專利名稱：吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄能的領(lǐng)域。具體地講，本發(fā)明的公開(kāi)針對(duì)的是一種蓄能裝置，蓄能裝置包括了包含著用來(lái)吸附空氣的多孔材料的壓力室。
背景技術(shù)：
壓縮空氣蓄能以其首字母縮略詞“CAES”而眾所周知。在一些CAES裝置中，空氣壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并隨后用于對(duì)連接到電磁發(fā)電機(jī)的空氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由此形成電化學(xué)電池的功能等同物。如果足夠緩慢地執(zhí)行充電-放電循環(huán)以使其近似地等溫 (意味著由壓縮產(chǎn)生的熱量發(fā)生耗散、而不會(huì)在壓縮期間顯著升高空氣的溫度，并且從環(huán)境吸收/汲取的熱量同樣在膨脹期間防止空氣顯著地冷卻)，則這種形式的電力儲(chǔ)存能夠具有良好的效率。CAES系統(tǒng)也能夠設(shè)計(jì)為與化學(xué)電池相比具有更高的可靠性、更低的維護(hù)和更長(zhǎng)的工作壽命，并且如果存在有便宜的存儲(chǔ)壓縮空氣的方式可用，則CAES系統(tǒng)的成本能夠與基于電池的系統(tǒng)相當(dāng)。不幸的是，所制造的用以在其中存儲(chǔ)空氣的壓力容器(諸如，鋼罐)的高成本、重量和大尺寸阻止了 CAES裝置在所有它們的通常應(yīng)用中與電池競(jìng)爭(zhēng)。迄今為止，CAES已用于三種商業(yè)目的。第一并且最廣泛的用途不是作為蓄能方式自身，而是用以在車間和工廠中驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)工具和機(jī)器。與電動(dòng)工具相比，氣動(dòng)工具具有更高的重量功率比，并且與驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)的較大電動(dòng)機(jī)相比這些工具中的小型電動(dòng)機(jī)也趨于為效率較低的。壓縮空氣存儲(chǔ)在罐中，所述罐足夠大以用作緩沖器并確保系統(tǒng)中的壓力保持恒定。這些系統(tǒng)的總體效率由于這樣的事實(shí)而受到限制它們丟棄/排出壓縮的熱量，并且在空氣的快速膨脹期間不重新加熱空氣。通過(guò)使用適度的壓力(通常小于十個(gè)大氣壓) 來(lái)限制這種低效率，這也減小了這種CAES系統(tǒng)的資本成本。CAES的第二用途是例如用于在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心或醫(yī)院中、在電力故障的情況下保持必要機(jī)器運(yùn)行的臨時(shí)備用電源。在這種情況下，占地面積的需求很大，需要使用一百或更多的大氣壓的壓力以獲得相對(duì)較高的能量密度，但由該系統(tǒng)的高可靠性和它能夠在電力故障的情況下立即提供的高功率，則證明了用于壓縮空氣的高壓鋼存儲(chǔ)罐的成本合理。隨后， 如果需要，則能夠使更長(zhǎng)期的備用系統(tǒng)(像是柴油發(fā)電機(jī))在線工作。雖然從電化學(xué)電池能夠獲得相同的功能，但能夠提供足夠功率的電池系統(tǒng)也將會(huì)必須存儲(chǔ)比在等待長(zhǎng)期備用系統(tǒng)進(jìn)入在線工作狀態(tài)同時(shí)所需要的能量更多的能量，這使得電池變?yōu)橄鄬?duì)比較昂貴的解決方案。CAES系統(tǒng)還需要更少的維護(hù)，具有更長(zhǎng)的壽命，并且不具有與對(duì)環(huán)境有危害的化學(xué)品相關(guān)聯(lián)的處理成本。其它這種短期備用電源解決方案包括同樣相對(duì)比較昂貴的超級(jí)電容器和飛輪。所述CAES已被投入使用的第三商業(yè)用途是降低由公用公司發(fā)電和/或分配供電的成本。這能夠以若干種方法實(shí)現(xiàn)，其中最常見(jiàn)的方法是增強(qiáng)中心發(fā)電容量或裝機(jī)容量。大型中心發(fā)電廠(諸如，煤電廠和核電廠)的停止和啟動(dòng)很昂貴，而較小的發(fā)電廠(諸如，燃?xì)鉁u輪機(jī))容易關(guān)閉和開(kāi)啟，但運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)比較昂貴。因此，如果來(lái)自大型發(fā)電廠的能量能夠在需求低時(shí)被存儲(chǔ)并且在需求高時(shí)用于發(fā)電，則能夠減少安裝和運(yùn)營(yíng)小型峰值負(fù)荷發(fā)電廠的需要，由此也減少發(fā)電的平均或“均衡/平準(zhǔn)(levelized)”成本。
發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了一種蓄能裝置。該蓄能裝置包括吸附空氣的多孔材料和壓縮機(jī)。壓縮機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成加壓空氣和熱量，并且加壓空氣由多孔材料冷卻并吸附。該蓄能裝置還包括用于存儲(chǔ)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣的罐和電動(dòng)機(jī)。通過(guò)在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的同時(shí)允許空氣解除吸附和膨脹，則驅(qū)動(dòng)了電動(dòng)機(jī)以恢復(fù)存儲(chǔ)為經(jīng)加壓并且受吸附的空氣的能量。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了另一種蓄能裝置。該蓄能裝置包括多孔材料，在該多孔材料中已吸附合適的流體。該裝置還包括把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成加壓空氣和熱量的壓縮機(jī)和屏障。通過(guò)允許熱量流經(jīng)屏障來(lái)冷卻了加壓空氣，熱量被傳送給已吸附了流體的多孔材料，并且熱量使多孔材料的溫度升高，引起流體從它解吸附。通過(guò)允許流體再吸附到多孔材料，熱量被恢復(fù)、并用于防止膨脹空氣的溫度下降并且降低當(dāng)裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的同時(shí)所做的功。在又一實(shí)施例中，提供了另一種蓄能裝置。該蓄能裝置包括吸附空氣的多孔材料和存儲(chǔ)熱量的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)。該裝置還包括把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成加壓空氣和熱量的壓縮機(jī)。加壓空氣由多孔材料冷卻并吸附，并且通過(guò)允許熱量流經(jīng)防止經(jīng)加壓并且受吸附的空氣泄漏的屏障來(lái)控制多孔材料和周圍空氣的溫度。熱量被引導(dǎo)到熱能系統(tǒng)并存儲(chǔ)在那里。另外， 該裝置包括對(duì)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣進(jìn)行存儲(chǔ)的罐，并且通過(guò)引導(dǎo)存儲(chǔ)在熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)中的熱量通過(guò)屏障、并且引起空氣解吸附、且允許它在該過(guò)程中膨脹并做功，則在需要時(shí)恢復(fù)罐包含著的能量。
示例性實(shí)施例和相關(guān)外推實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被圖示在圖1至11中。第二示例性實(shí)施例和另外的外推的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被圖示在圖12至23中。圖1描繪沸石NaX上的空氣的主要成分的吸附等溫線；
圖2描繪了氮分子數(shù)與氧分子數(shù)之比與在氮氧壓力之比具有固定值4. 0的情況下的氮壓力之間關(guān)系；
圖3是吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的示意性示圖，顯示充電過(guò)程的前半部分期間的這些流；圖4是吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的示意性示圖，顯示充電過(guò)程的后半部分期間的這些流；
圖5是吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的示意性示圖，顯示放電過(guò)程的前半部分期間的這些流；
圖6是吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的示意性示圖，顯示放電過(guò)程的后半部分期間的這些流；
圖7是更詳細(xì)地圖示出吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例在充電過(guò)程的前半部分期間如何工作的工藝流程圖8是更詳細(xì)地圖示出吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例在放電過(guò)程的后半部分期間如何工作的工藝流程圖9是溫度控制室中的空氣吸附圓筒的陣列的三維圖10是分別在充電過(guò)程的前半部分和放電過(guò)程的后半部分期間進(jìn)行了準(zhǔn)備工作并用來(lái)提升所存儲(chǔ)的熱量的吸附熱泵的三維圖11是用于在放電過(guò)程期間恢復(fù)存儲(chǔ)為壓縮空氣、吸附的空氣和熱量的能量的混合器-噴射器空氣渦輪機(jī)的三維圖12描繪從公布的數(shù)據(jù)外推的在四種不同溫度的沸石NaX上的空氣的吸附等溫線； 圖13描繪作為固定工作壓力的函數(shù)的、基于在-40到100°C溫度擺動(dòng)(temperature swing)范圍上的圖12的等溫線的、NaX片床預(yù)期存儲(chǔ)能量的密度；
圖14描繪第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例的存儲(chǔ)循環(huán)的四段，以及實(shí)施例的主要熱存儲(chǔ)庫(kù)之間的熱量的流動(dòng)；
圖15是圖示出存儲(chǔ)循環(huán)的第一段(或者充電過(guò)程的前半部分)期間第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的簡(jiǎn)化工藝流程圖16是圖示出存儲(chǔ)循環(huán)的第二段(或者充電過(guò)程的后半部分)期間第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的簡(jiǎn)化工藝流程圖17是圖示出存儲(chǔ)循環(huán)的第三段(或者放電過(guò)程的前半部分)期間第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的簡(jiǎn)化工藝流程圖18是圖示出存儲(chǔ)循環(huán)的第四段(或者放電過(guò)程的后半部分)期間第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例中的質(zhì)量和能量流的簡(jiǎn)化工藝流程圖19是顯示第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例的關(guān)鍵子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)循環(huán)的第一段期間它們之間的質(zhì)量流的詳細(xì)工藝流程圖20是顯示第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例的關(guān)鍵子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)循環(huán)的第二段期間它們之間的質(zhì)量流的詳細(xì)工藝流程圖21是顯示第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例的關(guān)鍵子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)循環(huán)的第三段期間它們之間的質(zhì)量流的詳細(xì)工藝流程圖22是顯示第二吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能實(shí)施例的關(guān)鍵子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)循環(huán)的第四段期間它們之間的質(zhì)量流的詳細(xì)工藝流程圖23描繪另一存儲(chǔ)循環(huán)的壓力-體積示圖，其中通過(guò)在膨脹之前以恒定體積對(duì)完全充電的NaX床進(jìn)行加熱來(lái)捕獲了一些外部熱量，由此補(bǔ)償在三階段的絕熱壓縮和膨脹過(guò)程中的能量損失，其中每個(gè)階段之后分別跟隨著等壓冷卻和加熱。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了用于在多孔材料中吸附的物理過(guò)程的用途，這在很大程度上改善了壓縮空氣蓄能(CAES)的經(jīng)濟(jì)效果。另外，本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容提供了對(duì)于以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)能量、并且也可以用顯熱或潛熱的形式存儲(chǔ)一些能量的裝置的幾種改進(jìn)。為了使用CAES以使中心發(fā)電容量變得有成本效益，壓縮空氣當(dāng)前存儲(chǔ)在地下地質(zhì)存儲(chǔ)庫(kù)(諸如，天然含水層或人工廢棄氣井或油井)中而非存儲(chǔ)在所制造的罐中。通過(guò)使用壓縮空氣對(duì)燃?xì)鉁u輪機(jī)進(jìn)行渦輪增壓，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效果，由此使渦輪機(jī)免于耗費(fèi)對(duì)空氣自身進(jìn)行壓縮的能量。這允許在從天然氣產(chǎn)生另外的能量的同時(shí)恢復(fù)存儲(chǔ)在待壓縮空氣中的能量。雖然用于渦輪增壓所需的壓力相當(dāng)?shù)馗?大約50個(gè)大氣壓)，但渦輪增壓允許在高功率水平提供存儲(chǔ)的能量、并且以大約70%的總體效率恢復(fù)存儲(chǔ)的能量。尚待在商業(yè)上部署的為了公用目的使用CAES的稍微不同的方法稱為“高級(jí)絕熱 CAES”。在AA-CAES中，在壓縮期間從空氣提取的熱量被存儲(chǔ)并且在空氣驅(qū)動(dòng)空氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)時(shí)在膨脹期間重新加熱空氣。原則上，這允許恢復(fù)存儲(chǔ)為熱量以及存儲(chǔ)為壓縮空氣的能量，因此AA-CAES的效率能夠原則上接近100%。實(shí)際上，尤其在高功率水平，難以存儲(chǔ)并恢復(fù)壓縮的熱量而沒(méi)有顯著損失。在迄今為止的所有提出的AA-CAES的實(shí)施例中，空氣再次在高溫的情況下存儲(chǔ)在地下存儲(chǔ)庫(kù)中，并且熱量通常以遠(yuǎn)高于200°C的溫度以顯熱而非潛熱形式存儲(chǔ)。蓄能具有同樣以若干其它方法減小電力設(shè)施的運(yùn)營(yíng)成本的潛力，但這些方法都尚未廣泛使用。這些方法包括輸電容量延遲和擁塞減少、各種輔助服務(wù)、批量電價(jià)套利和在終端用戶級(jí)別的負(fù)荷轉(zhuǎn)移或均衡/平準(zhǔn)化。然而，在將來(lái)，蓄能的最有價(jià)值的用途很可能是可再生容量固化(renewable capacity firming)。可再生能源(諸如，風(fēng)和太陽(yáng)能)趨于是間歇性的，從而使得它們的容量隨時(shí)間變化并且經(jīng)常不足以滿足電力需求。如果能量能夠在容量超過(guò)需求時(shí)被存儲(chǔ)、并且在需求超過(guò)容量時(shí)用來(lái)發(fā)電，則這些可再生能源將會(huì)變得更加有成本效益得多。