利用具有扩展热相互作用区域的换热器装置进行热能储存和回收

技术领域

本发明涉及暂时储存热能的领域。具体地，本发明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，本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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发明的优选实施例。

根据本发明的第一方面，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。

根据本发明的一个实施例，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。

根据本发明的实施例，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能储存和回收设备的热流体包括与被加热的蒸汽一样高的温度，则被加热的冷流体也可包括或转化为被加热的蒸汽，该蒸汽之后可用于在不需要任何其它加热装置的情况下直接驱动蒸汽涡轮机。由此，可以实现所描述的热能储存和回收设备的高效热能储存能力。

第一端和第二端可以位于热能储存和回收设备的同一侧。通过将换热器装置的入口端和出口端放置为彼此相对靠近，可以最小化由于向换热器装置进行馈送的长流体（传热介质）馈送管和/或从换热器装置返回的长的流体返回管而导致的热损失。

根据本发明的另一实施例，换热器装置包括：a）与第一端相关联的第一换热段，b）与第二端相关联的第二换热段，c）连接第一换热段和第二换热段的第一连接段，以及d）平行于第一连接段地连接第一换热段和第二换热段的第二连接段。连接段中的至少一个包括阀，用于控制通过相应连接段的传热介质流。这可以提供下述优点，即：可以调节换热器装置的换热能力和/或热能储存和回收设备的热能储存能力，使其适合于实际操作条件。例如，通过关闭（打开）所述阀可以减少（增加）对所描述的热能储存有贡献的储热材料的有效数量或质量。这同样适用于换热器装置和储热材料之间的总换热速率。

一般而言，通过改变对阀的设定或调节，可以实现降低或提高换热能力和热能储存能力。由此，可以调节热能储存和回收设备，使其适用于当前操作条件。

要说明的是，除一个或多个阀之外，加热装置和/或冷却装置（例如加热回路和/或冷却回路）也可以用于操作热能储存和回收系统中的热能储存和回收设备，以便优化所描述的热能储存和回收设备的入口和/或出口温度。由此可以进一步提高能量储存效率。

要进一步说明的是，所述阀中的一个或多个可以是恒温器控制的和/或远程控制的。

根据本发明的另一实施例，热能储存和回收设备进一步包括绝热装置，该绝热装置用于：a）使整个热能储存和回收设备与其外界绝热，和/或b）使所述热能储存和回收设备的不同隔室互相绝热。这可以提供下述优点，即：热能储存和回收设备可以至少部分地与其周围环境热隔离和/或所述设备的不同隔室或区域可以至少部分地彼此热隔离，从而可以基于给定操作条件来优化热能储存和回收设备的有效尺寸。

绝热装置可以包括例如矿棉、玻璃棉、岩棉或其它优选的类似绝热材料。

根据本发明的另一实施例，以下述方式配置所述隔室，即：使得能够沿所述热相互作用区域实现阶梯式温度梯度控制，从而使得每个隔室中的温度恒定并且不同隔室的温度互不相同。

根据本发明的另一实施例，储热材料包括固体材料，特别地诸如沙子、土壤、灰粉、石块和/或砾石。当然，也可以使用优选同样相对便宜并且包括类似热特性的其它材料。

根据本发明的另一实施例，所述第一端包括单个第一开口并且所述第二端包括单个第二开口，其中，i）在所述第一操作模式中，所述第一开口用于接收热流体，所述第二开口用于排出冷流体，该冷流体表示冷却下来的热流体，并且ii）在所述第二操作模式中，所述第二开口用于接收冷流体，所述第一开口用于排出热流体，该热流体表示被加热的冷流体。这可以提供下述优点，即：单个换热器装置足以实现所描述的逆流换热原理。

