CN104919144A - 使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式三联产系统的微电网组合的冷却、加热和供电 - Google Patents

Abstract

所提供的是组合基于消费者到工业规模的能量三联产过程的微电网的冷却、加热和供电。本发明包括用于电能、化学能和热能的转换、处理、提取和/或储存系统。本发明提供典型的可再生能量生态系统，其包括：重要的能量生成；热力加热和冷却过程，其利用所安装以涵盖分布式可再生能量生成的一体式组件；能量储存；以及一体式自动化系统。本发明的自动化系统提供观察、监测、分析、控制系统组件并与之交互的能力。

Description

使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式三联产系统的微电网组合的冷却、加热和供电

相关申请的交叉引用

本申请要求来自以下申请的优先权：2012年11月15日提交的题为“混合式风力太阳能氢氨再生成系统”(“HYBRID WIND SOLAR HYDROGENAMMONIA REGENERATE SYSTEM”)的美国临时申请SN.61/727,108；2013年7月29日提交的题为“分布式混合能量生成、储存系统以及一体式监测、分析和控制系统”(“DISTRIBUTED HYBRID ENERGY GENERATION,STORAGE SYTEM AND INTEGRATED MONITOR,ANALYSIS ANDCONTROL SYSTEM”)的美国临时申请SN.61/859,377；2013年9月13日提交的题为“分布式混合能量生成、储存系统以及一体式监测、分析和控制系统”(“DISTRIBUTED HYBRID ENERGY GENERATION,STORAGE SYTEMAND INTEGRATED MONITOR,ANALYSIS AND CONTROL SYSTEM”)的美国临时申请SN.61/877,467；2013年10月3日提交的题为“使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式太阳能三联产系统的微电网CCHP”(“HYBRID SOLAR TRIGENERATIONSYSTEM BASED MICROGRID CCHP PROVIDING HEATING,COOLING,ELECTRICAL GENERATION AND ENERGY STORAGE USING ANINTEGRATED AUTOMATION SYSTEM FOR MONITOR,ANALYSIS ANDCONTROL”)的美国临时申请SN.61/886,213；以及2013年10月26日提交的题为“使用用于监测、分析和控制的一体式自动化系统来提供加热、冷却、发电和能量储存的基于混合式三联产系统的微电网CCHP”(“HYBRIDTRIGENERATION SYSTEM BASED MICROGRID CCHP PROVIDINGHEATING,COOLING,ELECTRICAL GENERATION AND ENERGY STORAGEUSING AN INTEGRATED AUTOMATION SYSTEM FOR MONITOR,ANALYSIS AND CONTROL”)的美国临时申请SN.61/896,039。美国临时申请SN.61/727,108、美国临时申请SN.61/859,377、美国临时申请SN.61/877,467、美国临时申请SN.61/886,213和美国临时申请SN.61/896,039的内容通过引用被整体结合在此。

技术领域

本发明涉及捕捉和转换能量的过程以及监测所述过程。更具体地说，本发明涉及包含分布式能量生成(包括混合式风能和太阳能生成)、能量转移、能量转换、能量储存、能量供应、提供能量监测、分析并建立自动化对接/控制的智能软件和硬件接口的元件。

背景技术

风轮机、太阳能发电机、热太阳能、光伏(有时称为“PV”)太阳能、化学、电解器、哈伯/博施(Haber/Bosch)过程和热能储存在现有技术中是已知的。此外，在用于提供能量生成以满足能量需求的各种设计和配置中使用各种类型的燃料、化学和热源的斯特林(Stirling)应用和过程、冷冻器、制冷、加热、冷却、空气调节、水加热、蒸馏、水净化和脱盐系统、变压吸附和电力再生是现有技术中已知的。然而，特别是当在物理上部署所述系统，一般不将所述系统规划、建立和/或精心安排为一体式系统环境中的子系统以得益于更高的效率时，包括以上那些的现有技术的系统和设备具有缺点。一般而言，规划现有系统以利用效率基础部署为具有低于标准的(subpar)系统设计性能的独立设备。现有技术的部署需要更高的部件计数、增加的制造成本、增加的组装成本、增加的运输成本、增加的子部件计数以及具有所需的更大定制部件库存的更昂贵的部件。此外，现有系统需要重叠和复制的子系统、频繁的问题维护和修理成本、升级化的能量和产品生产成本。这些转而导致更高的操作花费、电网能量连接问题和传输线损失。

