能量存儲裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置，其能夠根據(jù)所需的能量輸出提供電力、加熱或冷卻。該裝置典型地包括在不同溫度下具有對制冷劑氣體的親和力的吸附劑材料。
【專利說明】
能量存儲裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明公開了一種能量存儲裝置。特別地，公開了一種基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置，其能夠根據(jù)所需的能量輸出提供電力、加熱或冷卻。【背景技術(shù)】
[0002]為了減少人們對于礦物燃料的依賴并提高人們在能量輸出是由天氣控制而不是由能量需求控制的情況下存儲由能源提供的能量的能力，能量存儲的研發(fā)是必須的。諸如風(fēng)和水波的能源可在能量需求較低時提供過剩的能量，比如在夜間，而有效地存儲過剩能量直到需求增加之時的能力是所需的。
[0003]有幾種目前使用的能量存儲類型，使用的類型是根據(jù)所需的能量存儲的量，因為一些能量存儲類型變得極其昂貴且無法實現(xiàn)地龐大。常規(guī)的壓縮空氣能量存儲(CAES)用于從大約10至300兆瓦的大型能量存儲，比如電網(wǎng)。原則上，例如，一個與連接到電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電廠結(jié)合的CAES系統(tǒng)能夠在由風(fēng)力發(fā)電廠產(chǎn)生的能量在電網(wǎng)上不被需求時，通過將空氣壓縮而將能量存儲在地下，并且將壓縮空氣存儲在不滲透的洞穴中。當(dāng)能源需求增加時，在洞穴里的壓縮空氣被釋放并用于發(fā)電。因為傳統(tǒng)的CAES系統(tǒng)需要特定的地質(zhì)條件，CAES站的位置是被限制的。
[0004]W02010138677公開了一種吸附增強(qiáng)的壓縮空氣能量系統(tǒng)，其中存儲容器設(shè)有多孔材料，例如碳、硅膠或沸石。由于多孔材料的存在，壓縮氣體更容易被存儲，因為吸附相比游離氣體致密得多，從而減少了所需的存儲罐的體積。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)第一個方面，提供了一種基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置，包括:
[0006]包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在第一溫度下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在第二溫度下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一吸附劑材料和/或第二吸附劑材料中或從所述第一吸附劑材料和/或第二吸附劑材料中取出熱量的機(jī)構(gòu)；
[0007]壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；
[0008]其中所述用于輸入熱量到所述第一吸附劑材料和/或第二吸附劑材料中或從所述第一吸附劑材料和/或第二吸附劑材料中取出熱量的機(jī)構(gòu)在所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊和所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器之間提供制冷劑流，且其中所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊可操作，以根據(jù)能力存儲需求壓縮或膨脹所述制冷劑。
[0009]基于化學(xué)能量存儲裝置的好處是，它提供了熱能和電能存儲，并且它能夠有效地回收存儲的能量來根據(jù)不同用戶的要求提供電力、加熱或冷卻。能量存儲裝置的靈活性和其回收存儲的能量的能力與液流電池是可比的，因為與現(xiàn)有的能量存儲系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)以改進(jìn)的效率操作。
[0010]在第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器之間的壓力差驅(qū)動循環(huán)。含有第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器在特定溫度下具有反應(yīng)壓力。含有第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器在特定溫度下具有反應(yīng)壓力。如果第一反應(yīng)器壓力和第二反應(yīng)器壓力之間的差足夠大，該壓力差驅(qū)動循環(huán)。此外，壓縮機(jī)/膨脹器模塊的入口和出口之間的壓力差驅(qū)動制冷劑用于功率輸出。