前面應(yīng)用中的任何應(yīng)用中的現(xiàn)有CAES系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)在于合適的地下存儲(chǔ)庫(kù)既不普遍又不可運(yùn)輸。如果有成本效益，則能夠在任何地方組裝并調(diào)節(jié)至那里的發(fā)電廠的尺寸的模塊化系統(tǒng)將會(huì)更加有益于中心發(fā)電容量以及可再生容量固化。另外，如果可以為電網(wǎng)上較接近變電站(substation)或終端用戶的精選的適當(dāng)位置提供便宜、獨(dú)立/成套自持的(self-contained) CAES系統(tǒng)，則CAES能夠提供上述其它成本減少服務(wù)中的一些或全部。這種CAES系統(tǒng)當(dāng)前并非有成本效益的主要原因再一次在于制造的用于壓縮空氣的存儲(chǔ)罐的高成本。應(yīng)該注意的是對(duì)于一階近似，罐的成本與存儲(chǔ)空氣的壓力無(wú)關(guān)，因?yàn)樯邏毫υ试S罐被制造得更小、但要求它的壁成比例地變得更厚，反之亦然。一種未引起許多關(guān)注的使CAES系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)的方法在于利用這樣的事實(shí)空氣的壓縮和膨脹是把熱量從一個(gè)地方泵送到另一個(gè)地方的容易的方式。這意味著能夠容易地開(kāi)發(fā)CAES系統(tǒng)以向終端用戶提供組合的熱量、冷卻和電力。如果這種CAES系統(tǒng)安裝在例如存在著每日時(shí)段電價(jià)的家庭或公司中，則它能夠在電相對(duì)比較便宜的夜間期間充電、 而同時(shí)把熱量提供給建筑物，并且它產(chǎn)生的電在峰值白天時(shí)間期間被使用或賣回給電網(wǎng)并且同時(shí)還提供空氣調(diào)節(jié)。在冬天期間，當(dāng)不需要冷卻時(shí)，平板太陽(yáng)能收集器能夠用于對(duì)水加熱，并且這種熱水用于在膨脹期間為空氣提供熱量，在僅有限增加成本的情況下顯著增加功率輸出。這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效果將會(huì)取決于許多因素，包括公用事業(yè)收費(fèi)、主要?dú)夂?，?dāng)然還包括儲(chǔ)氣罐的成本。通過(guò)合適的多孔材料(諸如，活性碳、硅膠或沸石)中的吸附能夠?qū)崿F(xiàn)氣體和熱量的存儲(chǔ)。在存在這種材料的情況下更容易存儲(chǔ)氣體，因?yàn)槲较啾茸杂蓺怏w密得多，因此減小了在給定壓力的情況下存儲(chǔ)給定質(zhì)量的氣體所需的罐的體積，或者等同地減小了在給定體積所需的壓力。另外，可以使用吸附劑材料以潛熱形式存儲(chǔ)熱量，因?yàn)榻馕降倪^(guò)程消耗熱量。通過(guò)允許吸附物(例如，水蒸汽)被吸附劑再吸附，可隨后重新產(chǎn)生熱量。另外，當(dāng)解吸附的蒸汽的冷凝時(shí)釋放的熱量可以呈顯熱形式存儲(chǔ)，并且通過(guò)使用它以促進(jìn)冷凝物的蒸發(fā)并隨后允許所獲得的蒸汽進(jìn)行再吸附，則可恢復(fù)該熱量。這種裝置能夠包括吸附冷凍機(jī)或熱泵。然而，在這些方法中的任何方法中尚未嘗試使用吸附的過(guò)程以使CAES系統(tǒng)更便宜、更高效或可運(yùn)輸、更適合組合的熱量-功率應(yīng)用和/或更安全地部署。本發(fā)明以四種相互關(guān)聯(lián)的方法提高壓縮空氣蓄能的經(jīng)濟(jì)效果。第一種方法是使用空氣的吸附劑以便減小以壓縮空氣的形式存儲(chǔ)給定量的能量所需的容器中的壓力和/或容器的體積。第二種方法是水或某一其它合適流體的解吸附，可能與當(dāng)由此所產(chǎn)生的蒸汽發(fā)生冷凝時(shí)釋放的低級(jí)別顯熱的存儲(chǔ)組合，作為存儲(chǔ)壓縮的熱量的方式以便使AA-CAES更加經(jīng)濟(jì)。第三種方法是存儲(chǔ)由空氣的吸附產(chǎn)生的熱量，可能還存儲(chǔ)壓縮的熱量，并且在吸附劑材料和/或壓縮空氣膨脹時(shí)使用這種能量升高吸附劑材料和/或壓縮空氣的溫度來(lái)在稍后時(shí)間恢復(fù)這種能量。第四種方法是CAES的新熱力學(xué)循環(huán)，其中壓縮空氣的溫度改變以便在充電/放電循環(huán)期間保持所存儲(chǔ)空氣的壓力近似恒定。當(dāng)如剛剛所述使用空氣的吸附劑時(shí)這種“溫度變化/擺動(dòng)”循環(huán)尤其有益，并且當(dāng)壓縮和/或吸附的熱量被存儲(chǔ)以在隨后例如借助于水或某一其它合適流體的吸附劑使用時(shí)它也適用。在基于吸附的氣體分離過(guò)程中使用溫度變化循環(huán)已廣為接受(例如，參見(jiàn)USPTO公開(kāi)No. 2006/0230930)。應(yīng)該注意的是，能夠通過(guò)壓縮除空氣之外的氣體來(lái)存儲(chǔ)能量，并且已提出使用吸附劑材料來(lái)增強(qiáng)這個(gè)過(guò)程的再生制動(dòng)系統(tǒng)(例如，參見(jiàn)美國(guó)專利No. 7，152，932)。這具有這樣的優(yōu)點(diǎn)與空氣相比，其它氣體可能更加可壓縮并且也可能更強(qiáng)烈地被普通吸附劑接收/吸收；與使用空氣作為工作流體時(shí)的情況相比允許更密集地存儲(chǔ)能量。這種系統(tǒng)和這里所考慮的那些系統(tǒng)之間的主要差異在于使用除空氣之外的任何流體必需有一種能夠再循環(huán)和重新使用該流體的封閉系統(tǒng)。相比之下，能夠從環(huán)境自由地獲取空氣并且再次釋放空氣而沒(méi)有環(huán)境后果。這導(dǎo)致開(kāi)放系統(tǒng)，對(duì)于在終端用戶、變電站或發(fā)電廠級(jí)別處的大規(guī)模蓄能而言，該開(kāi)放系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。本發(fā)明描述了 在大規(guī)模、靜止蓄能應(yīng)用中空氣的吸附劑的使用；作為存儲(chǔ)壓縮的熱量的方式的水或某一其它合適流體的解吸附和/或空氣的吸附；和使用溫度變化循環(huán)的CAES系統(tǒng)。這些過(guò)程都不適合小規(guī)模、移動(dòng)應(yīng)用，諸如再生制動(dòng)。雖然已知在某一程度上吸附著空氣的氮和氧成分的若干種多孔材料，但本發(fā)明的吸附增強(qiáng)CAES實(shí)施例使用沸石材料以用于這個(gè)目的。在適度的壓力和環(huán)境溫度的情況下， 與氧相比，沸石更強(qiáng)烈地吸附氮，且因此已被廣泛用于為了工業(yè)和醫(yī)療目的分離空氣的氧和氮成分。然而，針對(duì)CAES，在感興趣的相對(duì)較高壓力，針對(duì)沸石或其它多孔材料對(duì)空氣的吸附的詳細(xì)研究很少。例如，沸石中的空氣液化的溫度-壓力邊界尚未被詳細(xì)標(biāo)出。這個(gè)過(guò)程(也稱為毛細(xì)冷凝)未正常地在遠(yuǎn)高于吸附物氣體的臨界點(diǎn)(或者在空氣的情況下在大約-140°C)的溫度被觀測(cè)。在有成本效益的吸附增強(qiáng)CAES裝置中，將會(huì)難以實(shí)現(xiàn)這種低
ilm ο因此，由本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容所提供的多孔材料中的吸附的新用途是作為一種減小在給定壓力和溫度的情況下存儲(chǔ)給定質(zhì)量的空氣所需的罐的體積的方式，或者可替代地用作通過(guò)減小在給定體積和在給定溫度的情況下存儲(chǔ)給定質(zhì)量的空氣所需的壓力來(lái)減小罐的壁的厚度或制造罐的材料的強(qiáng)度的方式。通過(guò)把合適的多孔材料放置在保存壓縮空氣的壓力室里面則可以實(shí)現(xiàn)這兩種方案中的任一方案，其中與所述多孔材料自身在壓力室中壓縮空氣的溫度和壓力所占據(jù)的體積相比，所述多孔材料吸附更大體積的空氣。這種多孔材料由于以下的事實(shí)而存在在與固定于合適值的溫度和壓力的平衡狀態(tài)下，處于吸附狀態(tài)的空氣分子與它們周圍的氣態(tài)空氣相比具有極大地減小的移動(dòng)性和高得多的密度。同樣地，多孔材料中的吸附的另一新用途是像以上第一新用途一樣，作為一種存儲(chǔ)由壓縮空氣的過(guò)程產(chǎn)生的熱量和/或由空氣的吸附的過(guò)程產(chǎn)生的熱量的方式。通過(guò)將吸附水或某一其它合適流體的多孔材料設(shè)置成與空氣壓縮機(jī)和/或壓力室處于熱接觸、但位于空氣壓縮機(jī)和/或壓力室外面，實(shí)現(xiàn)了這種第二新用途。第二新用途的多孔材料不需要是與第一新用途的材料相同種類的材料。熱量增加了這種多孔材料的溫度，并因此促進(jìn)水或其它流體從它解吸附。在分子級(jí)別，這個(gè)過(guò)程把動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，通過(guò)防止由解吸附產(chǎn)生的蒸汽回復(fù)為與多孔材料接觸并被再吸附，可隨后無(wú)限期地存儲(chǔ)勢(shì)能。這一點(diǎn)可以這樣描述熱量已被以潛熱形式存儲(chǔ)。從壓縮空氣到第二新用途的多孔材料的熱量的傳遞降低了壓縮空氣的溫度，由此也減小了進(jìn)一步壓縮它所需的功、以及存儲(chǔ)它的罐的尺寸或強(qiáng)度。類似地，當(dāng)從第一新用途的多孔材料傳遞吸附的熱量時(shí)伴隨發(fā)生的第一新用途的多孔材料的冷卻增加了它在任何給定壓力的情況下吸附的空氣的量。為了以顯熱形式恢復(fù)存儲(chǔ)的潛熱，由流體的解吸附產(chǎn)生的蒸汽必須在需要時(shí)可用于再吸附。不幸的是，由蒸汽占據(jù)的大體積使得難以以該形式存儲(chǔ)，并且，壓縮或冷凝它使得以顯熱的形式釋放較小但仍顯著量的能量。然而，可以存儲(chǔ)這種顯熱，并隨后使用蒸汽的膨脹或液體的蒸發(fā)的過(guò)程獲得這種熱量并因此重新產(chǎn)生蒸汽。這樣操作(替代于直接以顯熱形式存儲(chǔ)由空氣的壓縮和/或吸附所產(chǎn)生的熱量)的優(yōu)點(diǎn)在于這樣的事實(shí)在前一情況下，顯熱在能夠更容易地被隔熱而防止損失的低溫的情況下包含于材料中。盡管通常難以獲得這種低級(jí)熱量(即，傳遞到需要它的地方)，但膨脹或蒸發(fā)的過(guò)程用于冷凍這種材料， 因此與采用其它方式的情況相比更快速并且有效地從它抽取/泵送熱量。原則上也能夠通過(guò)使用壓縮空氣作為制冷劑直接實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但難以既把大量低級(jí)熱量從固體或液體材料傳遞到膨脹的空氣又同時(shí)捕獲所產(chǎn)生的機(jī)械能。還耗費(fèi)能量以把低級(jí)熱量轉(zhuǎn)換成便利快速膨脹和/或促進(jìn)空氣的解吸附所需的高級(jí)熱量。不管如何獲得需要的蒸汽，通過(guò)將第二新用途的多孔材料設(shè)置成與空氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)處于熱接觸并且同時(shí)允許水或其它流體蒸汽再吸附到它，則可以用機(jī)械形式恢復(fù)潛熱、以及能量存儲(chǔ)為壓縮和/或吸附的空氣。當(dāng)壓縮空氣在空氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)中膨脹時(shí)， 產(chǎn)生為水或其它流體再吸附的顯熱被傳導(dǎo)或以其它方式傳遞到壓縮空氣，從而升高了它的溫度和壓力以使得它更有用地做功。同時(shí)，這種熱量的傳遞冷卻了第二新用途的多孔材料， 并因此進(jìn)一步促進(jìn)水或某一其它合適流體自發(fā)再吸附到它。類似地，從這個(gè)多孔材料到第一新用途的多孔材料的熱量的傳遞在壓力室中的壓力的情況下促進(jìn)空氣從它解吸附，并且這種壓縮空氣可如剛剛所述般隨后經(jīng)由空氣發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪機(jī)被轉(zhuǎn)換回到機(jī)械能。當(dāng)多孔材料為了這兩種新用途中的任一用途被包括在CAES裝置中時(shí)，將把所獲得的過(guò)程稱為吸附增強(qiáng)CAES或AE-CAES、并且把蓄能裝置自身稱為AE-CAES裝置或 AE-CAES 系統(tǒng)。本發(fā)明公開(kāi)內(nèi)容還為已廣泛用作分離流體混合物的方式的溫度變化吸附的工業(yè)過(guò)程提供新用途。在這個(gè)過(guò)程中，空氣和吸附空氣的多孔材料的溫度在對(duì)CAES裝置充能量時(shí)降低、并且在對(duì)CAES裝置釋放能量時(shí)再次升高，一直以保持壓力室中的壓縮空氣的壓力近似恒定的速度來(lái)泵入空氣或允許空氣離開(kāi)壓力室。恒定氣壓將會(huì)簡(jiǎn)化任何CAES裝置的構(gòu)造和操作，但對(duì)于本發(fā)明的目的而言更重要的是這樣的事實(shí)溫度變化過(guò)程是增加由任何給定量的如第一新用途中的多孔材料所存儲(chǔ)和釋放的空氣的量的方便的方式。它實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是因?yàn)?，由絕大部分已知多孔材料吸附的氣體的量隨其溫度升高而快速減小，反之亦然。因此，如果當(dāng)AE-CAES裝置處于它的充電狀態(tài)時(shí)獲得的最小溫度足夠低以確保在裝置的工作壓力的情況下主要由空氣使多孔材料飽和、而當(dāng)AE-CAES裝置處于它的放電狀態(tài)時(shí)獲得的最大溫度足夠高以確保在裝置的工作壓力的情況下使多數(shù)空氣從該材料解吸附，則至少在不需要變?yōu)榇螝鈮旱陌嘿F并且耗能的方法的情況下，與若已使用壓力變化循環(huán)相比，將會(huì)從選擇的第一新用途的多孔材料獲得更大的益處。這包括具有恒定溫度、或者具有在放電狀態(tài)下達(dá)到其最小溫度并且在充電狀態(tài)下達(dá)到其最大溫度的壓力變化循環(huán)的自發(fā)溫度變化的壓力變化循環(huán)。對(duì)于以上給出的吸附的物理過(guò)程的兩種新用途中的每種新用途，存在各種多孔材料，通過(guò)所述各種多孔材料，可構(gòu)造本發(fā)明的有用實(shí)施例。在現(xiàn)在將要詳細(xì)描述的AE-CAES 實(shí)施例中，第一新用途由稱為NaX的沸石實(shí)現(xiàn)。這是廣泛可用的包含鈉離子的八面沸石類型的沸石，它通常按照13X的商業(yè)名稱銷售。按照摩爾分?jǐn)?shù)，干燥空氣為大約78%氮、21%氧和1%氬。像多數(shù)天然存在的沸石和 /或可商購(gòu)獲得的沸石一樣，與氧或氬相比NaX更強(qiáng)烈地吸附氮，即，在摩爾基礎(chǔ)上，當(dāng)在給定壓力和溫度(一至少在通常為凈化氧或氮的目的所考慮的相對(duì)較低的壓力)而放置在這些純凈氣體中時(shí)與氧或氬相比它吸附更多的氮。另外，氧和氬主要被吸附在NaX孔壁上的化學(xué)相同部位并且也具有類似的吸附等溫線，而氮主要被吸附在不與氧和氬的部位重疊的不同部位處。因?yàn)檫@些事實(shí)，可以通過(guò)在下面把空氣的氬部分視為好像它是氧來(lái)簡(jiǎn)化分析， 并且這不會(huì)產(chǎn)生足夠大以使原理無(wú)效的任何錯(cuò)誤，AE-CAES實(shí)施例應(yīng)該是示例。另外，以上觀測(cè)與由E. A. Ustinov (Russ. J. Chem. 81，246, 2007)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一起顯示可假設(shè)所吸附的氮的量獨(dú)立于吸附的氧(和氬)的量，反之亦然。已在直至大約4個(gè)大氣壓的壓力以及在-70°C和50°C之間的四個(gè)明顯分開(kāi)的溫度測(cè)量出氮、氧(和氬)吸附到NaX的完整等溫線(參見(jiàn)G. W. Miller, ALChE Symp. Ser. 83，28，1987)。通過(guò)擬合這些數(shù)據(jù)確定的Sips和Langmuir等溫方程中的參數(shù)值也在該論文中給出，并且可用于把這些測(cè)量結(jié)果外推至更高的壓力。圖1描繪在四種不同溫度以及在直至20個(gè)大氣壓的壓力的情況下利用公知為NaX 或13X的可商購(gòu)獲得的沸石的空氣的主要成分(即，氮和氧)的吸附等溫線。