经由放热反应而被释放。这样的热水瓶式（thermos）化学储能器例如是氧化钙/氢氧化钙系统。这些储热材料能够设置在由非反应性容器材料制成的特定容器中。非反应性意指在热交换过程期间在储热材料和容器材料之间不发生化学反应。

而且，具有包括不同的储热材料和/或不同的传热流体的不同的热交换室的复杂高温热交换系统也是可能的。例如，使用石块作为储热材料的热交换单元和使用相变材料作为储热材料的热交换单元被组合在一起。

在优选实施例中，储热材料包括至少一种化学和/或物理稳定的材料。在操作温度的范围内，储热材料不改变其物理和/或化学属性。在热交换期间，物理稳定材料不改变其物理属性。例如，在操作温度范围内，储热材料保持处于固体状态。在热交换期间，化学稳定材料不改变其化学成分。例如，这样的化学稳定材料是相变材料（PCM）。

在优选实施例中，储热材料包括砂和/或石块。石块能够是天然石块或人造石块。石块的混合物也是可能的。人造石块能够由填充有储热材料的容器组成。该储热材料例如是相变材料或热化学储能材料（参见上述内容）。

优选地，石块包括砾石（卵石）、碎石和/或薄砖。人造材料优选地包括熔渣或陶瓷。而且，所提及的材料的混合物也是可能的。

为了提供便宜的储能材料，有利的是使用废料。因此，在优选实施例中，人造材料包括至少一种工业过程的副产物。例如，该副产物是硅酸铁。硅酸铁源于制造铜的炉渣。

在优选实施例中，热交换通道被嵌入储热材料中以用于将热交换流导向通过热交换室内部。储热材料形成热交换床。该热交换床包括热交换通道。热交换通道被嵌入储热床中，使得经过热交换通道的传热流体的热交换流引起储热材料和传热流体之间的热交换。热交换通道能够由储热材料的空隙（间隙）形成。例如，储热材料包括石块。石块形成具有热交换通道的热交换床。此外或替代地，储热材料是多孔的。储热材料的开放孔隙形成热交换通道。

在优选实施例中，高温热能交换系统配备有至少一个流量调节元件，该至少一个流量调节元件用于调节：通过热交换室内部的传热流体的热交换流，进入热交换室内部的传热流体的进流和/或离开热交换室内部的传热流体的出流。在流量调节元件的辅助下，能够分别地调节热交换室内部中和储热材料内的温度分布。多个流量调节元件的使用对于热交换流的精调以及因此对于储热材料中的温度分布的精调是有利的。

优选地，流量调节元件包括至少一个主动流体运动装置（具有对应的软件系统），该至少一个主动流体运动装置从由鼓风机、风扇和泵组成的组中选择，和/或流量调节元件包括至少一个被动流体控制装置，该至少一个被动流体控制装置从由可激活的旁通管、喷嘴、封盖和阀组成的组中选择。许多这些装置以及这些装置的组合是可能的。在这样的装置的辅助下，能够对热交换流进行调整，使得热交换高效地进行。另外，流量调节元件能够顺序地或并行地设置。例如，两个封盖设置在两个进口开口处，以便调节进入热交换室的传热流体的进流并且因此以便调节热交换室中的温度分布。

流量调节元件设置在热交换室中，位于热交换室的下游和/或位于热交换室的上游。

在主动流体运动装置的背景下，有利的是，主动流体运动装置的驱动单元（如电机和电设备）位于（有可能非常热的）热交换流的外部。

被动控制装置的具体优点在于被动控制装置便宜。另外，被动控制装置是非常可靠的。

热交换室是竖直的热交换室和/或水平的热交换室。

术语“水平的热交换室”表示通过热交换室内部的传热流体的水平主（平均）流。水平的主流的流动方向大体上平行于大地的平均表面。该水平方向大体上是垂直于影响传热流体的重力方向的方向。在本发明的上下文中，垂直意指多达20°的垂直度偏差以及优选地多达10°的垂直度偏差是可能的。

热交换流的水平定向的方向能够由侧向进口开口和/或侧向出口开口而实现。水平的热交换室在其侧室边界中包括这些开口。另外，在主动流体运动控制装置（如鼓风机或泵）的辅助下，形成热交换室内部的热交换流。该传热流体被吹至或泵送至热交换室内部中或者从热交换室内部被泵送出或吸出。

