吸附增強的壓縮空氣能量存儲的製作方法

2023-11-05 03:22:07 2

專利名稱：吸附增強的壓縮空氣能量存儲的製作方法
技術領域：
本發明涉及能量存儲領域。特別地，本發明涉及包括具有吸附空氣的多孔材料的 壓力室的能量存儲設備。
背景技術：
壓縮空氣能量存儲以其縮寫「CAES」為人公知。在有的CAES設備中，空氣壓縮機 由電動馬達驅動，並且接下來用於驅動連接到電磁發電機的空氣馬達或渦輪，從而形成等 同於電化學電池的功能。如果充電-放電周期進行的足夠慢以近似於恆溫，這表示通過壓 縮產生的熱消散而在壓縮過程中不會顯著地升高空氣溫度，並且從環境中汲取的熱同樣也 使得在膨脹過程中空氣不會顯著地冷卻，這種形式的電存儲能夠具有好的效率。CAES系統也能夠被設計使得與化學電池相比具有更高的可靠性、較低的維護和更 長的操作壽命，並且如果存儲壓縮空氣的裝置便宜的話，CAES系統的成本與基於電池的系 統能夠是相當的。不幸地，用於存儲空氣的製造的壓力容器(例如鋼箱)的高成本、重量以 及大體積使得CAES設備不能與在所有的通常應用中的電池相競爭。至今，CAES已經用於三種商業用途。第一個和最廣泛使用的不是作為能量存儲裝 置本身，而是商店和工廠裡的功率氣動工具和機器。氣動工具比起電動工具具有更高的重 量_功率比，並且在這樣的工具中的小電動馬達與驅動空氣壓縮機的較大馬達相比效率也 低。壓縮空氣存儲在足夠大以作為緩衝器並且確保系統中的壓力保持恆定的箱中。由於這 些系統忽略壓縮熱並且在空氣的快速膨脹過程中沒有重新加熱空氣，這些系統的整體效率 受限。通過使用適中的壓力限制該效率低下，適中的壓力通常小於10個大氣壓，這也降低 了這樣的CAES系統的資金成本。CAES的第二個應用是臨時備用功率，以在例如計算機數據中心或醫院的功率故障 的情況下保持主要機器運行。在這樣的情況下，房屋面積是急需的，使得需要使用幾百或更 高的大氣壓的壓力來達到相對高的能量密度，但是系統的高可靠性以及在功率故障的情況 下能夠立即交付的高功率可以證明用於壓縮空氣的高壓不鏽鋼存儲箱的成本的合理性。接 下來如果需要的話，例如柴油發電機的更長期間備用系統能夠聯機。儘管能夠從電化學電 池獲得相同的功能，能夠交付足夠功率的電池系統也需要存儲比需要更多的能量並等待長 期間備用系統聯機，這使得電池成為相對昂貴的解決方案。CAES系統也需要較少的維護，具 有更長的壽命並且沒有與環境危害化學物質相關聯的處置成本。其它這樣的短期間備用功 率解決方案包括超電容和調速輪，這也同樣相對成本較高。CAES的第三個商業使用是降低電力公司發電和/或傳輸電力功率的成本。可以用 幾種方式實現，最常用的方式是改善中央發電容量。大型中央電廠(例如煤和核電廠)的停止和開始都是昂貴的，而例如燃氣渦輪的較小電廠容易關閉和打開，但是操作起來相對 昂貴。因而，如果當需求低時來自大型電廠的能量能夠被存儲，並且在需求高時用於產生電 力，能夠降低安裝和操作小型峰值負載電廠的需要，從而也降低產生電力的平均或「參考」 成本。

發明內容
在本發明的實施例中，提供了能量存儲設備。所述能量存儲設備包括吸附空氣的 多孔材料和壓縮機。所述壓縮機將機械能轉換為受壓空氣(pressurized air)和熱，並且 受壓空氣由多孔材料冷卻和吸附。所述能量存儲設備還包括用於存儲受壓和吸附的空氣的 箱以及馬達。馬達被驅動以通過允許空氣在驅動馬達時被釋放和膨脹而恢復存儲作為壓縮 和吸附的空氣的能量。在本發明的另一個實施例中，提供了另一種能量存儲設備。所述能量存儲設備包 括多孔材料，其中已經吸附了適當的流體。該設備還包括將機械能轉換為受壓空氣和熱的 壓縮機以及電池。通過允許熱流經電池而將受壓空氣冷卻，熱被傳遞到已經吸附了流體的 多孔材料，並且熱升高多孔材料的溫度，導致流體從多孔材料釋放。在另一個實施例中，提供了另一種能量存儲設備。所述能量存儲設備包括吸附空 氣的多孔材料以及存儲熱的熱能存儲系統。該設備還包括將機械能轉換為受壓空氣和熱的 壓縮機。受壓空氣由多孔材料冷卻和吸附，並且通過允許熱流經電池來控制多孔材料和周 圍空氣的溫度，電池防止了受壓和吸附的空氣洩漏。熱被引導至熱能系統並且存儲在熱能 系統。另外，該設備包括存儲受壓和吸附的空氣的箱，當需要時通過允許空氣釋放和膨脹來 恢復受壓和吸附的空氣所包含的能量。


在圖1至11中說明本發明的示例實施例以及該實施例基於的推斷實驗數據。圖1說明了空氣的主要成分的吸附等溫線；圖2說明了氮氣分子與氧氣分子的比率和氮氣壓力之間的關係，其中氮氣和氧氣 的壓力比具有固定值4.0;圖3是吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例中的質量和能量流的示意圖，其示出 了在第一半充電處理中的這些流；圖4是吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例中的質量和能量流的示意圖，其示出 了在第二半充電處理中的這些流；圖5是吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例中的質量和能量流的示意圖，其示出 了在第一半放電處理中的這些流；圖6是吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例中的質量和能量流的示意圖，其示出 了在第二半放電處理中的這些流；圖7是更詳細說明吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例如何在第一半充電處理 中操作的處理流程圖；圖8是更詳細說明吸附增強的壓縮空氣能量存儲實施例如何在第二半放電處理 中操作的處理流程圖9是在溫度控制室中的空氣吸附圓筒陣列的三維視圖；圖10是準備好並用於分別在第一半充電處理和第二半放電處理中升級存儲的熱 的吸附熱泵的三維視圖；以及圖11是用於在放電處理中恢復存儲作為壓縮空氣、吸附空氣和熱的能量的攪拌 噴射器空氣渦輪的三維視圖。
具體實施例方式本發明提供了用於在多孔材料中的吸附的物理處理的兩種新型應用，這兩種應用 都大大地改善了壓縮空氣能量存儲(CAES)的經濟性。另外，本發明提供了設備的幾種改 善，該設備存儲壓縮空氣形式的能量並且也可以存儲顯熱或潛熱形式的某些能量。為了使用於中央發電容量的CAES的使用成本有效，壓縮空氣當前被存儲在地下 地質水庫(例如自然地下水層或人工廢棄氣井或油井)而不是存儲在製造的箱中。通過使 用壓縮空氣來對燃氣渦輪進行渦輪充電，能夠進一步改善經濟性，從而避免渦輪本身需要 花費能量來壓縮空氣。這允許在從天然氣產生額外能量的同時能夠恢復存儲在壓縮空氣中 的能量。儘管渦輪充電所需的壓力較高，在50個左右的大氣壓的量級，渦輪充電允許存儲 的能量以高功率水平被交付並且以大約70%的整體效率被恢復。使用CAES用於電力目的的不同的方法(還沒有商業應用)已知是「先進隔熱 CAES」。在AA-CAES中，在壓縮過程中從空氣抽取的熱被存儲並用於在膨脹過程中對空氣馬 達或渦輪供電而重新加熱空氣。理論上，這允許存儲作為熱和存儲作為壓縮空氣的能量都 被恢復，因而AA-CAES的效率能夠在理論上達到100%。在實踐中，難於存儲和恢復壓縮熱 的而沒有顯著尤其在高功率水平時損失熱。在目前提出的所有的AA-CAES實施例中，空氣 再次以高壓被存儲在地下水庫，並且熱被存儲為顯熱形式而不是潛熱形式，通常在比200°C 高很多的溫度。能量存儲也具有以幾種其它方式降低電力公司的操作成本的潛力，儘管還沒有一 個能量存儲實現廣泛使用。