用于储存热能的方法和设备的利记博彩app

专利名称：用于储存热能的方法和设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及用于以后使用的能量的储存。更确切地说，本发明涉及在石墨体中储存热能的方法和设备。
背景技术：
热能是一种能够用于多种用途的能量形式。许多工艺的操作依赖于热能的可用性。然而，热能能够被轻易地利用依赖于其可用的温度(或者“等级”)。申请人已经熟知例如像热泵之类的设计用来从低的温度等级“移动”或者“提升”至较高的温度等级的设备。然而，他们的应用是受限制的。此外，没有热泵能够在高温下泵送热能。
热能的一个固有缺陷在于由于热有传递到较低温物体上的趋势，所以不易长时间持续储存。这特别适用于高温下的热。因而，所要储存的热所在的温度越高，由于传递到低温物体上而损耗的趋势越大。
这一缺陷可以通过抑制热能从其所储存的储存器或者物体内损耗的容易性来基本克服或改良。
热传递可以通过传导、对流或辐射的方式进行。众所周知，通过传导所致的热损耗可以通过使用绝热材料来抵抗，通过对流所致的从容器中的热损耗可以通过在容器和围绕容器的外壳之间所提供的空间内施用真空(例如在一个真空瓶内)来抵抗，通过辐射所致的热损耗可以通过使用具有低辐射率表面的材料来抵抗。
与热能相比，电能不适合大规模存储。以化学能的形式储存电能的现行技术，例如电池，在尺寸上非常受限制，并且具有有限的使用期限。其他技术，例如飞轮、超级电容器(supercapacitors)和燃料电池也只是在小规模地开发。这些技术都以比热储存系统低得多的能量密度和高得多的成本为特征。
由于发电厂必须具有足够能力来满足高峰需求，大规模电力的商业生产者面临的一个问题是需要安装基本上超过平均需求的发电能力。例如，在澳大利亚，每天常常有两个高峰，一个出现在早晨，一个出现在晚上。平时，高峰和非高峰之间的差异分别在平均需求量的约125％和平均需求量的约75％之间变化。因而，例如在澳大利亚新南威尔士(NSW，Australia)，如果电力的日平均消耗量是约7500MW，那么常态变动是从非高峰的约6000MW到高峰的约12000MW。峰值的大小通常与天气情况相关。因此，非常热和非常冷的天气会导致电力的高消耗量。在一些其他国家，特别是在北半球，在高峰和非高峰之间的变化更大。
世界范围内，在一特定的国家和地区，在高峰和平均值之间的变化取决于多种因素，例如在该国家或地区中的家庭连接到电力中的程度，在该国家或地区的人均电力消耗量，电力价格，工业、矿业、农业和私人住户(private household)的电力消耗的相对比例等。为了抑制在高峰期的电力使用和鼓励在非高峰期的电力消耗，公共事业机构往往对于高峰期电力供应征收额外费用。此外或作为可选的，有时也征收最大需求量费用，这些费用是针对公共事业建立足够的发电容量以满足高峰期的需求的需要。
用于大规模的储存电能的现有技术包括例如像泵取蓄能水电方案和压缩空气系统之类的技术。由于它们只能被安装在地理特征允许的地方，它们对在高峰期和非高峰期之间的电力供应的平稳输出的贡献程度是有限的。
因为电能不能被容易地储存，因此就需要一个可行的系统用于将电能转化为热能并以热能的形式将其一直储存到以后对其利用。
也存在一个在非高峰期和下一个高峰期之间的相对短的时间周期内储存热能的需求。
尽管已有从可再生能源中重新获取能量的技术，但这些技术常常受这一缺点困扰当能量可用时，大量的重新获取的能量不能够被利用，可是当需要使用时，该可再生能源又不可用。因而，由于它们的可用时间与所需求的时间的差异，这些可再生能源不能被容易地整合到现有的电网中。包括在这一类型中的技术包括那些旨在以热或电的形式再生太阳能、风能和波能的技术。
相应地，存在通过将可用时间迁移到需求时间来将可再生能源更好地整合到电网中的需求，还需要通过储存能量以在可再生能源不可用时将间歇的能量供应转换为持续供电的能力。
由于温度是热传递的驱动力，因此也同样需要一种用于在高温下储存热能的方法和设备。
美国专利US 4,089,176描述了一种用于操作电力涡轮机的方法和设备，该电力涡轮机包括一含有石墨堆芯的热能储存装置。该石墨堆芯通过电磁感应从其外表面被加热。然而，这种储存装置受到能量损耗高这一缺陷的困扰，由于石墨体的外表面上的更高的工作温度，此缺陷是从外表面加热石墨体的固有问题。尽管采用了绝热材料试图将热损耗最小化，热损耗还是很高。此外，堆芯外表面能够忍受的温度受到绝热材料的最大工作温度的限制。
发明目的本发明的一个目的是克服或基本改良至少一个上述缺陷。
本发明的另一个目的是处理至少一个上述需求。
发明概述根据本发明的第一方面，提供了一种高温下在石墨体内储存热能并从其中重新获取热量的方法，该方法包括当需要储存热能时加热石墨体的内部区域并在需要时重新获取热量。
通过加热石墨体的内部区域，传递到石墨的能量的量增加。这也有热损耗能够最小化的优点，这不仅是由于石墨体的外表面的工作温度可以更低以用于储存给定量的拟储存的能量，也是因为能够使用更低廉或者更有效的绝热材料。
石墨体可以被细分成几个分开的部分、层、片(section)或区域(region)，它们可以在一个、两个或者三个维度上被布置为绕所加热的内部区域定位。因而，本发明还构想从使用中被布置为围绕一个区域的表面或者末端来加热两个或者更多的石墨体，该所围绕的区域构成了石墨体的组合的内部区域。可以有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或者更多的体、部分、片、层或者子部分。
该子部分、体、部分、片或层可以以彼此热交换的方式排列在该内部区域。因而，邻近或者相邻的体可以彼此互相接触。为了提高在相邻体、部分、片或子部分之间的热交换，相邻或者邻近的体或部分或子部分可以邻接。
该子部分、体、部分、片或者层可以适于被结合在一个组件内。该组件可以适于为了维修目的被容易地拆开或者重新装配。该石墨体的形状可以是立方体形、三棱柱、五棱柱、六方柱、八棱柱、矩形块或棱柱、球体、椭圆、卵形体、圆柱体、圆柱形棱柱、不规则棱柱、规则棱柱或任意其他适合的形状。
根据本发明的第二个方面，提供了一种高温下在多个石墨体内储存热能并从其中重新获取热能的方法，该方法包括在需要储存热能时加热石墨体组件的内部区域的步骤和当需要时从其中重新获取热能的步骤。
该方法可以包括使电流通过一个电阻器的步骤，该电阻器可以被布置在石墨组件或石墨体的内部区域或者可替换的与其形成热传递的关系，以使得其温度上升。可以有1、2、3、4、5、6、7、8、9、10个或者更多的电阻器。
该电阻器或者每个电阻器可以组成一个电路的部分，该电路可以在非高峰期时连接到电力网系统上并可以在需用电力处于或者接近高峰时从电力网系统上断开连接。可替换的或者另外，该电阻器可以被连接到或者可连接到一个电路，该电路由从可再生能源中重新获取电能的电源供给能量。
该电阻器或者每个电阻器优选地通过一个或者两个连接器连接到该电路上或者连接到电源中。该连接器或者每个连接器优选地由例如钢或铜之类的金属制成。为了避免该电阻器的损耗，电触头优选地由相同的材料制成，优选地由铜制成。需要注意的是要避免在高温下的电路连接的高电流负载。
可替换的或此外，石墨材料体可以用从可再生能源中重新获取的能量来加热。
根据本发明的方法包括在需要时从石墨材料体中重新获取热能的步骤。该重新获取的热本身可以作为热能使用或者用于转化成电。该热能可以通过将其传递到一固体中或者液体中来重新获取。
热可以通过一热交换器的方式从石墨材料体中重新获取，该热交换器可定位于至少部分地在石墨材料体内或者接近石墨材料体。在电阻器位于石墨材料体外面的情况下，可以使用同一个或者不同的热交换器将由电阻器产生的热传递到石墨材料体上。为了减少从固体石墨材料体上的热损耗，根据本发明的第一方面的方法可以包括将石墨材料体绝热和将其包含在受控环境中的步骤。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于高温下在石墨材料体中储存热能的设备，该设备包括用于加热石墨材料体的内部区域的装置。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于高温下在多个石墨材料体中储存热能的设备，该设备包括用于加热石墨材料体组件的内部区域的装置。
用于加热石墨材料体或者组件的内部区域的装置可以包括电阻器；用于使电流通过该电阻器从而使其温度上升的装置；和用于将电阻器产生的热传递到石墨材料体上的装置。
该电阻器可以适于连接到一用于使电流通过该电阻器的电路上。该电路可以被连接到电力网供电(mains power supply)上或者任一从可再生能源产生的电源上。
如上所述，石墨体可以被细分成分开的部分、层、片或区域，它们能在一个、两个或者三个维度上被布置为绕被加热的内部区域定位。因而，本发明还构想从使用中被布置为围绕一个区域的表面或者末端来加热两个或者更多的石墨体，该所围绕的区域构成石墨体的组合的内部区域。
在一个实施方案中，石墨材料体或者组件包括堆芯和围绕或者包裹该堆芯的一个或更多的层、部分、片或者块。连续的层等和该堆芯可以互相绝热。
在堆芯内的工作温度可以比在围绕该堆芯的第一层内的工作温度高，该第一层的工作温度又依次比下一层的工作温度高并且如此类推。
该堆芯的工作温度可以超过所使用的构造材料的推荐温度，该构造材料与围绕石墨体的堆芯的石墨材料的第一层相关联。
举例来说，堆芯和任选的一个或者多个石墨材料体的环绕层的工作温度可以超过900℃，同时外层的工作温度被保持在900℃以下以允许不能在超过900℃的温度工作的构造材料的使用。
本发明的设备和方法的工作温度可以超过300℃。该温度优选超过800℃的温度。更优选地，该温度超过1500℃，更加优选地超过2000℃来获得最大的能量存储密度。本发明的设备和方法的工作温度可以在300℃-2400℃、1000℃-2400℃、1500℃-2400℃、1900℃-2400℃或者2400℃-3000℃的范围内。
已经发现，如表1中所示出，工作温度越高，能够储存在石墨中的热能越多。表1所包含的数据用图表表示在附图7中。
表1

适宜选用固体石墨材料体以使得其导热率尽可能的高。该材料在1000℃的导热率优选的超过约80W/m.°K，更优选超过约100W/m.°K，更加优选超过约200W/m.°K。例如，该材料在1000℃的导热率可以在80W/m.°K-250W/m.°K、100W/m.°K-250W/m.°K、150W/m.°K-250W/m.°K或180W/m.°K-220W/m.°K之间。
石墨＞3500℃的升华点合宜地高于该设备的建议工作温度。
石墨的高导热率、高升华点和低辐射率使其成为用于储存热的优选材料。
石墨的辐射率(被定义为通过材料体的表面所辐射的能量与在同一温度和同一区域内由理想黑体所辐射的能量的比率)被合宜的选择或者通过对于石墨的适当净化过程来降低，以使得其尽可能的低。该辐射率优选低于约0.3。优选地，辐射率在0.3到0.05或0.3到0.1或0.3到0.15的范围内。
