CN101970833A - 吸附增强的压缩空气能量存储 - Google Patents

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Abstract

在本发明的实施例中，提供了能量存储设备。所述能量存储设备包括吸附空气的多孔材料和压缩机。所述压缩机将机械能转换为受压空气和热，并且受压空气由多孔材料冷却和吸附。所述能量存储设备还包括用于存储受压和吸附的空气的箱和马达。该马达被驱动以通过允许空气在驱动马达时被释放和膨胀来恢复存储作为压缩和吸附的空气的能量。

Description

吸附增强的压缩空气能量存储
相关申请的交叉引用
本专利申请主张由Timothy F.Havel于2008年3月14日在美国专利和商标局提交的美国临时申请序列号61/036587的优先权，将该临时申请的全部内容引入本文。
技术领域
本发明涉及能量存储领域。特别地，本发明涉及包括具有吸附空气的多孔材料的压力室的能量存储设备。
背景技术
压缩空气能量存储以其缩写“CAES”为人公知。在有的CAES设备中，空气压缩机由电动马达驱动，并且接下来用于驱动连接到电磁发电机的空气马达或涡轮，从而形成等同于电化学电池的功能。如果充电-放电周期进行的足够慢以近似于恒温，这表示通过压缩产生的热消散而在压缩过程中不会显著地升高空气温度，并且从环境中汲取的热同样也使得在膨胀过程中空气不会显著地冷却，这种形式的电存储能够具有好的效率。
CAES系统也能够被设计使得与化学电池相比具有更高的可靠性、较低的维护和更长的操作寿命，并且如果存储压缩空气的装置便宜的话，CAES系统的成本与基于电池的系统能够是相当的。不幸地，用于存储空气的制造的压力容器(例如钢箱)的高成本、重量以及大体积使得CAES设备不能与在所有的通常应用中的电池相竞争。
至今，CAES已经用于三种商业用途。第一个和最广泛使用的不是作为能量存储装置本身，而是商店和工厂里的功率气动工具和机器。气动工具比起电动工具具有更高的重量-功率比，并且在这样的工具中的小电动马达与驱动空气压缩机的较大马达相比效率也低。压缩空气存储在足够大以作为缓冲器并且确保系统中的压力保持恒定的箱中。由于这些系统忽略压缩热并且在空气的快速膨胀过程中没有重新加热空气，这些系统的整体效率受限。通过使用适中的压力限制该效率低下，适中的压力通常小于10个大气压，这也降低了这样的CAES系统的资金成本。
CAES的第二个应用是临时备用功率，以在例如计算机数据中心或医院的功率故障的情况下保持主要机器运行。在这样的情况下，房屋面积是急需的，使得需要使用几百或更高的大气压的压力来达到相对高的能量密度，但是系统的高可靠性以及在功率故障的情况下能够立即交付的高功率可以证明用于压缩空气的高压不锈钢存储箱的成本的合理性。接下来如果需要的话，例如柴油发电机的更长期间备用系统能够联机。尽管能够从电化学电池获得相同的功能，能够交付足够功率的电池系统也需要存储比需要更多的能量并等待长期间备用系统联机，这使得电池成为相对昂贵的解决方案。CAES系统也需要较少的维护，具有更长的寿命并且没有与环境危害化学物质相关联的处置成本。其它这样的短期间备用功率解决方案包括超电容和调速轮，这也同样相对成本较高。
CAES的第三个商业使用是降低电力公司发电和/或传输电力功率的成本。可以用几种方式实现，最常用的方式是改善中央发电容量。大型中央电厂(例如煤和核电厂)的停止和开始都是昂贵的，而例如燃气涡轮的较小电厂容易关闭和打开，但是操作起来相对昂贵。因而，如果当需求低时来自大型电厂的能量能够被存储，并且在需求高时用于产生电力，能够降低安装和操作小型峰值负载电厂的需要，从而也降低产生电力的平均或“参考”成本。
发明内容
在本发明的实施例中，提供了能量存储设备。所述能量存储设备包括吸附空气的多孔材料和压缩机。所述压缩机将机械能转换为受压空气(pressurized air)和热，并且受压空气由多孔材料冷却和吸附。所述能量存储设备还包括用于存储受压和吸附的空气的箱以及马达。马达被驱动以通过允许空气在驱动马达时被释放和膨胀而恢复存储作为压缩和吸附的空气的能量。
在本发明的另一个实施例中，提供了另一种能量存储设备。所述能量存储设备包括多孔材料，其中已经吸附了适当的流体。该设备还包括将机械能转换为受压空气和热的压缩机以及电池。通过允许热流经电池而将受压空气冷却，热被传递到已经吸附了流体的多孔材料，并且热升高多孔材料的温度，导致流体从多孔材料释放。
在另一个实施例中，提供了另一种能量存储设备。所述能量存储设备包括吸附空气的多孔材料以及存储热的热能存储系统。该设备还包括将机械能转换为受压空气和热的压缩机。受压空气由多孔材料冷却和吸附，并且通过允许热流经电池来控制多孔材料和周围空气的温度，电池防止了受压和吸附的空气泄漏。热被引导至热能系统并且存储在热能系统。另外，该设备包括存储受压和吸附的空气的箱，当需要时通过允许空气释放和膨胀来恢复受压和吸附的空气所包含的能量。
附图说明
在图1至11中说明本发明的示例实施例以及该实施例基于的推断实验数据。
图1说明了空气的主要成分的吸附等温线；
图2说明了氮气分子与氧气分子的比率和氮气压力之间的关系，其中氮气和氧气的压力比具有固定值4.0；
图3是吸附增强的压缩空气能量存储实施例中的质量和能量流的示意图，其示出了在第一半充电处理中的这些流；
图4是吸附增强的压缩空气能量存储实施例中的质量和能量流的示意图，其示出了在第二半充电处理中的这些流；
图5是吸附增强的压缩空气能量存储实施例中的质量和能量流的示意图，其示出了在第一半放电处理中的这些流；
图6是吸附增强的压缩空气能量存储实施例中的质量和能量流的示意图，其示出了在第二半放电处理中的这些流；
图7是更详细说明吸附增强的压缩空气能量存储实施例如何在第一半充电处理中操作的处理流程图；
图8是更详细说明吸附增强的压缩空气能量存储实施例如何在第二半放电处理中操作的处理流程图；
图9是在温度控制室中的空气吸附圆筒阵列的三维视图；
图10是准备好并用于分别在第一半充电处理和第二半放电处理中升级存储的热的吸附热泵的三维视图；以及
图11是用于在放电处理中恢复存储作为压缩空气、吸附空气和热的能量的搅拌喷射器空气涡轮的三维视图。
具体实施方式
本发明提供了用于在多孔材料中的吸附的物理处理的两种新型应用，这两种应用都大大地改善了压缩空气能量存储(CAES)的经济性。另外，本发明提供了设备的几种改善，该设备存储压缩空气形式的能量并且也可以存储显热或潜热形式的某些能量。
为了使用于中央发电容量的CAES的使用成本有效，压缩空气当前被存储在地下地质水库(例如自然地下水层或人工废弃气井或油井)而不是存储在制造的箱中。通过使用压缩空气来对燃气涡轮进行涡轮充电，能够进一步改善经济性，从而避免涡轮本身需要花费能量来压缩空气。这允许在从天然气产生额外能量的同时能够恢复存储在压缩空气中的能量。尽管涡轮充电所需的压力较高，在50个左右的大气压的量级，涡轮充电允许存储的能量以高功率水平被交付并且以大约70％的整体效率被恢复。
使用CAES用于电力目的的不同的方法(还没有商业应用)已知是“先进隔热CAES”。在AA-CAES中，在压缩过程中从空气抽取的热被存储并用于在膨胀过程中对空气马达或涡轮供电而重新加热空气。理论上，这允许存储作为热和存储作为压缩空气的能量都被恢复，因而AA-CAES的效率能够在理论上达到100％。在实践中，难于存储和恢复压缩热的而没有显著尤其在高功率水平时损失热。在目前提出的所有的AA-CAES实施例中，空气再次以高压被存储在地下水库，并且热被存储为显热形式而不是潜热形式，通常在比200℃高很多的温度。