现有技术的智能电网设计主要使用消费者连接上的智能电表来监测使用。对现有技术的智能电网实现进行改进，则经由监测使用、通过设备数据传输、手动消费输入以及通过其常见的电信号指纹来标识能量使用源，得以实行本发明。本发明进一步储存简档数据集，对来自所提取的使用简档的适当的能量假设进行响应，分析增强的能量负载响应的白天使用，并且分析电力质量和能量可用性来增强总的电网稳定性。用于通过为本申请中的本发明的最终使用要求和控制元件提供补偿来满足电网稳定性的电子监测、标识、能量生成、基本负载能量负荷响应和能量供应自此应当是已知的，并且通过以上针对特征和功能的元件将其指定为被称为ULTRAGRID^TM(“超级电网^TM”)的系统。

联产(cogeneration)或组合式供热发电(“CHP”)是使用热机或局部化电站以同时生成电力和有用的热。三联产(trigeneration)或组合式冷却、供热和发电(“CCHP”)是指通过可用的过程和应用，同时生成电力、有用的加热和冷却。产生电力、加热和冷却的生成系统被称为三联产工厂或多联产(polygeneration)工厂。

联产是以热力学高效的方式来使用燃料。在分开的电力生产中，必须丢弃一些能量作为废热，但是在联产中，该热能被投入使用。所有的热电厂在发电期间都排热，可通过冷却塔、烟道气或由其他方式将热释放到自然环境中。

相比之下，CHP捕捉副产物热中的一些或全部，以便要么非常接近工厂来加热，要么作为作为热水或水和乙二醇混合物来加热，用于具有范围从大约80到180℃(176–356°F)的温度的相关联的邻区辐射的和/或区域加热。这也被称为组合式热电区域加热(“CHPDH”)。小型CHP工厂是非集中式的分布式能量的示例。也可将容易得到的中等温度(100–180℃、212–356°F)的废热能用于利用冷冻器(chiller)和制冷器(refrigerator)的吸收冷却过程，以用于主动式冷却使用、辐射冷却应用和冷能储存。

高温热能的供给主要将驱动热密集型应用(诸如，为斯特林循环发动机或蒸汽发电机提供热能输入)，然后，如在联产中所述，将所得到的较低温度的热废能用于蒸馏、水或辐射空间加热。三联产与联产不同，因为通常利用吸收冷冻器或制冷器，将热废能用于加热和冷却两者。CCHP系统能获得比联产发电厂或传统发电厂甚至更高的总体效率。在美国，将建筑中的三联产应用称为建筑供冷、供热和供电(“BCHP”)。无论是直接的还是通过被动式辐射的加热和冷却，加热和冷却输出都可同时操作，或替代地可取决于需求和系统构造以及可用的废能的数量和质量进行操作。

在最早的发电装置中的一些装置中实施了联产。在中心站提供分布式供电之前，工业企业使用用于工艺加热的废蒸汽来生成其自身的能量。大型办公楼和公寓楼、酒店和商店通常生成其自身的电力，并且将废蒸汽用于建筑供热。由于早期采购电力的高成本，即便在公用事业电可用之后，这些分布式CHP操作继续持续了许多年。

经常将微型CCHP或“微型三联产”认为是分布式能源(“DER”)的理想实现方式。在住房、小型商业和/或轻型商贸应用中，该装置一般小于5kWe。代替燃烧燃料或使用能量捕捉系统而仅加热或冷却空间或水，这些能量中的一些除了被转换为直接加热、冷却或被动式辐射加热和冷却之外，还被转换为电力。可在家中或企业里使用该电力，或者如果经电网管理部门许可，可将该电力回售给电力电网。小规模CCHP系统的发展已为内部(in-house)能量生成提供了机会，该内部能量生成默认仅在储存量耗尽时才将电网能量用作作为最后手段的备用电源。

微电网(microgrid)是对发电、能量储存和一般连接到传统的集中式电网(宏电网(macrogrid))进行操作的负载的局部化分组。可断开通常与宏电网耦合的该单个点的连接。然后，该微电网可自主地运行。通常以低电压连接发电和微电网中的负载。从电网运营商的角度看，能以好像所连接的微电网是一个实体那样来控制它。微电网生成资源可包括燃料电池、风力、太阳能或其他能源。多个散布的生成源和将微电网从更大的网络隔离开的能力将提供高度可靠的电力。可将从诸如斯特林循环发动机之类的生成源中产生的热用于局部的直接工艺加热和冷却或被动式辐射空间加热和冷却，从而允许在提供加热、冷却和电力的需求和可用方法之间的灵活互换。