根据本发明的另一实施例，热能储存和回收设备进一步包括：另一换热器装置，其被配置为用于导引所述另一换热器装置的另一第一端与所述另一换热器装置的另一第二端之间的另一传热介质流；以及另一储热材料，其以下述方式围绕所述另一换热器装置，即：使得形成另一热相互作用区域，以将所述另一传热介质与所述另一储热材料热耦接。所述另一换热器装置适于：a）如果所述热能储存和回收设备处于另一第一操作模式，则将所述另一传热介质从所述另一第一端传输到所述另一第二端，在所述另一第一操作模式中，所述另一储热材料应该从所述另一传热介质接收热能，以及b）如果所述热能储存和回收设备处于另一第二操作模式，则将所述另一传热介质从所述另一第二端传输到所述另一第一端，在所述另一第二操作模式中，所述另一储热材料应该向所述另一传热介质释放热能。此外，所述另一热相互作用区域至少具有沿所述另一传热介质的另一传输方向的下述另一物理长度，并且所述控制单元被进一步配置为以下述方式操作所述热能储存和回收设备，即：使得在所述热能储存和回收设备中当用在所述另一换热器装置中被导引的热传热介质储存热能时或当用在所述另一换热器装置中被导引冷传热介质回收热能时，存在一另一区域，所述另一区域的传热介质的入口温度和出口温度保持恒定。其中，所述另一区域比所述热能储存和回收设备的其它另外的区域长，所述其它另外的区域的传热介质的相应入口温度和出口温度是不恒定的。

这可以提供下述优点，即：可以使用另一传热介质来充载和/卸载所描述的热能储存和回收设备。其中，所述另一传热介质可以是与所述传热介质不同的流体。或者，所述另一传热介质和所述传热介质可以是相同流体，但是它们被导引通过穿过储热材料的不同换热管。

相比于与上述换热器装置相关的储热材料，与所述另一换热器装置相关的所述另一储热材料可以是相同的材料或者可以是不同材料。

所述换热器装置和所述另一换热器装置两者的各个入口端和出口端可以仅用于使初始时冷的流体和初始时热的流体在热能储存和回收设备的独立的腔室或导管中流动。为了回收所储存的能量，仅让初始时冷的流体流过所述设备，而为了储存能量，是让初始时热的流体流过所述设备。

根据本发明的另一实施例，所述换热器装置和所述另一换热器装置形成逆流换热器系统。由此，所述另一传热介质和所述传热介质是能够同时传输的，并且所述另一传热介质是能够沿相对于所述传热介质的相反方向传输的。

一般而言，所描述的逆流换热器系统可以使两个传热介质同时但沿彼此相反的方向行进通过所述换热器装置或所述另一换热器装置各自的管。以此方式，传热介质在逆流换热器系统的独立腔室或导管中沿互相相反的方向移动。其中，流入逆流换热器系统的热进入流的速度可以与流入逆流换热器系统的冷进入流的速度不同。这可以提供下述优点，即：可以根据冷和/或热进入流的速度缓慢地汲取或缓慢地储存所储存的热能。

根据本发明的另一方面，提供了一种热能储存和回收系统，包括：a）如上文限定的热能储存和回收设备，b）热产生装置，其与热能储存和回收设备直接或间接连接并且适于加热从热能储存和回收设备已经接收的和应传输到热能储存和回收设备的传热介质，以及c）热消耗装置，其与热能储存和回收设备直接或间接连接并且适于从已经被热能储存和回收设备加热的传热介质接收热能。

所描述的热能储存和回收系统基于下述构思，即：当上述热能储存和回收设备协同热产生装置和热消耗装置进行操作时，可以实现高效的暂时热储存和热回收。

热产生装置可以是能够将能量（特别是电能）转化为热能的任意设备。然后经由传热介质将所产生的（更确切地说是所转化的）热能传到热能储存和回收设备。

如果热能储存和回收设备与热产生装置直接（热）连接，则热能储存和回收设备所使用的传热介质与热产生装置的操作介质相同。如果是间接连接，则可以使用不同流体作为传热介质和操作介质。然后利用换热器和/或利用冷凝器实现两种流体之间的热连接。

热消耗装置可以是能够将热能转化为机械能和/或能够被馈送到例如电网的电能的任意设备。

如果热能储存和回收设备与热消耗装置直接（热）连接，则热能储存和回收设备所使用的传热介质与热转化装置的操作介质相同。如果是间接连接，则可以使用不同流体作为传热介质和操作介质。然后利用换热器和/或利用蒸发器实现两种流体之间的热连接。