從Sips等溫公式獲得的氮的等溫線被利用實(shí)線描繪，而從Langmuir等溫線(Sips的特殊情況)獲得氧的等溫線并且氧的等溫線是利用虛線描繪的。因此顯示的圖表把Miller的數(shù)據(jù)外推至有成本效益的吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能裝置所需的更高的壓力。圖2描繪針對(duì)在與圖1相同的四種溫度的壓力的吸附到NaX的氮分子數(shù)與氧分子數(shù)之比，其中在圖表上的每個(gè)點(diǎn)處的氧的壓力為氮的壓力的25%并因此近似等于在125%氮壓力的空氣中的氧的分壓。使用圖1中顯示的外推等溫線計(jì)算這些比值。水平虛線顯示這個(gè)比值具有值4.0的位置，從而該吸附比值近似等于空氣中氮和氧的分壓之比。由垂直虛線指示的在_40°C的溫度處的對(duì)應(yīng)壓力預(yù)期為用于基于具有_40°C的最小溫度的溫度變化循環(huán)的吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能的實(shí)施例的合理地有成本效益的氮分壓。這是因?yàn)榕c在更低壓力和更高溫度下實(shí)現(xiàn)的情況相比，變?yōu)楦邏毫蚋蜏囟葘?huì)以更低的速度增加吸附的空氣的量，從而使得通過(guò)使用NaX吸附劑獲得的成本效益比將會(huì)變得沒(méi)那么有利。圖3至8顯示完整AE-CAES(吸附增強(qiáng)壓縮空氣蓄能)實(shí)施例的示意圖。這些示圖是公知工藝流程圖的圖形版本以及由工程界廣泛使用的化學(xué)和材料加工系統(tǒng)的常見(jiàn)的機(jī)械、流體和電氣部件的相關(guān)聯(lián)符號(hào)。工藝流程圖不應(yīng)該語(yǔ)氣作為用于特定設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，而是允許化學(xué)和材料加工領(lǐng)域的普通技術(shù)人員使用這種標(biāo)準(zhǔn)部件設(shè)計(jì)出能夠再現(xiàn)特定工藝的系統(tǒng)。這些示圖因此提供了描述本發(fā)明的合適方式，該方式提供工藝，根據(jù)所述工藝，可使用多孔材料中的吸附而非特定裝置或設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)CAES系統(tǒng)。在采用的部件并非完全標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施例的那些部分中，給出更詳細(xì)的附圖，并且這些附圖已放大顯示于圖9至11中。圖3至6在AE-CAES系統(tǒng)的充電-放電循環(huán)中的四個(gè)點(diǎn)處通過(guò)AE-CAES系統(tǒng)的示例性實(shí)施例給出主要質(zhì)量和能量通量的高級(jí)示圖。圖3顯示在充電過(guò)程的開(kāi)始時(shí)的這些通量，此時(shí)經(jīng)加壓的NaX床1在100°C附近、并因此具有吸附于它的最小量的空氣，而主要利用水使未加壓的NaX床41飽和。圖4顯示通量如何在充電過(guò)程的大約一半改變，此時(shí)加壓 NaX床1的溫度已降至主要的周圍空氣溫度、并且未加壓NaX床41已失去它的大部分水。 圖5顯示在放電過(guò)程的開(kāi)始時(shí)的通量，此時(shí)加壓NaX床1處于-40°C并因此具有吸附于它的最大量的空氣，而未加壓NaX床41仍然是熱的并且干燥。圖6顯示這些通量如何在放電過(guò)程的大約一半改變，此時(shí)加壓NaX床1的溫度接近周圍空氣溫度并且水蒸汽現(xiàn)在正被載運(yùn)至未加壓NaX床41以產(chǎn)生完全放電所需的熱量。圖7顯示在充能量的過(guò)程的開(kāi)始時(shí)的AE-CAES實(shí)施例的更詳細(xì)示圖(比較圖3)， 此時(shí)吸附熱泵的未加壓NaX床41正被加熱以趕走所吸附的水。圖8顯示放電過(guò)程的中間點(diǎn)之后的同一實(shí)施例(比較圖6)，此時(shí)水蒸汽正被傳遞通過(guò)未加壓NaX床41以產(chǎn)生完全放電所需的高溫。圖9顯示壓縮空氣存儲(chǔ)模塊的剖視放大圖，該模塊在用于控制溫度的冷凝 /汽化室4內(nèi)包含以沸石片1填充的圓筒2。圖10顯示出包含著用于存儲(chǔ)由空氣的壓縮和吸附所產(chǎn)生熱量的沸石床41的吸附熱泵40的放大圖，吸附熱泵40包括了用于確保在充電期間把水蒸汽運(yùn)送到它外面的大氣在大致上使在放電期間把水蒸汽運(yùn)送到它里面的空氣流變?yōu)榉聪虻恼哿髌?2，以實(shí)現(xiàn)最大效率。圖11顯示包括標(biāo)記為5354和55的部件的混合器/噴射器空氣渦輪機(jī)的放大圖，該混合器/噴射器空氣渦輪機(jī)用于在放電過(guò)程期間把存儲(chǔ)為壓力和存儲(chǔ)為熱量的能量轉(zhuǎn)換回為機(jī)械能。前面的假設(shè)與圖1中以圖形表示的外推一起暗示了 在_40°C和10個(gè)大氣壓的情況下，吸附的氮與氧的量之比將會(huì)是大約4 (圖2)。由于這也是大約空氣中氮與氧的分壓之比、并且NaX在這個(gè)溫度和8個(gè)大氣壓的情況下主要利用氮而飽和，所以吸附的空氣的量不CN 102459848 A說(shuō)明書(shū)9/25 頁(yè)
應(yīng)該在更高壓力或更低溫度的情況下大量增加。AE-CAES實(shí)施例因此運(yùn)用了當(dāng)裝置完全充滿能量時(shí)獲得的_40°C的最小溫度，以及10個(gè)大氣壓的工作壓力。類似地，圖1中所示的近似和外推暗示了 在10個(gè)大氣壓和的情況下， 在_40°C吸附的氮的34. 5%和74. 5%氧已被解吸附，而在50°C，這些百分?jǐn)?shù)分別為53. 5%和 82. 5%。因此，如果在10個(gè)大氣壓的情況下上升到100°C，則至少75%的氮和基本上所有的氧將已被解吸附。這繼而暗示了 在_40°C吸附的全部空氣的至少80%將會(huì)在100°C解吸附。因?yàn)槌^(guò)100°C將會(huì)使裝置變得更復(fù)雜和昂貴，所以AE-CAES實(shí)施例運(yùn)用了當(dāng)裝置被完全放電時(shí)所獲得的100°C的最大溫度，如剛剛所討論，這暗示了 AE-CAES實(shí)施例中的至少 80%的占空比。在-40°C和10個(gè)大氣壓的干燥空氣下，我們的近似和外推等溫線進(jìn)一步指示出 每千克的無(wú)水結(jié)晶NaX，NaX將會(huì)分別吸附4. 24和1. 14摩爾的氮和氧。在24. 8升的周圍空氣的摩爾體積和1.53 Kgr/L(Kgr/L=千克/升)的結(jié)晶NaX的密度的情況下，這意味著 在這些條件下，每升的NaX將會(huì)吸附大約204 L的周圍空氣。在_40°C和一個(gè)大氣壓的情況下為大約160 L的空氣，或者在這個(gè)溫度和10個(gè)大氣壓的情況下為16. 0 L的空氣。然而，并非使用微晶粉末進(jìn)行工作，有必要借助于導(dǎo)熱的粘合劑把NaX形成為將會(huì)允許空氣容易地流經(jīng)裝置中所使用沸石床的片，所述導(dǎo)電的粘合劑也將會(huì)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)沸石床的迅速的熱傳遞。典型地，這些片按照體積為粘合劑的大約20%，并且能夠按照體積以大約80%的密度被填充，因而把在工作壓力和最小溫度的情況下所吸附的空氣的體積減小到每升的NaX片大約0. 82X 16. 0=10. 25L?？紤]20%空隙率(void fraction)，在平衡狀態(tài)，在填充了 NaX片的床并且充滿著處于-40°C和10個(gè)大氣壓的空氣的罐中，空氣的總量將會(huì)因此是在相同溫度和壓力的情況下在相同罐中所存儲(chǔ)的空氣量的10. 45倍。與以上保守估計(jì)的80%占空比一起，這導(dǎo)致了制造能夠在AE-CAES實(shí)施例的工作壓力和最小溫度的情況下存儲(chǔ)和釋放給定量的空氣的罐所需的結(jié)構(gòu)材料的量減少為原來(lái)的1/8. 35。前面的計(jì)算顯示當(dāng)完全充電時(shí)，AE-CAES實(shí)施例中的每立方米的NaX片床將會(huì)存儲(chǔ)大約133立方米的周圍空氣。假設(shè)在操作該裝置的同時(shí)完美地存儲(chǔ)和恢復(fù)熱量，但再次假設(shè)80%占空比，則把這么多空氣等溫壓縮到10個(gè)大氣壓所需的功在每立方米的沸石床中為24. 5 MJ/M3或6. 8千瓦小時(shí)。AE-CAES實(shí)施例中的沸石片床的體積能量密度因此為典型鉛酸電池的體積能量密度的大約十分之一。在下面討論了實(shí)踐中能夠恢復(fù)這種能量的效率。在繼續(xù)討論AE-CAES實(shí)施例的其余部分之前，我們將會(huì)估計(jì)由空氣吸附到NaX床所釋放的熱量、以及僅為了把它的溫度降低140°C而必須從它獲取的熱量的量。Miller(在上述引文中)已估計(jì)在實(shí)施例中所運(yùn)用的負(fù)荷的范圍上氮吸附到NaX的熱量為18. 87 KJ/ (mol K)，而氧吸附到NaX的熱量為大約13.09 KJ/(mol K)。因此斷定，吸附4. M摩爾的氮和1. 14摩爾的氧所釋放的能量為94. 9 KJ(KJ=千焦)。考慮由于我們使用經(jīng)填充的NaX 片床所導(dǎo)致的減小并且如以前一樣假設(shè)80%占空比，這結(jié)果為大約48. 6 MJ(兆焦)或13.5 KWHr/M3(每立方米千瓦小時(shí))。這是每立方米能夠存儲(chǔ)和恢復(fù)的能量的量的大約兩倍。雖然E.A. Ustinov (在上述引文中)發(fā)現(xiàn)了在10個(gè)大氣壓的情況下氧吸附到NaX的稍微低一點(diǎn)的熱量、以及氮吸附到NaX的熱量的一些下降；但很清楚的是，在AE-CAES的合理高效實(shí)施例中必須存儲(chǔ)和恢復(fù)吸附的熱量的大部分。
然而，吸附的熱量將會(huì)顯著小于在140°C的溫度變化范圍上對(duì)NaX床自身進(jìn)行冷卻和重新加熱所需的顯熱。該床的特定熱容量將會(huì)隨如何制備所述片而變化并且在某一程度上隨溫度而變化，但典型地為大約1 KJ/(Kgr K)的數(shù)量級(jí)，這與以上關(guān)于片的填充密度的假設(shè)一起指示了大約1 MJ/(M3K)的體積熱容量。把它乘以140并轉(zhuǎn)換成千瓦小時(shí)得出 38. 9，這比每立方米所存儲(chǔ)和恢復(fù)的能量大得多。幸運(yùn)的是，如我們將會(huì)見(jiàn)到的，容易恢復(fù)把NaX床的溫度從環(huán)境溫度升高到100°C所需的相對(duì)較高級(jí)的熱量，并且一旦空氣已被從壓力室去除并且通向它的閥門(mén)已關(guān)閉就當(dāng)然不必保持高溫。類似地，為了把床的溫度從環(huán)境溫度下降到_40°C而必須去除的相對(duì)較低級(jí)的熱量不需要被存儲(chǔ)和恢復(fù)，因?yàn)樵趯?duì)裝置放電的同時(shí)能夠容易地從環(huán)境獲得該熱量。我們現(xiàn)在轉(zhuǎn)向在AE-CAES實(shí)施例中用于完成所有以上任務(wù)的機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7和8中顯示的示意圖，我們首先指出由把示圖切分成兩部分的空白間隙所分開(kāi)的平行虛線意在指示出所述裝置的規(guī)模/尺度在某種程度上是任意的，并且在實(shí)踐中主要通過(guò)它如何被運(yùn)輸?shù)剿奈恢貌⑹褂枚靡员淮_定。然而，純粹為了討論起見(jiàn)， 我們將會(huì)經(jīng)常在下面的描述中使用一兆瓦小時(shí)作為每模塊所存儲(chǔ)的能量的量。這將會(huì)需要大約145 M3的NaX片(示圖中的水平-垂直交叉陰影線)。從圖9的附圖中可以看出，AE-CAES實(shí)施例的NaX沸石片1被填充到圓筒2中，帶孔的中空管3從位于每個(gè)圓筒的底部處的孔一直延伸到圓筒的另一端。這個(gè)管允許壓縮空氣(示圖中的從左到右的向上傾斜的陰影線)在對(duì)AE-CAES裝置充電時(shí)快速地從位于圓筒的底部處的口穿過(guò)它的全部長(zhǎng)度，并在對(duì)AE-CAES裝置放電時(shí)再次退出。結(jié)果，圓筒的長(zhǎng)度不是關(guān)鍵性的，但它們的直徑應(yīng)該足夠小以允許空氣從管3中的孔通過(guò)NaX床1快速擴(kuò)散到圓筒2的表面、以及允許當(dāng)空氣吸附時(shí)產(chǎn)生的熱量的快速擴(kuò)散。主要因?yàn)樗鼈兇笈可a(chǎn)并因此可以以低成本獲得，所以AE-CAES實(shí)施例使用的圓筒類似于但不長(zhǎng)于通常包裝著飲料(像是Coca Cola )的鋁罐。鋁比鋼更加昂貴，但更容易形成為這種圓筒、更加耐腐蝕并具有更高的導(dǎo)熱性，但是為了包含十個(gè)大氣壓則將會(huì)需要比典型鋁罐的壁稍微厚一些的壁。如此，實(shí)施例中的圓筒2的直徑將會(huì)是6. 0厘米，而沿著它們的中心的帶孔的管3在內(nèi)徑方面需要至多0. 5厘米、并由鋼制成以便為填充的圓筒提供結(jié)構(gòu)支撐?？諝夂蜔崃勘仨毻ㄟ^(guò)其擴(kuò)散以便到達(dá)圓筒的表面的距離因此僅為大約2. 75 厘米。當(dāng)然，對(duì)于本發(fā)明而言，圓筒的精確尺寸、制造它們的材料，甚至包含NaX片床或其它多孔材料的壓力容器的圓筒形狀，都不是必要的。圓筒2繼而被包含在室中，所述室具有能夠在AE-CAES實(shí)施例的溫度變化范圍上承受適度壓力并且被抽空的隔熱壁4。這個(gè)室用來(lái)包含熱傳遞流體，熱傳遞流體繼而用于控制壓縮空氣和圓筒2里面的NaX床1的溫度、并因此實(shí)現(xiàn)所運(yùn)用的溫度變化循環(huán)。所述室的幾何形狀、圓筒2在所述室內(nèi)布置的方式都不是關(guān)鍵性的，但為了經(jīng)濟(jì)性起見(jiàn)，在允許熱傳遞流體自由地流經(jīng)圓筒的同時(shí)，填充應(yīng)該盡可能密集。在圖9中，顯示了直徑1.25 M的溫度控制室，該溫度控制室包含108個(gè)圓筒，每個(gè)圓筒為1. 0 M長(zhǎng)并布置在方格網(wǎng)上，方格網(wǎng)的點(diǎn)分隔開(kāi)0. 1 M，對(duì)于每個(gè)室而言一共有大約0. 21 M3的NaX床。將會(huì)需要690個(gè)這種室以存儲(chǔ)一兆瓦小時(shí)的能量。在這個(gè)AE-CAES實(shí)施例中，向具有壁4的室傳送熱量和從室傳送熱量的流體是甲醇。這在環(huán)境壓力和_40°C (在溫度變化循環(huán)上達(dá)到的最低溫度)的情況下是液體，而它在環(huán)境壓力和100°C (達(dá)到的最高溫度)的情況下是氣體。它還具有高的汽化熱(在這個(gè)溫度范圍上平均大約36 KJ/摩爾)，并且通過(guò)控制具有壁4的室中的壓力則能夠把它的精確沸點(diǎn)設(shè)置為介于-40和100°C之間的任何值。具體地講，在一個(gè)大氣壓的壓力的情況下甲醇的沸點(diǎn)是64. 7°C，并且如果我們假設(shè)它的汽化熱不取決于壓力，則我們可以使用 Clausius-Clapyron方程顯示它的沸點(diǎn)在3. 6個(gè)大氣壓將會(huì)是100°C、并且在231. 5帕(大氣壓的大約0. 2%)將會(huì)是-40°C。這些適度的溫度和壓力允許室的壁4由也將會(huì)提供一些必要的隔熱的耐熱酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂所形成的便宜的玻璃纖維復(fù)合物制成。當(dāng)然，可以采用其它實(shí)施例，其中除甲醇之外還有流體用于傳遞熱量，和/或其它材料用于室的壁4。當(dāng)對(duì)AE-CAES實(shí)施例充電時(shí)，通過(guò)控制閥10從密閉地密封的并且隔熱的罐15抽吸液體甲醇(較重的從左到右向下傾斜的陰影線)，并且從位于具有壁4的室的頂部中的噴嘴8以所規(guī)劃的速度噴灑液體甲醇，如圖7中所示。這種甲醇的一部分發(fā)生汽化、并通過(guò)周圍散布著噴嘴的口 9而離開(kāi)室，而剩余的液體甲醇(現(xiàn)在針對(duì)室中的壓力處于它的沸點(diǎn)) 沿圓筒2的側(cè)部而流下、并在沿圓筒2的側(cè)部流下時(shí)從它們蒸發(fā)/汽化，由此冷卻它們以及它們包含著的NaX床1。