由于燃烧的危险，优选地防止氧高温下与石墨材料接触。已经发现，在超过约300℃的温度下，石墨的表面开始变得具有活性并与可能存在的任何氧发生反应。由于这一原因，根据本发明的设备还优选包括一适于将石墨材料包含在非氧气体的气氛或者真空中的外壳。
石墨可以是人造的或者天然的。优选地，石墨是经过挑选的以使其包含尽可能少的矿物杂质。由于当使用具有高纯度的石墨时会有可能的更高能量储存密度，因此优选使用高纯度的结晶形石墨，例如具有95-99.9重量％纯度的石墨。此外，低辐射率是结晶形石墨的一个特点。具有90-99重量％，更典型的从约93重量％到约98重量％，更加典型的约95重量％、96重量％、97重量％、98重量％或99重量％纯度的石墨可以有出色使用效果。为了最好的效果，石墨可以具有非常高的纯度，例如最高达99.99重量％纯度，该石墨优选为结晶体。
具有至少1.5、典型为1.75、且优选从约2.1到约2.2的体积密度的高纯度石墨适于作为储存介质使用。优选地使用具有体积密度在1.5至2.2、1.6至2.2、1.7至2.2、1.8至2.2、1.9至2.2或2.0至2.2范围的高纯度石墨。
石墨可以是固体石墨或压缩石墨(compressed graphite)或者压缩的粒状石墨。可以使用单一一块石墨或者两块或更多更小块的石墨，同时确保当开始与其接触时，每一块与邻近块进行有效的热接触。在此实施方案中，该更小的块可以适于通过使石墨纤维围绕或通过该块并拉紧石墨纤维来保持接触。可替换地，自然存在并被商业开采的原生的石墨可以被用于固体材料体的制造。例如，被开采的原生天然石墨块，典型的约90重量％的石墨，可以在真空中被加热到约2200-3000℃，更典型的加热到约2400℃，一直到基本上没有更多的挥发物放出，这一方法典型地提供了至少约95重量％纯度的石墨，该种石墨可以被用于本发明的方法和设备中。
由于纯度影响石墨的传导率，被选择用于本发明的石墨材料的纯度很重要。该纯度对根据本发明的设备的使用寿命也有影响。就石墨而言，其纯度可以被表示为灰分在总燃烧中的百分比。为了使根据本发明的设备具有可接受的使用寿命，认为石墨具有小于约5重量％的灰分是适当的，优选的低于约4％、3％、2％或1.0％，更优选的低于0.6％，尤其是低于约0.3％。
作为另一替换方式，通过形成一适当的含碳材料体并在还原或惰性气体中加热该含碳材料来石墨化该含碳材料，石墨体可以原位制造。用于这一目的的合适的含碳材料包含那些固体或者半固体的相对高碳含量的材料。例子有无定形碳、焦油、沥青、树脂(pitch)、地沥青(asphalt)、煤、石油焦和蔗糖。含碳材料体可以用碳纤维或用碳织物加固。因此，用于制备一块石墨的典型方法包括以下步骤(i)制备一树脂或其他粘结剂和石墨粉的混合物，(ii)通过加热将该混合物软化，(iii)将软化的混合物装填到要求尺寸和形状的模具中并在最高达1200℃的焙烤炉中将该成型的块烧成炭，(iv)将成型的块传送到一可加热可抽空的外壳中，(v)将该外壳抽空到500Pa或更小的绝对压强，典型的100-500Pa，(vi)逐渐加热该块到大约2200-2500℃的温度，更典型的大约2400℃，加热24-48小时，同时保持外壳的压强在500Pa或更小，典型的100-500Pa，以将该树脂或其他粘合剂石墨化，(vii)冷却该块，(viii)让空气进入该外壳和(ix)取出已石墨化的块。
在设备的工作温度超过约50℃的地方，石墨体优选地应该与环境热隔绝以减少向该处的热损耗量。
固体石墨材料体可以是球状形状并设有从其表面延伸至中心的插孔。可替换地，固体石墨材料体可以具有任意其他适宜的形状，例如立方体、棱柱或者类似形状，或者可以具有不规则的形状。可以意识到，考虑到原料成本、制造成本、能源成本和最小化从材料体上的热损耗的需要，材料体的表面和容积之比优选地应当尽可能的低。
可以任选地提供穿孔或插孔用于将电阻器嵌入在固体石墨材料体中。该电阻器可任选地通过穿孔或者插孔的内表面的实体部分和该电阻器之间提供的一层电绝缘材料与固体石墨材料体隔离，从而使得总电流中流过插孔侧壁到组成部分固体石墨材料体的周围材料的电流比例减小，并从而确保大部分电流流过穿孔或插孔的内表面的所期望的区域或者面积或者比例。这一区域可以适宜地位于固体石墨材料体内并远离表面的位置上。
该设备可以包括一电极，该电极的至少一部分可以连接到电阻器上。该电极也可以嵌入到每一个穿孔或插孔内。该穿孔或插孔可以至少部分地用高纯度的粒状含碳材料填充从而形成电阻器。
每一电阻器可以借助于适合的绝缘体与周围材料隔离，该绝缘体可以是管状形式的，优选圆柱形管，可以适宜地由例如像氧化铝或者任意其他能够承受住该设备的工作条件的介电陶瓷之类的绝缘材料制成。
电力供应可以是直流电或交流电。
可以操作该设备使得在每一个电极电阻器界面(electroderesistor interface)测得的电流密度低于约0.5W/mm2。已经发现，粒状材料的灰分含量越低，该设备能够承受的电流密度越高。对于灰分含量低于约0.6重量％(wt％)的粒状材料，可以获得高达0.7W/mm2的电流密度。这些数字可以根据在夹套(jacket)、腔室、外壳中的环境不同而变化。
电阻器具有对于电流的阻抗，一旦电流流过该电阻器，该阻抗使电能转化成热能。该电阻器可以形成于或位于所述穿孔或者插孔内。该电阻器可以电连接至电极上，该电极又连接至一电路上。
该电阻器可以至少部分嵌入在穿孔或插孔内，该穿孔或插孔可以包含适合的高电阻材料，例如像具有更高或高电阻的添加物的含碳材料。该高电阻的添加材料可以从由氧化铝、氧化锆和其他适合的氧化物、碳化物或氮化物陶瓷组成的一组材料中选用。
第一电极可以由导电金属或石墨制成，该导电金属或石墨可以接触、或插入、或嵌入电阻器。
第一电极材料的电阻率优选小于约20微欧·米，更优选小于约10微欧·米，更加优选小于约5微欧·米。
该设备可以包括第二电极，该第二电极也可以通过材料体内提供的从其表面延伸至基本其中心的第二插孔或穿孔连接到材料体上。可替换地，该第二电极可以被连接到固体材料体表面的至少一部分上。这样，可以选择在第一电极和第二电极之间传导的电流的流动路径，从而使得通过材料体的电阻最小，同时确保产生的热优选地尽可能地接近材料体中心。
通过将电极至少部分地嵌入在位于穿孔或插孔内的含碳材料内，电极可以在一定范围内移进以及移出该穿孔或插孔，而不明显地降低电极和在穿孔或者插孔内的碳粒子之间的电接触。
已经发现，电极的与其长度相关的直径在确保沿着电极传导并且离开材料体的热的最小化中是重要的。电极的电阻和导热率优选为低的，同时其机械强度优选足够满足其目的。电流密度优选不大于这一电极的横截面积的约1W/mm2，更优选不大于约0.8W/mm2，更加优选不大于约0.5W/mm2。
石墨管可以用于在材料体和电极之间提供电连接。石墨管可以借助于由精细石墨结合热固性树脂制成的粘合剂连接到材料体上。
在使用石墨并且该石墨的灰分含量约为0.5重量％的情况下，期望每一个电极的总表面积足够高以确保流过电极的电流密度不超过0.5W/mm2电极表面积。在使用灰分含量更低的石墨时，可以承受更高的电流密度。
在石墨体的温度超过氧化发生的温度时，优选使用上述惰性气体或真空的腔室或者外壳。
在另一个实施方案中，提供有一适于承受真空的外壳，并且固体石墨材料体悬挂在该外壳中，如此以不接触该外壳。然后在材料体和该外壳之间的空间内施加真空。如果需要，可以在材料体和外壳之间的空间填充一层非氧化气体。该真空优选地施用到约5-10毫巴。
该非氧化气体优选是干燥的，以降低高温下在水气和含碳材料之间发生水煤气反应，导致含碳材料部分氧化的可能性。
为了减少材料体到环境的热损耗，通过传导、对流和辐射中的一种或多种的热传递被阻止或限制。
已经发现，在固体材料体和外壳之间利用真空来减少通过传导和对流的热传递非常有效。在材料体和外壳之间抽空与使用固体绝热材料相结合可以用于将热损耗减少到可接受的水平。绝热材料优选为纤维状的。或者，可以有益地使用煤胞、珍珠岩、蛭石、其他绝热颗粒状、多孔的或泡沫材料以及反射层。
为了减少传导造成的热损耗，固体石墨材料体可以被覆盖一层或多层适合的绝热材料。因此该设备可以包括一层或多层覆盖或围绕该固体石墨材料体布置的绝热材料，该绝热材料适于抑制源自材料体的热损耗。该绝热材料典型为矿物或陶瓷。在高温下，需要基于碳或石墨的绝热材料。
更典型的，该设备包括围绕石墨块的夹套、腔室或外壳，并且该夹套、腔室或外壳包含惰性气氛或者被内部抽空。
为了减少通过辐射的热传递，可以在固体材料体外表面和外壳的内表面提供反射表面。因此，夹套、腔室或外壳的内表面优选地被高度抛光以将辐射热损耗降到最低。由于机械强度、成本和承受高温的能力的原因，该夹套、腔室或外壳优选由金属制成，优选为钢。当夹套、腔室或外壳被内部抽空时，石墨体通过一个或更多绝热隔离物与夹套、腔室或外壳分离。绝热隔离物可以是一层或多层陶瓷材料，可选地由一层金属分离，例如钼、钨或具有不锈钢合金或铝的在低温难熔的金属。适合的陶瓷绝热材料的例子包括金属氧化物，例如氧化铍、氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化锇、三氧化二镧、三氧化铱、三氧化钪、二氧化钛、二氧化锆、二氧化铪、五氧化二钽、五氧化二铌、氧化铝、二氧化硅、氧化镍，以及其他无机材料，例如氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钽、碳化钛、碳化钨、一碳化锆、氮化铝、硼化锆、尖晶石、莫来石、镁橄榄石、耐火粘土、白云石、镁石(magnesite)、富矾土瓷料、富镁土瓷料、硅线石、蓝晶石、硅酸锆和以上的混合物。也可以使用发泡或纤维形式的碳或者石墨。
绝热隔离物可以可选地包括一层或者多层与热交换器热接触的浸入石墨的陶瓷(graphite-impregnated ceramic)，该热交换器将浸入的陶瓷与夹套、腔室、或外壳分离。在这种配置中，该热交换器可以被保持在足够低的温度以使得从石墨体到夹套、腔室或外壳的热损耗最低，同时借助于浸入石墨的陶瓷的适当选择，该体或石墨体可以保持在非常高的温度。典型的，在夹套、腔室或外壳内的石墨体或多个石墨体在最高温度最高可达2800℃的温度下工作。更典型的，石墨体或多个石墨体工作在约1400℃至约2000℃、约1400℃至1950℃、约1400℃至1900℃、约1400℃至1800℃、约1400℃至1700℃、约1400℃至1600℃、约1400℃至1500℃的最高温度下，更加典型的在约1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃、1650℃、1700℃、1750℃或1800℃的最高温度。在放出能量期间，该温度会降至200到300℃或200到500℃。
