吸附增强压缩空气蓄能的利记博彩app

专利名称：吸附增强压缩空气蓄能的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及蓄能的领域。具体地讲，本发明的公开针对的是一种蓄能装置，蓄能装置包括了包含着用来吸附空气的多孔材料的压力室。
背景技术：
压缩空气蓄能以其首字母缩略词“CAES”而众所周知。在一些CAES装置中，空气压缩机由电动机驱动，并随后用于对连接到电磁发电机的空气发动机或涡轮机进行驱动，由此形成电化学电池的功能等同物。如果足够缓慢地执行充电-放电循环以使其近似地等温 (意味着由压缩产生的热量发生耗散、而不会在压缩期间显著升高空气的温度，并且从环境吸收/汲取的热量同样在膨胀期间防止空气显著地冷却)，则这种形式的电力储存能够具有良好的效率。CAES系统也能够设计为与化学电池相比具有更高的可靠性、更低的维护和更长的工作寿命，并且如果存在有便宜的存储压缩空气的方式可用，则CAES系统的成本能够与基于电池的系统相当。不幸的是，所制造的用以在其中存储空气的压力容器(诸如，钢罐)的高成本、重量和大尺寸阻止了 CAES装置在所有它们的通常应用中与电池竞争。迄今为止，CAES已用于三种商业目的。第一并且最广泛的用途不是作为蓄能方式自身，而是用以在车间和工厂中驱动气动工具和机器。与电动工具相比，气动工具具有更高的重量功率比，并且与驱动空气压缩机的较大电动机相比这些工具中的小型电动机也趋于为效率较低的。压缩空气存储在罐中，所述罐足够大以用作缓冲器并确保系统中的压力保持恒定。这些系统的总体效率由于这样的事实而受到限制它们丢弃/排出压缩的热量，并且在空气的快速膨胀期间不重新加热空气。通过使用适度的压力(通常小于十个大气压) 来限制这种低效率，这也减小了这种CAES系统的资本成本。CAES的第二用途是例如用于在计算机数据中心或医院中、在电力故障的情况下保持必要机器运行的临时备用电源。在这种情况下，占地面积的需求很大，需要使用一百或更多的大气压的压力以获得相对较高的能量密度，但由该系统的高可靠性和它能够在电力故障的情况下立即提供的高功率，则证明了用于压缩空气的高压钢存储罐的成本合理。随后， 如果需要，则能够使更长期的备用系统(像是柴油发电机)在线工作。虽然从电化学电池能够获得相同的功能，但能够提供足够功率的电池系统也将会必须存储比在等待长期备用系统进入在线工作状态同时所需要的能量更多的能量，这使得电池变为相对比较昂贵的解决方案。CAES系统还需要更少的维护，具有更长的寿命，并且不具有与对环境有危害的化学品相关联的处理成本。其它这种短期备用电源解决方案包括同样相对比较昂贵的超级电容器和飞轮。所述CAES已被投入使用的第三商业用途是降低由公用公司发电和/或分配供电的成本。这能够以若干种方法实现，其中最常见的方法是增强中心发电容量或装机容量。大型中心发电厂(诸如，煤电厂和核电厂)的停止和启动很昂贵，而较小的发电厂(诸如，燃气涡轮机)容易关闭和开启，但运营成本相对比较昂贵。因此，如果来自大型发电厂的能量能够在需求低时被存储并且在需求高时用于发电，则能够减少安装和运营小型峰值负荷发电厂的需要，由此也减少发电的平均或“均衡/平准(levelized)”成本。

发明内容
在本发明的实施例中，提供了一种蓄能装置。该蓄能装置包括吸附空气的多孔材料和压缩机。压缩机把机械能转换成加压空气和热量，并且加压空气由多孔材料冷却并吸附。该蓄能装置还包括用于存储经加压并且受吸附的空气的罐和电动机。通过在驱动电动机的同时允许空气解除吸附和膨胀，则驱动了电动机以恢复存储为经加压并且受吸附的空气的能量。在本发明的另一实施例中，提供了另一种蓄能装置。该蓄能装置包括多孔材料，在该多孔材料中已吸附合适的流体。该装置还包括把机械能转换成加压空气和热量的压缩机和屏障。通过允许热量流经屏障来冷却了加压空气，热量被传送给已吸附了流体的多孔材料，并且热量使多孔材料的温度升高，引起流体从它解吸附。通过允许流体再吸附到多孔材料，热量被恢复、并用于防止膨胀空气的温度下降并且降低当装置驱动电动机的同时所做的功。在又一实施例中，提供了另一种蓄能装置。该蓄能装置包括吸附空气的多孔材料和存储热量的热能存储系统。该装置还包括把机械能转换成加压空气和热量的压缩机。加压空气由多孔材料冷却并吸附，并且通过允许热量流经防止经加压并且受吸附的空气泄漏的屏障来控制多孔材料和周围空气的温度。热量被引导到热能系统并存储在那里。另外， 该装置包括对经加压并且受吸附的空气进行存储的罐，并且通过引导存储在热能存储系统中的热量通过屏障、并且引起空气解吸附、且允许它在该过程中膨胀并做功，则在需要时恢复罐包含着的能量。


示例性实施例和相关外推实验数据被图示在图1至11中。第二示例性实施例和另外的外推的实验数据被图示在图12至23中。图1描绘沸石NaX上的空气的主要成分的吸附等温线；
图2描绘了氮分子数与氧分子数之比与在氮氧压力之比具有固定值4. 0的情况下的氮压力之间关系；
图3是吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的示意性示图，显示充电过程的前半部分期间的这些流；图4是吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的示意性示图，显示充电过程的后半部分期间的这些流；
图5是吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的示意性示图，显示放电过程的前半部分期间的这些流；
图6是吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的示意性示图，显示放电过程的后半部分期间的这些流；
图7是更详细地图示出吸附增强压缩空气蓄能实施例在充电过程的前半部分期间如何工作的工艺流程图8是更详细地图示出吸附增强压缩空气蓄能实施例在放电过程的后半部分期间如何工作的工艺流程图9是温度控制室中的空气吸附圆筒的阵列的三维图10是分别在充电过程的前半部分和放电过程的后半部分期间进行了准备工作并用来提升所存储的热量的吸附热泵的三维图11是用于在放电过程期间恢复存储为压缩空气、吸附的空气和热量的能量的混合器-喷射器空气涡轮机的三维图12描绘从公布的数据外推的在四种不同温度的沸石NaX上的空气的吸附等温线； 图13描绘作为固定工作压力的函数的、基于在-40到100°C温度摆动(temperature swing)范围上的图12的等温线的、NaX片床预期存储能量的密度；
图14描绘第二吸附增强压缩空气蓄能实施例的存储循环的四段，以及实施例的主要热存储库之间的热量的流动；
图15是图示出存储循环的第一段(或者充电过程的前半部分)期间第二吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的简化工艺流程图16是图示出存储循环的第二段(或者充电过程的后半部分)期间第二吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的简化工艺流程图17是图示出存储循环的第三段(或者放电过程的前半部分)期间第二吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的简化工艺流程图18是图示出存储循环的第四段(或者放电过程的后半部分)期间第二吸附增强压缩空气蓄能实施例中的质量和能量流的简化工艺流程图19是显示第二吸附增强压缩空气蓄能实施例的关键子系统的内部结构和存储循环的第一段期间它们之间的质量流的详细工艺流程图20是显示第二吸附增强压缩空气蓄能实施例的关键子系统的内部结构和存储循环的第二段期间它们之间的质量流的详细工艺流程图21是显示第二吸附增强压缩空气蓄能实施例的关键子系统的内部结构和存储循环的第三段期间它们之间的质量流的详细工艺流程图22是显示第二吸附增强压缩空气蓄能实施例的关键子系统的内部结构和存储循环的第四段期间它们之间的质量流的详细工艺流程图23描绘另一存储循环的压力-体积示图，其中通过在膨胀之前以恒定体积对完全充电的NaX床进行加热来捕获了一些外部热量，由此补偿在三阶段的绝热压缩和膨胀过程中的能量损失，其中每个阶段之后分别跟随着等压冷却和加热。
具体实施例方式本发明提供了用于在多孔材料中吸附的物理过程的用途，这在很大程度上改善了压缩空气蓄能(CAES)的经济效果。另外，本发明的公开内容提供了对于以压缩空气的形式存储能量、并且也可以用显热或潜热的形式存储一些能量的装置的几种改进。为了使用CAES以使中心发电容量变得有成本效益，压缩空气当前存储在地下地质存储库(诸如，天然含水层或人工废弃气井或油井)中而非存储在所制造的罐中。通过使用压缩空气对燃气涡轮机进行涡轮增压，进一步提高了经济效果，由此使涡轮机免于耗费对空气自身进行压缩的能量。这允许在从天然气产生另外的能量的同时恢复存储在待压缩空气中的能量。虽然用于涡轮增压所需的压力相当地高(大约50个大气压)，但涡轮增压允许在高功率水平提供存储的能量、并且以大约70%的总体效率恢复存储的能量。尚待在商业上部署的为了公用目的使用CAES的稍微不同的方法称为“高级绝热 CAES”。在AA-CAES中，在压缩期间从空气提取的热量被存储并且在空气驱动空气发动机或涡轮机时在膨胀期间重新加热空气。原则上，这允许恢复存储为热量以及存储为压缩空气的能量，因此AA-CAES的效率能够原则上接近100%。实际上，尤其在高功率水平，难以存储并恢复压缩的热量而没有显著损失。在迄今为止的所有提出的AA-CAES的实施例中，空气再次在高温的情况下存储在地下存储库中，并且热量通常以远高于200°C的温度以显热而非潜热形式存储。蓄能具有同样以若干其它方法减小电力设施的运营成本的潜力，但这些方法都尚未广泛使用。这些方法包括输电容量延迟和拥塞减少、各种辅助服务、批量电价套利和在终端用户级别的负荷转移或均衡/平准化。然而，在将来，蓄能的最有价值的用途很可能是可再生容量固化(renewable capacity firming)。可再生能源(诸如，风和太阳能)趋于是间歇性的，从而使得它们的容量随时间变化并且经常不足以满足电力需求。如果能量能够在容量超过需求时被存储、并且在需求超过容量时用来发电，则这些可再生能源将会变得更加有成本效益得多。前面应用中的任何应用中的现有CAES系统的主要缺点在于合适的地下存储库既不普遍又不可运输。如果有成本效益，则能够在任何地方组装并调节至那里的发电厂的尺寸的模块化系统将会更加有益于中心发电容量以及可再生容量固化。另外，如果可以为电网上较接近变电站(substation)或终端用户的精选的适当位置提供便宜、独立/成套自持的(self-contained) CAES系统，则CAES能够提供上述其它成本减少服务中的一些或全部。这种CAES系统当前并非有成本效益的主要原因再一次在于制造的用于压缩空气的存储罐的高成本。应该注意的是对于一阶近似，罐的成本与存储空气的压力无关，因为升高压力允许罐被制造得更小、但要求它的壁成比例地变得更厚，反之亦然。一种未引起许多关注的使CAES系统更加经济的方法在于利用这样的事实空气的压缩和膨胀是把热量从一个地方泵送到另一个地方的容易的方式。这意味着能够容易地开发CAES系统以向终端用户提供组合的热量、冷却和电力。