由這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的另外的甲醇蒸汽(較輕的從左到右向下傾斜的陰影線)上升并如以前一樣通過(guò)口 9離開(kāi)室，而到達(dá)室的底部的任何液體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，當(dāng)對(duì)AE-CAES實(shí)施例放電時(shí)，閥10關(guān)閉，另一控制閥11打開(kāi)，并且存儲(chǔ)罐15中的甲醇通過(guò)罐里面的熱交換器16由經(jīng)過(guò)的熱水(圖中較重的對(duì)角交叉陰影線)加熱。所獲得的甲醇蒸汽通過(guò)位于罐15的頂部的口 14離開(kāi)罐15，并流經(jīng)一種通向位于具有壁4的室的底部處的帶孔的管5的網(wǎng)絡(luò)的管路。甲醇蒸汽隨后上升并在圓筒2的表面上冷凝，在由室中的現(xiàn)行主導(dǎo)壓力所確定的溫度的情況下把它的汽化的熱量傳遞給圓筒2的表面。這繼而使得NaX床1的溫度朝著它的所希望的值增加，而同時(shí)經(jīng)冷凝的液體甲醇再次通過(guò)排出管6流出室并流入到保存罐7中。簡(jiǎn)單的正排量泵12隨后經(jīng)由當(dāng)前打開(kāi)的閥13 把它返回到罐15以重新使用，如圖8中所示。在對(duì)AE-CAES實(shí)施例充電的同時(shí)，如圖7中所示，具有壁4的室中的壓力經(jīng)由壓縮機(jī)19而得以減小，甲醇蒸汽通過(guò)閥18從口 9流入到壓縮機(jī)19中。它以高壓和高溫離開(kāi)壓縮機(jī)19，并流入到隔熱罐20中的熱交換器21中，在熱交換器21中，它由處于環(huán)境壓力的水流而冷卻到大約100°C的溫度。甲醇蒸汽隨后經(jīng)過(guò)允許它膨脹、進(jìn)一步冷卻并極大程度地冷凝的減壓閥24，并從那里通過(guò)打開(kāi)的閥17返回到存儲(chǔ)罐15以重新使用。以這種方法，通過(guò)空氣吸附到NaX床1而產(chǎn)生的熱量被傳遞到經(jīng)過(guò)罐20的水或蒸汽(圖中的對(duì)角交叉陰影線)。許多種類的壓縮機(jī)能夠用于19，并且根據(jù)下面的技術(shù)因素主要按照經(jīng)濟(jì)的理由確定精確的選擇。為了針對(duì)沸水的高效熱傳遞，壓縮的甲醇蒸汽應(yīng)該具有遠(yuǎn)高于它的溫度，例如 150°C。根據(jù)1. 3的甲醇的絕熱指數(shù)，因此，在充電過(guò)程早期，當(dāng)甲醇蒸汽以3. 6個(gè)大氣壓的壓力和100°C的溫度進(jìn)入壓縮機(jī)19時(shí)，將會(huì)僅需要把壓力增加到大約1. 7倍或增加至6. 2 個(gè)大氣壓。然而，在充電過(guò)程晚期，當(dāng)具有壁4的室中的壓力和溫度分別下降到231. 5帕和_40°C時(shí)，將會(huì)需要把甲醇蒸汽壓力增加到幾乎13. 3倍，導(dǎo)致仍然僅為0. 03個(gè)大氣壓的壓力。這個(gè)冷卻系統(tǒng)的性能的系數(shù)的Carnot限制在具有壁4的室中的溫度為100°C的開(kāi)始時(shí)是無(wú)窮大，但在它已下降到-40°C的充電過(guò)程的結(jié)束時(shí)僅為1.66。根據(jù)我們?cè)缙诘年P(guān)于在充電期間也必須從NaX床1去除的大量顯熱的討論，一旦性能的理論系數(shù)下降到低于大約3 (當(dāng)NaX床溫度達(dá)到7°C時(shí)發(fā)生這種情況)，以能夠隨后用于產(chǎn)生高溫的形式存儲(chǔ)來(lái)這種熱量、以及由吸附釋放的更少量的熱量都將是不再有益的?，F(xiàn)在將再次討論這個(gè)議題 (比較圖3和4)。在接下來(lái)描述熱量去了哪里之前，我們首先考慮這樣的過(guò)程通過(guò)該過(guò)程，當(dāng)對(duì) AE-CAES實(shí)施例充電時(shí)空氣被壓縮到十個(gè)大氣壓，且同時(shí)從它去除很多壓縮的熱量。由于它們的高效率，在AE-CAES實(shí)施例中，由呈串聯(lián)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)離心壓縮機(jī)沈和觀實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)， 每個(gè)壓縮機(jī)沈和觀在冷卻回至環(huán)境之后把空氣的壓力增加到3. 16倍(十的平方根)。空氣過(guò)濾器和干燥器25用于在空氣進(jìn)入第一壓縮機(jī)沈之前從空氣去除特定物質(zhì)和水蒸汽。 使用1.4的空氣的絕熱指數(shù)，可以顯示出每個(gè)壓縮階段將會(huì)從環(huán)境溫度開(kāi)始把空氣的絕對(duì)溫度增加至1.39倍或者增加到大約140°C。根據(jù)20. 77 J/(mol K)的空氣的恒容積的熱容量，在兩個(gè)階段上的壓縮的熱量因此是每立方米的壓縮到十個(gè)大氣壓的周圍空氣為M 瓦小時(shí)、或者是將要存儲(chǔ)的總能量的83%。當(dāng)空氣離開(kāi)兩個(gè)壓縮機(jī)沈和28中的每一個(gè)時(shí)，空氣被冷卻。使用泵39來(lái)驅(qū)動(dòng)冷水流分別經(jīng)過(guò)位于兩個(gè)壓縮機(jī)26和觀的出口中的逆流熱交換器27和四來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。 以這種方法，壓縮的熱量對(duì)水預(yù)熱，水繼而通過(guò)管路被引導(dǎo)到噴嘴22，在噴嘴22，在充電過(guò)程的前半部分期間(參見(jiàn)圖3)，如前所述，由壓縮的甲醇蒸汽使水沸騰。在充電過(guò)程的后期，即一旦甲醇熱泵的性能的理論系數(shù)已下降到低于大約3，則壓縮機(jī)19的壓縮比降低，從而使得甲醇蒸汽上升到至多100°C。同時(shí)，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)沈和觀的水的流率增加，從而使得它未被同樣多地預(yù)熱，并且最終結(jié)果為現(xiàn)在水未沸騰，而是僅被加熱并再循環(huán)(如圖4中所示)。壓縮空氣自身經(jīng)打開(kāi)的閥30被引導(dǎo)到NaX床1，如圖7中所示。它里面剩余的任何殘余的壓縮的熱量將會(huì)隨后在冷卻NaX床1的過(guò)程中被去除，并同樣結(jié)束于離開(kāi)罐20的蒸汽或水中。這種蒸汽或水因此包含大部分壓縮的熱量和空氣的吸附的熱量、以及為冷卻 NaX床1從NaX床1去除的顯熱。在充電過(guò)程的前半部分期間(圖3)，離開(kāi)罐20的蒸汽中所包含的高級(jí)熱量用于對(duì)使用NaX-水作為其吸附劑-吸附物對(duì)的吸附熱泵執(zhí)行準(zhǔn)備工作。這個(gè)開(kāi)放的吸附系統(tǒng)是仿照最近由德意志聯(lián)邦共和國(guó)的Andreas Hauer所展示的一個(gè)吸附系統(tǒng)而制成的，其中它用于通過(guò)在夜間從NaX解吸附水、并在加熱的需求更大的白天期間使用水蒸汽的再吸附以提升廢熱，從而減小加熱建筑物的成本(參見(jiàn)作者為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 節(jié))。這個(gè)開(kāi)放的吸附熱泵只是在實(shí)施例中如以前一樣由耐熱玻璃纖維復(fù)合物構(gòu)造的隔熱罐40，隔熱罐40被填充滿了 NaX片41，NaX片41類似于用于吸附空氣的NaX片、但不必在形狀上與用于吸附空氣的NaX片相類同。因此，AE-CAES實(shí)施例也運(yùn)用了 NaX沸石用于本發(fā)明的多孔材料中的吸附的第二新用途。然而應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，可使用也能夠用于經(jīng)由水的吸附而抽運(yùn)/泵送熱量的許多其它多孔材料(諸如，硅膠)、或者事實(shí)上任何其它合適的流體。選擇這里所使用的水-NaX 吸附物-吸附劑對(duì)是因?yàn)?，像空?NaX對(duì)一樣，吸附物便宜并且對(duì)環(huán)境無(wú)害，而吸附劑很好理解，不容易隨著反復(fù)使用而劣化(當(dāng)合適的粘合劑用于片時(shí)；參見(jiàn)G. Storch, G.Reichenauer, F. Scheffler and A. Hauer, Adsorption 14，275，2008)，并且可商購(gòu)獲得。水-NaX系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)在于這樣的事實(shí)當(dāng)吸附到NaX的水的量按照重量計(jì)算從30% 下降到0%時(shí)，水蒸汽到NaX的微分吸附熱從與水的汽化的熱量的值(或者44 KJ/摩爾)接近的值增加到該值的大約兩倍。這意味著除了提供把熱量提升到更高溫度的手段之外，即使在扣除放電期間使水蒸發(fā)所需的熱量之后，熱泵的NaX床41也將會(huì)以潛熱(以及顯熱) 形式存儲(chǔ)大量的熱量。因?yàn)樗羝降絅aX的熱量比空氣吸附到NaX的熱量大很多，所以這個(gè)吸附熱泵所需的NaX的量?jī)H是用以吸附空氣自身所需的NaX的量的一小部分。再一次在充電過(guò)程的前半部分期間(圖幻，來(lái)自罐20的蒸汽通過(guò)位于它的頂部的口 23而到達(dá)另一壓縮機(jī)31，壓縮機(jī)31把蒸汽的壓力升高到2. 8倍，并且由于水的絕熱指數(shù)也是大約1. 3而把它的溫度升高到大約200°C。它隨后經(jīng)由打開(kāi)的閥32到達(dá)熱交換器36， 在熱交換器36處，通過(guò)由風(fēng)扇37在熱交換器上方吹動(dòng)的大氣的逆流來(lái)冷卻該蒸汽，在該過(guò)程中把空氣加熱到大約150°C的溫度。這個(gè)熱泵的性能的系數(shù)的Carnot限制為7. 5，它應(yīng)該與在充電過(guò)程的前半部分期間甲醇?jí)嚎s機(jī)19的性能的平均系數(shù)相當(dāng)。應(yīng)該注意的是，壓縮機(jī)19和31所需的能量也作為存儲(chǔ)的熱量而結(jié)束，并且可隨后恢復(fù)，由此彌補(bǔ)在系統(tǒng)中別處的損失；相比之下，運(yùn)行風(fēng)扇37所需的能量并不顯著。來(lái)自熱交換器36的熱空氣流入到隔熱罐40中并流經(jīng)未加壓的NaX沸石片41的床，NaX片41最初的大約30%的重量為吸附到它們的水(參見(jiàn)圖10)。熱空氣升高NaX片 41的溫度，引起這種水以水蒸汽的形式從它們解吸附、并在該過(guò)程中冷卻空氣。這種水蒸汽由空氣攜帶通過(guò)充滿NaX片的容器40，并在大約40°C的溫度的情況下以濕空氣的形式從它的另一端離開(kāi)。用于對(duì)進(jìn)入NaX床41的空氣進(jìn)行加熱的蒸汽通過(guò)減壓閥38從熱交換器36 離開(kāi)，于是它也冷卻到遠(yuǎn)低于水的正常沸點(diǎn)并大部分冷凝。因?yàn)闆](méi)有熱傳遞是完全的，所以這種水仍然保存進(jìn)入熱交換器時(shí)它包含的熱量的一部分。通過(guò)使水返回到產(chǎn)生它的存儲(chǔ)庫(kù) 43的表面，則存儲(chǔ)了在這種顯熱中所包含的能量。類似地，從NaX床41離開(kāi)的熱濕空氣經(jīng)過(guò)冷凝器47，水經(jīng)由泵44的動(dòng)作而通過(guò)冷凝器47。這種水通過(guò)冷卻器47從存儲(chǔ)庫(kù)43的冷的底部流出，并且通過(guò)打開(kāi)的閥50流回到存儲(chǔ)庫(kù)43的暖熱的表面。冷凝的熱量由此同樣被傳遞給存儲(chǔ)庫(kù)的表面水。為了效率起見(jiàn)使用冷凝的熱量的需要已由A. Hauer (在上述引文中)強(qiáng)調(diào)，并且在存儲(chǔ)庫(kù)中存儲(chǔ)它的選擇方案也已在最近的專利(US 6，820，441)中被要求保護(hù)。冷凝的水自身聚集在盆49中， 并且一旦AE-CAES實(shí)施例完全充電則冷凝的水就可以被丟棄或加入到存儲(chǔ)庫(kù)43。相比之下，在充電時(shí)間段的后半部分期間(圖4)，風(fēng)扇37關(guān)閉并且容器40被密封，從而使得濕氣不能過(guò)早地再吸附到容器包含著的NaX床41。替代于在200°C的蒸汽，處于遠(yuǎn)低于它的沸點(diǎn)的熱水直接從罐20 (在罐20處，它從熱壓縮甲醇蒸汽獲取熱量)流經(jīng)現(xiàn)在打開(kāi)的閥35 (閥35繞過(guò)現(xiàn)在不工作的壓縮機(jī)31)，并繼續(xù)在沒(méi)有進(jìn)一步冷卻的情況下流到存儲(chǔ)庫(kù)43的表面上。以這種方法，在充電時(shí)間段的后半部分期間由空氣的壓縮和吸附產(chǎn)生的熱量、以及NaX床1中剩余的顯熱，也結(jié)束于存儲(chǔ)庫(kù)43中。以下將描述這種熱量如何隨后恢復(fù)。一旦AE-CAES實(shí)施例已完全充電，它里面的大部分機(jī)械能就主要以吸附的空氣的形式存儲(chǔ)在圓筒2內(nèi)的NaX片床1中。如前所述，這種能量的大約83%也作為熱量而被主要存儲(chǔ)在水存儲(chǔ)庫(kù)43中。另外，已經(jīng)以熱量的形式從NaX床1取出多幾倍的能量，這種熱量的大部分是顯熱，并且更少的但顯著的貢獻(xiàn)來(lái)自由空氣的吸附產(chǎn)生的熱量。這種熱量的大部分將同樣作為顯熱存儲(chǔ)在水存儲(chǔ)庫(kù)43中，但顯著的量的熱量也將會(huì)作為潛熱和顯熱而被存儲(chǔ)在吸附熱泵的NaX床41中。只要閥30和56保持關(guān)閉以捕集壓縮的并且吸附的空氣，以這種形式存儲(chǔ)的能量基本上就將不會(huì)在放電之前損失。類似地，只要容器40針對(duì)濕氣保持密封，作為潛熱存儲(chǔ)在NaX床41中的能量就將不會(huì)在放電之前從它泄漏。如以上所示，顯著地更大量的熱量將會(huì)作為顯熱存儲(chǔ)在水存儲(chǔ)庫(kù)43中，但這種熱量從存儲(chǔ)庫(kù)泄漏的速度將不會(huì)很大，因?yàn)樗c存儲(chǔ)庫(kù)的環(huán)境之間的溫度差將不會(huì)很大(即使在寒冷天氣也遠(yuǎn)低于100°C )。另一不太直接的形式的損失將會(huì)在于泄漏到具有壁4的室中的熱量，升高其中的NaX床1的溫度并迫使釋放一些壓縮空氣以防止壓力升高到超出圓筒2能夠承受的壓力。然而，再一次，AE-CAES 實(shí)施例通過(guò)使用對(duì)稱地設(shè)置在普通環(huán)境溫度以下大約70°C和普通環(huán)境溫度以上大約70°C 的最小和最大溫度來(lái)努力地使這些溫度差保持得較低。對(duì)于這種適度的溫度梯度，由于在一天或更短的預(yù)期存儲(chǔ)時(shí)間段上低至可接受水平的顯熱泄漏，則標(biāo)準(zhǔn)低成本隔熱(諸如， 聚氨酯泡沫)應(yīng)該防止所有損失。當(dāng)?shù)搅嘶謴?fù)存儲(chǔ)在AE-CAES實(shí)施例中的機(jī)械能的時(shí)間時(shí)，通過(guò)關(guān)閉閥50并打開(kāi)閥 51，則來(lái)自存儲(chǔ)庫(kù)的表面的暖熱的水被引導(dǎo)通過(guò)熱交換器16。同時(shí)，風(fēng)扇37用于吹動(dòng)周圍空氣以使其通過(guò)吸附熱泵的NaX床41，在NaX床41處，它從床獲取顯熱但并不獲取很多潛熱，因?yàn)樗话芏嘤糜谠傥降臐駳狻＿@種熱量中的一些將會(huì)被傳遞給流經(jīng)位于出口處的熱交換器47的水，在那里，它繼續(xù)前進(jìn)到熱交換器16，但大多數(shù)熱量將會(huì)與空氣一起被攜載到處于仍然較高溫度的出口室48。如圖7和8中示意性所示，通過(guò)重新布置出口室 48中的折流裝置/阻擋裝置(baffling)，這種暖熱的空氣經(jīng)由管道52被引導(dǎo)到空氣渦輪機(jī)，該空氣渦輪機(jī)包括部件53、討和55。正如現(xiàn)在將要進(jìn)行的描述，它將會(huì)用于那里以防止膨脹壓縮空氣發(fā)生冷卻。同時(shí)，流經(jīng)熱交換器16的暖熱水使存儲(chǔ)罐15中的甲醇沸騰，存儲(chǔ)罐15最初處于大氣壓的一小部分的壓力下。所獲得的甲醇蒸汽隨后用于對(duì)包含著吸附有空氣的NaX片床 1的圓筒2進(jìn)行加熱，如前所述。這以通過(guò)控制甲醇蒸汽進(jìn)入具有壁4的室的速度來(lái)控制的速度，把吸附的空氣轉(zhuǎn)換成壓縮空氣。