与术语“水平的热交换室”相反，术语“竖直的热交换室”表示通过热交换室内部的传热流体的竖直的主流。例如，操作模式是蓄充模式。在竖直的热交换室中，在蓄充模式期间，热交换流优选地被向下引导（从顶部向下）。该竖直的主流（大体上平行于重力的方向，但是与重力方向相反）能够由主动流体运动装置（鼓风机或泵）形成。进口开口位于热交换室的顶部并且出口开口位于热交换室的底部。

基于自然对流，在竖直的热交换室中，沿着垂直于传热流体的流动方向的横截面的储热材料的温度是近似相同的（水平的等温线）。

与此相反，在水平的热交换室中，由于自然对流，沿着垂直于传热流体的流动方向的横截面的储热材料的温度（参见下述内容）能够不同（倾斜的等温线）。

必须指出的是，术语“水平的”和“竖直的”与热交换室的尺寸及其定向无关。决定性的是通过热交换室内部的传热流体的流动方向。例如，“水平的热交换室”能够具有低于热交换室的室高度的室长度。

除了单纯的竖直和水平的热交换室之外，“竖直的热交换室”和“水平的热交换室”的组合也是可能的。在这样的热交换室中，传热流体的主流是通过热交换室内部的传热流体的水平和竖直移动的结果。

在优选实施例中，至少两个进口开口彼此竖直地设置，和/或至少两个出口开口彼此竖直地设置。这些开口设置在彼此的上方。通过该手段，能够影响热交换流的竖直分布，从而分别地改善储热材料和热交换室内部中的温度分布（温度界面前沿（temperaturefront））。垂直于流动方向的等温线受到影响。

温度界面前沿由热交换室内部中的储热材料的相邻的冷和热区域限定，该相邻的冷和热区域由通过热交换室内部的传热流体的流动形成。温度界面前沿被对准成垂直于通过热交换室的热交换流的相应流动方向。在蓄充模式期间，热交换流在蓄充模式方向上被引导，其中，温度界面前沿沿着该蓄充模式方向移动。与此相反，在释放模式期间，热交换流在释放模式方向上（与蓄充模式方向相反）被引导，其中，温度界面前沿沿着该释放模式方向移动。在这两种情况中，热交换室的温度界面前沿通过热交换室移动至热交换室的相应热/冷端。要指出的是，在逆流操作的情况中，热端（热开口）仍然是热端（热开口），与模式（蓄充或释放模式）无关。

温度界面前沿是储热材料中的强温度梯度区（即，在热和冷区域之间的高温差）。在本申请中，温度界面前沿将储热材料内的热交换室中的热区（用热能蓄充）与冷区（未蓄充）分开。温度界面前沿由于在蓄充期间热能从传热流体转移到储热材料以及在释放期间热能从储热材料转移到传热流体而发展。理想地垂直于主流方向形成等温区/线（例如，没有重力的影响），即，恒温区/线。

为了使高温热能交换系统的效率最优化，有利的是确保均匀的温度界面前沿。关于垂直于流动方向的温度梯度，只存在小的变化。在具有从顶部向下的流动方向的竖直的热交换室中，温度界面前沿由于自然对流是几乎均匀的。因此，在该情况中，不需要额外的措施。与此相反，在水平的热交换室中，自然对流导致不均匀的温度界面前沿。因此，在该情况中额外的措施可以是有意义的（例如，使用更多的开口，或者使用更多的流量调节元件）。

优选地，具有开口中的一个的室边界包括具有渐细构型的过渡区域，使得该开口的开口直径与渐细构型的第一渐细构型直径对准，并且热交换室的室直径与渐细构型的第二渐细构型直径对准。该过渡区域包括从相应的开口朝向热交换室增加的横截面。这对于进口开口是特别有利的。过渡区域的直径从进口开口的开口直径扩大到室开口的直径。在渐细构型的辅助下，传热流体的进流被导向进入热交换室内部。被导向的进流被分布到大面积的储热材料。通过这个措施，能够高度地利用热交换单元（位于热交换室中的储热材料）的容量。另外，通过改变热交换流能够改善热交换的效率。备注：为了额外地改变热交换流，能够将扩散器定位在进口开口处，特别是定位在过渡区域中。借助于扩散器，能够调节进入热交换室的传热流体的入射流。例如，这样的扩散器由位于具有渐细构型的过渡区域中的石块形成。