如果这种CAES系统安装在例如存在着每日时段电价的家庭或公司中，则它能够在电相对比较便宜的夜间期间充电、 而同时把热量提供给建筑物，并且它产生的电在峰值白天时间期间被使用或卖回给电网并且同时还提供空气调节。在冬天期间，当不需要冷却时，平板太阳能收集器能够用于对水加热，并且这种热水用于在膨胀期间为空气提供热量，在仅有限增加成本的情况下显著增加功率输出。这种系统的经济效果将会取决于许多因素，包括公用事业收费、主要气候，当然还包括储气罐的成本。通过合适的多孔材料(诸如，活性碳、硅胶或沸石)中的吸附能够实现气体和热量的存储。在存在这种材料的情况下更容易存储气体，因为吸附相比自由气体密得多，因此减小了在给定压力的情况下存储给定质量的气体所需的罐的体积，或者等同地减小了在给定体积所需的压力。另外，可以使用吸附剂材料以潜热形式存储热量，因为解吸附的过程消耗热量。通过允许吸附物(例如，水蒸汽)被吸附剂再吸附，可随后重新产生热量。另外，当解吸附的蒸汽的冷凝时释放的热量可以呈显热形式存储，并且通过使用它以促进冷凝物的蒸发并随后允许所获得的蒸汽进行再吸附，则可恢复该热量。这种装置能够包括吸附冷冻机或热泵。然而，在这些方法中的任何方法中尚未尝试使用吸附的过程以使CAES系统更便宜、更高效或可运输、更适合组合的热量-功率应用和/或更安全地部署。本发明以四种相互关联的方法提高压缩空气蓄能的经济效果。第一种方法是使用空气的吸附剂以便减小以压缩空气的形式存储给定量的能量所需的容器中的压力和/或容器的体积。第二种方法是水或某一其它合适流体的解吸附，可能与当由此所产生的蒸汽发生冷凝时释放的低级别显热的存储组合，作为存储压缩的热量的方式以便使AA-CAES更加经济。第三种方法是存储由空气的吸附产生的热量，可能还存储压缩的热量，并且在吸附剂材料和/或压缩空气膨胀时使用这种能量升高吸附剂材料和/或压缩空气的温度来在稍后时间恢复这种能量。第四种方法是CAES的新热力学循环，其中压缩空气的温度改变以便在充电/放电循环期间保持所存储空气的压力近似恒定。当如刚刚所述使用空气的吸附剂时这种“温度变化/摆动”循环尤其有益，并且当压缩和/或吸附的热量被存储以在随后例如借助于水或某一其它合适流体的吸附剂使用时它也适用。在基于吸附的气体分离过程中使用温度变化循环已广为接受(例如，参见USPTO公开No. 2006/0230930)。应该注意的是，能够通过压缩除空气之外的气体来存储能量，并且已提出使用吸附剂材料来增强这个过程的再生制动系统(例如，参见美国专利No. 7，152，932)。这具有这样的优点与空气相比，其它气体可能更加可压缩并且也可能更强烈地被普通吸附剂接收/吸收；与使用空气作为工作流体时的情况相比允许更密集地存储能量。这种系统和这里所考虑的那些系统之间的主要差异在于使用除空气之外的任何流体必需有一种能够再循环和重新使用该流体的封闭系统。相比之下，能够从环境自由地获取空气并且再次释放空气而没有环境后果。这导致开放系统，对于在终端用户、变电站或发电厂级别处的大规模蓄能而言，该开放系统更加经济。本发明描述了 在大规模、静止蓄能应用中空气的吸附剂的使用；作为存储压缩的热量的方式的水或某一其它合适流体的解吸附和/或空气的吸附；和使用温度变化循环的CAES系统。这些过程都不适合小规模、移动应用，诸如再生制动。虽然已知在某一程度上吸附着空气的氮和氧成分的若干种多孔材料，但本发明的吸附增强CAES实施例使用沸石材料以用于这个目的。在适度的压力和环境温度的情况下， 与氧相比，沸石更强烈地吸附氮，且因此已被广泛用于为了工业和医疗目的分离空气的氧和氮成分。然而，针对CAES，在感兴趣的相对较高压力，针对沸石或其它多孔材料对空气的吸附的详细研究很少。例如，沸石中的空气液化的温度-压力边界尚未被详细标出。这个过程(也称为毛细冷凝)未正常地在远高于吸附物气体的临界点(或者在空气的情况下在大约-140°C)的温度被观测。在有成本效益的吸附增强CAES装置中，将会难以实现这种低
ilm ο因此，由本发明公开内容所提供的多孔材料中的吸附的新用途是作为一种减小在给定压力和温度的情况下存储给定质量的空气所需的罐的体积的方式，或者可替代地用作通过减小在给定体积和在给定温度的情况下存储给定质量的空气所需的压力来减小罐的壁的厚度或制造罐的材料的强度的方式。通过把合适的多孔材料放置在保存压缩空气的压力室里面则可以实现这两种方案中的任一方案，其中与所述多孔材料自身在压力室中压缩空气的温度和压力所占据的体积相比，所述多孔材料吸附更大体积的空气。这种多孔材料由于以下的事实而存在在与固定于合适值的温度和压力的平衡状态下，处于吸附状态的空气分子与它们周围的气态空气相比具有极大地减小的移动性和高得多的密度。同样地，多孔材料中的吸附的另一新用途是像以上第一新用途一样，作为一种存储由压缩空气的过程产生的热量和/或由空气的吸附的过程产生的热量的方式。通过将吸附水或某一其它合适流体的多孔材料设置成与空气压缩机和/或压力室处于热接触、但位于空气压缩机和/或压力室外面，实现了这种第二新用途。第二新用途的多孔材料不需要是与第一新用途的材料相同种类的材料。热量增加了这种多孔材料的温度，并因此促进水或其它流体从它解吸附。在分子级别，这个过程把动能转换成势能，通过防止由解吸附产生的蒸汽回复为与多孔材料接触并被再吸附，可随后无限期地存储势能。这一点可以这样描述热量已被以潜热形式存储。从压缩空气到第二新用途的多孔材料的热量的传递降低了压缩空气的温度，由此也减小了进一步压缩它所需的功、以及存储它的罐的尺寸或强度。类似地，当从第一新用途的多孔材料传递吸附的热量时伴随发生的第一新用途的多孔材料的冷却增加了它在任何给定压力的情况下吸附的空气的量。为了以显热形式恢复存储的潜热，由流体的解吸附产生的蒸汽必须在需要时可用于再吸附。不幸的是，由蒸汽占据的大体积使得难以以该形式存储，并且，压缩或冷凝它使得以显热的形式释放较小但仍显著量的能量。然而，可以存储这种显热，并随后使用蒸汽的膨胀或液体的蒸发的过程获得这种热量并因此重新产生蒸汽。这样操作(替代于直接以显热形式存储由空气的压缩和/或吸附所产生的热量)的优点在于这样的事实在前一情况下，显热在能够更容易地被隔热而防止损失的低温的情况下包含于材料中。尽管通常难以获得这种低级热量(即，传递到需要它的地方)，但膨胀或蒸发的过程用于冷冻这种材料， 因此与采用其它方式的情况相比更快速并且有效地从它抽取/泵送热量。原则上也能够通过使用压缩空气作为制冷剂直接实现这一点，但难以既把大量低级热量从固体或液体材料传递到膨胀的空气又同时捕获所产生的机械能。还耗费能量以把低级热量转换成便利快速膨胀和/或促进空气的解吸附所需的高级热量。不管如何获得需要的蒸汽，通过将第二新用途的多孔材料设置成与空气发动机或涡轮机处于热接触并且同时允许水或其它流体蒸汽再吸附到它，则可以用机械形式恢复潜热、以及能量存储为压缩和/或吸附的空气。当压缩空气在空气发动机或涡轮机中膨胀时， 产生为水或其它流体再吸附的显热被传导或以其它方式传递到压缩空气，从而升高了它的温度和压力以使得它更有用地做功。同时，这种热量的传递冷却了第二新用途的多孔材料， 并因此进一步促进水或某一其它合适流体自发再吸附到它。类似地，从这个多孔材料到第一新用途的多孔材料的热量的传递在压力室中的压力的情况下促进空气从它解吸附，并且这种压缩空气可如刚刚所述般随后经由空气发动机或涡轮机被转换回到机械能。当多孔材料为了这两种新用途中的任一用途被包括在CAES装置中时，将把所获得的过程称为吸附增强CAES或AE-CAES、并且把蓄能装置自身称为AE-CAES装置或 AE-CAES 系统。本发明公开内容还为已广泛用作分离流体混合物的方式的温度变化吸附的工业过程提供新用途。在这个过程中，空气和吸附空气的多孔材料的温度在对CAES装置充能量时降低、并且在对CAES装置释放能量时再次升高，一直以保持压力室中的压缩空气的压力近似恒定的速度来泵入空气或允许空气离开压力室。恒定气压将会简化任何CAES装置的构造和操作，但对于本发明的目的而言更重要的是这样的事实温度变化过程是增加由任何给定量的如第一新用途中的多孔材料所存储和释放的空气的量的方便的方式。它实现这一点是因为，由绝大部分已知多孔材料吸附的气体的量随其温度升高而快速减小，反之亦然。因此，如果当AE-CAES装置处于它的充电状态时获得的最小温度足够低以确保在装置的工作压力的情况下主要由空气使多孔材料饱和、而当AE-CAES装置处于它的放电状态时获得的最大温度足够高以确保在装置的工作压力的情况下使多数空气从该材料解吸附，则至少在不需要变为次气压的昂贵并且耗能的方法的情况下，与若已使用压力变化循环相比，将会从选择的第一新用途的多孔材料获得更大的益处。这包括具有恒定温度、或者具有在放电状态下达到其最小温度并且在充电状态下达到其最大温度的压力变化循环的自发温度变化的压力变化循环。对于以上给出的吸附的物理过程的两种新用途中的每种新用途，存在各种多孔材料，通过所述各种多孔材料，可构造本发明的有用实施例。在现在将要详细描述的AE-CAES 实施例中，第一新用途由称为NaX的沸石实现。这是广泛可用的包含钠离子的八面沸石类型的沸石，它通常按照13X的商业名称销售。按照摩尔分数，干燥空气为大约78%氮、21%氧和1%氩。像多数天然存在的沸石和 /或可商购获得的沸石一样，与氧或氩相比NaX更强烈地吸附氮，即，在摩尔基础上，当在给定压力和温度(一至少在通常为净化氧或氮的目的所考虑的相对较低的压力)而放置在这些纯净气体中时与氧或氩相比它吸附更多的氮。另外，氧和氩主要被吸附在NaX孔壁上的化学相同部位并且也具有类似的吸附等温线，而氮主要被吸附在不与氧和氩的部位重叠的不同部位处。因为这些事实，可以通过在下面把空气的氩部分视为好像它是氧来简化分析， 并且这不会产生足够大以使原理无效的任何错误，AE-CAES实施例应该是示例。另外，以上观测与由E. A. Ustinov (Russ. J. Chem. 81，246, 2007)提供的实验数据一起显示可假设所吸附的氮的量独立于吸附的氧(和氩)的量，反之亦然。已在直至大约4个大气压的压力以及在-70°C和50°C之间的四个明显分开的温度测量出氮、氧(和氩)吸附到NaX的完整等温线(参见G. W. Miller, ALChE Symp. Ser. 83，28，1987)。通过拟合这些数据确定的Sips和Langmuir等温方程中的参数值也在该论文中给出，并且可用于把这些测量结果外推至更高的压力。图1描绘在四种不同温度以及在直至20个大气压的压力的情况下利用公知为NaX 或13X的可商购获得的沸石的空气的主要成分(即，氮和氧)的吸附等温线。从Sips等温公式获得的氮的等温线被利用实线描绘，而从Langmuir等温线(Sips的特殊情况)获得氧的等温线并且氧的等温线是利用虚线描绘的。因此显示的图表把Miller的数据外推至有成本效益的吸附增强压缩空气蓄能装置所需的更高的压力。图2描绘针对在与图1相同的四种温度的压力的吸附到NaX的氮分子数与氧分子数之比，其中在图表上的每个点处的氧的压力为氮的压力的25%并因此近似等于在125%氮压力的空气中的氧的分压。使用图1中显示的外推等温线计算这些比值。水平虚线显示这个比值具有值4.0的位置，从而该吸附比值近似等于空气中氮和氧的分压之比。由垂直虚线指示的在_40°C的温度处的对应压力预期为用于基于具有_40°C的最小温度的温度变化循环的吸附增强压缩空气蓄能的实施例的合理地有成本效益的氮分压。