在通過(guò)解吸附產(chǎn)生這種壓縮空氣時(shí)，這種壓縮空氣也被通過(guò)現(xiàn)在打開(kāi)的閥56引導(dǎo)到具有部件5354和55的空氣渦輪機(jī)，如圖8中所示。在放電過(guò)程的這個(gè)前半部分期間的質(zhì)量和能量通量被圖示在圖5中。一旦存儲(chǔ)的能量的大約一半已經(jīng)恢復(fù)、并且加壓NaX床1的溫度接近環(huán)境溫度，則閥45就打開(kāi)以使來(lái)自存儲(chǔ)庫(kù)43表面的暖熱水經(jīng)過(guò)汽化器46，汽化器46把它作為霧分配在熱交換器36上。同時(shí)，經(jīng)由打開(kāi)的閥34，由泵39驅(qū)動(dòng)來(lái)自存儲(chǔ)庫(kù)43的暖熱水通過(guò)熱交換器36，并通過(guò)關(guān)閉閥32、33和35防止暖熱水到達(dá)空氣壓縮機(jī)沈和28，以便防止蒸發(fā)水冷卻它周圍的空氣。以這種方法，來(lái)自風(fēng)扇37的空氣在進(jìn)入未加壓NaX床41之前利用水蒸汽而變得飽和，并在它經(jīng)過(guò)未加壓NaX床時(shí)通過(guò)水蒸汽的吸附過(guò)程而被加熱。在放電過(guò)程的這個(gè)后半部分期間的質(zhì)量和能量通量被圖示在圖6中。當(dāng)然，簡(jiǎn)單汽化器(諸如，46) 的使用對(duì)于本發(fā)明而言并非是必要的，并且能夠容易地根據(jù)需要由葉輪或超聲波加濕器替換。HaueH在上述引文中)已表明空氣將會(huì)在超過(guò)100°C的溫度離開(kāi)吸附熱泵容器40的遠(yuǎn)端。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)，它包含的熱量的一部分將會(huì)經(jīng)由熱交換器47而傳遞到來(lái)自存儲(chǔ)罐43表面的暖熱水的逆流，隨著放電過(guò)程進(jìn)行而把它逐漸朝著100°C加熱。這將會(huì)把罐15中所產(chǎn)生的甲醇蒸汽的溫度和壓力升高到甚至更高的水平，由此在放電過(guò)程結(jié)束時(shí)把圓筒2中的NaX床1加熱到100°C。同時(shí)，經(jīng)過(guò)熱交換器36的水已被冷卻、并且返回到存儲(chǔ)庫(kù)43的底部以在下次對(duì)裝置充電時(shí)使用。通過(guò)在放電期間使空氣沿著與在充電期間熱空氣經(jīng)過(guò)NaX片床41以便從未加壓 NaX床解吸附濕氣的方向近似相反的方向經(jīng)過(guò)未加壓NaX片床41，也改善了 AE-CAES實(shí)施例的效率。這增加了效率，因?yàn)槿绻贿@樣操作的話，在放電過(guò)程的前半部分期間由進(jìn)入床的空氣獲取的、或者在后半部分期間通過(guò)從空氣吸附濕氣而產(chǎn)生的一些顯熱將會(huì)在它到達(dá)遠(yuǎn)端之前損失至冷卻器和/或不那么干燥的NaX床。這種近似的逆流由附圖中以粗實(shí)線描繪的內(nèi)折流器42的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，布置內(nèi)折流器42以使得在充電期間空氣通過(guò)床的中心進(jìn)入近端但在周緣周圍離開(kāi)遠(yuǎn)端，并且隨后在放電期間重新布置內(nèi)折流器42以使得空氣在近端進(jìn)入周緣但在遠(yuǎn)端通過(guò)中心離開(kāi)，如圖7和8中示意性所示(也參見(jiàn)圖10)。當(dāng)然，其它實(shí)施例也是可能的，其中遠(yuǎn)端包括第二風(fēng)扇，能夠使空氣在返回通過(guò)NaX床41時(shí)采用恰巧相反的路徑，而熱交換器36和47的作用在對(duì)裝置放電的同時(shí)發(fā)生交換。最后，我們描述進(jìn)入所述出口室48并經(jīng)由管道52通過(guò)的暖熱空氣如何在放電過(guò)程的整個(gè)前半部分和后半部分二者期間用于加熱來(lái)自NaX床1的膨脹壓縮空氣并由此恢復(fù)壓縮的熱量。設(shè)計(jì)包括圖7和8中標(biāo)記為5354和55的部件的這個(gè)空氣渦輪機(jī)，以使得進(jìn)入它的壓縮空氣流膨脹、并通過(guò)具有扭曲葉片沿它的長(zhǎng)度平行延伸的文氏管加速(參見(jiàn)圖 11)。這產(chǎn)生了渦流，渦流在它后面產(chǎn)生真空，這繼而通過(guò)相對(duì)于葉片53稍微向上卷起的靜態(tài)葉片M的直徑較大的環(huán)帶而從管道52抽吸入暖熱空氣。暖熱空氣的這個(gè)第二渦流與來(lái)自葉片53的冷膨脹空氣的渦流合并，并且通過(guò)這個(gè)過(guò)程迅速而徹底地與它混合?，F(xiàn)在迅速移動(dòng)的空氣渦流撞擊空氣渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片55，并由此把存儲(chǔ)在壓縮空氣中的能量、以及作為熱量存儲(chǔ)的能量的一部分轉(zhuǎn)換成用于外部用途的機(jī)械形式。當(dāng)然，可使用許多其它裝置，諸如往復(fù)式空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)所述許多其它裝置，熱量和壓縮空氣可以在各種可替代實(shí)施例中轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，盡管這些通常不如剛剛描述的混合器-噴射器空氣渦輪機(jī)般有效。假設(shè)AE-CAES實(shí)施例在六小時(shí)時(shí)間段中以恒定速度釋放一兆瓦小時(shí)的能量、且壓縮空氣在該過(guò)程中被加熱回至環(huán)境溫度，壓縮空氣必須以在環(huán)境溫度和壓力的情況下測(cè)量的大約700 M3每小時(shí)的流率而被釋放。壓縮空氣的實(shí)際溫度將會(huì)開(kāi)始于_40°C并在六小時(shí)時(shí)間段中逐漸升高至100°C附近，并且在任何給定壓力的情況下，在-40°C的空氣的密度為在100°C的空氣的密度的1.6倍。于是，處于十個(gè)大氣壓的空氣必須在放電時(shí)間段的開(kāi)始時(shí)以M M3每小時(shí)的流率被釋放、并且在結(jié)束時(shí)以86 M3每小時(shí)的流率被釋放。在絕熱條件下，這種空氣將會(huì)隨著它膨脹的過(guò)程而在開(kāi)始時(shí)冷卻到-152°C、并且在放電時(shí)間段結(jié)束時(shí)冷卻到_80°C，這繼而將會(huì)由于壓縮空氣的釋放而把流量分別減小至283和454 M3每小時(shí)。為了使得處于這些溫度的空氣返回到環(huán)境溫度，它必須與在溫度45°C的該質(zhì)量的大約 8. 87和5. 25倍的空氣混合，45°C是通過(guò)管道52進(jìn)入空氣渦輪機(jī)的空氣的近似溫度。所需的通過(guò)該管道的45°C空氣的流率因而在六小時(shí)放電時(shí)間段中從66 M3每小時(shí)變化到3920 M3每小時(shí)。使用7000千克NaX片床，A. Hauer (在上述引文中)也能夠在六小時(shí)時(shí)間段中把6000 M3每小時(shí)的空氣流加熱到介于120和100°C之間，這對(duì)應(yīng)于大約120千瓦的熱量。因?yàn)閮H83%的能量存儲(chǔ)為熱量，于是，針對(duì)一兆瓦小時(shí)在假設(shè)的6小時(shí)放電時(shí)間段期間渦輪機(jī)將會(huì)需要大約0. 83X1000/6=138千瓦的熱量。在放電過(guò)程早期，將不必需把甲醇加熱太多，因此通過(guò)NaX片床41的非加濕空氣流的流率能夠保持相對(duì)較高，并且能夠以高速把水泵送通過(guò)熱交換器47。所獲得的空氣將會(huì)以稍微低于以上假設(shè)的45°C的溫度進(jìn)入管道52， 但它進(jìn)入渦輪機(jī)的流率也將會(huì)大于以上在45°C發(fā)現(xiàn)的66 M3每小時(shí)。隨著放電進(jìn)行，泵 44變慢，從而在放電時(shí)間段結(jié)束時(shí)，離開(kāi)熱交換器47的水的溫度接近在它上方經(jīng)過(guò)的空氣的溫度或100°C。同時(shí)，流經(jīng)NaX片床41的加濕空氣流的流率逐漸變慢，從而在放電過(guò)程接近末尾時(shí)，通過(guò)管道52進(jìn)入渦輪機(jī)的空氣的溫度將會(huì)稍微大于45°C，而它的流率也將會(huì)小于以上在45°C估計(jì)的3920 M3每小時(shí)。以上呈示的AE-CAES實(shí)施例的部件包括水-NaX吸附熱泵、以吸附的形式存儲(chǔ)著壓縮空氣的NaX沸石床、和基于混合器-噴射器原理的高級(jí)空氣渦輪機(jī)。它還包括使所有這些部件同步地工作所需的控制系統(tǒng)，如上所述。特別地，必須調(diào)節(jié)充電和放電期間具有壁 4的室中的壓力和甲醇進(jìn)入它的速度，從而以壓縮空氣由壓縮機(jī)沈和觀產(chǎn)生或者饋送給包括分別標(biāo)記為5354和55的部件的渦輪機(jī)的相同速度來(lái)把壓縮空氣轉(zhuǎn)換成吸附的空氣、以及從吸附的空氣轉(zhuǎn)換壓縮空氣，由此始終使圓筒2中的氣態(tài)空氣的壓力保持近似地恒定。 雖然這項(xiàng)任務(wù)并非不重要，但它仍然是能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員完成的化學(xué)加工過(guò)程中的完全標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)集成問(wèn)題。針對(duì)AE-CAES實(shí)施例的機(jī)械和流體部件以及針對(duì)它采用的材料可以采用許多替換物，選擇所有這些僅是為了表示出通過(guò)使用吸附劑所獲得的優(yōu)點(diǎn)以便利實(shí)現(xiàn)壓縮空氣和熱量的存儲(chǔ)、以及互補(bǔ)的溫度變化循環(huán)。因?yàn)樵谟?jì)算AE-CAES裝置的總體效率時(shí)必須從釋放的能量減去運(yùn)行泵和壓縮機(jī)所需的能量，所以完全可能的是可以通過(guò)這種替換獲得實(shí)施例的適度改進(jìn)，但它們必須仍經(jīng)受以上給出的Carnot限制。特別地，應(yīng)該注意的是，我們未說(shuō)明驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)19、26、觀和31的原動(dòng)力來(lái)自哪里，或者由包括部件5354和55的空氣渦輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械力用于何處。通常，壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但在煤電廠或核電廠，與將會(huì)把來(lái)自渦輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電并隨后在壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)換回至機(jī)械能的情形相比，例如直接從發(fā)電廠的蒸汽渦輪機(jī)經(jīng)由液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)將會(huì)是更加經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)然，對(duì)于安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)農(nóng)場(chǎng)的AE-CAES裝置而言同樣如此。類似地，在一些情況下使用在對(duì)AE-CAES裝置放電的同時(shí)所釋放的壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)工具或機(jī)器、而非用于發(fā)電，可能更加經(jīng)濟(jì)。AE-CAES裝置和/或溫度變化CAES裝置也能夠在不實(shí)質(zhì)上偏離發(fā)明者的意圖的情況下采用各種其它公認(rèn)的化學(xué)過(guò)程。例如，實(shí)施例的水-NaX熱泵40和41能夠基于其它吸附物-吸附劑對(duì)、液體介質(zhì)中氣體的吸附，或者甚至由也能夠以潛熱形式存儲(chǔ)熱量的各種固體-液體相變材料替換。還可以由各種方法的廢熱恢復(fù)或熱能收集來(lái)補(bǔ)充或全部替換熱量存儲(chǔ)子系統(tǒng)。如果例如AE-CAES裝置位于產(chǎn)生熱量作為副產(chǎn)品的發(fā)電廠(諸如，煤電廠或核電廠)處，則這種熱量能夠用來(lái)重新加熱膨脹的空氣和/或空氣的吸附劑?？商娲?， 當(dāng)AE-CAES裝置安裝在例如風(fēng)力渦輪機(jī)農(nóng)場(chǎng)處時(shí)，平板太陽(yáng)熱收集器也能夠容易地產(chǎn)生當(dāng)對(duì)AE-CAES裝置放電時(shí)需要的適度溫度。要點(diǎn)在于在放電期間由AE-CAES裝置的任何部件使用的熱量不必為在對(duì)AE-CAES裝置充電的同時(shí)已由逆過(guò)程產(chǎn)生的。如果給予合適的便宜熱源，則也將會(huì)可以使用它以在存儲(chǔ)或放電時(shí)間段期間重新產(chǎn)生吸附劑冷凍系統(tǒng)，該吸附劑冷凍系統(tǒng)能夠替代于實(shí)施例的蒸汽壓縮冷凍系統(tǒng)而用于在充電時(shí)間段期間NaX床吸附空氣的同時(shí)冷卻NaX床。假若這種環(huán)境熱源不總是在需要它們的時(shí)間可用，則熱量能夠在可用時(shí)以顯熱或潛熱形式與在對(duì)裝置充電的同時(shí)產(chǎn)生的熱量一起存儲(chǔ)，并用于彌補(bǔ)由于不完全熱傳遞導(dǎo)致的任何能量損失。通過(guò)使用溫度和壓力變化的某種組合來(lái)替代如在以上AE-CAES實(shí)施例中的純溫度變化，還應(yīng)該可以減小高占空比所需的溫度變化的大小、并因此減少必須從空氣的吸附劑獲取以及返回給空氣的吸附劑的熱量。這些變化能夠在許多AE-CAES裝置的各種潛在應(yīng)用中顯著改善構(gòu)建和/或操作AE-CAES 裝置的經(jīng)濟(jì)性。在第二實(shí)施例中，作為在放電期間加熱該多孔材料的一種替代方案，吸附熱泵用于在為系統(tǒng)充入壓縮空氣的同時(shí)冷凍吸附空氣的多孔材料。這具有這樣的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠減少運(yùn)行蒸汽壓縮熱泵而必須耗費(fèi)的能量，因?yàn)槌檫\(yùn)/泵送熱量的溫度差可以顯著減小。這個(gè)溫度差取決于許多因素，諸如由吸附熱泵使用的吸附劑-吸附物對(duì)、便宜的廢熱或太陽(yáng)熱的可用性和溫度、水存儲(chǔ)庫(kù)或其它熱能存儲(chǔ)子系統(tǒng)中存儲(chǔ)顯熱的溫度、外部環(huán)境的溫度、和蓄能裝置的其它工作參數(shù)。當(dāng)這個(gè)溫度差減小時(shí)，經(jīng)由蒸汽壓縮熱泵傳遞給定數(shù)量的熱量所必須耗費(fèi)的額外機(jī)械能的量繼而迅速下降。由于這種額外能量不能像以壓縮和吸附的空氣的形式存儲(chǔ)的機(jī)械能一樣恢復(fù)，所以它必須被從恢復(fù)的能量扣除以便計(jì)算蓄能系統(tǒng)的環(huán)行效率(round-trip efficiency)。于是，第二實(shí)施例可在一些情況下提供更加有效的蓄能裝置。然而，在詳細(xì)描述第二實(shí)施例之前，將給出填充的NaX片的床中能夠存儲(chǔ)空氣和能量的密度的更精確的估計(jì)。這個(gè)估計(jì)改進(jìn)了在下面的方面中早前給出的估計(jì)。第一，替代于假設(shè)從空氣吸附氮和氧是獨(dú)立過(guò)程，Sipps多分量等溫方程將會(huì)用于從純氣體N2W2和 Ar等溫方程外推作為壓力的函數(shù)所吸附的空氣分子的數(shù)量⑴.W. Miller, AlChE Symp. Ser. 83，28，1987]。第二，替代于通過(guò)從估計(jì)的在-40J4和50°C吸附的空氣的量外推來(lái)估計(jì)在-40到+100°C的溫度變化上的“占空比”，通過(guò)對(duì)于絕對(duì)溫度倒數(shù)的Langmuire (或 Sipps，針對(duì)N2)等溫線中的系數(shù)的對(duì)數(shù)的最小二乘擬合、并且把N2的Sipps等溫線中的指數(shù)設(shè)置為它的高溫整體漸近線，則從在這三個(gè)較低溫度的純氣體等溫線外推得到在100°C 的顯式純氣體等溫線。這種線性相關(guān)性由熱力學(xué)的van't HofT方程暗示，并且所獲得的純氣體等溫線能夠隨后用于經(jīng)由擴(kuò)展Sipps方程來(lái)估計(jì)在100°C的混合氣體等溫線，就如同在這三個(gè)較低溫度一樣。即使van’ t Hoff方程將會(huì)僅在這里感興趣的溫度和壓力的情況下是近似的、并且擬合(雖然合理地精確)僅各自基于三個(gè)點(diǎn)，這種客觀過(guò)程也被視為比先前的專門(mén)(ad hoc)估計(jì)更加嚴(yán)密。第三，替代于如先前使用的較簡(jiǎn)單方程中的零壓力，使用從假定的工作壓力到一個(gè)大氣壓的等溫膨脹來(lái)估計(jì)與在考慮的工作壓力的范圍上吸附的空氣的量相關(guān)聯(lián)的所存儲(chǔ)的能量密度。另外，包括了當(dāng)在工作壓力的情況下解吸附空氣時(shí)由空氣做的功。結(jié)果表明在我們的膨脹過(guò)程的模型中的最后兩項(xiàng)改進(jìn)措施在很大程度上彼此抵消，因此所獲得的能量密度估計(jì)類似于通過(guò)我們的先前嚴(yán)密性稍差的過(guò)程獲得的那些能量密度估計(jì)。圖12描繪了如上所述獲得的在_40、M、50和100°C的溫度處針對(duì)NaX的混合氣體空氣等溫線的曲線圖。如以前一樣假設(shè)NaX片按照體積為20%惰性粘合劑，顆粒內(nèi)大孔隙的體積可忽略，并且NaX片以80%的體積密度填充到吸附劑床中，這些等溫線暗示了針對(duì)各種溫度和壓力在以下表1中顯示的空氣的量。表中的無(wú)量綱數(shù)是吸附劑床的單位體積中所包含的空氣在25°C和一個(gè)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)的情況下以自由氣體的形式將會(huì)占據(jù)的體積，假設(shè)24. 8升的STP摩爾體積。表 1