该腔室或者外壳可以被内部抽空并密封以保持内部真空，或者可以连接到一用于保持真空的真空泵上。典型的，当真空泵被连接时，设置该泵使得其仅间歇地工作，例如当泄露导致在腔室或者外壳内的压强高于预定值时。在腔室或外壳内的真空典型地维持在从约1Pa绝对气压至约500Pa绝对气压的范围内，更典型的在从约20Pa绝对气压至约250Pa绝对气压的范围内，更加典型的在从约50Pa绝对气压至约100Pa绝对气压的范围内。
将会意识到，当热空气或其他氧化气体的温度导致石墨体或多个石墨体基本氧化时，需要避免这些气体和任意石墨体的直接接触。这些氧化发生的温度取决于石墨的纯度，不过对于不纯的石墨化碳可以低到250℃而对于纯天然石墨是400℃。
第一方面的方法和第二方面的设备因而可以利用石墨的高导热性和其在高温下异乎寻常的比热来提供储存热能的系统。
任何材料的比热是该材料温度的函数。将一物体从初始温度T1升高到最终温度T2所需要的总热能H可以被表示为H=∫T1T2c(t)dt]]>其中c(t)是物体在温度t的比热。
当T2高于物体周围的环境温度时，热量H或其一部分的量可以用来做有用功。石墨块的温度和其所吸收的能是这样一种关系，即，在大约600℃以上的温度，该热块所吸收的额外的热量引起相对较小的进一步升温，特别是与像铁之类的金属比较。因此，石墨展示出了相对较高的热储存能力。例如，1吨质量的石墨在约1600℃的温度比其在20℃多储存大约3.6GJ的能量。相比较的，相同质量的铁在相同温度下储存大约1.3GJ(在该阶段铁被熔化)。
此外，石墨的高导热率确保石墨块的局部过热最低化。当热量被施加到高纯石墨块的小区域时，一整块从而几乎是被均匀加热。通过用石墨制成热传递装置，或者另外地如上所述在热传递装置中使用石墨，石墨的导热性也被利用在本发明中的实施方案的热传递装置中。
电力来源可以是任何方便的来源，例如电力网，特别是低电力需求时可获得的廉价电源。电力供应者可以利用类似的策略，以平缓对发电机的负载需求。
电力来源是可以变化的，并且可以包含从可再生能源重新获取的电力，例如从风能、水能、波能、太阳能或者潮汐能，这些能源的可用度在某些时期超过能源的需求，而能源需求在另一些时期超过其可用度。可用度过量的时期和需求过量时期的持续时间可以从比方说大约20到60分钟到几个小时，例如在主电力网所经过的高峰期和低谷期，或者它们可以是更长的持续时间，例如在可以利用太阳能的情况下，从白天到晚上，或者例如在利用风能和波能的情况下几天的时间。当在比方说一个季节内有大量的能源可以使用时，这些能量以热的方式从这一季节储存到另一需要能源的季节，可以考虑使用本发明的教导。因此，储存在本发明的该设备体中的热能可在热和电的需求高峰期使用。
为了确保连接到电极的电连接保持在一相对较低的温度，该电连接可以通过在围绕其提供的夹套内的水循环的方式冷却。
可以被使用的适合的陶瓷绝热器的示例包括那些在上文中举例说明的绝热器。
为了确保表面电流密度不超过约0.5-约1.0W/mm2，可以使用附加的电极。当根据本发明的设备用于在非高峰期时储存能量时，重要的是能量以相对高的速度传递进入该设备和从该设备中传递出。在经历了其间具有非高峰期的两个消耗高峰期时，例如，一个在早上的期间，另一个在晚上的期间，有例如约两个小时的相对较短的时间用于储存能量，有另外两个小时相对短的时间用于从根据本发明的设备中重新获取能量。这使得每千瓦时比每天只有一个高峰期需要更多的材料来储存。
根据本发明的设备的一个优点在于，由于根据本发明的设备可以以相对无污染方式工作，该设备能够被设置在电力消耗的地方，而不是生产电力的地方。
通过将热能转换成电能，或者直接使用，或者将其转化成其他形式，可以实现热能的利用。
现有多种技术用于将热能转化成电能的。举例来说，这些技术包括磁流体动力学、兰金循环(Rankine cycle)(有机物或蒸汽)、布雷顿循环、热离子发电和热光电发电。这些技术中最常用的是利用蒸汽驱动的涡轮机发电，该涡轮机依次驱动一交流发电机或直流激发器形式的发电机。为此目的，蒸汽可以通过在与根据本发明的储存热的材料体接触的管子内蒸发水而产生。为了提高根据与本发明的设备相联系的重新获取设备的效率，蒸汽可以在过热器管内过度加热，该过热器管也可与组成根据本发明的设备一部分的石墨材料体接触。加热管和过热管可以是如“直流蒸汽发生器”系统中所使用的那样的连续的管。
本发明因此延伸至一可选地在高峰期生产电力的工厂，该工厂包括根据本发明的设备和用于在与该设备相关的管内蒸发工作流体的装置，该装置适于可选地在电力的消耗高峰期重新获取储存在该设备中的热。
该设备还可以包括一适于由在蒸发装置中产生的蒸汽驱动的涡轮机或发动机；以及用于产生电力的适于被该涡轮机驱动的发电装置。为了该设备的有效运转，该工作流体的状态可以保持基本恒定。
根据本发明的第五方面，提供了一种储存热并从这些被储存的热中产生电力的方法，该方法包括以下步骤如上文所描述的那样储存热能，当需要时重新获取这些储存的热能以及将所述重新获取的热能转化成电能。
该重新获取步骤可以包括将工作流体从液相蒸发成气相。它也可以包括将该气相过热处理。
该转化步骤可以包括利用该工作流体的气相驱动涡轮机以及在涡轮机驱动的发电机中产生电。
根据本发明的第六方面，提供了热储存和发电工厂，该工厂包括如上文所描述的用于储存热能的设备、用于重新获取其中储存的热能的装置以及用于将所述重新获取的热能转化成电能的装置。
用于从储存热能的设备中重新获取热能的装置可以包括用于将工作流体从液相蒸发成气相的蒸发器。
用于将所述重新获取的热能转化成电能的装置可以包括由气相的工作流体驱动的涡轮机和适于产生电力的发电机。
根据本发明的第七方面，提供了一种高温下在石墨体内储存热能的方法，该方法包括当需要储存热能时加热石墨体的内部区域以及当需要使用热能时借助于热交换器来重新获取热的步骤。
根据本发明的第八方面，提供了一种用于在高温下在石墨材料体内储存热能的设备，该设备包括用于加热石墨材料体的内部区域的装置和用于从其中重新获取热的装置，其中该用于加热石墨材料体内部区域的装置包括一电阻器和用于使电流通过该电阻器以使其温度升高的装置，并且该用于重新获取的装置包括一适于容纳热交换流体的热交换器。
根据本发明的第九方面，提供了一热储存和发电工厂，该工厂包括如上文所描述的用于储存热能的设备。
根据本发明的第十方面，提供了一像上文所描述的那样储存热能的设备，该设备包括第一石墨块和至少一个附加的石墨块，其中该第一石墨块与该附加的石墨块或附加的每一石墨块绝热。
根据本发明的第十一方面，提供了一温度补偿的热储存和重新获取系统，该系统包括-适于在高温下储存热能的第一固体石墨材料体；-与该第一固体石墨材料体有热交换关系的用于从其中重新获取热能的第一热交换器；-有效连接到该第一热交换器的第一工作流体回路，该回路用于将工作流体从其源头经由第一热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置；-适于在高温下储存热能的第二固体石墨材料体；-与该第二固体石墨材料体有热交换关系的第二热交换器，从而可以增加第一和第二热交换器的复合热交换区，以补偿在第一和第二石墨体内的温度降低；
-有效连接到该第二热交换器的第二工作流体回路，该回路用于将工作流体从其源头经由第二热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置，该第二工作流体回路包括一适于打开和关闭的控制阀；和-一控制系统，该控制系统适于通过使工作流体或者更大量的工作流体经由第二工作流体回路被注入到第二热交换器，来补偿从第一固体石墨材料体重新获取的热由于其温度降低的损失，该工作流体回路利用增加的复合热交换区进行热传递。
该系统可以可选地包括一个或多个适于在高温下储存热能的附加固体石墨材料体，也可以包括一个或多个与该一个或多个附加固体石墨材料体有热交换关系的附加热交换器，以及有效地连接到该附加热交换器的一个或多个附加工作流体回路，该工作流体回路用于将工作流体从其源头经由一个或多个附加热交换器传导到能够使用该工作流体的一部分热能的装置，该附加工作流体回路或每一个附加工作流体回路包括一适于打开和关闭的控制阀。
因此，该系统可以包括3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50或更多的附加热交换器和热储存块或热储存块对或热储存块组。每一热储存块或热存储块对或热储存块组可以与相应的热交换器或热交换器对或热交换器组相联系，从而使得该系统被制成以单元形式制造的模块化系统，以便于根据本发明的系统的构造和/或扩展。
热可以以传递到工作流体的潜热和/或显热的形式重新获取。以气体或液体蒸汽的形式传递的热可以用来驱动涡轮机。该工作流体可以是水。
根据本发明的第十二方面，提供了一种当从储热介质中重新获取热时，用于补偿储热介质的温度降低的方法，该方法包括-在高温下在第一固体石墨材料体内储存热；-通过在与第一固体石墨材料体有热交换关系的第一热交换器内加热第一工作流体，从第一固体石墨材料体重新获取热能；-在第一工作流体回路内将第一工作流体传导到能够利用该工作流体的一部分热能的装置；
-在高温下在第二固体石墨材料体内储存热；-通过在与第二固体石墨材料体有热交换关系的第二热交换器内加热第一工作流体，从第二固体石墨材料体重新获取热能；-在第二工作流体回路内将第二工作流体传导到能够利用该工作流体的一部分热能的装置；和-通过使工作流体或者更大量的工作流体在第二热交换器内加热来补偿从第一固体石墨材料体重新获取的热由于其温度降低的损失；该热交换器或每一个热交换器的管子可以与固体石墨材料体直接接触，并且可以在其表面基本平行布置。或者，该热交换器或每一个热交换器的管子可以被夹紧固定在两个邻近的块之间。
在本发明的这一实施方案和其他实施方案中，在热交换器或其任意部分，例如管子，由钢制成的情况下，以及在该热交换器在高温下与石墨直接接触时，通过碳分子从热石墨迁移到热钢的表面，钢可能会被渗碳。
为了避免钢的渗碳，可以在热交换器的管子和石墨之间放置适合的导热材料。
对于最高达800或900℃的高温，高镍钢合金可以用作构造热交换器的材料。
为了便于装配以及简化热交换器的检查和维修，任意一个或多个固体石墨体可以设置有空腔，该空腔可以设置在块内或者该空腔可以形成在一可分的或者可拆卸插件或子组件的部分或者片断之间，以使得容纳在空腔内的一个或者多个热交换器能够去除和更换。
根据本发明的方法可以用于以热的形式捕获和储存从不同的来源得到的能量。到储存设备的输入能可以是到电阻加热元件的电、集中光束形式的太阳能或来自工业生产过程的废热。在该能量是电的情况下，输入可以来自电力网，以利用整个电力供应期的价格差，或者是来自可再生的能源，例如风轮机或空气流驱动的发电机、光电池或波或潮汐发电机。