[0011]基于化學(xué)能量存儲裝置的另一好處是，它可以被容納在低壓儲罐中，因此并不需要像現(xiàn)有的壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)那樣被收容在地下。這樣，地理位置對于壓縮空氣能量存儲系統(tǒng)并不限于深巖石的區(qū)域，或者位于臨近大水域的升高的位置以用于抽水蓄能系統(tǒng)?；诨瘜W(xué)能量存儲裝置可被存儲在地面。
[0012]此外，基于化學(xué)能量存儲裝置具有比其它能量存儲系統(tǒng)更高的存儲密度，因此，該裝置的總體尺寸可被降低，而同時保持相同的能量存儲容量和輸出。這是由于第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器具有更好的吸附能力。
[0013]基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置是具有成本效益的，這是由于系統(tǒng)的尺寸較小以及基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置的簡單和緊湊的構(gòu)造還同樣導(dǎo)致減少的制造時間和更簡單的維護(hù)。該裝置的模塊化性質(zhì)允許組件根據(jù)需要被維護(hù)和更換。
[0014]第一溫度和第二溫度可以是相同的。當(dāng)系統(tǒng)被配置為輸出電力時，該配置是可以接受的。然而典型地，第一溫度將是高溫而第二溫度將是低溫。當(dāng)系統(tǒng)被配置為輸出熱量或冷卻時，該配置是特別優(yōu)選的，而當(dāng)系統(tǒng)被配置以輸出電力時同樣也是可以接受的。
[0015]可選地，制冷劑可以是氨。
[0016]可選地，制冷劑可以是甲醇。[〇〇17]可選地，制冷劑可以是蒸汽。
[0018]環(huán)保制冷劑如氨、甲醇和蒸汽具有零臭氧損耗潛勢(0DP)以及零全球變暖潛能值 (GWP)。此外，氨具有優(yōu)良的熱力學(xué)性質(zhì)的期望的特性。此外，從經(jīng)濟(jì)角度來看，氨制冷是處理和存儲冷凍及非冷凍解凍食品的最具成本效益和節(jié)能的方法。
[0019]第一吸附劑材料和第二吸附劑材料可以是相同的(例如，相同的金屬鹽)。當(dāng)系統(tǒng)被配置為輸出電力時，該配置是可以接受的。然而典型地，第一溫度吸附劑材料和第二吸附劑材料將是不同的(例如，將會是不同的金屬鹽)。當(dāng)系統(tǒng)被配置為輸出熱量或冷卻時，該配置是特別優(yōu)選的，而當(dāng)系統(tǒng)被配置為輸出電力時也是可以接受的。
[0020]可選地，第一吸附劑材料可以是鹽，例如金屬鹽。該鹽可以從能夠與制冷劑氣體， 例如氨形成配價鍵的鹽中選擇。該鹽可以是金屬鹵化物，例如金屬氯化物。金屬鹵化物鹽非常適合于其中的制冷劑是氨、甲醇或蒸汽的系統(tǒng)。該鹽可以是金屬硫化物。金屬硫化物鹽非常適合其中制冷劑是氨或甲醇的系統(tǒng)。該鹽可以是金屬硫酸鹽。金屬硫酸鹽非常適合于其中的制冷劑是水蒸汽的系統(tǒng)。鹽可以選自以下組中:NiCl2、CaCl2、MgCl2、MgS〇dPMnCl2。[0021 ]可選地，第二吸附劑材料可以是鹽，例如金屬鹽。該鹽可以從能夠與制冷劑氣體， 例如氨形成配價鍵的鹽中選擇。該鹽可以是金屬鹵化物，例如金屬氯化物或金屬溴化物。金屬鹵化物鹽非常適合于其中的制冷劑是氨、甲醇或蒸汽的系統(tǒng)。該鹽可以是金屬硫化物。金屬硫化物鹽非常適合其中制冷劑是氨或甲醇的系統(tǒng)。該鹽可以是金屬硫酸鹽。金屬硫酸鹽非常適合于其中的制冷劑是水蒸汽的系統(tǒng)。鹽可以是CaCl2、SrCl2、BaCl2和NaBr。
[0022]只要它們具有與制冷劑的適當(dāng)?shù)南嗷プ饔?，第一吸附劑材料和第二吸附劑材料可以是相同的類?例如，兩者都是金屬鹵化物)，或混合的鹽(例如，一種金屬鹵化物，一種金屬硫化物)，只要它們的反應(yīng)熱動力平衡相互匹配。因此，該裝置的進(jìn)一步的好處是，有能夠在不同溫度水平下能夠致冷和熱栗的眾多的工作對，并且因此單個系統(tǒng)可以包括在不同溫度下操作的工作對并進(jìn)一步擴(kuò)大裝置的可用性。
[0023]通過使用兩種鹽，單個熱源溫度能夠驅(qū)動裝置，并產(chǎn)生較高的性能系數(shù)(C0P)，因為第二化學(xué)反應(yīng)器中的第二吸附劑材料的解吸熱量高于制冷劑氣體的汽化焓。此外，基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置可以安裝在任何位置或地點，因為在反應(yīng)器內(nèi)沒有液體，它不依賴于環(huán)境條件或重力場強(qiáng)度。該裝置可與渦輪機(jī)整合，因為由于第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器間較大的壓力差，該裝置能夠提供更高的功率輸出。[〇〇24]在相同的熱源溫度下，該裝置可產(chǎn)生比常規(guī)固體吸附系統(tǒng)更高的性能系數(shù)(C0P)， 因為第二化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的吸附劑的解吸熱高于制冷劑的汽化焓。另外，該裝置可以被安裝在任何位置，或者在沒有重力的環(huán)境條件，因為在第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)部沒有液體。為了與渦輪機(jī)整合，該裝置由于化學(xué)反應(yīng)器之間的較大壓力差，可能產(chǎn)生比常規(guī)吸附循環(huán)更多的功率。
