基于传热介质传输的逆流原理的热能储存和回收.pdf

本发明描述了一种热能储存设备（100），包括：换热器装置（110），其被配置为用于导引换热器装置（110）的第一端（112a）与换热器装置（110）的第二端（114a）之间的传热介质流，以及围绕换热器装置（110）的储热材料（108）。所述换热器装置（110）适于：a）如果热能储存设备（100）处于第一操作模式，则将传热介质从第一端（112a）传输到第二端（114a），在第一操作模式中，所述储热材料（108）应从传热介质接收热能，以及b）如果热能储存设备（100）处于第二操作模式，则将传热介质从第二端（114a）传输到第一端（112a），在第二操作模式中，所述储热材料（108）应向传热介质释放热能。此外，本发明描述了包括这种热能储存设备的热能储存和回收系统及操作这种热能储存设备的方法。

权利要求书一种热能储存设备（100），包括：
换热器装置（110），其被配置为用于导引所述换热器装置（110）的第一端（112a）与所述换热器装置（110）的第二端（114a）之间的传热介质流，以及
围绕所述换热器装置（110）的储热材料（108），
其中，所述换热器装置（110）适于：
a）如果所述热能储存设备（100）处于第一操作模式，则将所述传热介质从所述第一端（112a）传输到所述第二端（114a），在该第一操作模式中，所述储热材料（108）应从所述传热介质接收热能，以及
b）如果所述热能储存设备（100）处于第二操作模式，则将所述传热介质从所述第二端（114a）传输到所述第一端（112a），在该第二操作模式中，所述储热材料（108）应向所述传热介质释放热能。
 根据前一权利要求所述的热能储存设备，其中，
所述换热器装置（110）包括：
        与所述第一端（112a）相关联的第一换热段（112），
        与所述第二端（114a）相关联的第二换热段（114），
        连接所述第一换热段（112）和所述第二换热段（114）的第一连接段（116），以及
        平行于所述第一连接段（116）地连接所述第一换热段（112）和所述第二换热段（114）的第二连接段（117、118），
其中，这些连接段（116、117、118）中的至少一个包括阀（116a、117a、118a），用于控制通过相应连接段（116、117、118）的传热介质流。
 根据前述权利要求之一所述的热能储存设备，其中，
所述储热材料（108）包括固体材料，特别是例如沙子、土壤、灰粉、石块和/或砾石。
 根据前述权利要求之一所述的热能储存设备，进一步包括绝热装置（102、104），其用于：
a）使整个热能储存设备（100）与其外界绝热，和/或
b）使所述热能储存设备（100）的不同区域彼此绝热。
 根据前述权利要求之一所述的热能储存设备，其中
所述第一端（112a）和所述第二端（114a）位于所述热能储存设备（100）的同一侧。
 根据前述权利要求之一所述的热能储存设备，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传热介质流，其中所述另一换热器装置也被所述储热材料围绕。
 根据前一权利要求所述的热能储存设备，其中
所述换热器装置和所述另一换热器装置形成了逆流换热器系统，
其中，所述另一换热器装置中的传热介质和所述换热器装置中的传热介质是能够同时传输的，并且
其中，所述另一换热器装置中的传热介质是能够沿相对于所述换热器介质中的传热介质相反的方向传输的。
 一种热能储存和回收系统，包括：
根据前述权利要求之一所述的热能储存设备（200、300、600），以及
热产生装置（270、370、670），其与所述热能储存设备（200、300、600）直接或间接连接并且适于加热从所述热能储存设备（200、300、600）已接收的和应传输到所述热能储存设备（200、300、600）的传热介质。
 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热产生装置包括电锅炉（270、370）和/或热泵（670）。
 根据权利要求8至9之一所述的热能储存和回收系统，进一步包括：
热转化装置（240、340、640），其与所述热能储存设备（200、300、600）直接或间接连接并且适于
a）从已经自所述热能储存设备（200、300、600）接收的热传热介质中提取热能，以及
b）将所提取的热能转化为机械能。
 根据前一权利要求所述的热能储存和回收系统，其中，
所述热转化装置包括蒸汽涡轮机（240、340）。
 根据权利要求8至11之一所述的热能储存和回收系统，进一步包括：
控制单元，其与a）所述热能储存设备、b）所述热产生装置和c）所述热转化装置中的至少一个连接，
其中，所述控制单元适于控制所述热能储存和回收系统的操作。
 一种操作热能储存设备的方法，该热能储存设备包括：a）换热器装置（110），其被配置为导引所述换热器装置（110）的第一端（112a）与所述换热器装置（110）的第二端（114a）之间的传热介质流，以及b）围绕所述换热器装置（110）的储热材料，所述方法包括：
        如果所述热能储存设备（100）处于第一操作模式，则将所述传热介质从所述第一端（112a）传输到所述第二端（114a），在该第一操作模式中，所述储热材料（108）应从所述传热介质接收热能；以及
        如果所述热能储存设备（100）处于第二操作模式，则将所述传热介质从所述第二端（114a）传输到所述第一端（112a），在该第二操作模式中，所述储热材料（108）应向所述传热介质释放热能。