优选地，热能储存和回收设备包括两个换热器装置，特别是上文所述的换热器装置和上文所述的另一换热器装置，其中，一个换热器装置与热产生装置相关联，另一个换热器装置与热消耗装置相关联。

根据本发明的实施例，热产生装置包括：a）压缩机，用于向热能储存和回收设备馈送压缩的热传热介质，以及b）涡轮机，用于从热能储存和回收设备接收冷却下来的热传热介质。这可以提供下述优点，即：任意气体（举例而言，例如压缩空气）可以用作用于将热能载入热能储存和回收设备的传热介质。由于热能储存和回收设备将在空气穿过热能储存和回收设备的换热器装置期间使空气冷却下来，因此热能储存和回收设备出口处的空气压强将小于热能储存和回收设备输入处的压缩空气的压强。

根据本发明的另一实施例，热产生装置进一步包括驱动所述压缩机的马达。其中，涡轮机与马达机械连接。这可以提供下述优点，即：热产生装置可以达到高效率。

具体地，如果热传热介质或流体包括进入热能储存和回收设备的换热器装置的热压缩空气，则之后冷却的压缩空气可以在换热器装置的出口处返回，其中，所述冷却的压缩空气被馈送到空气涡轮机，该空气涡轮机可以与空气涡轮机和压缩机共用的轴机械连接，帮助驱动压缩机，并由此提高所描述的热能储存和回收设备的效率。

热产生装置可以包括电锅炉和/或热泵。这可以提供下述优点，即：可以将电能（特别是通过替代性能量源诸如风力涡轮机产生的电能）转化为能够作为热能储存在上述热能储存和回收设备中的热量。特别地，热泵可以提供非常高效地产生热量的优点。当使用热泵时，电能首先被转化为压缩机的机械能，这与众所周知的物理原理相一致，在该原理中，热泵压缩气态热泵介质并且使该介质围绕主要包括冷凝器和蒸发器的闭合回路循环。由此，在冷凝器中释放的能量可以用于加热传热介质，然后该传热介质被传送到热能储存和回收设备。在这方面，要说明的是，可以通过空气、通过另一冷却装置和/或通过例如从分区加热设施泵送回的水来驱动所描述的蒸发器。

根据本发明的另一实施例，热消耗装置包括蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机在第二操作状态中从所述热能储存和回收设备接收热传热介质。这可以提供如下优点：能够实现高效率的回收热能转化。

在这方面，“热传热介质”可以表示初始时较冷的或冷的传热介质由于它穿过热能储存和回收设备而被加热了。

蒸汽涡轮机的转轴可以与电力发电机连接，该电力发电机能够将蒸汽涡轮机提供的机械能转化为电能，该电能可以被容易地馈送到电网和/或直接被至少一个耗电器消耗。

蒸汽涡轮机可以与冷凝器连接，其中蒸汽涡轮机的操作介质在将其能量传输到蒸汽涡轮机之后转变成它的液相。

所描述的冷凝器可以是另一闭合回路的一部分，其与蒸发涡轮机分离，并且所述冷凝器可以主要包括泵和蒸发器。其中，可以经由所提及的蒸发器将从热能储存和回收设备释放的能量传到蒸汽涡轮机，其中，所述蒸发涡轮机的操作介质从液相转变为气相。

可以通过空气、通过另一冷却装置和/或通过从分区加热设施泵送回的水来驱动所描述的冷凝器。

根据本发明的另一实施例，热消耗装置进一步包括循环泵，用于向热能储存和回收设备馈送冷传热介质。

在这方面，“冷传热介质”可以表示冷传热介质在其穿过热能储存和回收设备期间将会被加热。

根据本发明的另一实施例，热消耗装置进一步包括分区加热设施，该设施：a）从所述蒸汽涡轮机接收传热介质，并且b）向循环泵提供传热介质。

分区加热设施系统可以包括热连接传热介质和流体（举例而言，例如水）的换热器系统。由此，分区加热设施可以经由水入口从水设施接收较冷的水，并且可以经由水出口向水设施提供热水或温水。

要说明的是，热能储存和回收系统可以进一步包括控制单元，该控制单元连接到：a）热能储存和回收设备、b）热产生装置、和c）热消耗装置中至少一个。由此，控制单元适于控制热能储存和回收系统的操作。