斯特林循环热机由金属和/或类似特性的材料制成。斯特林循环热机具有：压缩侧，也被称为压缩侧汽缸，其具有使用围绕容器的液体冷却端口的用于压缩的动力活塞；以及置换器(displacer)侧，也被称为热侧容器，其具有所连接的热源并且包括再生器和具有活塞的置换器。热差是斯特林循环能量生成的基础。现有技术的系统和过程使用空气冷却或利用风扇伴随环境空气的普通热分布系统型水冷却来将热从系统的压缩侧辐射出去。

斯特林循环热机是内燃机、蒸汽轮机和燃气轮机的替代发动机设计。已开发了并在现有技术中详细记载了斯特林热机的多种设计。尽管斯特林循环热机具有相比于内燃机获得更大的热力学效率的卡诺(Carnot)势，但是在过去，斯特林热机仅很少地被使用并用于非常有限的应用中。这是由于在最初研究的几年期间经常发生的若干因素，诸如，缺乏专业化的制造能力、缺乏特殊的金属和合金、设计的复杂性、便宜的一次性能量输入、在用于运输时相对于斯特林循环热机的内燃的可用能量类型、每能量单位扭矩转动能输出的发动机毛重以及过去启动热机的困难。

理想的斯特林循环包括作用于工作流体的以下三个热力学过程：1)等温膨胀——以恒定的高热温维持膨胀空间和相关联的热交换器，并且气体经历从热源吸收热的近似等温膨胀；2)恒容(也被称为等容或等体积)热去除——使气体经过再生器(气体在其中冷却)，从而将热能转移到再生器以供在下一循环中使用；以及3)等温压缩——以恒定的低热温度维持压缩空间和相关联的热交换器，使得气体经历将热排到冷散热器(cold sink)的近似等温压缩。理论上的热效率等于假设的卡诺循环的热效率——即，可由任何热机达到的最高效率。

α、β和γ型斯特林发动机是本领域中公知的。γ型斯特林发动机仅仅是其中在置换器活塞汽缸旁边的分开的汽缸中装载动力活塞的β型斯特林发动机。然而，它仍然连接到同一个飞轮和曲轴。在两个汽缸中的气体能在这两个汽缸之间自由流动，并且保持为单体。该配置一般产生低压缩比，但在机械上更简单，并且经常用于多汽缸斯特林发动机。

γ型发动机具有类似于β型发动机、但在不同的汽缸中的置换器和动力活塞。这允许在与置换器汽缸相关联的热交换器和与活塞相关联的压缩和膨胀工作空间之间进行方便的完全分离。由此，它们趋向于具有比α型发动机或β型发动机稍大的死体积区。在多汽缸斯特林循环发动机中，按排(row)设置汽缸，一排中的多个汽缸相对于另一排中的多个汽缸交错，并且以相对于另一排中的多个汽缸的纵轴的角度来设置第一排中的多个汽缸的纵轴。

通常使用风能技术将来自风力的动能转换为机械能和/或电力。为了提取风力，风轮机可包括具有一组叶片和连接到这些叶片的转轴的转子。风经过转子连接的叶片使这些叶片转动，并使转轴旋转。此外，可将旋转的转轴耦合至执行诸如用泵抽水、大气气体分离压缩机等的机械任务的机械系统。或者，可将该转轴连接到将转动能转换为电力的发电机；随后可使用其对消费者、商业、工业设备和/或电网供电。

通常使用太阳能技术将来自太阳的辐射光能转换为热能和/或光伏电力。为了提取太阳能功率，使用收集表面和/或反射器(就像利用用于将太阳能集中在上述太阳能收集器表面上的热太阳能技术的情况)，使得到达收集表面的太阳能被转换为光伏生成的电能或作为热生成的热供直接使用、转移和/或储存。然而，风多变的性质和太阳能的可用性可能妨碍基本负载和/或按需生成电力、从风能和太阳能中生成的产物和副产物。例如，可能需要使用化学和热技术的能量储存来补偿从风力和太阳能生成的电力、产物和副产物的波动，并且/或者在私有和公共的电网中维持可靠的电力/热能供应服务。