说明书基于传热介质传输的逆流原理的热能储存和回收
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设备。进一步地，本发明涉及包括这种热能储存设备的热能储存和回收系统以及用于操作这种热能储存设备的方法。
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的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，除了发电机和热泵之外，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。这导致了已知系统不够灵活。
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设备，其包括：a）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和所述换热器装置的第二端之间的传热介质流；以及b）围绕所述换热器装置的储热材料。所述换热器装置适于在所述热能储存设备处于第一操作模式时，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，所述储热材料应该从所述传热介质接收热能。此外，所述换热器装置适于在所述热能储存设备处于第二操作模式时，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，所述储热材料应该向所述传热介质释放热能。
所描述的热能储存设备基于以下构思，即：通过对于不同操作模式使用不同的传热介质传输方向可以实现高效的热能储存。所描述的原理利用了a）第一传输方向以便向储热材料充载（charge）热能，和b）相反的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相同。相应地，在对热能储存设备进行充载时换热器装置的用于冷却下来的传热介质的出口端与对热能储存设备进行卸载时换热器装置的用于冷的传热介质的入口端相同。
通过利用上述逆流原理，当从热能储存设备回收能量时，可以将冷传热介质加热到与向热能储存设备充入热能时热传热介质的入口温度近似相同的温度。以此方式，如果热传热介质包括加热的蒸汽，则（初始时）被加热的冷传热介质也可包括加热的蒸汽，之后该蒸汽可以在不使用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。
传热介质可以是流体，即液态或气态介质。优选地，传热介质至少在其处于较高温度时是蒸汽。这可能意味着，当将热能充载到所描述的热能储存设备中时，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。
要说明的是，热能储存设备还可以包括两个或甚至更多个换热器装置，每个个换热器装置具有所描述的第一端和所描述的第二端。由此，可以通过采用上述逆流原理来操作换热器装置中的至少一个换热器装置，优选是全部换热器装置。
根据本发明的一个实施例，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。其中，这些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设备，以便优化所描述的热能储存设备的入口和/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，储热材料包括固体材料，特别是例如沙子、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，热能储存设备进一步包括绝热装置，该绝热装置用于：a）使整个热能储存设备与其外界绝热，和/或b）使所述热能储存设备的不同区域互相绝热。这可以提供下述优点，即：热能储存设备可以至少部分地与其周围环境热隔离和/或所述设备的不同区域可以至少部分地彼此热隔离，从而使得可以基于给定的操作条件来优化热能储存设备的有效尺寸。
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，第一端和第二端可以位于热能储存设备的同一侧。
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，热能储存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和另一换热器装置的另一第二端之间的传热介质流，并且所述另一换热器装置也被储热材料围绕。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。
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设备的独立的腔室或导管中流动。由此，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，a）能够同时传输在所述另一换热器装置中的另一传热介质和在所述换热器装置中的传热介质，并且b）能够相对于所述换热器装置中的传热介质沿相反方向传输所述另一换热器装置中的另一传热介质。
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。
根据本发明的另一实施例，提供了一种热能储存和回收系统，其包括：a）如上文所述的热能储存设备，以及b）热产生装置，其与热能储存设备直接或间接连接并且适于加热从热能储存设备已经接收的和应传输到热能储存设备的传热介质。