具体地，控制单元可以耦接到以下组件中的一个或多个：a）热产生装置的压缩机，b）热产生装置的阀，c）热能储存和回收设备的至少一个阀，d）驱动传热介质使其通过热能储存和回收设备的至少一个循环泵，e）热消耗装置的（蒸汽）涡轮机，f）热转化装置的馈送泵，g）用于使冷介质在蓄冷循环中循环的循环泵，其中所述冷介质驱动：g1）（利用上述热泵实现的）热产生装置的蒸发器，和/或g2）热消耗装置（主要包括蒸汽涡轮机）的冷凝器。

根据本发明的另一方面，提供了一种热能储存和回收方法，该方法利用具有换热器装置和储热材料的热能储存和回收设备，该换热器装置包括第一端和第二端，该储热材料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，以将在所述换热器装置中被导引的传热介质与所述储热材料热耦接。所提供的方法包括：a）如果热能储存和回收设备处于第一操作模式，则将传热介质从第一端传输到第二端，在该第一操作模式中，储热材料从传热介质接收热能，以及b）如果热能储存和回收设备处于第二操作模式，则将传热介质从第二端传输到第一端，在该第二操作模式中，储热材料向传热介质释放热能。此外，以下述方式操作热能储存和回收设备，并且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，即：使得当在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，其中此区域的所述传热介质的所述入口温度和出口温度保持至少基本恒定。

所描述的方法基于下述构思，即：当以产生一区域且该区域的传热介质入口和出口温度保持基本恒定的方式操作热能储存和回收设备时，可以实现在进入此区域的传热介质的入口温度和离开此区域的传热介质的出口温度之间具有最大温度差。由此可以最大化能量储存和回收过程的效率。

具体地，当向储热材料充载热能时，进入此区域的初始时热的传热介质的入口温度将与进入整个热能储存和回收设备的（热）传热介质的温度至少几乎相同。此外，离开此区域的冷却下来的传热介质的出口温度将与离开整个热能储存和回收设备的（热）传热介质的温度至少几乎相同。

相应地，当对储热材料进行卸载时，进入此区域的初始时冷的传热介质的入口温度将与进入整个热能储存和回收设备的（冷）传热介质的温度至少几乎相同。此外，离开此区域的被加热的传热介质的出口温度将与离开整个热能储存和回收设备的传热介质的温度至少几乎相同。

要说明的是，通过增加沿传热介质传输方向的热相互作用区域的物理长度，具有恒定入口和出口温度的此区域将变得更大。因此，通过增加热相互作用区域的物理长度可以显著提高整个热能储存和回收过程的效率。

应该注意，已经参照不同主题描述了本发明的实施例。具体地，已经参照针对热能储存和回收设备的权利要求描述了一些实施例，并且已经参照针对热能储存和回收系统或针对利用这种热能储存和回收设备储存和回收热能的方法描述了其它实施例。然而，根据上文和下文的描述，本领域技术人员将总结出，除非另有说明，否则除了属于一类主题的特征的任意结合之外，涉及不同主题的特征之间的任意结合也应被认为已被本文公开。此外，当受益于本文的公开内容时，本领域技术人员将理解所描述的热能储存和回收设备及系统的操作。

根据下文描述的实施例，本发明的上文所限定的各个方面以及其它方面将变得明显，并且参照实施例对其进行解释。下文将参照实施例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例。

附图说明

图1示出了具有换热器装置的热能储存和回收设备的剖切俯视图，所述换热器装置包括与第一端相关联的第一换热段、与第二端相关联的第二换热段以及平行地连接第一换热段和第二换热段的三个连接段。

图2示出了图1所示热能储存和回收设备的剖切俯视图。

图3示出了具有长换热器装置的热能储存和回收设备以及沿该长换热器装置的管的相应温度特性。

图4示出了根据本发明第一实施例的热能储存和回收系统的示意图。

图5示出了根据本发明第二实施例的热能储存和回收系统的示意图。

图6示出了当热能储存和回收设备在若干步骤中由热入口传热介质充载时沿换热器装置的管的温度特性，该换热器装置具有与周围储热材料相互作用的长的热相互作用长度。

图7示出了沿换热器装置的管的阶梯式温度特性，其中，热能储存和回收设备包括互相绝热的不同隔室。

图8示出了沿换热器装置的管的温度梯度，其中，在热充载期间温度梯度沿第一方向移动，并且在热卸载期间温度梯度沿相反方向移动。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应该注意，在不同的附图中，相似或相同元件具有相同的附图标记或仅在第一位数与相应附图标记不同的附图标记。

