專利名稱：：用于存儲和返還電能的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種裝置，用于存儲和返還電能，其適合于存儲幾十、或甚至幾千兆瓦時(麗h)，本發(fā)明還涉及一種以熱能形式存儲電能的方法，在其中利用了本發(fā)明的裝置，且本發(fā)明還涉及從借助本發(fā)明的方法存儲的熱能返還電能的方法。本發(fā)明涉及在高溫存儲能量，且更具體地涉及存儲電能以便在耗電高峰期間通過電力網(wǎng)絡(luò)返還電能。
背景技術(shù)：
：通常由電站使用用于產(chǎn)生能量的各種燃料來產(chǎn)生電力，例如燃?xì)?、石油、煤或褐煤。另一種方法在于使用核燃料來產(chǎn)生熱量，隨后在高壓蒸汽渦輪機(jī)中將其變換為電能。也已知可再生能源，其在不同國家中在不同程度上對電力的產(chǎn)生做出貢獻(xiàn)。除了其它可能性之外，還可以包括來自水壩、從海流中取得能量的風(fēng)力渦輪機(jī)、水力渦輪機(jī)以及從海洋的涌浪或者實(shí)際上從太陽能回收能量的各種設(shè)備的水力能源。盡管從燃料或大壩的蓄水產(chǎn)生電力的裝置可以在非常長的時期中連續(xù)地工作在額定功率或最大功率，但可再生能源的特征在于間歇地工作，并且將可再生能源并入網(wǎng)絡(luò)中通常用來減輕僅僅一小部分傳統(tǒng)電站的負(fù)擔(dān)，部分這些電站隨后可以在等待來自網(wǎng)絡(luò)的電力要求時以低功率運(yùn)行或者甚至停止。已知使用渦輪機(jī)來從諸如燃?xì)饣蚴偷娜剂袭a(chǎn)生機(jī)械能的多種技術(shù)，該技術(shù)包括壓縮氧化劑(通常是空氣)；隨后將它與燃料混合，并使其在燃燒室中燃燒；且最后將其引向膨脹渦輪機(jī)，以便回收所產(chǎn)生的機(jī)械能，通常將壓縮機(jī)和膨脹渦輪機(jī)成一條直線安裝在公共軸上。在該類型的回轉(zhuǎn)機(jī)械中，尋求最大效率，其中，最大效率是入口溫度與膨脹渦輪機(jī)的函數(shù)。在工作溫度上的限制是由于在膨脹渦輪機(jī)中的槳葉的溫度特性，假定燃燒氣體在極高溫度有較強(qiáng)侵蝕性的性質(zhì)，燃燒氣體通常由C02、NOx及對用于構(gòu)成渦輪機(jī)的槳葉的合金有侵蝕性的其它混合物組成。還已知在核電站中使用蒸汽渦輪機(jī)來將已經(jīng)升到極高溫度而成為蒸汽形式的水力能首先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，隨后轉(zhuǎn)換為耦合到蒸汽渦輪機(jī)軸一端的發(fā)電機(jī)內(nèi)的電能。這種蒸汽渦輪機(jī)工作在用于輸送熱的流體的閉合回路中，蒸汽狀態(tài)的水從輪機(jī)上行，液態(tài)水從所述輪機(jī)下行。長期以來嘗試了存儲能量，以便獲得在耗電高峰期間幾乎立刻可使用的能量。為了在能量需求的峰值期間驅(qū)動渦輪機(jī)，已經(jīng)開發(fā)了多種技術(shù)，除了其它可能性之外，還可以包括蓄電電池(通常為鉛酸電池)，或者將水泵送到高處的大壩。在鉛酸電池中存儲能量對于中小型容量是有效的技術(shù)，但在必須存儲相當(dāng)于核電站設(shè)施的容量(即在24小時(h)或36h的時間段內(nèi)大約1200兆瓦(麗))時，所需的裝置就變得巨大且完全不切實(shí)際。盡管大壩構(gòu)成了存儲能量的極佳的手段，但不幸的是適合的地點(diǎn)在數(shù)量上受到限制，且此外存儲非常大量的能量需要使大量的水移動，于是就需要從可利用的量中來獲得這個量，隨后需要在無需這么大量的水的時候釋放它們，例如在灌溉期間，在此情況下，都或多或少地浪費(fèi)了水。然而，幾個地點(diǎn)包括通常是大容量湖泊的高位水庫和低位水庫，在存儲能量時，將低位湖泊中容納的水泵送到高位湖泊，以便在耗電高峰需要將額外的電力傳送到電網(wǎng)中時，可用于以相反的方向驅(qū)動渦輪機(jī)。另一種技術(shù)是以壓縮空氣的形式存儲能量，隨后由活塞發(fā)動機(jī)、葉輪發(fā)動機(jī)或者就是渦輪機(jī)將其重新轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。專利W02005/108758描述了一種以熱量形式將能量存儲在地下容器中的技術(shù)，該熱量通過壓縮起初在大氣壓和環(huán)境溫度下的空氣來產(chǎn)生，其中在地下存儲庫中的溫度是大約70(TC。在該應(yīng)用中，氣體(即空氣)在存儲階段期間在開放回路中從自由大氣流入到地下存儲庫中，隨后在能量返還階段，從地下存儲庫流回自由大氣。在另一個
技術(shù)領(lǐng)域：
中，在使用爐火的工業(yè)(即使用高爐的陶瓷和陶土工業(yè)、玻璃制造和水泥制造工業(yè))中，通常利用回?zé)崞鳎摶責(zé)崞鲗裏岬臍怏w輸送到巨大的塔中來加熱包含在其中的耐高溫物質(zhì)，以便在將所述氣體排放到空氣中之前從氣體回收熱。當(dāng)在耐高溫材料內(nèi)達(dá)到最高溫度時，停止熱氣體的流動，并輸送冷空氣的反向流動，該冷空氣在被引導(dǎo)到熔爐或燃燒爐的入口之前，其通過與耐高溫材料接觸而變熱。這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了極大地減小了在耗費(fèi)大量能量的工業(yè)過程中的熱損失。所引起的問題是從諸如煤、燃?xì)狻⑹突蛘呱踔潦呛穗娬镜膫鹘y(tǒng)電站存儲能量，以便能夠在能量要求超出了生產(chǎn)能力的高峰期間非常迅速地將能量大量返還給電網(wǎng)。類似地，對于諸如風(fēng)力渦輪機(jī)或海水渦輪機(jī)的可再生能量，問題是如何能夠在強(qiáng)風(fēng)或水流期間存儲大量的能量，所述能量相當(dāng)于過剩的生產(chǎn)，以便在生產(chǎn)不足的階段中，即風(fēng)力或水流不能夠保持在最低閾值的能量產(chǎn)生程度時，返還所述能量。
發(fā)明內(nèi)容為此，本發(fā)明基本上是以熱形式將相當(dāng)大量的電能存儲在耐高溫材料物質(zhì)內(nèi)，能夠傳遞能量的流體是氣體，優(yōu)選地是諸如氬的惰性氣體，隨后以電能的形式返還所述存儲的熱勢能。更準(zhǔn)確地，本發(fā)明提供一種裝置，用于存儲并返還電能，所述裝置特征在于其包括*第一和第二外罩，其包含氣體和第一及第二多孔耐高溫材料，其適合于通過在所述多孔耐高溫材料與流過所述外罩的氣體之間的接觸來傳熱；及管道的閉合回路，其能夠使氣體連續(xù)地從一端到另一端通過這兩個外罩中的每一個；及壓縮機(jī)模塊和膨脹機(jī)模塊，用于壓縮和膨脹在所述管道中在連接到另一個外罩的一端的外罩每一端之間流動的氣體；及優(yōu)選地，第一氣體加熱器模塊，其適合于加熱在所述第二外罩中流動的氣體；及再優(yōu)選地，冷卻器模塊，其用于冷卻在第一外罩的一端與所述壓縮機(jī)模塊和膨脹機(jī)模塊之間流動的氣體，適合于在所述膨脹機(jī)模塊中進(jìn)行膨脹之前冷卻在所述端離開所述第一外罩的氣體，或者分別冷卻在由所述壓縮機(jī)模塊壓縮后進(jìn)入所述第一外罩中的氣體。應(yīng)當(dāng)理解的是，這兩個所述第n頂管(或底管)可以是兩個平行管道(在所述渦輪機(jī)/壓縮機(jī)與單個外罩之間提供接頭)，或者二者之一包括在所述渦輪機(jī)/壓縮機(jī)之前的來自另一個的支管。更具體地，根據(jù)本發(fā)明，一種用于存儲并返還電能的裝置包括A)第一保溫外罩，其填充有第一多孔耐高溫材料，第一多孔耐高溫材料適合于傳送在所述第一外罩的頂端與底端之間流過所述第一外罩的氣體；及B)第二保溫外罩，其填充有第二多孔耐高溫材料，第二多孔耐高溫材料適合于傳送在所述第二外罩的頂端與底端之間流過所述第二外罩的氣體；及C)保溫管道，使得氣體能夠流入這兩個外罩之間的閉合回路，所述管道包括在這兩個外罩的頂端之間的第一頂管和第二頂管、以及在這兩個外罩的底端之間的第一底管和第二底管；及D)優(yōu)選地，第一氣體加熱器模塊，其適合于加熱在所述第二外罩中的氣體；及E)第一氣體壓縮機(jī)模塊，其包括電動機(jī)，電動機(jī)適合于被輸入電能來存儲，以便驅(qū)動第一壓縮機(jī)，第一壓縮機(jī)適合于壓縮通過所述第二頂管的來自所述第二外罩的所述頂端的氣體，以經(jīng)由所述第一頂管將其傳遞到所述第一外罩的所述頂端；及F)第一氣體膨脹機(jī)模塊，其包括第一渦輪機(jī)，第一渦輪機(jī)適合于膨脹通過第一底管的來自所述第一外罩的所述底端的氣體，以經(jīng)由第二底管將其傳遞到所述第二外罩的所述底端；及G)第二氣體壓縮機(jī)模塊，其適合于壓縮通過另一個第二底管的來自所述第二外罩的所述底端的氣體，以經(jīng)由另一個第一底管將其傳遞到所述第一外罩的所述底端；及H)第二氣體膨脹機(jī)模塊，其包括第二渦輪機(jī)，第二渦輪機(jī)適合于膨脹通過另一個第一頂管的來自所述第一外罩的所述頂端的氣體，以通過另一個第二頂管將其傳遞到所述第二外罩的所述頂端，所述第二膨脹機(jī)模塊適合于驅(qū)動發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)適合于返還電能；及I)氣體冷卻器模塊，優(yōu)選的是熱交換器，適合于分別冷卻在所述第一外罩的底端與所述第二壓縮機(jī)和所述第一渦輪機(jī)的出口和入口之間在所述第一底管中流動的氣體。優(yōu)選地，本發(fā)明的電能存儲和返還裝置包括第二氣體加熱器模塊，適合于加熱在所述第二外罩的頂端與所述第一壓縮機(jī)之間流入所述第二頂管的氣體。根據(jù)本發(fā)明的裝置的其它有利特性所述第一渦輪機(jī)適合于由以機(jī)械方式耦接的所述第一壓縮機(jī)來驅(qū)動；所述第二渦輪機(jī)耦接到適合于驅(qū)動其的輔助電動機(jī)；及所述第二壓縮機(jī)由以機(jī)械方式耦接的所述第二渦輪機(jī)驅(qū)動。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的裝置填充有惰性氣體，優(yōu)選地是氬氣。