所描述的热能储存和回收系统基于下述构思，即：当上述热能储存设备协同热产生装置进行操作时，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）热能传到热能储存设备。
如果热能储存设备与热产生装置直接（热）连接，则热能储存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。
根据本发明的另一实施例，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，热能储存和回收系统进一步包括与热能储存装置直接或间接连接的热转化装置。所述热转化装置适于a）从已经自热能储存设备接收的热传热介质提取热能，以及b）将所提取的热能转化为机械能。
特别地，可通过与热转化装置机械连接的发电机将所述机械能转化为电能。
如果热能储存设备与热转化装置直接（热）连接，则热能储存设备所使用的热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。然后例如利用换热器和/或利用蒸发器实现两种流体之间的热连接。
根据本发明的另一实施例，热转化装置包括蒸汽涡轮机。这可以提供能够实现高效率的回收热能转化的优点。
其中，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公共电网和/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化到它的液相。
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）热能储存设备、b）热产生装置和c）热转化装置中至少一个。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）热能储存设备的至少一个阀，d）驱动传热介质使其通过热能储存设备的至少一个循环泵，e）热转化装置的（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）热转化装置（主要包括蒸汽涡轮机）的冷凝器。
根据本发明的另一方面，描述了一种操作热能储存设备的方法，该热能储存设备包括：a）换热器装置，其被配置为导引换热器装置的第一端与换热器装置的第二端之间的传热介质流，以及b）围绕换热器装置的储热材料。所描述的方法包括：如果热能储存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，储热材料应该从传热介质接收热能；以及如果热能储存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，储热材料应向传热介质释放热能。
此外，所描述的方法基于下述构思，即：通过对于不同操作模式使用不同的传热介质传输方向可以实现高效的热能储存。所描述的利用不同传输方向来充载和卸载储热材料的原理可以被理解为逆流原理。
特别地，所描述的逆流原理允许从热能储存设备提取热能，其中，传热介质具有与当传热介质用于将热能储存到热能储存设备中时的传热介质温度至少近似相同的温度。
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，已经参照设备类权利要求描述了一些实施例，并且已经参照方法类权利要求描述了其它实施例。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，特别是设备类权利要求的特征和方法类权利要求的特征之间的任意结合，也应被认为已被本文公开。
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所示的热能储存设备的剖切俯视图。
图3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4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5示出了沿图1所示热能储存设备的换热器装置的管的示例性温度分布曲线。
图6借助于以下两种情形时温度沿换热器装置的管的局部依赖性图解说明了逆流原理，所述两种情形即：a）当传热介质沿第一方向流动以向热能储存设备充载热能时，以及b）当传热介质沿第二相反方向流动以对热能储存设备进行卸载时。
图7示出了根据本发明第三实施例的热能储存和回收系统的示意图，其中通过热泵执行对热能储存设备的充载并且通过热机执行对热能储存设备的卸载。
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示出了热能储存设备100的剖切俯视图。热能储存设备100包括外罩102，所述外罩包括绝热材料。因此，外罩102代表了热能储存设备100的外绝热壁108。热能储存设备100进一步包括将热能储存设备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、关闭或部分打开/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设备100的与该关闭的阀相关联的子区域与热能储存设备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的使用容量的减小或增加而相应地减小或增加。
所描述的热能储存设备100的尺寸可以大于1000m长、100m宽和5m深。这使得体积为500000 m3。如上文已经提及的，储热材料可以用沙子进行填沙，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34.8 GWh。