這些包括傳輸容量減緩和堵塞減少、各種輔助服務、大型電力價 格套利以及負載偏移或在終端用戶級別的平衡。然而，在未來，最重要的這樣的服務可能是 可再生容量公司。例如風和太陽能的可再生能源是間歇的，因而它們的容量隨時間而變化 並且經常不足以滿足對於電力的需求。如果當容量超過需求時能將能量存儲，並且當需求 超過容量時能夠用於產生電力，則這些可再生能量源將變得更加成本有效。現有的用於中央電量產生(central capacity generation)的CAES系統的主要 缺點是適當的地下水庫既不常見也不能運輸。如果成本有效的話，能夠在任何地方可組裝 並且縮放到電廠大小的模塊化系統對於中央發電容量以及可再生容量工廠會是更加有用 的。另外，如果可以在更靠近子站或終端用戶向電網中選擇好的位置交付不昂貴的自包含 CAES系統，CAES能夠提供上述一些或所有其它成本降低服務。這樣的CAES系統當前不是 成本有效的主要原因是用於壓縮空氣的製造的存儲箱的高成本。應當理解，在第一級近似 上，箱的成本獨立於存儲空氣的壓力，因為提高壓力允許箱被製造地更小，但是要求箱的壁 成比例地變厚，並且反之亦然。使得CAES系統更加經濟的一個方法(還沒有受到太多關注)是利用這樣的事實 空氣的壓縮和膨脹是將熱從一個地方泵向另一個地方的容易的手段。這表示CAES系統能夠被容易地開發以向終端用戶提供組合的熱、冷卻和功率。如果這樣的CAES系統安裝在家 庭或商業中(其中白天的電力定價是可用的)，例如，當在電力相對便宜的晚上能夠對CAES 系統充電並同時向建築提供熱，並且在白天峰值時間CAES系統產生使用的或賣回電網的 電力並同時也提供空氣調節。在冬季，當不需要冷卻時，能夠使用直接太陽能收集器來加熱 水，並且該熱水用於提供熱用於空氣膨脹，極大地增加功率輸出而僅帶來成本的適當增加。 這樣的系統的經濟性會取決於多種因素，包括電稅、主要的天氣以及當然空氣存儲箱的成 本。公知氣體和熱的存儲能夠通過在例如活性炭、矽膠或沸石的合適多孔材料中的吸 附而實現。在這樣的材料存在的情況下更容易存儲氣體，因為吸附相比自由氣體更加濃密， 因而減小了以給定壓力存儲給定質量的氣體所需的箱的容量(或等同地，在給定容量所需 的壓力)。另外，公知由於釋放處理消耗熱，可以使用吸附材料以潛熱形式存儲熱。通過允 許被吸附物(例如水蒸氣)由吸附劑再吸附，可以後續再生熱。另外，在被釋放的蒸氣冷凝 時放出的熱可以以顯熱形式存儲，並且通過使用該熱來進行冷凝物的蒸發並然後允許所獲 得的蒸氣被再吸附而恢復該熱。這樣的設備公知為吸附冰箱或熱泵。然而，沒有以這些方 式中的任何方式來使用吸附處理使得C AES系統便宜、更加高效或可運輸、更加適用於組合 熱和功率應用和/或更加安全地部署的任何嘗試。本發明以四種相關方式改善壓縮空氣能量存儲的經濟性。第一是使用用於空氣的 吸附劑，以降低以壓縮空氣形式存儲給定量的能量的容器中的壓力和/或容器的體積。第 二是釋放水或一些其它適當的流體，可能與當產生的蒸氣冷凝時放出的低級顯熱的存儲相 組合，作為存儲壓縮熱的手段以使得AA-CAES更加經濟。第三是存儲通過空氣的吸附產生 的熱，並且在之後恢復該能量，通過使用存儲的熱(可能與壓縮熱一起)來升高吸附材料和 /或當膨脹時的壓縮氣體的溫度來恢復該能量。第四是用於CAES的新型熱動力學循環，其 中壓縮空氣的溫度是變化的以在充電/放電周期將存儲的空氣的壓力保持為近似恆定。當 如上所述利用用於空氣的吸附劑時，該「變溫」周期是特別有利的，並且當壓縮和/或吸附 熱被存儲用於後續使用時(例如通過用於水或一些其它適當流體的吸附劑的手段)該「變 溫」周期也是可應用的。在基於吸附的氣體分離處理中的變溫周期的使用是公知的(參見 例如美國公開號2006/0230930)。應當注意能夠通過壓縮氣體而不是空氣來存儲能量，並且已經提出利用吸附劑材 料來改善該處理的再生制動系統(美國專利號7152923)。這具有的優勢是比起空氣，其 它氣體可以更加可壓縮並且也能更加有力地由常用吸附劑接受，與使用空氣作為工作流體 相比允許更加濃密地存儲能量。該種系統與這裡考慮的那些系統之間的主要差異是使用除 了空氣之外的任何流體需要閉合系統，在該閉合系統內流體能夠被再循環和再使用。相反， 能夠從環境中自由地攝取空氣並且再次放出而不帶來環境問題。這帶來的是開放系統，該 開放系統對於終端用戶、電力子站或電廠級別處的大型能量存儲是更加經濟的。本發明僅 考慮了在大型、靜止能量存儲應用、釋放水或一些其它適當的流體作為存儲空氣的壓縮和/ 或吸附的熱的手段以及使用變溫周期的CAES系統中用於空氣的吸附劑的使用。這些處理 都不適用於小型的、移動應用，例如再生制動。儘管已知在某種程度上吸附空氣的氮氣和氧氣成分的數種多孔材料，本發明的吸 附增強的CAES實施例利用沸石材料用於該目的。在適當的壓力和周圍溫度下，沸石對氮氣的吸附能力比對氧氣的吸附能力更強，並且因而已經被廣泛地用於分離空氣的氮氣和氧氣 成分用於工業和醫用目的。然而，對於CAES，在關注的相對高的壓力下將空氣吸附到沸石或 其它多孔材料方面幾乎沒有詳細的研究。特別地，空氣在沸石中液化的溫度-壓力界限還 沒有詳細地提出。該處理，也稱為毛細冷凝，在被吸附氣體的臨界點之上很高的溫度(或在 空氣的情況下是-140°C)通常觀察不到。在成本有效的吸附增強CAES設備中難於實現這 樣的低溫。如果已經發現或能夠開發新的多孔材料，其中在高得多的溫度發生毛細冷凝，可 能通過如同在所有已知用於空氣的吸附劑中的化學吸收而不是物理吸收，能夠極大地改善 在本發明中多孔材料的第一新使用。某種程度上由於慢的動力學以及與毛細冷凝相關聯的 滯後作用，這樣的設備的操作是複雜的，但是所獲得的AE-CAES系統會具有高得多的能量 密度，並且相應於每單位的存儲能量的成本降低，所需的材料的量也會極大地減少。可能證 明對於該目的適當的目前開發的多孔材料的種類包括中孔有機矽和金屬_有機結構。因而，本發明提供的在多孔材料中吸附的新應用是作為降低在給定壓力和溫度下 存儲給定質量的空氣所需的箱的體積的手段，或者可選地作為通過降低在給定體積和給定 溫度下存儲給定質量的空氣所需的壓力而降低箱的壁的厚度或製造箱的材料的強度的手 段。通過將適當的多孔材料放置在保持壓縮空氣的壓力室中可以實現上述兩個可選手段， 在這裡「適當的」指的是在室內壓縮空氣的溫度和壓力下，該多孔材料吸附的空氣的體積比 材料本身佔據的體積大。這樣的多孔材料存在的原因是下述事實在與固定在適當的值的 溫度和壓力平衡的情況下，比起周圍氣態空氣中的分子，處於吸附狀態的空氣分子具有極 大地降低的移動性以及高得多的濃度。類似地，多孔材料中吸附的另一個新應用是作為存儲通過壓縮空氣的處理產生的 熱和/或通過與上述第一新應用中相同的空氣吸附處理產生的熱的手段。通過將吸附了水 或某些其它適當的流體的多孔材料置於和空氣壓縮機和/或壓力室相接觸，但是在空氣壓 縮機和/或壓力室的外面，實現該第二新應用。第二新應用的多孔材料需要與第一新應用 的材料的種類相同。熱升高該多孔材料的溫度並且也有助於將水或其它流體從其中釋放。 在分子級別，該處理將動力能量轉換為潛能，通過防止由釋放產生的蒸氣返回與多孔材料 接觸並被再吸附，可以無限期的存儲該潛能。可以通過熱已經被存儲為潛熱形式來描述。從 壓縮空氣至第二新應用的多孔材料的熱傳遞降低了壓縮空氣的溫度，從而也減少了進一步 壓縮空氣所需的工作以及存儲空氣的箱的大小或強度。類似地，第一新應用的多孔材料的 冷卻(在從多孔材料傳遞吸附熱時伴隨的)增加了在任何給定壓力下吸附的空氣的量。為了恢復顯熱形式的存儲的潛熱，在需要時，通過流體的釋放產生的蒸氣必須可 用於再吸附。