这是因为与在更低压力和更高温度下实现的情况相比，变为更高压力或更低温度将会以更低的速度增加吸附的空气的量，从而使得通过使用NaX吸附剂获得的成本效益比将会变得没那么有利。图3至8显示完整AE-CAES(吸附增强压缩空气蓄能)实施例的示意图。这些示图是公知工艺流程图的图形版本以及由工程界广泛使用的化学和材料加工系统的常见的机械、流体和电气部件的相关联符号。工艺流程图不应该语气作为用于特定设计的蓝图，而是允许化学和材料加工领域的普通技术人员使用这种标准部件设计出能够再现特定工艺的系统。这些示图因此提供了描述本发明的合适方式，该方式提供工艺，根据所述工艺，可使用多孔材料中的吸附而非特定装置或设计来增强CAES系统。在采用的部件并非完全标准的实施例的那些部分中，给出更详细的附图，并且这些附图已放大显示于图9至11中。图3至6在AE-CAES系统的充电-放电循环中的四个点处通过AE-CAES系统的示例性实施例给出主要质量和能量通量的高级示图。图3显示在充电过程的开始时的这些通量，此时经加压的NaX床1在100°C附近、并因此具有吸附于它的最小量的空气，而主要利用水使未加压的NaX床41饱和。图4显示通量如何在充电过程的大约一半改变，此时加压 NaX床1的温度已降至主要的周围空气温度、并且未加压NaX床41已失去它的大部分水。 图5显示在放电过程的开始时的通量，此时加压NaX床1处于-40°C并因此具有吸附于它的最大量的空气，而未加压NaX床41仍然是热的并且干燥。图6显示这些通量如何在放电过程的大约一半改变，此时加压NaX床1的温度接近周围空气温度并且水蒸汽现在正被载运至未加压NaX床41以产生完全放电所需的热量。图7显示在充能量的过程的开始时的AE-CAES实施例的更详细示图(比较图3)， 此时吸附热泵的未加压NaX床41正被加热以赶走所吸附的水。图8显示放电过程的中间点之后的同一实施例(比较图6)，此时水蒸汽正被传递通过未加压NaX床41以产生完全放电所需的高温。图9显示压缩空气存储模块的剖视放大图，该模块在用于控制温度的冷凝 /汽化室4内包含以沸石片1填充的圆筒2。图10显示出包含着用于存储由空气的压缩和吸附所产生热量的沸石床41的吸附热泵40的放大图，吸附热泵40包括了用于确保在充电期间把水蒸汽运送到它外面的大气在大致上使在放电期间把水蒸汽运送到它里面的空气流变为反向的折流器42，以实现最大效率。图11显示包括标记为5354和55的部件的混合器/喷射器空气涡轮机的放大图，该混合器/喷射器空气涡轮机用于在放电过程期间把存储为压力和存储为热量的能量转换回为机械能。前面的假设与图1中以图形表示的外推一起暗示了 在_40°C和10个大气压的情况下，吸附的氮与氧的量之比将会是大约4 (图2)。由于这也是大约空气中氮与氧的分压之比、并且NaX在这个温度和8个大气压的情况下主要利用氮而饱和，所以吸附的空气的量不CN 102459848 A说明书9/25 页
应该在更高压力或更低温度的情况下大量增加。AE-CAES实施例因此运用了当装置完全充满能量时获得的_40°C的最小温度，以及10个大气压的工作压力。类似地，图1中所示的近似和外推暗示了 在10个大气压和的情况下， 在_40°C吸附的氮的34. 5%和74. 5%氧已被解吸附，而在50°C，这些百分数分别为53. 5%和 82. 5%。因此，如果在10个大气压的情况下上升到100°C，则至少75%的氮和基本上所有的氧将已被解吸附。这继而暗示了 在_40°C吸附的全部空气的至少80%将会在100°C解吸附。因为超过100°C将会使装置变得更复杂和昂贵，所以AE-CAES实施例运用了当装置被完全放电时所获得的100°C的最大温度，如刚刚所讨论，这暗示了 AE-CAES实施例中的至少 80%的占空比。在-40°C和10个大气压的干燥空气下，我们的近似和外推等温线进一步指示出 每千克的无水结晶NaX，NaX将会分别吸附4. 24和1. 14摩尔的氮和氧。在24. 8升的周围空气的摩尔体积和1.53 Kgr/L(Kgr/L=千克/升)的结晶NaX的密度的情况下，这意味着 在这些条件下，每升的NaX将会吸附大约204 L的周围空气。在_40°C和一个大气压的情况下为大约160 L的空气，或者在这个温度和10个大气压的情况下为16. 0 L的空气。然而，并非使用微晶粉末进行工作，有必要借助于导热的粘合剂把NaX形成为将会允许空气容易地流经装置中所使用沸石床的片，所述导电的粘合剂也将会能够实现通过沸石床的迅速的热传递。典型地，这些片按照体积为粘合剂的大约20%，并且能够按照体积以大约80%的密度被填充，因而把在工作压力和最小温度的情况下所吸附的空气的体积减小到每升的NaX片大约0. 82X 16. 0=10. 25L。考虑20%空隙率(void fraction)，在平衡状态，在填充了 NaX片的床并且充满着处于-40°C和10个大气压的空气的罐中，空气的总量将会因此是在相同温度和压力的情况下在相同罐中所存储的空气量的10. 45倍。与以上保守估计的80%占空比一起，这导致了制造能够在AE-CAES实施例的工作压力和最小温度的情况下存储和释放给定量的空气的罐所需的结构材料的量减少为原来的1/8. 35。前面的计算显示当完全充电时，AE-CAES实施例中的每立方米的NaX片床将会存储大约133立方米的周围空气。假设在操作该装置的同时完美地存储和恢复热量，但再次假设80%占空比，则把这么多空气等温压缩到10个大气压所需的功在每立方米的沸石床中为24. 5 MJ/M3或6. 8千瓦小时。AE-CAES实施例中的沸石片床的体积能量密度因此为典型铅酸电池的体积能量密度的大约十分之一。在下面讨论了实践中能够恢复这种能量的效率。在继续讨论AE-CAES实施例的其余部分之前，我们将会估计由空气吸附到NaX床所释放的热量、以及仅为了把它的温度降低140°C而必须从它获取的热量的量。Miller(在上述引文中)已估计在实施例中所运用的负荷的范围上氮吸附到NaX的热量为18. 87 KJ/ (mol K)，而氧吸附到NaX的热量为大约13.09 KJ/(mol K)。因此断定，吸附4. M摩尔的氮和1. 14摩尔的氧所释放的能量为94. 9 KJ(KJ=千焦)。考虑由于我们使用经填充的NaX 片床所导致的减小并且如以前一样假设80%占空比，这结果为大约48. 6 MJ(兆焦)或13.5 KWHr/M3(每立方米千瓦小时)。这是每立方米能够存储和恢复的能量的量的大约两倍。虽然E.A. Ustinov (在上述引文中)发现了在10个大气压的情况下氧吸附到NaX的稍微低一点的热量、以及氮吸附到NaX的热量的一些下降；但很清楚的是，在AE-CAES的合理高效实施例中必须存储和恢复吸附的热量的大部分。
然而，吸附的热量将会显著小于在140°C的温度变化范围上对NaX床自身进行冷却和重新加热所需的显热。该床的特定热容量将会随如何制备所述片而变化并且在某一程度上随温度而变化，但典型地为大约1 KJ/(Kgr K)的数量级，这与以上关于片的填充密度的假设一起指示了大约1 MJ/(M3K)的体积热容量。把它乘以140并转换成千瓦小时得出 38. 9，这比每立方米所存储和恢复的能量大得多。幸运的是，如我们将会见到的，容易恢复把NaX床的温度从环境温度升高到100°C所需的相对较高级的热量，并且一旦空气已被从压力室去除并且通向它的阀门已关闭就当然不必保持高温。类似地，为了把床的温度从环境温度下降到_40°C而必须去除的相对较低级的热量不需要被存储和恢复，因为在对装置放电的同时能够容易地从环境获得该热量。我们现在转向在AE-CAES实施例中用于完成所有以上任务的机构。现在参照图7和8中显示的示意图，我们首先指出由把示图切分成两部分的空白间隙所分开的平行虚线意在指示出所述装置的规模/尺度在某种程度上是任意的，并且在实践中主要通过它如何被运输到它的位置并使用而得以被确定。然而，纯粹为了讨论起见， 我们将会经常在下面的描述中使用一兆瓦小时作为每模块所存储的能量的量。这将会需要大约145 M3的NaX片(示图中的水平-垂直交叉阴影线)。从图9的附图中可以看出，AE-CAES实施例的NaX沸石片1被填充到圆筒2中，带孔的中空管3从位于每个圆筒的底部处的孔一直延伸到圆筒的另一端。这个管允许压缩空气(示图中的从左到右的向上倾斜的阴影线)在对AE-CAES装置充电时快速地从位于圆筒的底部处的口穿过它的全部长度，并在对AE-CAES装置放电时再次退出。结果，圆筒的长度不是关键性的，但它们的直径应该足够小以允许空气从管3中的孔通过NaX床1快速扩散到圆筒2的表面、以及允许当空气吸附时产生的热量的快速扩散。主要因为它们大批量生产并因此可以以低成本获得，所以AE-CAES实施例使用的圆筒类似于但不长于通常包装着饮料(像是Coca Cola )的铝罐。铝比钢更加昂贵，但更容易形成为这种圆筒、更加耐腐蚀并具有更高的导热性，但是为了包含十个大气压则将会需要比典型铝罐的壁稍微厚一些的壁。如此，实施例中的圆筒2的直径将会是6. 0厘米，而沿着它们的中心的带孔的管3在内径方面需要至多0. 5厘米、并由钢制成以便为填充的圆筒提供结构支撑。空气和热量必须通过其扩散以便到达圆筒的表面的距离因此仅为大约2. 75 厘米。当然，对于本发明而言，圆筒的精确尺寸、制造它们的材料，甚至包含NaX片床或其它多孔材料的压力容器的圆筒形状，都不是必要的。圆筒2继而被包含在室中，所述室具有能够在AE-CAES实施例的温度变化范围上承受适度压力并且被抽空的隔热壁4。这个室用来包含热传递流体，热传递流体继而用于控制压缩空气和圆筒2里面的NaX床1的温度、并因此实现所运用的温度变化循环。所述室的几何形状、圆筒2在所述室内布置的方式都不是关键性的，但为了经济性起见，在允许热传递流体自由地流经圆筒的同时，填充应该尽可能密集。在图9中，显示了直径1.25 M的温度控制室，该温度控制室包含108个圆筒，每个圆筒为1. 0 M长并布置在方格网上，方格网的点分隔开0. 1 M，对于每个室而言一共有大约0. 21 M3的NaX床。将会需要690个这种室以存储一兆瓦小时的能量。在这个AE-CAES实施例中，向具有壁4的室传送热量和从室传送热量的流体是甲醇。这在环境压力和_40°C (在温度变化循环上达到的最低温度)的情况下是液体，而它在环境压力和100°C (达到的最高温度)的情况下是气体。它还具有高的汽化热(在这个温度范围上平均大约36 KJ/摩尔)，并且通过控制具有壁4的室中的压力则能够把它的精确沸点设置为介于-40和100°C之间的任何值。具体地讲，在一个大气压的压力的情况下甲醇的沸点是64. 7°C，并且如果我们假设它的汽化热不取决于压力，则我们可以使用 Clausius-Clapyron方程显示它的沸点在3. 6个大气压将会是100°C、并且在231. 5帕(大气压的大约0. 2%)将会是-40°C。这些适度的温度和压力允许室的壁4由也将会提供一些必要的隔热的耐热酚醛树脂或环氧树脂所形成的便宜的玻璃纤维复合物制成。当然，可以采用其它实施例，其中除甲醇之外还有流体用于传递热量，和/或其它材料用于室的壁4。当对AE-CAES实施例充电时，通过控制阀10从密闭地密封的并且隔热的罐15抽吸液体甲醇(较重的从左到右向下倾斜的阴影线)，并且从位于具有壁4的室的顶部中的喷嘴8以所规划的速度喷洒液体甲醇，如图7中所示。