一种蓄热器及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明第一方面涉及一种如权利要求1的主题所述的蓄热器。
[0002]本发明另一方面还涉及一种如权利要求17的主题所述的蓄热器的操作方法。
【背景技术】
[0003]蓄热器，又称为热存储装置，包括通过受热来存储蓄热能的蓄热介质。常见的蓄热介质具有相对较高的比热容。因此它们可以存储相当多的能量同时又没有过高的温度变化。从蓄热器散发出来的热能用于多种不同的应用。
[0004]通用的蓄热器包括用以接收蓄热介质的壳体以及接收在壳体中的蓄热介质。此夕卜，蓄热器包括用于运送热载流的热交换器，该热交换器被配置为将热量从蓄热介质转移到热载流。
[0005]相应地，用于操作热交换器的通用方法按照以下步骤来执行:热能从热源转移到设置在蓄热器的壳体上的蓄热介质，并且热能通过热交换器的传送从蓄热器转移到热载流。
[0006]如果蓄热介质可以被加热到相对高的温度，那么对于某些应用而言是非常有益的。在DE 10 2012 111 707 Al中描述到许多充满铝的胶囊被用作蓄热介质，从而存储了例如来自热电站或者集中供暖系统的热量。
[0007]在WO2012/113824 Al中，来自火车的废热得到了利用。为此，具有铝的蓄热器被推荐为潜在的蓄热介质。
[0008]此类已知的蓄热器限于使用废热或者热电站的热能。根据上述记载，通过该蓄热器，除了热能之外的不同形式的能量并不能得以存储，也不能转变为热能。
【发明内容】
[0009]本发明的目的可以被视为提供一种蓄热器以及一种操作蓄热器的方法，其超越了仅仅将热能吸入和散发的作法，开创了各种应用的可能性。
[0010]该目的可以通过具有权利要求1的技术特征的蓄热器以及具有权利要求17的技术特征的方法来实现。
[0011]根据本发明的蓄热器以及根据本发明的方法的各种有益的变体是从属权利要求的主题，并且将在下文中进一步解释说明。
[0012]通过上述类型的蓄热器，根据本发明提供了一种电加热装置，其被配置为将电能转换为热能。电加热装置设置为在操作期间加热蓄热介质，其中通过电加热装置进行加热的蓄热介质是金属。
[0013]在上述类型的方法中，根据本发明提供了一作为热源的电加热装置，将电能转换为热能，并且将通过电加热装置来生成的热能转移至作为蓄热介质的金属。
[0014]通过电加热装置将电能尽可能彻底地转变热能可以视为本发明的核心思想。然后将该热能尽可能彻底地转移到作为蓄热介质的金属。
[0015]大量电能的存储是一个巨大的挑战。为此，蓄能电站就是以消耗电能来将水栗送到上游从而存储作为势能的能量而为人所知。但是，以此方式对空间的要求是很高的。人们也知道电池和类似的方式，其中，电能是被转化并以化学能的方式来存储。化学能的存储可以理解为通过提供能量，某种分子转化为其它分子。但是，通过这种方式，只有相对少量的能量能够以合理的成本进行存储。相反，根据本发明的电加热装置允许将电能转换为热能然后再进行存储。连同加热金属的想法，使得以相对低的成本来存储大量的能量成为可能。由于高温，所存储的能量可以有效地再次利用于之后的各种应用中或者转换为其它的能量形式。
[0016]本发明利用了电能有时能够以非常低的价格获得，有时甚至是倒贴的事实。这在很大程度上是由于不断增强了对例如太阳能和风能之类的再生能源的使用。如果产生太多的电能并提供给电力网，那么电价就会快速地下降。但是，为了保护电力线，电能必须要被移除。在用户过少的情况下，则必须以倒贴的价格来提供电能。
[0017]根据本发明的蓄热器还提供了尤其是(专有地)在外部电力网中存在多余电能的时候进行充电。这可以通过电价的上阈限来进行限定。可以提供当查明有多余电能时通过电加热装置来仅启动电能引入的控制装置。这种作法尤其地可以采用自动化的方式来实现，例如通过比较当前电价和预定的最高价格的方式。
[0018]所储存的热能可以通过热载流以可控的方式进行散发。热载流的热能大体上能够以所希望的方式使用。特别地，也可以提供一些装置，通过这些方法可以将热能转回成电能。例如可以在电价到达或者超过预定的最低价格时恰好采用这些方法。