[0025]可選地，第一吸附劑材料和/或第二吸附劑材料可以是多孔的。多孔吸附劑材料具有比非多孔材料更大的每體積單元的表面積。因此，更大的量的制冷劑氣體可以吸附到吸附劑材料，為系統(tǒng)提供相對于其尺寸更大的容量。
[0026]可選地，可設(shè)有閥，以提供選擇性的連接到所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊。在一些實例中，選擇性的閥可合并入裝置以選擇性地連接組件。例如，一個壓縮機(jī)和一個膨脹器可以布置在具有選擇性閥的不同環(huán)路上，結(jié)合壓縮機(jī)和膨脹器的裝置可以是選項之一，因為它用在一個方向上流動的進(jìn)給流來操作壓縮，而當(dāng)流動方向逆轉(zhuǎn)時操作膨脹。通過環(huán)路上的選擇性閥整合壓縮機(jī)會提供通過本文所公開的化學(xué)吸附循環(huán)回收超低品位熱的可能性。
[0027]根據(jù)另一方面，提供了一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量的方法，
[0028]所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；[〇〇29]所述方法包括:
[0030]加熱所述第一化學(xué)反應(yīng)器以從所述第一吸附劑材料釋放制冷劑氣體；[0031 ]壓縮從所述第一化學(xué)反應(yīng)器釋放的所述制冷劑氣體，及
[0032]將壓縮的制冷劑氣體輸送至所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮的制冷劑氣體吸附到所述第二吸附劑材料上。
[0033]可以說，加熱第一化學(xué)反應(yīng)器啟動了化學(xué)反應(yīng)。因此，加熱該反應(yīng)器使得制冷劑氣體從吸附劑材料解吸。通常，這將涉及制冷劑氣體和吸附劑之間的化學(xué)鍵(例如，配價鍵)的斷裂。
[0034]如果制冷劑氣體是在低壓下，制冷劑氣體被壓縮，并隨后由第二化學(xué)反應(yīng)器吸附。
[0035]根據(jù)另一個方面，提供了一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量的方法，
[0036]所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二吸附劑材料中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成或者壓縮或者膨脹制冷劑；[〇〇37]所述方法包括:
[0038]加熱所述第一化學(xué)反應(yīng)器以從所述第一吸附劑材料釋放制冷劑氣體；
[0039]膨脹從所述第一化學(xué)反應(yīng)器釋放的所述制冷劑氣體，及
[0040]將壓縮的制冷劑氣體輸送至所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮的制冷劑氣體吸附到所述第二吸附劑材料上。[〇〇41 ]如果制冷劑氣體是在足夠高的壓力下，制冷劑氣體通過壓縮機(jī)/膨脹器模塊膨脹以用于電力輸出。
[0042]根據(jù)另一個方面，提供了一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生電力和制冷的方法，
[0043]所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；
[0044]所述方法包括:
[0045]加熱所述第二化學(xué)反應(yīng)器以釋放高壓制冷劑氣體；
[0046]將所述高壓制冷劑氣體輸送至所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊；[〇〇47]膨脹所述高壓制冷劑氣體以產(chǎn)生電力和廢棄的制冷劑氣體;及
[0048]將所述廢棄的制冷劑氣體輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，用于吸附到所述第一吸附劑材料上。[〇〇49]根據(jù)另一個方面，提供了一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生熱量的方法，
[0050]所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；[0051 ]所述方法包括:
[0052]加熱所述第二化學(xué)反應(yīng)器以釋放高壓制冷劑氣體;及[〇〇53]將所述高壓制冷劑氣體直接地輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，使得所述高壓制冷劑氣體吸附到所述第一吸附劑材料上以提供熱量。[〇〇54]可以說，將制冷劑氣體輸送到第一吸附劑材料觸發(fā)了化學(xué)反應(yīng)。因此，輸送導(dǎo)致制冷劑氣體吸附到吸附劑材料上。通常，這將涉及制冷劑氣體和吸附劑材料之間的化學(xué)鍵(例如，配價鍵)的形成，其導(dǎo)致熱釋放。產(chǎn)生的熱量可以被描述為高溫合成熱量。
[0055]根據(jù)另一個方面，提供了一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生制冷的方法，
[0056]所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，其選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成或者壓縮或者膨脹制冷劑；[〇〇57]所述方法包括:[〇〇58]從外部源吸取熱量并引導(dǎo)此熱量之所述第二化學(xué)反應(yīng)器，使得制冷劑氣體從所述第二化學(xué)反應(yīng)器釋放;及
[0059]將所述制冷劑氣體直接地輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，其中所述制冷劑氣體被吸附到所述第一吸附劑材料上。
[0060]可以說，加熱第二化學(xué)反應(yīng)器啟動了化學(xué)反應(yīng)。因此，加熱該反應(yīng)器使得制冷劑氣體從吸附劑材料解吸。通常，這將涉及制冷劑氣體和吸附劑之間的化學(xué)鍵(例如，配價鍵)的斷裂。
[0061]在第二所述方面和隨后提到的方面中操作的裝置可以是根據(jù)第一所述方面的裝置。因此，相對于所述第一所述方面描述的可選的特征同樣適用于第二所述方面和隨后提到的方面。【附圖說明】
[0062]以下通過引用附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)一步地描述，其中:
[0063]圖1是本系統(tǒng)的示意圖。插圖1示出壓縮的第一步驟;插圖2a示出用于產(chǎn)生電能的膨脹的第二步驟;插圖2b示出產(chǎn)生熱量的第二步驟;插圖2c示出產(chǎn)生冷卻的第二步驟?！揪唧w實施方式】
[0064]第一吸附劑材料可以是在容器內(nèi)的高溫鹽吸附劑床的形式。合適的吸附劑鹽的例子(當(dāng)制冷劑是氨時特別有效)是NiCl2、CaCl2、MgCl2、MgS〇dPMnCl2。
[0065]第二吸附劑材料可以是在容器中的低溫鹽吸附劑床的形式。合適的吸附劑的例子鹽(當(dāng)制冷劑是氨時特別有效)是CaCl2、SrCl2、BaCl2和NaBr。
[0066]化學(xué)吸附是吸附的一種形式，其涉及吸附物(在本例情況下是制冷劑氣體)和吸附劑之間的化學(xué)鍵(例如，配價鍵)的形成和斷開。
[0067]化學(xué)吸附存儲系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的能源需求重復(fù)產(chǎn)生電力或加熱或冷卻。它展示出堪比液流電池的更大的靈活性。
[0068]當(dāng)吸附劑在給定溫度下具有對制冷劑氣體的親和力時，在該溫度下的被吸附的氣體(即化學(xué)鍵合到吸附劑)和未被吸附的氣體(即未化學(xué)鍵合到吸附劑)之間的平衡偏向被吸附的氣體。[〇〇69]在本說明書中使用的術(shù)語“高溫”和“低溫”應(yīng)被理解為相對于彼此。
[0070]能量存儲裝置的單個周期是由四個主要部分組成:高溫鹽容器(HTS吸附床)、低溫鹽容器(LTS吸附床)、可反向工作的作為膨脹器的壓縮機(jī)，和用于釋放冷能的熱交換器。一個完整周期的工作原理由兩個步驟組成。壓縮機(jī)或膨脹器可以位于單獨(dú)的回路(復(fù)數(shù)個)上作為兩個單獨(dú)的組件。
[0071]在第一步驟中，能量存儲系統(tǒng)采用非高峰期間的電力來驅(qū)動該加壓從HTS氨合物中釋放的氨的壓縮機(jī)，圖1(1)中示出的a_b表示等熵壓縮。氨以在熱沉溫度下浸透在多孔材料中的LTS氨合物的形式被存儲，圖1(1)中示出的b-c表示了等壓冷卻。點c是LTS合成反應(yīng)的平衡狀態(tài)。
[0072]在第二步驟中，能量存儲系統(tǒng)可以以多種方式操作以便重復(fù)產(chǎn)生電力、加熱或冷卻(制冷)操作。[〇〇73]為了重復(fù)產(chǎn)生電力發(fā)電和額外的制冷，LTS容器在60°C下(通過路徑d，如圖l(2a) 中所示)加熱。LTS容器釋放高壓氨，其穿過膨脹器并產(chǎn)生電力(通過路徑d，如圖l(2a)中所示)。隨后，排出的氨被HTS容器吸附(通過路徑e-f，圖1 (2a))。[〇〇74]氨蒸氣到達(dá)膨脹器的入口，處于低溫但高壓下，且同時，膨脹器下游的HTS吸附劑處于極低的平衡壓力下;膨脹的良好性能和大輸出功率得以實現(xiàn)。排出的氨提供了額外的制冷。[〇〇75] 為了產(chǎn)生熱量，LTS容器在60 °C下加熱(圖1 (2b)中由路徑d-e示出)，LTS容器釋放直接被HTS容器吸附的氨。提供閥門以直接連接LTS容器和HTS容器。