不幸地，蒸氣佔據的大體積使得難於以該形式存儲，並且壓縮或冷凝蒸氣以顯 熱形式放出較小的但仍然是大量的能量。然而可以存儲該顯熱，並且隨後使用蒸氣的膨脹 處理或液體的蒸發來收穫該熱，並且因而再生蒸氣。這樣做(而不是將通過壓縮和/或空 氣的吸附產生的熱直接存儲為顯熱形式)的優勢在於在前一種情況下顯熱以較低的溫度 包含在材料中，這使得能夠更容易地抗損失。儘管這樣的低級熱通常難於收穫，即難於傳送 到需要的地方，膨脹或蒸發處理用於冷凍該材料，並且因而比起其它方法更加快速和高效 地將熱從材料中泵出。理論上，可以通過使用壓縮空氣作為冷凍劑直接地實現，但是既將大 量低級熱從固體或液體材料傳遞到膨脹空氣且同時捕捉所產生的機械能量是困難的。也需要能量將低級熱轉換為有助於快速膨脹和/或改善空氣的釋放所需要的高級熱。不管如何獲得所需的蒸氣，通過將第二新應用的多孔材料置於與空氣馬達或渦輪 熱接觸並且同時允許水或其它流體蒸氣再吸附到多孔材料，可以以機械形式恢復潛熱，同 時將能量存儲作為壓縮和/或吸附空氣。產生作為水或其它流體再吸附的顯熱被傳導或傳 遞到在空氣馬達或渦輪中膨脹的壓縮空氣，升高溫度和壓力，從而 做更有用的工作。同時該 熱傳遞冷卻第二新應用的多孔材料，並且因而進一步有助於水或其它適當的流體即時再吸 附到多孔材料。類似地，從該多孔材料至第一新應用的多孔材料的熱傳遞有助於在室內壓 力下空氣從多孔材料的釋放，並且該壓縮空氣能夠通過上述空氣馬達或渦輪被轉換回機械 能。當多孔材料包括在CAES設備中用於這兩種新應用中的任一種時，我們將結果處 理稱為吸附增強CAES或AE-CAES，並且將能量存儲設備本身稱為AE-CAES設備或AE-CAES 系統。本發明還提供了用於變溫吸附的工業處理的新應用，該新應用已經被廣泛用作分 離混合氣體的手段。不論多孔材料是否已經包括進CAES設備用於吸附的物理處理的第一 新應用，該新應用實際上都是可應用的。在該處理中，當用能量對CAES設備充電時，空氣以 及吸附了空氣的多孔材料的溫度(如果設備包括用於第一新應用的多孔材料)被降低，並 且當對CAES設備放電時，溫度再次升高，始終以將壓力室內的壓縮空氣的壓力保持為近似 恆定的速率來泵出空氣或允許空氣從壓力室洩出。恆定的空氣壓力會簡化CAES設備的構造和操作，但是對於本發明的目的更重要 的是下述事實變溫處理是增加如同第一新應用中的以任何給定量的多孔材料存儲和放出 的空氣量的方便手段。上述的原因是當其溫度升高時由大量已知多孔材料吸附的氣體量減 少，並且反之亦然。因而得出如果當AE-CAES設備在已充電狀態時達到的最小溫度足夠低 以確保多孔材料主要由空氣在設備的工作壓力下飽和，而當AE-CAES設備在已放電狀態時 達到的最大溫度足夠高以確保在設備的工作壓力下大部分空氣從多孔材料釋放，比起利用 壓力變溫周期，能夠從第一新應用的所選多孔材料獲得更大的益處，至少不需至低於大氣 壓壓力的高且耗能的花費。這包括具有恆定溫度或具有壓力變溫周期的即時溫度變化(在 已放電狀態達到最低溫度並且已充電狀態達到最高溫度)的壓力變溫周期。儘管該變溫周期由其在AE-CAES中提供的益處激發，比起所有的CAES設備(下面 簡稱為實踐)已經使用的壓力變溫周期具有自己的優勢。為了證明此點，我們現在估計在 缺乏用於空氣的吸附劑時能夠由變溫CAES實現的最大能量密度。我們不會進一步指出存 儲從壓縮空氣獲得壓縮熱或另外的熱以設施變溫，但是為了簡化起見，我們假設很好地存 儲了上述熱並且能夠完全地恢復上述熱而只對系統的整體體積帶來可忽略的增加。類似 地，由於我們要估計能量密度的最簡單的可能上限，我們會忽略壓縮機、空氣馬達或渦輪以 及所有的其它外部裝置所需的體積。CAES設備由下述參數示出其特徵· Vsys 系統中的空氣體積· Psys 通過控制空氣的溫度而將空氣保持在系統中的壓力· Tdis 當在已放電(最小能量)狀態時系統中空氣的溫度· Tchg 當在已充電狀態時系統中空氣的溫度(T。hg < Tdis)· Patffl 在被放電時系統工作的壓力(這裡是100，000帕斯卡，近似一個大氣壓)
我們進一步使得Iidis和n。hg是放電和充電狀態中系統中空氣的摩爾數(即空氣分 子的多個阿伏伽德羅數)，Vatm是對系統充電所需的壓力Patm下的空氣體積，並且Vm是在Patm 下的摩爾體積(在Patm = 100，OOObar和300K時 24. 8升)。理想氣體定律以及摩爾體積 的定義意味著這些變量之間的下述關係成立Psys Vsys = Iidis R TdisPsys Vsys = nchg R Tchg _] Vatm= (nchg-ndis)VM(其中R= 8. 314472J/(mol K)是以(焦耳/(摩爾 開爾文)為單位的理想氣體 常量)。在使用這些等式中的前兩個來從第三個中消去ndis和n。hg時，我們得到Vatffl = Psys Vsys (1/Tchg-1/Tdis) Vm/R最後，在充電中對系統進行的「注入」工作是Wsys= (Psys-Patm)Vatm這最後兩個等式表示能量密度與已充電和已放電狀態的逆絕對溫度之間的差成 正比，並且與其操作壓力Psys成平方地增加。對於Psys = οXPatm，Tchg = 300K並且Tdis = 500K的特定情況，我們得到Vatm = 3. 975 X Vsys [M3 =立方米]Wsys = 3. 578 X Vsys [MJ =兆焦]這計算得到944WHr/M3(每立方米瓦時)；對於 Psys = 20 X Patm，Tchg = 300K 和 Tdis =500K的對應數字是4196WHr/M3，與對於操作壓力Psys的近似平方關係一致。尤其當被壓 縮時，空氣不象理想氣體那樣表現的事實指的是所有的這些數字僅是近似的，但是平方縮 放關係在實踐中也成立。相反，對於在恆定溫度下的具有優良熱恢復的基於普通壓力變溫周期的先進隔熱 CAES的能量密度是Wsys = ((Psys/Patm) ^1-DPatffl Vatffl/(y-l)(其中γ= 1. 4是空氣的隔熱指數)。對於Psys = IOXPatm，這得到1050WHr/M3對 於Psys = 10 XPatm，這得到3124WHr/M3，這表示在更高的壓力下，通過變溫CAES獲得的對於 工作壓力的平方關係使得在能量密度方面能夠超過壓力變溫CAES。對於上述吸附的物理處理的兩個新應用中的每一個，可用多種多孔材料，通過該 多種多孔材料可以構建本發明的有用實施例。在下面將詳細描述的AE-CAES實施例中，通 過已知作為NaX的沸石實施第一新應用。這是廣泛可用的包含鈉離子的八面沸石類型的沸 石，通常以商業名稱13X售賣。乾燥空氣是約78%摩爾的氮氣，21%摩爾的氧氣以及摩爾的氬氣。與大多數 自然的和/或商業可用的沸石類似，NaX更強地吸附氮氣而不是氧氣或氬氣，即在摩爾基礎 上，當以給定壓力(至少在通常為了使氧氣或氮氣純淨而考慮的相對低的壓力下)和溫度 被放置在這些純氣體之下時，NaX吸收更多的氮氣而不是氧氣或氬氣。另外，氧氣和氬氣大 部分被吸附在NaX孔壁的化學相同位置，並且也具有相似的吸附等溫線，而氮氣被大部分 吸附到與氧氣和氬氣不重疊的不同的位置。由於這些事實，通過在下面將空氣的氬氣成分 看待為氧氣而簡化我們的分析，這不會產生足以使得AE-CAES實施例要展示的原理無效的 錯誤。另外，上述觀察以及E. A. Ustinov (Russ. J. Chem. 81，246，2007)呈現的實驗數據示出我們可以假設吸附的氮氣的量獨立於吸附的氧氣(和氬氣)的量，並且反之亦然。