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）向热能储存设备100充载热能，以及b）用于对热能储存设备100进行卸载，即用于从热能储存设备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被认为是采用了逆流原理。通过利用此逆流原理，当从热能储存设备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设备100的热力学效率很高。
图2示出了热能储存设备100的剖切俯视图。在热能储存设备100的前侧可以看到换热器装置110的端112a和114a。在此方位中，可以将热能储存设备100向下放置到基础120中。
图3示出了根据本发明第一实施例的热能储存和回收系统230的示意图。根据这里描述的实施例，水，更确切地说是（水）蒸气，被用作传热介质。
为了回收所储存的能量，例如利用未示出的泵送设备通过热能储存设备200的换热器装置第二端214a将水馈送到热能储存设备200。结果，蒸汽从换热器装置的第一端212a流出。由此，可以采用上述逆流原理，即：回收能量时水/蒸汽的流动方向与充载热能储存设备200时的水/蒸汽的流动方向相反。
流出的蒸汽被馈送到蒸汽涡轮机240，该蒸汽涡轮机通过轴连接结构242驱动电力发电机245。在蒸汽到达蒸汽涡轮机240之前可用另一加热装置（未示出）对蒸汽涡轮机240中的蒸汽进行过加热，以避免蒸汽涡轮机240中的蒸汽冷凝。蒸汽进一步地进入冷凝器280中，蒸汽在其中转变为水。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280和/或可以将从分区绝热装置（未示出）返回的水泵送通过冷凝器280，以冷却和冷凝蒸汽。
为了将热能储存在热能储存设备100中，可以通过电锅炉270加热被冷凝的水。此外，可以采用热泵系统（未示出）或任意其它加热装置。可以使用集成到冷凝器280和/或蒸汽涡轮机240中的独立的电锅炉或所示的电锅炉270。然后，蒸汽进入热能储存设备100的换热器装置的第一端212a中并且作为冷凝水在第二端214a返回。
为了确保蒸汽和水适当的流动方向，可以在系统中放置一个或多个阀（未示出）。电锅炉270和电力发电机245可以连接到公共电网250以及所示的风力涡轮机260或其它种类的替代性能量源。可以通过关闭电开关265来启动电锅炉270。以此方式，锅炉270可以使用由例如风力涡轮机260产生的电能，以加热水并使水通过热能储存设备100。由此，热能将被储存在热能储存设备100中。在没有风或风较小的时期或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设备100。由此，水将被加热并转化为蒸汽。所述蒸汽驱动蒸汽涡轮机240，蒸汽涡轮机240驱动向公共电网250供电的电力发电机245。
图4示出了根据本发明第二实施例的热能储存和回收系统330的示意图。在此实施例中，热力发电站335连接到公共电网350并且连接到热能储存设备300。根据这里描述的实施例，热力发电站335包括具有冷凝器（未示出）和连接的电力发电机345的蒸汽涡轮机340和电锅炉370。并且，可以利用热泵系统或其它加热装置替代或补充电锅炉370。
热力发电机335与既用于储存能量也用于回收所储存的能量的热能储存设备300连接，如上文参照图3所解释的。同样，这里的风力涡轮机360或其它种类的替代性能量源可以与公共电网350连接。
图5示出了沿图1所示热能储存设备的换热器装置的管的示例性温度分布曲线。现在用附图标记400表示该热能储存设备。在图5中，示出了在热传热介质已经流过换热器装置至少一段时间之后热能储存设备400的热状态。这意味着，热能储存设备400至少部分地充载有热能。结果，在沿换热器装置的不同位置处（其由实心圆表示），出现了以下温度：500℃、500℃、490℃、450℃、350℃、250℃、150℃、50℃、20℃、20℃。
用于对热能储存设备400进行充载的传热介质的流动方向可以用箭头419a来表示。根据上述逆流原理，当从热能储存设备400取回热能时，沿相反方向泵送传热介质使其穿过所示热能储存设备的换热器装置。以此方式，当从热能储存设备400取回能量时，可以将冷传热介质加热到与对热能储存设备400进行充载时热流体的入口温度近似相同的温度。
图6借助温度沿换热器装置的管的局部依赖性图解说明了逆流原理。在横坐标上，标注了沿管的测量点的位置L。在纵坐标上标注了各个温度T。
当对热能储存设备进行充载时，初始时热的传热介质沿管从热入口端“l2”流到冷出口端“l1”。由此，温度分布曲线592将上升。当对热能储存设备进行卸载时，初始时冷的传热介质沿管从热入口端“l1”流到冷出口端“l2”。由此，温度分布曲线594将下降。
一般而言，图6示出了如何利用逆流原理在传热介质穿过热能储存设备的换热器时分别加热和冷却所述传热介质。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恒定。以此方式，可以将冷传热介质加热到与热传热介质的入口温度基本相同的温度。
图7示出了根据本发明第三实施例的热能储存和回收系统630的示意图。其中，利用热泵670执行对热能储存设备600的充载并且利用热机690执行对热能储存设备的卸载。