如以下所解釋的，氬氣是有優(yōu)勢的，因為它是固定不變且不活潑的氣體，S卩，它不會腐蝕管道，且它是單原子氣體，其呈現(xiàn)了易于加熱的優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致了有限的壓縮率，并且已知其數(shù)量豐富而成本較低。在具體實(shí)施例中，所述裝置由此呈現(xiàn)特性所述第一外罩和第一多孔耐高溫材料能夠耐受至少75(TC的溫度Tl，優(yōu)選地在750。C到2000。C的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地為IOO(TC到1500°C;將所述第二渦輪機(jī)定容積為使得在所述溫度Tl膨脹氣體，而將容積比第二渦輪機(jī)小的所述第一渦輪機(jī)定容積為用于將氣體從環(huán)境溫度TO膨脹到-S(TC到_201:范圍中的溫度T3;所述第二外罩和第二多孔耐高溫材料能夠耐受至少400°C的溫度T2，優(yōu)選地在40(TC到1000。C范圍中，更優(yōu)選地為50(TC到700°C;及將所述第一壓縮機(jī)的容積定為用于壓縮在所述溫度T2的氣體，而將容積比第一壓縮機(jī)小的所述第二壓縮機(jī)的容積定為用于將氣體從-80°C到-20°C范圍中的溫度T3壓縮到環(huán)境溫度。再更具體地，所述第一壓縮機(jī)適合于以大于所述第一渦輪機(jī)的體積流率進(jìn)行傳遞、所述第二渦輪機(jī)適合于以大于所述第二壓縮機(jī)的體積流率進(jìn)行傳遞、以及所述第一壓縮機(jī)和第二渦輪機(jī)由碳制成。優(yōu)選地，所述耐高溫材料呈現(xiàn)至少每立方米每開爾文2000千焦(KJ.m—3.K—0的每單位體積的內(nèi)在熱容量，更優(yōu)選地為至少2800KJ.m—3.K—、有利地，所述第一和第二多孔耐高溫材料呈現(xiàn)在20%到60%范圍內(nèi)的孔隙率。更具體地，所述第一和第二多孔耐高溫材料由一塊接一塊裝配的多孔磚組成，優(yōu)選地具有貫穿其中的圓柱形穿孔，圓柱形穿孔在常見縱向上平行布置，該方向是在其中裝配多孔磚的外罩的縱向，所述穿孔更優(yōu)選地具有5毫米(mm)到20mm范圍內(nèi)的直徑。在具體實(shí)施例中，所述第一和第二多孔耐高溫材料由耐火泥構(gòu)成，耐火泥具有從氧化鎂、氧化鋁和石灰中選擇的較高含量的化合物?？砂ǖ哪透邷夭牧鲜悄突鹫惩?、氧化鎂、白云石、多鋁紅柱石、以及碳。更具體地，所述第一多孔耐高溫材料由重烤耐火泥或耐火粘土構(gòu)成，而所述第二多孔耐高溫材料由初烤耐火泥構(gòu)成。在具體實(shí)施例中，所述第一和第二外罩分別具有不小于5000立方米(m3)的體積，優(yōu)選地分別在10，OOOm3到45，OOOm3范圍中。本發(fā)明還提供了一種以熱能形式存儲電能的方法，其中，使用了本發(fā)明的裝置，所述方法特征在于在將加熱到溫度T2的所述第二外罩的氣體預(yù)熱的初始步驟后，將所述裝置填充起初在環(huán)境溫度T。的惰性氣體，執(zhí)行以下連續(xù)的步驟1)在將離開第二外罩頂端的溫度L的氣體傳送到所述第一外罩頂端之前，通過在所述第一壓縮機(jī)中壓縮該氣體從而將其加熱到高于溫度T2的溫度1\，在第一外罩中建立高于第二外罩的壓力P2的壓力Pp所述第一壓縮機(jī)由要存儲的電能供電的第一電動機(jī)驅(qū)動；及2)氣體在所述頂端與其所述底端之間從頭到尾穿過所述第一外罩，且其將第一外罩的所述底端維持在環(huán)境溫度TO或高于TO但小于T2的溫度T'1;及3)隨后如果需要的話，由優(yōu)選地是熱交換器類型的所述氣體冷卻器模塊將氣體冷卻到環(huán)境溫度TO，氣體冷卻器模塊位于第一外罩的底端的出口的下游；及4)隨后通過優(yōu)選地由所述第一壓縮機(jī)驅(qū)動的所述第一渦輪機(jī)將氣體膨脹到第二外罩的所述壓力P2，其低于壓力Pl，隨后在通過所述第二外罩的底端進(jìn)入所述第二外罩之前，將氣體冷卻到低于TO的溫度T3;及5)使得氣體在所述第二外罩的所述底端與頂端之間流過所述第二外罩，從而獲得增大在冷卻到溫度T3的所述第二外罩底部中的耐高溫材料的體積的效果，并獲得減小在溫度T2或低于T2但高于TO和T'1的T'2的其頂部的體積的效果，且如果需要而必須的話，借助于第二氣體加熱器模塊將離開第二外罩的溫度T'2的氣體加熱到溫度T2;及6)重復(fù)以上步驟l)至IJ5)，直到加熱到溫度T1的第一外罩的頂部占據(jù)了所述第一外罩的體積的至少80%、且第二外罩的底部冷卻到溫度T3從而占據(jù)第二外罩的體積的至少80%。應(yīng)當(dāng)理解的是，在每一個步驟2)中，當(dāng)氣體在起初完全在溫度TO的第一外罩頂端達(dá)到溫度Tl且氣體從第一外罩的頂端向底端移動時，通過所述第一多孔耐高溫材料的氣體獲得了使得氣體將熱傳遞給在第一外罩的頂部中的所述第一耐高溫材料的效果，第一外罩的頂部隨后被加熱到溫度T1，而沒有被加熱或加熱程度較小的其底部是在T0到T1范圍、且實(shí)踐中是T0到T2范圍中的溫度T'1。隨著在閉合環(huán)路中循環(huán)的氣體不斷地通過，在第一外罩的熱頂部與冷底部之間鋒面或者更恰當(dāng)?shù)卣f是熱過渡層向下移動，在溫度Tl的頂部占據(jù)了不斷增大的體積。同時，在步驟5)中，氣體在冷溫度T3進(jìn)入第二外罩的底部，從而獲得從所述第二多孔耐高溫材料抽取熱并因此冷卻第二外罩的底部的效果，第二外罩的底部從溫度T2變?yōu)闇囟萒3。隨著氣體不斷通過，在第二外罩的熱頂部與冷底部之間的鋒面或者更恰當(dāng)?shù)卣f是熱過渡層逐步向上前進(jìn)，在溫度T3的底部占據(jù)了不斷增大的體積。從而用于為第一壓縮機(jī)提供能量的電能E1以(熱的)熱能(卡)的形式存儲在第一外罩中、并以(冷的)熱能(千卡)的形式存儲在第二外罩中，該能量取決于梯度T1-T3。優(yōu)選地，中斷存儲，以使得在所述溫度T'1的第一外罩的底部占第一外罩的體積的至少10%、優(yōu)選地是第一外罩的體積的10%到20%，和/或在溫度12的第二外罩的頂部占小于所述第二外罩的體積的20%、優(yōu)選地是10%到20%。根據(jù)本發(fā)明有利的其它具體特性，所使用的所述耐高溫材料具有以下特性和質(zhì)所述溫度Tl禾PT2使得Tl/T2=1.5到3、T1/T0大于2并優(yōu)選地大于3且更優(yōu)選地小于6、以及P1/P2在2到4范圍中；及Tl是750。C到2000。C、優(yōu)選地是IOO(TC到1500°C，且T2是400°C到IOO(TC，優(yōu)選地是50(TC到700°C;及.壓力P1在2到4巴表壓(2X105pa到4Xl()5pa)范圍中，且壓力P2在0.5到1.5巴表壓(0.5Xl。5pa到1.5X105Pa)范圍中；及如果需要的話，TO在l(TC到5(TC范圍中、T3在-8(TC到-20°〇范圍中且Tl'在2(TC到15(TC范圍中。有利地，存儲在20麗h到10，OOO麗h范圍中的大量電能。本發(fā)明還提供了一種從借助于如上定義的本發(fā)明的方法存儲的熱能返還電能的方法，所述方法特征在于，在由所述輔助電動機(jī)驅(qū)動所述第二壓縮機(jī)和所述第二渦輪機(jī)的初始開始階段后，在該初始階段期間，在第一外罩中的壓力P'1與第二外罩中的小于P'1的壓力P'2之間建立壓力梯度，以使得P'1大于P'2、P'1優(yōu)選地大于Pl且P'2優(yōu)選地小于P2，執(zhí)行以下連續(xù)的步驟1)將經(jīng)由第一外罩的頂端離開的在所述溫度Tl的氣體通過第二渦輪機(jī)膨脹并冷卻到溫度T2，且所述第二渦輪機(jī)致動所述第二發(fā)電機(jī)，從而使得返還的電能能夠傳遞；及2)氣體從其頂端到其底端通過所述第二外罩，將第二外罩的頂部加熱到所述溫度T2，第二外罩的底部保持在所述溫度T3;及3)隨后借助于通過所述第二壓縮機(jī)來壓縮離開所述第二外罩的底端的在溫度T3的氣體，優(yōu)選地由第二渦輪機(jī)釋放的能量來致動所述第二壓縮機(jī)，以便氣體在所述第二壓縮機(jī)的出口處加熱到高于環(huán)境溫度TO且如果需要的話大于T'1但小于T2的溫度T4;及4)優(yōu)選地，隨后在被引入到所述第一外罩中、由其底端(12)進(jìn)入在所述溫度T'1的所述第一外罩的底部中之前，氣體由所述冷卻器模塊冷卻到環(huán)境溫度TO或T'1;及5)使得氣體流過所述第一外罩，從而獲得增大在所述溫度T'l的底部中的耐高溫材料的體積、并減小在所述熱溫度T1的頂部中的耐高溫材料的體積的效果；及6)重復(fù)以上步驟l)到5)，直到在所述溫度T1的第一外罩的底部占第一外罩的體積的至少80%、且在所述溫度T2的所述第二外罩的頂部占所述第二外罩的體積的至少80%。應(yīng)當(dāng)理解的是，為了在外罩中保持與本發(fā)明的能量存儲方法相同的溫度Tl和T2，在初始步驟中有必要在兩個外罩之間建立壓力梯度，其大于在本發(fā)明的存儲方法過程中在外罩之間的壓力梯度。應(yīng)當(dāng)理解的是，在每一個步驟2)中，當(dāng)氣體在第二外罩的頂端(其在溫度T2或小于T2的T'2最初不大于的20%)達(dá)到溫度T2且氣體從第二外罩的頂端向下移動到底端時，氣體通過所述第二多孔耐高溫材料的傳送獲得了使得氣體向所述在第二外罩頂部中的第二多孔耐高溫材料傳熱的效果，從而將第二外罩頂部加熱帶溫度T2、同時其未加熱的底部保持在溫度T3。隨著氣體繼續(xù)通過，在第二外罩的熱頂部與冷底部之間的鋒面或者更恰當(dāng)?shù)卣f是熱過渡層向下移動、且在溫度T3的底部占據(jù)的體積不斷減小。同時，在步驟5)中，氣體在第一外罩的底部達(dá)到環(huán)境溫度T0或溫度T'l，從而冷卻所述第一多孔耐高溫材料、并因此冷卻第一外罩的底部，底部從溫度T1變?yōu)闇囟萒'1。隨著氣體繼續(xù)通過，在第一外罩的熱頂部與冷底部之間的鋒面或者更恰當(dāng)?shù)卣f是熱過渡層向上移動，在溫度Tl的頂部占據(jù)的體積不斷減小。