^^力(bar) |θ|5IlO丨15丨20125130
在-40°C毎單位 45.096.7111.8119.9125. 3129.4 132. 7
體積NaX床存儲(chǔ)的在STP的
空氣的體積________
在 24 °C 毎單位 9.037.354.265.974.781.5 87.1
體積NaX床存儲(chǔ)的在STP的
空氣的體積________
在 50°C 毎單位 5. 225.641.253.864.473.5 81.3
體積NaX床存儲(chǔ)的在STP的
空氣的體積________
在 10CTC 毎單位 1.910.718.625.832.438.4 44.0
體積NaX床存儲(chǔ)的在STP的
空氣的體積 _______需要注意的是，在10 bar,我們?cè)?40到100 °C溫度變化上獲得占空比 (111.8-18. 6)/111. 8=83%，與我們的早期估計(jì)一致。表1中的結(jié)果還直接導(dǎo)致以下表2中的結(jié)果，在表2中，我們把在各種溫度和壓力變化上的從單位體積的NaX床釋放的空氣的量， 與在從列標(biāo)題中給出的工作壓力開(kāi)始并減小到大氣壓的簡(jiǎn)單壓力變化上(全部在25°C)的從沒(méi)有NaX的單位體積罐釋放的那些空氣的量進(jìn)行比較。表2
W"壓力(bar) Io|5IlO丨15120丨25 丨30 —
在 NaX 床中在 STX~4~5~~2~9 2~6
^。C的P變化與在25。C的P變化
y/o!3X________
在13X床中的對(duì)Ν/Α5~3~~~~ ~
到100 °C T變化與在25。C的P變
化w/ol3X________
(24, X )~~ΗΝ/Α~5~24~3~~ 2~8
(100’ 0)的(Τ, P) 變化與在的
P變化w/ο________
在 WX 床中在 iTX17. 29~36~34~6~ Τθ
P = X的-40至丨J IOfTC T變化與在 25 "C的P變化W
O
(-4 0 , X ) IlJ ΝΑ19.〇11.〇~6~2~ ~
(100, 0)的(Τ，P) 變化與在的
P 變化 w/o 丨_I_I_I_I_I_I_可以看出，相對(duì)于在沒(méi)有NaX的情況下在25°C的簡(jiǎn)單壓力變化，當(dāng)結(jié)合介于_40到 100°c之間的溫度變化使用NaX時(shí)的占空比的改進(jìn)在5 bar的情況下為17. 2，并且隨著壓力每增加一倍而下降大約一半。然而，釋放給定量的空氣所需的NaX的量在超出大約10 bar 時(shí)將會(huì)較為緩慢地下降，因?yàn)樗谠搲毫蚠40°C的情況下在很大程度上被飽和充滿了空氣(比較圖12)。類似地，由于NaX在10 bar和100°C的情況下保持著少于20%的該空氣， 所以通過(guò)把壓力降低到10 bar以下獲得的改進(jìn)也相當(dāng)有限。這些觀測(cè)支持了我們的早期結(jié)論當(dāng)采用-40到100°C溫度變化時(shí)，大約10 bar的工作壓力對(duì)于系統(tǒng)而言將會(huì)是最佳的。當(dāng)這種溫度變化與壓力變化組合時(shí)，相對(duì)于簡(jiǎn)單壓力變化則存儲(chǔ)空氣的密度可以從9. 3 增加到11. 0(參見(jiàn)表2的最后一行)，但這種僅18%的改進(jìn)可能不值得在這種大壓力變化上保持恒定輸出功率所需的硬件的附加費(fèi)用。因此，我們?nèi)缫郧耙粯蛹僭O(shè)借助于-40到100°C溫度變化，在恒定壓力的情況下從NaX解吸附空氣，并且空氣隨后在25°C的等溫過(guò)程中膨脹。這允許在對(duì)系統(tǒng)放電的同時(shí)使得所做的機(jī)械功分成兩個(gè)部分。第一部分是當(dāng)根據(jù)在NaX床從-40加熱到100°C時(shí)保持壓力恒定的需要而解吸附空氣并允許空氣膨脹時(shí)由空氣做的機(jī)械功，并且第二部分是在 250C (該溫度近似為該循環(huán)上NaX床的平均溫度)等溫膨脹回至大氣壓期間由空氣做的功。圖13描繪了作為工作壓力的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的對(duì)總PV功的這兩種貢獻(xiàn)，始終使溫度變化保持在-40到100°C。在空氣的等壓解吸附和膨脹期間做的功在超出10 bar時(shí)基本上恒定， 在10 bar壓力的情況下，它也是隨后等溫膨脹期間做的功的大約75%。這些觀測(cè)進(jìn)一步支持我們的早期結(jié)論這個(gè)壓力大體上使通過(guò)使用NaX床吸附空氣獲得的益處最大化。由于在我們的更嚴(yán)密但仍然理想化的膨脹模型中的上述抵消，估計(jì)的在10 bar的 (表)壓力的情況下在NaX床中存儲(chǔ)能量的密度為6. 9 kWhr/M3，幾乎確切地與我們的早期估計(jì)一樣。吸附的熱量保持為所存儲(chǔ)的機(jī)械能的大約兩倍，并且在存儲(chǔ)循環(huán)上必須從NaX 床獲取以及返還給NaX床的顯熱仍保持大幾倍。原則上，所有這種熱量在對(duì)系統(tǒng)充入壓縮空氣的同時(shí)能夠被存儲(chǔ)、并且在對(duì)系統(tǒng)放電時(shí)能夠再次恢復(fù)，這將會(huì)允許AE-CAES系統(tǒng)作為“純粹”蓄能裝置而工作。為了方便展示，以下所呈示的原始實(shí)施例以及第二實(shí)施例都設(shè)計(jì)為在可能的最大程度上以這種方式工作。然而，在實(shí)踐中，這種非常高效的熱能存儲(chǔ)子系統(tǒng)的費(fèi)用將會(huì)很高，并且使這種熱量遷徙移動(dòng)所需的由蒸汽壓縮熱泵使用的另外的能量在任何情況下使得非常高效的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)不可能存在。通過(guò)在利用某種外部熱源彌補(bǔ)發(fā)生的熱能損失的同時(shí)，使用效率稍低的熱能存儲(chǔ)子系統(tǒng)能夠獲得稍微便宜的AE-CAES裝置。 在最簡(jiǎn)單的情況下，這種外部熱量能夠僅僅加入到熱水存儲(chǔ)庫(kù)，原始實(shí)施例以及第二實(shí)施例都已經(jīng)使用該熱水存儲(chǔ)庫(kù)用于熱能存儲(chǔ)。必須注意的一個(gè)告誡在于在計(jì)算視為純粹蓄能裝置的吸附增強(qiáng)CAES系統(tǒng)的物理環(huán)行效率時(shí)，必須扣除這種另外的熱能。幸運(yùn)的是，這種另外的熱量不需要處于遠(yuǎn)高于 100°C的溫度以便在釋放所存儲(chǔ)的機(jī)械能的同時(shí)把NaX床加熱到該溫度。此外，使用處于類似適度溫度的熱量也能夠重新產(chǎn)生在第二實(shí)施例中用于把床冷卻回至-40°C的基于甲醇和活性碳的吸附冷凍機(jī)(見(jiàn)下文)。結(jié)果，即使AE-CAES系統(tǒng)在嚴(yán)格的文字的物理意義上不是 “高效的”，AE-CAES系統(tǒng)也能夠在經(jīng)濟(jì)性方面是高效的。藉此，我們是指:與存儲(chǔ)的機(jī)械能自身的價(jià)值相比，所需的另外的熱能的成本可以是非常微不足道的。實(shí)際上，在這種適度溫度的熱量經(jīng)常被視為“廢熱”并直接排放到環(huán)境中，甚至當(dāng)不存在這種廢流時(shí)，也經(jīng)常能夠從便宜的太陽(yáng)能熱收集器獲得在這些相同適度溫度的熱量?，F(xiàn)在參照第二實(shí)施例，我們從圖14中顯示的能量存儲(chǔ)循環(huán)的概述開(kāi)始。在循環(huán)的
2四段中的每一段的開(kāi)始時(shí)的系統(tǒng)的狀態(tài)描述于位于附圖的底部、左側(cè)、頂部和右側(cè)的方框中，而位于四個(gè)拐角的示圖指示出了在每一段期間系統(tǒng)的各種部件之間的熱流。更詳細(xì)地講，循環(huán)的這些段是
充電過(guò)程的前半部分，標(biāo)記為“自發(fā)冷卻”，因?yàn)镹aX床的溫度將會(huì)超過(guò)冷(或者接近環(huán)境溫度)水存儲(chǔ)庫(kù)的溫度，從而熱量自發(fā)地從NaX流向水。在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在這兩個(gè)熱存儲(chǔ)庫(kù)之間有效地循環(huán)甲醇，熱量被從NaX攜載到水。同時(shí)，通過(guò)機(jī)械能的輸入而壓縮空氣，壓縮的熱量傳遞到水存儲(chǔ)庫(kù)，并且經(jīng)冷卻且受壓縮的空氣由NaX床吸附?！こ潆娺^(guò)程的后半部分，標(biāo)記為“吸附冷凍”，因?yàn)樵谘h(huán)的這一段期間，當(dāng)甲醇蒸汽蒸發(fā)并從NaX床攜載熱量時(shí)，甲醇蒸汽被吸附在活性碳床中。這種熱量與甲醇蒸汽吸附到它的熱量一起，如以前一樣從活性碳傳遞到水存儲(chǔ)庫(kù)。同時(shí)，空氣繼續(xù)由機(jī)械能壓縮，壓縮的熱量傳遞到水存儲(chǔ)庫(kù)，并且空氣由NaX吸附直至它已達(dá)到在該循環(huán)上的其最小溫度。·放電過(guò)程的前半部分，標(biāo)記為“自發(fā)加熱”，因?yàn)楝F(xiàn)在NaX床的溫度低于環(huán)境，從而熱量將會(huì)自發(fā)地從冷水存儲(chǔ)庫(kù)流向它。然而，為了獲得從活性碳解吸附甲醇并這樣重新產(chǎn)生它以用于下一循環(huán)所需的更高溫度，熱量首先從熱水存儲(chǔ)庫(kù)傳遞到活性碳。從那里，熱量由甲醇蒸汽攜載到與NaX床接觸的熱交換器，在NaX床，甲醇蒸汽冷凝，并且所獲得的液體被存儲(chǔ)以用于下一循環(huán)。這繼而把NaX床從它的最小溫度加熱回至近似環(huán)境溫度，引起它包含的空氣的一部分解吸附。解吸附的空氣被允許膨脹回至大氣壓，同時(shí)也從熱水存儲(chǔ)庫(kù)獲取熱量并產(chǎn)生輸出機(jī)械能?！し烹娺^(guò)程的后半部分，標(biāo)記為“有效加熱”，因?yàn)樵谘h(huán)的這一段期間，NaX床被有效加熱回至它在它在該循環(huán)上的最大溫度，并且這個(gè)溫度將會(huì)至少是未加壓熱水存儲(chǔ)庫(kù)的溫度。在這個(gè)實(shí)施例中，使用甲醇作為熱傳遞流體把熱量再次從熱水存儲(chǔ)庫(kù)移動(dòng)到NaX。 結(jié)果，NaX床解吸附它的剩余空氣，空氣膨脹，從水存儲(chǔ)庫(kù)獲取另外的熱量并在該過(guò)程中產(chǎn)生另外的輸出機(jī)械能。如第一實(shí)施例中一樣，使用蒸汽壓縮熱泵在熱量的熱存儲(chǔ)庫(kù)之間有效傳遞熱量。兩個(gè)這種熱泵由第二實(shí)施例使用，其中之一使用甲醇作為它的工作流體并且其中的另一個(gè)使用常規(guī)的鹵烴冷凍劑。為了完整，我們進(jìn)一步指出當(dāng)在100°c或更高溫度的外部熱源可用時(shí)， 能夠使用它們來(lái)替代有效熱泵，由此節(jié)省與蒸汽壓縮熱泵相關(guān)聯(lián)的能量開(kāi)銷。這種外部熱源也能夠用于重新產(chǎn)生活性碳床，在這種情況下，NaX床中的寒冷能夠用于建筑物中的冷凍或空氣調(diào)節(jié)。外部熱量的這些用途中的任一種也能夠彌補(bǔ)熱水存儲(chǔ)庫(kù)或循環(huán)中的各種熱傳遞期間的熱損失。它們甚至能夠使足夠的熱水存儲(chǔ)庫(kù)中存儲(chǔ)的熱量空出來(lái)以允許它用于建筑物中的空間加熱或熱水。再一次，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將不會(huì)在這里把運(yùn)行AE-CAES系統(tǒng)的所有這些選擇方案視為“純粹”蓄能裝置，但在許多情況下這可以是使用它的最經(jīng)濟(jì)的方法。圖15至18按照與以上給出的次序相同的次序，顯示出在存儲(chǔ)循環(huán)的四段中的每一段的開(kāi)始時(shí)的第二實(shí)施例的更詳細(xì)但仍然示意性的示圖。平行線描繪出了系統(tǒng)的管路， 而它們之間的虛線的尺寸指示著流經(jīng)管路的流體的種類?？諝庥芍械乳L(zhǎng)度普通虛線指示， 而長(zhǎng)粗實(shí)點(diǎn)劃線指示水，中等粗點(diǎn)劃線指示甲醇，并且短粗點(diǎn)劃線指示常規(guī)的鹵烴冷凍劑。 在這四個(gè)圖中，打開(kāi)的閥由平行但位于“管路”后面的沙漏形狀加以描繪，并且關(guān)閉的閥由覆蓋著管路的沙漏形狀描繪。蒸汽壓縮熱泵的減壓膨脹閥是不對(duì)稱沙漏形狀，它應(yīng)該理解為包括旁路，所述旁路允許在對(duì)壓力沒(méi)有任何影響的情況下使流逆轉(zhuǎn)。確定兩個(gè)熱泵中的熱流的方向的四通閥由圓圈描繪，該圓圈具有穿過(guò)它們的對(duì)角線，并且，經(jīng)過(guò)一對(duì)端口的流體流不被該線切斷。如工程示圖中的傳統(tǒng)方式那樣，兩個(gè)熱泵的壓縮機(jī)被描繪為等腰梯形， 它們?cè)趯挾私邮账鼈兊牡蛪狠斎肓?、并在窄端噴射它們的高壓輸出流。正排量液泵顯示為圓圈，當(dāng)它們工作時(shí)在它們中具有用于指示流動(dòng)的方向的實(shí)心三角形，或者當(dāng)不工作時(shí)只是位于管路頂部上而沒(méi)有三角形。熱交換器子系統(tǒng)由管路中的曲折/鋸齒形指示，像在四個(gè)附圖的左手側(cè)的空氣壓縮機(jī)和膨脹器中所包含的兩個(gè)熱交換器子系統(tǒng)一樣。這些壓縮機(jī)和膨脹器同樣繪制為等腰梯形，然而它們通過(guò)位于它們側(cè)面的管路而吸入和排出它們的空氣，如圖中所示。第二種熱能存儲(chǔ)子系統(tǒng)針對(duì)冷水和熱水使用分開(kāi)的存儲(chǔ)庫(kù)，而非在單個(gè)存儲(chǔ)庫(kù)的底部保存冷水并且在頂部保存熱水。這應(yīng)當(dāng)改善該子系統(tǒng)的效率，但對(duì)于它的操作而言并非關(guān)鍵性的。如上所述，甲醇是用于執(zhí)行以下操作的工作流體在充電的同時(shí)在甲醇被從冷存儲(chǔ)庫(kù)抽運(yùn)/泵送到熱存儲(chǔ)庫(kù)時(shí)把熱量從空氣吸附NaX床移動(dòng)到水，并且在對(duì)AE-CAES系統(tǒng)放電的同時(shí)在甲醇被從熱存儲(chǔ)庫(kù)抽運(yùn)/泵送到冷存儲(chǔ)庫(kù)時(shí)把熱量從水移回至NaX床。在充電過(guò)程的前半部分和放電過(guò)程的后半部分期間使用甲醇蒸汽壓縮熱泵H. P. #1實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，在充電過(guò)程的后半部分和放電過(guò)程的前半部分期間，通過(guò)基于分別構(gòu)成吸附物和吸附劑的甲醇和活性碳的吸附熱泵把熱量移至NaX床、以及從NaX床移出熱量。