如从图7可见的，热机690包括从热能储存设备600接收热能的蒸发器684。此外，热机690包括被连接在蒸发器684下游的蒸汽涡轮机640。蒸汽涡轮机640可以按已知方式与未示出的发电机连接，以便将蒸汽涡轮机640提供的机械能转化为电能。此外，热机690包括将冷凝水输送到蒸发器684的馈送泵682。根据这里描述的实施例，利用众所周知的朗肯循环（Rankine cycle）操作热机690。
如从图7进一步可见，热泵670包括冷凝器674，以便将热能传送到热能储存设备600。此外，热泵670包括减压阀676、蒸发器678和压缩机672。由于对于本领域技术人员来说热泵的物理原理是众所周知的，因此为简明起见，这里将不给出对热泵670操作的进一步解释。
为了驱动传热介质沿适合的方向（取决于是“充载”还是“卸载”）穿过热能储存设备600，热能储存和回收系统630包括两个循环泵601a和603a以及两个阀601b和603b。
当对热能储存设备600进行充载时，将启动泵601a并关闭泵603a。此外，阀601b和603b被设置为使得传热介质仅仅流过冷凝器674、泵601a、阀601b、热能储存设备600和阀603b。由此，从冷凝器674接收热能，并且将该热能提供到热能储存设备600。
当对热能储存设备600进行卸载时，将关闭泵601a并启动泵603a。此外，阀601b和603b被设置为使得传热介质仅仅流过蒸发器684、泵603a、阀603b、热能储存设备600和阀601b。由此，从热能储存设备600获取热能，并且将该热能提供到蒸发器684。
如从图7进一步可见，蒸发器678和冷凝器热连接到蓄冷器696。另一传热介质经由循环泵698从蓄冷器被传输到蒸发器678，并被进一步传输到冷凝器680。根据热泵的基本操作原理，蒸发器678从所述另一传热介质中提取一些热能。此外，冷的另一传热介质也用于冷却冷凝器680。蓄冷器696可以仅是空气、或河流、或海洋，但是如果热能储存和回收系统630位于远离海洋处并且缺少水，则蓄冷器696也可以是专门的储存单元。
要说明的是，根据这里描述的实施例，冷凝器674和蒸发器684用作换热器。这意味着，传输通过热能储存设备600的传热介质并不是蒸汽涡轮机的操作介质。优选地，传热介质一直保持处于相同的相。传热介质可以是例如加压水、压缩甘油和/或植物油。
热能储存设备600（其也可被称作蓄热器）可以是长土堆，其大小例如为1000m长×200m宽×10m高。可以用2m的矿棉来对热能储存设备600进行绝热。可以用按较近间隔放置在储热材料中的钢管来实现换热装置。换热装置可以例如每250mm包括一个1''管，其从一端沿设备600延伸，在末端处弯曲180°然后在中心线绝热物的另一侧上返回。这可以使得热能储存设备600的热侧和冷侧处于同一端。如果通过现场挖掘、进行底部绝缘、然后再填充，同时封装换热器管、在顶上施加绝缘物来建造热能储存设备600，那么，热能储存设备将仅在周围环境上方增高4m，并且为了农用目的甚至可以覆盖有土壤。因此，对景观的影响是非常适度的。此尺寸的蓄能器理论上将具有250GWh的容量C。其中，已通过以下公式计算容量：

其中，
V是热能储存设备的体积，这里是1000m×200m×10m；
ρ是储热材料的密度，这里是1600kg/m3；
c是比热容，这里是0.8 kJ/kg/度；
f是kWh和kJ之间的换算因数，这里是1/3600 kWh/kJ；以及
ΔT是被充载的热能储存设备的温度和被卸载的热能储存设备的温度之间的温度差，这里是400℃－50℃。
要说明的是，图7中所示的系统表示了利用可逆卡诺循环进行操作的机器。根据操作温度卸载效率可以为40%或更大。但是通过热泵的高达200%的剩余效率补偿该适中的效率，从而获得80%或更大的优异总双程效率。通过用蓄冷器保留所有装置的冷却水并且通过热泵的冷侧来冷却蓄冷器，可以进一步提高双程效率。由此，可以将所有电的和机械的热损失馈送回系统。
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
114        第二换热段
114a       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
200        热能储存设备
212a       第一端
214a       第二端
230        热能储存和回收系统
240        蒸汽涡轮机
242        轴连接结构
245        电力发电机
250        公共电网
260        风力涡轮机
265        电开关
270        电锅炉/热源
280        冷凝器
300        热能储存设备
330        热能储存和回收系统
335        热力发电站
340        蒸汽涡轮机
345        电力发电机
350        公共电网
360        风力涡轮机
370        电锅炉/热源
400        热能储存设备
419        流动方向
592        充载期间的温度分布曲线
594        卸载期间的温度分布曲线
600        热能储存设备
601a       循环泵
601b       阀
603a       循环泵
603b       阀
630        热能储存和回收系统
640        蒸汽涡轮机
670        热源/热泵
672        压缩机
674        冷凝器
676        减压阀
678        蒸发器
680        冷凝器
682        馈送泵
684        蒸发器
690        热机
696        蓄冷器
698        循环泵。