通常将电解器技术用于使用置于基于水的导电混合物中以分离氢和氧的电极来转换电能。该过程使用电解液添加剂来增强导电性。为了将水分离为分开的部分，给予一对阳极和阴极对应的正电压和负电压以分离氢和氧，然后将被分开的气体移动到储存设备或向前移动以对附加产物进行进一步的处理。哈伯-博施(Haber-Bosch)法是用于生产氨的技术。伴随着压力容器中足够的压强和热输入，先前储存的氢与氮(来源于处理空气变压吸附)进行催化反应以形成合成的无水液氨。该过程也称为氨合成循环(也被称为哈伯-博施过程)：3H₂+N₂＝2NH₃。现有技术的哈伯-博施氨合成工厂使用所生成的热用于氢气和氮气的合成，它们被组合，然后使用冷却塔冷却它们以冷却生成大量可用热能的氨。现有技术使用附加能量来去除热以冷却氨，以便进行储存，进一步传递了效率损失并提高了产品成本。

变压吸附(有时被称为“PSA”)是用于使用气体产物专用的过滤器和筛在根据分子特性的压强下将特定气体从气体混合物中分离出来的技术。通常使用大气气体收集、增压、分离来提取诸如氮、氧之类的感兴趣的特定气体，并为进一步步骤中的惰性气体分离提供气体给料(feedstock)供给。用于气体分离的大气惰性给料气体通常使用热蒸馏过程来提取感兴趣的单一气体，诸如，氩、氦、氙和其他公知的大气气体。具有特定气体专用的气体提取部分的气体对于各种应用是有意义的，并且可运输它们并将它们处理为气态，并重新处理为适于合适类型的储存系统的液态。

当前的现有技术(也被称为直接太阳热能发电技术)具有以下劣势：

1.大空间要求或有限的反射器表面/地表面比率。这对于设计成用于使邻近的反射器的重叠-遮蔽(overlapping-shadowing)效应(阻挡了入射或反射阳光)最小化的系统是典型的。可针对一年仅发生一次(或对于昼夜平分点发生两次)的太阳在天空中的特定位置来优化反射器面板排之间的距离及其取向。为了最大限度地利用反射器面板表面，使这些排在其间留有相当大的间隔。按这种方法，对于给定的热输出所需的场地范围变大。大场地则导致大范围的以及昂贵的管道系统和其他服务基础设施。

2.每直线长度单位镜面的有限的反射能量。这对于设计成用于使反射器场地的面积最小化的系统是典型的。在这种情况下，经常使反射器排接近于彼此而均匀地留有间隔。由于上述的重叠-遮蔽效应，这些系统具有低的反射器面积利用。

3.有限的季节性能量。这对于所有已知的系统(包括浮式、旋转式“太阳能岛”概念)都是典型的。该劣势来自反射器相对于收集器的固定位置。即便位置经优化，镜面的该固定位置也仅对一年中的单个小时是理想的。然而，对于一年中的其余时间，这些镜面将需要在反射器之间的不同的经优化的分布。

4.降低的收集器和/或吸收体效率。已知的收集器系统要么具有高的热损失，要么具有不佳的辐射捕捉效率。热损失是由高表面温度和高入射辐射通量导致的。低效的收集和/或吸收体效率的根本原因是将镜面聚焦在到吸收体的相对大的距离上的不精确。例如，收集器和/或吸收体的活动的吸收体表面必须受限(限制为最优值)。此外，反射器面板到接收反射辐射的最近的收集器的距离需要保持为小的，以便能够捕捉最佳的可用阳光能量。

5.工作流体回路系统的有限的液压稳定性、差的调节比(turndown ratio)和不足的可控性。作为在大面积和大距离上延伸的水平吸收体管道系统的结果，现有技术的系统具有非常大的压强损失以及对热转移的稳定性和蒸汽质量的无效控制。它们具有有限的防冻保护或没有防冻保护，并且易于形成高速液击(fluid-hammer)。

6.构造的高成本和复杂性。虽然一般而言LFR技术或具体而言紧凑型LFR技术相比其他技术是最简单和最具有成本效益的，但是其安装成本仍然很高，并且留有显著改进的空间。