繼而，通過(guò)基于常規(guī)鹵烴冷凍劑(諸如，二氯甲烷)的第二蒸汽壓縮熱泵H. P. #2把活性碳床中的熱量傳遞給水存儲(chǔ)庫(kù)、以及從水存儲(chǔ)庫(kù)傳遞熱量。這個(gè)第二熱泵也用于分別在壓縮和膨脹期間冷卻和加熱空氣、以及在使用H. P. #1而未使用吸附熱泵時(shí)加熱和冷卻甲醇存儲(chǔ)庫(kù)。圖15中與管路相鄰的箭頭指示了在存儲(chǔ)循環(huán)的第一段(或者充電過(guò)程的前半部分)期間其中各種工作流體的流動(dòng)的方向，在一些情況下由這些工作流體在各種熱存儲(chǔ)庫(kù)之間攜載的熱量來(lái)加以標(biāo)記。由空氣的壓縮產(chǎn)生的熱量標(biāo)記為A，而從甲醇存儲(chǔ)庫(kù)獲取的熱量標(biāo)記為Q40由空氣吸附到NaX而產(chǎn)生的熱量標(biāo)記為％，并且當(dāng)NaX床朝著環(huán)境溫度冷卻時(shí)從NaX床獲取的另外的顯熱標(biāo)記為仏。類似地，圖16中的箭頭指示各種工作流體的流動(dòng)，其中標(biāo)記Q” Q2和A代表著在存儲(chǔ)循環(huán)的第二段期間傳遞到熱水存儲(chǔ)庫(kù)的總體熱量的這些相同分量，并且仏代表著甲醇吸附到活性碳床的熱量。圖17和18中的箭頭同樣指示了相鄰管路中的流動(dòng)的方向，并且標(biāo)記分別代表著在存儲(chǔ)循環(huán)的第三段和第四段(放電部分)期間從熱水存儲(chǔ)庫(kù)傳遞回至系統(tǒng)的其余部分的總體熱量的這些相同分量。如前面所強(qiáng)調(diào)，為了方便展示，我們不考慮在所有這些熱傳遞中伴隨發(fā)生的熱能損失，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，必須使用某種外部熱源彌補(bǔ)熱能損失。圖19至22分別顯示在與圖15至18相同的總體充電-放電循環(huán)的四個(gè)點(diǎn)的第二實(shí)施例的AE-CAES系統(tǒng)的詳細(xì)得多的工藝流程圖。圖19至22中的部件的數(shù)量與在部件具有類似的那些功能的情況下的第一實(shí)施例的對(duì)應(yīng)圖7和8中的部件的數(shù)量相同，否則數(shù)字從第一實(shí)施例的那些數(shù)字繼續(xù)連續(xù)地編號(hào)。還需要注意的是，就如同圖7和8中一樣，圖19 至22具有從頂部延伸到底部的一對(duì)平行虛線，在平行虛線之間具有空白間隙，所述一對(duì)平行虛線意在指示實(shí)施例的規(guī)模在某種程度上是任意的，并且各種子系統(tǒng)的相對(duì)尺寸、它們中的重復(fù)部件的數(shù)量等對(duì)于實(shí)施例而言不是必要的，但在實(shí)質(zhì)上不改變實(shí)施例的存儲(chǔ)和重新產(chǎn)生機(jī)械能的能力的情況下能夠有所改變。具體地講，可以看出，就如同第一實(shí)施例中一樣，吸附壓縮空氣的NaX片床1 (粗矩形陰影線)被包含在由鋁或其它耐壓、導(dǎo)熱材料形成的具有壁2的圓筒的陣列中，每個(gè)圓筒具有延伸通過(guò)它的長(zhǎng)度的帶有孔的剛性管3以提供結(jié)構(gòu)支撐、并便利空氣流經(jīng)NaX片床。然而，需要注意的是，在圖19至22中，通過(guò)利用粗方形點(diǎn)的圖案覆蓋它充滿的空間來(lái)指示壓縮空氣，以替代在第一實(shí)施例的圖7和8中曾為了這個(gè)目的使用的從左到右向上傾斜的陰影線。具有壁2的圓筒的陣列再一次被包含在具有隔熱(如磚形陰影線所示)壁4 的更大的罐中，該罐用于限制甲醇熱傳遞流體(從左到右向下傾斜陰影線)，通過(guò)甲醇熱傳遞流體，在分別利用壓縮空氣對(duì)系統(tǒng)充電或放電的同時(shí)圓筒和它們中的NaX床被冷卻或加熱。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)充電時(shí)，甲醇液體(粗陰影線)通過(guò)噴嘴8被噴灑到圓筒的頂部以便在它沿著它們的側(cè)面流下并蒸發(fā)時(shí)冷卻它們，而當(dāng)對(duì)系統(tǒng)充電時(shí)，甲醇蒸汽(細(xì)陰影線)通過(guò)圓筒下方的帶孔的管5被抽吸到具有壁4的罐中，以便當(dāng)甲醇蒸汽在圓筒的側(cè)面上冷凝時(shí)加熱圓筒。通過(guò)蒸發(fā)產(chǎn)生的甲醇蒸汽通過(guò)位于具有壁4的罐的頂部中的口9而離開(kāi)所述具有壁 4的罐，而從冷凝導(dǎo)致的甲醇液體通過(guò)位于具有壁4的罐的底部中的排出管6離開(kāi)。溫度控制罐的壁4能夠經(jīng)濟(jì)地由厚度足以承受它里面的壓力變化的玻璃纖維形成；取決于在循環(huán)中的任何給定時(shí)間點(diǎn)的罐中的溫度，該壓力變化可以為從幾個(gè)大氣壓到幾百torr。與第一實(shí)施例的子系統(tǒng)類似的第二實(shí)施例的其它子系統(tǒng)為甲醇保存罐和泵(部件7和1 、具有嵌入的熱交換器的隔熱甲醇存儲(chǔ)庫(kù)(部件14、15和16)、基于甲醇的蒸汽壓縮熱泵和熱交換器(部件18、19和20、21)、串聯(lián)的一對(duì)離心空氣壓縮機(jī)(部件25至四) 和膨脹渦輪機(jī)，該膨脹渦輪機(jī)使用混合器-噴射器原理在壓縮空氣膨脹時(shí)防止壓縮空氣冷卻，并在該過(guò)程中通過(guò)把它與未加壓暖熱空氣(通過(guò)在附圖中利用細(xì)方形點(diǎn)的圖案填充它占據(jù)的空間來(lái)指示)高效地混合來(lái)重新產(chǎn)生所存儲(chǔ)的機(jī)械能(部件52至56)。在這個(gè)最后的子系統(tǒng)中的一個(gè)小的但顯著的改進(jìn)在于它使用縮-擴(kuò)式/收斂-發(fā)散式(或de Laval) 噴嘴來(lái)改善吸入效率，其中在圖19至22中把擴(kuò)張部分標(biāo)記為57。這種布置是恒壓噴射器的實(shí)例(參見(jiàn)，例如，J. M. Abdulateef, K. Sopian, M. A. Alghoul and Μ. Y. Sulaiman, Renew. Sustain. Energy Rev. 13， 1338-1349， 2009)?，F(xiàn)在具體地參看圖19，充電過(guò)程開(kāi)始于在100°C并且其中的氣壓為10 bar表壓力的情況下的具有壁2的圓筒中的NaX床1。所有水位于具有隔熱壁66的冷(環(huán)境溫度)水存儲(chǔ)庫(kù)中，而基本上所有甲醇位于具有壁15的存儲(chǔ)庫(kù)中。泵64和65打開(kāi)以按照受控的速度把水從冷水存儲(chǔ)庫(kù)移至具有壁67的熱水存儲(chǔ)庫(kù)，當(dāng)水這樣移動(dòng)時(shí)它經(jīng)過(guò)具有壁20和62 的熱交換器隔熱罐。同時(shí)，蒸汽壓縮熱泵(在圖15至18中分別為H. P. #1和H.P. #2)的壓縮機(jī)19和69打開(kāi)，并且設(shè)置四通閥71和70以使得當(dāng)水被抽運(yùn)/泵送通過(guò)具有壁20 和62的罐時(shí)熱量分別經(jīng)由具有壁20和62的罐中的熱交換器21和63而傳遞給該水?？刂崎y10打開(kāi)以允許液體甲醇從具有壁15的存儲(chǔ)庫(kù)通過(guò)噴嘴8流到包含熱NaX床1的具有壁 2的圓筒上；在這里，它通過(guò)從壁2蒸發(fā)而冷卻NaX床1，并經(jīng)由位于具有壁4的隔熱罐的頂部中的口 9而離開(kāi)具有壁4的隔熱罐，如前所述。從那里，它通過(guò)打開(kāi)的閥76被吸入到壓縮機(jī)19中，并且離開(kāi)它的熱壓縮蒸汽在該蒸汽經(jīng)過(guò)熱交換器21時(shí)由水冷卻。該蒸汽隨后在它經(jīng)過(guò)減壓閥M時(shí)部分地液化，并且液體-蒸汽混合物經(jīng)由位于具有壁15的存儲(chǔ)庫(kù)的頂部中的端口 14返回到具有壁15的存儲(chǔ)庫(kù)。類似地，離開(kāi)壓縮機(jī)69的熱壓縮鹵烴冷凍劑蒸汽在它經(jīng)過(guò)熱交換器63時(shí)由水冷卻，并在它經(jīng)過(guò)減壓閥78時(shí)局部地液化。這種液體-蒸汽混合物隨后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)沈和28的熱交換器27和四，在那里，它對(duì)于壓縮至10 bar表壓力的對(duì)應(yīng)兩個(gè)階段的壓縮之后的空氣進(jìn)行冷卻?？諝庠谶M(jìn)入第一階段的壓縮之前經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和干燥器25，并在離開(kāi)第二階段之后被引導(dǎo)到具有壁2的圓筒中的NaX床1。同時(shí)，離開(kāi)熱交換器27和四的仍然部分為液體的冷凍劑繼續(xù)前進(jìn)到具有壁15的甲醇存儲(chǔ)庫(kù)中的熱交換器16，在熱交換器16，完全的汽化在進(jìn)行汽化時(shí)從甲醇存儲(chǔ)庫(kù)獲取熱量并冷卻它以更有效地用于循環(huán)的下一段中，現(xiàn)在將對(duì)此進(jìn)行描述。接下來(lái)參照?qǐng)D20，循環(huán)的第二段開(kāi)始于在環(huán)境溫度f(wàn)25°C )附近的NaX床1，并且在具有壁66和67的冷水存儲(chǔ)庫(kù)和熱水存儲(chǔ)庫(kù)中分別具有大體上等量的水。甲醇?jí)嚎s機(jī)19和對(duì)應(yīng)的水泵64關(guān)閉，并且閥68關(guān)閉以確保水不會(huì)流經(jīng)該路徑。類似地，閥18關(guān)閉，并且通向包含活性碳74的具有壁72的隔熱罐的閥75打開(kāi)。結(jié)果，替代于返回到具有壁15的存儲(chǔ)庫(kù)，甲醇蒸汽由活性碳吸附，甲醇蒸汽繼而在它經(jīng)過(guò)熱交換器73時(shí)被常規(guī)鹵烴冷凍劑冷卻。通過(guò)關(guān)閉通向甲醇存儲(chǔ)庫(kù)的熱交換器16的閥80和81、并打開(kāi)閥79和83來(lái)代替，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。其它子系統(tǒng)繼續(xù)完全像上述循環(huán)的第一段中那樣工作。應(yīng)該注意的是，為了使吸附冷凍子系統(tǒng)在溫度下降到-40°C時(shí)獲得足夠的特定冷卻能力，可能必需在具有壁4和72的隔熱罐之間吹動(dòng)載體氣體(諸如，空氣)，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)已省略實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)所必需的風(fēng)扇和其它部件。圖19至22中表示活性碳74的黑色斜帶意在指示它形成為纏繞熱交換器73 的纖維帶以便改善活性碳和熱交換器之間的熱接觸，例如在[Hamamotoei al. . Intnl. Τ. RefriR. 29(2006), 305]中所述。然而，活性碳的確切形式對(duì)于實(shí)施例而言并不重要，并且能夠使用許多其它形狀(諸如，單塊碳或碳粒)。還可以全部采用另一吸附劑，諸如沸石或硅膠。使用甲醇作為主要冷凍劑無(wú)論如何對(duì)于本發(fā)明而言都不是必要的，且事實(shí)上，盡管在循環(huán)的高溫部分期間以具有壁4的罐中的高得多的壓力為代價(jià)，但在低溫從更易揮發(fā)的冷凍劑(諸如，氨)將會(huì)期待有更強(qiáng)的特定冷卻能力。在類似地使用某種吸附冷凍機(jī)來(lái)冷卻吸附著空氣的多孔材料的其它實(shí)施例中，冷凍劑的混合物(諸如，甲醇和氨)也可以提供最佳的折衷。這些和許多其它公知變化的存在用于強(qiáng)調(diào)的是，使用的吸附冷凍機(jī)的確切實(shí)現(xiàn)方式對(duì)于本發(fā)明而言并不是必要的，并且也可能的是，其它種類的熱驅(qū)動(dòng)的冷凍機(jī)(諸如， 吸附系統(tǒng)或熱壓縮機(jī))在AE-CAES的一些應(yīng)用中能夠是有益的?，F(xiàn)在參看圖21，放電過(guò)程開(kāi)始于在-40 0C但仍然在10 bar表壓力的氣壓下的具有壁2的圓筒中的NaX床1。所有水位于具有壁67的熱水存儲(chǔ)庫(kù)中，并且具有壁15的甲醇存儲(chǔ)庫(kù)中的所有甲醇已由具有壁72的隔熱罐中的活性碳74吸附。通過(guò)以受控制的方式增加 NaX床1的溫度來(lái)從NaX床1解吸附壓縮空氣。通過(guò)下面的方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)關(guān)閉控制閥 10并設(shè)置四通閥70，以使得離開(kāi)熱泵壓縮機(jī)69的熱加壓蒸汽經(jīng)過(guò)與活性碳74處于熱接觸的熱交換器73，由此升高活性碳74的溫度并引起甲醇蒸汽從它解吸附。通向位于具有壁4 的溫度控制罐的頂部處的端口的閥76關(guān)閉，并且閥11打開(kāi)，從而這種甲醇蒸汽現(xiàn)在沿著壓力梯度流動(dòng)，通向位于溫度控制罐的底部處的帶孔的管5，在管5，它由于它的較高的溫度以及因此較低的密度而上升。當(dāng)它遇到冷的具有壁2的圓筒時(shí)，它在它們上面冷凝并在該過(guò)程中釋放它的冷凝的熱量。液體甲醇沿著圓筒的側(cè)面流動(dòng)、并通過(guò)位于它的底部中的排出管6而離開(kāi)溫度控制罐，它被從排出管6引導(dǎo)到保存罐7。正排量泵12隨后通過(guò)現(xiàn)在打開(kāi)的閥13把它驅(qū)動(dòng)回至具有壁15的甲醇存儲(chǔ)罐。由熱交換器73施加給活性碳74的熱量來(lái)自具有壁67的熱水存儲(chǔ)庫(kù)。當(dāng)水被泵65驅(qū)動(dòng)通過(guò)周圍的具有壁62的罐并到達(dá)具有壁 66的冷水存儲(chǔ)庫(kù)時(shí)，這種熱量被傳遞給流經(jīng)熱交換器63的常規(guī)商烴冷凍劑。這個(gè)過(guò)程引起鹵烴冷凍劑在熱交換器62中在降低的壓力下沸騰，并且所獲得的蒸汽被抽吸入到壓縮機(jī) 69中，蒸汽以高溫和高壓從壓縮機(jī)69離開(kāi)。這種熱加壓鹵烴冷凍劑也用于加熱膨脹空氣， 現(xiàn)在將對(duì)此進(jìn)行描述。繼續(xù)放電過(guò)程的前半部分和圖21，空氣壓縮機(jī)子系統(tǒng)25至四被關(guān)閉并且閥30 關(guān)閉以把它與系統(tǒng)的其余部分隔離。通過(guò)打開(kāi)通向包括部件1至4的壓縮空氣存儲(chǔ)子系統(tǒng)的閥56，打開(kāi)具有部件52至59的空氣膨脹器子系統(tǒng)。另外，風(fēng)扇60打開(kāi)以使另外的周圍空氣進(jìn)入膨脹器子系統(tǒng)，當(dāng)周圍空氣進(jìn)入膨脹器子系統(tǒng)時(shí)在熱交換器61上方經(jīng)過(guò)，通過(guò)在關(guān)閉閥82以防止流經(jīng)空氣壓縮機(jī)熱交換器27和四、并同時(shí)打開(kāi)閥84和85，則離開(kāi)熱交換器73的常規(guī)鹵烴蒸汽被引導(dǎo)通過(guò)熱交換器61。這種未加壓的暖熱空氣(通過(guò)利用細(xì)方形點(diǎn)的圖案填充它占據(jù)的空間來(lái)指示)經(jīng)由管道52傳遞到定子葉片54，定子葉片M在該暖熱空氣通過(guò)定子葉片M被吸入時(shí)對(duì)該暖熱空氣施加或賦予渦流/渦旋。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)縮-擴(kuò)式/收斂-發(fā)散式噴嘴時(shí)由壓縮空氣產(chǎn)生這種吸入，利用在當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)低于未加壓的暖熱空氣的壓力的壓力，在它離開(kāi)收縮區(qū)域53時(shí)達(dá)到Mach速度、并且在它離開(kāi)擴(kuò)張區(qū)域57 時(shí)達(dá)到超音速。這種超音速的冷空氣流在它離開(kāi)噴嘴時(shí)噴出為渦流、并在噴射器的收縮區(qū)域58中產(chǎn)生經(jīng)過(guò)定子M的暖熱空氣，其中壓力保持低于周圍壓力。這兩種仍然未完全混合的空氣流以高速進(jìn)入恒定面積區(qū)域59，在恒定面積區(qū)域59中，當(dāng)它們?cè)诨旧夏芰亢蛣?dòng)量守恒過(guò)程中繼續(xù)徹底地混合這兩種空氣流時(shí)渦流消散。