能量存储也具有以几种其它方式降低电力公司的操作成本的潜力，尽管还没有一个能量存储实现广泛使用。这些包括传输容量减缓和堵塞减少、各种辅助服务、大型电力价格套利以及负载偏移或在终端用户级别的平衡。然而，在未来，最重要的这样的服务可能是可再生容量公司。例如风和太阳能的可再生能源是间歇的，因而它们的容量随时间而变化并且经常不足以满足对于电力的需求。如果当容量超过需求时能将能量存储，并且当需求超过容量时能够用于产生电力，则这些可再生能量源将变得更加成本有效。
现有的用于中央电量产生(central capacity generation)的CAES系统的主要缺点是适当的地下水库既不常见也不能运输。如果成本有效的话，能够在任何地方可组装并且缩放到电厂大小的模块化系统对于中央发电容量以及可再生容量工厂会是更加有用的。另外，如果可以在更靠近子站或终端用户向电网中选择好的位置交付不昂贵的自包含CAES系统，CAES能够提供上述一些或所有其它成本降低服务。这样的CAES系统当前不是成本有效的主要原因是用于压缩空气的制造的存储箱的高成本。应当理解，在第一级近似上，箱的成本独立于存储空气的压力，因为提高压力允许箱被制造地更小，但是要求箱的壁成比例地变厚，并且反之亦然。
使得CAES系统更加经济的一个方法(还没有受到太多关注)是利用这样的事实：空气的压缩和膨胀是将热从一个地方泵向另一个地方的容易的手段。这表示CAES系统能够被容易地开发以向终端用户提供组合的热、冷却和功率。如果这样的CAES系统安装在家庭或商业中(其中白天的电力定价是可用的)，例如，当在电力相对便宜的晚上能够对CAES系统充电并同时向建筑提供热，并且在白天峰值时间CAES系统产生使用的或卖回电网的电力并同时也提供空气调节。在冬季，当不需要冷却时，能够使用直接太阳能收集器来加热水，并且该热水用于提供热用于空气膨胀，极大地增加功率输出而仅带来成本的适当增加。这样的系统的经济性会取决于多种因素，包括电税、主要的天气以及当然空气存储箱的成本。
公知气体和热的存储能够通过在例如活性炭、硅胶或沸石的合适多孔材料中的吸附而实现。在这样的材料存在的情况下更容易存储气体，因为吸附相比自由气体更加浓密，因而减小了以给定压力存储给定质量的气体所需的箱的容量(或等同地，在给定容量所需的压力)。另外，公知由于释放处理消耗热，可以使用吸附材料以潜热形式存储热。通过允许被吸附物(例如水蒸气)由吸附剂再吸附，可以后续再生热。另外，在被释放的蒸气冷凝时放出的热可以以显热形式存储，并且通过使用该热来进行冷凝物的蒸发并然后允许所获得的蒸气被再吸附而恢复该热。这样的设备公知为吸附冰箱或热泵。然而，没有以这些方式中的任何方式来使用吸附处理使得CAES系统便宜、更加高效或可运输、更加适用于组合热和功率应用和/或更加安全地部署的任何尝试。
本发明以四种相关方式改善压缩空气能量存储的经济性。第一是使用用于空气的吸附剂，以降低以压缩空气形式存储给定量的能量的容器中的压力和/或容器的体积。第二是释放水或一些其它适当的流体，可能与当产生的蒸气冷凝时放出的低级显热的存储相组合，作为存储压缩热的手段以使得AA-CAES更加经济。第三是存储通过空气的吸附产生的热，并且在之后恢复该能量，通过使用存储的热(可能与压缩热一起)来升高吸附材料和/或当膨胀时的压缩气体的温度来恢复该能量。第四是用于CAES的新型热动力学循环，其中压缩空气的温度是变化的以在充电/放电周期将存储的空气的压力保持为近似恒定。当如上所述利用用于空气的吸附剂时，该“变温”周期是特别有利的，并且当压缩和/或吸附热被存储用于后续使用时(例如通过用于水或一些其它适当流体的吸附剂的手段)该“变温”周期也是可应用的。在基于吸附的气体分离处理中的变温周期的使用是公知的(参见例如美国公开号2006/0230930)。
应当注意能够通过压缩气体而不是空气来存储能量，并且已经提出利用吸附剂材料来改善该处理的再生制动系统(美国专利号7152923)。这具有的优势是：比起空气，其它气体可以更加可压缩并且也能更加有力地由常用吸附剂接受，与使用空气作为工作流体相比允许更加浓密地存储能量。该种系统与这里考虑的那些系统之间的主要差异是使用除了空气之外的任何流体需要闭合系统，在该闭合系统内流体能够被再循环和再使用。相反，能够从环境中自由地摄取空气并且再次放出而不带来环境问题。这带来的是开放系统，该开放系统对于终端用户、电力子站或电厂级别处的大型能量存储是更加经济的。本发明仅考虑了在大型、静止能量存储应用、释放水或一些其它适当的流体作为存储空气的压缩和/或吸附的热的手段以及使用变温周期的CAES系统中用于空气的吸附剂的使用。这些处理都不适用于小型的、移动应用，例如再生制动。
尽管已知在某种程度上吸附空气的氮气和氧气成分的数种多孔材料，本发明的吸附增强的CAES实施例利用沸石材料用于该目的。在适当的压力和周围温度下，沸石对氮气的吸附能力比对氧气的吸附能力更强，并且因而已经被广泛地用于分离空气的氮气和氧气成分用于工业和医用目的。然而，对于CAES，在关注的相对高的压力下将空气吸附到沸石或其它多孔材料方面几乎没有详细的研究。特别地，空气在沸石中液化的温度-压力界限还没有详细地提出。该处理，也称为毛细冷凝，在被吸附气体的临界点之上很高的温度(或在空气的情况下是-140℃)通常观察不到。在成本有效的吸附增强CAES设备中难于实现这样的低温。
如果已经发现或能够开发新的多孔材料，其中在高得多的温度发生毛细冷凝，可能通过如同在所有已知用于空气的吸附剂中的化学吸收而不是物理吸收，能够极大地改善在本发明中多孔材料的第一新使用。某种程度上由于慢的动力学以及与毛细冷凝相关联的滞后作用，这样的设备的操作是复杂的，但是所获得的AE-CAES系统会具有高得多的能量密度，并且相应于每单位的存储能量的成本降低，所需的材料的量也会极大地减少。可能证明对于该目的适当的目前开发的多孔材料的种类包括中孔有机硅和金属-有机结构。
因而，本发明提供的在多孔材料中吸附的新应用是作为降低在给定压力和温度下存储给定质量的空气所需的箱的体积的手段，或者可选地作为通过降低在给定体积和给定温度下存储给定质量的空气所需的压力而降低箱的壁的厚度或制造箱的材料的强度的手段。通过将适当的多孔材料放置在保持压缩空气的压力室中可以实现上述两个可选手段，在这里“适当的”指的是在室内压缩空气的温度和压力下，该多孔材料吸附的空气的体积比材料本身占据的体积大。这样的多孔材料存在的原因是下述事实：在与固定在适当的值的温度和压力平衡的情况下，比起周围气态空气中的分子，处于吸附状态的空气分子具有极大地降低的移动性以及高得多的浓度。
类似地，多孔材料中吸附的另一个新应用是作为存储通过压缩空气的处理产生的热和/或通过与上述第一新应用中相同的空气吸附处理产生的热的手段。通过将吸附了水或某些其它适当的流体的多孔材料置于和空气压缩机和/或压力室相接触，但是在空气压缩机和/或压力室的外面，实现该第二新应用。第二新应用的多孔材料需要与第一新应用的材料的种类相同。热升高该多孔材料的温度并且也有助于将水或其它流体从其中释放。在分子级别，该处理将动力能量转换为潜能，通过防止由释放产生的蒸气返回与多孔材料接触并被再吸附，可以无限期的存储该潜能。可以通过热已经被存储为潜热形式来描述。从压缩空气至第二新应用的多孔材料的热传递降低了压缩空气的温度，从而也减少了进一步压缩空气所需的工作以及存储空气的箱的大小或强度。类似地，第一新应用的多孔材料的冷却(在从多孔材料传递吸附热时伴随的)增加了在任何给定压力下吸附的空气的量。