在-700C和500C之間的4個廣泛分離的溫度處以及在高至大約4個大氣壓的壓 力處已經測量了 NaX對於氮氣、氧氣(和氬氣)吸附的完整等溫線(見G.W.Miller，AlChE Symp. Ser. 83，28，1987)。如果通過適合這些數據而確定的Sips和Langmuir等溫線等式中 的參數值也在那篇論文中給出，並且可以用於推斷這些測量至更高的壓力。 圖1說明了空氣的主要成分(即氮氣和氧氣)使用廣泛已知作為NaX或13X的商 業可用沸石在4個不同的溫度和在高達20個大氣壓的壓力下的吸附等溫線。對於氮氣的 等溫線(從Sips等溫線公式獲得)用實線繪製，而對於氧氣的等溫線從Langmuir等溫線 (Sips的特殊情況)獲得，並且用虛線繪製。示出的圖因而將Miller的數據推斷到成本有 效的吸附增強的壓縮空氣能量存儲設備所需的更高的壓力。圖2說明了在與圖1相同的4個溫度下受壓吸附到NaX的氮氣分子與氧氣分子的 比率，其中在圖中每點處的氧氣的壓力是氮氣的25%，並且因而近似等於在125%的氮氣 壓力處空氣中的氧氣分壓。使用圖1所示的推斷的等溫線來計算這些比率。虛水平線示出 了該比率具有值4.0，從而吸附比率近似等於氮氣和氧氣在空氣中的分壓的比率。對於基於 具有最低溫度-40°C的變溫周期的吸附增強的壓縮空氣能量存儲的實施例，由虛垂直線指 示的在-40°C的溫度處的對應壓力期望是合理的成本有效的氮氣分壓。這是因為比起在較 低的壓力和較高的溫度處所能實現的，較高的壓力或較低的壓力會增加以較低速率吸附的 空氣量，從而從NaX吸附劑的使用獲取的成本有利比率將不那麼具有吸引力。圖3至圖8示出了完整AE-CAES (吸附增強的壓縮空氣能量存儲)實施例的示意 圖。這些圖是公知處理流圖和用於化學和材料處理系統的普通機械、流體和電部件的相關 聯符號的圖形版本，這些在工程領域廣泛使用。處理流圖不是用於特定設計的藍圖，而是 允許化學和材料處理領域的技術人員使用這樣的標準部件設計能夠再生特定處理的系統。 該圖因而提供了描述本發明的適當手段，其提供了可以使用多孔材料中的吸附而增強CAES 系統的處理，而不是提供了特定設備或設計。在採用的部件不是非常標準的實施例的那些 部件中，給出了更詳細的圖，並且在圖9至11中這些圖被放大。圖3至圖6給出了在AE-CAES系統的充電-放電周期的四個點處通過該系統的示 例實施例的主要質量和能量流的高層視圖。圖3示出了在充電處理開始處的這些流，這時 受壓NaX床接近100°C並且因而具有吸附到自己的最小量的空氣，而未受壓NaX床41很大 程度地充滿水。圖4示出了流是如何通過充電處理而在大約一半的地方改變的，這時受壓 NaX床1的溫度已經下降到通常周圍空氣溫度並且未受壓NaX床41已經喪失了大部分水。 圖5示出了在放電處理的開始出的流，這時受壓NaX床處於-40°C並且因而具有吸附到自己 的最大量的空氣，而未受壓NaX床41仍然是熱和乾燥的。圖6示出了流是如何通過放電處 理而在大約一半的地方改變的，這時受壓NaX床1的溫度已經到達周圍空氣溫度並且水蒸 氣被運送到未受壓NaX床41以產生完全放電所需的熱。圖7示出了在使用能量充電的處理(圖3的cf.)的開始處的AE-CAES實施例的 更詳細的視圖，這時吸附熱泵的未受壓NaX床41被加熱以驅散吸附的水。圖8示出了在放 電處理的一半的點(圖6的cf.)之後的相同的實施例，這時水蒸氣被傳輸經過未受壓NaX 床41以生成完全放電所需的高溫。圖9示出了壓縮空氣存儲模塊的切開放大圖，其包括在 用於控制溫度的冷凝/蒸發室4中與沸石粒1擠壓的筒2。圖10示出了吸附熱泵40的放大圖，吸附熱泵40包括用於存儲通過空氣的壓縮和吸附產生的熱的沸石床41以及用於確 保大氣空氣大致上反轉空氣流以使得效率最大化的擋板42，其中大氣空氣承載在充電時離 去的水蒸汽而空氣承載在放電時進入的水蒸氣。圖11示出了混合器/噴射器空氣渦輪的 放大圖，包括用於在放電處理中高效地將存儲作為壓力和熱的能量轉換為機械能的標記為 53、54和55的部件。上述假設以及圖1中給出的推斷表示在-40°C和10個大氣壓下，吸附的氮氣和氧 氣的量的比率大約是4(圖2)。由於這也關於在空氣中氮氣和氧氣的分壓的比率，並且NaX 在該溫度和8個大氣壓下很大程度充滿了氮氣，吸附的氧氣的量不應當在更高的壓力或更 低的溫度下極大地增加。AE-CAES實施例因而利用10個大氣壓的工作壓力和在設備被使用 能量完全充電時獲得的最小溫度-40°C。相似地，圖1所示的近似和推斷表示在10個大氣壓和24°C，在_40°C吸附的大約 34. 5%的氮氣和74. 5%的氧氣已經被釋放，而在50°C這些百分比分別是53. 5%和82. 5%0 因而，如果在10個大氣壓下到達100°C，至少75%的氮氣和基本上所有的氧氣將已經被釋 放。這反過來表示在_40°C吸附的全部空氣的至少80%將在100°C被釋放。由於在100°C 以上將使得設備更加複雜和昂貴，AE-CAES實施例利用當設備被完全放電時獲得的最大溫 度100°C，這如同剛討論的表示在AE-CAES實施例中至少80%的佔空比。在-40°C和10個大氣壓的乾燥空氣下，我們的近似和推斷的等溫線進一步指示 NaX在每千克的無水晶體NaX中將已經分別吸附4. 24和1. 14摩爾的氮氣和氧氣。對於周 圍空氣的24. 8升的摩爾體積以及對於晶體NaX的1. 53Kgr/L(Kgr/L =千克/升)的密度 表示在這些條件下每升NaX將吸附大約204L的周圍空氣。這在_40°C和一個大氣壓下大約 是160L空氣，或者在該溫度和10個大氣壓下是16. OL空氣。替代使用微晶體粉末，然而，需要將NaX形成為顆粒，這將允許通過熱傳導粘合劑 (也使得能夠將熱跨速傳遞經過床)使得空氣很好地流經設備中使用的沸石床。通常這些 顆粒是粘合劑的大約20%的體積，並且能夠擠壓具有大約80%的體積，從而將在工作壓力 和最小溫度時吸附的空氣體積降低為每升NaX顆粒時大約0. 83X 16. 0 = 10. 25L。考慮20% 的空白部分，在平衡下，擠滿NaX顆粒床以及充滿-40°C和10個大氣壓下的空氣的箱中空氣 的總量將因而是在相同溫度和壓力下相同的箱中存儲的量的10. 45倍。加上上述保守估計 的80%的佔空比，這給出了製造能夠在AE-CAES實施例的工作壓力和最小溫度下存儲和放 出給定量的空氣的箱所需的結構材料量的8. 35折的減少。然而，當NaX用於吸附空氣時存儲的每單元能量的成本的改進是相當大的。上述 計算示出了當被完全充電時，AE-CAES實施例中的NaX粒床的每平方米將存儲大約133平方 米的周圍空氣。如同我們在變溫周期的上述分析中那樣假設我們優選地存儲和恢復熱並同 時操作設備，但是再次假設80%的佔空比，將這麼多的空氣壓縮到10個大氣壓所需的注射 工作計算為每立方米的床中是94. 8MJ/M3，或26. 6千瓦時。我們之前發現在20°C和227°C之 間在10個大氣壓處100%的高效變溫CAES操作實現每立方米994瓦時的能量密度，並且相 似的計算示出了當在-40°C和100°C之間在相同的壓力下操作時得到每立方米1201瓦時。 這些數字接下來可以與從周圍壓力至10個大氣壓下的100%高效等溫壓力變溫AA-CAES所 實現的相比。在AE-CAES實施例中的沸石粒床的體積能量密度實際上是典型鉛酸電池的一 半。下面將討論實踐中能夠恢復該能量的效率。