图1示出了热能储存和回收设备100的剖切俯视图。热能储存和回收设备100包括外罩102，所述外罩包括绝热材料。因此，外罩102代表了热能储存和回收设备100的外绝热壁108。热能储存和回收设备100进一步包括将热能储存和回收设备100的空间分割成不同区域的内绝热壁104。根据这里描述的实施例，外绝热壁108和内绝热壁104都包括矿棉。

外罩102中填充有储热材料108。储热材料108包括沙子、土壤、灰粉、砾石、石块和/或包括大比热容的其它种类的固体材料。整个热能储存和回收设备100被嵌入地面或基础（ground）120内，基础120也可以包括土壤、砾石、石块、岩石、灰粉和/或沙子或类似材料。

热能储存和回收设备100进一步包括换热器装置110。换热器装置110被嵌入有储热材料108。换热器装置110包括与换热器装置110的第一端112a相关联的第一换热段112、与换热器装置110的第二端114a相关联的第二换热段114以及平行地连接第一换热段112和第二换热段114的三个连接段116、117和118。在各个连接段116、117和118中，分别设置有阀116a、117a和118a。可以通过未示出的控制单元来控制阀116a、117a和118a，使得可以独立地打开、关闭、或者部分地打开/关闭三个连接段116、117和118中的每个。通过关闭阀116a、117a和118a中的一个或多个，可以控制穿过换热器装置110的传热介质流。由此，可以有效地将热能储存和回收设备100的与该关闭的阀相关联的子区域与热能储存和回收设备100的剩余区域分开。这意味着，通过打开一个阀并且关闭其它阀中的一个或多个，能量储存容量可以随着换热器装置100使用容量的减小或增加而相应地减小或增加。

所描述的热能储存和回收设备100的尺寸可以大于1000m长、100m宽和5m深。这使得体积为500000m³。如上文已经提及的，储热材料可以用沙子来进行填沙，沙子的比热容为0.8 kJ/ (kg K)并且沙子的密度为1740 kg/m³。当沙子108从20℃被加热到200℃（即温度差为180℃）时，使得储热容量达到125280 GJ。这相当于34.8GWh。

当然，为了获得其它储热容量，也可以使用具有其它尺寸和其它操作温度的热能储存和回收设备。

当操作热能储存设备100时，不同的操作模式用于：a）向热能储存和回收设备100充载热能，以及b）用于对热能储存和回收设备100进行卸载，即用于从热能储存和回收设备100取回热能。具体地，在第一操作模式中，通过从传热介质接收热能来充载热能储存和回收设备100，所述传热介质从第一端112a传输到第二端114a。在第二操作模式中，通过向传热介质提供热能来卸载热能储存和回收设备100，所述传热介质从第二端114a传输到第一端112a。传热介质的传输方向对操作状态的依赖性可以看作是采用了逆流原理。通过利用此逆流原理，当从热能储存和回收设备100回收热能时，可以将冷的传热介质加热到一温度，该温度接近与热能进入热能储存和回收设备100时热的传热介质的入口温度相同。这使得所描述的热能储存和回收设备100的热力学效率很高。

要说明的是，根据这里描述的实施例，热能储存和回收设备100进一步包括也未示出的另一换热器装置，其具有另一第一换热段和另一第二换热段，所述另一第一换热段包括另一第一末端，所述另一第二换热段包括另一第二末端。于是，利用逆流原理，热流体可以被馈送到第一端之一中并且返回第二端之一中，并且冷流体可以被馈送到所述另一第一端中并且返回所述另一第二端中。对于换热器装置110，所述另一换热器装置可以包括独立的腔或导管。