为了恢复显热形式的存储的潜热，在需要时，通过流体的释放产生的蒸气必须可用于再吸附。不幸地，蒸气占据的大体积使得难于以该形式存储，并且压缩或冷凝蒸气以显热形式放出较小的但仍然是大量的能量。然而可以存储该显热，并且随后使用蒸气的膨胀处理或液体的蒸发来收获该热，并且因而再生蒸气。这样做(而不是将通过压缩和/或空气的吸附产生的热直接存储为显热形式)的优势在于在前一种情况下显热以较低的温度包含在材料中，这使得能够更容易地抗损失。尽管这样的低级热通常难于收获，即难于传送到需要的地方，膨胀或蒸发处理用于冷冻该材料，并且因而比起其它方法更加快速和高效地将热从材料中泵出。理论上，可以通过使用压缩空气作为冷冻剂直接地实现，但是既将大量低级热从固体或液体材料传递到膨胀空气且同时捕捉所产生的机械能量是困难的。也需要能量将低级热转换为有助于快速膨胀和/或改善空气的释放所需要的高级热。
不管如何获得所需的蒸气，通过将第二新应用的多孔材料置于与空气马达或涡轮热接触并且同时允许水或其它流体蒸气再吸附到多孔材料，可以以机械形式恢复潜热，同时将能量存储作为压缩和/或吸附空气。产生作为水或其它流体再吸附的显热被传导或传递到在空气马达或涡轮中膨胀的压缩空气，升高温度和压力，从而做更有用的工作。同时该热传递冷却第二新应用的多孔材料，并且因而进一步有助于水或其它适当的流体即时再吸附到多孔材料。类似地，从该多孔材料至第一新应用的多孔材料的热传递有助于在室内压力下空气从多孔材料的释放，并且该压缩空气能够通过上述空气马达或涡轮被转换回机械能。
当多孔材料包括在CAES设备中用于这两种新应用中的任一种时，我们将结果处理称为吸附增强CAES或AE-CAES，并且将能量存储设备本身称为AE-CAES设备或AE-CAES系统。
本发明还提供了用于变温吸附的工业处理的新应用，该新应用已经被广泛用作分离混合气体的手段。不论多孔材料是否已经包括进CAES设备用于吸附的物理处理的第一新应用，该新应用实际上都是可应用的。在该处理中，当用能量对CAES设备充电时，空气以及吸附了空气的多孔材料的温度(如果设备包括用于第一新应用的多孔材料)被降低，并且当对CAES设备放电时，温度再次升高，始终以将压力室内的压缩空气的压力保持为近似恒定的速率来泵出空气或允许空气从压力室泄出。
恒定的空气压力会简化CAES设备的构造和操作，但是对于本发明的目的更重要的是下述事实：变温处理是增加如同第一新应用中的以任何给定量的多孔材料存储和放出的空气量的方便手段。上述的原因是当其温度升高时由大量已知多孔材料吸附的气体量减少，并且反之亦然。因而得出：如果当AE-CAES设备在已充电状态时达到的最小温度足够低以确保多孔材料主要由空气在设备的工作压力下饱和，而当AE-CAES设备在已放电状态时达到的最大温度足够高以确保在设备的工作压力下大部分空气从多孔材料释放，比起利用压力变温周期，能够从第一新应用的所选多孔材料获得更大的益处，至少不需至低于大气压压力的高且耗能的花费。这包括具有恒定温度或具有压力变温周期的即时温度变化(在已放电状态达到最低温度并且已充电状态达到最高温度)的压力变温周期。
尽管该变温周期由其在AE-CAES中提供的益处激发，比起所有的CAES设备(下面简称为实践)已经使用的压力变温周期具有自己的优势。为了证明此点，我们现在估计在缺乏用于空气的吸附剂时能够由变温CAES实现的最大能量密度。我们不会进一步指出存储从压缩空气获得压缩热或另外的热以设施变温，但是为了简化起见，我们假设很好地存储了上述热并且能够完全地恢复上述热而只对系统的整体体积带来可忽略的增加。类似地，由于我们要估计能量密度的最简单的可能上限，我们会忽略压缩机、空气马达或涡轮以及所有的其它外部装置所需的体积。CAES设备由下述参数示出其特征：
●Vsys：系统中的空气体积
●Psys：通过控制空气的温度而将空气保持在系统中的压力
●Tdis：当在已放电(最小能量)状态时系统中空气的温度
●Tchg：当在已充电状态时系统中空气的温度(Tchg＜Tdis)
●Patm：在被放电时系统工作的压力(这里是100,000帕斯卡，近似一个大气压)
我们进一步使得ndis和nchg是放电和充电状态中系统中空气的摩尔数(即空气分子的多个阿伏伽德罗数)，Vatm是对系统充电所需的压力Patm下的空气体积，并且VM是在Patm下的摩尔体积(在Patm＝100,000bar和300K时≈24.8升)。理想气体定律以及摩尔体积的定义意味着这些变量之间的下述关系成立：
Psys Vsys＝ndis R Tdis
Psys Vsys＝nchg R Tchg
Vatm＝(nchg-ndis)VM
(其中R＝8.314472J/(mol K)是以(焦耳/(摩尔·开尔文)为单位的理想气体常量)。在使用这些等式中的前两个来从第三个中消去ndis和nchg时，我们得到：
Vatm＝Psys Vsys(1/Tchg-1/Tdis)VM/R
最后，在充电中对系统进行的“注入”工作是：
Wsys＝(Psys-Patm)Vatm
这最后两个等式表示能量密度与已充电和已放电状态的逆绝对温度之间的差成正比，并且与其操作压力Psys成平方地增加。对于Psys＝10×Patm，Tchg＝300K并且Tdis＝500K的特定情况，我们得到：
Vatm＝3.975×Vsys[M3＝立方米]
Wsys＝3.578×Vsys[MJ＝兆焦]
这计算得到944WHr/M3(每立方米瓦时)；对于Psys＝20×Patm，Tchg＝300K和Tdis＝500K的对应数字是4196WHr/M3，与对于操作压力Psys的近似平方关系一致。尤其当被压缩时，空气不象理想气体那样表现的事实指的是所有的这些数字仅是近似的，但是平方缩放关系在实践中也成立。
相反，对于在恒定温度下的具有优良热恢复的基于普通压力变温周期的先进隔热CAES的能量密度是：
Wsys＝((Psys/Patm)γ-1-1)Patm Vatm/(γ-1)
(其中γ＝1.4是空气的隔热指数)。对于Psys＝10×Patm，这得到1050WHr/M3对于Psys＝10×Patm，这得到3124WHr/M3，这表示在更高的压力下，通过变温CAES获得的对于工作压力的平方关系使得在能量密度方面能够超过压力变温CAES。
对于上述吸附的物理处理的两个新应用中的每一个，可用多种多孔材料，通过该多种多孔材料可以构建本发明的有用实施例。在下面将详细描述的AE-CAES实施例中，通过已知作为NaX的沸石实施第一新应用。这是广泛可用的包含钠离子的八面沸石类型的沸石，通常以商业名称13X售卖。
干燥空气是约78％摩尔的氮气，21％摩尔的氧气以及1％摩尔的氩气。与大多数自然的和/或商业可用的沸石类似，NaX更强地吸附氮气而不是氧气或氩气，即在摩尔基础上，当以给定压力(至少在通常为了使氧气或氮气纯净而考虑的相对低的压力下)和温度被放置在这些纯气体之下时，NaX吸收更多的氮气而不是氧气或氩气。另外，氧气和氩气大部分被吸附在NaX孔壁的化学相同位置，并且也具有相似的吸附等温线，而氮气被大部分吸附到与氧气和氩气不重叠的不同的位置。由于这些事实，通过在下面将空气的氩气成分看待为氧气而简化我们的分析，这不会产生足以使得AE-CAES实施例要展示的原理无效的错误。另外，上述观察以及E.A.Ustinov(Russ.J.Chem.81，246，2007)呈现的实验数据示出我们可以假设吸附的氮气的量独立于吸附的氧气(和氩气)的量，并且反之亦然。