对于热交换室包括多个进口开口的情况而言，非常有利的是将过渡区域设置在至少一个进口开口中。优选地，多个进口开口或者每个进口开口包括其单独的过渡区域。

具有出口开口的过渡区域也能够是渐细的：从室开口到出口开口的渐细被实施。通过这个措施，将热流导向离开热交换室的内部被简化。

在蓄充和释放的流动方向相反的构造中，在进口开口处的过渡区域的渐细和在出口开口处的过渡区域的渐细确保在两种操作模式中的传热流体的期望的流量分布。

在此上下文中，使用短的过渡区域是非常有利的。例如，短的过渡区域具有小于热交换室长度的50%的尺寸。例如，该尺寸约为热交换室长度的20%。该长度是平行于通过热交换室的传热流体的主流方向的热交换室尺寸。但是当然，过渡区域的尺寸取决于完整系统的多个部分，例如，传热流体的温度，热交换流的质量流，在相关开口处的热交换流的速度，等。

为了节省空间并且为了减小面积-体积比以用于减小热损失，有利的是将过渡区域实施得尽可能的短。其结果是用于将进流导向进入热交换室内部的短的过渡通道。除了高效地使用热交换室的容量之外，低的空间要求与这个解决方案有关。

优选地，热交换室包括圆筒形形状的室边界。例如，包括进口开口的室边界被形成为圆形的筒体和/或具有出口开口的室边界被形成为圆形的筒体。这样的形状导致最佳的面积/体积比。

传热流体从由液体和气体组成的组中选择。气体从由无机气体和/或有机气体组成的组中选择。无机气体优选地是空气。不同液体的混合物以及不同气体的混合物是可能的。

优选地，传热流体包括处于环境气体压力下的气体。优选地，处于环境压力下的气体是空气。环境压力（900 hPa至1.100 hPa）变化以使得形成通过热交换室内部的热交换流。

在优选实施例中，高温热能交换系统配备有用于确定高温热能交换系统的蓄充状态的至少一个测量装置。优选地，用于确定高温热能交换系统的蓄充状态的所提及的测量装置是热电偶。该热电偶是基于塞贝克（Seebeck）效应的温度测量装置。替代地，该温度测量装置基于电阻。

例如，高温热交换系统的蓄充状态包括利用热量蓄充储热材料的程度。在测得的蓄充状态的辅助下，能够监测操作模式（蓄充模式或释放模式）。关于蓄充状态的信息能够被用于操作模式的过程控制。蓄充状态或蓄充的状况是指与储热材料的温度相关的高温热交换系统的能量含量。如果大部分储热材料具有高的温度，那么蓄充状态或蓄充的状况比小部分储热材料处于高温下时更高。

在此上下文中，有利的是使用多个这样的测量装置。优选地，这些测量装置分布在热交换室上。

热交换室能够包括大的尺寸。优选地，热交换室的长度从20米至250米之间的范围内选择，热交换室的宽度从20米至250米之间的范围内选择，以及热交换室的高度从10米至60米的范围内选择。

对于蓄充循环和/或释放循环而言，热交换系统优选地包括颗粒过滤器或者从传热流体中去除颗粒的其它装置，例如旋风颗粒去除系统。颗粒的去除用作高效传热、避免颗粒的沉积、避免遮盖以及避免可能的失火的目的。可能的是仅为了调试的目的而使用这个过滤装置。在这种情况中，在初始操作之后该过滤装置被移除。

利用本发明可实现下述具体优点：

- 在具有高温热能交换系统的蓄充系统的辅助下，能够高效率地储存和释放能量。

- 在具有电加热装置的蓄充单元的辅助下，能够获得传热流体的非常高的温度。

- 热能能够被高效地储存和释放。过剩的电力被用于蓄充模式。过剩的电力被转换成被储存的热能。在释放模式期间，热能在水/蒸汽循环的辅助下被转换成电力。由于高温热能交换系统提供的高温，因此这个转换是非常高效的。在（消费者或能源市场的）高电力消耗和高需求的时间段，来自释放模式的电力是可用的。

- 通常，在可再生能源（诸如，陆上和海上风）的辅助下，产生电力的位置与高功耗的区域不一致。弱的电网节点能够导致电网过载，因为它们被设计用于恒定的基本负载而不是被设计用于波动的可再生能源。超过电网容量的过剩能量能够达到高达20%。在这种情况中，必须消减或者甚至关闭可再生能源。利用本发明，过剩电力的高效储存是可能的。

- 处于高的温度水平的热能能够长时间储存。高温热能交换系统可以输送热量达10小时以上至多达10天。在这种储存器中的高温水平能够在600℃以上，并且该高温水平能够直接地用于水/蒸汽循环中的再转换。经由水/蒸汽循环的被储存的热能的电气化不依赖于燃料（如气体或煤），因此无CO₂排放。