图2示出了热能储存和回收设备100的剖切俯视图。在热能储存和回收设备100的前侧可以看到换热器装置110的端112a和114a。此外，根据以上描述的实施例，在热能储存和回收设备100的右侧设置第一端112a和所述另一换热器装置的另一第一端112b。相应地，在热能储存和回收设备100的左侧设置第二端114a和所述另一换热器装置的另一第二端114b。

要说明的是，在图2所示的方位中，可以将热能储存和回收设备100向下放置到基础120中。

图3示出了根据本发明另一实施例的热能储存和回收设备300。热能储存和回收设备300包括换热器装置310和另一换热器装置311。换热装置310和311都具有与储热材料308相互作用的长的物理相互作用长度。

如从图3可见的，热能储存和回收设备300被划分为若干隔室305，隔室305经由内绝热壁304彼此分开。

换热器装置310包括入口端312a和出口端314a。另一换热器装置311包括入口端314b和出口端312b。为了将热能储存在热能储存和回收设备300中，温度为t1的热充载流体被馈送到入口端312a并且经由出口端314a以温度t2返回。为了从热能储存和回收设备300回收热能，温度为t3的相对较冷的卸载流体被馈送到入口端314b并且经由出口端312b以温度t4返回。

如在图3下部可见的，卸载流体几乎达到与充载流体的入口温度t1相同的温度t4。实现此有利的温度特性是由于两个原因：

A）在a）换热器装置310及另一换热器装置311和b）储热材料308之间的长的热相互作用长度。在这里描述的实施例中，此热相互作用长度为1000m，

B）使用逆流换热原理来充载/卸载热能储存和回收设备300，其中，热能储存和回收设备300的充载和卸载两者的温度梯度在逆流系统的流的整个长度上保持至少近似恒定。卸载流体的温度曲线看起来与充载流体的温度曲线几乎相同，只是位移了距离d，同时两种流体的入口温度和出口温度相同或几乎相同。

图4示出了根据本发明第一实施例的热能储存和回收系统430的示意图。为了将能量储存在热能储存和回收设备400中，使用热产生装置470。为了从热能储存和回收设备400回收能量，使用热消耗装置490。

如从图4可见的，热产生装置470包括通过马达476被驱动的压缩机472。压缩机472包括空气入口472a。空气入口472a中的空气可以具有例如20摄氏度的温度和例如1巴的压强。在压缩空气期间，压强可以上升至例如25巴并且温度可以上升至例如500摄氏度。此被加热和压缩的空气被馈送到热能储存和回收设备400的换热器装置410的入口中。然后，当前具有例如20摄氏度的温度和仍接近25巴的压强的压缩空气经由换热器装置410的出口返回。

然后将压缩的出口空气馈送到空气涡轮机474中。根据这里描述的实施例，空气涡轮机474、马达476和压缩机472具有共用轴477。这提供了空气涡轮机474将帮助马达476驱动压缩机472的优点，从而将提高热产生装置470的效率。

经由空气出口474a由空气涡轮机474提供的膨胀出口空气的温度在空气从25巴压强膨胀到1巴压强时会下降到例如摄氏零下一度（-1℃）。这使得来自空气涡轮机474的膨胀出口空气适合用于冷却用途，例如用于对在一个或多个建筑物中的一个或多个房间中的环境空气进行空气调节。

为了回收所储存的能量，将温度为例如20摄氏度的冷流体馈送到热能储存和回收设备400的另一换热器装置411的入口中。根据这里描述的实施例，这通过循环泵492完成。循环泵492从包括水入口498a的分区加热设施498收集水。

在穿过另一换热器装置411之后，流体具有出口温度，该出口温度显著大于另一换热器装置411入口处的流体入口温度。由于a）所描述的在热能储存和回收设备400中的逆流流体流动，以及b）换热器装置411与热能储存和回收设备400的储热材料之间的长物理相互作用长度，离开另一换热器装置411的流体的出口温度与进入换热器装置410的热压缩空气的入口温度几乎相同。