储存在本发明设备中的能量可以用于各种各样的利用热作为动力的技术。最简单的是将储存设备作为产生用于多种工艺的蒸汽的锅炉使用。为了产生电力，热能可被用于加热工作流体以驱动一涡轮机/发电机或一马达/发电机(motor/generator)。热气也可被用于燃气轮机或内燃机的驱动力。或者，可以使用磁流体动力(MHD)发电、热离子发射发电或斯特林发动机/发电。该设备可以作为用于燃气轮机或内燃机/发电机的燃料或助燃空气的预热器使用。最简单的商业发电选择是使用该储存设备产生蒸汽来驱动一涡轮机/发电机或一马达/发电机。
工作流体工作流体可以是可以被蒸发以形成蒸汽的水。作为水/蒸汽的替换物，一定范围内的其他工作流体可以用于传递热或者为涡轮机或马达提供动力。工作流体可以是在室温下的气体、液体或固体，只要其在热储存的工作温度范围内熔化和/或汽化。工作流体可以从例如像甲醇、乙醇或异丙醇之类的醇、像乙烯之类的碳氢化合物或者像汞之类的金属中选择。
在工作流体在室温下是固体的情况下，它可以是例如像硝酸锂的盐、例如像硫的非金属元素或例如像铋、锡或锑的金属元素。
特殊用途的工作流体可以根据其热容量、其相对于热储存工作温度范围的熔点或沸点、或者其在热交换器材料上的腐蚀和积垢的影响的缺乏来选择。当水与不锈钢或高镍管或管状热交换器一起使用时，水优选为高纯度的，典型的最大外来夹杂物的级别在十亿分之50。
气态工作流体可以从氨，氮，例如像氦、氩的惰性气体，二氧化碳或者例如像丁烷或者戊烷等的碳氢化合物气体中选择。
用于热储存的绝热材料绝热材料可以用来使从石墨材料体的热损耗最低。热传递通过辐射、对流和传导而发生。
辐射传热可以通过将热能反射回堆芯来改良。反射材料层，例如高熔点金属(例如钼)、石墨、不锈钢或任何其他能够在要求的温度下工作的金属，可以作为反射内衬使用。尽管不是必需的，但是通常将这些反射绝热材料与轻质多孔材料结合，该轻质多孔材料例如像氧化铝、碳、二氧化硅、氧化锆、铝硅酸盐、各种碱金属硅酸盐、尖晶石的多孔状、纤维状或散装颗粒状形式，或者更典型的许多这些形式的组合。这些绝热材料可以是像板、块或砖等的刚性形式或者是像散纤维或者毡状的柔性形式。该颗粒状绝热材料可以是氧化铝、二氧化硅、铝硅酸盐、碱金属硅酸盐、氧化铝颗粒、蛭石、珍珠岩、煤胞或者任意其他适合的多孔颗粒。
传导可以通过绝热材料的低体密度或通过设置许多气孔或滞留空气或气体空间来克服或改良。在绝热层内的对流传递可以通过闭孔绝热来最小化。
为了获得最好的绝热设计以最小化热损耗，必须平衡这三种热传递模式。绝热材料和内衬厚度的最终选择取决于所要容纳的要求温度和能够承受的热损耗。
绝热材料的最大工作温度额定值取决于材料工作的状态条件。氧化或者腐蚀性气体的存在会降低反射绝热材料的反射率并因此降低其效率。在高真空下的石墨反射体可以在最高达约+3000℃有效，而通常的纤维绝热硅酸铝耐火材料常常被限制在约1400℃。纤维状、发泡的或颗粒状的绝热材料全都固有地具有大表面面积因此易于被气体附加剂(gaseous agents)侵袭。
在特定的应用中，纤维状氧化铝可以在最高达约1600℃下使用，发泡的碳可以在最高达约3000℃使用。这些材料可用作通常是具有低耐火材料的组合内衬的高温表面，该组合内衬形成直到外部夹套、腔室或外壳的层。
用于热交换器管的金属用于以热的形式从热储存设备提取能量的热交换器可以包括管道。只要包含工作流体的容器在工作流体工作温度范围和压强下能够工作，可以使用任何形式的金属或非金属材料。
该热交换器可以是金属的。所使用的材料取决于包括工作流体的压强和温度、周围的热储存和大气这些工作条件。管道优选为无缝构造。在热交换器的构造或者设计中使用的金属或金属合金，优选能够满足设计需要，并且可以是AS1210-1997压力容器AS4041-1998/Amdt.1-2001压力管道
AS1228-1997/Amdt.1-1998压力装备-锅炉ASME锅炉和压力容器标准-2004ASME B31.1-2001动力管DIN En 13445-2002未焙烧的压力容器如当时适用的修订的或类似的相关标准。
在低温端使用时，可以使用300系列的不锈钢，包括但不限于304(UNS#S30400)、316(UNS#S31600)、321(UNS#S32100)、347(UNS#S34700)、309(UNS#S30900)、310(UNS#S31000)、它们的衍生物和类似合金。其他不锈钢包括153MA(UNS#S30415)、235MA(UNS#S30815)和353MA(UNS#S35315)，它们的衍生物和类似合金。
(合金304、321、347和253MA最适用于管子所受到的最大温度为500℃的蒸汽应用，典型地适用于工作温度＜400℃的蒸汽涡轮机。)随着工作温度升高，则对金属的要求移动到高镍合金，例如600和800系列，包括但不限于600(UNS#N06600)、601(UNS#N06601)、602CA(UNS#N06025)、625(UNS#N06625)、690(UNS#N06690)、800(UNS#N08800)、825(UNS#N08825)、它们的衍生物和类似合金。也有一定范围的其他高镍合金在哈斯特洛依合金(Hastelloy)范围内，该合金包括N(UNS#10003)、X(UNS#06002)以及例如像HR-120(UNS#N08120)、HR-160(UNS#N12160)、230(UNS#N06230)、556(UNS#R30556)的特殊海恩斯高电阻高硬度超基合金(Haynesalloys)、它们的衍生物和类似合金。
合金600，800H和海恩斯(Haynes)556最适用于管子所受到的最大工作温度为900℃的蒸汽应用，适用于一工作温度在约500℃的蒸汽涡轮机。此处所列出的合金是按照最大使用温度增加的顺序。
下列标准适合用于选择热交换器管的构造材料ASMEB31.1-2001动力管标准，和ASME锅炉和压力容器标准-2004.
在锅炉管中允许的最大温度也取决于其受到的压强。典型的，对于任意给定的合金，随着所包含的流体的工作压强上升，所使用的最大温度下降。概括了这些变化的表格包含在“ASME B31.1-2001动力管”或相关等效标准中。
控制原理气氛石墨体可以位于腔室或者外壳内。在腔室内或外壳内使用保护气氛以使得石墨不受氧化。这可以通过保持部分真空和/或通过使用例如像氮的不可燃气体或者像氦或氩等惰性气体中的一种来实现。
在要求的限度内，应该在腔室或者外壳内保持低正压强气体。该压强可以具有一从约2巴到毫巴级的设定值。该压强可以被维持在设定值的正负50％范围内，不过优选地降低到正负1％或更小。压强的升降控制(the ramping of the control of the pressure)典型地通过使用一PID控制器(比例-积分微分-微分积分反馈控制)来实现。
根据所要保持的特定压强，在腔室或者外壳中的气氛可以是例如像氮的不可燃气体或者像氦或氩等惰性气体中的一种。随着需要的压强降低，腔室或外壳的结构强度需要被增强。
在一个实施方案中，可以使用5-15毫巴的工作压强。如果压强被降低至约1毫巴，电晕放电成为围绕电连接的一个问题。然而，如果工作压强进一步降低，降至约900微巴，电晕放电可以被避免。
当压强增加至大气压之上时，腔室或外壳的结构强度也需要增强。为了使热储存腔室或外壳的结构强度要求最小化，工作压强可以被保持为刚刚超过大气压。气氛优选为不可燃的或性质为惰性的，并且优选地保持在刚刚超过大气压的压强，从而最小化或避免氧气的进入。
在工作期间，在腔室或者外壳中的压强由于所包含的气氛的膨胀和收缩而变化。通过监测夹套、腔室或外壳内的压强，以及在压强到达一特定最大设定值时打开排气阀或者在压强降低到最低压强设定值时打开连接到腔室或外壳的气体供应阀，来实现压强控制。
该压强典型地保持在200PaG和400PaG之间。
热储存和加热系统石墨块优选地在其中心加热，优选地具有绕其中心的一层或多层石墨和两层或更多层绕中心的热交换器模块。这些层可以与绝热材料交错相间。在储存器和热交换器块层之间交错的绝热材料层的类型和厚度取决于热储存的温度、热能的提取速度和所需要的温度曲线。
操作该设备从而使电力被施用到加热元件一直到达到期望的工作温度。一旦到达这一温度，关闭供应到该元件的电力，并且在温度下降到最小设定值之前不再打开。电力施加的升降率典型地通过使用一PID控制器(比例-积分-微分反馈控制)来实现。
最大储存温度由金属热交换器能够安全工作的温度来支配。可以提供一热电偶来测量温度。该热电偶可以置于热交换器近邻，以确保不超过最大工作温度。
加热元件所处的石墨块的中心可被加热到最大温度，当能量从该块中取走时，由于可以利用温度梯度，该最大温度在穿过加热元件和热交换器之间的储存器的绝热层和热交换器块形成的块中升高。
热交换器和储存块用于热交换器的材料取决于工作流体、流体工作压强和流体温度。尽管不应认为是惟一的选择，但是常用的工作流体就是水/蒸汽。本发明也设想使用气体或有机工作流体来驱动闭式循环涡轮机。
典型的，连接到蒸汽涡轮机的热储存设备所用的工作流体为在从10-100巴压强下的水/蒸汽。蒸汽从嵌入在热储存器设备中的一部分中的热交换器中产生，该热储存器设备处于最高达900℃的温度。工艺用汽蒸汽的通常要求典型的但并不限于6-10巴饱和蒸汽。用于从热储存器中重新获取能量的热交换器典型的为金属直流蒸汽生成型系统(ametallic once through steam generation type system)(OTSG)，其中所使用的热交换器管的数量可以变化以满足输出需要。当块的一个区域的温度降低时，该块的另一区域可以被用于产生过热蒸汽，而衰竭区域可以作为过热区的预热器。这种类型的锅炉的类型可以被称之为分阶段的OTSG，第一阶段用于亚饱和加热，并且第二阶段用于将蒸汽加热到过热的温度。在这两个阶段之间不设置产生汽包。通过遵循这一过程，可以将能够从储存器中提取得的能量的量最大化。
可以提供两个或更多储存块和两个或更多热交换器块。任意一个可以具有足够的热交换器长度以运行STG。可能时，从涡轮机蒸汽流提取的蒸汽可以用于将给水预热到趋于特定工作压强的饱和温度。在工作中，至少一个块需要位于可能的最高温度，因此至少一块总是保持更热，优于将他们都加热到相等的温度。
块的温度将支配可以使用多少热交换器管用于亚饱和水加热或蒸汽产生。在任何时间工作中的管的数量取决于所需要的吞吐量和在石墨和工作流体之间的温差。所使用的管的数量在工作温度范围内可以变化5或20倍或更多。当温差最大时，可以使用最小数量的管，但当这温差降低时，热交换区域需要增加。
由于两块工作在不同的温度，它们可以工作在不同的压强。压强较高、温度较低的块可以通过一减压阀连接到温度较高的块。具有STG需求所控制的设定压力的该减压阀可以控制在第二、较高温度块内的压强。
以下为热储存设备如何操作的几个设计方案方案1一个块时常被作为较冷的块来预热用于较热的块的水。这样，能够提取的能量可以是最大的。这严格来讲不符合OSTG的工作原理，不过却是最简单的方案以及最直接的控制方案。
方案2.