这种甲醇的一部分发生汽化、并通过周围散布着喷嘴的口 9而离开室，而剩余的液体甲醇(现在针对室中的压力处于它的沸点) 沿圆筒2的侧部而流下、并在沿圆筒2的侧部流下时从它们蒸发/汽化，由此冷却它们以及它们包含着的NaX床1。由这个过程产生的另外的甲醇蒸汽(较轻的从左到右向下倾斜的阴影线)上升并如以前一样通过口 9离开室，而到达室的底部的任何液体甲醇流入到位于底部的排出管6中、并因此流回到小的密封保存罐7以重新使用。相比之下，当对AE-CAES实施例放电时，阀10关闭，另一控制阀11打开，并且存储罐15中的甲醇通过罐里面的热交换器16由经过的热水(图中较重的对角交叉阴影线)加热。所获得的甲醇蒸汽通过位于罐15的顶部的口 14离开罐15，并流经一种通向位于具有壁4的室的底部处的带孔的管5的网络的管路。甲醇蒸汽随后上升并在圆筒2的表面上冷凝，在由室中的现行主导压力所确定的温度的情况下把它的汽化的热量传递给圆筒2的表面。这继而使得NaX床1的温度朝着它的所希望的值增加，而同时经冷凝的液体甲醇再次通过排出管6流出室并流入到保存罐7中。简单的正排量泵12随后经由当前打开的阀13 把它返回到罐15以重新使用，如图8中所示。在对AE-CAES实施例充电的同时，如图7中所示，具有壁4的室中的压力经由压缩机19而得以减小，甲醇蒸汽通过阀18从口 9流入到压缩机19中。它以高压和高温离开压缩机19，并流入到隔热罐20中的热交换器21中，在热交换器21中，它由处于环境压力的水流而冷却到大约100°C的温度。甲醇蒸汽随后经过允许它膨胀、进一步冷却并极大程度地冷凝的减压阀24，并从那里通过打开的阀17返回到存储罐15以重新使用。以这种方法，通过空气吸附到NaX床1而产生的热量被传递到经过罐20的水或蒸汽(图中的对角交叉阴影线)。许多种类的压缩机能够用于19，并且根据下面的技术因素主要按照经济的理由确定精确的选择。为了针对沸水的高效热传递，压缩的甲醇蒸汽应该具有远高于它的温度，例如 150°C。根据1. 3的甲醇的绝热指数，因此，在充电过程早期，当甲醇蒸汽以3. 6个大气压的压力和100°C的温度进入压缩机19时，将会仅需要把压力增加到大约1. 7倍或增加至6. 2 个大气压。然而，在充电过程晚期，当具有壁4的室中的压力和温度分别下降到231. 5帕和_40°C时，将会需要把甲醇蒸汽压力增加到几乎13. 3倍，导致仍然仅为0. 03个大气压的压力。这个冷却系统的性能的系数的Carnot限制在具有壁4的室中的温度为100°C的开始时是无穷大，但在它已下降到-40°C的充电过程的结束时仅为1.66。根据我们早期的关于在充电期间也必须从NaX床1去除的大量显热的讨论，一旦性能的理论系数下降到低于大约3 (当NaX床温度达到7°C时发生这种情况)，以能够随后用于产生高温的形式存储来这种热量、以及由吸附释放的更少量的热量都将是不再有益的。现在将再次讨论这个议题 (比较图3和4)。在接下来描述热量去了哪里之前，我们首先考虑这样的过程通过该过程，当对 AE-CAES实施例充电时空气被压缩到十个大气压，且同时从它去除很多压缩的热量。由于它们的高效率，在AE-CAES实施例中，由呈串联的两个标准离心压缩机沈和观实现这一点， 每个压缩机沈和观在冷却回至环境之后把空气的压力增加到3. 16倍(十的平方根)。空气过滤器和干燥器25用于在空气进入第一压缩机沈之前从空气去除特定物质和水蒸汽。 使用1.4的空气的绝热指数，可以显示出每个压缩阶段将会从环境温度开始把空气的绝对温度增加至1.39倍或者增加到大约140°C。根据20. 77 J/(mol K)的空气的恒容积的热容量，在两个阶段上的压缩的热量因此是每立方米的压缩到十个大气压的周围空气为M 瓦小时、或者是将要存储的总能量的83%。当空气离开两个压缩机沈和28中的每一个时，空气被冷却。使用泵39来驱动冷水流分别经过位于两个压缩机26和观的出口中的逆流热交换器27和四来实现这一点。 以这种方法，压缩的热量对水预热，水继而通过管路被引导到喷嘴22，在喷嘴22，在充电过程的前半部分期间(参见图3)，如前所述，由压缩的甲醇蒸汽使水沸腾。在充电过程的后期，即一旦甲醇热泵的性能的理论系数已下降到低于大约3，则压缩机19的压缩比降低，从而使得甲醇蒸汽上升到至多100°C。同时，经过压缩机沈和观的水的流率增加，从而使得它未被同样多地预热，并且最终结果为现在水未沸腾，而是仅被加热并再循环(如图4中所示)。压缩空气自身经打开的阀30被引导到NaX床1，如图7中所示。它里面剩余的任何残余的压缩的热量将会随后在冷却NaX床1的过程中被去除，并同样结束于离开罐20的蒸汽或水中。这种蒸汽或水因此包含大部分压缩的热量和空气的吸附的热量、以及为冷却 NaX床1从NaX床1去除的显热。在充电过程的前半部分期间(图3)，离开罐20的蒸汽中所包含的高级热量用于对使用NaX-水作为其吸附剂-吸附物对的吸附热泵执行准备工作。这个开放的吸附系统是仿照最近由德意志联邦共和国的Andreas Hauer所展示的一个吸附系统而制成的，其中它用于通过在夜间从NaX解吸附水、并在加热的需求更大的白天期间使用水蒸汽的再吸附以提升废热，从而减小加热建筑物的成本(参见作者为A. Haucer，的在NATO ki. Ser. II: Math. , Phys, and Chem. , vol. 234, H. 0. Paksoy, ed. , springer, 2007 的"Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption，，，中白勺 pp. 409—27，第 25 章第 2 节)。这个开放的吸附热泵只是在实施例中如以前一样由耐热玻璃纤维复合物构造的隔热罐40，隔热罐40被填充满了 NaX片41，NaX片41类似于用于吸附空气的NaX片、但不必在形状上与用于吸附空气的NaX片相类同。因此，AE-CAES实施例也运用了 NaX沸石用于本发明的多孔材料中的吸附的第二新用途。然而应该强调的是，可使用也能够用于经由水的吸附而抽运/泵送热量的许多其它多孔材料(诸如，硅胶)、或者事实上任何其它合适的流体。选择这里所使用的水-NaX 吸附物-吸附剂对是因为，像空气-NaX对一样，吸附物便宜并且对环境无害，而吸附剂很好理解，不容易随着反复使用而劣化(当合适的粘合剂用于片时；参见G. Storch, G.Reichenauer, F. Scheffler and A. Hauer, Adsorption 14，275，2008)，并且可商购获得。水-NaX系统的另一优点在于这样的事实当吸附到NaX的水的量按照重量计算从30% 下降到0%时，水蒸汽到NaX的微分吸附热从与水的汽化的热量的值(或者44 KJ/摩尔)接近的值增加到该值的大约两倍。这意味着除了提供把热量提升到更高温度的手段之外，即使在扣除放电期间使水蒸发所需的热量之后，热泵的NaX床41也将会以潜热(以及显热) 形式存储大量的热量。因为水蒸汽吸附到NaX的热量比空气吸附到NaX的热量大很多，所以这个吸附热泵所需的NaX的量仅是用以吸附空气自身所需的NaX的量的一小部分。再一次在充电过程的前半部分期间(图幻，来自罐20的蒸汽通过位于它的顶部的口 23而到达另一压缩机31，压缩机31把蒸汽的压力升高到2. 8倍，并且由于水的绝热指数也是大约1. 3而把它的温度升高到大约200°C。它随后经由打开的阀32到达热交换器36， 在热交换器36处，通过由风扇37在热交换器上方吹动的大气的逆流来冷却该蒸汽，在该过程中把空气加热到大约150°C的温度。这个热泵的性能的系数的Carnot限制为7. 5，它应该与在充电过程的前半部分期间甲醇压缩机19的性能的平均系数相当。应该注意的是，压缩机19和31所需的能量也作为存储的热量而结束，并且可随后恢复，由此弥补在系统中别处的损失；相比之下，运行风扇37所需的能量并不显著。来自热交换器36的热空气流入到隔热罐40中并流经未加压的NaX沸石片41的床，NaX片41最初的大约30%的重量为吸附到它们的水(参见图10)。热空气升高NaX片 41的温度，引起这种水以水蒸汽的形式从它们解吸附、并在该过程中冷却空气。这种水蒸汽由空气携带通过充满NaX片的容器40，并在大约40°C的温度的情况下以湿空气的形式从它的另一端离开。用于对进入NaX床41的空气进行加热的蒸汽通过减压阀38从热交换器36 离开，于是它也冷却到远低于水的正常沸点并大部分冷凝。因为没有热传递是完全的，所以这种水仍然保存进入热交换器时它包含的热量的一部分。通过使水返回到产生它的存储库 43的表面，则存储了在这种显热中所包含的能量。类似地，从NaX床41离开的热湿空气经过冷凝器47，水经由泵44的动作而通过冷凝器47。这种水通过冷却器47从存储库43的冷的底部流出，并且通过打开的阀50流回到存储库43的暖热的表面。冷凝的热量由此同样被传递给存储库的表面水。为了效率起见使用冷凝的热量的需要已由A. Hauer (在上述引文中)强调，并且在存储库中存储它的选择方案也已在最近的专利(US 6，820，441)中被要求保护。冷凝的水自身聚集在盆49中， 并且一旦AE-CAES实施例完全充电则冷凝的水就可以被丢弃或加入到存储库43。相比之下，在充电时间段的后半部分期间(图4)，风扇37关闭并且容器40被密封，从而使得湿气不能过早地再吸附到容器包含着的NaX床41。替代于在200°C的蒸汽，处于远低于它的沸点的热水直接从罐20 (在罐20处，它从热压缩甲醇蒸汽获取热量)流经现在打开的阀35 (阀35绕过现在不工作的压缩机31)，并继续在没有进一步冷却的情况下流到存储库43的表面上。以这种方法，在充电时间段的后半部分期间由空气的压缩和吸附产生的热量、以及NaX床1中剩余的显热，也结束于存储库43中。以下将描述这种热量如何随后恢复。一旦AE-CAES实施例已完全充电，它里面的大部分机械能就主要以吸附的空气的形式存储在圆筒2内的NaX片床1中。如前所述，这种能量的大约83%也作为热量而被主要存储在水存储库43中。另外，已经以热量的形式从NaX床1取出多几倍的能量，这种热量的大部分是显热，并且更少的但显著的贡献来自由空气的吸附产生的热量。这种热量的大部分将同样作为显热存储在水存储库43中，但显著的量的热量也将会作为潜热和显热而被存储在吸附热泵的NaX床41中。只要阀30和56保持关闭以捕集压缩的并且吸附的空气，以这种形式存储的能量基本上就将不会在放电之前损失。类似地，只要容器40针对湿气保持密封，作为潜热存储在NaX床41中的能量就将不会在放电之前从它泄漏。如以上所示，显著地更大量的热量将会作为显热存储在水存储库43中，但这种热量从存储库泄漏的速度将不会很大，因为水与存储库的环境之间的温度差将不会很大(即使在寒冷天气也远低于100°C )。另一不太直接的形式的损失将会在于泄漏到具有壁4的室中的热量，升高其中的NaX床1的温度并迫使释放一些压缩空气以防止压力升高到超出圆筒2能够承受的压力。然而，再一次，AE-CAES 实施例通过使用对称地设置在普通环境温度以下大约70°C和普通环境温度以上大约70°C 的最小和最大温度来努力地使这些温度差保持得较低。对于这种适度的温度梯度，由于在一天或更短的预期存储时间段上低至可接受水平的显热泄漏，则标准低成本隔热(诸如， 聚氨酯泡沫)应该防止所有损失。当到了恢复存储在AE-CAES实施例中的机械能的时间时，通过关闭阀50并打开阀 51，则来自存储库的表面的暖热的水被引导通过热交换器16。