可经由高温和/或中温下的热能转移流体来提供热能储存(“TES”)，该高温和/或中温生成于太阳能热、电和/或化学反应收集器系统和/或生成于用于转移到冷温的热能储存器中的诸如单效和多效冷却之类的冷却系统、冷冻器和制冷系统中的转换。此外，可经由来自加热和/或冷却元件的转移或其他导出的应用过程来生成热能，以便发起去往介质的热传输，并且附加地作为电能到热能的储存技术的方法。通过TES系统用泵抽热转移流体以直接用作服务的热能产生(即，提供用于空间加热、水加热器或其他热密集型应用的热能)，使按需的热能可用。经由(1)去往诸如斯特林发动机和/或蒸汽轮机的流体；(2)热密集型应用的使用；和/或(3)经过用于废热能的储存和重新使用的次级热转移液体，可进行该过程。

电网备用能量储备(也被称为电网规模的能量储存)是指用于在消费者的能量电力电网内以消费者电网规模储存能量的方法。在来自能量生成组件的产出超出局部化能量消耗的时间期间储存能量，并且在消耗超出可用的基本负载产出时或建立更高的基线能量要求时使用这些储存。按此方式，不需要剧烈地按比例放大和缩小能量生产来符合瞬时的消耗要求；以更加持续稳定的水平来维持生产水平，并具有改善的能量质量。这具有能以恒定的生产水平来高效并容易地操作基于能量储存的发电厂和/或热能的优势。

具体而言，使用电网连接的间歇性能源(诸如，光伏太阳能和热太阳能)和风轮机可从电网能源热储存中获益。来源于太阳能和风力源的能量本质上固有地是多变的，意味着电能的量随时间、随一周中的一天，随发生在天气的多变性中的季节和随机环境因素等发生改变。在电力电网和/或具有能量储存器的热密集型系统中，依赖于从风力和太阳能中所生成的能量的能源必须已经匹配电网规模的能量储存再生以被按比例放大和缩小，从而匹配来自间歇性能源的能量产生的涨落。因此，电网能量储存是消费者可使用以使局部化能量生产适于响应按需的局部化能量消耗的方法，局部化能量生产和按需的局部化能量消耗两者都可能随时间变化。这样做是为了提高能量生产的效率并降低能量生产的成本和/或整合并促进对间歇性能源的使用。

在最常见情况下，热能储存将熔融的盐混合物用作高温转移和储存介质，该介质用于储存由太阳能收集系统或由电力生成的热储存注入所收集的热。在能量生成可用性不足期间或在极端天气事件期间，可使用储存的能量来发电或向应用和过程提供热能。已预测了多于一年时间的99％的热效率。TES系统已示出，使用增强型能量恢复系统，供储存的电力输入(electricity-in)到电力输出(electricity-out)(往返)效率在75％到93％的范围内。

因此，需要创建缓和与主要由来自风力、光伏太阳能、热太阳能和其他可再生能源的能量组成的能量的稳定的高质量发电相关联的多变性和/或间歇性的机制。此外，不存在来自热太阳能收集的足够的太阳能发电以获得热能可用性。

发明内容

当前的多个实施例涉及用于局部化分布式能量生成和能量储存的技术。此外，当前的多个实施例涉及热太阳能系统，其用于热能生成，并且使用储存的热能和/或化学能和电能，以便随后按需生成电能和热能，以用于热型和冷却型的热能密集型应用。另外，当前的多个实施例允许整合基本上由生成电能、化学能和热能组成的其他能量生成装置和储存系统。

当前的多个实施例涉及利用互补式共享计算机化的数据系统的能量生成、处理和能量储存，该系统使用进入多个元件子系统的共同数据接口，并且将主干网与交互式人工智能控制和管理系统互连。该系统基于过去的使用和智能预测的能量生成需求来提供智能的能量供应。这包括与高级功能相互作用，这些高级功能诸如监视系统、安全系统和对其他制造者的归属地和设备控制(包括硬件和/或软件)的兼容性和连接性。构想了本发明用作完全一体化的分布式可再生能量生态系统，其用于灵活的经互连的能量系统解决方案，该解决方案提供能量生成以用于发电、用于热储存的热能和热密集型消费者使用。