另一个方案是使储存器的中心堆芯升到高温，典型的约1000℃。该堆芯可以具有将其与外层或包含热交换器的块隔开的绝热材料。由于可能有从该设备的最小的能量下降，在热交换器区域的温度应该是自调整的。可工作于低温的内热交换器层周围可能还有第二层。热首先从外层热交换器提取一直到该石墨块不能产生足够量的蒸汽。
外层热交换器然后可以用于预热用于内部热交换器的水。另一个储存块可以交错地被用作较高温度块的预热器。这一设计的优点在于，接近储存器外缘的块表面可以在较低的温度，并且因此腔室或外壳的表面温度将会更低，从而降低热损耗。
温度调节和蒸汽质量通过监测给水流量和给水管道上的温度，可以保持质量流量。一个给水泵既可以用于热储存锅炉的给水，也可以用于过热降温器的水。总流量可以用给水控制阀设定，而过热降温器控制阀可以控制被过热降温器所使用的给水的比例。这意味着来自热储存器的可变质量蒸汽可以以满足工艺要求或马达或涡轮机的恒定的数量和质量供给。
满足工艺、马达或涡轮机需求所需要的蒸汽质量被确定，然后这一设定被保持在给水泵上。进入到温度调节器的这些水的比例由离开热交换器的蒸汽的温度确定。当来源于热储存器的蒸汽的温度升高时，过热降温器的流量增加。由热交换器产生的蒸汽的量可以根据多少热交换器管在控制储存块的温度而变化。
蒸汽产生储存块可以用于蒸汽产生。由热交换器产生的蒸汽会根据使用了多少热交换区域以及储存块的温度变化。在离开热交换器之后，典型为近饱和的蒸汽，被调温到需要的蒸汽状态。
蒸汽涡轮机工作典型地，一高效蒸汽涡轮机在约500℃和约60巴的压强下工作。
蒸汽涡轮机所需要的蒸汽温度可以通过到达蒸汽涡轮机之前离开热储存设备的蒸汽的温度调节来保持。


本发明的优选形式将参照附图通过示例进行描述，其中图1是根据本发明的设备的一个实施方案的图示；图2是根据本发明的设备的另一个实施方案的图示；图3(a)是示出一引入了根据本发明的设备的发电厂一个实施方案的示意流程图；图3(b)示出了组成图3(a)中的设备的一部分的锅炉和过热器管的一种典型布置；图4是示出引入了根据本发明的设备的另一实施方案的热储存和发电工厂的示意流程图；图5是示出引入了根据本发明的设备的又一实施方案的热储存和发电工厂的示意流程图；图6是示出了根据本发明的另一方面的温度补偿热储存和重新获取系统的部件分解视图的示意流程图；
图7是在递增温度下能够储存在一吨石墨中的能量的量的图解表示；图8是根据本发明的一个热储存设备的另一个实施方案的图示。
具体实施例方式
参照图1，显示了用于储存热能的设备10的一个实施方案。设备10包括一包含按重量计少于0.5％杂质的高纯度石墨体12。设备10还包括用于向体12传递热的装置14，该装置14包括一电极16和一电阻器18。该电阻器18位于穿孔或插孔20内，该穿孔或插孔20从体12的上表面12.1延伸到体12中远离体其表面的点12.2。
一陶瓷管22安插进穿孔或插孔20内。然而，其直径小于插孔或穿孔20的直径，在管22的外表面和穿孔或插孔20的内表面之间留有一环形间隙20.1。
电极16包括一杆部16.1和一底部16.2。底部16.2被嵌入在构成电阻器18的有陶瓷颗粒或没有陶瓷颗粒的颗粒状石墨或碳的混合物内。绝热材料24覆盖在底部16.2的上表面和体12的表面12.1之间的空隙上。为了防止从体12到环境的热损耗，可以在体12的上表面12.1上提供更多的绝热材料(未示出)。
在环形间隙20.1内，设备10还包括用于从体12上移除或提取热的装置26，该装置26部分位于插孔20内。装置26是以螺旋管26.2形式成型的管26.1的形式。
在使用中，电能经由电极16的杆部16.1传导到装置10。电从底部16.2传递到构成电阻器18的有陶瓷颗粒或没有陶瓷颗粒的颗粒状石墨或碳的混合物。由于电阻器18的阻抗，当电流过电阻器18时产生热。通过高纯度石墨体12将热从该电阻器上引开。
当需要从设备10提取热时，水从管26.1流过。只要高纯度石墨材料体12的温度高于流过管26.1的流体的温度，热将从石墨体12流到流体上。该流体可以是水，并且当它流过管26.1时可被转化成蒸汽，该蒸汽可以是过热的蒸汽。
参照图2，显示了一根据本发明的设备的以热储存块组件210形式的另一实施方案。该热储存块组件210包括一具有左侧212.1、右侧212.2，底部212.3以及前侧和后侧(未示出)的箱形外部钢壳212。盖212.4盖住顶部。底部212.3被一对梁212.5支撑，以使得设备210能够用铲车容易地运输。
在外部钢壳212内部，提供有用于支撑用于储存热能的高纯度结晶形固体石墨块216的五个陶瓷支柱214.1、214.2、214.3、214.4、214.5。储存块216通常是矩形截面。储热块216通过铺在陶瓷支柱214.1到214.5上表面上的四块陶瓷绝热瓷砖218.1，218.2，218.3，218.4与陶瓷支柱214.1，214.2，214.3，214.5分开。为了制造的方便和简单，储存块216可以由更小的块制成(未示出)，该更小的块被加工到精密公差以使得它们能够在堆叠在一起时保持足够近的接触，以快速地分散引入到块216或从块216移除的任意热量。当在使用时，通过进入到外部钢壳212内部的惰性气体，外部钢壳212及其容纳物可以受到一微小的正内压。
绝热材料220被提供在填充于热储存块216的外表面和钢壳212的侧面212.1、212.2、底部212.3和盖212.4之间的层内，以防止或至少减少损失到环境的热能的量。绝热材料220被提供在适合的材料层内，该材料能够承受最高达该设备的工作温度的温度。在低于1300℃的范围内，可以使用例如像“高岭棉(Kaowool)”或“铝硅陶瓷纤维”(“Fiberfrax”)之类的材料。在1300℃之上，在邻近石墨储存介质的更高温度区域内，基于石墨或氧化物、氮化物或以碳为基础的毡制品的其他绝热材料能够在最高达3000℃的温度使用。可以使用这些材料的组合物以使得在层之间的界面温度与它们的设计最大工作温度相匹配。
当需要时，该热储存块216可以通过四个电阻器222、224、226和228来加热。
电阻器222、224、226和228中的每一个由压缩进提供在储存块216内的孔内的高纯度粒状碳成分制成，其从储存块上表面延伸到其下表面。在储存块216的底部提供两个电连接器230、232，用于分别将电阻器222、224和226、228互相连接。该电连接器230、232由适合的导电石墨制成，该导电石墨能够承受最高达3000℃的温度。电连接器230、232分别与电阻器222、224和226、228的下端电接触。含碳材料被压缩进储存块216的孔内，从而形成电阻器222、224、226、228，每一个电阻器的上表面被放置在各自上表面的端子234、236、238、240分别覆盖。每一个端子234、236、238和240包括一底部234.1、236.1、238.1、240.1和一中心端杆(central terminal rod)234。2、236.2、238.2、240.2，这些中心端杆连接到各自相应的底部234.1到240.1的中心并垂直延伸进入提供在储存块216上表面和盖212.4之间的绝热材料220。电连接器242、244和246、248各自连接到端子234、236和238、240的中心端杆234.2、236.2、238.2、240.2。由于中心端杆234.2，236.2，238.2，240.2延伸进入绝热材料220，它们的远端在使用中工作在比他们各自的底部234.1、236.1、238.1、240.1低的温度。
储存块216的下端216.1借助于一电绝缘垫板250与电连接器230、232电绝缘。该绝缘垫板250设有四个孔，这些孔的每一个与电阻器222、224、226和228中的一个的底端相对应，以使得电阻器222、224、226和228能够与上述的电连接器230、232电接触。
一可拆卸热交换器组件252提供在储存块216中心，用于当需要时从热储存块216移除热能。该可拆卸组件252包括两石墨块段254、256，该两石墨块段在其之间共同限定了一空腔，该空腔用于容纳一管状热交换器(未示出)，该管状热交换器的管子在工作时与空腔258的内表面密切接触。
该热交换器用高镍合金管制成，该高镍合金管能够在650℃以上并最高达900℃的温度工作。
为了组装该设备210，绝热材料220从外部钢壳的一个侧面，比方说侧面212.1装入其内，其后插入214.1到214.5的陶瓷支柱。还在相邻的陶瓷支柱214.1到214.5之间提供绝热材料，之后引入电绝缘体218.1到218.4，电连接器230、232和电绝缘垫板250。据此，热储存块216的单元块被置于外壳212内，电阻器222、224、226和228通过在设置于石墨材料块内的孔内引入并压缩颗粒状含碳材料来制备。之后在电阻器222、224、226和228的上表面放置端子234、236和238、240。导体242、244、246和248被连接到中心端杆234.2、236.2、238.2、240.2的远端。导体242，244，246和248的自由端被连接到电源上。最后，为了提供将储存块216的组成部分固定在一起的压力，绝热材料220的最后一层被插入到储存块216和侧面212.2之间的外部钢壳内。
为了避免石墨储存块216的氧化，于是将例如像氮、氩或氦等的惰性气体引入到外壳212内，以清除任何可能留在其内的气体并防止在设备210的工作期间当石墨和其他含碳材料很热的时候有空气进入。
已经发现，当储存块254、256和管状热交换器260之间获得良好的热接触时，可以获得大于1,000W/m2°K的总传热系数。这要优于在常规燃烧蒸汽锅炉中获得的60W/m2°K的总传热系数，其中热借助于由燃料燃烧所致的热烟道气体产生的对流热传递被传递到锅炉或者蒸汽管中内的水或蒸汽。这种锅炉中的总热传递系数被热气(燃烧生成物)端环绕锅炉管形成的气膜所限制，并且该气膜抑制进入到管中的热传递。
由于热交换器260具有高得多的传热系数，组成设备210一部分的热交换器260可以比在常规锅炉或过热器中所需要的小许多。
可拆卸组件252具有的优点在于，当采取注意确保尺寸公差很小时，一方面，可以在块段254、256和管状热交换器的管之间实现紧密接触，另一方面，在块段254、256和块216之间实现紧密接触，从而促进热传递。可拆卸热交换器组件252的可拆卸性便利了热交换器260的检查和维护。
虽然图2只示出了一个可拆卸热交换器组件252，但是可以在遍及分布在储存块216的不同位置上设置多个这样的可拆卸热交换器组件，以便于在需要时从储存块216重新获取热能。类似的，虽然只示出了四个电阻器222、224、226和228，但是可以设置任意数量的电阻器以便于需要储存在储存块216内的热能输入到储存块216中。电阻器和热交换器的数量和分布取决于在特定应用中使用的石墨材料的使用性能和物理性能，例如像传导性和热容量等。这可以由本领域普通技术人员通过合理的试验和试用确定。
在使用中，电能通过电阻器222、224、226和228转化成热能，并且以热能的形式储存在设备210中。这可以通过使电通过导体242和246到达端子234和238完成，该端子依次将电传导到电阻器222和226。由于电阻器222、224和238、240的下端通过电导体230、232分别互相连接，通过电导体242进入电阻器222的电流经由电连接器230传导到电阻器224并且经由端子236和导体244从设备210导出。类似的，通过导体246进入到设备210的电流经由端子238传导到电阻器226，并且经由电连接器232从电阻器226传导到电阻器228，并且经由端子240和导体248从该设备导出。当使用直流电流时，电流的流动方向可以与上面所描述的方向相反。当使用交流电流时，电流的流动方向会交替变换。
由于电阻器232、224、226和228的阻抗，当电流流过电阻器时会产生热。这些热消散在整个石墨块216中，在需要使用之前在其内储存。
当需要从设备210取出热能时，例如像水之类的流体在热交换器260中循环。这使得只要石墨块216的温度高于经过热交换器260的水的温度，热量就被传递到经过热交换器260的水。该水可以被蒸发形成蒸汽，该蒸汽优选地进一步加热以形成过热蒸汽，该过热蒸汽可以用于驱动涡轮机或发动机来产生电力。