因此，將以(熱的)熱能(卡)形式存儲在第一外罩中并以(冷的)熱能(千卡)形式存儲在第二外罩中的電能E工借助由所述第二渦輪機(jī)釋放的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能EK，在氣體從第一外罩的膨脹和冷卻過程中使用了所述第二渦輪機(jī)。優(yōu)選地，在步驟6)中，中斷能量返還方法，以便將第一外罩的頂部保持在所述溫度T1，所述頂部占小于所述第一外罩的體積的20X、優(yōu)選地占10%到20%，和/或在所述冷溫度T3的第二外罩的底部占小于第二外罩的體積的20%、優(yōu)選地占10%到20%。有利地，由所述發(fā)電機(jī)返還的電能的效率E^/^大于60%，優(yōu)選地在75%到85%范圍中。根據(jù)本發(fā)明的返還電能的方法的有利地具有其它特性比率P'1/P'2在3到5范圍中；及T4在15(TC到40(TC范圍中；及壓力P'1在3至lj5巴表壓(2X105Pa到4X105Pa)范圍且P'2在1到1.5巴表壓(1Xl()5pa到1.5X105Pa)范圍中。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特性按照參考以下附圖而給出的以下的詳細(xì)描述將顯而易見，在附圖中圖1是本發(fā)明的裝置處于本發(fā)明的能量存儲方法中的功能圖，即在重新充電第一外罩或熱源的階段；圖2是本發(fā)明的裝置的功能圖，其中以電的形式返還存儲在第一外罩或熱源中的熱能量；圖3是本發(fā)明的裝置的外罩的剖面圖和側(cè)視圖，包括顯示了圓柱形穿孔的放大圖；圖3A和3B是在水平平面上的剖面圖，顯示了耐高溫材料部件的兩個不同的排列，它們的形狀分別是方形和六邊形；圖4顯示了理想氣體類型的熱力循環(huán)、以及真實(shí)氣體的壓縮和膨脹；圖5顯示了用于以從網(wǎng)絡(luò)取得的電能來重新充電第一外罩的熱力循環(huán)；及圖6顯示了為了被重新注入網(wǎng)絡(luò)的用于從第一外罩返還的能量的熱力循環(huán)；圖7、7A和7B顯示了高度h的熱過渡層如何在頂端與底端之間(分別是圖7A和7B)在所述第一外罩內(nèi)前進(jìn)(圖7)。具體實(shí)施例方式用于存儲電能及用于返還電能的本發(fā)明的設(shè)備包括第一保溫外罩l，其包括鋼壁，鋼壁為10mm到100mm厚并且填充有第一多孔耐高溫材料，第一多孔耐高溫材料能夠耐受包含在其中的惰性氣體的高溫和高壓，即在位于IOO(TC到160(TC范圍中、更具體地在130(TC的溫度T1、以及在2巴表壓(bara)到5巴表壓(艮卩，在2X105帕斯卡(Pa)到5X105pa范圍)范圍中的壓力P1下；及第二保溫外罩2，其具有相同的體積、例如在10，OOOm3到15，OOOm3范圍中，其具有在10mm到lOOmm范圍中厚度并填充有第二多孔耐高溫材料的鋼壁，第二多孔耐高溫材料能夠耐受它所包含的惰性氣體的溫度T2和壓力P2，S卩，T2在50(TC到70(TC范圍中，更具體地在大約60(TC。所述第一和第二外罩1和2基本上被完全填充有多孔耐高溫材料ll，其具有如上所述的高發(fā)熱體積。所述設(shè)備包括導(dǎo)管，用于在所述第一外罩1和第二外罩2之間的閉路循環(huán)，以便使得包含在裝置中的氣體能夠在其兩個相對端1「12與2r22之間通過每一個外罩，所述兩個相對端優(yōu)選地分別位于每一個所述外罩的頂端和底端。在第一和第二外罩之間的循環(huán)導(dǎo)管還包括模塊，用于在這兩個外罩之間壓縮/膨脹氣體，這將在后文說明。更具體地，豎直布置所述第一和第二外罩。在圖1和2中，第一外罩1在其頂端^具有頂導(dǎo)管ld，開口在第一外罩的頂部la中，并且在其底端12它具有第一底導(dǎo)管lc，開口在第一外罩1的底部lb中。類似地，第二外罩2在其頂端2工具有第二頂導(dǎo)管2d，開口在第二外罩2的頂部2a中，以及在其底端22的第二底導(dǎo)管2c，開口在第二外罩2的底部2b中。對所述第一和第二底導(dǎo)管lc、2c和頂導(dǎo)管ld、2d進(jìn)行同樣的保溫。將所述第二外罩2耦接到第一加熱器5a，優(yōu)選地是包括電阻5&1和在第二外罩兩端之間的加熱器管路5&3的閉合回路的加熱器，在加熱器管路5&3中流動的氣體由所述第一加熱器5a加熱。將第一壓縮/膨脹組3設(shè)置在所述第一外罩1與第二外罩2之間。該第一壓縮/膨脹組3包括電動機(jī)3a，其由電能Ej共電并用于致動軸向式或離心式第一動壓力壓縮機(jī)3b和其自身耦接到所述第一壓縮機(jī)3b的第一燃?xì)鉁u輪機(jī)3c，第一壓縮機(jī)3b和第一燃?xì)鉁u輪機(jī)3c各自的軸彼此耦接，這將在后文說明。將所述第一壓縮機(jī)3b在其出口處經(jīng)由所述第一頂管ld連接到第一外罩1的頂端lp且將所述第一壓縮機(jī)3b在其入口處經(jīng)由所述第二頂管2d連接到所述第二外罩2的頂端21D所述第二頂管2d構(gòu)成第一壓縮機(jī)3b的進(jìn)料管，所述第一頂管ld構(gòu)成在存儲周期中壓縮后從第一壓縮機(jī)3b的排氣管，這將在后文說明。優(yōu)選地包括第二電阻5a2的第二加熱器5b與所述第二頂管2d協(xié)作，將所述第二加熱器5b設(shè)置在第二外罩2的頂端2工與第一壓縮機(jī)3b的入口之間。將所述第一渦輪機(jī)3c經(jīng)由所述第一底管lc連接到所述第一外罩1的頂端12，并將所述第一渦輪機(jī)3c經(jīng)由所述第二底管2c連接到所述第二外罩2的底端22。當(dāng)設(shè)備工作在存儲周期中時，所述第一底管lc用于給所述第一渦輪機(jī)3c輸入從第一外罩1的底部lb排出的氣體，且從所述第一渦輪機(jī)3c排出的氣體經(jīng)由所述第二底管2c達(dá)到所述第二外罩2的底部2b，這將在后文說明。熱交換器6與在所述第一外罩1的底端12與所述第一渦輪機(jī)3c之間的所述第一底管lc協(xié)作。如圖2所示，將稱為發(fā)電機(jī)組的第二組4如下設(shè)置在所述第一外罩1與所述第二外罩2之間。所述發(fā)電機(jī)第二組4包括第二電動機(jī)4d，其耦接到第二燃?xì)鉁u輪機(jī)4c和第二壓縮機(jī)4b。第二電動機(jī)4d是小型電機(jī)，基本上用于在開始能量返還/回收周期時啟動第二渦輪機(jī)4c，這將在后文說明。發(fā)電機(jī)第二組4包括交流發(fā)電機(jī)4a，其耦接到所述第二燃?xì)鉁u輪機(jī)4c的出口軸和所述第二壓縮機(jī)4b的出口軸，以便在能量回收周期過程中，在啟動所述第二渦輪機(jī)4c和所述壓縮機(jī)4b時返還電能E^，這將在后文說明。由導(dǎo)管ld'或平行于所述第一頂管的導(dǎo)管為所述第二渦輪機(jī)4c供應(yīng)燃?xì)?，?dǎo)管ld'構(gòu)成從所述第一頂管ld的支路連接(也稱為第一頂支管ld')，從而提供在第一外罩1的頂端h與第二渦輪機(jī)4c之間的連接。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在回收周期中時，離開所述第二渦輪機(jī)4c的膨脹氣體經(jīng)由在第二頂管2d上的支管2d'(也稱為第二頂支管2d')或者經(jīng)由平行于所述第二頂管的導(dǎo)管向第二外罩的2的頂端2工排放，從而提供在第二外罩的頂端2工與第二渦輪機(jī)4c之間的連接的導(dǎo)管。由在所述第二底管2c上的支管2c'(也稱為第二支路底管2c')或者平行于其的管路為所述第二壓縮機(jī)4b供應(yīng)氣體，從而提供在第二外罩的底端22與第二壓縮機(jī)4b之間的連接。氣體經(jīng)由在所述第一底管lc上的支管lc'(也稱為第一支路底管lc')或者平行于第一底管lc的導(dǎo)管從所述第二壓縮機(jī)4b向所述第一外罩1的底端12排放氣體，從而提供在底端12與所述第二壓縮機(jī)4b之間的連接。在第二底管2c到達(dá)所述第一渦輪機(jī)3c之前，第二支路底管2c'提供在第二壓縮機(jī)4b與第二底管2c之間的連接。在第一頂管ld到達(dá)所述第一壓縮機(jī)3b之前，第一支路頂管ld'提供在第二渦輪機(jī)4c與第一頂管ld之間的連接。第二支路頂管2d'提供在第二渦輪機(jī)4c與第二頂管2d之間的連接，其中第二頂管2d在所述第二加熱器5b與所述第一壓縮機(jī)3b之間。第一支路底管lc'提供在第二壓縮機(jī)4b與第一底管lc之間的連接，其中第一底管lc在所述熱交換器6與第一渦輪機(jī)3c之間。將外罩1與2填充多孔耐高溫材料ll，其能夠使氣體從頭至尾流過在其頂端1「2工與底端12_22之間的所述外罩。用于第一和第二外罩中的多孔耐高溫材料可以呈現(xiàn)在20%到60%范圍中的孔隙率(孔隙百分比)，從而不僅實(shí)現(xiàn)在氣體與耐高溫材料之間的充分的熱交換還實(shí)現(xiàn)足夠低的壓頭損失、同時保持了通過所述多孔材料的足夠高的流動速度。在操作中，將本發(fā)明的設(shè)備完全填充有惰性氣體，優(yōu)選地使氬氣，即，將上述管路、渦輪機(jī)、壓縮機(jī)、加熱器和所述第一與第二外罩均填充有惰性氣體。圖3是外罩的剖面圖和側(cè)視圖，其包括不透氣的金屬外殼13和布置在金屬外殼13的壁與一堆耐高溫材料11的塊或磚之間的內(nèi)部保溫系統(tǒng)12，其中耐高溫材料11提供了穿孔形式的豎直通道11"優(yōu)選地具有直徑在5mm到30mm范圍中的圓形剖面，從頭至尾穿過它們，并以基本上均勻的方式布置在所述第一外罩的整個水平剖面上的每一個剖面中，如圖3A與3B詳細(xì)示出的。在多個重疊的塊11中的通道1"彼此對齊，以便允許氣體在外罩1、2的縱向ZZ上在外罩的兩個相對端之間循環(huán)且在外罩1、2的縱向ZZ上相互重疊的多個塊中的通道之間不存在阻礙。