在-70℃和50℃之间的4个广泛分离的温度处以及在高至大约4个大气压的压力处已经测量了NaX对于氮气、氧气(和氩气)吸附的完整等温线(见G.W.Miller，AlChE Symp.Ser.83，28，1987)。如果通过适合这些数据而确定的Sips和Langmuir等温线等式中的参数值也在那篇论文中给出，并且可以用于推断这些测量至更高的压力。
图1说明了空气的主要成分(即氮气和氧气)使用广泛已知作为NaX或13X的商业可用沸石在4个不同的温度和在高达20个大气压的压力下的吸附等温线。对于氮气的等温线(从Sips等温线公式获得)用实线绘制，而对于氧气的等温线从Langmuir等温线(Sips的特殊情况)获得，并且用虚线绘制。示出的图因而将Miller的数据推断到成本有效的吸附增强的压缩空气能量存储设备所需的更高的压力。
图2说明了在与图1相同的4个温度下受压吸附到NaX的氮气分子与氧气分子的比率，其中在图中每点处的氧气的压力是氮气的25％，并且因而近似等于在125％的氮气压力处空气中的氧气分压。使用图1所示的推断的等温线来计算这些比率。虚水平线示出了该比率具有值4.0，从而吸附比率近似等于氮气和氧气在空气中的分压的比率。对于基于具有最低温度-40℃的变温周期的吸附增强的压缩空气能量存储的实施例，由虚垂直线指示的在-40℃的温度处的对应压力期望是合理的成本有效的氮气分压。这是因为比起在较低的压力和较高的温度处所能实现的，较高的压力或较低的压力会增加以较低速率吸附的空气量，从而从NaX吸附剂的使用获取的成本有利比率将不那么具有吸引力。
图3至图8示出了完整AE-CAES(吸附增强的压缩空气能量存储)实施例的示意图。这些图是公知处理流图和用于化学和材料处理系统的普通机械、流体和电部件的相关联符号的图形版本，这些在工程领域广泛使用。处理流图不是用于特定设计的蓝图，而是允许化学和材料处理领域的技术人员使用这样的标准部件设计能够再生特定处理的系统。该图因而提供了描述本发明的适当手段，其提供了可以使用多孔材料中的吸附而增强CAES系统的处理，而不是提供了特定设备或设计。在采用的部件不是非常标准的实施例的那些部件中，给出了更详细的图，并且在图9至11中这些图被放大。
图3至图6给出了在AE-CAES系统的充电-放电周期的四个点处通过该系统的示例实施例的主要质量和能量流的高层视图。图3示出了在充电处理开始处的这些流，这时受压NaX床接近100℃并且因而具有吸附到自己的最小量的空气，而未受压NaX床41很大程度地充满水。图4示出了流是如何通过充电处理而在大约一半的地方改变的，这时受压NaX床1的温度已经下降到通常周围空气温度并且未受压NaX床41已经丧失了大部分水。图5示出了在放电处理的开始出的流，这时受压NaX床处于-40℃并且因而具有吸附到自己的最大量的空气，而未受压NaX床41仍然是热和干燥的。图6示出了流是如何通过放电处理而在大约一半的地方改变的，这时受压NaX床1的温度已经到达周围空气温度并且水蒸气被运送到未受压NaX床41以产生完全放电所需的热。
图7示出了在使用能量充电的处理(图3的cf.)的开始处的AE-CAES实施例的更详细的视图，这时吸附热泵的未受压NaX床41被加热以驱散吸附的水。图8示出了在放电处理的一半的点(图6的cf.)之后的相同的实施例，这时水蒸气被传输经过未受压NaX床41以生成完全放电所需的高温。图9示出了压缩空气存储模块的切开放大图，其包括在用于控制温度的冷凝/蒸发室4中与沸石粒1挤压的筒2。图10示出了吸附热泵40的放大图，吸附热泵40包括用于存储通过空气的压缩和吸附产生的热的沸石床41以及用于确保大气空气大致上反转空气流以使得效率最大化的挡板42，其中大气空气承载在充电时离去的水蒸汽而空气承载在放电时进入的水蒸气。图11示出了混合器/喷射器空气涡轮的放大图，包括用于在放电处理中高效地将存储作为压力和热的能量转换为机械能的标记为53、54和55的部件。
上述假设以及图1中给出的推断表示在-40℃和10个大气压下，吸附的氮气和氧气的量的比率大约是4(图2)。由于这也关于在空气中氮气和氧气的分压的比率，并且NaX在该温度和8个大气压下很大程度充满了氮气，吸附的氧气的量不应当在更高的压力或更低的温度下极大地增加。AE-CAES实施例因而利用10个大气压的工作压力和在设备被使用能量完全充电时获得的最小温度-40℃。
相似地，图1所示的近似和推断表示在10个大气压和24℃，在-40℃吸附的大约34.5％的氮气和74.5％的氧气已经被释放，而在50℃这些百分比分别是53.5％和82.5％。因而，如果在10个大气压下到达100℃，至少75％的氮气和基本上所有的氧气将已经被释放。这反过来表示在-40℃吸附的全部空气的至少80％将在100℃被释放。由于在100℃以上将使得设备更加复杂和昂贵，AE-CAES实施例利用当设备被完全放电时获得的最大温度100℃，这如同刚讨论的表示在AE-CAES实施例中至少80％的占空比。
在-40℃和10个大气压的干燥空气下，我们的近似和推断的等温线进一步指示NaX在每千克的无水晶体NaX中将已经分别吸附4.24和1.14摩尔的氮气和氧气。对于周围空气的24.8升的摩尔体积以及对于晶体NaX的1.53Kgr/L(Kgr/L＝千克/升)的密度表示在这些条件下每升NaX将吸附大约204L的周围空气。这在-40℃和一个大气压下大约是160L空气，或者在该温度和10个大气压下是16.0L空气。
替代使用微晶体粉末，然而，需要将NaX形成为颗粒，这将允许通过热传导粘合剂(也使得能够将热跨速传递经过床)使得空气很好地流经设备中使用的沸石床。通常这些颗粒是粘合剂的大约20％的体积，并且能够挤压具有大约80％的体积，从而将在工作压力和最小温度时吸附的空气体积降低为每升NaX颗粒时大约0.83×16.0＝10.25L。考虑20％的空白部分，在平衡下，挤满NaX颗粒床以及充满-40℃和10个大气压下的空气的箱中空气的总量将因而是在相同温度和压力下相同的箱中存储的量的10.45倍。加上上述保守估计的80％的占空比，这给出了制造能够在AE-CAES实施例的工作压力和最小温度下存储和放出给定量的空气的箱所需的结构材料量的8.35折的减少。
然而，当NaX用于吸附空气时存储的每单元能量的成本的改进是相当大的。上述计算示出了当被完全充电时，AE-CAES实施例中的NaX粒床的每平方米将存储大约133平方米的周围空气。如同我们在变温周期的上述分析中那样假设我们优选地存储和恢复热并同时操作设备，但是再次假设80％的占空比，将这么多的空气压缩到10个大气压所需的注射工作计算为每立方米的床中是94.8MJ/M3，或26.6千瓦时。我们之前发现在20℃和227℃之间在10个大气压处100％的高效变温CAES操作实现每立方米994瓦时的能量密度，并且相似的计算示出了当在-40℃和100℃之间在相同的压力下操作时得到每立方米1201瓦时。这些数字接下来可以与从周围压力至10个大气压下的100％高效等温压力变温AA-CAES所实现的相比。在AE-CAES实施例中的沸石粒床的体积能量密度实际上是典型铅酸电池的一半。下面将讨论实践中能够恢复该能量的效率。