参照图3(a)，一发电厂28包括驱动能够产生电力的发电机32的蒸汽涡轮机30。通过导管34，过热蒸汽被注入蒸汽涡轮机30。该过热蒸汽在一组并排布置在立方体石墨块36表面上的过热器管35内产生，该立方体石墨块组成根据本发明的一个实施方案的设备的一部份，在该设备中，利用从非高峰期的电力供应网中提取的电来电阻加热而获得的热被储存。虽然在本发明的实施方案中提到电力网供电，要理解的是，电力源可以如上面所描述的进行变化，并且可以包含从例如像风能、水能和波能等可再生能源重新获取的电力，因此这些电力的可用性在某些时期超过需求，而在其他时期其需求超过其可用性。
石墨块36位于钢壳38的内部。另一石墨块40被设置用于以类似于蒸汽被石墨块36过热的方式来产生饱和蒸汽。石墨块40位于钢壳42内部。绝热材料44设置在该钢壳42和石墨块40之间以及在钢壳38和石墨块36之间。锅炉管46沿石墨块40的表面并排布置。
图3(b)显示了图3(a)中的锅炉管46是如何并列布置并纵向焊接在由适合的合金制成的传递垫板48的外表面。传递板48的内表面用适合的材料等离子涂覆，以防止使用低等级的合金时碳迁移到合金。渗碳具有影响合金机械性能的效果。
为了控制输送到涡轮机30中的蒸汽的温度、压强和过热程度，设置有一蒸汽混合/调节单元50，使得通过导管52从钢壳38放出的过热蒸汽在需要时可以与通过饱和蒸汽导管54从钢壳42放出的饱和蒸汽混合。为了控制供应到涡轮机30的蒸汽的工作条件，控制阀门56、58和60如图示被设置在导管中。
废蒸汽可以在一个或更多提取点70、72、74、76处从蒸汽涡轮机30中提取，并且在被冷凝形成重复循环再使用的冷凝物之前用于预热给水。该冷凝物返回一锅炉给水罐80。
在工作中，发电厂28工作使得在电力消耗的非高峰期，通过嵌入到石墨块36、40内的电阻器(未在图3(a)中示出)将电力转化成热。在高峰时期，储存在块40中的热被用于蒸发布置在块46的外表面上的锅炉管46内的水，然后形成饱和蒸汽，该饱和蒸汽在汽包55中与水分离。该饱和蒸汽通过导管54，经过控制阀58，注入到布置在石墨块36外表面的过热管35中。在过热之后，蒸汽通过设置在过热蒸汽导管52的控制阀56放出。如上所述，过热蒸汽穿过蒸汽混合和调节单元50，之后通过过热蒸汽导管34被注入到蒸汽涡轮机30。为了控制过热蒸汽的过热程度，在过热器管35产生的过热蒸汽可以被过热到超过所需要的程度，送入涡轮机30的蒸汽的过热度于是在蒸汽混合和调节单元50中调节，该调节通过操作控制阀60，使来自汽包55的饱和蒸汽流入蒸汽混合和调节单元50，从而致使饱和蒸汽经由导管61流入单元50来进行。
图4显示了一个热储存和发电工厂428的一个实施方案。该工厂428包括一驱动发电机432的蒸汽涡轮机430。通过导管434，过热蒸汽被注入到蒸汽涡轮机430。过热蒸汽在位于一排高纯度石墨块436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19内的18组金属管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18内产生，每一组金属管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18分别被邻近的两石墨块夹在中间。
石墨块436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19位于钢壳438内部并且被其封闭。
一绝热系统439被设置在低碳钢壳438和石墨块436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19之间，该绝热系统通常包括惰性气体以防止该石墨块的氧化。
电能通过一系列的19个电阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19的电阻加热转化成热能，如关于图1和2所描述的，每一个电阻器嵌入在相应的石墨块436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19内。
电能经由一有效地连接至一变压器414的低电压馈电线439传导到电阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19，该变压器441从供电网443供电。该变压器441也可以由一风车447驱动的发电机445供电。
发电机432产生的电力经由一变压器433被送入到电网(grid)443。锅炉给水或冷凝物经由一锅炉给水导管449被供应到金属管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18。该供应量通过一控制阀451控制。蒸汽储蓄器453可以提供用于启动的蒸汽。该蒸汽储蓄器453经由导管455和控制阀457有效地连接到钢管435.1的蒸汽释放端以及连接到例如像传统的锅炉等的独立的蒸汽源或者其他设备428，使得当设备428被启动时，蒸汽能够从蒸汽储蓄器453经由控制阀459供应到金属管组435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18。
为了控制送入到涡轮机430的蒸汽的量，设置有一控制阀456。
在工作中，该发电和热储存工厂428如此工作使得在电力消耗的非高峰期，电能通过电阻器418.1、418.2、418.3、418.4、418.5、418.6、418.7、418.8、418.9、418.10、418.11、418.12、418.13、418.14、418.15、418.16、418.17、418.18、418.19转化成热。
在高峰时期，储存在石墨块436.1、436.2、436.3、436.4、436.5、436.6、436.7、436.8、436.9、436.10、436.11、436.12、436.13、436.14、436.15、436.16、436.17、436.18、436.19内的热被用于蒸发金属管435.1、435.2、435.3、435.4、435.5、435.6、435.7、435.8、435.9、435.10、435.11、435.12、435.13、435.14、435.15、435.16、435.17、435.18内的锅炉给水和/或冷凝物而产生过热蒸汽，该过热蒸汽通过导管434、经由控制阀456输送。
在图4所示的热储存和发电工厂的实施方案是基于直流蒸汽发生器(once through steam generator)(OTSG)设计的。发明人还设想本发明的原理能被应用到如图5所示出的汽包型的设计。
因此图5示出了本发明的热储存和发电工厂528形式的另一实施方案。该工厂528包括一驱动发电机532的蒸汽涡轮机。通过导管534，过热蒸汽被送入到蒸汽涡轮机530。
过热蒸汽在位于第一列的9个高纯度石墨块536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9内的8组过热器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8中产生，每一组过热器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8分别被邻近的两石墨块夹在中间。
石墨块536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9位于低碳钢壳538内并且被其封闭。
一绝热系统539.1被设置在低碳钢壳538和石墨块536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9之间，该绝热系统包括真空或惰性气体以防止该石墨块的氧化。
从一汽包555经由一控制阀558和蒸汽导管553和554向过热器管535.1、535.2、535.3、535.4、535.5、535.6、535.7、535.8供给饱和蒸汽。汽包555从18组锅炉管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18被供给饱和蒸汽，这些锅炉管位于第二列的19块高纯度石墨块540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19之内，同时每一组锅炉管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18分别被邻近的两石墨块夹在中间。石墨块540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19位于低碳钢壳542内并且被其封闭。
一绝热系统539.2被设置在低碳钢壳542和石墨块540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19之间，该绝热系统也包括真空或惰性气体以防止该石墨块的氧化。
在第一列的9块高纯度石墨块536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9内，电能通过一系列的9个电阻器518.1、518.2、518.3、518.4、518.5、518.6、518.7、518.8、518.9的电阻加热转化成热能，如关于图1和2所描述的，每一个电阻器嵌入在相应的石墨块536.1、536.2、536.3、536.4、536.5、536.6、536.7、536.8、536.9内。
类似的，在第二列的19块高纯度石墨块540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19内，电能通过一系列的19个电阻器518.10、518.11、518.12、518.13、518.14、518.15、518.16、518.17、518.18、518.19、518.20、518.21、518.22、518.23、518.24、518.25、518.26、518.27、518.28的电阻加热转化成热能，如关于图1和2所描述的，每一个电阻器嵌入在相应的石墨块540.1、540.2、540.3、540.4、540.5、540.6、540.7、540.8、540.9、540.10、540.11、540.12、540.13、540.14、540.15、540.16、540.17、540.18、540.19内。
电能经由能够有效地连接到变压器541的低压馈电线539传导到518.1至518.28的电阻器，该变压器541能够从电网543供电。变压器541也可以由一风车547驱动的发电机545供电。发电机532产生的电力经由一变压器433被送入到电网(grid)543。锅炉给水或冷凝物经由一锅炉给水导管549和水包580被供应到锅炉管546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18。供应量由一控制阀551控制。
蒸汽储蓄器553可以提供用于启动的蒸汽。该蒸汽储蓄器553经由导管559和控制阀557有效地连接到汽包555以及连接到例如像传统的锅炉等的独立的蒸汽源或者其他设备528，使得当设备528被启动时，蒸汽能够从蒸汽储蓄器553经由控制阀562供应到锅炉管组546.1、546.2、546.3、546.4、546.5、546.6、546.7、546.8、546.9、546.10、546.11、546.12、546.13、546.14、546.15、546.16、546.17、546.18。
为了控制输送到涡轮机530中的蒸汽的温度、压强和过热程度，设置有一蒸汽混合/调节单元550，使得从过热管535.1至535通过一导管552放出的过热蒸汽在需要时可以与从汽包555通过饱和蒸汽导管554和另一导管561输送的饱和蒸汽混合。
为了控制供应到涡轮机30的蒸汽的工作条件，控制阀556和560被分别设置在过热和饱和蒸汽导管内。在工作中，发电和热储存工厂528如此工作使得，在电力消耗的非高峰期，当电从电网543被输送到电阻器518.1到518.28时，电力通过这些电阻被转化成热。热被储存在石墨块536.1到536.9以及540.1到540.19中。