[0019]电加热装置大体上可以理解为可以将电能转变为热能的任何装置。优选地，电加热装置设计为将至少80%，优选超过95 %的电能转变为热能。在这种情况下，它不像所用的其它方法那样有废热。相反，电加热装置实现了正好用电源来产生热的目的。例如这可以通过电阻来实现。
[0020]电加热装置可以配置为将蓄热介质加热到它的熔点之上。可以使用相变的潜热能，从而存储大量的能量。此外，通过操作来接近相变温度，就可以实现将相对恒定的热能散发到热载流中，即使存储在蓄热器中的能量总量有更大的波动。在这种结构中，电加热装置则必须可以达到足够高的温度。根据用作蓄热介质的金属，该最小温度可以例如在600°C和1100°C之间。
[0021]特别地，铝可以优选为蓄热介质。其具有660°C的熔解温度。该温度一方面足够高从而能够存储大量的能量并且有助于热载流的高温，这就意味着更高的性能系数用于随后使用的热载流。但是，另一方面熔解温度没有太高并且可以划算地制作容器。该容器必须使用比蓄热介质的熔解温度要高的材料来制作。因此，在将铝作为蓄热介质的情况下，可以使用划算的金属来制作容器，例如钢铁。
[0022]作为选择，铜也适用为蓄热介质，其中，容器壁同样可以使用相对理想的金属来制作。
[0023]热交换器可以理解为一种具有一个或多个流线(例如管道)的装置，通过它可以输送热载流，尤其是用栗送的方式。流线与蓄热介质热接触，也就是说，特别是在流线与蓄热介质之间没有空气绝缘。相反，蓄热介质和流线通过具有好的导热系数的材料来进行连接，例如通过金属。热载流原则上可以为任意流体或者任意气体。优选地，热载流的相变温度低于蓄热介质的相变温度。一般来说，更多的能量可以因此转移到热载流。
[0024]壳体可以理解为包围尤其是围绕蓄热介质的壁体。蓄热介质可以直接接触壳体的内壁。
[0025]可以配置电加热装置以便于将壳体的上部区域中的热能散发到蓄热介质。换而言之，电加热装置可以设置进入到壳体的上部区域或者配置在那里。上部区域可以理解为壳体上部的三分之一或四分之一。电加热装置优选地设置为与壳体的上边缘间隔分开。因此，需要考虑这样的情况，即在从固体相变到流体的情况下，为了保证蓄热介质可进行膨胀，壳体优选地不要完全充满蓄热介质。在这种情况下，电加热装置与上边缘的间隔很远，从而使得当处于固态时其也被蓄热介质所包围。
[0026]通过在上部区域中的布置，在壳体中的蓄热介质从上到下地开始熔解。因此可以避免不确定的材料应力和负载。
[0027]可以采用将加热工具直接浸入到蓄热介质中。因此可以实现良好的热传递。
[0028]由于高温，电加热装置的使用寿命相对较短。为了能够快速地交换，可以在壳体上为电加热装置提供一个或者多个入口。电加热装置通过电线来获得电力，电加热装置的电线也可以延伸穿过入口。
[0029]壳体也可以具有一个或者多个针对电加热装置的接收管。接收管设置为插入壳体中并在那儿被蓄热介质所围绕。接收管从壳体的外部进入，以便于电加热装置可以引入到接收管中。接收管可以各自靠近入口并且从外部进入。通过接收管在蓄热介质和电加热装置之间可实现保护。此外，由于没有和蓄热介质直接接触，从而能够更容易地交换电加热装置。尽管如此，为了实现良好的热传递，电加热装置可直接与接收管接触。将固体/液体引入到接收管内用于热传递也可实现。
[0030]为了确保加热能够尽可能地均匀同时有最大的热输出，电加热装置优选地包括多个加热元件。这些加热元件可以相互独立地移动。每个加热元件可以通过入口引入和/或引入到接收管中。
[0031]与电加热装置相比，热交换器优选地设置在壳体的外部。因此可以确保在发生热交换器泄漏的情况下，不会有热载流进入到壳体中。否则，这就会导致壳体爆炸或产生其它损害。这种风险至少通过壳体以及热交换器的壁来将热载流与蓄热介质相分离来降低。
[0032]虽然电加热装置可以设置在壳体的上部区域，也可以优选地将热交换器设置在壳体的下方。因此，可以在壳体的下部区域现实蓄热介质的冷