[0076]高溫度的合成熱量(d-e)被產(chǎn)生，如圖l(2b)所示。[〇〇77]如果高溫吸附劑材料是NiC12，約260 °C的熱量被釋放。其它的吸附劑材料，例如 MnCl2產(chǎn)生約150°C的熱量，CaCl2產(chǎn)生約90°C的熱量。[〇〇78]為了產(chǎn)生制冷，LTS容器被構(gòu)造成從周圍吸取熱量，并由此LTS容器對周圍環(huán)境產(chǎn)生冷卻效果。所提取的熱啟動氨的釋放(如圖l(2c)所示的路徑d-e)，并且從周圍環(huán)境吸取的分解熱量導(dǎo)致制冷效果。同時，HTS容器被冷卻并吸附氨(如圖l(2c)所示的路徑d-e)。 [〇〇79]導(dǎo)致制冷效果的HTS吸附劑冷卻溫度取決于所選擇的吸附劑材料。CaCl2可以在20 °C下被冷卻得到-15 °C的制冷效果，而MnCl2和NiCL2只需要在最高71°C和157 °C下，分別冷卻得到同樣的制冷效果。因此，如果運(yùn)用20 °C的熱沉，選擇MnCl2和NiCL2作為HTS產(chǎn)生更好的和較低溫度的制冷。
[0080]通過使用化學(xué)反應(yīng)(S卩，化學(xué)鍵，例如配價鍵的形成或斷裂)，例如在制冷劑氣體(如蒸汽或氨)和固體吸附劑(如MgO和鹵化物鹽)之間，熱量可以在一個溫度下被長期存儲 (以最小的損失)，然后從存儲系統(tǒng)提取為以下任一:熱量(在相同或更高的溫度下)、冷卻或電力。從存儲系統(tǒng)中提取的能量隨后可用于降低電力、加熱和/或冷卻的需求，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益。[0081 ]熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)有兩個組件:
[0082]1、包含可被加熱或冷卻的吸附劑材料(固體或液體)的化學(xué)反應(yīng)器。當(dāng)該化學(xué)反應(yīng)器被加熱(熱量被從廢熱或環(huán)境供給到反應(yīng)器中，并轉(zhuǎn)換為化學(xué)勢能)時，制冷劑氣體被解吸并離開反應(yīng)器。當(dāng)制冷劑進(jìn)入反應(yīng)器并且被吸附時，會產(chǎn)生熱量，這是作為熱量從反應(yīng)器中提取的并且被用在例如工業(yè)過程中。
[0083]2、壓縮機(jī)/膨脹器，其或者消耗功(電力)以便壓縮制冷劑氣體，或者膨脹氣體以產(chǎn)生可以發(fā)電的功。
[0084]可選的第三組件是冷凝器/蒸發(fā)器，其或者冷凝離開反應(yīng)器的制冷劑，產(chǎn)生有用的熱量輸出，或者蒸發(fā)具有熱量輸入的制冷劑，熱量輸入可以是從環(huán)境或來自工業(yè)過程的“廢棄”熱量。
[0085]這種存儲技術(shù)的一個關(guān)鍵的新穎方面是，組件是可互換的，使得定制系統(tǒng)可被開發(fā)用于工業(yè)廠房或過程，這取決于產(chǎn)生的可回收熱量的量或頻率、用于加熱、冷卻和電力的需求，和系統(tǒng)操作要求。這種靈活性提高了效率，最大限度地減少能源需求并允許該系統(tǒng)被用于廣泛的應(yīng)用范圍。提高工業(yè)能源利用的一個競爭方式(competing approach)是具有利用高溫相變材料和合適的工作溫度有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)動機(jī)的熱能存儲器的系統(tǒng)，以減少工業(yè)應(yīng)用中的電力需求。
[0086]冷卻和電力化學(xué)吸附系統(tǒng)采用壓縮機(jī)/膨脹器，氨的固體化學(xué)吸附的性能特征，諸如熱與質(zhì)量傳遞、吸附/解吸容量、活性材料和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可以很好。
[0087]有許多類型的反應(yīng)器和換熱器能夠合并入該裝置和方法(即再生器)，比如圓柱再生器、殼和翅片管再生器、旋轉(zhuǎn)多床再生器、板式換熱再生器。
[0088]替代的壓縮/膨脹技術(shù)可用并適用于該裝置。實例包括旋轉(zhuǎn)裝置，例如渦旋型、葉片型、或葉型裝置，并且往復(fù)裝置的實例包括在直列型、“V”型、串聯(lián)活塞型、單動和雙動型。
[0089]許多材料已經(jīng)被研究作為壓實的吸附劑化合物的多孔載體，如活性炭、蛭石、膨脹石墨、沸石和硅膠。某些多孔載體具有對產(chǎn)生額外吸附能力的制冷劑氣體的物理吸附能力。 其他都僅是惰性基質(zhì)。