比起本身降低箱的成本，使用吸附剂材料三倍改善了存储的每单元能量的成本的原因是：比起相同量的空气被简单地存储在更大的箱并且不适用存在的吸附剂来升高相同量的温度的情况下，由于在放电时吸附剂的温度的增加导致更大部分的空气被放出。确实，对于在相同温度范围和相同压力下不适用存在的吸附剂操作的变温CAES设备的占空比仅是32.5％，而不是上述我们保守估计的对于AE-CAES实施例的80％。当在经济地变化的温度和压力的全部范围已经对NaX吸附的空气量进行详细测量从而能够完全优化设备的成本有利比率时，存储的每单元能量的成本可能会进一步显著地改善。
在讨论AE-CAES实施例的其他部分之前，我们估计由至NaX床的空气吸附而放出的热以及必须从其摄取的热的量将其温度降低140℃。Miller(loc.cit.)已经预测在实施例中利用的负载范围下至NaX的氮气吸附的热是18.87KJ/(mol K)，而氧气的是大约13.09KJ/(mol K)。因而在吸附4.24摩尔的氮气和1.14摩尔的氧气时放出的能量是94.9KJ(KJ＝千焦)。考虑由于我们使用挤压的NaX粒床而导致的降低并如同之前那样假设80％的占空比，得到大约48.6MJ(兆焦)或13.5KWHr/M3(每立方米千瓦时)。这是每立方米能够被存储和恢复的能量的量的大约一半，并且(如同我们能看到的)非常多的超过了通过压缩空气产生的热。尽管E.A.Ustinov(loc.cit.)发现了略低的至NaX的吸附氧气的热并且在10个大气压下跌落至氮气的热，很清楚在AE-CAES的任何合理高效实施例中，大部分吸附热必须被存储和恢复。
然而，吸附热比冷却和重新加热NaX床本身至140℃变温之上所需的显热要小很多。根据如何准备颗粒以及在某种程度上根据温度，床的特定热容量会变化，但是通常在1KJ/(Kgr K)的量级上，这与上述关于颗粒的挤压密度的假设一起表示大约1MJ/(M3K)的体积热容量。用140乘以1MJ/(M3K)并且将其转换为千瓦时得到38.9，这比每立方米将要存储和恢复的能量要大大约50％。幸运地，如同我们将看到的，将NaX床的温度从周围温度升高到100℃所需的相对高级热被容易地恢复，并且当然在空气已经从压力室移除并且引入空气的阀被关闭时不需要保持高温。相似地，将床的温度从周围温度下降到-40℃而必须移除的相对低级热不需要被存储和恢复，因为能够从环境中容易地获得该热并同时对设备放电。我们现在转向AE-CAES实施例中使用的机制以完成所有的上述任务。
现在参考图7和图8示出的示意图，我们首先指出由将图一分为二的空白空间分开的平行虚线用于指示设备的比例是任意的，并且通过如何运输到位以及使用来主要地在实践中确定。然而，仅是为了讨论的目的，在下面我们经常使用兆瓦时作为在每个模块中存储的能量的量。这会需要大约40M3的NaX颗粒(图中的水平-垂直交叉阴影)，这加上包装和温度控制装置会带来将填满两个标准的67.54M3的轮船集装箱的压缩空气存储系统。
如同从图9中看出的，AE-CAES实施例的NaX沸石颗粒1被装在筒2中，筒2具有穿透中空管3，穿透中空管3从每个筒的底部的孔延伸到达筒的另一端。该管允许压缩空气(图中的右上斜阴影)快速从筒的底部的口经过整个长度并同时对AE-CAES设备充电，并当放电时再次返回出来。作为结果，筒的长度不是关键的，但是它们的直径必须足够小以允许从管3的孔中空气快速扩散经过NaX床1到达筒2的表面，以及当吸附空气时产生的热的快速扩散。
主要由于它们是大量生产的并且因而可以低成本地使用，AE-CAES实施例使用与铝罐相似但更长的筒，在铝罐中通常装入例如Coca
Figure BPA00001213375000161
的饮料。铝比钢更贵，但是更容易形成为这样的筒，更加耐腐蚀并且具有更好的热传导性，尽管比起通常的铝罐需要稍微厚的壁以包括10个大气压的压力。这样，在实施例中的筒2的直径将是6.0分米，而通过它们的中心的穿透管3需要内径不大于0.5分米并且由钢制成以提供对挤压的筒的结构支撑。空气和热必须扩散以到达筒的表面的距离因而是大约2.75分米。当然筒的确切直径、制成筒的材料或者包括NaX颗粒的床或其它多孔材料的压力容器的圆筒形式对于本发明都不是重要的。
筒2包含在具有热隔离壁4的室中，该室能够承受适当的压力并且在AE-CAES实施例的变温之上能够被抽空。该室包含热传递流体，该流体接下来用于控制筒2中的压缩空气和NaX床1的温度并且因而实施利用的变温周期。室的几何形状和筒2在室中的布置方式都不重要，但是出于经济的原因，填料必须尽可能地紧密并同时允许热传递流体围绕筒自由地流动。在图9中示出了直径为1.25M的温度控制室，其包含108个筒，每个筒都是1.0M长并且布置在正方形栅格中，点距离0.1M，对于每个室大约是0.25M3的NaX床。会需要160个这样的室莱存储兆瓦时的能量。
在AE-CAES实施例中，将热承载至具有壁4的室以及从具有壁4的室承载热的流体是甲醇。这是在周围压力和-40℃的液体，最低温度到达变温周期之上，而在周围压力和100℃下是气体，到达最高温度。其也具有蒸发的高热，在该温度范围平均是大约36KJ/摩尔，并且其确切沸点能够通过控制具有壁4的室内的压力被设置为-40℃和100℃之间的任意值。特别地，在一个大气压的压力下甲醇的沸点是64.7℃，并且如果我们假设其蒸发热不依赖于压力，我们可以使用Clausius-Clapyron等式来示出在3.6个大气压下其沸点将是100℃，并且在231.5帕斯卡(大约0.2％个大气压)下是-40℃。这些适中的温度和压力允许室的壁4由便宜的玻璃纤维合成物制造，玻璃纤维合成物由耐热酚醛树脂或环氧气树脂形成，耐热酚醛树脂或环氧气树脂也会提供某些需要的热隔离。当然其它实施例也是可以的，其中利用除了甲醇之外的流体来传递热，和/或使用其它的材料用于室的壁4。
当对AE-CAES实施例充电时，液体甲醇(较深的左下斜阴影)被从密封的和热隔离的箱15吸经过控制阀10并且以预定的速率从具有壁4的室4的顶上的喷嘴8喷洒，如图7所示。一部分甲醇蒸发并且通过散布具有喷嘴的排放口9排出室，而剩余的液体甲醇(现在对于室中的压力处于沸点)沿着筒2的侧流下并且同时煮出(boil off)筒2，从而冷却筒2以及包含的NaX床1。由该处理产生的额外的甲醇蒸气(较浅的左下斜阴影)升高并如同前述经过排放口9排出室，同时使得处于室底部的任何液体甲醇流进底部的池6，并从那里返回小的密封保持箱7用于再使用。
相反，当对AE-CAES实施例放电时，关闭阀10，打开另一个控制阀11，并且由于热水(图中的较深的对角交叉阴影)流经箱中的热交换器16而加热存储箱15中的甲醇。结果甲醇蒸气通过箱15的顶上的排放口14排出箱15并且流经管道，该管道引导至具有壁4的室的底部的穿透管5的网络。然后甲醇蒸气升高并且在筒2的表面上冷凝，将蒸气的热以室内的通常压力确定的温度传递到表面。这接下来将NaX床1的温度增加朝向自己的期望值，同时冷凝的液体甲醇再次经过池6流出室并进入保持箱7。简单的正排量泵12然后经过现在打开的阀13将甲醇返回用于再使用，如同图8所示。