- 高温热能交换系统提供比其它储存技术更高的能量密度。这意味着能够在跟小的体积中储存更多的能量。另外，散装的储热材料与当前发展的熔盐或相变材料相比便宜得多并且是成本有效的。

- 由于高温，用于随后的电气化过程的额外的加热（例如，水/蒸汽循环的蒸汽的额外加热）不是必需的。

- 所使用的储热材料是简单且区域性可获得的自然产物，如玄武岩石块。来自工业过程的副产物和废料（例如，来自制造铜的硅酸铁炉渣）也是可能的储存材料。这降低了成本并且导致短的运输距离。

- 高温热能交换系统能够在环境压力下操作（在环境压力下的传热流体）。因此，从传热流体的角度而言无需安装压力单元。达到高温热能交换系统的必需的可靠性是更容易的。另外，高压力单元将是昂贵的。

- 所储存的热能可以用于ORC（有机朗肯循环）发电厂。这些发电厂在相对低的操作温度下操作。但的优选地，所储存的热能被用于蒸汽发电厂。由于高温热能交换系统的高的负载容量和高的可能的操作温度，因此蒸汽发电厂的工作流体（蒸汽）能够在高温下（蒸汽参数）操作。这导致蒸汽发电厂的蒸汽循环的高效率。

- 优选地，高温热能交换系统包括具有补偿单元（例如，膨胀节）的管道系统以用于平衡不同的热引起的尺寸变化（热动态负载）。热失配不会导致管道系统的损坏。这导致高的可靠性。替代地或此外，管道系统包括热隔离的部件，例如与外部隔离的通道。

- 蓄充系统能够与常规的发电厂（例如，燃煤发电厂）结合。这样的发电厂的关闭以及随后的发电厂的启动是昂贵的。在蓄充系统的辅助下能够避免发电厂的关闭和启动。

- 一般来说，由于这种高质量热量，高温热能交换系统具有广泛的用途。该高温热能交换系统不仅能够用于水/蒸汽循环，还能够用于工业或发电厂过程或者用于区域供热或者用于工业蒸汽。

- 另外，蓄充系统也能够被用作释放系统。含有少量热能的“冷”传热流体被导向通过热交换室内部。由此，发生从储热材料到传热流体的传热。

附图说明

通过参照附图的示例性实施例的描述可得到本发明的另外的特征和优点。这些附图是示意性的。

图1至图4示出了不同的高温热能交换系统。

图2A示出了处于释放模式的竖直的热交换室。

图2B示出了处于蓄充模式的图2A的竖直的热交换室。

图3和图4示出了水平的热交换室。

图5A和图5B示出了竖直的热交换室。

图6A、图6B和图6C示出了具有热交换室的不同热隔离的高温热能交换系统。

图7示出了具有高温热能交换系统的完整的蓄充系统。

图8至图13示出了不同的蓄充系统。

具体实施方式

本发明给出的是具有至少一个高温热能交换系统1的蓄充系统1000，该高温热能交换系统1具有处于高温水平的热交换室11，该热交换室11将经由传热流体13而用热能被蓄充和释放，传热流体13随后被储存在储热材料121中。

高温热能交换系统1包括处于高温水平的热交换室11，该热交换室11将经由储存在储热材料121中的传递流体13而用热能被蓄充和释放。

被储存的热量的温度水平与目前为止采用的方法相比显著地更高从而提高效率。温度水平位于300℃和800℃之间，优选地在550℃和650℃之间。高温热交换系统的热容量位于0.3GWh（十亿瓦时）和100GWh之间的范围内，这导致50MW（兆瓦）的热功率。

高温热能交换系统1包括至少一个热交换室11。热交换室11具有环绕热交换室11的至少一个热交换室内部112的室边界111。该热交换室是水平的热交换室114。

室边界111包括用于将至少一种传热流体131的进流132导向进入热交换室内部112的至少一个进口开口1111，以及用于将传热流体的出流133导向离开热交换室内部112的至少一个出口开口1112。至少一种储热材料121被设置在热交换室内部112中，使得通过热交换室内部112的传热流体131的热交换流13引起储热材料121和传热流体131之间的热交换。