同时，风扇37用于吹动周围空气以使其通过吸附热泵的NaX床41，在NaX床41处，它从床获取显热但并不获取很多潜热，因为它不包含很多用于再吸附的湿气。这种热量中的一些将会被传递给流经位于出口处的热交换器47的水，在那里，它继续前进到热交换器16，但大多数热量将会与空气一起被携载到处于仍然较高温度的出口室48。如图7和8中示意性所示，通过重新布置出口室 48中的折流装置/阻挡装置(baffling)，这种暖热的空气经由管道52被引导到空气涡轮机，该空气涡轮机包括部件53、讨和55。正如现在将要进行的描述，它将会用于那里以防止膨胀压缩空气发生冷却。同时，流经热交换器16的暖热水使存储罐15中的甲醇沸腾，存储罐15最初处于大气压的一小部分的压力下。所获得的甲醇蒸汽随后用于对包含着吸附有空气的NaX片床 1的圆筒2进行加热，如前所述。这以通过控制甲醇蒸汽进入具有壁4的室的速度来控制的速度，把吸附的空气转换成压缩空气。在通过解吸附产生这种压缩空气时，这种压缩空气也被通过现在打开的阀56引导到具有部件5354和55的空气涡轮机，如图8中所示。在放电过程的这个前半部分期间的质量和能量通量被图示在图5中。一旦存储的能量的大约一半已经恢复、并且加压NaX床1的温度接近环境温度，则阀45就打开以使来自存储库43表面的暖热水经过汽化器46，汽化器46把它作为雾分配在热交换器36上。同时，经由打开的阀34，由泵39驱动来自存储库43的暖热水通过热交换器36，并通过关闭阀32、33和35防止暖热水到达空气压缩机沈和28，以便防止蒸发水冷却它周围的空气。以这种方法，来自风扇37的空气在进入未加压NaX床41之前利用水蒸汽而变得饱和，并在它经过未加压NaX床时通过水蒸汽的吸附过程而被加热。在放电过程的这个后半部分期间的质量和能量通量被图示在图6中。当然，简单汽化器(诸如，46) 的使用对于本发明而言并非是必要的，并且能够容易地根据需要由叶轮或超声波加湿器替换。HaueH在上述引文中)已表明空气将会在超过100°C的温度离开吸附热泵容器40的远端。当出现这种情况时，它包含的热量的一部分将会经由热交换器47而传递到来自存储罐43表面的暖热水的逆流，随着放电过程进行而把它逐渐朝着100°C加热。这将会把罐15中所产生的甲醇蒸汽的温度和压力升高到甚至更高的水平，由此在放电过程结束时把圆筒2中的NaX床1加热到100°C。同时，经过热交换器36的水已被冷却、并且返回到存储库43的底部以在下次对装置充电时使用。通过在放电期间使空气沿着与在充电期间热空气经过NaX片床41以便从未加压 NaX床解吸附湿气的方向近似相反的方向经过未加压NaX片床41，也改善了 AE-CAES实施例的效率。这增加了效率，因为如果不这样操作的话，在放电过程的前半部分期间由进入床的空气获取的、或者在后半部分期间通过从空气吸附湿气而产生的一些显热将会在它到达远端之前损失至冷却器和/或不那么干燥的NaX床。这种近似的逆流由附图中以粗实线描绘的内折流器42的系统实现，布置内折流器42以使得在充电期间空气通过床的中心进入近端但在周缘周围离开远端，并且随后在放电期间重新布置内折流器42以使得空气在近端进入周缘但在远端通过中心离开，如图7和8中示意性所示(也参见图10)。当然，其它实施例也是可能的，其中远端包括第二风扇，能够使空气在返回通过NaX床41时采用恰巧相反的路径，而热交换器36和47的作用在对装置放电的同时发生交换。最后，我们描述进入所述出口室48并经由管道52通过的暖热空气如何在放电过程的整个前半部分和后半部分二者期间用于加热来自NaX床1的膨胀压缩空气并由此恢复压缩的热量。设计包括图7和8中标记为5354和55的部件的这个空气涡轮机，以使得进入它的压缩空气流膨胀、并通过具有扭曲叶片沿它的长度平行延伸的文氏管加速(参见图 11)。这产生了涡流，涡流在它后面产生真空，这继而通过相对于叶片53稍微向上卷起的静态叶片M的直径较大的环带而从管道52抽吸入暖热空气。暖热空气的这个第二涡流与来自叶片53的冷膨胀空气的涡流合并，并且通过这个过程迅速而彻底地与它混合。现在迅速移动的空气涡流撞击空气涡轮机转子的叶片55，并由此把存储在压缩空气中的能量、以及作为热量存储的能量的一部分转换成用于外部用途的机械形式。当然，可使用许多其它装置，诸如往复式空气发动机，通过所述许多其它装置，热量和压缩空气可以在各种可替代实施例中转换成机械能，尽管这些通常不如刚刚描述的混合器-喷射器空气涡轮机般有效。假设AE-CAES实施例在六小时时间段中以恒定速度释放一兆瓦小时的能量、且压缩空气在该过程中被加热回至环境温度，压缩空气必须以在环境温度和压力的情况下测量的大约700 M3每小时的流率而被释放。压缩空气的实际温度将会开始于_40°C并在六小时时间段中逐渐升高至100°C附近，并且在任何给定压力的情况下，在-40°C的空气的密度为在100°C的空气的密度的1.6倍。于是，处于十个大气压的空气必须在放电时间段的开始时以M M3每小时的流率被释放、并且在结束时以86 M3每小时的流率被释放。在绝热条件下，这种空气将会随着它膨胀的过程而在开始时冷却到-152°C、并且在放电时间段结束时冷却到_80°C，这继而将会由于压缩空气的释放而把流量分别减小至283和454 M3每小时。为了使得处于这些温度的空气返回到环境温度，它必须与在温度45°C的该质量的大约 8. 87和5. 25倍的空气混合，45°C是通过管道52进入空气涡轮机的空气的近似温度。所需的通过该管道的45°C空气的流率因而在六小时放电时间段中从66 M3每小时变化到3920 M3每小时。使用7000千克NaX片床，A. Hauer (在上述引文中)也能够在六小时时间段中把6000 M3每小时的空气流加热到介于120和100°C之间，这对应于大约120千瓦的热量。因为仅83%的能量存储为热量，于是，针对一兆瓦小时在假设的6小时放电时间段期间涡轮机将会需要大约0. 83X1000/6=138千瓦的热量。在放电过程早期，将不必需把甲醇加热太多，因此通过NaX片床41的非加湿空气流的流率能够保持相对较高，并且能够以高速把水泵送通过热交换器47。所获得的空气将会以稍微低于以上假设的45°C的温度进入管道52， 但它进入涡轮机的流率也将会大于以上在45°C发现的66 M3每小时。随着放电进行，泵 44变慢，从而在放电时间段结束时，离开热交换器47的水的温度接近在它上方经过的空气的温度或100°C。同时，流经NaX片床41的加湿空气流的流率逐渐变慢，从而在放电过程接近末尾时，通过管道52进入涡轮机的空气的温度将会稍微大于45°C，而它的流率也将会小于以上在45°C估计的3920 M3每小时。以上呈示的AE-CAES实施例的部件包括水-NaX吸附热泵、以吸附的形式存储着压缩空气的NaX沸石床、和基于混合器-喷射器原理的高级空气涡轮机。它还包括使所有这些部件同步地工作所需的控制系统，如上所述。特别地，必须调节充电和放电期间具有壁 4的室中的压力和甲醇进入它的速度，从而以压缩空气由压缩机沈和观产生或者馈送给包括分别标记为5354和55的部件的涡轮机的相同速度来把压缩空气转换成吸附的空气、以及从吸附的空气转换压缩空气，由此始终使圆筒2中的气态空气的压力保持近似地恒定。 虽然这项任务并非不重要，但它仍然是能够由本领域技术人员完成的化学加工过程中的完全标准的系统集成问题。针对AE-CAES实施例的机械和流体部件以及针对它采用的材料可以采用许多替换物，选择所有这些仅是为了表示出通过使用吸附剂所获得的优点以便利实现压缩空气和热量的存储、以及互补的温度变化循环。因为在计算AE-CAES装置的总体效率时必须从释放的能量减去运行泵和压缩机所需的能量，所以完全可能的是可以通过这种替换获得实施例的适度改进，但它们必须仍经受以上给出的Carnot限制。特别地，应该注意的是，我们未说明驱动压缩机19、26、观和31的原动力来自哪里，或者由包括部件5354和55的空气涡轮机产生的机械力用于何处。通常，压缩机由电动机驱动，但在煤电厂或核电厂，与将会把来自涡轮机的机械能转换成电并随后在压缩机中转换回至机械能的情形相比，例如直接从发电厂的蒸汽涡轮机经由液压系统来驱动压缩机将会是更加经济的。当然，对于安装在风力涡轮机农场的AE-CAES装置而言同样如此。类似地，在一些情况下使用在对AE-CAES装置放电的同时所释放的压缩空气来驱动气动工具或机器、而非用于发电，可能更加经济。AE-CAES装置和/或温度变化CAES装置也能够在不实质上偏离发明者的意图的情况下采用各种其它公认的化学过程。例如，实施例的水-NaX热泵40和41能够基于其它吸附物-吸附剂对、液体介质中气体的吸附，或者甚至由也能够以潜热形式存储热量的各种固体-液体相变材料替换。还可以由各种方法的废热恢复或热能收集来补充或全部替换热量存储子系统。如果例如AE-CAES装置位于产生热量作为副产品的发电厂(诸如，煤电厂或核电厂)处，则这种热量能够用来重新加热膨胀的空气和/或空气的吸附剂。可替代地， 当AE-CAES装置安装在例如风力涡轮机农场处时，平板太阳热收集器也能够容易地产生当对AE-CAES装置放电时需要的适度温度。要点在于在放电期间由AE-CAES装置的任何部件使用的热量不必为在对AE-CAES装置充电的同时已由逆过程产生的。如果给予合适的便宜热源，则也将会可以使用它以在存储或放电时间段期间重新产生吸附剂冷冻系统，该吸附剂冷冻系统能够替代于实施例的蒸汽压缩冷冻系统而用于在充电时间段期间NaX床吸附空气的同时冷却NaX床。假若这种环境热源不总是在需要它们的时间可用，则热量能够在可用时以显热或潜热形式与在对装置充电的同时产生的热量一起存储，并用于弥补由于不完全热传递导致的任何能量损失。通过使用温度和压力变化的某种组合来替代如在以上AE-CAES实施例中的纯温度变化，还应该可以减小高占空比所需的温度变化的大小、并因此减少必须从空气的吸附剂获取以及返回给空气的吸附剂的热量。这些变化能够在许多AE-CAES装置的各种潜在应用中显著改善构建和/或操作AE-CAES 装置的经济性。在第二实施例中，作为在放电期间加热该多孔材料的一种替代方案，吸附热泵用于在为系统充入压缩空气的同时冷冻吸附空气的多孔材料。这具有这样的优点在于它能够减少运行蒸汽压缩热泵而必须耗费的能量，因为抽运/泵送热量的温度差可以显著减小。这个温度差取决于许多因素，诸如由吸附热泵使用的吸附剂-吸附物对、便宜的废热或太阳热的可用性和温度、水存储库或其它热能存储子系统中存储显热的温度、外部环境的温度、和蓄能装置的其它工作参数。当这个温度差减小时，经由蒸汽压缩热泵传递给定数量的热量所必须耗费的额外机械能的量继而迅速下降。由于这种额外能量不能像以压缩和吸附的空气的形式存储的机械能一样恢复，所以它必须被从恢复的能量扣除以便计算蓄能系统的环行效率(round-trip efficiency)。于是，第二实施例可在一些情况下提供更加有效的蓄能装置。然而，在详细描述第二实施例之前，将给出填充的NaX片的床中能够存储空气和能量的密度的更精确的估计。这个估计改进了在下面的方面中早前给出的估计。第一，替代于假设从空气吸附氮和氧是独立过程，Sipps多分量等温方程将会用于从纯气体N2W2和 Ar等温方程外推作为压力的函数所吸附的空气分子的数量⑴.W. Miller, AlChE Symp. Ser. 83，28，1987]。