当对AE-CAES实施例充电时，经过压缩机19减小具有壁4的室中的压力，在压缩机19中甲醇蒸气从排放口9流动经过阀18，如图7所示。甲醇蒸气以高压和高温退出压缩机19，并且流进热隔离箱20中的热交换器21，在热交换器21处甲醇蒸气被周围压力的水流冷却到大约100℃的温度。然后甲醇蒸气经过压力减小阀24，压力减小阀24允许甲醇蒸气膨胀，进一步冷却和大部分冷凝，并且从那儿经过开口阀17返回存储箱15用于再次使用。以此方式，通过至NaX床1的空气吸附而产生的热被传递到流经箱20的水或蒸汽(图中的对角交叉阴影)。多种压缩机能够用于19，确切的选择是根据下述技术考虑而主要基于经济方面来确定。
为了至沸水的高效热传递，压缩的甲醇蒸气应当具有比例如150℃的温度高很多的温度。具有1.3的甲醇绝热指数，因而在充电处理的早期，当甲醇蒸气进入具有3.6个大气压和100℃温度的压缩机19中时，仅需要将压力增加大约1.7的因数或增加至6.2个大气压。然而，在充电处理的后期，由于在具有壁4的室中的压力和温度分别降到231.5帕斯卡和-40℃，需要将甲醇蒸气压力增加大约13.3的因数，导致仅有0.03个大气压的压力。该冷却系统的性能系数的卡诺限制在具有壁4的室中的温度是100℃的开始时是无限的，但是在降低至-40℃的充电处理的结束时仅是1.66。根据前面在充电中必须从NaX床1移除的大量的显热的讨论，当性能的理论系数降低到大约3时(当NaX床温度到达7℃时发生)，尝试以能够后续用于生成高温的形式存储该热或由吸附放出的较少量的热将不会有利。现在将再次讨论该问题(参考图3和4)。
在描述热接下来的去处之前，我们首先考虑在对AE-CAES实施例充电时将空气压缩到10个大气压的处理，并且同时，很多压缩热被从其中移除。由于它们的高效率，在AE-CAES实施例中，通过串联的两个标准离心压缩机26和28实现，每个压缩机将空气压力增加3.16(10的平方根)的因数。空气过滤器和干燥器25用于在空气进入第一压缩机26之前将微粒物质和水蒸气从空起中移除。使用1.4的空气隔热指数，可以示出每个压缩阶段将会使空气的绝对温度增加1.39的因数，或者从周围温度开始增加至大约141℃。通过热容量处于20.77J/(mol K)的空气恒定体积，在两个阶段之上的热压缩因而是每立方米压缩至10个大气压的周围空气54瓦时，或者是要被存储的总能量的21.6％。
当空气退出两个压缩机26和28中的每个时被冷却。使用泵39将冷水流分别驱动经过在压缩机26和28的出口处的热交换机27和29来实现所述冷却。以此方式，压缩热将水预热，接下来该水被引导经过管道至喷嘴22，如上所述，在喷嘴22处在充电处理的第一半(见图3)水被压缩的甲醇蒸气煮沸。然后在充电处理中，即当甲醇热泵的性能的理论系数已经降低到3或类似等时，压缩机19的压缩比率被降低从而甲醇蒸气被升高至最高100℃。同时，流经空气压缩机26和28的水流速率被增加，从而该水流不被预热很多，最终结果是现在水不被煮沸而是仅被加热并且再循环(如图4所示)。压缩空气本身被引导经过开口阀30至NaX床1，如图7所示。保留在NaX床1中的任何压缩的残留热会接下来在冷却NaX床1的过程中被移除并且也在退出箱20的蒸汽或水中结束。该蒸汽或水因而包含大部分空气压缩和吸附热，以及从NaX床1移除以冷却NaX床1的显热。
在充电处理的第一半(图3)，在排出箱20的蒸汽中包含的高级热用于开动使用NaX水作为自己的吸附剂-被吸附物对的吸附热泵。在联邦德国的Andreas Hauer展示一个开放吸附系统之后，该开放吸附系统被建模，用于通过在晚上将水从NaX释放并且在对于热的需求更大的白天使用水蒸气的再吸附来升级废热而降低加热建筑的成本(见A.Hauer在NATO Sci.Ser.II：Math.，Phys.And Chem.，vol.234，H.O.Paksoy，ed.，Springer，2007的第25章第2节pp409-27的“Thermal Engergy Storage for Sustainable Engergy Consumption”)该开放吸附热泵简单地是热隔离箱40，在实施例中如同之前由耐热玻璃纤维合成物构造，填充具有相似的NaX粒41，但是在形式上不是必须与用由于吸附空气的那些相同。
因而AE-CAES实施例也利用NaX沸石用于本发明的多孔材料中的吸附的第二新应用。然而应当强调许多其它多孔材料(例如硅胶)可用，这些材料还能够用于通过水(或任何其它适当的流体)的释放而泵热。这里使用的水-NaX-被吸附物-吸附剂对是选择的，因为与空气-NaX对相似，被吸附物是便宜的并且是环境友善的，同时吸附剂是公知的，重复的使用不会损坏吸附剂(当适当的粘合剂用于粒时，见G.Storch，G.Reichenauer，F.Scheffler和A.Hauer，Adsorption 14，275，2008)并且吸附剂是商业可用的。水-NaX系统的另外的优势在于这样的事实：当吸附到NaX的水量从30％的重量降低到0％时，至NaX的水蒸气吸附热的微分热从与水的蒸发热的值(或44KJ/摩尔)相近的值增加至该值的两倍。这意味着除了提供将热升级到更高温度的手段之外，热泵的NaX床41也将以潜热形式存储大量的热，即使在放电过程中降低蒸发水所需的热之后。由于至NaX的水蒸气的吸附热比至NaX的空气的吸附热大很多，对于该吸附热泵所需的NaX的量小于吸附空气本身所需的1/4。
再次在充电处理的第一半中(见图3)，来自箱20的蒸汽经过箱的顶上的排出口23至另一个压缩机31，该压缩机31将蒸汽的压力增加2.8倍，并且由于水的隔热指数也是大约1.3，其温度被升高至大约200℃。然后蒸汽经过开口阀32到达热交换器36，在热交换器36处蒸汽被风扇37扇动在热交换器上的大气空气的反向流冷却，在处理中将空气加热到大约150℃的温度。对于该热泵的性能系数的卡诺限制是7.5，应当与在充电处理的第一半的甲醇压缩机19的性能的平均系数可比较。应当注意压缩机19和31所需的能量也作为存储热结束，并且可以接下来被恢复从而弥补系统中其它地方的损失；通过比较，运行风扇37所需的能量不大。
来自热交换器36的热空气流进热隔离箱40并且经过NaX沸石粒41的未受压的床，NaX沸石粒41初始具有重量的约30％是吸附的水(见图10)。热空气升高NaX粒41的温度，使得该水从沸石粒41以水蒸气的形式释放并且在处理中冷却空气。该水蒸气由空气承载经过挤压了NaX粒的容器40并且以在大约40℃的温度的潮湿空气的形式从另一端退出。用于加热进入NaX床41的空气的蒸汽从热交换器36经过压力减小阀38退出，在那里也冷却到水的通常沸点之下很多并且大部分冷凝。由于没有热传递是完整的，该水仍然保持自己进入热交换器时包含的部分热。通过将水返回到其来源的水库43的表面，存储在该显热中包含的能量。
相似地，从NaX床41排出的温度潮湿空气经过冷凝器47，通过泵44的作用将水经过冷凝器47传递。该水从水库43的冷底部流经冷凝器47并且经过开口阀50返回水库43的温暖表面。冷凝热因而相似地被传递到水库的表面水。为了效率的目的使用冷凝热的需要已经由A.Hauer(loc.cit.)强调，并且将冷凝热存储到水库中的选择也已经在更近的专利(US6,820,441)中主张。冷凝的水本身收集在盆49中，并且当AE-CAES实施例被完全充电时可以丢弃或增加到水库43中。
相反，在充电周期的后一半中(见图4)，风扇37被关闭并且容器40被密封，从而潮湿不能渗透地再吸附到包含的NaX床41。替代200℃的蒸汽，在比沸点低很多的温度的热水直接从箱20(在箱20处热水从热压缩的甲醇蒸气拾取热)流经现在的开口阀35(开口阀35旁路通过现在的无源压缩机)并且至水库43的表面而没有进一步的冷却。以此方式，在充电周期的后一半中空气的压缩和吸附产生的热以及NaX床1中剩余的显热也在水库43中结束。下面将描述该热是如何后续被恢复的。