热交换室至少部分地集成在大地中。高温热能交换系统的替代实施例包括完全集成的热交换室。

蓄充系统配备有用于加热进流132的传热流体13的至少一个蓄充单元200。

高温热能交换系统1配备有用于确定高温热能交换系统1的蓄充状态的多个测量装置1500。这些测量装置主要地分布在热交换室11中。

热交换室11与周围环境热隔离。存在热隔离单元300。

图6A、图6B和图6C中示出了不同的热隔离的可能性（热隔离堆）。关于图6A，隔离单元300包括第一隔离覆盖板（层）301。该第一隔离覆盖板包括加气混凝土（例如，Ytong®）。替代地，该第一隔离覆盖板包括砖、粘土、陶瓷、熔渣、混凝土、石膏、纤维增强石膏和/或金属。

下一个隔离层302包括矿物棉和/或岩棉。替代地，这个隔离层302包括泡沫粘土或玻璃混凝土。这些材料的混合物也是可能的。

第三隔离层303是该隔离单元完整：这个第三隔离层303具有支撑结构的功能并且包括加气混凝土（例如Ytong®或粘土）、熔渣、混凝土、石膏、纤维增强石膏和/或金属。

替代地，第一隔离层301被省略（图6B）。

在另外的替代解决方案中，热隔离单元300包括额外的中间隔离覆盖层304（图6C）。这个额外的覆盖层包括加气混凝土、粘土或陶瓷，并且具有额外的支撑结构的功能。

示例性地，水平的热交换室11的长度118约为200米，热交换室11的高度119约为10米，以及热交换室11的宽度约为50米。

替代地，竖直的热交换室113被使用（图2A和图2B）。例如，这个竖直的热交换室113的高度120约为40米，宽度119约为20米，以及长度约为40米。

替代地，圆柱形形状的热交换室113被使用。

所提出的高温热能交换系统将储存处于高温水平的能量，该能量能够在释放期间被使用以便在水/蒸汽循环中产生蒸汽以用于再转换成电能。因此，填充有固体储热材料的一个或多个热交换室被使用。固体储热材料可以是具有砂、石块或砾石、碎石、薄砖、熔渣、陶瓷、炉渣的散装的储存材料及其它散料，例如玄武岩或硅酸铁炉渣。

这些固体材料能够单独使用或者能够与用于高温热能交换系统中的其它储热材料混合（例如，由于材料的受限的可获得性，为了改进通过热交换室内部的传热流体的热交换流的流动行为或者为了改进储热材料和传热流体之间的热交换）。还能够使用不同的颗粒大小或者不同的颗粒大小的混合（从而改善流动行为和能量密度）。这样一来，用储热材料对热交换室的填充可以是同质的或者是不同质的。

这个固体散料被加热并且在长时间段中储存热能。具有储热材料的一个或多个热交换室的形状和结构是根据在特定系统中的用途和集成。热交换室的基底区域的形状取决于（多个）热交换室是将竖直地建造（对自然对流没有负面影响）或是水平地建造（简单的结构和入射流，适于当地条件），如图1和图2A和图2B中所示。如果热交换室是水平的，那么热交换室的横截面将是梯形。

在两种情况中（水平的热交换室和竖直的热交换室），存在具有渐细构型1161的热交换室11的过渡区116。由此，开口1111或1112的开口直径1113与渐细构型的第一渐细构型直径1162对准，并且热交换室11的室直径117与渐细构型的第二渐细构型直径1163对准（参见图1、图2A、图2B、图5A或图5b）。传热流体13的进流132被导向进入热交换室内部112。被导向的进流被分布至储热材料121的宽的区域。通过这个措施，可以以有利的方式利用热交换单元（位于热交换室11中的储热材料121）的容量。

过渡区域116是短的。过渡区域116包括小于热交换室11的热交换室长度118的50%的尺寸1162。短的过渡区域116突出至热交换室11中。其结果是用于将进流132导向进入热交换室11的热交换室内部112的短的过渡通道。

为了适应热交换流13，高温热能交换系统包括流量调节元件134。这个流量调节元件134是鼓风机。

此外，热交换室11能够包括一个或多个进口开口1111和出口开口1112，如图3中所示。

高温热能交换系统1额外地配备有至少一个流量调节元件134。该流量调节元件是主动流体运动装置（1341），类似于鼓风机或泵。这样的装置能够实现通过热交换室11的热交换室内部111的传热流体131的输送。鼓风机或泵能够安装在热交换室11的上游或下游。