位于所述外罩的底部中的非常多孔的支撐結(jié)構(gòu)14使得氣體能夠經(jīng)由相鄰的保溫底管lc、2c進(jìn)入或排出，以便以基本上均勻的方式在所述外罩的整個剖面上擴(kuò)散，從而在從底部進(jìn)行輸送時，以最佳的方式(即以最小壓頭損失的方式)將氣體引導(dǎo)到垂直通過所述耐高溫材料11塊的通道11"類似地，在外罩的頂部中提供閑置空間15，以便能夠在從頂部為外罩輸送氣體時，很好地擴(kuò)散氣體。在圖3中，氣體經(jīng)由外罩的底部進(jìn)入并通過外罩的頂部離開，這對應(yīng)于第二外罩的存儲階段和第一外罩的返還階段，這將在后文說明。圖3A是圖3的平面AA的平面圖中的局部的水平剖面。耐高溫材料的塊11是方形的，它們由多個平行圓形圓柱孔貫穿，這些孔在垂直于圖的平面的豎直方向ZZ上延伸。塊有利地例如以距離e=5mm彼此間隔開，以使得所述塊在溫度變化期間能夠發(fā)生膨脹，而不會損害產(chǎn)生的縫隙空間的厚度，還使得所述空間如果需要的話充當(dāng)豎直通道，用于將氣體從外罩2的底部傳送到其頂部。耐高溫材料塊11有利地經(jīng)由所述外罩的隔熱層12與外罩的壁直接接觸，以便限制冷或熱氣體在所述區(qū)域中的任何直接或不受控制的通過。在本發(fā)明的第一形式中，在耐高溫材料塊的連續(xù)平面中的塊有利地彼此偏移半個模塊，即這些塊交錯半個塊，以便確保該組件在所述外罩內(nèi)的穩(wěn)定，如圖3所示。在外罩的優(yōu)選形式中，這些塊在外罩的整個高度上彼此豎直堆疊，以便組成相互獨(dú)立的堆，它們在所有方向上都彼此間隔開5mm到10mm，從而在存儲-返還周期中實(shí)現(xiàn)膨脹，同時避免了在所述存儲_返還周期中在水平面AA中的任何磨損風(fēng)險，如在將它們安裝在如圖3所示的交錯結(jié)構(gòu)中時會發(fā)生的。在圖3B中，可以看出六邊形截面的耐高溫塊lla，其接近圓柱形的外罩的絕熱壁。通過與塊的邊緣的直接接觸、或者以適合于該曲率的絕熱塊12a的形式、或者實(shí)際上通過填充有絕熱材料12a(例如與所述外罩的隔熱層12相同類型的材料)、或者實(shí)際上由匹配曲率的形狀的耐高溫塊12b來進(jìn)行與絕熱壁的連接。在以下之間的連接處提供支路連接閥K到V4:第一頂管Id與第一支路頂管Id'之間第二頂管2d與第二支路頂管2d'之間V2第一底管lc與第一支路底管lc'之間V3;及第二底管2c與第二支路底管2c'之間V4。如以下參考圖1和2解釋的，可以通過在能量存儲周期期間斷開所述發(fā)電機(jī)第二組4的連接來獨(dú)立地操作所述壓縮機(jī)第一組3(第一壓縮機(jī)3b和第一渦輪機(jī)3c)，或者相反地，可以在能量回收循環(huán)期間斷開所述第一壓縮機(jī)3的連接、并打開所述支管以使得所述第二壓縮機(jī)4工作。本發(fā)明的設(shè)備可以以兩種不同的模式操作，即第一模式，存儲或充電周期；及第二模式，能量返還或能量回收周期。能量存儲或充電模式如下來操作。起初，將諸如氬氣的惰性氣體裝入設(shè)備，即裝入兩個外罩、渦輪機(jī)、壓縮機(jī)和管路中。其在環(huán)境溫度，例如T=20°C。圖1顯示了在第一外罩1中再充電能量或存儲能量的階段期間的設(shè)備。起初，整個裝置處于在10°C到20°C范圍中的環(huán)境溫度TO中，從而包含在外罩和管路中的氣體也在所述環(huán)境溫度TO、且兩個外罩在相同的初始壓力下，初始壓力與裝入壓力有關(guān)，例如1巴表壓到1.2巴表壓。隨后將在第二外罩2中的耐高溫材料物質(zhì)加熱到600°C的溫度T2。為此，使得第二外罩的氣體在其頂端2工與底端22之間的閉合環(huán)路中循環(huán)，并在外罩之外使用第一加熱器5a為其加熱，第一加熱器5a加熱在加熱器管5a3中的氣體，加熱器管5a3構(gòu)成了第二外罩的在其外部的底端22與頂端2工之間的環(huán)路。由風(fēng)扇5a5使氣體通過加熱器管道5a3循環(huán)，且第一加熱器5a包括第一電阻5^。閥門5用于在初始預(yù)熱結(jié)束不再使用它時隔離第一加熱器5a，從而避免了在正常循環(huán)期間氣體的不期望的傳輸和再循環(huán)。當(dāng)將在第二外罩2中的耐高溫材料的整體都已經(jīng)升到60(TC的溫度T2時，閥門5a2關(guān)閉且氣體經(jīng)由第二頂管2d傳送到第一壓縮機(jī)3b中，以便將其加熱到在120(TC到1400°C范圍中的溫度T1，例如在所述第一壓縮機(jī)出口的1300°C。在這兩個外罩之間建立壓力梯度，將第一外罩升到2巴表壓到4巴表壓(2X10Spa到4X10Spa)的壓力P1，并將第二外罩中的壓力P2減小到大約1巴表壓(IX105Pa)。在第一外罩中，耐高溫材料的頂部la因此向130(TC的溫度Tl上升，同時底部lb建立在20。C到10(TC范圍中的溫度T'1。在第一外罩的底端12的出口，氣體需要由第一渦輪機(jī)3c膨脹，以便在經(jīng)由第二外罩的底部重新引入第二外罩、膨脹并冷卻到溫度T3之前，將其重新確立在第二外罩的壓力P2下。只要由系統(tǒng)存儲的能量與溫度梯度Tl-T3相關(guān)聯(lián)，那么將溫度T3保持得盡可能低就是有利的。為此，使得氣體以盡可能低的溫度引入并穿過第一渦輪機(jī)3c是有利的。這就是為什么在將氣體引入第一渦輪機(jī)3c之前、借助熱交換器6將氣體從溫度T'1冷卻到在l(TC到2(TC范圍中的溫度T0的原因，其中熱交換器6位于第一外罩的底端12的出口處。隨著工作在存儲模式時多個氣體循環(huán)周期的進(jìn)行，在130(TC的溫度Tl的熱的第一外罩中的耐高溫材料的頂部la占據(jù)了外罩中越來越多的體積，B卩，經(jīng)由第一外罩1的頂端h引入的熱氣體向所述耐高溫材料傳熱、并加熱在第一外罩中體積不斷增大的耐高溫材料。由圖l和2中的線來表示對應(yīng)于溫度過渡區(qū)的峰面le。隨著在存儲期間氣體循環(huán)周期繼續(xù)進(jìn)行，在溫度Tl的熱的頂部la和在2(TC到IO(TC范圍中的溫度T'l的冷的底部lb逐步地向下移動。相反地，在至少-8(TC到-2(TC范圍中的溫度T3的第二外罩的底部2b占據(jù)了外罩2中不斷增大的體積。峰面2e表示分離線，其由在溫度T3的底部2b與在溫度T2的頂部2a之間的過渡區(qū)組成，并且其隨著多個氣體循環(huán)周期進(jìn)行而逐步地向上移動。第一壓縮機(jī)3b由消耗電能E工的電動機(jī)3a來致動。第一渦輪機(jī)3c借助它們的軸耦接到第一壓縮機(jī)3b，以便除了由第一電機(jī)3a傳遞能量之外，第一渦輪機(jī)3c也向第一壓縮機(jī)3b傳遞能量。在能量存儲模式中的連續(xù)氣體循環(huán)周期中，第二外罩中的頂部2a的溫度傾向于減小到溫度T'2，T，2低于T2，即低于60(TC，例如在30(TC到45(TC范圍中。為了減輕在頂部2a的溫度中的下降，借助于第二加熱器5b來加熱離開第二外罩的頂端2工的氣體是有利的，第二加熱器5b包括第二電阻5&2，第二電阻5a2能夠加熱流入頂管2d的氣體，以便在氣體到達(dá)第一壓縮機(jī)3b之前將其保持在60(TC的溫度T2。類似地，以這樣的方式來調(diào)整電機(jī)3a，以便將第一壓縮機(jī)3b的出口溫度保持在大約130(TC的恒溫。在全部多個能量存儲周期的持續(xù)期間，測量在第二加熱器5b入口處的氣體的溫度、并實(shí)時調(diào)整每秒注入到第二加熱器5b中的電能E2的量，以便將氣體升高到基本上恒定的溫度T2。在能量存儲周期中注入裝置的功率從而對應(yīng)于供應(yīng)給第一電動機(jī)3a的電能E工加上供應(yīng)給第二加熱器5b的電能E2。如上所述，在能量存儲循環(huán)期間，必須冷卻離開第一外罩的底端12的氣體，以便在第一渦輪機(jī)3c中膨脹其之前將其溫度減小到溫度T0。這通過使用熱交換器6來實(shí)現(xiàn)。為熱交換器6供應(yīng)諸如在1(TC到2(TC范圍中溫度的冷水或空氣的冷卻流體，以便冷卻離開第一外罩的在2(TC到IO(TC范圍中溫度T'I的氣體，并使得其處于1(TC到2(TC范圍中的溫度T0。取決于冷卻空氣或水的流動速率，來自熱交換器6的冷卻流體以5(TC到IO(TC范圍中的溫度在6d處離開熱交換器6。因此，熱交換器6以加熱到在5(TC到IO(TC范圍中的溫度的水的形式釋放熱能&。該熱能E3是不能存儲在系統(tǒng)中的能量，但可以以熱泵來回收它，或者它可以用于工業(yè)過程中，或者甚至用于城市供暖。因此，在一個完整的存儲循環(huán)期間，E3構(gòu)成影響設(shè)備的總體效率的損失。為了在從工作存儲模式中到工作于能量返還模式中的連續(xù)的不同轉(zhuǎn)變期間穩(wěn)定系統(tǒng)并優(yōu)化該操作，優(yōu)選地在將整個第一外罩升高到溫度Tl或者將整個第二外罩降低到溫度T3之前中斷存儲。在實(shí)踐中，將構(gòu)成第一外罩的總體積的10%到20%的底部113在所述外罩中保持在位于2(TC到IO(TC范圍中的溫度T'1。同時，將第二外罩的頂部2a保持在溫度T2或接近溫度T2，S卩，當(dāng)在位于-8(TC到-2(rC范圍中的溫度的第二外罩的底部2b占第二外罩的體積的80%到90%時，中斷存儲。該10%到20%的體積對應(yīng)于高度這的溫度過渡區(qū)的體積，如以下參考圖7所述的。圖2顯示了用于以電能Er形式返還存儲在第一外罩l中的能量的周期?！┑谝煌庹?的充電完成，就停止第一電機(jī)3a并致動多個閥門K到V4，以便為第二組4提供所述第一和第二支路頂管Id'、2d'以及所述第一和第二支路底管lc'、2c'，不再為第一壓縮機(jī)3b和第一渦輪機(jī)3c供應(yīng)氣體。起初，在充電階段的結(jié)束、當(dāng)關(guān)閉第一電機(jī)3a時，氣體成為靜止的，使其壓力在兩個外罩l和2中平衡，其在1.5巴表壓到2.5巴表壓(1.5Xl()Spa到2.5X105Pa)的中間值。在開始能量返還或回收周期中的操作模式的階段期間，啟動小型電機(jī)4d，其驅(qū)動第二渦輪機(jī)4c和與其耦接的第二壓縮機(jī)4b，以便在兩個外罩1和2之間建立壓力梯度，其分別具有高于第一外罩1的Pl的壓力P'1和低于第二外罩2的P2的壓力P'2。