比起本身降低箱的成本，使用吸附劑材料三倍改善了存儲的每單元能量的成本的 原因是比起相同量的空氣被簡單地存儲在更大的箱並且不適用存在的吸附劑來升高相同 量的溫度的情況下，由於在放電時吸附劑的溫度的增加導致更大部分的空氣被放出。確實， 對於在相同溫度範圍和相同壓力下不適用存在的吸附劑操作的變溫CAES設備的佔空比僅 是32. 5%，而不是上述我們保守估計的對於AE-CAES實施例的80%。當在經濟地變化的溫 度和壓力的全部範圍已經對NaX吸附的空氣量進行詳細測量從而 能夠完全優化設備的成 本有利比率時，存儲的每單元能量的成本可能會進一步顯著地改善。在討論AE-CAES實施例的其他部分之前，我們估計由至NaX床的空氣吸附而放 出的熱以及必須從其攝取的熱的量將其溫度降低140°C。MilleHloc.cit.)已經預測在 實施例中利用的負載範圍下至NaX的氮氣吸附的熱是18.87KJ/(mol K)，而氧氣的是大 約13.09KJ/(mol K)。因而在吸附4. 24摩爾的氮氣和1. 14摩爾的氧氣時放出的能量是 94. 9KJ(KJ =千焦)。考慮由於我們使用擠壓的NaX粒床而導致的降低並如同之前那樣假 設80%的佔空比，得到大約48. 6MJ(兆焦)或13.5KWHr/M3(每立方米千瓦時)。這是每立 方米能夠被存儲和恢復的能量的量的大約一半，並且(如同我們能看到的)非常多的超過 了通過壓縮空氣產生的熱。儘管E.A. Ustinov (loc. cit.)發現了略低的至NaX的吸附氧氣 的熱並且在10個大氣壓下跌落至氮氣的熱，很清楚在AE-CAES的任何合理高效實施例中， 大部分吸附熱必須被存儲和恢復。然而，吸附熱比冷卻和重新加熱NaX床本身至140°C變溫之上所需的顯熱要小很 多。根據如何準備顆粒以及在某種程度上根據溫度，床的特定熱容量會變化，但是通常在 IKJ/(Kgr K)的量級上，這與上述關於顆粒的擠壓密度的假設一起表示大約IMJ/(M3K)的體 積熱容量。用140乘以IMJ/(M3K)並且將其轉換為千瓦時得到38. 9，這比每立方米將要存 儲和恢復的能量要大大約50%。幸運地，如同我們將看到的，將NaX床的溫度從周圍溫度升 高到100°C所需的相對高級熱被容易地恢復，並且當然在空氣已經從壓力室移除並且引入 空氣的閥被關閉時不需要保持高溫。相似地，將床的溫度從周圍溫度下降到-40°C而必須移 除的相對低級熱不需要被存儲和恢復，因為能夠從環境中容易地獲得該熱並同時對設備放 電。我們現在轉向AE-CAES實施例中使用的機制以完成所有的上述任務。現在參考圖7和圖8示出的示意圖，我們首先指出由將圖一分為二的空白空間分 開的平行虛線用於指示設備的比例是任意的，並且通過如何運輸到位以及使用來主要地在 實踐中確定。然而，僅是為了討論的目的，在下面我們經常使用兆瓦時作為在每個模塊中存 儲的能量的量。這會需要大約40M3的NaX顆粒(圖中的水平-垂直交叉陰影)，這加上包 裝和溫度控制裝置會帶來將填滿兩個標準的67. 54M3的輪船貨櫃的壓縮空氣存儲系統。如同從圖9中看出的，AE-CAES實施例的NaX沸石顆粒1被裝在筒2中，筒2具有 穿透中空管3，穿透中空管3從每個筒的底部的孔延伸到達筒的另一端。該管允許壓縮空 氣(圖中的右上斜陰影)快速從筒的底部的口經過整個長度並同時對AE-CAES設備充電， 並當放電時再次返回出來。作為結果，筒的長度不是關鍵的，但是它們的直徑必須足夠小以 允許從管3的孔中空氣快速擴散經過NaX床1到達筒2的表面，以及當吸附空氣時產生的 熱的快速擴散。主要由於它們是大量生產的並且因而可以低成本地使用，AE-CAES實施例使用與 鋁罐相似但更長的筒，在鋁罐中通常裝入例如Coca Cola 的飲料。鋁比鋼更貴，但是更容易形成為這樣的筒，更加耐腐蝕並且具有更好的熱傳導性，儘管比起通常的鋁罐需要稍微 厚的壁以包括10個大氣壓的壓力。這樣，在實施例中的筒2的直徑將是6. 0分米，而通過 它們的中心的穿透管3需要內徑不大於0. 5分米並且由鋼製成以提供對擠壓的筒的結構支 撐。空氣和熱必須擴散以到達筒的表面的距離因而是大約2. 75分米。當然筒的確切直徑、 製成筒的材料或者包括NaX顆粒的床或其它多孔材料的壓力容器的圓筒形式對於本發明 都不是重要的。筒2包含在具有熱隔離壁4的室中，該室能夠承受適當的壓力並且在AE-CAES實 施例的變溫之上能夠被抽空。該室包含熱傳遞流體，該流體接下來用於控制筒2中的壓縮 空氣和NaX床1的溫度並且因而實施利用的變溫周期。室的幾何形狀和筒2在室中的布置 方式都不重要，但是出於經濟的原因，填料必須儘可能地緊密並同時允許熱傳遞流體圍繞 筒自由地流動。在圖9中示出了直徑為1. 25M的溫度控制室，其包含108個筒，每個筒都是 1. OM長並且布置在正方形柵格中，點距離0. 1M，對於每個室大約是0. 25M3的NaX床。會需 要160個這樣的室萊存儲兆瓦時的能量。在AE-CAES實施例中，將熱承載至具有壁4的室以及從具有壁4的室承載熱的流 體是甲醇。這是在周圍壓力和-40°C的液體，最低溫度到達變溫周期之上，而在周圍壓力和 100°C下是氣體，到達最高溫度。其也具有蒸發的高熱，在該溫度範圍平均是大約36KJ/摩 爾，並且其確切沸點能夠通過控制具有壁4的室內的壓力被設置為-40°C和100°C之間的任 意值。特別地，在一個大氣壓的壓力下甲醇的沸點是64. 7°C，並且如果我們假設其蒸發熱不 依賴於壓力，我們可以使用Clausius-Clapyron等式來示出在3. 6個大氣壓下其沸點將是 1001，並且在231.5帕斯卡(大約0.2%個大氣壓)下是_40°C。這些適中的溫度和壓力 允許室的壁4由便宜的玻璃纖維合成物製造，玻璃纖維合成物由耐熱酚醛樹脂或環氧氣樹 脂形成，耐熱酚醛樹脂或環氧氣樹脂也會提供某些需要的熱隔離。當然其它實施例也是可 以的，其中利用除了甲醇之外的流體來傳遞熱，和/或使用其它的材料用於室的壁4。當對AE-CAES實施例充電時，液體甲醇(較深的左下斜陰影)被從密封的和熱隔 離的箱15吸經過控制閥10並且以預定的速率從具有壁4的室4的頂上的噴嘴8噴灑，如 圖7所示。一部分甲醇蒸發並且通過散布具有噴嘴的排放口 9排出室，而剩餘的液體甲醇 (現在對於室中的壓力處於沸點)沿著筒2的側流下並且同時煮出(boil off)筒2，從而 冷卻筒2以及包含的NaX床1。由該處理產生的額外的甲醇蒸氣(較淺的左下斜陰影)升 高並如同前述經過排放口 9排出室，同時使得處於室底部的任何液體甲醇流進底部的池6， 並從那裡返回小的密封保持箱7用於再使用。相反，當對AE-CAES實施例放電時，關閉閥10，打開另一個控制閥11，並且由於熱 水(圖中的較深的對角交叉陰影)流經箱中的熱交換器16而加熱存儲箱15中的甲醇。結 果甲醇蒸氣通過箱15的頂上的排放口 14排出箱15並且流經管道，該管道引導至具有壁4 的室的底部的穿透管5的網絡。然後甲醇蒸氣升高並且在筒2的表面上冷凝，將蒸氣的熱 以室內的通常壓力確定的溫度傳遞到表面。這接下來將NaX床1的溫度增加朝向自己的期 望值，同時冷凝的液體甲醇再次經過池6流出室並進入保持箱7。簡單的正排量泵12然後 經過現在打開的閥13將甲醇返回用於再使用，如同圖8所示。當對AE-CAES實施例充電時，經過壓縮機19減小具有壁4的室中的壓力，在壓縮 機19中甲醇蒸氣從排放口 9流動經過閥18，如圖7所示。甲醇蒸氣以高壓和高溫退出壓縮機19，並且流進熱隔離箱20中的熱交換器21，在熱交換器21處甲醇蒸氣被周圍壓力的 水流冷卻到大約100°C的溫度。然後甲醇蒸氣經過壓力減小閥24，壓力減小閥24允許甲醇 蒸氣膨脹，進一步冷卻和大部分冷凝，並且從那兒經過開口閥17返回存儲箱15用於再次使 用。