[发明专利]用于储存和释出热能的设备及其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于储存热能的设备，它具有用于工作气体的循环。其中，在所述循环中下列装置按说明的顺序通过工作气体导管互相连接：第一流体热动力机械、蓄热器、第二流体热动力机械以及蓄冷器。沿工作气体从蓄热器向蓄冷器的通流方向看，作为作功机械的第一流体热动力机械与作为动力机的第二流体热动力机械连接。

此外，本发明还涉及两种运行所述设备的方法。在一种储存热能的方法中，循环沿着从蓄热器到蓄冷器的方向通过，这与组件的上述顺序相应。按本发明同样涉及的另一种方法，储存的热量也可以由设备转换为例如机械能。在这里，按相反的顺序通过这些装置，换句话说，工作气体的通流方向相反。此时工作气体首先经过蓄冷器，然后经过蓄热器，在这种情况下，第一流体热动力机械作为动力机运行，而第二流体热动力机械作为作功机械运行。

在本申请的范围内，使用术语动力机和作功机械，作功机械为达到其目的消耗机械功。因此用作作功机械的流体热动力机械作为压气机或作为压缩机使用。与此相对地，动力机做功，此时流体热动力机械为了做功而转换在工作气体内可供使用的热能。在这种情况下流体热动力机械因而作为发动机运行。

术语“流体热动力机械”成为机器的一种总称，这些机器可以从工作流体，与本申请结合地是从工作气体，提取热能或可以将热能供给工作流体。热能(热力学的能量)不仅理解为热的能量，而且也理解为冷的能量。流体热动力机械可例如设计为活塞式机械。优选地也可以使用流体动力学的流体热动力机械，它们的叶轮允许工作气体连续流过。优选地，可考虑使用轴向作用式透平或压气机。

背景技术

例如US2010/0257862A1记载了前言所述的原理。在这里为了实施上述方法使用活塞式机械。此外由US5436508还已知，借助前言所述用于储存热能的设备，也可以在利用风能发电时中间贮存剩余容量，以便在需要的情况下重新提取。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种前言所述类型的用于储存热能的设备或转换热能的方法(例如将机械能转换为热能并接着存贮，或将储存的热能转换为机械能)，借助此设备或借助此方法能尽可能有效地利用储存的热能。

上述技术问题通过前言所述设备按照本发明采取下述措施得以解决，亦即在一个与所述循环不同的用于冷却剂的冷却循环内可以连接蓄冷器，在冷却循环中下列装置按说明的顺序通过冷却剂导管互相连接：蓄冷器、制冷装置、以及要冷却的耗冷器。冷却剂通常不同于工作气体，这说明冷却循环与所述循环不同。为了在改变运行状态时避免清洗，特别有利的是，在蓄冷器内这些利用于传热的通道能造成两个通道系统，只要每个通道系统能与一个循环连接。因此，冷却循环利用其中一个通道系统，而加入循环(Ladekreislauf)利用另一个通道系统。当然，加入循环可以分为在蓄冷器内的通道系统和或许另一些通过它与排出循环(Entladekreislauf)连接的导管部分(对此在下面更多说明)。加入循环为贮存热能负责，而通过排出循环将热能重新释放给工作气体。

制冷装置是必要的，为的是能将要冷却的耗冷器调整为所要求的温度水平。因为蓄冷器的贮存温度高于所需要的温度水平。当然，通过蓄冷器可以进行冷却剂的预冷却，所以在制冷装置内必须克服较小的温度差。这也有利地减少制冷装置的能量需求。可以利用在热能储存设备中反正同时发生的过程制冷。但过程制冷在为了排出热能的排出时不再提供，不过为了运行要冷却的耗冷器不必为此单独造成所述的过程制冷。由此有利地改善用于储存和释出热能的设备以及耗冷器总的能量平衡。

加入循环(和排出循环)可以作为开式或闭式循环运行(对此在下面更多说明)。在开式循环中空气成为工作气体，它可以从大气中提取并接着重新送回大气。作为制冷装置可以使用任何形式的装置。特别有利的是使用热虹吸，它有利地达到比较低的温度水平。

按本发明一种特殊的设计，耗冷器配备有超导器件。在这里，尤其对于使用高温超导体的情况，例如Bi2223或YBCO，使用氮作为冷却剂。必须将氮置于约50至60K的温度水平。借助蓄冷器预冷到约180K，这简化了冷却过程，并且减少制冷装置的功率消耗。