当AE-CAES实施例已经被完全充电时，输入在其中的大部分机械能主要以筒2中的NaX颗粒床1中的吸附空气的形式被存储。如上所述，大约21.6％的该能量也被存储作为热，主要在水库43中。同时，等于存储的能量两倍的能量的量已经以热的形式被从NaX床1摄取，大部分是显热以及较少的但主要由空气的吸附产生的热贡献的热。这些热的大部分将被相似地存储作为水库43中的显热，尽管大量也会被存储作为吸附热泵的NaX床41的潜热和显热。
只要阀30和56保持关闭以存储压缩的和吸附的空气，在放电之前以该形式存储的能量基本上都不会丢失。相似地，只要容器40保持与潮湿密封，在放电之前在NaX床41中存储作为潜热的能量就不会泄漏。如上所示，相当大量的热将会被存储作为水库43中的显热，但是该热从水库泄漏的速率将不会大，因为水和水库的环境之间的温度差异不会大(即使在冷的其后下也比100℃低很多)。另外的较不直接的损失形式是热泄漏进入具有壁4的室，升高其中的NaX床1的温度并迫使一些压缩空气放出以保持压力不升高到筒2能够承受的压力之上。然而，再次，AE-CAES实施例努力通过使用对称地置于普通周围温度之下和之上大约70℃的最小和最大温度来将这些温度差异保持得小。对于这样适当的温度变化程度，标准的低成本隔离(例如聚氨酯泡沫体)应当将由于显热泄漏导致的所有损失在白天的期望存储周期保持在可接受的水平或更低。
当恢复AE-CAES实施例中存储的机械能的时间到来之时，通过关闭阀50并且打开阀51，将来自水库的表面的温暖的水引导经过热交换器16。同时使用风扇37来将周围空气扇动经过吸附热泵的NaX床41，在NaX床41处空气拾取显热，但是拾取不多的潜热，因为不包含很多潮湿以再吸附。该热的一部分被传递到流经出口处的热交换器47的水，然后继续到热交换器16，但是大部分热将和空气一起承载到处于升高的温度的出口室48。通过重新布置出口室48中的挡板，该温暖空气被经过导管52引导至空气涡轮，空气涡轮包括部件53、54和55，如图7和8示意性地所示。其将被用于保持膨胀的压缩空气不冷却，如下将会描述。
同时，流经热交换器16的温暖水煮沸存储箱15中的甲醇，存储箱15初始处于部分大气压的压力下。如上所述，结果甲醇蒸气用于加热包含吸附空气的NaX颗粒床1的筒2。这将吸附的空气以通过控制甲醇蒸气进入具有壁4的室的速率而控制的速率转换为压缩空气。如图8所示，当经过现在打开的阀56释放到具有部件53、54和55的空气涡轮时，该压缩空气也被引导。在图5中说明了在放电处理的第一半中质量和能量流。
当大约一半的存储能量已经被恢复并且受压NaX床1的温度接近周围温度时，阀45被打开以使温暖水从水库43的表面流经蒸发器46，蒸发器46将温暖水作为雾分配在热交换器36上。同时来自水库43的温暖水被泵39驱动经过打开的阀34通过热交换器36，并且通过关闭阀32、33和35防止水到达空气压缩机26和28，从而防止蒸发的水冷却周围的空气。以此方式，来自风扇37的空气在进入未受压NaX床41之前充满水蒸气，并且当经过未受压NaX床时由水蒸气的吸附处理加热。在图6中说明了放电处理的第二半中的质量和能量流。当然例如46的简单蒸发器对于本发明不是重要的，并且如果期望的话能够容易地由叶轮或超声增湿器替代。
A.Hauer(loc.cit.)已经示出空气将在最高100℃的温度退出吸附热泵容器40的最远端。此时，其包含的部分热将经过热交换器47传递到来自水库43的表面的温暖水的相反水流，当放电处理进行时将该水流逐渐加热至100℃。这会将箱15中产生的甲醇蒸气的温度和压力升高至更高的水平，从而在放电处理的末尾将筒2中的NaX床1加热到100℃。同时，流经热交换器36的水已经被冷却并且返回水库43的底部以在下次对设备充电时使用。
通过在放电过程中使空气以与热空气经过的方向近似相反的方向经过未受压NaX床以在充电过程中将潮湿从未受压NaX床释放，AE-CAES实施例的效率也被改善。这增加了效率，因为否则的话由在放电处理的第一半中进入床的空气拾取的某些显热，或由来自第二半中的空气的潮湿的吸附产生的某些显热，在到达远端之前会损失至冷却器和/或比较不干燥的NaX床。该近似流反转由内部挡板42的系统实现，在图中以深实线示出，被布置使得在充电过程中空气通过床的中央进入近端，但是退出周围附近的远端，并且在放电过程中被重新布置使得空气进入近端的周围但通过远端的中央退出，如图7和8示意性地示出(还可参见图10)。当然其它实施例也是可以的，其中远端包括第二风扇，使得空气采用返回NaX床41的确切相反路径，同时在对设备放电时热交换器36和37的角色互换。
最后，我们描述进入出口室48和经过导管52传递的温暖空气是如何用于加热来自NaX床1的膨胀压缩空气并因而通过放电处理的第一半和第二半恢复压缩热。包括图7和图8所示的标记为53、54和55的部件的空气涡轮被设计使得进入空气涡轮的压缩空气流膨胀并加速通过文丘管，该文丘管具有沿着自己的长度平行设置的扭曲风向标(见图11)。这产生了漩涡，漩涡产生其后的真空，该真空接下来从导管52经过在叶片53略上风处的静态页面54的较大直径孔汲取温暖空气。温暖空气的该第二漩涡与来自叶片53的冷膨胀空气的漩涡融和并且通过该处理快速地和完全地与其混合。该涡轮后面的原理实际上与近来USPTO公开号2008/023957A1中揭示的混合器-喷射器风涡轮设计相似。现在快速运动的空气漩涡击中空气涡轮转子55的叶片并因而将存储在压缩空气中的能量和存储作为机械形式的热的部分能量转换用于外部使用。当然许多其它设备可用，例如往复空气马达，在各种可选实施例中通过这些设备可以将热和压缩空气转换为机械能，尽管这些通常没有上述的混合器-喷射器空气涡轮效率高。
假设AE-CAES实施例在6个小时的周期以恒定速率放出1兆瓦时的能量，并且在处理中压缩空气被加热回周围温度，压缩空气必须以在周围温度和压力处测量的大约每小时700M3的流速被放出。压缩空气的实际温度将从-40℃开始并且在6个小时的周期逐渐升高到接近100℃，并且在任何给定压力下在-40℃的空气的密度是在100℃的空气的密度的1.6倍。因而在10个大气压下的空气必须在放电周期的开始以每小时54M3的速率被放出，并且在结束时以86M3的速率被放出。在隔热情况下，空气在放电周期开始时将膨胀到-152℃并且在结束时膨胀到-80℃，这接下来将由于压缩空气的放出导致的流分别降低到每小时283M3和454M3。为了将那些温度的空气返回周围温度，必须混合8.87和5.52倍在45℃(通过导管52进入空气涡轮的空气的近似温度)的温度下相同质量的空气。经过导管的45℃的空气的所需流速因而在6个小时的放电周期从6628M3至3920M3变化。