以此方式，通過至NaX床1的空氣吸附而產生的熱被傳遞到流經箱20的水或蒸汽(圖 中的對角交叉陰影)。多種壓縮機能夠用於19，確切的選擇是根據下述技術考慮而主要基 於經濟方面來確定。為了至沸水的高效熱傳遞，壓縮的甲醇蒸氣應當具有比例如150°C的溫度高很多 的溫度。具有1. 3的甲醇絕熱指數，因而在充電處理的早期，當甲醇蒸氣進入具有3. 6個大 氣壓和100°C溫度的壓縮 機19中時，僅需要將壓力增加大約1. 7的因數或增加至6. 2個大 氣壓。然而，在充電處理的後期，由於在具有壁4的室中的壓力和溫度分別降到231. 5帕斯 卡和-40°C，需要將甲醇蒸氣壓力增加大約13. 3的因數，導致僅有0. 03個大氣壓的壓力。 該冷卻系統的性能係數的卡諾限制在具有壁4的室中的溫度是100°C的開始時是無限的， 但是在降低至_40°C的充電處理的結束時僅是1. 66。根據前面在充電中必須從NaX床1移 除的大量的顯熱的討論，當性能的理論係數降低到大約3時(當NaX床溫度到達7°C時發 生)，嘗試以能夠後續用於生成高溫的形式存儲該熱或由吸附放出的較少量的熱將不會有 禾U。現在將再次討論該問題(參考圖3和4)。在描述熱接下來的去處之前，我們首先考慮在對AE-CAES實施例充電時將空氣 壓縮到10個大氣壓的處理，並且同時，很多壓縮熱被從其中移除。由於它們的高效率，在 AE-CAES實施例中，通過串聯的兩個標準離心壓縮機26和28實現，每個壓縮機將空氣壓力 增加3. 16 (10的平方根)的因數。空氣過濾器和乾燥器25用於在空氣進入第一壓縮機26 之前將微粒物質和水蒸氣從空起中移除。使用1.4的空氣隔熱指數，可以示出每個壓縮階 段將會使空氣的絕對溫度增加1. 39的因數，或者從周圍溫度開始增加至大約141°C。通過 熱容量處於20.77J/(mol K)的空氣恆定體積，在兩個階段之上的熱壓縮因而是每立方米壓 縮至10個大氣壓的周圍空氣54瓦時，或者是要被存儲的總能量的21. 6%。當空氣退出兩個壓縮機26和28中的每個時被冷卻。使用泵39將冷水流分別驅 動經過在壓縮機26和28的出口處的熱交換機27和29來實現所述冷卻。以此方式，壓縮 熱將水預熱，接下來該水被引導經過管道至噴嘴22，如上所述，在噴嘴22處在充電處理的 第一半(見圖3)水被壓縮的甲醇蒸氣煮沸。然後在充電處理中，即當甲醇熱泵的性能的理 論係數已經降低到3或類似等時，壓縮機19的壓縮比率被降低從而甲醇蒸氣被升高至最高 100°C。同時，流經空氣壓縮機26和28的水流速率被增加，從而該水流不被預熱很多，最終 結果是現在水不被煮沸而是僅被加熱並且再循環(如圖4所示)。壓縮空氣本身被引導經 過開口閥30至NaX床1，如圖7所示。保留在NaX床1中的任何壓縮的殘留熱會接下來在 冷卻NaX床1的過程中被移除並且也在退出箱20的蒸汽或水中結束。該蒸汽或水因而包 含大部分空氣壓縮和吸附熱，以及從NaX床1移除以冷卻NaX床1的顯熱。在充電處理的第一半(圖3)，在排出箱20的蒸汽中包含的高級熱用於開動使用 NaX水作為自己的吸附劑-被吸附物對的吸附熱泵。在聯邦德國的Andreas Hauer展示一個 開放吸附系統之後，該開放吸附系統被建模，用於通過在晚上將水從NaX釋放並且在對於 熱的需求更大的白天使用水蒸氣的再吸附來升級廢熱而降低加熱建築的成本(見A. Hauer ^h NATO Sci. Ser. II :Math. ，Phys. And Chem. ， vol. 234, H. 0. Paksoy, ed. ， Springer, 2007白勺第 25 章第 2 節 pp409_27 白勺"Thermal Engergy Storage for Sustainable Engergy Consumption")該開放吸附熱泵簡單地是熱隔離箱40，在實施例中如同之前由耐熱玻璃纖 維合成物構造，填充具有相似的NaX粒41，但是在形式上不是必須與用由於吸附空氣的那 些相同。因而AE-CAES實施例也利用NaX沸石用於本發明的多孔材料中的吸附的第二新應 用。然而應當強調許多其它多孔材料(例如矽膠)可用，這些材料還能夠用於通過水(或 任何其它適當的流體)的釋放而泵熱。這裡使用的水-NaX-被吸附物-吸附劑對是選擇 的，因為與空氣-NaX對相似，被吸附物是便宜的並且是環境友善的，同時吸附劑是公知的， 重複的使用不會損壞吸附劑(當適當的粘合劑用於粒時，見G. Storch, G. Reichenauer, F. Scheffler 和 A. Hauer,Adsorption 14,275,2008)並且吸附劑是商業可用的。水-NaX 系 統的另外的優勢在於這樣的事實當吸附到NaX的水量從30%的重量降低到0%時，至NaX 的水蒸氣吸附熱的微分熱從與水的蒸發熱的值(或44KJ/摩爾)相近的值增加至該值的兩 倍。這意味著除了提供將熱升級到更高溫度的手段之外，熱泵的NaX床41也將以潛熱形式 存儲大量的熱，即使在放電過程中降低蒸發水所需的熱之後。由於至NaX的水蒸氣的吸附 熱比至NaX的空氣的吸附熱大很多，對於該吸附熱泵所需的NaX的量小於吸附空氣本身所 需的1/4。再次在充電處理的第一半中(見圖3)，來自箱20的蒸汽經過箱的頂上的排出口 23至另一個壓縮機31，該壓縮機31將蒸汽的壓力增加2. 8倍，並且由於水的隔熱指數也是 大約1.3，其溫度被升高至大約200°C。然後蒸汽經過開口閥32到達熱交換器36，在熱交換 器36處蒸汽被風扇37扇動在熱交換器上的大氣空氣的反向流冷卻，在處理中將空氣加熱 到大約150°C的溫度。對於該熱泵的性能係數的卡諾限制是7. 5，應當與在充電處理的第一 半的甲醇壓縮機19的性能的平均係數可比較。應當注意壓縮機19和31所需的能量也作 為存儲熱結束，並且可以接下來被恢復從而彌補系統中其它地方的損失；通過比較，運行風 扇37所需的能量不大。來自熱交換器36的熱空氣流進熱隔離箱40並且經過NaX沸石粒41的未受壓的 床，NaX沸石粒41初始具有重量的約30%是吸附的水(見圖10)。熱空氣升高NaX粒41的 溫度，使得該水從沸石粒41以水蒸氣的形式釋放並且在處理中冷卻空氣。該水蒸氣由空氣 承載經過擠壓了 NaX粒的容器40並且以在大約40°C的溫度的潮溼空氣的形式從另一端退 出。用於加熱進入NaX床41的空氣的蒸汽從熱交換器36經過壓力減小閥38退出，在那裡 也冷卻到水的通常沸點之下很多並且大部分冷凝。由於沒有熱傳遞是完整的，該水仍然保 持自己進入熱交換器時包含的部分熱。通過將水返回到其來源的水庫43的表面，存儲在該 顯熱中包含的能量。相似地，從NaX床41排出的溫度潮溼空氣經過冷凝器47，通過泵44的作用將水經 過冷凝器47傳遞。該水從水庫43的冷底部流經冷凝器47並且經過開口閥50返回水庫43 的溫暖表面。冷凝熱因而相似地被傳遞到水庫的表面水。為了效率的目的使用冷凝熱的需 要已經由A. Hauerdoc. cit.)強調，並且將冷凝熱存儲到水庫中的選擇也已經在更近的專 利(US6，820，441)中主張。冷凝的水本身收集在盆49中，並且當AE-CAES實施例被完全充 電時可以丟棄或增加到水庫43中。相反，在充電周期的後一半中(見圖4)，風扇37被關閉並且容器40被密封，從而潮溼不能滲透地再吸附到包含的NaX床41。替代200°C的蒸汽，在比沸點低很多的溫度的 熱水直接從箱20 (在箱20處熱水從熱壓縮的甲醇蒸氣拾取熱)流經現在的開口閥35 (開 口閥35旁路通過現在的無源壓縮機)並且至水庫43的表面而沒有進一步的冷卻。以此方 式，在充電周期的後一半中空氣的壓縮和吸附產生的熱以及NaX床1中剩餘的顯熱也在水 庫43中結束。