在開始期間，第二壓縮機(jī)從第二外罩抽氣并將其輸送到第一外罩，從而增大在所述第一外罩中的壓力，并從而為第二渦輪機(jī)供應(yīng)氣體，以便氣體最終返回到第二外罩中并繼續(xù)其循環(huán)周期。只要渦輪機(jī)達(dá)到其操作速度，就關(guān)閉小型電機(jī)4d。在穩(wěn)定狀況下，第二渦輪機(jī)4c從第一外罩的頂部抽氣并將其傳送到第二外罩，同時冷卻并膨脹氣體。為了優(yōu)化該裝置的操作，希望離開第二渦輪機(jī)4c的氣體在存儲周期結(jié)束時獲得與在外罩2的頂部中的氣體的溫度基本上相同的溫度T2。為了實(shí)現(xiàn)該目的，在渦輪機(jī)與壓縮機(jī)中的損失使得P'1/P'2>P1/P2。在實(shí)踐中，P'1在3巴表壓到5巴表壓范圍中，P'2在1巴表壓到1.5巴表壓范圍中。當(dāng)建立壓力梯度P'1/P'2時，關(guān)閉電機(jī)4d。在第二外罩底部2b中的氣體在位于-8(TC到-2(TC范圍中的溫度T3，這是其在存儲周期結(jié)束時的溫度。將氣體帶入第二壓縮機(jī)4b，其中將其重新壓縮到壓力P'1。同時將其加熱到溫度T4，因為在第二壓縮機(jī)中的損耗，該溫度T4高于溫度T0。通常，T4在IO(TC到15(TC范圍中。在被傳送到第一外罩1的底端12之前，在第二壓縮機(jī)4b出口的高于TO的溫度T4的氣體因此需要通過使用熱交換器6冷卻到溫度T'l，其中底部lb在位于2(TC到12(TC范圍中的溫度T'1。在回收周期期間在第二壓縮機(jī)4b出口的氣體的冷卻具有通過加熱冷卻液體來使熱能E4損失的效果。然而，氣體從溫度T4冷卻到T'1使得在能量存儲周期期間更易于在熱交換器的下游將在第一外罩的底端^的出口的氣體從溫度T'1冷卻到溫度T0，以使得氣體在能量存儲周期中進(jìn)入第一渦輪機(jī)3c時達(dá)到環(huán)境溫度TO?？傊?，由在熱交換器6中的熱能損失E3來補(bǔ)償在回收周期期間的熱能損失E4，該損失比存儲周期中的小。熱能E3+E4總體對應(yīng)于與梯度T4-T0相關(guān)聯(lián)且起因于壓縮機(jī)和渦輪機(jī)中損失的裝置的損失。由系統(tǒng)返還的能量EK對應(yīng)于由第二渦輪機(jī)4c釋放的能量，第二渦輪機(jī)4c驅(qū)動發(fā)電機(jī)_交流發(fā)電機(jī)4a，發(fā)電機(jī)4a使得能量能夠以電的形式返還?？傊?，E^更準(zhǔn)確地對應(yīng)于由第二渦輪機(jī)4c釋放的能量減去由與其耦接的第二壓縮機(jī)4b消耗的能量。此外，在存儲周期與回收周期之間的裝置的總效率可以寫成如下等式EK=(E3+E4)_E5其中，Es表示通過外罩的保溫層、導(dǎo)管、渦輪機(jī)、壓縮機(jī)和多個附件的損失。與提供的能量E,E2相比，損失E3+E4+E5占15%到25%，所以裝置和能量返還方法的總效率從而在75%到85%范圍中。為了優(yōu)化裝置的能量效率，避免在存儲周期結(jié)束時將第一外罩完全加熱到溫度T1是有利的，以便將在底部lb中的熱過渡層保持在溫度TO或T'1，并將在第二外罩的頂部2b中的熱過渡層保持在溫度T2。類似地，在周期結(jié)束時的能量返還周期中，在完全冷卻第一外罩和完全加熱第二外罩之前停止回收，以便將在頂部la中的熱過渡層保持為對應(yīng)于保持在溫度Tl的外罩體積的10%到20%、并對應(yīng)保持在溫度T3的在第二外罩底部2b中的熱過渡區(qū)，該層同樣占第二外罩的體積的10%到20%。在溫度為T2的第二外罩的頂部2b中的該熱過渡區(qū)使得更易于在返還能量的周期開始處在兩個外罩之間重新建立壓力梯度P'1/P'2，其分別對應(yīng)于在第一/第二外罩的相同溫度T1/T2。在存儲周期的結(jié)束與返還周期的結(jié)束時將熱過渡區(qū)保持在第一與第二外罩每一個的一端在裝置的總能量效率方面也是有利的。如果在存儲周期的結(jié)束要加熱整個第一外罩，那么離開第一外罩的底端^同時加熱對應(yīng)于在第一外罩的底端的熱過渡層的體積的氣體會維持高于溫度T'1的溫度，其會需要更大的冷卻能量E3，以及因此更高的能量損失。同時，如果在返還周期的結(jié)束時要加熱整個第二外罩的底端22，那么離開第二外罩的底端22的氣體就會維持在高于T3的溫度，并會在熱交換器6的下游達(dá)到較高的溫度T4，從而導(dǎo)致較高的冷卻熱損失E4，從而導(dǎo)致類似更大的能量損失。另外，在存儲結(jié)束時將底部lb保持在溫度T'l及在存儲結(jié)束時將第二外罩中的頂部2a保持在溫度T2使得更易于開始返還周期，其需要在較短的時間長度中使用電機(jī)4d，以便在返還期間在壓力P'1與P'2下分別在第一外罩與第二外罩中以溫度梯度Tl和T2建立穩(wěn)定的操作。同樣地，在能量返還結(jié)束時在第一外罩中將熱的頂層la保持在溫度Tl，及在返還周期結(jié)束時將冷的底層2b保持在溫度T3，那么使得更易于通過減小保持氣體進(jìn)入在溫度T2的第一壓縮機(jī)3b所需的電能E2的量來開始隨后的存儲周期。在給定它們所經(jīng)受的不同溫度的情況下，在存儲周期中使用的第一壓縮機(jī)3b與第一渦輪機(jī)3c的尺寸確定與在回收周期中使用的第二壓縮機(jī)4b和第二渦輪機(jī)4c的尺寸確定極為不同。氣體的體積隨溫度增大，所以在氣體入口在高溫情況下操作的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)需要尺寸較大。這就是為什么在存儲階段期間第一壓縮機(jī)3b是大型壓縮機(jī)(因為其工作在130(TC的溫度Tl)、而第一渦輪機(jī)3c是小型渦輪機(jī)(因為其工作在大約-5(TC的溫度T3)。與此相反，在回收周期中，工作在-S(TC的溫度T3的第二壓縮機(jī)4c是小型壓縮機(jī)，而工作在大約130(TC的溫度T1的第二渦輪機(jī)4c是大型渦輪機(jī)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在存儲階段期間實(shí)現(xiàn)為小型的第一渦輪機(jī)3c使得其更易于由大型第一壓縮機(jī)3b驅(qū)動。類似地，實(shí)現(xiàn)為小型的第二壓縮機(jī)4b減小了能量損失，且能量EK對應(yīng)于由第二渦輪機(jī)4c釋放的能量減去由第二壓縮機(jī)4b消耗的能量。因此存在使得在第二壓縮機(jī)4b的入口的溫度T3盡可能低的額外優(yōu)點(diǎn)，以便同樣地減小能量消耗，該能量消耗影響了系統(tǒng)的總能量消耗。在能量存儲周期期間和在能量回收周期期間，能量存儲期間在第一外罩的底端的下游和能量返還期間在第一外罩的底端的上游均利用采用相同的熱交換器來冷卻，這使得與例如氣體在能量返還周期期間在第一外罩的底端的下游不在熱交換器中冷卻的實(shí)施例相比，熱交換器的尺寸能夠減小。隨著在能量返還階段期間連續(xù)的氣體循環(huán)周期進(jìn)行，第一外罩中的在T'1的冷底部lb和Tl的熱頂部la之間的峰面le逐步地向上移動，同時第二外罩中在溫度T2的熱頂部2a與在溫度T3的冷底部2b之間的峰面2e逐步地向下移動。應(yīng)當(dāng)注意的是，首先在第二壓縮機(jī)4b與第一外罩l的底部之間的氣體返回回路上操作熱交換器6、其次操作第二渦輪機(jī)4c的調(diào)整使得以便在全部能量返還周期中都將所述溫度Tl和T2保持在例如130(TC和50(TC的各自的恒定值。人們還觀察到，根據(jù)本發(fā)明的基本原始特性，溫度Tl和T2在能量存儲/充電周期期間和在能量返還/放電周期期間是恒定且相同的。圖4是對應(yīng)于熱力學(xué)循環(huán)的曲線圖，其中橫軸表示體積，縱軸表示表壓(bara)。顯示了四條等溫線，分別對應(yīng)于T0(環(huán)境溫度20。C);Tl(第一外罩溫度:1300。C);T2(熱的第二外罩溫度60(TC);及T3(冷的第二外罩溫度-80。C到-20°C)。在點(diǎn)A與B之間，表示了理想氣體在溫度Tl與T2之間的絕熱壓縮/膨脹循環(huán)，應(yīng)用了關(guān)系式PVY=常數(shù)。在實(shí)際機(jī)器中，表現(xiàn)是不同的，對于在T2與T1之間的絕熱壓縮，曲線在實(shí)踐中是沿著AB1的，其顯示了在低于Pb的壓力Pbl及大于Vb的體積Vbl下達(dá)到溫度Tl。類似地，在絕熱膨脹期間，在低于Pa的壓力Pa和大于Va的體積Val下達(dá)到溫度T2。應(yīng)當(dāng)注意的是，對于在兩個外罩中的有效的熱管理，每一個氣體外罩的高位部分在存儲階段期間和在返還階段期間處于基本上相同的各自溫度是重要的。為了解釋這一點(diǎn)，以第一外罩的頂部來舉例說明。在存儲階段期間，熱氣體從頂部進(jìn)入耐高溫材料儲備。固體的溫度不能超過氣體的溫度，但可以盡可能地與其接近。在返還階段期間，離開第一外罩中耐高溫材料儲備的頂部的氣體的溫度最好等于所述耐高溫材料的溫度?？梢詫Φ诙庹肿龀鱿嗤脑u價。為了獲得可能的最高效率，重要的是，在第一外罩中在存儲階段期間注入的氣體的全部熱量在返還階段期間盡可能地被利用、且在第二外罩中在存儲階段期間從氣體回收的全部熱量在返還階段期間盡可能地被重新利用。換句話說，在存儲和返還階段期間，設(shè)法獲得盡可能接近的(理想地相同的)溫度Tl和T2是有利的。如上參考圖4所述的，如果以實(shí)際機(jī)器在膨脹或壓縮過程中使用相同的溫度T1和T2，那么壓力比是不同的。這意味著，在存儲和返還階段期間使用的渦輪機(jī)與壓縮機(jī)組件的壓力比需要不同。例如，依據(jù)圖4，在存儲期間，高壓是Pbl且低壓是Pa，而在返還階段期間，高壓是Pb且低壓是P^。圖5和6顯示了在如參考圖1和2所述的裝置和方法中分別發(fā)生的對應(yīng)于能量存儲和返還周期的熱力學(xué)循環(huán)。這些熱力學(xué)循環(huán)對應(yīng)于執(zhí)行一個完整循環(huán)的例如lm3單位體積的氣體，氣體在一個完整循環(huán)期間獲得外罩之一或壓縮機(jī)中的能量，隨后在渦輪機(jī)中或其他外罩中返還該能量。