第二，替代于通过从估计的在-40J4和50°C吸附的空气的量外推来估计在-40到+100°C的温度变化上的“占空比”，通过对于绝对温度倒数的Langmuire (或 Sipps，针对N2)等温线中的系数的对数的最小二乘拟合、并且把N2的Sipps等温线中的指数设置为它的高温整体渐近线，则从在这三个较低温度的纯气体等温线外推得到在100°C 的显式纯气体等温线。这种线性相关性由热力学的van't HofT方程暗示，并且所获得的纯气体等温线能够随后用于经由扩展Sipps方程来估计在100°C的混合气体等温线，就如同在这三个较低温度一样。即使van’ t Hoff方程将会仅在这里感兴趣的温度和压力的情况下是近似的、并且拟合(虽然合理地精确)仅各自基于三个点，这种客观过程也被视为比先前的专门(ad hoc)估计更加严密。第三，替代于如先前使用的较简单方程中的零压力，使用从假定的工作压力到一个大气压的等温膨胀来估计与在考虑的工作压力的范围上吸附的空气的量相关联的所存储的能量密度。另外，包括了当在工作压力的情况下解吸附空气时由空气做的功。结果表明在我们的膨胀过程的模型中的最后两项改进措施在很大程度上彼此抵消，因此所获得的能量密度估计类似于通过我们的先前严密性稍差的过程获得的那些能量密度估计。图12描绘了如上所述获得的在_40、M、50和100°C的温度处针对NaX的混合气体空气等温线的曲线图。如以前一样假设NaX片按照体积为20%惰性粘合剂，颗粒内大孔隙的体积可忽略，并且NaX片以80%的体积密度填充到吸附剂床中，这些等温线暗示了针对各种温度和压力在以下表1中显示的空气的量。表中的无量纲数是吸附剂床的单位体积中所包含的空气在25°C和一个大气压的标准温度和压力(STP)的情况下以自由气体的形式将会占据的体积，假设24. 8升的STP摩尔体积。表 1
^^力(bar) |θ|5IlO丨15丨20125130
在-40°C毎单位 45.096.7111.8119.9125. 3129.4 132. 7
体积NaX床存储的在STP的
空气的体积________
在 24 °C 毎单位 9.037.354.265.974.781.5 87.1
体积NaX床存储的在STP的
空气的体积________
在 50°C 毎单位 5. 225.641.253.864.473.5 81.3
体积NaX床存储的在STP的
空气的体积________
在 10CTC 毎单位 1.910.718.625.832.438.4 44.0
体积NaX床存储的在STP的
空气的体积 _______需要注意的是，在10 bar,我们在-40到100 °C温度变化上获得占空比 (111.8-18. 6)/111. 8=83%，与我们的早期估计一致。表1中的结果还直接导致以下表2中的结果，在表2中，我们把在各种温度和压力变化上的从单位体积的NaX床释放的空气的量， 与在从列标题中给出的工作压力开始并减小到大气压的简单压力变化上(全部在25°C)的从没有NaX的单位体积罐释放的那些空气的量进行比较。表2
W"压力(bar) Io|5IlO丨15120丨25 丨30 —
在 NaX 床中在 STX~4~5~~2~9 2~6
^。C的P变化与在25。C的P变化
y/o!3X________
在13X床中的对Ν/Α5~3~~~~ ~
到100 °C T变化与在25。C的P变
化w/ol3X________
(24, X )~~ΗΝ/Α~5~24~3~~ 2~8
(100’ 0)的(Τ, P) 变化与在的
P变化w/ο________
在 WX 床中在 iTX17. 29~36~34~6~ Τθ
P = X的-40至丨J IOfTC T变化与在 25 "C的P变化W
O
(-4 0 , X ) IlJ ΝΑ19.〇11.〇~6~2~ ~
(100, 0)的(Τ，P) 变化与在的
P 变化 w/o 丨_I_I_I_I_I_I_可以看出，相对于在没有NaX的情况下在25°C的简单压力变化，当结合介于_40到 100°c之间的温度变化使用NaX时的占空比的改进在5 bar的情况下为17. 2，并且随着压力每增加一倍而下降大约一半。然而，释放给定量的空气所需的NaX的量在超出大约10 bar 时将会较为缓慢地下降，因为它在该压力和_40°C的情况下在很大程度上被饱和充满了空气(比较图12)。类似地，由于NaX在10 bar和100°C的情况下保持着少于20%的该空气， 所以通过把压力降低到10 bar以下获得的改进也相当有限。这些观测支持了我们的早期结论当采用-40到100°C温度变化时，大约10 bar的工作压力对于系统而言将会是最佳的。当这种温度变化与压力变化组合时，相对于简单压力变化则存储空气的密度可以从9. 3 增加到11. 0(参见表2的最后一行)，但这种仅18%的改进可能不值得在这种大压力变化上保持恒定输出功率所需的硬件的附加费用。因此，我们如以前一样假设借助于-40到100°C温度变化，在恒定压力的情况下从NaX解吸附空气，并且空气随后在25°C的等温过程中膨胀。这允许在对系统放电的同时使得所做的机械功分成两个部分。第一部分是当根据在NaX床从-40加热到100°C时保持压力恒定的需要而解吸附空气并允许空气膨胀时由空气做的机械功，并且第二部分是在 250C (该温度近似为该循环上NaX床的平均温度)等温膨胀回至大气压期间由空气做的功。图13描绘了作为工作压力的函数实现的对总PV功的这两种贡献，始终使温度变化保持在-40到100°C。在空气的等压解吸附和膨胀期间做的功在超出10 bar时基本上恒定， 在10 bar压力的情况下，它也是随后等温膨胀期间做的功的大约75%。这些观测进一步支持我们的早期结论这个压力大体上使通过使用NaX床吸附空气获得的益处最大化。由于在我们的更严密但仍然理想化的膨胀模型中的上述抵消，估计的在10 bar的 (表)压力的情况下在NaX床中存储能量的密度为6. 9 kWhr/M3，几乎确切地与我们的早期估计一样。吸附的热量保持为所存储的机械能的大约两倍，并且在存储循环上必须从NaX 床获取以及返还给NaX床的显热仍保持大几倍。原则上，所有这种热量在对系统充入压缩空气的同时能够被存储、并且在对系统放电时能够再次恢复，这将会允许AE-CAES系统作为“纯粹”蓄能装置而工作。为了方便展示，以下所呈示的原始实施例以及第二实施例都设计为在可能的最大程度上以这种方式工作。然而，在实践中，这种非常高效的热能存储子系统的费用将会很高，并且使这种热量迁徙移动所需的由蒸汽压缩热泵使用的另外的能量在任何情况下使得非常高效的能量存储系统不可能存在。通过在利用某种外部热源弥补发生的热能损失的同时，使用效率稍低的热能存储子系统能够获得稍微便宜的AE-CAES装置。 在最简单的情况下，这种外部热量能够仅仅加入到热水存储库，原始实施例以及第二实施例都已经使用该热水存储库用于热能存储。必须注意的一个告诫在于在计算视为纯粹蓄能装置的吸附增强CAES系统的物理环行效率时，必须扣除这种另外的热能。幸运的是，这种另外的热量不需要处于远高于 100°C的温度以便在释放所存储的机械能的同时把NaX床加热到该温度。此外，使用处于类似适度温度的热量也能够重新产生在第二实施例中用于把床冷却回至-40°C的基于甲醇和活性碳的吸附冷冻机(见下文)。结果，即使AE-CAES系统在严格的文字的物理意义上不是 “高效的”，AE-CAES系统也能够在经济性方面是高效的。藉此，我们是指:与存储的机械能自身的价值相比，所需的另外的热能的成本可以是非常微不足道的。实际上，在这种适度温度的热量经常被视为“废热”并直接排放到环境中，甚至当不存在这种废流时，也经常能够从便宜的太阳能热收集器获得在这些相同适度温度的热量。现在参照第二实施例，我们从图14中显示的能量存储循环的概述开始。在循环的
2四段中的每一段的开始时的系统的状态描述于位于附图的底部、左侧、顶部和右侧的方框中，而位于四个拐角的示图指示出了在每一段期间系统的各种部件之间的热流。更详细地讲，循环的这些段是
充电过程的前半部分，标记为“自发冷却”，因为NaX床的温度将会超过冷(或者接近环境温度)水存储库的温度，从而热量自发地从NaX流向水。在这个实施例中，通过在这两个热存储库之间有效地循环甲醇，热量被从NaX携载到水。同时，通过机械能的输入而压缩空气，压缩的热量传递到水存储库，并且经冷却且受压缩的空气由NaX床吸附。·充电过程的后半部分，标记为“吸附冷冻”，因为在循环的这一段期间，当甲醇蒸汽蒸发并从NaX床携载热量时，甲醇蒸汽被吸附在活性碳床中。这种热量与甲醇蒸汽吸附到它的热量一起，如以前一样从活性碳传递到水存储库。同时，空气继续由机械能压缩，压缩的热量传递到水存储库，并且空气由NaX吸附直至它已达到在该循环上的其最小温度。·放电过程的前半部分，标记为“自发加热”，因为现在NaX床的温度低于环境，从而热量将会自发地从冷水存储库流向它。然而，为了获得从活性碳解吸附甲醇并这样重新产生它以用于下一循环所需的更高温度，热量首先从热水存储库传递到活性碳。从那里，热量由甲醇蒸汽携载到与NaX床接触的热交换器，在NaX床，甲醇蒸汽冷凝，并且所获得的液体被存储以用于下一循环。这继而把NaX床从它的最小温度加热回至近似环境温度，引起它包含的空气的一部分解吸附。解吸附的空气被允许膨胀回至大气压，同时也从热水存储库获取热量并产生输出机械能。·放电过程的后半部分，标记为“有效加热”，因为在循环的这一段期间，NaX床被有效加热回至它在它在该循环上的最大温度，并且这个温度将会至少是未加压热水存储库的温度。在这个实施例中，使用甲醇作为热传递流体把热量再次从热水存储库移动到NaX。 结果，NaX床解吸附它的剩余空气，空气膨胀，从水存储库获取另外的热量并在该过程中产生另外的输出机械能。如第一实施例中一样，使用蒸汽压缩热泵在热量的热存储库之间有效传递热量。两个这种热泵由第二实施例使用，其中之一使用甲醇作为它的工作流体并且其中的另一个使用常规的卤烃冷冻剂。为了完整，我们进一步指出当在100°c或更高温度的外部热源可用时， 能够使用它们来替代有效热泵，由此节省与蒸汽压缩热泵相关联的能量开销。这种外部热源也能够用于重新产生活性碳床，在这种情况下，NaX床中的寒冷能够用于建筑物中的冷冻或空气调节。外部热量的这些用途中的任一种也能够弥补热水存储库或循环中的各种热传递期间的热损失。它们甚至能够使足够的热水存储库中存储的热量空出来以允许它用于建筑物中的空间加热或热水。再一次，为了简单起见，我们将不会在这里把运行AE-CAES系统的所有这些选择方案视为“纯粹”蓄能装置，但在许多情况下这可以是使用它的最经济的方法。图15至18按照与以上给出的次序相同的次序，显示出在存储循环的四段中的每一段的开始时的第二实施例的更详细但仍然示意性的示图。平行线描绘出了系统的管路， 而它们之间的虚线的尺寸指示着流经管路的流体的种类。空气由中等长度普通虚线指示， 而长粗实点划线指示水，中等粗点划线指示甲醇，并且短粗点划线指示常规的卤烃冷冻剂。 在这四个图中，打开的阀由平行但位于“管路”后面的沙漏形状加以描绘，并且关闭的阀由覆盖着管路的沙漏形状描绘。蒸汽压缩热泵的减压膨胀阀是不对称沙漏形状，它应该理解为包括旁路，所述旁路允许在对压力没有任何影响的情况下使流逆转。确定两个热泵中的热流的方向的四通阀由圆圈描绘，该圆圈具有穿过它们的对角线，并且，经过一对端口的流体流不被该线切断。如工程示图中的传统方式那样，两个热泵的压缩机被描绘为等腰梯形， 它们在宽端接收它们的低压输入流、并在窄端喷射它们的高压输出流。