在高峰时期，储存在石墨块540.1到540.19中的热被用于蒸发锅炉管546.1到546.19中的锅炉给水和/或冷凝物来产生饱和蒸汽，该饱和蒸汽被释放到蒸汽锅炉555内。同时，储存在石墨块536.1到536.9中的热被用于过热在过热管535.1到535.8内的饱和蒸汽来产生过热蒸汽，该过热蒸汽经由导管552、蒸汽混合和调节单元550和导管534输送到涡轮机530。涡轮机驱动发电机532，该发电机532依次产生输送进入电网543的电力。
参照图6，显示了根据本发明的一温度补偿热储存和重新获取系统610的示意流程图。系统610包括三对加热块段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2。在每一对加热块段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2之间，可以夹紧固定一组热交换器管618，620，622，以在块对612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2的邻近表面之间提供密切接触。热交换器管618、620、622中的每一组由并联连接的三个管618.1、618.2、618.3，620.1、620.2、620.3和622.1、622.2、622.3组成。
供水导管624将锅炉给水导向热交换器管组618、620、622，同时过热蒸汽输出管或总管626将过热蒸汽从该组热交换器618、620、622输送到其能够被用于驱动涡轮机、发动机或者类似装置(未示出)的地方。一电力输入馈电电缆628将电力传导至网状电缆630.1、630.2、630.3，该网状电缆依次将电力传导至设置在每一加热块段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2内的三对电阻器632、632.2等等(为了清晰起见，只有在加热块段612.1、612.2内的电阻在图中被编号)。
在工作中，借助于每一加热块段612.1、612.2，614.1、614.2和616.1、616.2内的电阻器632.1、632.2等等的电阻加热，在非高峰期从电网获得的电力，或者从例如像太阳能、风能、波能或潮汐能等可再生能源重新获取的电力，可以被用于加热加热块段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2。当需要从加热块段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1和616.2中重新获取热能时，通过打开控制阀634，锅炉给水被引入到热交换器618，使得锅炉给水流过热交换器618.1、618.2、618.3并且从储存块段612.1、612.2提取热量。水被蒸发，并且其所形成的蒸汽在通过控制阀636被释放进过热蒸汽导管或总管626之前，被过热到所需要的温度和压强。
通过分别操作控制阀638、640，加热块段614.1、614.2和616.1、616.2的热交换器组620和622可以从给水导管624供给给水。或者，只要其他控制阀646和648是打开的，通过打开其内的控制阀644，允许加热的锅炉给水或饱和蒸汽从热交换器618传递到热交换器620，622的一个或者两个，热交换器620和622可以通过导管642被供给该加热的锅炉给水或饱和的蒸汽。其他控制阀646和648可替换地(并且优选地)可以被控制，以确保当饱和蒸汽流或加热锅炉给水的温度相对于产生需要温度和压强的过热蒸汽太低的时候，引导饱和蒸汽流或加热锅炉给水从热交换器618通过热交换器620到达热交换器622以使其在通过控制阀650、652释放进入过热蒸汽导管626之前被蒸发和过热。控制阀654、656被设置为在从相应的热交换器产生的过热蒸汽被释放进入过热蒸汽总管626之前，分别引导饱和蒸汽和/或加热的锅炉给水从热交换器620到达热交换器622，或者从热交换器622到达一系列热交换器中的随后的热交换器(该系列的剩余部分[balance]未示出)。也可能将热交换器618、620、622中的任意一个或多个与给水导管624和过热蒸汽导管或总管626隔离，例如当热要被分别储存在相应的储存块段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2时。
通过打开分别供应热交换器620和622的控制阀658、660中的一个，每一组储存块段612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2可以独立地从锅炉给水导管624供给。
为了能够有效地工作，蒸汽驱动的涡轮机或发动机通常需要输送超过一定限度的温度和压强的蒸汽。在常规锅炉和过热器中产生的蒸汽能够相对简单地被控制，这是因为在这些锅炉中的相对稳定恒定的温度和热通量，因而，能量传输量速度和最后得到的蒸汽的温度和压强通常是相当恒定的。在热储存块612.1、612.2，614.1、614.2以及616.1、616.2中，热的提取导致他们温度的逐渐降低。能量传输速度是相关的热储存块612.1、612.2，614.1、614.2，616.1、616.2和接收流体之间的温差(ΔT)、以及所产生的能量传递所经过的区域的函数。这一关系可以用以下方程式表示q＝f(A，ΔT)其中′q′＝能量传输速度，且
′A′＝热交换器区域。
为了维持匀速的能量传递，以及由此所产生的蒸汽的相一致的工作状态，并且由于ΔT的变化，需要能够改变传递的区域(热交换表面)。
在工作中，通过操作控制阀634、636、638、640、644、646、648、650、652、654、656、658、660，控制系统610，以使得从加热块段612.1、612.2，614.1、614.2以及616.1、616.2中顺序取出热。当加热块段612.1、612.2的温度降低到一温度时，在该温度下在加热块段612.1、612.2与热交换器618中的蒸汽或水之间的温差ΔT降低到所需求的温度和压强的过热蒸汽不能再在热交换器618中产生的点上，控制阀636被关闭而控制阀644打开，允许蒸汽和/或加热后的锅炉给水经过导管642流到热交换器620，在经过控制阀650被释放进入过热蒸汽总管626之前，该蒸汽和/或加热后的锅炉给水在该交换器6209内被蒸发或进一步蒸发和过热。最初，没有锅炉给水经过控制阀638从锅炉给水导管624进入到热交换器620。一旦仍然能够从加热块段612.1、612.2中提取的热的量降低到通过热交换器618循环锅炉给水不再经济时，控制阀638优选地只在打开状态。在此时，控制阀634是关闭的，而控制阀638是打开的。于是控制阀640仍然是关闭的，不过，与控制阀638同理，经过一段时间之后，当从储存块段614.1、614.2提取热量从经济上或从技术上不再可行时，它可以被打开。
如上面所描述的用于加热块对612.1、612.2的相同过程针对加热块对614.1、614.2和616.1、616.2重复。
控制阀的操作可以是自动的，并且可以由一可编程的装置(未示出)控制，来确保控制阀的打开和关闭响应于总管中所要求的输送到涡轮机或发动机的蒸汽的预设的温度和压强条件。
所使用的热交换管优选地选择为经得起系统的温度和压强所产生的应力，从而遵守适当的设计规范标准。满足最高达850℃要求的合金包括合金600、合金800H和556合金。
通过使用饱和水(给定压强下在刚好低于其变成蒸汽的温度下的水)来控制热冲击以实现启动，优选的在大约300℃和一定压强下。饱和水的流量逐渐升高一直到达到需要的流量，从而控制在管中的温度降低速度和随之产生的热应力。
本发明的热能储存系统可以被设计用于大范围内的输出容量(从像5kW小的发电机输出到数百MW的输出)并且以规模模块{sizemodules}构造，该大规模模块并且在需要时可以将电力储存几周或者更长的时间。
该系统可以被设计用来通过当可再生能源可利用时重新获取和储存能量以及在其不可利用或可用性降低的期间将能量从储存中释放，来覆盖这些可再生能源(例如风能、太阳能、水能、潮汐能和波能等)在间歇可用之间的空隙。
关于图2所描述的可拆卸插件可以可选地被设置在图4、5、6的石墨块之间。
根据本发明的设备和方法的应用范围包括但不限于●储存非高峰期可用的过剩能量用于高峰期时放出，从而更好地利用现有发电资源。
●根据在高峰期的可用性重新定位现有的发电能力到负载中心，从而避免昂贵的从网络升级到输配电系统的需求。
●在分配系统中提供发电能力(分布式发电)，作为一个在分配系统中由于单线路供电而遭受停电的地方的安全措施。
●将可再生能源整合到网络中，来克服例如风之类的能源的不规则性。
●用可靠的可再生能源电力供应取代依靠化石燃料运行的高成本和污染的无电网(off-grid)或“孤立的”电网系统。
参照图7，显示了在从300℃到2400℃的存储温度能够被储存在石墨中的能量(以“兆瓦小时”表示)。图7中的曲线是包含在表1中的数据的图解表示。下部的曲线显示了每吨石墨储存的能量，而上部的曲线表示每立方米的石墨储存的能量。参照图8，显示了根据本发明的热储存设备800的另一实施方案。该设备800包括一立方体状的由一中温层804环绕的高温堆芯802，该中温层804又依次由一低温层806环绕。
该高温堆芯802、该中温层804和该低温层806都由高纯度石墨制成并且被完全封闭在外壳808内。
高温绝热材料810将高温堆芯802与中温层804隔离，而中温绝热材料812将中温层804与低温层806隔离。另一绝热层814设置在低温层806和外壳808之间。
一电导体816将电力导入到一列49个电阻器818中，该电阻器818被嵌入在高温堆芯802内。如图8中所示，电阻器818以7排每排7个的方式排列。
四组热交换器管820、822、824和826被设置在低温层806内，在中温层804的四边的每一边上各有一个。另四组热交换器管828、830、832和834被设置在中温层内，在高温堆芯802的每一边上各有一个。
如图8中所示，热交换器管820、822、824和826和828、830、832和834分别以串联方式互相连接。然而，在本发明的替代实施方案中，它们可以被连接到分离的蒸汽或热水循环中，或者是在其它替代实施方案中，它们中的两个或者更多可以以并联方式被连接到相同的蒸汽或热水回路，或者可以被设计或操作为将锅炉给水传输到被各石墨层和其中的蒸汽或过热蒸汽加热的管中。
在使用中，非高峰电力或者从例如像风力田、太阳能收集器等可变的能源产生的电力，可以通过电导体816被传导到热储存设备800，并借助于电阻器818转化为热能。
当需要时，通过使水或者蒸汽穿过一组或者多组热交换器管，可以从中温层804或者低温层806中提取热能。
当从低温层806或者中温层804提取热时，它们的温度根据图7中所示的曲线降低。当中温层804的温度降低到高温堆芯802的温度以下时，中温层804和高温堆芯802之间的温差会导致热从高温堆芯802穿过高温绝热材料810传导到中温层804。类似的，当低温层806的温度降低到中温层804的温度以下时，热穿过中温绝热材料812被传导到低温层806。
由于热储存设备800的分层结构以及由于在高温堆芯802和中温层804之间以及在中温层804和低温层806之间的绝热材料，使用用于制造热交换器管组的材料也是可能的，该材料不必要能够承受高温堆芯802的高工作温度。这样，可以使用比之前的方案中更低成本的材料。然而，控制热储存设备以使热交换器管的工作温度不超过制造者所实行的安全工作极限的方式工作，变得重要。
此外，通过将高温堆芯802排列为中心设置，同时石墨层将高温堆芯802围绕，使得具有最低工作温度的层最接近外面，从该设备穿过另一绝热材料814的热损耗可以最小化。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种高温下在石墨体内储存热能和从其中重新获取热能的方法，该方法包括当需要储存热能时加热石墨体的内部区域的步骤以及当需要被重新获取时重新获取该被储存的热能的步骤，其中该加热步骤包括使一电流经过设置在石墨体内部区域的电阻以使其温度上升，其中该电阻器与该石墨体电隔离。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括将石墨体与其环境热隔离的步骤。