所述單位體積在與存儲或返還周期的完整持續(xù)時間相比是非常短的時間長度中執(zhí)行該熱力學(xué)循環(huán)，因此該單位體積進(jìn)行了幾百或幾千或甚至幾萬次熱力學(xué)循環(huán)，即，它有那么多次通過壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、導(dǎo)管和每一個外罩。圖5顯示了如參考圖1所述的存儲階段。來自第二外罩頂部的氣體在點(diǎn)A以溫度T2進(jìn)入第一壓縮機(jī)3b。其被壓縮并在點(diǎn)B以溫度T1離開。氣體進(jìn)入第一外罩l的耐高溫塊11、通過向其傳熱的耐高溫塊，從而使得溫度峰面逐步向下移動。氣體在6a處以大約2(TC到10(TC的溫度離開第一外罩的底部、并隨后通過熱交換器6，在這里它向外界傳遞能量E3，以便將所述熱交換器維持在對應(yīng)于2(TC的環(huán)境溫度的基本上恒定的溫度TO，這對應(yīng)于曲線圖的點(diǎn)C。它隨后通過渦輪機(jī)3c，在此將其能量釋放給壓縮機(jī)3b，且它在溫度T3(-50°C)在管路2c中離開渦輪機(jī)，其對應(yīng)于曲線圖的點(diǎn)D。最后，它進(jìn)入第二外罩的較低部分中，在此它從氣體向上流動所通過的耐高溫塊回收熱量，從而使得溫度峰面E2逐步上升。最后，氣體從第二外罩的頂部離開第二外罩并被送到壓縮機(jī)3b，它有可能是在通過加熱器5b后以溫度T2進(jìn)入壓縮機(jī)3b，氣體如果需要的話從加熱器5b接收足夠的能量E2以便將所述氣體溫度重新調(diào)整到值T2。隨后將氣體返回到曲線圖上的點(diǎn)A，并隨后進(jìn)行新的循環(huán)。如圖6中詳細(xì)示出的用于返還能量的熱力學(xué)循環(huán)如下進(jìn)行。在高溫Tl的氣體從頂部離開第一外罩l，對應(yīng)于曲線圖上的點(diǎn)B。氣體隨后通過渦輪機(jī)4c，在這里它向發(fā)電機(jī)(ER)傳遞能量，并在溫度T2達(dá)到曲線圖上的點(diǎn)A。此后，它進(jìn)入第二外罩的頂部，并將其熱量傳遞給耐高溫塊ll，從而使得溫度峰面2e逐步向下移動，且它在對應(yīng)于曲線圖上的點(diǎn)D以溫度T3從底部離開所述外罩。氣體隨后通過第二壓縮機(jī)4b，在此氣體維持在高于預(yù)期溫度T0的溫度T4:氣體隨后通過熱交換器6，在此它將能量E4的量傳遞給外界，以便返還到溫度TO，從而返還到所述曲線圖的點(diǎn)C。最后，氣體從底部進(jìn)入第一外罩，在此它回收能量，并加熱達(dá)到曲線圖的點(diǎn)B，從而使得溫度峰面le逐步上升，換句話說使得所述第一外罩整個冷卻。圖7在左側(cè)以剖面?zhèn)纫晥D顯示了第一外罩和在底部區(qū)與頂部之間的上升峰面le，其中底部區(qū)的溫度是大約2(TC，頂部的溫度大約是1300°C。該上升峰面對應(yīng)于高度li的過渡區(qū)，如在圖7的右側(cè)由曲線圖更詳細(xì)示出的。過渡區(qū)在能量存儲階段期間向下移動(圖7B)、在返還階段期間向上移動(圖7A)。為了保持在對應(yīng)于最佳效率的渦輪機(jī)的工作范圍內(nèi)，既不完全充電也不完全放電第一外罩是有利的，如圖7B詳細(xì)示出的，其對應(yīng)于將充電/放電周期限制在最大高度SHp例如，對應(yīng)于總高度的80X_90%，從而是所述第一外罩的總峰值容量的80%-90%。以類似的方式，在第二外罩中存在類似的過渡區(qū)，然而其對應(yīng)于不同的溫度，例如，在底部為-S(TC和在頂部為500°C。隨后所使用的發(fā)熱塊的百分比對應(yīng)于高度SH2，所述使用的百分比優(yōu)選地與所述第一外罩的基本上相同，即為80%-90%。采用包含不同溫度的兩個外罩的該結(jié)構(gòu)、借助僅使用了其熱容量的80%_90%的耐高溫材料塊，那么有可能獲得在75%到85%數(shù)量級上的非常好的效率。這首先是由于在均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度的兩個溫度級T2到Tl之間交替地泵送和回收能量的事實(shí)。由卡諾定理可知，熱機(jī)的效率隨著其熱源的溫度的增大而增大。第二個原因在于在存儲和返還階段期間溫度Tl與T2均相等，這是通過使用具有不同的壓力比(P1/P2和P'1/P'2)的不同渦輪機(jī)和壓縮機(jī)組件來獲得的。良好的總效率的第三個原因在于在存儲階段期間以氣體中的熱量的形式提取了熱壓縮機(jī)3b的損失的事實(shí)。該能量存儲在第一外罩1的耐高溫材料中，就好像是從第二外罩泵送的熱量。因此在返還階段期間以有用功的形式回收了來自熱壓縮機(jī)的該能量損失的大部分。第四個原因起因于使用回?zé)崞鱽砼c氣體交換熱量。可以布置耐高溫部件組，其可以在極高的溫度工作并在氣體與固體之間提供了非常大的熱交換面積。這使得有可能在兩個階段中溫度T1與T2盡可能接近地的相等。存儲容量與耐高溫材料質(zhì)量有關(guān)。本發(fā)明的布置的有利之處在于，將幾乎全部耐高溫塊都用于扮演兩個角色存儲熱和與氣體交換熱。良好的總效率的最后一個原因起因于該事實(shí)在存儲階段期間由在渦輪機(jī)3c中的膨脹產(chǎn)生的冷量同樣地存儲在外罩2中。在返還階段期間，這使得氣體在由壓縮機(jī)4b壓縮氣體之前進(jìn)行冷卻，從而減小了由壓縮機(jī)4b吸收的能量的量，該能量取自于返還的能量EK。由公式給出渦輪機(jī)的功率W=m.Cp.(T2-T1)其中邁是千克每秒(kg/s)的氣體質(zhì)量流動速率，Cp是焦耳每千克每開爾文(J/kg/K)的氣體熱容量，T1是氣體入口溫度，T2是氣體出口溫度。對于渦輪機(jī)來說，T2<Tl、且W因此是負(fù)值(從氣體提取功率)。而對于壓縮機(jī)來說，W是正值(將功率傳遞給氣體)。氣體的密度與其分子量成正比。壓縮或膨脹重氣體比輕氣體更容易。與輕氣體相比，對于重氣體，必需的機(jī)器更小且更便宜。氬氣的分子量是40，0)2的是44，氪氣的是84，氙氣的是131，氡氣的是222。因此，將氪氣或氙氣用作其氣體的渦輪機(jī)與使用諸如分子量4的氦氣或分子量28的氮?dú)獾臍怏w的相比緊湊得多。另外，在熱力學(xué)公式中PVY=常數(shù)對于單原子氣體，Y=1.66;對于雙原子氣體，Y=1.4;禾口對于三原子氣體，Y=1.33。溫度比T1、T2取決于壓力比P1、P2或P'1、P，2，應(yīng)用公式:Zi=「^i)VT2、P2」可以看出，對于給定溫度比，單原子氣體(Y=1.66)的壓力比與雙原子氣體(Y=1.4)或三原子氣體(Y=1.33)的壓力比相比而言更小。這在外罩的設(shè)計中具有實(shí)際的優(yōu)勢。外罩的壁厚與氣體的最大壓力相關(guān)聯(lián)。另外，由于該方法能夠存儲非常大量的能量，它會使用非常大尺寸的外罩。因此，設(shè)法使氣體的內(nèi)部壓力最小在經(jīng)濟(jì)上是有利的。獲得該結(jié)果的一個簡單方式是限制氣體的壓縮比，為此優(yōu)選地選擇單原子的氣體。因此，用諸如氦、氖、氬或其它高分子量的惰性氣體的單原子氣體獲得了最佳循環(huán)。諸如氮?dú)獾碾p原子氣體和諸如空氣或C02的三原子氣體是非常豐富且廉價的，但在高溫下，它們對于構(gòu)成外罩的外殼、管道或渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的葉片的金屬是有侵蝕性的，這就是為什么在設(shè)備內(nèi)的氣體是惰性氣體的優(yōu)勢，惰性氣體相對于設(shè)備的金屬元件是完全惰性的，例如氦、氖、氬或其它高分子量的惰性氣體。氦、氖、氬以相當(dāng)大的百分比存在于環(huán)境空氣中，可以可接受的成本來大量地獲得它們。這三種氣體中，對于用于本發(fā)明的設(shè)備來說，氬是提供了最佳性能的氣體，因為它相對于構(gòu)成本發(fā)明的設(shè)備的金屬元件在高和極高溫度下是單原子、惰性的，它提供了高分子量以及低獲取成本。第一外罩的所述第一耐高溫材料例如是耐火粘土，也稱為重烤耐火泥，其能夠耐受120(TC、或者實(shí)際上是包含高含量的氧化鋁和/或氧化鎂的合成物。第二外罩中的第二耐高溫材料可以是初烤耐火泥。如上所述，耐高溫材料11是磚形式的，它們由具有5mm到20mm直徑且從頭至尾穿過這些磚的平行通道穿透，耐高溫材料11布置成使得氣體能夠沿著通道在外罩的縱向上循環(huán)并通過。在下表中列出了在經(jīng)濟(jì)上可接受的條件下，可用的各種極高溫度耐高溫材料。<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>耐火粘土在所有這些材料中是最便宜的，但其最高溫度比其它的都低得多。此外，存儲在一立方米的耐高溫材料中的能量由以下公式給出E=V.Cp(T-TO)其中，E以焦耳表示，V是熱的耐高溫材料的體積，Cp是焦耳每立方米每開爾文(J/m3/K)的熱容量，T是熱溫度，TO是加熱前的初始溫度。因此，可以看出，存儲溫度T越高，每單位體積的耐高溫材料存儲的能量的量就越大。因此，對于氧化鎂，180(TC的限制溫度按照每單位體積熱容量方面來說提供了更好的性能，其值為Cp=3600kJ*M—3*k—1舉例來說，對于具有3000MHh、能夠存儲并返還IOO麗的功率、對應(yīng)于充電超過40小時和返還超過30小時的容量的設(shè)備來說，其由以下組成具有41米(m)直徑和20m高度的圓柱形第一外罩，其包含16，500m3的氧化鎂、呈現(xiàn)25%的孔隙率，即，37，000公噸(t)的耐高溫材料；及具有48m直徑、20m高度的第二外罩，其包含22，500M3的耐火粘土、呈現(xiàn)35%的孔隙率，即，29，500t的耐高溫材料，存儲組包括IOO麗電動機(jī)3a、117麗壓縮機(jī)3b和17麗渦輪機(jī)3c，且返還組包括IOO麗發(fā)電機(jī)4a、156麗渦輪機(jī)4c和56麗壓縮機(jī)4b。