正排量液泵显示为圆圈，当它们工作时在它们中具有用于指示流动的方向的实心三角形，或者当不工作时只是位于管路顶部上而没有三角形。热交换器子系统由管路中的曲折/锯齿形指示，像在四个附图的左手侧的空气压缩机和膨胀器中所包含的两个热交换器子系统一样。这些压缩机和膨胀器同样绘制为等腰梯形，然而它们通过位于它们侧面的管路而吸入和排出它们的空气，如图中所示。第二种热能存储子系统针对冷水和热水使用分开的存储库，而非在单个存储库的底部保存冷水并且在顶部保存热水。这应当改善该子系统的效率，但对于它的操作而言并非关键性的。如上所述，甲醇是用于执行以下操作的工作流体在充电的同时在甲醇被从冷存储库抽运/泵送到热存储库时把热量从空气吸附NaX床移动到水，并且在对AE-CAES系统放电的同时在甲醇被从热存储库抽运/泵送到冷存储库时把热量从水移回至NaX床。在充电过程的前半部分和放电过程的后半部分期间使用甲醇蒸汽压缩热泵H. P. #1实现这一点。然而，在充电过程的后半部分和放电过程的前半部分期间，通过基于分别构成吸附物和吸附剂的甲醇和活性碳的吸附热泵把热量移至NaX床、以及从NaX床移出热量。继而，通过基于常规卤烃冷冻剂(诸如，二氯甲烷)的第二蒸汽压缩热泵H. P. #2把活性碳床中的热量传递给水存储库、以及从水存储库传递热量。这个第二热泵也用于分别在压缩和膨胀期间冷却和加热空气、以及在使用H. P. #1而未使用吸附热泵时加热和冷却甲醇存储库。图15中与管路相邻的箭头指示了在存储循环的第一段(或者充电过程的前半部分)期间其中各种工作流体的流动的方向，在一些情况下由这些工作流体在各种热存储库之间携载的热量来加以标记。由空气的压缩产生的热量标记为A，而从甲醇存储库获取的热量标记为Q40由空气吸附到NaX而产生的热量标记为％，并且当NaX床朝着环境温度冷却时从NaX床获取的另外的显热标记为仏。类似地，图16中的箭头指示各种工作流体的流动，其中标记Q” Q2和A代表着在存储循环的第二段期间传递到热水存储库的总体热量的这些相同分量，并且仏代表着甲醇吸附到活性碳床的热量。图17和18中的箭头同样指示了相邻管路中的流动的方向，并且标记分别代表着在存储循环的第三段和第四段(放电部分)期间从热水存储库传递回至系统的其余部分的总体热量的这些相同分量。如前面所强调，为了方便展示，我们不考虑在所有这些热传递中伴随发生的热能损失，在大多数实际应用中，必须使用某种外部热源弥补热能损失。图19至22分别显示在与图15至18相同的总体充电-放电循环的四个点的第二实施例的AE-CAES系统的详细得多的工艺流程图。图19至22中的部件的数量与在部件具有类似的那些功能的情况下的第一实施例的对应图7和8中的部件的数量相同，否则数字从第一实施例的那些数字继续连续地编号。还需要注意的是，就如同图7和8中一样，图19 至22具有从顶部延伸到底部的一对平行虚线，在平行虚线之间具有空白间隙，所述一对平行虚线意在指示实施例的规模在某种程度上是任意的，并且各种子系统的相对尺寸、它们中的重复部件的数量等对于实施例而言不是必要的，但在实质上不改变实施例的存储和重新产生机械能的能力的情况下能够有所改变。具体地讲，可以看出，就如同第一实施例中一样，吸附压缩空气的NaX片床1 (粗矩形阴影线)被包含在由铝或其它耐压、导热材料形成的具有壁2的圆筒的阵列中，每个圆筒具有延伸通过它的长度的带有孔的刚性管3以提供结构支撑、并便利空气流经NaX片床。然而，需要注意的是，在图19至22中，通过利用粗方形点的图案覆盖它充满的空间来指示压缩空气，以替代在第一实施例的图7和8中曾为了这个目的使用的从左到右向上倾斜的阴影线。具有壁2的圆筒的阵列再一次被包含在具有隔热(如砖形阴影线所示)壁4 的更大的罐中，该罐用于限制甲醇热传递流体(从左到右向下倾斜阴影线)，通过甲醇热传递流体，在分别利用压缩空气对系统充电或放电的同时圆筒和它们中的NaX床被冷却或加热。当对系统充电时，甲醇液体(粗阴影线)通过喷嘴8被喷洒到圆筒的顶部以便在它沿着它们的侧面流下并蒸发时冷却它们，而当对系统充电时，甲醇蒸汽(细阴影线)通过圆筒下方的带孔的管5被抽吸到具有壁4的罐中，以便当甲醇蒸汽在圆筒的侧面上冷凝时加热圆筒。通过蒸发产生的甲醇蒸汽通过位于具有壁4的罐的顶部中的口9而离开所述具有壁 4的罐，而从冷凝导致的甲醇液体通过位于具有壁4的罐的底部中的排出管6离开。温度控制罐的壁4能够经济地由厚度足以承受它里面的压力变化的玻璃纤维形成；取决于在循环中的任何给定时间点的罐中的温度，该压力变化可以为从几个大气压到几百torr。与第一实施例的子系统类似的第二实施例的其它子系统为甲醇保存罐和泵(部件7和1 、具有嵌入的热交换器的隔热甲醇存储库(部件14、15和16)、基于甲醇的蒸汽压缩热泵和热交换器(部件18、19和20、21)、串联的一对离心空气压缩机(部件25至四) 和膨胀涡轮机，该膨胀涡轮机使用混合器-喷射器原理在压缩空气膨胀时防止压缩空气冷却，并在该过程中通过把它与未加压暖热空气(通过在附图中利用细方形点的图案填充它占据的空间来指示)高效地混合来重新产生所存储的机械能(部件52至56)。在这个最后的子系统中的一个小的但显著的改进在于它使用缩-扩式/收敛-发散式(或de Laval) 喷嘴来改善吸入效率，其中在图19至22中把扩张部分标记为57。这种布置是恒压喷射器的实例(参见，例如，J. M. Abdulateef, K. Sopian, M. A. Alghoul and Μ. Y. Sulaiman, Renew. Sustain. Energy Rev. 13， 1338-1349， 2009)。现在具体地参看图19，充电过程开始于在100°C并且其中的气压为10 bar表压力的情况下的具有壁2的圆筒中的NaX床1。所有水位于具有隔热壁66的冷(环境温度)水存储库中，而基本上所有甲醇位于具有壁15的存储库中。泵64和65打开以按照受控的速度把水从冷水存储库移至具有壁67的热水存储库，当水这样移动时它经过具有壁20和62 的热交换器隔热罐。同时，蒸汽压缩热泵(在图15至18中分别为H. P. #1和H.P. #2)的压缩机19和69打开，并且设置四通阀71和70以使得当水被抽运/泵送通过具有壁20 和62的罐时热量分别经由具有壁20和62的罐中的热交换器21和63而传递给该水。控制阀10打开以允许液体甲醇从具有壁15的存储库通过喷嘴8流到包含热NaX床1的具有壁 2的圆筒上；在这里，它通过从壁2蒸发而冷却NaX床1，并经由位于具有壁4的隔热罐的顶部中的口 9而离开具有壁4的隔热罐，如前所述。从那里，它通过打开的阀76被吸入到压缩机19中，并且离开它的热压缩蒸汽在该蒸汽经过热交换器21时由水冷却。该蒸汽随后在它经过减压阀M时部分地液化，并且液体-蒸汽混合物经由位于具有壁15的存储库的顶部中的端口 14返回到具有壁15的存储库。类似地，离开压缩机69的热压缩卤烃冷冻剂蒸汽在它经过热交换器63时由水冷却，并在它经过减压阀78时局部地液化。这种液体-蒸汽混合物随后经过压缩机沈和28的热交换器27和四，在那里，它对于压缩至10 bar表压力的对应两个阶段的压缩之后的空气进行冷却。空气在进入第一阶段的压缩之前经过过滤器和干燥器25，并在离开第二阶段之后被引导到具有壁2的圆筒中的NaX床1。同时，离开热交换器27和四的仍然部分为液体的冷冻剂继续前进到具有壁15的甲醇存储库中的热交换器16，在热交换器16，完全的汽化在进行汽化时从甲醇存储库获取热量并冷却它以更有效地用于循环的下一段中，现在将对此进行描述。接下来参照图20，循环的第二段开始于在环境温度f25°C )附近的NaX床1，并且在具有壁66和67的冷水存储库和热水存储库中分别具有大体上等量的水。甲醇压缩机19和对应的水泵64关闭，并且阀68关闭以确保水不会流经该路径。类似地，阀18关闭，并且通向包含活性碳74的具有壁72的隔热罐的阀75打开。结果，替代于返回到具有壁15的存储库，甲醇蒸汽由活性碳吸附，甲醇蒸汽继而在它经过热交换器73时被常规卤烃冷冻剂冷却。通过关闭通向甲醇存储库的热交换器16的阀80和81、并打开阀79和83来代替，实现这一点。其它子系统继续完全像上述循环的第一段中那样工作。应该注意的是，为了使吸附冷冻子系统在温度下降到-40°C时获得足够的特定冷却能力，可能必需在具有壁4和72的隔热罐之间吹动载体气体(诸如，空气)，但为了简单起见已省略实现这一点所必需的风扇和其它部件。图19至22中表示活性碳74的黑色斜带意在指示它形成为缠绕热交换器73 的纤维带以便改善活性碳和热交换器之间的热接触，例如在[Hamamotoei al. . Intnl. Τ. RefriR. 29(2006), 305]中所述。然而，活性碳的确切形式对于实施例而言并不重要，并且能够使用许多其它形状(诸如，单块碳或碳粒)。还可以全部采用另一吸附剂，诸如沸石或硅胶。使用甲醇作为主要冷冻剂无论如何对于本发明而言都不是必要的，且事实上，尽管在循环的高温部分期间以具有壁4的罐中的高得多的压力为代价，但在低温从更易挥发的冷冻剂(诸如，氨)将会期待有更强的特定冷却能力。在类似地使用某种吸附冷冻机来冷却吸附着空气的多孔材料的其它实施例中，冷冻剂的混合物(诸如，甲醇和氨)也可以提供最佳的折衷。这些和许多其它公知变化的存在用于强调的是，使用的吸附冷冻机的确切实现方式对于本发明而言并不是必要的，并且也可能的是，其它种类的热驱动的冷冻机(诸如， 吸附系统或热压缩机)在AE-CAES的一些应用中能够是有益的。现在参看图21，放电过程开始于在-40 0C但仍然在10 bar表压力的气压下的具有壁2的圆筒中的NaX床1。所有水位于具有壁67的热水存储库中，并且具有壁15的甲醇存储库中的所有甲醇已由具有壁72的隔热罐中的活性碳74吸附。通过以受控制的方式增加 NaX床1的温度来从NaX床1解吸附压缩空气。通过下面的方式实现这一点关闭控制阀 10并设置四通阀70，以使得离开热泵压缩机69的热加压蒸汽经过与活性碳74处于热接触的热交换器73，由此升高活性碳74的温度并引起甲醇蒸汽从它解吸附。通向位于具有壁4 的温度控制罐的顶部处的端口的阀76关闭，并且阀11打开，从而这种甲醇蒸汽现在沿着压力梯度流动，通向位于温度控制罐的底部处的带孔的管5，在管5，它由于它的较高的温度以及因此较低的密度而上升。当它遇到冷的具有壁2的圆筒时，它在它们上面冷凝并在该过程中释放它的冷凝的热量。液体甲醇沿着圆筒的侧面流动、并通过位于它的底部中的排出管6而离开温度控制罐，它被从排出管6引导到保存罐7。正排量泵12随后通过现在打开的阀13把它驱动回至具有壁15的甲醇存储罐。由热交换器73施加给活性碳74的热量来自具有壁67的热水存储库。当水被泵65驱动通过周围的具有壁62的罐并到达具有壁 66的冷水存储库时，这种热量被传递给流经热交换器63的常规商烃冷冻剂。这个过程引起卤烃冷冻剂在热交换器62中在降低的压力下沸腾，并且所获得的蒸汽被抽吸入到压缩机 69中，蒸汽以高温和高压从压缩机69离开。这种热加压卤烃冷冻剂也用于加热膨胀空气， 现在将对此进行描述。继续放电过程的前半部分和图21，空气压缩机子系统25至四被关闭并且阀30 关闭以把它与系统的其余部分隔离。通过打开通向包括部件1至4的压缩空气存储子系统的阀56，打开具有部件52至59的空气膨胀器子系统。