另外，至少一个被动流体控制器342（类似于阀）位于热交换室11的上游或下游。

对于蓄充模式而言，下游安装（调节装置在高温热能交换系统的冷端处的安装）是有利的：在将热量释放至储热材料之后，相对较冷的传热流体经过流量调节装置。与此相反，在释放模式中，流量调节装置的上游安装是有利的：在从储热材料吸收热量之前，相对较冷的传热流体经过流量调节元件。对于两种模式而言，流量调节元件位于相同的位置处。

在竖直的热交换室的情况中，进口开口和出口开口能够安装在顶部和底部处（减小并避免自然对流）。水平的热交换室能够具有在顶部和底部上（减小自然对流）或在侧部（简单且低成本的结构和简单的入射流）的进口开口和出口开口。

传热流体131通过扩散器1164进入热交换室11。扩散器1164包括石块1165并且被设置在热交换室11的过渡区116处。

此外，传热流体131能够是液体或气体，该流体也能够是有机的或无机的。

为了导向传热流体131，可以使用百叶窗式挡板和/或阀（被动流体控制装置）。

图2A示出了处于释放模式中的竖直的热交换室113。该释放模式方向136被向上定向。

图2B示出了处于蓄充模式中的图2A的竖直的热交换室113。该蓄充模式方向135被向下定向。

图3示出了水平的热交换室114。由此，两个进口开口1111以及两个出口开口1112被设置在彼此的上方。这些开口1111和1112被设置在热交换室11的各个过渡区域1166处。进口开口的至少每个单独的过渡区域1166包括渐细的构型。借助于单独的过渡区域1166，带有石块1165的扩散器1164被形成。为此，过渡区域填充有达三分之一的石块。而且：用于确定高温热能交换系统的蓄充状态的测量装置1500分布于热交换室11中。

取决于用途和需求，能够容易地修改高温热交换系统的容量（储热材料、热交换室的尺寸，等）。例如，为了提高高温热交换系统的容量，高温热交换系统配备有多个热交换室，如图4中所示。

由此，热交换室能够被并行地、顺序地、成一直线地、在彼此的顶部上和/或作为单个热交换室布置。图4示出了具有并行结构的这样的实施例：三个热交换室11共同地形成了高温热能交换系统的共用储存单元。

参照图7，用于高温热能交换系统1的完整的蓄充系统1000包括：一个或多个电加热装置201（蓄充单元200），用于使工作流体循环的一个或多个机器（例如，鼓风机211或泵1341），以及一个或多个热交换室11。电加热装置200能够是电阻加热器201、感应加热器或其它装置。这些装置由管道或管路系统1001连接。图7中所示的高温热能交换系统包括闭环1005。用于控制蓄充单元201的控制单元202被设置在传热流体的进流外部。

对于蓄充模式而言，传热流体131由电加热器201从环境条件下加热。

替代地，传热流体的加热（部分加热或完全加热）借助于废热（例如，来自工业或电厂过程或者来自带有或不带电加热装置的地热源）而执行。

这个被蓄充的传热流体被导向进入热交换室11的热交换室内部112以用于蓄充储热材料。由此，在传热流体和储热材料之间产生热交换。利用附图标记2000示出这个蓄充过程的某个时间的温度界面前沿。

用于使传热流体131循环的机器优选地安装在电加热装置的上游或替代地安装在电加热装置的下游，或者安装在热交换室的下游。多个热交换室11被组合以用于变化的蓄充和释放时间段（未示出）。替代地，仅使用一个热交换室11以便覆盖所要求的储存容量。

对于释放模式而言，高温热能交换系统包括：上面提及的一个或多个热交换室11，用于使传热流体131循环的主动流体运动控制装置1341，以及用于再电气化的热力机，该再电气化能够是水/蒸汽循环1003。这个循环的工作流体是水和蒸汽。水/蒸汽循环1003具有释放单元400的功能。借助于热交换系统（热交换器）1002，传热流体的热能被传递至蒸汽循环1002的工作流体。

高温热交换系统1的不同部件利用管道或管路系统1001而连接。流量调节元件将传热流体导向通过高温热能交换系统的热交换室，热能从储热材料121被传递至传热流体131并且被输送至热力机或另外的应用（例如，区域供热、释放循环的预热、高温热能交换系统的不同部件的加热等）。如果热力机是由一个或多个单元组成的水/蒸汽循环、蒸汽发生器、热交换器或蒸发器，则热能被传递至水以便产生蒸汽，该蒸汽被供给至热力机以便产生电力，如图7中所示。如果在这个热力机的下游的工作流体仍然含有高于环境的温度水平的热能，则这个能量能够被储存在相同的热交换室中或者储存在另一个热交换室中。