整個裝置的內(nèi)部體積，包括連接導(dǎo)管、但不包括對應(yīng)于耐高溫材料的有效質(zhì)量的體積，約為35，000m3。將一部分氣體限制在絕熱材料內(nèi)，絕熱材料防護(hù)熱的耐高溫外罩的壁(大約12，000m"，并且只有23，00m3可用體積的氣體能夠參與氣體循環(huán)。在建立1巴、即2巴表壓的壓力之前，將裝置填充氬氣，其對應(yīng)于70，000歸一化立方米(Nm3)的體積，其中的46，000Nn^可以自由循環(huán)。在存儲階段期間，第一外罩中的壓力PI是3巴表壓，第二外罩中的壓力P2是0.9巴表壓，而在放電期間，這些壓力分別是3.3巴表壓(P'1)和0.6巴表壓(P'2)。溫度Tl確立為1256t:，而溫度T2約為60(TC。在存儲階段期間，氣體到渦輪機(jī)3c或壓縮機(jī)3b的流動速率是193歸一化立方米每秒(Nm3/s)，從而提供如圖5中所示的238秒的熱力學(xué)循環(huán)時間，這對應(yīng)于完全充電的持續(xù)時間中600個周期的氣體循環(huán)?？梢詾榉烹娭芷讷@得類似的值。因為起因于燃燒的氣體攻擊力，離心式或軸向式的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)通常在溫度上受到限制，然而在本發(fā)明的設(shè)備中，所述渦輪機(jī)和所述壓縮機(jī)用于具有諸如氬氣的惰性氣體的閉合回路中，從而使得這種機(jī)器能夠提供以比現(xiàn)有技術(shù)高得多的溫度的工作點(diǎn)。存儲在第一和第二外罩中的能量直到使設(shè)備在充電-放電方面維持長時間不工作才會損失，于是就會在周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生損失，主要是通過所述外罩的保溫層12發(fā)生損失。由于本方法在存儲大量能量中實(shí)質(zhì)上是有優(yōu)勢的，外罩是體積相對龐大的，其意味著它們的表面與體積之比較小。大外罩的熱損失僅占存儲的能量的一小部分。呈現(xiàn)高孔隙率的材料(例如，陶瓷纖維氈或陶瓷泡沫塑料)實(shí)現(xiàn)了絕熱。計算顯示在上述示例中，使用傳統(tǒng)纖維材料的2m厚度的保溫層能夠?qū)⒛芰繐p失限制在每天小于1%。由于氣體是惰性的，工作在高溫的大型壓縮機(jī)3b和大型渦輪機(jī)4c可以有利地以碳基材料來制成。這種材料能夠在機(jī)械上承受極高的溫度，高達(dá)超過200(TC。它們并不經(jīng)常用于構(gòu)造渦輪機(jī)，因為它們在諸如空氣或燃燒產(chǎn)物的氧化氣體中迅速氧化。該局限在這里是不適用的，所以可以設(shè)想使用碳基材料。已經(jīng)實(shí)驗性地或者為壽命不超過幾分鐘的火箭引擎制造了碳渦輪機(jī)。在本發(fā)明的該應(yīng)用中，這種渦輪機(jī)或壓縮機(jī)不存在壽命上的限制。在使用金屬制成的目前的機(jī)器中，必須借助冷氣體的內(nèi)部流動來冷卻葉片，且這樣來實(shí)現(xiàn)對效率有損失。盡管如此，由于蠕變現(xiàn)象，運(yùn)動的葉片呈現(xiàn)了有限的壽命。圖l顯示了兩個單獨(dú)的加熱器5a和5b，然而只要使導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)丶右孕薷倪m應(yīng)，可以使用單個加熱器。權(quán)利要求一種用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述裝置包括·第一和第二外罩(1、2)，所述第一和第二外罩(1、2)包含氣體和第一及第二多孔耐高溫材料(11)，所述第一及第二多孔耐高溫材料(11)適合于通過在所述多孔耐高溫材料與流過所述外罩的氣體之間的接觸來傳熱；及·管道(1c、1c’、2c、2c’、1d、1d’、2d、2d’)的閉合回路，所述閉合回路能夠使氣體連續(xù)地從一端到另一端通過這兩個外罩中的每一個；及·壓縮機(jī)模塊(3b、4b)和膨脹機(jī)模塊(3c、4c)，用于壓縮和膨脹在連接到另一個外罩的一端的外罩每一端之間的所述管道中流動的氣體；及·優(yōu)選地，第一氣體加熱器模塊，所述第一氣體加熱器模塊適合于加熱在所述第二外罩(5a)中流動的氣體；及·再優(yōu)選地，冷卻器模塊(6)，用于冷卻在所述第一外罩的一端與所述壓縮機(jī)模塊(4b)和膨脹機(jī)模塊(3c)之間流動的氣體，所述冷卻器模塊(6)適合于冷卻在所述膨脹機(jī)模塊(3c)中進(jìn)行膨脹之前在所述端離開所述第一外罩的氣體、或者適合于分別冷卻在由所述壓縮機(jī)模塊(4b)壓縮后進(jìn)入所述第一外罩中的氣體。2.如權(quán)利要求1所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，其包括A)第一保溫外罩(l)，所述第一保溫外罩(1)被填充有第一多孔耐高溫材料，所述第一多孔耐高溫材料適合于傳送在所述第一外罩的頂端與底端(h、g之間流過所述第一外罩的氣體；及B)第二保溫外罩(2)，所述第二保溫外罩(2)被填充有第二多孔耐高溫材料，所述第二多孔耐高溫材料適合于傳送在所述第二外罩的頂端與底端"、22)之間流過所述第二外罩的氣體；及C)保溫管道(lc、lc'、2c、2c'、ld、ld'、2d、2d')，所述保溫管道使得氣體能夠流入在這兩個外罩之間的閉合回路，所述管道包括在這兩個外罩的頂端(lp2》之間的第一頂管和第二頂管(ld-ld'，2d-2d')，及在這兩個外罩的底端(12、22)之間的第一底管和第二底管(lc-lc'，2c-2c');及D)優(yōu)選地，第一氣體加熱器模塊(5a)，所述第一氣體加熱器模塊(5a)適合于加熱在所述第二外罩中的氣體；及E)第一氣體壓縮機(jī)模塊(3)，所述第一氣體壓縮機(jī)模塊(3)包括電動機(jī)(3a)，所述電動機(jī)(3a)適合于被輸入電能(El)來存儲，以便致動第一壓縮機(jī)(3b)，所述第一壓縮機(jī)(3b)適合于壓縮通過所述第二頂管(2d)的來自所述第二外罩的所述頂端(2》的氣體，以經(jīng)由所述第一頂管(ld)將其傳遞到所述第一外罩的所述頂端(1》；及F)第一氣體膨脹機(jī)模塊(3c)，所述第一氣體膨脹機(jī)模塊(3c)包括第一渦輪機(jī)(3c)，所述第一渦輪機(jī)(3c)適合于膨脹通過第一底管(lc)的來自所述第一外罩的所述底端(12)的氣體，以經(jīng)由第二底管(2c)將其傳遞到所述第二外罩的所述底端(22);及G)第二氣體壓縮機(jī)模塊(4b)，所述第二氣體壓縮機(jī)模塊(4b)適合于壓縮通過另一個第二底管(2c、2c')的來自所述第二外罩的所述底端(22)的氣體，以經(jīng)由另一個第一底管(lc、lc')將其傳遞到所述第一外罩的所述底端(12);及H)第二氣體膨脹機(jī)模塊，所述第二氣體膨脹機(jī)模塊包括第二渦輪機(jī)(4c)，所述第二渦輪機(jī)(4c)適合于膨脹通過另一個第一頂管(ld、ld')的來自所述第一外罩的所述頂端(1》的氣體，以經(jīng)由另一個第二頂管(2d、2d')將其傳遞到所述第二外罩的所述頂端(2》，所述第二膨脹機(jī)模塊適合于致動發(fā)電機(jī)(4a)，所述發(fā)電機(jī)(4a)適合于返還所述電能(EK);及I)氣體冷卻器模塊，優(yōu)選地是熱交換器(6)，所述氣體冷卻器模塊適合于冷卻分別在所述第一外罩的所述底端(12)與在所述第二壓縮機(jī)(4b)和所述第一渦輪機(jī)(3c)的出口和入口之間的所述第一底管(lc、lc')中流動的氣體。3.如權(quán)利要求2所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，其包括第二氣體加熱器模塊(5b)，所述第二氣體加熱器模塊(5b)適合于加熱在所述第二外罩的頂端與所述第一壓縮機(jī)(3b)之間的所述第二頂管(2d)中流動的氣體。4.如權(quán)利要求2或3所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一渦輪機(jī)(3c)適合于由以機(jī)械方式耦接于其上的所述第一壓縮機(jī)(3b)來致動。5.如權(quán)利要求2-4中任意一項所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第二渦輪機(jī)(4c)耦接到適合于驅(qū)動其的輔助電動機(jī)(4d)。6.如權(quán)利要求2-5中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第二壓縮機(jī)(4b)由以機(jī)械方式耦接于其上的所述第二渦輪機(jī)(4c)驅(qū)動。7.如權(quán)利要求1-6中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述裝置填充惰性氣體，優(yōu)選地是氬氣。8.如權(quán)利要求2-7中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一外罩和第一多孔耐高溫材料能夠耐受至少75(TC的溫度Tl，優(yōu)選地在75(TC到200(TC的范圍內(nèi)、更優(yōu)選地為IOO(TC到1500°C;以及將所述第二渦輪機(jī)的尺寸定為用于使氣體在所述溫度T1膨脹，而將容積比第二渦輪機(jī)小的所述第一渦輪機(jī)的尺寸定為用于將氣體從環(huán)境溫度TO膨脹到-S(TC到-2(TC范圍中的溫度T3。9.如權(quán)利要求2-8中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第二外罩和第二多孔耐高溫材料能夠耐受至少40(TC的溫度T2，優(yōu)選地在40(TC到100(TC范圍中、更優(yōu)選地為50(TC到700°C;以及將所述第一壓縮機(jī)的尺寸定為用于使氣體在所述溫度T2壓縮，而將容積比所述第一壓縮機(jī)小的所述第二壓縮機(jī)的容積定為用于將氣體從-S(TC到_201:范圍中的溫度T3壓縮到環(huán)境溫度。