[0090]例如，可膨脹石墨用于生產(chǎn)多孔載體?？膳蛎浭ㄟ^將其放置在電烘箱內(nèi)在約 1 〇分鐘的持續(xù)時間中在約600 °C下通過熱處理使其膨脹。加熱的準(zhǔn)確溫度和持續(xù)時間取決于不同原料的石墨材料。膨脹石墨隨后與鹽溶液，如鹵化物鹽，例如CaCl2混合，并在110°C 下干燥約24小時，以除去游離的水，并允許CaCl2 ? nH20浸漬到膨脹石墨材料中。該混合物保持在約270°C的溫度下若干小時，以將CaCl2 ? nH20煅燒成CaCl2。鹽對膨脹石墨的最佳質(zhì)量比已經(jīng)被研究以改進(jìn)傳熱和傳質(zhì)。反應(yīng)性鹽在總吸附劑化合物中的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為從 50%至90%，例如從65%到80%。
[0091]CaCl2和膨脹石墨的復(fù)合物吸附劑提高了純鹽(CaCl2)的熱導(dǎo)率約36倍。添加膨脹石墨紋理有助于制冷氣體的傳質(zhì)并減少純鹽吸附劑已被發(fā)現(xiàn)的容易發(fā)生的脹大和結(jié)塊。 [〇〇92] 鹽/制冷劑組合的反應(yīng)平衡和動態(tài)性能已經(jīng)針對一些鹽/制冷劑的組合進(jìn)行了研究。
[0093]可以使用高溫相變材料存儲，并且可以根據(jù)特定的工業(yè)溫度范圍調(diào)整。[〇〇94]對許多材料進(jìn)行了研究以作為壓實的吸附劑化合物的多孔材料或載體，如活性炭、蛭石、膨脹石墨、沸石和硅膠。一些材料具有對制冷劑的物理吸附能力，它提供了額外的吸附，而有些只是惰性基質(zhì)，提供用于吸附劑化合物的載體。加入這些多孔載體增強(qiáng)了吸附劑材料的熱量與質(zhì)量傳遞性能，從而導(dǎo)致裝置的整體性能的提高。
[0095]本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，與任何上述實施例有關(guān)的特征可以在不同實施例之間互換。上述實施例是用來解釋本發(fā)明的各種特征的示例。
[0096]在整個說明書和本說明書的權(quán)利要求中，詞語“包括”和“含有”以及它們的變型指 “包括但不限于”，并且它們并非旨在(并且不)排除其它部分、添加劑、組分、整數(shù)或步驟。在整個說明書和權(quán)利要求書中，單數(shù)包含復(fù)數(shù)，除非文義另有所指。特別地，在使用不定冠詞時，說明書應(yīng)理解為考慮單數(shù)以及復(fù)數(shù)，除非上下文另有要求。
[0097]結(jié)合本發(fā)明的特定方面、實施例或示例所描述的特征、整數(shù)、特性、化合物、化學(xué)結(jié)合或基團(tuán)應(yīng)被理解為適用于本文所述的任何其它方面、實施例或示例，除非與其不相容。所有的在本說明書(包括任何所附的權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的特征和/或所公開的任何方法或過程的所有步驟，可以以任何組合方式進(jìn)行組合，除了那些其中至少一些這種特征和/或步驟是互相排斥的組合。本發(fā)明并不受限于任何前述實施例的細(xì)節(jié)。本發(fā)明延伸到在本說明書中公開的特征(包括任何所附權(quán)利要求，摘要和附圖)中的任何新穎的一個或任何新穎的組合，或延伸到所公開的任何方法或過程的步驟的任何新穎的一個或任何新穎的組合。
[0098]讀者應(yīng)須注意到與本申請相關(guān)聯(lián)的同時于或先于本說明書提交的，并且以本說明書公開給公眾檢視的所有文件和文檔，并且所有這些文件和文檔的內(nèi)容通過引用并入本文。
【主權(quán)項】
1.一種基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置，包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所 述第一吸附劑材料在第一溫度下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑材料在第二 溫度下具有對所述制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)一 步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一吸附劑材料和/或所述第二吸附劑材料中或從所述第一吸 附劑材料和/或所述第二吸附劑材料中取出熱量的機(jī)構(gòu)；壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和 所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；其中所述用于輸入熱量到所述第一吸附劑材料和/或所述第二吸附劑材料中或從所述 第一吸附劑材料和/或所述第二吸附劑材料中取出熱量的機(jī)構(gòu)在所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊 和所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器之間提供制冷劑流，且其中所述壓縮機(jī)/膨 脹器模塊可操作，以根據(jù)能力存儲需求壓縮或膨脹所述制冷劑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一溫度是高溫，所述第二溫度是低溫。