图7中示出了完整的系统，其中，所有部件处于高温热能交换系统的蓄充和释放循环中。

在具有高的可再生能源渗透的能源系统中，化石燃料热电厂的盈利能力受困于低的运行时间。出于经济的原因，这能够导致这样的电厂完全关闭。

如图9中所示，蓄充系统的单元由管道或管路系统而连接。此外，传热流体从环境条件被加热，利用余热（例如，来自工业或电厂过程或者来自带有或不带电加热装置的地热源）进行预热或完全加热，如图12中所示。用于使流体循环的机器优选地安装在电加热装置的上游或替代地安装在电加热装置的下游，或者安装在高温热能交换系统的下游，参见图10和图11。具有多个热交换室的多个高温热能交换系统被组合以用于变化的蓄充和释放时间段。替代地，仅使用一个储存单元以用于覆盖所需的储存容量。

此外，用于高温热能交换系统的所描述的蓄充系统还能够用在闭合的蓄充循环（闭环）中。离开热交换室的传热流体将被导向回电加热装置（蓄充单元）中，因此避免了传热流体的污染，例如来自环境空气中的颗粒，并且反之亦然。

另外，当处于高于环境温度的温度下的流体在冷端处离开热交换室时，热损失被降低。在每个循环中，传热流体131将被加热并且无需从环境条件被加热，如图13中所示。

蓄充循环能够包括颗粒过滤器或者用于将颗粒从传热流体中去除的其它装置。这用作高效传热、避免遮盖以及避免可能的失火的目的。

电加热装置能够是电阻加热或感应加热，能够具有20 MW以上或100 MW以上的额定功率， 500℃以上的温度，电加热装置能够被设计在一个或多个模块中或者批量（inbulk）设计。加热线圈可以由流体直接地环绕或者位于加热筒中。

高温热能交换系统包括具有散料的热交换室，该热交换室也能够是填充有固体材料（例如，砂、砾石、碎石、薄砖、熔渣、炉渣等）的石床，该固体材料能够是玄武岩或炉渣。

释放循环包括：上面提及的一个或多个热交换室，用于使传热流体循环的流动机器，以及用于再电气化的热力机，该热力机可以是水/蒸汽循环。部件由管道或管路系统连接。流动机器将传热流体导向通过热交换室，热能从储热材料传递至传热流体并且被被输送至热力机或其它应用（例如，区域供热等）。如果热力机是由一个或多个单元组成的水/蒸汽循环、蒸汽发生器、热交换器或蒸发器，则将热能传递至水以便产生蒸汽，该蒸汽被供给至热力机（诸如，具有联接到其的发电机的蒸汽涡轮机）以便产生电力，如图13中所示。如果在这个热力机的下游的工作流体仍然含有高于环境温度的温度水平的热能，那么这个能量能够储存在另一个高温热能交换系统中，该高温热能交换系统能够包括具有储热材料的一个或多个热交换室。剩余的热能能够替代地用于其它目的，诸如区域供热等。在闭合的释放循环中，离开热力机的排出气体优选地被重新引导至热交换系统1002中，再次如图12中所示。

下列补充说明：

图8描绘了用于在热泵203的辅助下为高温热能交换系统的蓄充循环提供热能的系统。在热交换器210和鼓风机211的辅助下，热能被输送至热交换器2300。经由热交换器2300，热量被提供用于加热传热流体。

参见图9和图10，使用电加热装置201作为蓄充单元200。在图9中，鼓风机1341位于电加热器200的上游，而在图10中鼓风机位于电加热器的下游。在这两种情况中，被加热的传热流体131被导向进入热交换室11。

关于图9和图10的示例涉及开环。与此相反，图11涉及闭环解决方案。在这个示例性实施例中，鼓风机1341位于热交换室11的下游。另外，经过热交换室11的传热流体131被导向回电加热器200。

Claims (21)

1. 一种具有至少一个高温热能交换系统（1）的蓄充系统（1000），包括：

- 至少一个热交换室（11），所述至少一个热交换室（11）具有围绕所述热交换室（11）的至少一个室内部（112）的室边界（111），其中

- 所述室边界（111）包括至少一个进口开口（1111）和至少一个出口开口（1112），所述至少一个进口开口（1111）用于将至少一个传热流体（131）的进流（132）导向进入所述室内部（112），所述至少一个出口开口（1112）用于将所述传热流体的出流（133）导向离开所述室内部（112）；