使用7000千克NaX颗粒床，A.Hauer(loc.cit.)能够也是在6个小时的周期将每小时6000的空气流加热到120℃和100℃之间，这对应于120千瓦的热。由于仅21.6％的能量被存储作为热，因而对于1兆瓦时在假设的6个小时的放电周期涡轮将需要大约0.216×1000/6＝36千瓦的热。在放电处理的早期，不需要将甲醇加热很多，因而流经NaX颗粒床41的未加湿空气的速率能够保持地相对高，并且能够以高速将水泵经过热交换器47。结果空气将以低于上述假设的45℃的某一温度进入导管52，但是其进入涡轮的流速也会大于上述在45℃处发现的每小时6628M3。在放电过程中，泵44被减速从而在放电周期的末尾，排出交换器47的水的温度到达经过热交换器47的水温，或100℃。同时，加湿空气流经NaX颗粒床41的速率被逐渐降低，从而在放电处理的末尾附近，通过导管52进入涡轮的空气的温度将大于45℃，而流速也将小于上述在45℃估计的每小时3920M3。
应当清楚理解，AE-CAES实施例的全部部件已经先前在公开的工程文献中证明，尽管与在这里采用它们的目的非常不同。这些部件包括水-NaX吸附热泵、以吸附形式存储压缩空气的NaX沸石床以及基于混合器-喷射器原理的先进空气涡轮。将这些部件一起放入可操作AE-CAES设备所需的仅有的重要额外工程是开发使它们同步工作所需的控制系统，如上所述。特别地，在充电和放电过程中具有壁4的室中的压力以及甲醇进入该室的速率必须被调节从而与压缩机26和28产生压缩空气的速率或者分别将空气馈送至包括标记为53、54和55的部件的涡轮的速率相同，压缩空气被转换为吸附空气或者从吸附空气转换至压缩空气，从而将筒2中的气体空气的压力保持为一直近似恒定。尽管该任务不是不重要的，该任务也是由本领域技术人员能够实现的化学处理工程中的理想标准系统集成问题。
对于机械和化学工程的技术人员将显而易见对于AE-CAES实施例的机械和流体部件以及采用的材料具有各种替代，选择这些只是为了说明通过使用吸附剂来帮助压缩空气和热的存储以及互补变温周期获得的优势。由于在计算AE-CAES设备的总体效率时运行泵和压缩机所需的能量必须从放出的能量中减去，所以完全可能通过这样的替代来得到对于实施例的适当改善，尽管这样的替代必须符合上述给出的卡诺限制。特别地应当注意，我们没有说驱动压缩机19、26、28和31的动力是从哪里来的，或者包括部件53、54和55的空气涡轮所产生的机械能用于什么。通常压缩机由电动马达驱动，但是在煤炭或核动力工厂，比起先将来自涡轮的机械能转换为电能并且然后在压缩机中转换回机械能，直接驱动压缩机将更加经济，例如通过来自动力工厂的蒸汽涡轮的液压系统。当然，对于安装在风涡轮电场的AE-CAES设备也是这样。相似地，在有的情况下，比起产生电能，使用在对AE-CAES设备放电时放出的压缩空气会更加经济。
对于先进隔热CAES或热能量存储领域的技术人员将更加显而易见：AE-CAES设备和/或变温CAES设备也能够采用多种其它已有化学处理而不必与发明人的意图在材料上存在偏差。例如，实施例的水-NaX热泵40和41能够基于其它被吸附物-吸附剂对，在液体介质中的气体吸附或者甚至可以由多种固体-液体相变材料代替，这些也能够以潜热形式存储热。还可以通过同种方式用废热恢复或热能量获得补充或整个代替热存储系统。如果例如AE-CAES设备产生热作为副产品的动力工厂(例如煤炭或核动力工厂)，该热能够用于再加热膨胀空气和/或用于空气的吸附剂。可选地，无源太阳热收集器也可以很好地产生当对安装例如用于风涡轮电场的AE-CAES设备放电时需要的适当的温度。主要一点在于在放电过程中AE-CAES设备的任何部件使用的热不需要已经由对其充电时的反处理产生。
由于适当的便宜热源，也可以使用该热源来在存储或放电周期再生吸附剂冷冻系统，这可以替代实施例的蒸气压缩冷冻系统来冷却NaX床并同时在充电周期中吸附空气。在当需要时这样的环境热源并不总是可用的情况下，当可用时该热与当对设备充电时产生的热一起可以被存储作为显热或潜热形式，并且用于弥补由于不完全热传递导致的任何能量损失。也可以减小对于高占空比所需的变温的大小，并且因而通过使用温度和压力变温的一些组合替代上述AE-CAES实施例中的纯变温，必须将热量从用于空气的吸附剂中摄取和返回至用于空气的吸附剂。发明人理解所有的这些变化能够极大地改善在许多不同的潜在应用中AE-CAES设备的建造和/或操作的经济性。

Claims (16)

1.一种能量存储设备，包括：
多孔材料，用于吸附空气；
压缩机，其中所述压缩机将机械能转换为受压空气和热，其中所述受压空气由所述多孔材料冷却和吸附；
箱，用于存储受压和吸附的空气；
马达，所述马达被驱动以通过允许所述空气在驱动马达时被释放和膨胀来恢复存储作为压缩和吸附的空气的能量。
2.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中所述受压空气被冷却，并且被冷却的空气由所述多孔材料吸附。
3.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中所述多孔材料对所述受压空气的吸附产生热，同时控制所述多孔材料和周围空气的温度使得在吸附处理过程中压力保持基本恒定。
4.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中当用于空气的吸附剂的温度到达其最小值时，在所述能量存储设备中存储作为压缩和吸附的空气的能量的量被最大化。
5.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中当用于空气的吸附剂的温度到达其最大值时，在所述能量存储设备中存储作为压缩和吸附的空气的能量的量达到其最小值。
6.根据权利要求1所述的能量存储设备，其中所述马达是涡轮。
7.一种能量存储设备，包括：
多孔材料，其中已经吸附了适当的流体；
压缩机，将机械能转换为受压空气和热；
电池，其中通过允许所述热流经所述电池来冷却所述受压空气，其中所述热被传送到已经吸附了流体的所述多孔材料；
其中所述热升高所述多孔材料的温度，使流体从所述多孔材料释放。
8.根据权利要求7所述的能量存储设备，其中当释放所得到的蒸气时，已经以潜热形式存储所述热。
9.根据权利要求7所述的能量存储设备，其中在所述蒸气冷凝时所释放的热被存储在吸热设备中，并且通过使用热来蒸发所述适当的流体而恢复所述热。
10.根据权利要求8所述的能量存储设备，其中所得到的蒸气被带回与所述多孔材料接触并由所述多孔材料再吸附，所述潜热被转回显热形式，并且经过所述电池被传送回使得膨胀空气不进一步冷却的地方。
11.根据权利要求7所述的能量存储设备，其中通过使用马达将所述热转换为更高的空气压力，并且将所述受压空气中的能量恢复。
12.根据权利要求11所述的能量存储设备，其中所述马达是基于混合器-喷射器原理的空气涡轮。
13.一种能量存储设备，包括：
多孔材料，用于吸附空气；
热能存储系统，用于存储热；
压缩机，用于将机械能转换为受压空气和热；其中所述受压空气由所述多孔材料冷却和吸附；
其中通过允许所述热流经防止受压和吸附的空气泄漏的电池，控制所述多孔材料和周围空气的温度；
热能存储系统，其中所述热被引导至所述热能系统并在所述热能系统中存储；以及
箱，用于存储受压和吸附的空气，并且当需要时通过允许空气释放和膨胀来恢复所述箱所包含的能量。
14.根据权利要求13所述的能量存储设备，其中所述热以显热形式存储。
15.根据权利要求13所述的能量存储设备，其中所述热以潜热形式存储。
16.根据权利要求13所述的能量存储设备，其中释放和膨胀冷却所述空气和所述多孔材料，使得显热经过所述电池从所述热能存储系统流回。
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