在恒定面積區(qū)域59的末端附近， 突然地使空氣的壓力重新高于周圍壓力的沖擊波形成并且進(jìn)一步降低它的速度。調(diào)整了進(jìn)入膨脹器子系統(tǒng)的未加壓暖熱空氣和冷膨脹空氣的質(zhì)量流率的比值，以便確保這種旋轉(zhuǎn)的亞音速但仍然迅速移動(dòng)的空氣流以稍微高于周圍壓力的壓力、并且也以正常環(huán)境值25°C 附近的溫度而離開(kāi)恒定面積區(qū)域59。這繼而確保了當(dāng)空氣流把它的能量施加于轉(zhuǎn)子55時(shí)發(fā)生的另外的冷卻將會(huì)是適度的，因?yàn)槿缢Ｍ哪菢右延删哂胁考?3、54、57、58和59的混合器-噴射器子系統(tǒng)把壓力能量大部分轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。最后，我們考慮如圖22中所示的循環(huán)的最后一段。在這一段的開(kāi)始，基本上所有甲醇已通過(guò)加熱活性碳被從活性碳驅(qū)趕，通過(guò)最初冷的NaX而冷凝回為液體，并返回到具有壁15的甲醇存儲(chǔ)庫(kù)。閥75被關(guān)閉以隔離活性碳與系統(tǒng)的其余部分，閥18打開(kāi)，甲醇?jí)嚎s機(jī)19打開(kāi)并且甲醇熱泵的四通閥71被設(shè)置，以使得離開(kāi)壓縮機(jī)的高溫壓縮甲醇蒸汽被驅(qū)動(dòng)通過(guò)閥11并進(jìn)入到位于具有壁4的溫度控制罐的底部處的帶孔的管5中，就像循環(huán)的前一段期間曾經(jīng)的情況一樣。以這種方法，NaX床1被繼續(xù)朝著它們?cè)谘h(huán)上的最大溫度 100°C加熱，同時(shí)所獲得的通過(guò)排出管6離開(kāi)溫度控制罐的液體甲醇由泵12再循環(huán)回至甲醇存儲(chǔ)庫(kù)。熱量再次來(lái)自熱水存儲(chǔ)庫(kù)，但當(dāng)甲醇在熱交換器21中沸騰時(shí)以及當(dāng)熱水在它通往冷存儲(chǔ)庫(kù)的路上由泵64驅(qū)動(dòng)通過(guò)周圍的具有壁20的罐時(shí)則熱量被直接傳遞給甲醇。甲醇作為蒸汽通過(guò)位于存儲(chǔ)庫(kù)的頂部中的端口 14而離開(kāi)/排出，并且通過(guò)在它通往熱交換器 21的路上經(jīng)過(guò)減壓閥17而部分地液化。存儲(chǔ)庫(kù)中的甲醇在它由壓縮機(jī)69驅(qū)動(dòng)通過(guò)熱交換器16時(shí)由常規(guī)鹵烴冷凍劑加熱以促進(jìn)汽化。鹵烴蒸汽隨后繼續(xù)前進(jìn)到熱交換器61以暖熱進(jìn)入混合器-噴射器膨脹渦輪機(jī)的未加壓空氣，像前一段中一樣。由鹵烴蒸汽攜載的熱量也來(lái)自熱水存儲(chǔ)庫(kù)，因?yàn)樗谒ㄍ浯鎯?chǔ)庫(kù)的路上由泵65驅(qū)動(dòng)通過(guò)包含熱交換器63的具有壁62的罐。在循環(huán)的這一段結(jié)束時(shí)，NaX床1已被加熱到100°C，并且基本上所有的水已返回到冷水存儲(chǔ)庫(kù)。AE-CAES系統(tǒng)隨后準(zhǔn)備就緒待重新充電。
為了使蒸汽壓縮熱泵的效率的Carnot限制保持為高于90%(或者性能的系數(shù)保持為高于10)，必需針對(duì)加熱把溫度的提升限制為35°C、或者針對(duì)冷卻把溫度升高限制為 30°C。這意味著，當(dāng)使用基于甲醇的熱泵在循環(huán)的第四段結(jié)束時(shí)把NaX床的溫度升高到 100°C時(shí)，從具有壁20的熱交換器罐進(jìn)入到冷水存儲(chǔ)庫(kù)的水不能低于65°C ；并且類似地，在把進(jìn)入熱水存儲(chǔ)庫(kù)中的水加熱到至多65°C的同時(shí)，我們能夠使用基于甲醇的熱泵在循環(huán)的第一端期間把NaX床冷卻至35°C。幸運(yùn)的是，在循環(huán)的第四段的大部分時(shí)間期間，NaX床的溫度將會(huì)遠(yuǎn)低于100°C，從而允許我們把進(jìn)入冷水存儲(chǔ)庫(kù)的水冷卻到比65°C低很多，并且類似地，在第一段的大部分期間，NaX床將會(huì)遠(yuǎn)高于35°C，從而允許我們把進(jìn)入熱水存儲(chǔ)庫(kù)的水加熱到遠(yuǎn)高于35°C。一旦在許多充電-放電循環(huán)上已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，冷水存儲(chǔ)庫(kù)的溫度將會(huì)是至多25°C，而熱水存儲(chǔ)庫(kù)的溫度將會(huì)多達(dá)75°C，
為了針對(duì)機(jī)械能的存儲(chǔ)和恢復(fù)獲得大于80%的環(huán)行效率，基于鹵烴的熱泵也應(yīng)該在兩個(gè)方向上都至少是90%有效的，并且對(duì)它能夠?qū)崿F(xiàn)的溫度提升具有類似的限制。然而，在這種情況下，它必須獲得的最大和最小溫度由實(shí)施例來(lái)不太精確地限定，并且在不實(shí)質(zhì)上改變實(shí)施例的性質(zhì)的情況下這些細(xì)節(jié)可能顯著不同。例如，即使假設(shè)活性碳的物理形狀是纖維帶的形狀，活性碳的再生溫度也將會(huì)取決于所使用的精確制備。在NaX床低于通常環(huán)境溫度(與為NaX床假設(shè)的100°C相比，這個(gè)要求不高)的同時(shí)存在的降低的甲醇?jí)毫Φ那闆r下，多數(shù)活性碳制備將會(huì)預(yù)期導(dǎo)致范圍60°C到90°C中的再生溫度。類似地，不必為了把 NaX床冷卻到-40°C而把活性碳冷卻到遠(yuǎn)低于25°C。然而，所運(yùn)用的特定活性碳制備不影響這個(gè)AE-CAES實(shí)施例意圖例解的原理，并且足以注意到，吸附冷凍領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到對(duì)于活性碳的冷卻和加熱要求應(yīng)該不如這里對(duì)于NaX床假設(shè)的那些要求那么難。 類似地，當(dāng)空氣壓縮到10 bar以及從10 bar膨脹時(shí)對(duì)空氣的冷卻和加熱要求應(yīng)該不如對(duì) NaX的要求那么難，尤其是給出了用于后一目的的混合器-噴射器渦輪機(jī)并且存在這樣的事實(shí)，即空氣將會(huì)在它被NaX床吸附之后進(jìn)一步冷卻。在AE-CAES系統(tǒng)的操作中，可以使用吸附和解吸附的過(guò)程從低級(jí)熱源收獲另外的能量。在相似的過(guò)程中，甚至在蒸汽已經(jīng)過(guò)渦輪機(jī)之前，Rankine循環(huán)發(fā)電機(jī)中的沸水就把一定量的汽化的熱量直接轉(zhuǎn)換成PV(壓力-體積)功。相似的過(guò)程在解吸附中也有效，因?yàn)橐恍〔糠值慕馕降臒崃吭谑菇馕降目諝馀蛎浿氨恢苯愚D(zhuǎn)換成PV功。如果使用對(duì)稱PV循環(huán)運(yùn)行AE-CAES系統(tǒng)，則這把適度的量的另外的能量存儲(chǔ)在AE-CAES系統(tǒng)中，如圖 13中明確所示。圖23顯示理想化PV循環(huán)，該P(yáng)V循環(huán)表示順時(shí)針循環(huán)如何能夠被加入到總體循環(huán)，從而允許AE-CAES系統(tǒng)也收獲一定量的熱能(當(dāng)然，經(jīng)受Carnot限制)。在顯示的理想化循環(huán)中，存在著分別由等壓冷卻和加熱到25°C而分開(kāi)的朝著13 bar (12 bar表壓力)和從13 bar開(kāi)始的絕熱壓縮和膨脹的三個(gè)階段，這近似于實(shí)際(小于等溫)壓縮和膨脹循環(huán)。壓縮階段后面跟著當(dāng)NaX床冷卻到-40°C時(shí)NaX床中的空氣的等壓吸附，大大減小了它的用于存儲(chǔ)的體積。然而，并非通過(guò)逆等壓過(guò)程解吸附空氣，而是允許NaX床在恒定體積加熱到-6°C，這把它的壓力升高到30. 5 bar，此后等壓加熱到107°C并且絕熱膨脹回至 13 bar。膨脹過(guò)程的其余部分隨后進(jìn)行，如同它在純存儲(chǔ)循環(huán)中那樣。收獲的能量等于由左上側(cè)循環(huán)包圍的面積，并且近似地等于由代表著壓縮和膨脹過(guò)程中損失的能量的三個(gè)右下側(cè)循環(huán)包圍的面積。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，包括多孔材料，所述多孔材料吸附空氣；壓縮機(jī)，其中壓縮機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成經(jīng)加壓的空氣和熱量，其中經(jīng)加壓的空氣由多孔材料吸附；罐，用于存儲(chǔ)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣；電動(dòng)機(jī)，通過(guò)在壓力下允許空氣發(fā)生解吸附而得以受驅(qū)動(dòng)以恢復(fù)存儲(chǔ)的機(jī)械能，并且允許經(jīng)加壓的空氣在驅(qū)動(dòng)所述電動(dòng)機(jī)的同時(shí)發(fā)生膨脹。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中所述電動(dòng)機(jī)是渦輪機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中所述渦輪機(jī)由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，通過(guò)使用混合器-噴射器系統(tǒng)把該壓縮空氣與未經(jīng)加壓的暖熱空氣相混合，則在沒(méi)有顯著冷卻的情況下該壓縮空氣已經(jīng)膨脹并加速。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中所述混合器-噴射器系統(tǒng)包括縮-擴(kuò)式噴嘴以把未經(jīng)加壓的暖熱空氣吸入到混合器-噴射器系統(tǒng)中。
5.一種機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，包括下述各項(xiàng)多孔材料，所述多孔材料吸附空氣；壓縮機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成經(jīng)加壓的空氣和熱量；罐，存儲(chǔ)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣；電動(dòng)機(jī)，受驅(qū)動(dòng)以恢復(fù)存儲(chǔ)的機(jī)械能；多個(gè)熱泵，構(gòu)造為用以加熱或冷卻多孔材料；其中通過(guò)允許熱量流經(jīng)防止空氣泄漏的屏障，來(lái)控制所述多孔材料和周圍的經(jīng)加壓的空氣的溫度；其中由所述多個(gè)熱泵加熱或冷卻所述屏障，以便促進(jìn)熱量流經(jīng)所述屏障。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中從包括下面各項(xiàng)的組選擇所述熱泵 蒸汽壓縮熱泵、吸附熱泵或吸收熱泵。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中所述熱泵構(gòu)造為用以在利用機(jī)械能對(duì)裝置充電的同時(shí)加熱水、或者在利用機(jī)械能對(duì)裝置放電的同時(shí)冷卻水。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中用于加熱水的熱源是用于吸附空氣的多孔材料，或者用于冷卻水的散熱器是用于吸附空氣的多孔材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中所述用于吸附空氣的多孔材料的溫度在所述裝置中存儲(chǔ)的機(jī)械能的量最大化時(shí)達(dá)到它的最小值，并且所述用于吸附空氣的多孔材料的溫度在所述裝置中存儲(chǔ)的機(jī)械能的量最小化時(shí)達(dá)到它的最大值。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中去除掉通過(guò)吸附空氣產(chǎn)生的熱量、或者在吸附之前多孔材料中包含的熱量，以降低多孔材料和周圍空氣的溫度，由此在吸附過(guò)程期間使壓力保持基本上恒定。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中熱量被加入到多孔材料以補(bǔ)償通過(guò)解吸附空氣消耗的熱量、并升高多孔材料和周圍空氣的溫度，由此在解吸附過(guò)程期間使壓力保持基本上恒定。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，其中通過(guò)使用外部熱源在釋放存儲(chǔ)的機(jī)械能之前或者在釋放存儲(chǔ)的機(jī)械能的同時(shí)增加多孔材料的溫度，來(lái)從外部熱源產(chǎn)生另外的機(jī)械能。
13.一種機(jī)械能存儲(chǔ)裝置，包括下述各項(xiàng) 多孔材料，所述多孔材料吸附空氣；壓縮機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成經(jīng)加壓的空氣和熱量；其中通過(guò)允許熱量流經(jīng)防止空氣泄漏的屏障來(lái)控制多孔材料和周圍的經(jīng)加壓的空氣的溫度；熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，其中來(lái)自經(jīng)加壓的空氣和來(lái)自多孔材料的熱量被引導(dǎo)到熱能系統(tǒng)并存儲(chǔ)；和罐，存儲(chǔ)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣，其中通過(guò)在引導(dǎo)這種熱量通過(guò)屏障的同時(shí)允許空氣發(fā)生解吸附和/或膨脹，來(lái)使得存儲(chǔ)在熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)中的熱量轉(zhuǎn)換回為機(jī)械能。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的能量存儲(chǔ)裝置，其中所述熱量以顯熱形式存儲(chǔ)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的能量存儲(chǔ)裝置，其中所述熱量以潛熱形式存儲(chǔ)。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的能量存儲(chǔ)裝置，其中另外的熱量被加入到熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)以彌補(bǔ)傳遞或存儲(chǔ)期間損失的熱量。
全文摘要
在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了一種蓄能裝置。該蓄能裝置包括吸附空氣的多孔材料和壓縮機(jī)。壓縮機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成加壓空氣和熱量，并且加壓空氣由多孔材料冷卻并吸附。控制多孔材料的溫度，從而使得多孔材料上的壓力在存儲(chǔ)和放電過(guò)程期間保持基本上恒定。存儲(chǔ)過(guò)程期間多孔材料的冷卻、和放電過(guò)程期間多孔材料的加熱是由熱泵輔助的，熱泵可以是蒸汽壓縮熱泵、吸收熱泵或吸附熱泵。該蓄能裝置還包括用于存儲(chǔ)經(jīng)加壓并且受吸附的空氣的罐和電動(dòng)機(jī)。通過(guò)在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的同時(shí)允許空氣解吸附和膨脹，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以恢復(fù)存儲(chǔ)為經(jīng)壓縮并且受吸附的空氣的能量。
文檔編號(hào)F01K25/00GK102459848SQ201080033558
公開(kāi)日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者F. 哈弗爾 T. 申請(qǐng)人:能量壓縮有限責(zé)任公司