10.如權(quán)利要求2-9中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一壓縮機(jī)適合于以大于所述第一渦輪機(jī)的體積流率進(jìn)行傳遞、且所述第二渦輪機(jī)適合于以大于所述第二壓縮機(jī)的體積流率進(jìn)行傳遞，以及所述第一壓縮機(jī)和第二渦輪機(jī)由碳制成。11.如權(quán)利要求i-io中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高溫材料呈現(xiàn)在20%到60%范圍內(nèi)的孔隙率。12.如權(quán)利要求11所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高溫材料由一塊接一塊裝配的多孔磚(11)組成，優(yōu)選地，所述多孔磚(11)具有貫穿其中的圓柱形穿孔(11》，所述穿孔(11》在常見的縱向上來平行布置，該縱向方向是在其中裝配多孔磚(11)的外罩的縱向方向，所述穿孔更優(yōu)選地具有5mm到20mm范圍中的直徑。13.如權(quán)利要求1-12中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一和第二多孔耐高溫材料由耐火泥構(gòu)成，所述耐火泥具有高含量的從氧化鎂、氧化鋁和石灰中選擇的化合物。14.如權(quán)利要求1-13中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一多孔耐高溫材料由重烤耐火泥或耐火粘土構(gòu)成。15.如權(quán)利要求1-14中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第二多孔耐高溫材料由初烤耐火泥構(gòu)成。16.如權(quán)利要求1-15中任意一項所述的所述的用于存儲并返還電能的裝置，其特征在于，所述第一和第二外罩分別具有不小于5000m3的體積，優(yōu)選地在10，000m3到45，000m3范圍中。17.—種以熱能形式存儲電能(El)的方法，其中，使用了權(quán)利要求l-16中任意一項所述的裝置，所述方法特征在于，在將加熱到溫度T2的所述第二外罩中的氣體預(yù)熱的初始步驟后，將所述裝置填充起初在環(huán)境溫度T。的惰性氣體，執(zhí)行以下連續(xù)的步驟1)在將離開第二外罩(2)頂端(2》的溫度L的氣體傳送到所述第一外罩的頂端(1》之前，通過在所述第一壓縮機(jī)(3b)中壓縮該氣體從而將其加熱到高于溫度12的溫度1\，在第一外罩中建立高于第二外罩的壓力P2的壓力Pi，所述第一壓縮機(jī)(3b)由要存儲的電能(El)供電的第一電動機(jī)(3a)驅(qū)動；及2)氣體在所述頂端(1》與其所述底端(12)之間從頭到尾穿過所述第一外罩、且將第一外罩的所述底端(12)維持在環(huán)境溫度TO或高于TO但小于T2的溫度T'1;及3)如果需要的話，隨后由優(yōu)選地是熱交換器類型的所述氣體冷卻器模塊(6)將氣體冷卻到環(huán)境溫度TO，氣體冷卻器模塊位于第一外罩的底端(12)的出口的下游；及4)隨后通過優(yōu)選地由所述第一壓縮機(jī)(3b)驅(qū)動的第一渦輪機(jī)(3c)將氣體膨脹到第二外罩的所述壓力P2，其低于壓力P1，隨后在通過所述第二外罩的底端(22)進(jìn)入所述第二外罩之前，將氣體冷卻到低于TO的溫度T3;及5)使得氣體在所述第二外罩的所述底端與頂端(22、2》之間流過所述第二外罩，從而獲得增大在冷卻到溫度T3的所述第二外罩底部(2b)中的耐高溫材料的體積的效果，并獲得減小在溫度T2或低于T2但高于TO和T'1的T'2的其頂部(2a)的體積的效果，并且，如果因需要而必須的話，借助于第二氣體加熱器模塊(5b)將離開第二外罩的溫度T'2的氣體加熱到溫度T2;及6)重復(fù)以上步驟l)到5)，直到加熱到溫度T1的第一外罩的頂部(la)占據(jù)了所述第一外罩的體積的至少80%、且第二外罩的底部(2b)冷卻到溫度T3從而占據(jù)第二外罩的體積的至少80%。18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在步驟6)中，中斷存儲，以使得在所述溫度T'1的第一外罩的底部(lb)占第一外罩的體積的至少10%、優(yōu)選地是第一外罩的體積的10%到20%，和/或在溫度(T2)的第二外罩的頂部(2a)占小于所述第二外罩的體積的20%、優(yōu)選地是10%到20%。19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，所述溫度Tl和T2使得Tl/T2=1.5到3;T1/T0大于2，優(yōu)選地大于3，更優(yōu)選地小于6;且Pl/P2在2到4范圍中。20.如權(quán)利要求17-19中任意一項所述的方法，其特征在于，Tl是75(TC到200(TC，優(yōu)選地是IOO(TC到1500°C;且T2是400。C到1000。C，優(yōu)選地是500。C到700°C。21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，壓力Pl在2到4巴表壓(2X105Pa到4Xl()5pa)范圍中，且壓力P2在0.5到1.5巴表壓(0.5X105Pa至lj1.5X105Pa)范圍中。22.如權(quán)利要求17-21中任意一項所述的方法，其特征在于，如果需要的話，TO在10°C到50。C范圍中，T3在-8(TC到-2(TC范圍中，Tl'在20。C到150。C范圍中。23.如權(quán)利要求17-21中任意一項所述的方法，其特征在于，所存儲的電能的量在20麗h到10，OOO麗h范圍中。24.—種從借助于如權(quán)利要求17-23中任意一項所述的方法存儲的熱能返還電能(EK)的方法，所述方法特征在于，在由所述輔助電動機(jī)(4d)驅(qū)動所述第二壓縮機(jī)(4b)和所述第二渦輪機(jī)(4c)的初始開始階段后，在該初始階段期間，在第一外罩中的壓力P'l與第二外罩中的小于P'1的壓力P'2之間建立壓力梯度，以使得P'1大于P'2、P'1優(yōu)選地大于Pl且P'2優(yōu)選地小于P2，執(zhí)行以下連續(xù)的步驟1)通過第二渦輪機(jī)(4c)將經(jīng)由第一外罩(1)的頂端(1》離開的在所述溫度T1的氣體膨脹并冷卻到溫度T2，且所述第二渦輪機(jī)(4c)致動所述第二發(fā)電機(jī)(4a)，從而使得能夠返還要傳遞的電能(EK);及2)氣體從其頂端(2》到其底端(22)通過所述第二外罩，將第二外罩的頂部(2a)加熱到所述溫度T2，第二外罩的底部(2b)保持在所述溫度T3;及3)隨后借助于通過所述第二壓縮機(jī)(4b)來壓縮離開所述第二外罩的底端(22)的在溫度T3的氣體，所述第二壓縮機(jī)(4b)優(yōu)選地借助于由第二渦輪機(jī)(4c)釋放的能量來致動所述第二壓縮機(jī)，以便氣體在所述第二壓縮機(jī)(4b)的出口處加熱到高于環(huán)境溫度TO且如果需要的話下大于T'1但小于T2的溫度T4;及4)優(yōu)選地，隨后在由其底端(12)被引入到所述第一外罩(1)中從而進(jìn)入在所述溫度T'1的所述第一外罩的底部(lb)中之前，氣體由所述冷卻器模塊(6)冷卻到環(huán)境溫度TO或T'1;及5)使得氣體流過所述第一外罩，從而獲得增大在所述溫度T'1的底部(lb)中的耐高溫材料的體積、并減小在所述熱溫度T1的頂部(la)中的耐高溫材料的體積的效果；及6)重復(fù)以上步驟l)到5)，直到在所述溫度(Tl)的第一外罩的底部(lb)占第一外罩的體積的至少80%、且在所述溫度(T2)的所述第二外罩的頂部(2a)占所述第二外罩的體積的至少80%。25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，在步驟6)中，中斷所述能量返還方法，以便將第一外罩的頂部(la)保持在所述溫度T1，所述頂部(la)占小于所述第一外罩的體積的20%、優(yōu)選地10%到20%，和/或在所述冷溫度T3的第二外罩的底部(2b)占小于第二外罩的體積的20%、優(yōu)選地10%到20%。26.如權(quán)利要求24或25所述的方法，其特征在于，由所述發(fā)電機(jī)(4a)返還的電能的效率E/Ei大于60%，且優(yōu)選地在75%到85%范圍中。27.如權(quán)利要求24-26中任意一項所述的方法，其特征在于，比率P'1/P'2在3到5范圍中。28.如權(quán)利要求24-27中任意一項所述的方法，其特征在于，T4在15(TC到40(TC范圍中。29.如權(quán)利要求24-28中任意一項所述的方法，其特征在于，壓力P'1在3到5巴表壓(2X105Pa到4X105Pa)范圍，P，2在1到1.5巴表壓(lX105Pa到1.5X105Pa)范圍中。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于存儲并返還電能的裝置，所述裝置包括第一和第二外罩(1、2)，其包含氣體和多孔耐高溫材料(11)，多孔耐高溫材料(11)適合于通過在所述多孔耐高溫材料與流過所述外罩的氣體之間的接觸來傳熱；以及壓縮機(jī)模塊(3b、4b)和膨脹機(jī)模塊(3c、4c)，其用于使氣體在連接到另一個外罩的一端的外罩每一端之間的管道中流動。本發(fā)明涉及一種在其中使用了本發(fā)明的裝置的以熱能形式存儲電能的方法，本發(fā)明還涉及一種從借助于根據(jù)本發(fā)明的方法存儲的熱能返還電能(ER)的方法。電能以熱的形式存儲在耐高溫材料塊內(nèi)，且所述存儲的熱勢能以電能的形式返還。文檔編號F01K25/00GK101720380SQ200880019596公開日2010年6月2日申請日期2008年4月21日優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日發(fā)明者J·呂埃申請人:塞佩姆股份公司