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述制冷劑是氨。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述制冷劑是甲醇。5.根據(jù)權(quán)利要求域2所述的裝置，其中所述制冷劑是蒸汽。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一吸附劑材料是選自以 下的一種鹽:金屬鹵化物、金屬硫化物和金屬硫酸鹽。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一吸附劑材料是選自以下組的一種鹽: NiCh、CaCl2、MgCl2、MgS〇4 和 MnCh。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第二吸附劑材料是選自以 下的一種鹽:金屬鹵化物、金屬硫化物和金屬硫酸鹽。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述鹽選自以下組:CaCl2、SrCl2、BaCl2和NaBr。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一吸附劑材料和/或所 述第二吸附劑材料是多孔的。11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一權(quán)利要求所述的裝置，其中設(shè)有閥，以提供選擇性的連 接到所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊。12.—種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量的方法，所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二 化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑 材料在低溫下具有對所述制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng) 器進(jìn)一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器或從所述第一 化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮 機(jī)/膨脹器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/ 膨脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；所述方法包括:加熱所述第一化學(xué)反應(yīng)器以從所述第一吸附劑材料釋放制冷劑氣體；壓縮從所述第一化學(xué)反應(yīng)器釋放的所述制冷劑氣體，及將壓縮的制冷劑氣體輸送至所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮的制冷劑氣體吸附到所述第二吸附劑材料上。13.—種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量的方法，所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二 化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑 材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn) 一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化 學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮機(jī)/ 膨脹器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨 脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；所述方法包括:加熱所述第一化學(xué)反應(yīng)器以從所述第一吸附劑材料釋放制冷劑氣體；膨脹從所述第一化學(xué)反應(yīng)器釋放的所述制冷劑氣體，及將制冷劑氣體輸送至所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述制冷劑氣體吸附到所述第二吸附劑材 料上。