- 至少一种储热材料（121），所述至少一种储热材料（121）设置在所述热交换室内部（112）中，使得通过所述热交换室内部（112）的所述传热流体（131）的热交换流（13）引起所述储热材料（121）和所述传热流体（131）之间的热交换；以及

- 蓄充系统，所述蓄充系统配备有用于加热所述进流（132）的所述传热流体（13）的至少一个蓄充单元（200）。

2.根据权利要求1所述的蓄充系统，其中，所述蓄充单元（200）设置在所述进口开口（1111）处。

3.根据权利要求1或2所述的蓄充系统，包括用于控制所述蓄充单元的至少一个控制单元（202），其中，所述蓄充单元的所述控制单元设置在所述传热流体的所述进流的外部。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的蓄充系统，其中，所述蓄充单元包括设置在所述进流中的蓄充表面。

5.根据权利要求4所述的蓄充系统，其中，所述蓄充表面由格栅形成。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的蓄充系统，所述蓄充系统配备有用于从所述进流中去除颗粒的机构。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的蓄充系统，其中，热交换通道（122）被嵌入在所述储热材料（121）中以用于将所述热交换流（13）导向通过所述热交换室内部（112）。

8.根据权利要求1至7的任一项所述的蓄充系统，其中，所述高温热能交换系统（1）配备有至少一个流量调节元件（134），所述至少一个流量调节元件（134）用于调节：通过所述热交换室内部（112）的所述传热流体（131）的所述热交换流（13），进入所述热交换室内部（112）的所述传热流体（13）的进流（132）和/或离开所述热交换室内部（112）的所述传热流体的出流（133）。

9.根据权利要求1至8的任一项所述的蓄充系统，其中，所述流量调节元件（134）包括至少一个主动流体运动装置（1341），所述至少一个主动流体运动装置（1341）从由鼓风机、风扇和泵（1341）组成的组中选择；和/或所述流量调节元件（134）包括至少一个被动流体控制装置（1342），所述至少一个被动流体控制装置（1342）从由可激活的旁通管、喷嘴、封盖和阀组成的组中选择。

10.根据权利要求1至9的任一项所述的蓄充系统，其中，所述热交换室（11）是竖直的热交换室（113）和/或水平的热交换室（114）。

11.根据权利要求1至10的任一项所述的蓄充系统，其中，具有所述开口（1111、1112）中的一个的所述室边界（111）包括具有渐细构型（1161）的过渡区域（116），使得所述开口（1111、1112）的开口直径（1113）与所述渐细构型（1161）的第一渐细构型直径（1162）对准，并且所述热交换室（11）的室直径（117）与所述渐细构型（1161）的第二渐细构型直径（1163）对准。

12.根据权利要求1至11的任一项所述的蓄充系统，其中，至少两个进口开口（1111）彼此竖直地设置，和/或至少两个出口开口（1112）彼此竖直地设置。

13.根据权利要求1至12的任一项所述的蓄充系统，其中，所述储热材料（21）包括至少一种化学和/或物理稳定材料。

14.根据权利要求1至13的任一项所述的蓄充系统，其中，所述储热材料包括砂和/或石块。

15.根据权利要求1至14的任一项所述的蓄充系统，其中，所述传热流体（13）包括处于环境气体压力下的气体。

16.根据权利要求1至15的任一项所述的蓄充系统，其中，处于所述环境压力下的所述气体是空气。

17.根据权利要求1至16的任一项所述的蓄充系统，其中，所述蓄充单元（200）包括至少一个电加热装置（201），所述至少一个电加热装置（201）从由电阻加热器、感应加热器、电磁辐射发射器和热泵组成的组中选择。

18.根据权利要求1至17的任一项所述的蓄充系统，所述蓄充系统配备有用于确定所述高温热能交换系统的蓄充状态的至少一个测量装置（1500）。

19.根据权利要求1至18的任一项所述的发电厂，其中，闭环被实施，以及其中，所述进流包括所述出流。

20.一种使用热能蓄充根据权利要求1至19的任一项所述的蓄充系统的所述高温热能交换系统的方法，其中，在所述高温热能交换系统（1）的蓄充模式中，所述传热流体（131）的热交换流（13）被导向通过所述蓄充单元（200），并且然后通过所述热交换室内部（112），由此实现使用热能蓄充所述储热材料（121）。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述操作模式的操作温度从300℃和1000℃之间的范围内选择，优选地从500℃和1000℃之间的范围内选择，更优选地从600℃和1000℃之间的范围内以及650℃至1000℃的范围内选择，以及最优选地从700℃和1000℃之间的范围内选择。