以此方式，冷流体转变为蒸汽，在使蒸汽进入蒸汽涡轮机494之前可以通过加热装置（未示出）进一步过加热所述蒸汽，所述蒸汽涡轮机494通过轴连接驱动电力发电机496。任选地，还可以使蒸汽进入冷凝器（未示出），蒸汽在该处转变为水。可以通过空气（静止的或来自通风设备的环境空气）驱动此冷凝器。替代性地或结合地，可以将从分区加热设施498返回的水泵送通过冷凝器，以便冷却蒸汽。经冷凝的水可以被泵送回到分区加热设施498并且通过分区加热设施498的水出口498b返回。电力发电机496可以连接到公共电网（未示出）以及风力涡轮机或其它种类的替代性能量源（未示出）。

以此方式，马达476可以使用由例如风力涡轮机产生的电能来驱动压缩机472，以及将压缩空气馈送穿过热能储存和回收设备400，以及将热能储存在热能储存材料（诸如砂子或具有高比热容的其它类似的固体材料）中。在没有风或风较小的时期或者也许在风力涡轮机树立处风速过高的时期，可以将水泵送穿过热能储存和回收设备400，将水加热为蒸汽，之后该蒸汽驱动蒸汽涡轮机494。蒸汽涡轮机494驱动向公共电网供电的电力发电机496。

图5示出了根据本发明第二实施例的热能储存和回收系统530的示意图。在此实施例中，分区加热设施或热力发电站535连接到公共电网550并且连接到热能储存和回收设备500。根据这里描述的实施例，分区加热设施或热力发电站535包括具有冷凝器（未示出）和连接的电力发电机545的蒸汽涡轮机540以及具有内嵌式马达的压缩机572。压缩机572可以被替代为电锅炉或者用热泵系统或其它加热装置补充。

分区加热设施或热力发电站535连接到热能储存和回收设备500，既用于能量储存也用于回收所储存的能量。同样，风力涡轮机560或其它类型的替代性能量源可以连接到公共电网550。

具有内嵌式马达的压缩机572还包括机械连接的空气涡轮机（未示出），与马达一起帮助驱动压缩机572。空气涡轮机可以连接到热能储存和回收设备500的换热器装置出口，接收该出口中的冷却的压缩空气。

图6示出了当热能储存和回收设备在若干步骤中被充载以初始时热的入口传热介质时，沿换热器装置的管的温度特性，该换热器装置具有与周围储热材料相互作用的长的热相互作用长度。在横坐标上，标注了从位置L1处的入口端（第一端）伸展穿过热能储存和回收设备到达位置L2处的出口端（第二端）的长度L。在纵坐标上标注了储热材料的温度T。

在图6中，各充载步骤被标示以环绕的序号“1”、“2”、“3”、“4”、“5”和“6”。其中，步骤序号反映了步骤顺序。在热能储存和回收设备的初始状态执行步骤1，其中所有储热材料处于初始的低温度。根据这里描述的实施例，此初始温度为20℃。此外，在此实施例中，在其第一端L1进入热能储存和回收设备的传热介质的温度为500℃。要说明的是，这些温度是示例性的，并且当然还可以采用其它温度来操作热能储存和回收设备。

在首先示出的三个步骤“1”、“2”和“3”中，充载传热介质失去其全部热能，温度从500℃下降到20℃，直到热能储存设备出口温度在步骤“4”开始从初始温度20℃朝向500℃上升，这是因为热能储存和回收设备越来越热能饱和的事实。在这里描述的实施例中，在步骤“6”之后不久将出现完全热饱和。

如从图6可见的，最有效的充载区域是可以利用整个温度差的区域R。在此区域R，此区域R的入口温度至少近似与在位置L1的入口端供应到热能储存和回收设备的传热介质的温度（这里是500℃）相同。此外，离开此区域R的传热介质的出口温度至少近似与在位置L2的出口端从热能储存和回收设备释放的传热介质的温度（这里是20℃）相同。

从图6可以说明，热能储存和回收设备沿传热介质传输方向的热相互作用区域的较长的物理长度可以增大最有效充载区域R的尺寸。

要指出的是，只要热能储存和回收设备处于与步骤“3”代表的热动态相对应的状态中，此有效充载区域R的入口和出口温度就基本恒定。

当卸载时，应该避开有效充载区域R左侧的部分，因为这里的温度从所示的500℃下降到与环境温度和/或卸载流体入口温度相对应的温度20℃并且需要进行一些热能充载以再次达到流体入口温度（这里是500℃）。