14.一種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生電力和制冷的方法， 所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑 材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn) 一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化 學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮機(jī)/ 膨脹器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨 脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；所述方法包括:加熱所述第二化學(xué)反應(yīng)器以釋放高壓制冷劑氣體；將所述高壓制冷劑氣體輸送至所述壓縮機(jī)/膨脹器模塊；膨脹所述高壓制冷劑氣體以產(chǎn)生電力和廢棄的制冷劑氣體;及 將所述廢棄的制冷劑氣體輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，用于吸附到所述第一吸附劑材 料上。15.—種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生熱量的方法，所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二 化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑 材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn) 一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化 學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮機(jī)/ 膨脹器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨 脹器模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；所述方法包括:加熱所述第二化學(xué)反應(yīng)器以釋放高壓制冷劑氣體;及將所述高壓制冷劑氣體直接地輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，使得所述高壓制冷劑氣體吸附到所述第一吸附劑材料上以提供熱量。16.—種操作基于化學(xué)吸附的能量存儲裝置以存儲能量并產(chǎn)生制冷的方法，所述裝置包括:包含第一吸附劑材料的第一化學(xué)反應(yīng)器和包含第二吸附劑材料的第二 化學(xué)反應(yīng)器，所述第一吸附劑材料在高溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第二吸附劑 材料在低溫下具有對制冷劑氣體的親和力，所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器進(jìn) 一步設(shè)有用于輸入熱量到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和第二化學(xué)反應(yīng)器中或從所述第一化學(xué)反 應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器中取出熱量的機(jī)構(gòu)，和壓縮機(jī)/膨脹器模塊，所述壓縮機(jī)/膨脹 器模塊選擇性地連接到所述第一化學(xué)反應(yīng)器和所述第二化學(xué)反應(yīng)器，所述壓縮機(jī)/膨脹器 模塊配置成壓縮或者膨脹制冷劑；所述方法包括:從外部源吸取熱量并引導(dǎo)此熱量至所述第二化學(xué)反應(yīng)器，使得制冷劑氣體從所述第二 吸附劑材料釋放;及將所述制冷劑氣體直接地輸送至所述第一化學(xué)反應(yīng)器，其中所述制冷劑氣體被吸附到 所述第一吸附劑材料上。17.根據(jù)權(quán)利要求12至16中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述裝置是權(quán)利要求1至11 中任一權(quán)利要求所述的裝置。
【文檔編號】F25B9/06GK105992920SQ201580007309
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月6日
【發(fā)明人】包華汕, 安東尼·保羅·羅斯基里
【申請人】泰恩河畔紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)