3.一种用于高温下在石墨体内储存热能和从其中重新获取热能的设备，该设备包括用于加热该石墨体的内部区域的电阻器和用于当需要重新获取能源时从该石墨体重新获取所储存的热能的装置，其中该电阻器与该石墨体电隔离。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，该设备包括一连接到电源的电路，所述电源选自从可再生能源重新获取的电力和非高峰期的电力。
5.如权利要求3或权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括一外壳，该外壳适于在非氧化气体的气氛中或在真空中容纳石墨体。
6.如权利要求3至5中的任一项所述的设备，其特征在于，具有用于在石墨体内设置电阻器的穿孔或插孔。
7.一种储存热能并从这些储存的热能产生电力的方法，包括如权利要求1或权利要求2所述的储存热能的步骤，和将所述重新获取的热能转化成电力的步骤。
8.一种热储存和发电工厂，包括如权利要求3至6中的任一项所述的用于储存热能的设备和将所述重新获取的热能转化成电力的装置。
9.一种温度补偿热储存和重新获取系统，该系统包括-适于在高温下储存热能的第一石墨体；-与该第一石墨体有热交换关系的用于从其中重新获取热能的第一热交换器；-有效地连接到该第一热交换器的第一工作流体回路，该第一工作流体回路用于将工作流体从其源头经由第一热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置；-适于在高温下储存热能的第二石墨体；-与该第二石墨体有热交换关系的第二热交换器，从而第一和第二热交换器的复合热交换区可以被增加以补偿在第一和第二石墨体内的温度降低；-有效地连接到该第二热交换器的第二工作流体回路，该回路用于将工作流体从其源头经由第二热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置，该第二工作流体回路包括一适于被打开和关闭的控制阀；和-一控制系统，该控制系统适于通过使工作流体或者更大量的工作流体经由第二工作回路被注入到第二热交换器，来补偿从第一石墨体重新获取的热由于其温度降低所致的损失，该第二工作流体回路利用增加的复合热交换区进行热传递。
10.一种当从储热介质中重新获取热时用于补偿储热介质的温度降低的方法，该方法包括-高温下在第一石墨体内储存热；-通过在与第一石墨体有热交换关系的第一热交换器内加热工作流体，从第一石墨体重新获取热量；-在第一工作流体回路内将工作流体传导到能够利用该工作流体的一部分热能的装置；-在高温下在第二石墨体内储存热；-通过在与第二石墨体有热交换关系的第二热交换器内加热工作流体，从第二石墨体重新获取热量；-在第二工作流体回路内将工作流体传导到能够利用这些工作流体的一部分热能的装置；和-通过使工作流体或者更大量的工作流体在第二热交换器内加热来补偿从第一石墨体重新获取的热能由于其温度降低所致的损失，由此第一和第二热交换器的复合热交换表面区域被用于补偿第一和第二石墨体的温度降低，从而保持向工作流体的恒定热能传递量。
11.如权利要求3至6或9中的任一项所述的设备或系统，其特征在于，包括第一石墨体和至少一附加石墨体，其中该第一石墨体与该附加石墨体或附加的每一石墨体绝热。
12.如权利要求3至6中的任一项所述的设备，其特征在于，该石墨体被分成一中心高温堆芯和围绕该中心高温堆芯的至少一个层。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该第一石墨体是一中心高温堆芯，该第二石墨体是围绕该石墨堆芯的一层石墨。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，包括在该堆芯和围绕堆芯的该层或每一层之间的绝热材料。
15.如权利要求3至6或11至14中的任一项所述的设备或系统，其特征在于，该电阻器通过一对电触头连接到电源上，并且其中该对电触头由相同的材料制成。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该石墨体被细分成多个部分或子部分。
17.一种高温下在多个石墨体内储存热能并从其中重新获取热能的方法，该方法包括在需要储存热能时加热石墨体组件的内部区域的步骤和当需要重新获取时从其中重新获取热能的步骤，其中，该热能借助于一电阻器被储存在至少一个石墨体的内部区域，该电阻器借助于电流的通过而被加热，并且该电阻器与所述石墨体电隔离。
18.如权利要求3至6、8、9或11至15中的任一项所述的设备、工厂或系统，其特征在于，该电阻器借助于一容纳该电阻器的陶瓷管与该石墨体电隔离。
19.如权利要求3至6、12、14、16或18中的任一项所述的设备、工厂或系统，其特征在于，用于从石墨体中重新获取所储存的热能的装置包括一用于蒸发水以产生蒸汽的热交换器、一由蒸汽驱动的涡轮机以及一由涡轮机驱动的发电机。
20.如权利要求9、11、15或18中的任一项所述的温度补偿热储存和重新获取系统，其特征在于该工作流体是水，所述水在使用中被蒸发以产生蒸汽，并且该系统还包括一由蒸汽驱动的涡轮机和一由涡轮机驱动的发电机。
21.如权利要求9、19或20中的任一项所述的设备、工厂或系统，其特征在于，该热交换器或每一个热交换器包括一组热交换器管，该石墨体或每一个石墨体被分成一对片段并且其中所述热交换器管组在该片段对之间被夹紧固定以在该片段对的邻近表面之间提供紧密接触。
22.一种热储存和发电工厂，该工厂包括-一用于高温下在石墨体内储存热能并从其中重新获取热能的设备，该设备包括一用于加热该石墨体的内部区域的电阻器；和-用于当需要重新获取时从该石墨体中重新获取所储存的热能的装置，其中该用于从石墨体中重新获取所储存的热能的装置包括一用于蒸发水以产生蒸汽的热交换器、一由蒸汽驱动的涡轮机以及一由涡轮机驱动的发电机。
23.一种热储存和重新获取系统，该系统包括-一用于高温下储存热能的石墨体，其中该石墨体被分成至少一对片段，该对片段共同限定了一个在它们之间的空腔，每一个片段被设置有一用于加热其内部区域的电阻器；和-一用于当需要重新获取时从石墨体中重新获取所储存的热能的热交换器，该热交换器被容纳在该对片段之间的空腔内并且包括在工作时与该空腔的内表面紧密接触的管。
24.如权利要求23所述的热储存和重新获取系统，其特征在于，该电阻器是与该石墨体电隔离的。
25.如权利要求23所述的热储存和重新获取系统，其特征在于，该热交换器在片段之间被夹紧固定。
权利要求
1.一种高温下在石墨体内储存热能并从其中重新获取热能的方法，该方法包括当需要储存热能的时候加热石墨体的内部区域和在需要时重新获取热能的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热步骤包括使一电流经过布置在石墨内部区域的电阻器，以使其温度升高。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括将石墨材料体绝热的步骤。
4.一种用于高温下在石墨材料体内储存热能并从其中重新获取热的设备，该设备包括在需要时用于加热石墨材料体内部区域的装置和用于重新获取所储存的能量的装置。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述使一电流经过电阻器的装置包括一连接到电力源的电路，该电力源选自可再生能源和非高峰期电力。
6.如权利要求4或权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括一外壳，该外壳适于在非氧化气体的气氛中或在真空中容纳石墨材料。
7.如权利要求4至6中任一项所述的设备，其特征在于，包括一用于在石墨体内嵌入电阻器的穿孔或插孔。
8.一种储存热并从这些储存的热中产生电力的方法，该方法包括如权利要求1至3中任一项所述的储存热能的步骤，以及将所述重新获取的热能转化成电能的步骤。
9.一种热储存和发电工厂，该工厂包括如权利要求1至7中任一项所述的用于储存热能的设备和用于将所述重新获取的热能转化成电能的装置。
10.一种温度补偿热储存和重新获取系统，该系统包括-适于在高温下储存热能的第一固体石墨材料体；-与该第一固体石墨材料体有热交换关系的用于从其中重新获取热能的第一热交换器；-有效地连接到该第一热交换器的第一工作流体回路，该回路用于将工作流体从其源头经由第一热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置；-适于在高温下储存热能的第二固体石墨材料体；-与该第二固体石墨材料体有热交换关系的第二热交换器，从而第一和第二热交换器的复合热交换区可以被升高以补偿在第一和第二石墨体内的温度降低；-有效地连接到该第二热交换器的第二工作流体回路，该回路用于将工作流体从其源头经由第二热交换器传导到一能够使用该工作流体的一部分热能的装置，该第二工作流体回路包括一适于被打开和关闭的控制阀；和-一控制系统，该控制系统适于通过使工作流体或者更大量的工作流体经由第二工作流体回路被注入到第二热交换器，来补偿从第一固体石墨材料体重新获取的热由于其温度降低所致的损失，该第二工作流体回路利用增大的复合热交换区进行热传递。
11.一种用于当从储热介质中重新获取热时补偿储热介质的温度降低的方法，该方法包括-高温下在第一固体石墨材料体内储存热；-通过在与第一固体石墨材料体有热交换关系的第一热交换器内加热第一工作流体，从第一固体石墨材料体中重新获取热量；-在第一工作流体回路内将第一工作流体传导到能够利用该工作流体的一部分热能的装置；-在高温下在第二固体石墨材料内储存热；-通过在与第二固体石墨材料体有热交换关系的第二热交换器内加热第一工作流体，从第二固体石墨材料体中重新获取热量；-在第二工作流体回路内将第二工作流体传导到能够利用这些工作流体的一部分热能的装置；和-通过使工作流体或者更大量的工作流体在第二热交换器内加热来补偿从第一固体石墨材料体重新获取的热由于其温度降低所致的损失，提供了一种改变该热交换器系统表面面积来补偿降低的温度并从而保持向工作流体的恒定热传递的方式。
12.一种用于如权利要求4至7中任一项所述的储存热的设备，该设备包括一第一石墨块和至少一附加石墨块，其中该第一块石墨与该附加石墨块或附加的每一石墨块绝热。
13.如权利要求1或12所述的设备，其特征在于，包括一中心高温堆芯和至少一围绕该中心高温堆芯的层。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，包括在该堆芯和围绕该堆芯的该层或每一层之间的绝热材料。
15.如权利要求4至7或12至14中的任一项所述的设备，其特征在于，该电阻器通过一对电触头连接到电源上，该对电触头由从金属或石墨中选择的相同材料制成，并且该电触头不与任何其他金属体物理接触。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该石墨体被细分成多个部分或者子部分。
17.一种在高温下在多个石墨体内储存热能并从其中重新获取热能的方法，该方法包括当需要储存热能时加热一石墨体组件的内部区域的步骤以及当需要时从其中重新获取热能的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种用于在高温下在石墨体内储存热能的方法和设备。该方法包括当需要储存热能时加热一石墨体的内部区域和当需要使用能量时通过热交换器重新获取该热。该设备适于储存可再生能源和从非高峰期间的供应中获得的电能。
文档编号C09K5/00GK101023314SQ200580015338
公开日2007年8月22日 申请日期2005年3月14日 优先权日2004年3月12日
发明者R·H·金特尔, H·K·达特, S·J·哈默, S·霍利斯 申请人:拉科登集团有限公司