换言之，沿进行热能储存和回收的传热介质的传输方向的较长的热相互作用区域物理长度，使得执行热能储存和回收设备的充载和卸载而不会达到限制热能储存和/或热能回收过程效率的热能饱和水平的区域增大。

图7示出了沿换热器装置的管的阶梯式温度特性，其中热能储存和回收设备包括彼此绝热的不同隔室。为了将热能充载到各个热能储存和回收设备中，热流体被馈送到位于图7左侧的入口端中并且在位于图7右侧的出口端输出冷却下来的流体。结果，位置更靠左侧的隔室将具有比位置更靠图7右侧的隔室更高的温度。特别地，正好位于左侧输入端处的隔室将采取温度t1（例如560℃），并且正好位于右侧输出端处的隔室将采取较低的温度t2（例如20℃）。

图8示出了沿换热器装置810的管的温度梯度，该换热器装置810被储热材料808围绕。如以上已经提及的，储热材料808可以包括例如沙子、土壤或弃土或这些物质的任意结合。通过将热流体输入换热器装置810的左端以及通过从换热器装置810的右端输出冷却下来的流体，可以将热能充载给由换热器装置810和周围的储热材料808形成的热能储存和回收设备800。相应地，通过将冷流体输入到换热器装置810的右端以及通过在换热器装置810的左端输出被加热的流体，从热能储存和回收设备800释放热能。

热能储存和回收设备800具有这样的物理长度，即：使得当热能储存和回收设备800被部分地载入有热能时，出现了位于靠近换热器装置810左端处热区域810a，其中热区域810a中的温度至少近似恒定为例如560℃。相应地，在位于靠近换热器装置810右端处存在冷区域810c，其中，冷区域810c中的温度至少近似恒定为例如20℃。在区域810a和810c之间是中间区域810b，在该区域存在在热区域810a的热温度和冷区域810b的冷温度之间的相当大的温度梯度。在热能储存和回收设备800正下方给出的插图中示出了此情况。

当对热能储存和回收设备800进一步充载热能时，包括所述温度梯度的中间区域810b的位置朝向右侧移动。在位于图8左下侧的插图中示出了所得的温度分布曲线。

当从热能储存和回收设备800进一步卸载热能时，包括所述温度梯度的中间区域810b的位置朝向左侧移动。在位于图8右下侧的插图中示出了所得的温度分布曲线。

根据不同物理参数（例如流体穿过储热介质的流速），温度梯度可以优选出现在10至20m或更大的长度上。

在流体和储热介质808之间的热相互作用区域可以具有80m的长度，但优选为500m至1000m或更大。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

附图标记列表：

100        热能储存和回收设备

102        外罩/外绝热壁

104        内绝热壁

108        储热材料

110        换热器装置

112        第一换热段

112a       第一端

112b       另一第一端

114        第二换热段

114a       第二端

114b       另一第二端

116        第一连接段

116a       阀

117        第二连接段

117a       阀

118        第三连接段

118a       阀

120        地面或基础

300        热能储存和回收设备

304        内绝热壁

305        隔室

308        储热材料

310        换热器装置

311        另一换热器装置

312a       入口端

312b       出口端

314a       出口端

314b       入口端

T          温度

400        热能储存和回收设备

410        换热器装置

411        另一换热器装置

430        热能储存和回收系统

470        热产生装置

472        压缩机

472a       空气入口

474        空气涡轮机

474a       空气出口（用于空气调节）

476        马达

477        共用轴

490        热消耗装置

492        循环泵

494        蒸汽涡轮机

496        电力发电机

498        分区加热设施

498a       水入口

498b       水出口

500        热能储存和回收设备

530        热能储存和回收系统

535        分区加热设施/热力发电站

540        蒸汽涡轮机

545        电力发电机

550        公共电网

560        风力涡轮机

572        压缩机

L          长度

L1         传热介质进入热能储存和回收设备的入口端

L2         传热介质从热能储存和回收设备离开的出口端

R          具有恒定的入口和出口温度的区域

800        热能储存和回收设备

808        储热材料

810        换热器装置

810a       热区域

810b       中间区域

810c       冷区域。