另外，风扇60打开以使另外的周围空气进入膨胀器子系统，当周围空气进入膨胀器子系统时在热交换器61上方经过，通过在关闭阀82以防止流经空气压缩机热交换器27和四、并同时打开阀84和85，则离开热交换器73的常规卤烃蒸汽被引导通过热交换器61。这种未加压的暖热空气(通过利用细方形点的图案填充它占据的空间来指示)经由管道52传递到定子叶片54，定子叶片M在该暖热空气通过定子叶片M被吸入时对该暖热空气施加或赋予涡流/涡旋。当压缩空气经过缩-扩式/收敛-发散式喷嘴时由压缩空气产生这种吸入，利用在当时远低于未加压的暖热空气的压力的压力，在它离开收缩区域53时达到Mach速度、并且在它离开扩张区域57 时达到超音速。这种超音速的冷空气流在它离开喷嘴时喷出为涡流、并在喷射器的收缩区域58中产生经过定子M的暖热空气，其中压力保持低于周围压力。这两种仍然未完全混合的空气流以高速进入恒定面积区域59，在恒定面积区域59中，当它们在基本上能量和动量守恒过程中继续彻底地混合这两种空气流时涡流消散。在恒定面积区域59的末端附近， 突然地使空气的压力重新高于周围压力的冲击波形成并且进一步降低它的速度。调整了进入膨胀器子系统的未加压暖热空气和冷膨胀空气的质量流率的比值，以便确保这种旋转的亚音速但仍然迅速移动的空气流以稍微高于周围压力的压力、并且也以正常环境值25°C 附近的温度而离开恒定面积区域59。这继而确保了当空气流把它的能量施加于转子55时发生的另外的冷却将会是适度的，因为如所希望的那样已由具有部件53、54、57、58和59的混合器-喷射器子系统把压力能量大部分转换成动能。最后，我们考虑如图22中所示的循环的最后一段。在这一段的开始，基本上所有甲醇已通过加热活性碳被从活性碳驱赶，通过最初冷的NaX而冷凝回为液体，并返回到具有壁15的甲醇存储库。阀75被关闭以隔离活性碳与系统的其余部分，阀18打开，甲醇压缩机19打开并且甲醇热泵的四通阀71被设置，以使得离开压缩机的高温压缩甲醇蒸汽被驱动通过阀11并进入到位于具有壁4的温度控制罐的底部处的带孔的管5中，就像循环的前一段期间曾经的情况一样。以这种方法，NaX床1被继续朝着它们在循环上的最大温度 100°C加热，同时所获得的通过排出管6离开温度控制罐的液体甲醇由泵12再循环回至甲醇存储库。热量再次来自热水存储库，但当甲醇在热交换器21中沸腾时以及当热水在它通往冷存储库的路上由泵64驱动通过周围的具有壁20的罐时则热量被直接传递给甲醇。甲醇作为蒸汽通过位于存储库的顶部中的端口 14而离开/排出，并且通过在它通往热交换器 21的路上经过减压阀17而部分地液化。存储库中的甲醇在它由压缩机69驱动通过热交换器16时由常规卤烃冷冻剂加热以促进汽化。卤烃蒸汽随后继续前进到热交换器61以暖热进入混合器-喷射器膨胀涡轮机的未加压空气，像前一段中一样。由卤烃蒸汽携载的热量也来自热水存储库，因为它在它通往冷存储库的路上由泵65驱动通过包含热交换器63的具有壁62的罐。在循环的这一段结束时，NaX床1已被加热到100°C，并且基本上所有的水已返回到冷水存储库。AE-CAES系统随后准备就绪待重新充电。
为了使蒸汽压缩热泵的效率的Carnot限制保持为高于90%(或者性能的系数保持为高于10)，必需针对加热把温度的提升限制为35°C、或者针对冷却把温度升高限制为 30°C。这意味着，当使用基于甲醇的热泵在循环的第四段结束时把NaX床的温度升高到 100°C时，从具有壁20的热交换器罐进入到冷水存储库的水不能低于65°C ；并且类似地，在把进入热水存储库中的水加热到至多65°C的同时，我们能够使用基于甲醇的热泵在循环的第一端期间把NaX床冷却至35°C。幸运的是，在循环的第四段的大部分时间期间，NaX床的温度将会远低于100°C，从而允许我们把进入冷水存储库的水冷却到比65°C低很多，并且类似地，在第一段的大部分期间，NaX床将会远高于35°C，从而允许我们把进入热水存储库的水加热到远高于35°C。一旦在许多充电-放电循环上已达到稳定状态，冷水存储库的温度将会是至多25°C，而热水存储库的温度将会多达75°C，
为了针对机械能的存储和恢复获得大于80%的环行效率，基于卤烃的热泵也应该在两个方向上都至少是90%有效的，并且对它能够实现的温度提升具有类似的限制。然而，在这种情况下，它必须获得的最大和最小温度由实施例来不太精确地限定，并且在不实质上改变实施例的性质的情况下这些细节可能显著不同。例如，即使假设活性碳的物理形状是纤维带的形状，活性碳的再生温度也将会取决于所使用的精确制备。在NaX床低于通常环境温度(与为NaX床假设的100°C相比，这个要求不高)的同时存在的降低的甲醇压力的情况下，多数活性碳制备将会预期导致范围60°C到90°C中的再生温度。类似地，不必为了把 NaX床冷却到-40°C而把活性碳冷却到远低于25°C。然而，所运用的特定活性碳制备不影响这个AE-CAES实施例意图例解的原理，并且足以注意到，吸附冷冻领域的技术人员将会意识到对于活性碳的冷却和加热要求应该不如这里对于NaX床假设的那些要求那么难。 类似地，当空气压缩到10 bar以及从10 bar膨胀时对空气的冷却和加热要求应该不如对 NaX的要求那么难，尤其是给出了用于后一目的的混合器-喷射器涡轮机并且存在这样的事实，即空气将会在它被NaX床吸附之后进一步冷却。在AE-CAES系统的操作中，可以使用吸附和解吸附的过程从低级热源收获另外的能量。在相似的过程中，甚至在蒸汽已经过涡轮机之前，Rankine循环发电机中的沸水就把一定量的汽化的热量直接转换成PV(压力-体积)功。相似的过程在解吸附中也有效，因为一小部分的解吸附的热量在使解吸附的空气膨胀之前被直接转换成PV功。如果使用对称PV循环运行AE-CAES系统，则这把适度的量的另外的能量存储在AE-CAES系统中，如图 13中明确所示。图23显示理想化PV循环，该PV循环表示顺时针循环如何能够被加入到总体循环，从而允许AE-CAES系统也收获一定量的热能(当然，经受Carnot限制)。在显示的理想化循环中，存在着分别由等压冷却和加热到25°C而分开的朝着13 bar (12 bar表压力)和从13 bar开始的绝热压缩和膨胀的三个阶段，这近似于实际(小于等温)压缩和膨胀循环。压缩阶段后面跟着当NaX床冷却到-40°C时NaX床中的空气的等压吸附，大大减小了它的用于存储的体积。然而，并非通过逆等压过程解吸附空气，而是允许NaX床在恒定体积加热到-6°C，这把它的压力升高到30. 5 bar，此后等压加热到107°C并且绝热膨胀回至 13 bar。膨胀过程的其余部分随后进行，如同它在纯存储循环中那样。收获的能量等于由左上侧循环包围的面积，并且近似地等于由代表着压缩和膨胀过程中损失的能量的三个右下侧循环包围的面积。
权利要求
1.一种机械能存储装置，包括多孔材料，所述多孔材料吸附空气；压缩机，其中压缩机把机械能转换成经加压的空气和热量，其中经加压的空气由多孔材料吸附；罐，用于存储经加压并且受吸附的空气；电动机，通过在压力下允许空气发生解吸附而得以受驱动以恢复存储的机械能，并且允许经加压的空气在驱动所述电动机的同时发生膨胀。
2.根据权利要求1所述的机械能存储装置，其中所述电动机是涡轮机。
3.根据权利要求2所述的机械能存储装置，其中所述涡轮机由压缩空气驱动，通过使用混合器-喷射器系统把该压缩空气与未经加压的暖热空气相混合，则在没有显著冷却的情况下该压缩空气已经膨胀并加速。
4.根据权利要求3所述的机械能存储装置，其中所述混合器-喷射器系统包括缩-扩式喷嘴以把未经加压的暖热空气吸入到混合器-喷射器系统中。
5.一种机械能存储装置，包括下述各项多孔材料，所述多孔材料吸附空气；压缩机，把机械能转换成经加压的空气和热量；罐，存储经加压并且受吸附的空气；电动机，受驱动以恢复存储的机械能；多个热泵，构造为用以加热或冷却多孔材料；其中通过允许热量流经防止空气泄漏的屏障，来控制所述多孔材料和周围的经加压的空气的温度；其中由所述多个热泵加热或冷却所述屏障，以便促进热量流经所述屏障。
6.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中从包括下面各项的组选择所述热泵 蒸汽压缩热泵、吸附热泵或吸收热泵。
7.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中所述热泵构造为用以在利用机械能对装置充电的同时加热水、或者在利用机械能对装置放电的同时冷却水。
8.根据权利要求7所述的机械能存储装置，其中用于加热水的热源是用于吸附空气的多孔材料，或者用于冷却水的散热器是用于吸附空气的多孔材料。
9.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中所述用于吸附空气的多孔材料的温度在所述装置中存储的机械能的量最大化时达到它的最小值，并且所述用于吸附空气的多孔材料的温度在所述装置中存储的机械能的量最小化时达到它的最大值。
10.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中去除掉通过吸附空气产生的热量、或者在吸附之前多孔材料中包含的热量，以降低多孔材料和周围空气的温度，由此在吸附过程期间使压力保持基本上恒定。
11.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中热量被加入到多孔材料以补偿通过解吸附空气消耗的热量、并升高多孔材料和周围空气的温度，由此在解吸附过程期间使压力保持基本上恒定。
12.根据权利要求5所述的机械能存储装置，其中通过使用外部热源在释放存储的机械能之前或者在释放存储的机械能的同时增加多孔材料的温度，来从外部热源产生另外的机械能。
13.一种机械能存储装置，包括下述各项 多孔材料，所述多孔材料吸附空气；压缩机，把机械能转换成经加压的空气和热量；其中通过允许热量流经防止空气泄漏的屏障来控制多孔材料和周围的经加压的空气的温度；热能存储系统，其中来自经加压的空气和来自多孔材料的热量被引导到热能系统并存储；和罐，存储经加压并且受吸附的空气，其中通过在引导这种热量通过屏障的同时允许空气发生解吸附和/或膨胀，来使得存储在热能存储系统中的热量转换回为机械能。
14.根据权利要求13所述的能量存储装置，其中所述热量以显热形式存储。
15.根据权利要求13所述的能量存储装置，其中所述热量以潜热形式存储。
16.根据权利要求13所述的能量存储装置，其中另外的热量被加入到热能存储系统以弥补传递或存储期间损失的热量。
全文摘要
在本发明的实施例中，提供了一种蓄能装置。该蓄能装置包括吸附空气的多孔材料和压缩机。压缩机把机械能转换成加压空气和热量，并且加压空气由多孔材料冷却并吸附。控制多孔材料的温度，从而使得多孔材料上的压力在存储和放电过程期间保持基本上恒定。存储过程期间多孔材料的冷却、和放电过程期间多孔材料的加热是由热泵辅助的，热泵可以是蒸汽压缩热泵、吸收热泵或吸附热泵。该蓄能装置还包括用于存储经加压并且受吸附的空气的罐和电动机。通过在驱动电动机的同时允许空气解吸附和膨胀，驱动电动机以恢复存储为经压缩并且受吸附的空气的能量。
文档编号F01K25/00GK102459848SQ201080033558
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年5月27日
发明者F. 哈弗尔 T. 申请人:能量压缩有限责任公司