下面將描述該熱是如何後續被恢復的。當AE-CAES實施例已經被完全充電時，輸入在其中的大部分機械能主要以筒2中 的NaX顆粒床1中的吸附空氣的形式被存儲。如上所述，大約21. 6%的該能量也被存儲作 為熱，主要在水庫43中。同時，等於存儲的能量兩倍的能量的量已經以熱的形式被從NaX 床1攝取，大部分是顯熱以及較少的但主要由空氣的吸附產生的熱貢獻的熱。這些熱的大 部 分將被相似地存儲作為水庫43中的顯熱，儘管大量也會被存儲作為吸附熱泵的NaX床41 的潛熱和顯熱。只要閥30和56保持關閉以存儲壓縮的和吸附的空氣，在放電之前以該形式存儲 的能量基本上都不會丟失。相似地，只要容器40保持與潮溼密封，在放電之前在NaX床41 中存儲作為潛熱的能量就不會洩漏。如上所示，相當大量的熱將會被存儲作為水庫43中的 顯熱，但是該熱從水庫洩漏的速率將不會大，因為水和水庫的環境之間的溫度差異不會大 (即使在冷的其後下也比100°C低很多)。另外的較不直接的損失形式是熱洩漏進入具有壁 4的室，升高其中的NaX床1的溫度並迫使一些壓縮空氣放出以保持壓力不升高到筒2能夠 承受的壓力之上。然而，再次，AE-CAES實施例努力通過使用對稱地置於普通周圍溫度之下 和之上大約70°C的最小和最大溫度來將這些溫度差異保持得小。對於這樣適當的溫度變化 程度，標準的低成本隔離(例如聚氨酯泡沫體)應當將由於顯熱洩漏導致的所有損失在白 天的期望存儲周期保持在可接受的水平或更低。當恢復AE-CAES實施例中存儲的機械能的時間到來之時，通過關閉閥50並且打開 閥51，將來自水庫的表面的溫暖的水引導經過熱交換器16。同時使用風扇37來將周圍空 氣扇動經過吸附熱泵的NaX床41，在NaX床41處空氣拾取顯熱，但是拾取不多的潛熱，因為 不包含很多潮溼以再吸附。該熱的一部分被傳遞到流經出口處的熱交換器47的水，然後繼 續到熱交換器16，但是大部分熱將和空氣一起承載到處於升高的溫度的出口室48。通過重 新布置出口室48中的擋板，該溫暖空氣被經過導管52引導至空氣渦輪，空氣渦輪包括部件 53,54和55，如圖7和8示意性地所示。其將被用於保持膨脹的壓縮空氣不冷卻，如下將會 描述。同時，流經熱交換器16的溫暖水煮沸存儲箱15中的甲醇，存儲箱15初始處於部 分大氣壓的壓力下。如上所述，結果甲醇蒸氣用於加熱包含吸附空氣的NaX顆粒床1的筒 2。這將吸附的空氣以通過控制甲醇蒸氣進入具有壁4的室的速率而控制的速率轉換為壓 縮空氣。如圖8所示，當經過現在打開的閥56釋放到具有部件53、54和55的空氣渦輪時， 該壓縮空氣也被引導。在圖5中說明了在放電處理的第一半中質量和能量流。當大約一半的存儲能量已經被恢復並且受壓NaX床1的溫度接近周圍溫度時，閥 45被打開以使溫暖水從水庫43的表面流經蒸發器46，蒸發器46將溫暖水作為霧分配在熱 交換器36上。同時來自水庫43的溫暖水被泵39驅動經過打開的閥34通過熱交換器36， 並且通過關閉閥32、33和35防止水到達空氣壓縮機26和28，從而防止蒸發的水冷卻周圍 的空氣。以此方式，來自風扇37的空氣在進入未受壓NaX床41之前充滿水蒸氣，並且當經過未受壓NaX床時由水蒸氣的吸附處理加熱。在圖6中說明了放電處理的第二半中的質量 和能量流。當然例如46的簡單蒸發器對於本發明不是重要的，並且如果期望的話能夠容易 地由葉輪或超聲增溼器替代。A. Hauerdoc. cit.)已經示出空氣將在最高100°C的溫度退出吸附熱泵容器40的 最遠端。此時，其包含的部分熱將經過熱交換器47傳遞到來自水庫43的表面的溫暖水的相 反水流，當放電處理進行時將該水流逐漸加熱至100°C。這會將箱15中產生的甲醇蒸氣的 溫度和壓力升高至更高的水平，從而在放電處理的末尾將筒2中的NaX床1加熱到100°C。 同時，流經熱交換器36的水已經被冷卻並且返回水庫43的底部以在下次對設備充電時使 用。通過在放電過程中使空氣以與熱空氣經過的方向近似相反的方向經過未受壓NaX 床以在充電過程中將潮溼從未受壓NaX床釋放，AE-CAES實施例的效率也被改善。這增加 了效率，因為否則的話由在放電處理的第一半中進入床的空氣拾取的某些顯熱，或由來自 第二半中的空氣的潮溼的吸附產生的某些顯熱，在到達遠端之前會損失至冷卻器和/或比 較不乾燥的NaX床。該近似流反轉由內部擋板42的系統實現，在圖中以深實線示出，被布 置使得在充電過程中空氣通過床的中央進入近端，但是退出周圍附近的遠端，並且在放電 過程中被重新布置使得空氣進入近端的周圍但通過遠端的中央退出，如圖7和8示意性地 示出(還可參見圖10)。當然其它實施例也是可以的，其中遠端包括第二風扇，使得空氣採 用返回NaX床41的確切相反路徑，同時在對設備放電時熱交換器36和37的角色互換。最後，我們描述進入出口室48和經過導管52傳遞的溫暖空氣是如何用於加熱來 自NaX床1的膨脹壓縮空氣並因而通過放電處理的第一半和第二半恢復壓縮熱。包括圖 7和圖8所示的標記為53、54和55的部件的空氣渦輪被設計使得進入空氣渦輪的壓縮空 氣流膨脹並加速通過文丘管，該文丘管具有沿著自己的長度平行設置的扭曲風向標(見圖 11)。這產生了漩渦，漩渦產生其後的真空，該真空接下來從導管52經過在葉片53略上風處 的靜態頁面54的較大直徑孔汲取溫暖空氣。溫暖空氣的該第二漩渦與來自葉片53的冷膨 脹空氣的漩渦融和並且通過該處理快速地和完全地與其混合。該渦輪後面的原理實際上與 近來USPTO公開號2008/023957A1中揭示的混合器-噴射器風渦輪設計相似。現在快速運 動的空氣漩渦擊中空氣渦輪轉子55的葉片並因而將存儲在壓縮空氣中的能量和存儲作為 機械形式的熱的部分能量轉換用於外部使用。當然許多其它設備可用，例如往復空氣馬達， 在各種可選實施例中通過這些設備可以將熱和壓縮空氣轉換為機械能，儘管這些通常沒有 上述的混合器_噴射器空氣渦輪效率高。假設AE-CAES實施例在6個小時的周期以恆定速率放出1兆瓦時的能量，並且在 處理中壓縮空氣被加熱回周圍溫度，壓縮空氣必須以在周圍溫度和壓力處測量的大約每小 時700M3的流速被放出。壓縮空氣的實際溫度將從_40°C開始並且在6個小時的周期逐漸 升高到接近100°C，並且在任何給定壓力下在_40°C的空氣的密度是在100°C的空氣的密度 的1. 6倍。因而在10個大氣壓下的空氣必須在放電周期的開始以每小時54M3的速率被 放出，並且在結束時以86M3的速率被放出。在隔熱情況下，空氣在放電周期開始時將膨脹 到-152°C並且在結束時膨脹到-80°C，這接下來將由於壓縮空氣的放出導致的流分別降低 到每小時283M3和454M3。為了將那些溫度的空氣返回周圍溫度，必須混合8. 87和5. 52倍 在45°C (通過導管52進入空氣渦輪的空氣的近似溫度)的溫度下相同質量的空氣。經過導管的45°C的空氣的所需流速因而在6個小時的放電周期從6628M3至3920M3變化。使用7000千克NaX顆粒床，A. Hauer (loc. cit.)能夠也是在6個小時的周期將 每小時6000的空氣流加熱到120°C和100°C之間，這對應於120千瓦的熱。由於僅21. 6% 的能量被存儲作為熱，因而對於1兆瓦時在假設的6個小時的放電周期渦輪將需要大約 0.216X1000/6 = 36千瓦的熱。在放電處理的早期，不需要將甲醇加熱很多，因而流經NaX 顆粒床41的未加溼空氣的速率能夠保持地相對高，並且能夠以高速將水泵經過熱交換器 47。結果空氣將以低於上述假設的45°C的某一溫度進入導管52，但是其進入渦輪的流速也 會大於上述在45°C處發現的每小時6628M3。在放電過程中，泵44被減速從而在放電周期 的末尾，排出交換器47的水的溫度到達經過熱交換器47的水溫，或100°C。同時，加溼空氣 流經NaX顆粒床41的速率被逐漸降低，從而在放電處理的末尾附近，通過導管52進入渦輪 的空氣的溫度將大於45°C，而流速也將小於上述在45°C估計的每小時3920M3。應當清楚理解，AE-CAES實施例的全部部件已經先前在公開的工程文獻中證明，盡 管與在這裡採用它們的目的非常不同。這些部件包括水-NaX吸附熱泵、以吸附形式存儲壓 縮空氣的NaX沸石床以及基於混合器_噴射器原理的先進空氣渦輪。將這些部件一起放入 可操作AE-CAES設備所需的僅有的重要額外工程是開發使它們同步工作所需的控制系統， 如上所述。特別地，在充電和放電過程中具有壁4的室中的壓力以及甲醇進入該室的速率 必須被調節從而與壓縮機26和28產生壓縮空氣的速率或者分別將空氣饋送至包括標記為 53,54和55的部件的渦輪的速率相同，壓縮空氣被轉換為吸附空氣或者從吸附空氣轉換至 壓縮空氣，從而將筒2中的氣體空氣的壓力保持為一直近似恆定。儘管該任務不是不重要 的，該任務也是由本領域技術人員能夠實現的化學處理工程中的理想標準系統集成問題。對於機械和化學工程的技術人員將顯而易見對於AE-CAES實施例的機械和流體 部件以及採用的材料具有各種替代，選擇這些只是為了說明通過使用吸附劑來幫助壓縮空 氣和熱的存儲以及互補變溫周期獲得的優勢。由於在計算AE-CAES設備的總體效率時運行 泵和壓縮機所需的能量必須從放出的能量中減去，所以完全可能通過這樣的替代來得到對 於實施例的適當改善，儘管這樣的替代必須符合上述給出的卡諾限制。特別地應當注意，我 們沒有說驅動壓縮機19、26、28和31的動力是從哪裡來的，或者包括部件53、54和55的空 氣渦輪所產生的機械能用於什麼。通常壓縮機由電動馬達驅動，但是在煤炭或核動力工廠， 比起先將來自渦輪的機械能轉換為電能並且然後在壓縮機中轉換回機械能，直接驅動壓縮 機將更加經濟，例如通過來自動力工廠的蒸汽渦輪的液壓系統。當然，對於安裝在風渦輪電 場的AE-CAES設備也是這樣。相似地，在有的情況下，比起產生電能，使用在對AE-CAES設 備放電時放出的壓縮空氣會更加經濟。對於先進隔熱CAES或熱能量存儲領域的技術人員將更加顯而易見=AE-CAES設備 和/或變溫CAES設備也能夠採用多種其它已有化學處理而不必與發明人的意圖在材料上 存在偏差。例如，實施例的水-NaX熱泵40和41能夠基於其它被吸附物-吸附劑對，在液 體介質中的氣體吸附或者甚至可以由多種固體-液體相變材料代替，這些也能夠以潛熱形 式存儲熱。還可以通過同種方式用廢熱恢復或熱能量獲得補充或整個代替熱存儲系統。如 果例如AE-CAES設備產生熱作為副產品的動力工廠(例如煤炭或核動力工廠)，該熱能夠用 於再加熱膨脹空氣和/或用於空氣的吸附劑。可選地，無源太陽熱收集器也可以很好地產 生當對安裝例如用於風渦輪電場的AE-CAES設備放電時需要的適當的溫度。主要一點在於在放電過程中AE-CAES設備的任何部件使用的熱不需要已經由對其充電時的反處理產生。
由於適當的便宜熱源，也可以使用該熱源來在存儲或放電周期再生吸附劑冷凍系 統，這可以替代實施例的蒸氣壓縮冷凍系統來冷卻NaX床並同時在充電周期中吸附空氣。 在當需要時這樣的環境熱源並不總是可用的情況下，當可用時該熱與當對設備充電時產生 的熱一起可以被存儲作為顯熱或潛熱形式，並且用於彌補由於不完全熱傳遞導致的任何能 量損失。也可以減小對於高佔空比所需的變溫的大小，並且因而通過使用溫度和壓力變溫 的一些組合替代上述AE-CAES實施例中的純變溫，必須將熱量從用於空氣的吸附劑中攝取 和返回至用於空氣的吸附劑。發明人理解所有的這些變化能夠極大地改善在許多不同的潛 在應用中AE-CAES設備的建造和/或操作的經濟性。
權利要求
一種能量存儲設備，包括多孔材料，用於吸附空氣；壓縮機，其中所述壓縮機將機械能轉換為受壓空氣和熱，其中所述受壓空氣由所述多孔材料冷卻和吸附；箱，用於存儲受壓和吸附的空氣；馬達，所述馬達被驅動以通過允許所述空氣在驅動馬達時被釋放和膨脹來恢復存儲作為壓縮和吸附的空氣的能量。
2.根據權利要求1所述的能量存儲設備，其中所述受壓空氣被冷卻，並且被冷卻的空 氣由所述多孔材料吸附。
3.根據權利要求1所述的能量存儲設備，其中所述多孔材料對所述受壓空氣的吸附 產生熱，同時控制所述多孔材料和周圍空氣的溫度使得在吸附處理過程中壓力保持基本恆 定。
4.根據權利要求1所述的能量存儲設備，其中當用於空氣的吸附劑的溫度到達其最小 值時，在所述能量存儲設備中存儲作為壓縮和吸附的空氣的能量的量被最大化。
5.根據權利要求1所述的能量存儲設備，其中當用於空氣的吸附劑的溫度到達其最大 值時，在所述能量存儲設備中存儲作為壓縮和吸附的空氣的能量的量達到其最小值。
6.根據權利要求1所述的能量存儲設備，其中所述馬達是渦輪。
7.一種能量存儲設備，包括多孔材料，其中已經吸附了適當的流體；壓縮機，將機械能轉換為受壓空氣和熱；電池，其中通過允許所述熱流經所述電池來冷卻所述受壓空氣，其中所述熱被傳送到 已經吸附了流體的所述多孔材料；其中所述熱升高所述多孔材料的溫度，使流體從所述多孔材料釋放。
8.根據權利要求7所述的能量存儲設備，其中當釋放所得到的蒸氣時，已經以潛熱形 式存儲所述熱。
9.根據權利要求7所述的能量存儲設備，其中在所述蒸氣冷凝時所釋放的熱被存儲在 吸熱設備中，並且通過使用熱來蒸發所述適當的流體而恢復所述熱。
10.根據權利要求8所述的能量存儲設備，其中所得到的蒸氣被帶回與所述多孔材料 接觸並由所述多孔材料再吸附，所述潛熱被轉回顯熱形式，並且經過所述電池被傳送回使 得膨脹空氣不進一步冷卻的地方。
11.根據權利要求7所述的能量存儲設備，其中通過使用馬達將所述熱轉換為更高的 空氣壓力，並且將所述受壓空氣中的能量恢復。
12.根據權利要求11所述的能量存儲設備，其中所述馬達是基於混合器_噴射器原理 的空氣渦輪。
13.一種能量存儲設備，包括多孔材料，用於吸附空氣；熱能存儲系統，用於存儲熱；壓縮機，用於將機械能轉換為受壓空氣和熱；其中所述受壓空氣由所述多孔材料冷卻 和吸附；其中通過允許所述熱流經防止受壓和吸附的空氣洩漏的電池，控制所述多孔材料和周 圍空氣的溫度；熱能存儲系統，其中所述熱被引導至所述熱能系統並在所述熱能系統中存儲；以及 箱，用於存儲受壓和吸附的空氣，並且當需要時通過允許空氣釋放和膨脹來恢復所述 箱所包含的能量。
14.根據權利要求13所述的能量存儲設備，其中所述熱以顯熱形式存儲。
15.根據權利要求13所述的能量存儲設備，其中所述熱以潛熱形式存儲。
16.根據權利要求13所述的能量存儲設備，其中釋放和膨脹冷卻所述空氣和所述多孔 材料，使得顯熱經過所述電池從所述熱能存儲系統流回。
全文摘要
在本發明的實施例中，提供了能量存儲設備。所述能量存儲設備包括吸附空氣的多孔材料和壓縮機。所述壓縮機將機械能轉換為受壓空氣和熱，並且受壓空氣由多孔材料冷卻和吸附。所述能量存儲設備還包括用於存儲受壓和吸附的空氣的箱和馬達。該馬達被驅動以通過允許空氣在驅動馬達時被釋放和膨脹來恢復存儲作為壓縮和吸附的空氣的能量。
文檔編號F01K25/00GK101970833SQ200980107352
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月16日 優先權日2008年3月14日
發明者蒂莫西·F··哈弗爾 申請人:能量壓縮有限責任公司