本发明的多个实施例将引进并延伸人工智能对接的组件层。所述层包括但不限于建筑和设备自动化系统，其利用基于硬件和基于软件的电力监测、分析和控制系统，以便进行增强型电力质量分析、能量成本跟踪、能量需求控制、自动化计费和报告。主要目的是为了实现相对于短期较不高效的替代方案的长期高效率和成本节省。优选实施例包含智能接口，其互连监测、分析和控制元件以改善可靠性、管理能量流、允许消费者增加的产量、降低成本并减少服务损失。

太阳能PV、热和CCHP混合系统是本发明的一体化的基础，并且具有相比先前的电力和加热系统彻底地减少能量浪费的巨大潜力。此外，本发明允许大大扩展对太阳能PV和热混合装置的共享。为了减少由于过度的热而造成的浪费，提出吸收冷却器以利用CCHP生产的热能，以进行来自太阳能PV、热-CCHP系统生成和储存的冷却。三联产太阳能、PV和热系统具有相比于直接按需供电、加热和冷却的常规源节约甚至更多能量并进一步减少排放的潜力。本发明的混合方面在于多个输入、多个输出以及所包括的对高温(hightemperature)、中温(medium temperature)、低温(low temperature)和冷温(coldtemperature)热储存的储存。

本发明的一个实施例使用斯特林循环热机。该实施例的斯特林发动机涉及使用外部高温输入和异常冷的温度的外部低温输入，从而造成了大得多的程度的温差。更大的温差允许实现更多的能量输出，而不需要提高高温输入，并且没有其隐含的现有技术所展现的转移损失、金属疲劳和腐蚀以及较低的系统寿命预期的问题。

例如，426.67℃(大约800°F)的高温输入和标准装置的冷却温度(夏天37.78℃(大约100°F)的环境空气样本温度)将创造388.89℃(大约700°F)的差。然而，凭借本发明的改进方面，使用426.67℃(大约800°F)的相同的估计的高温输入但却使用来自来自冷储存的-28.89(大约-20°F)的低温输入创造了455.56℃(大约820°F)的差；由此，随着整个系统以更冷却的方式运行，提供了大得多得功率输出、效率和更长的寿命，而没有提升高温输入以获取相同的温差的消极后果。

本发明利用由多个同样的定位构建组成的斯特林发动机以使内部容器和外部容器稳定。也构想此以允许对以线性、直排式(inline)“V”、双“V”、“W”和/或径向汽缸机布局的形式来定位对齐方式。通过提供在置换器汽缸和压缩汽缸之间延伸的同样的定位构件，获取了紧固的构造，其允许内部容器和外部容器彼此加固，因此允许使用薄壁容器，并且在降低对斯特林循环热机的重量和材料要求的同时改善热效率。

由于热太阳能对于对用于按需使用的储存的热输入经常是足够的，因此，斯特林发动机对储存的热能的使用主要用于转动能来发电和/或其他转动能密集型应用。包括风能或光伏太阳能将主要是为了创造用于局部化消耗的电能，而过剩的发电转移到热储存或潜在的公共电网供应。能以接近93％的效率将过剩的或峰值发电储存为热能。

本发明的一个实施例构想了太阳能主能量生成源，其具有热太阳能组件和光伏(PV)组件两者。鉴于每瓦PV的成本和效率，包括PV主要是为了对电池充电以用于传感器、太阳跟踪定位器电机148的能量供应，以及用于对热捕捉流控制阀系统供电。PV电力的其他功能将是操作用于控制、分析和监测系统的局部化PLC或计算机。

热太阳能系统具有两个分开的温度回路：由大约565.56℃(1050°F)的高温熔融盐流体组成的高温回路和由大约110℃(230°F)的中温水/乙二醇混合物流体组成的次级回路。为中温流体的所构想的比例为40％水：60％乙二醇的混合物。将本发明的高温和中温流体转移到它们相关联的温度储存容器，以供按需使用。

高温储存容器包括但不限于以下共同目的：1)提供对氨(NH₃)过程(NH₃合成或用于氢(H₂)和氮(N₂)分离的NH₃裂化)的热输入；2)提供对斯特林发动机的热输入以获得转动功；3)提供转动功以生成电力输出；4)提供转动功以操作变压吸附模块(用于变压吸附空气气体分离)；5)提供转动功以操作泵来用于反渗水净化和高位水(elevated water)储存；6)提供转动功以操作斯特林冷却器来用于气体液化；7)提供对蒸汽生成的输入以供蒸汽轮机获得转动功；8)提供转动功以生成电力输出；以及9)提供用于其他各种高温应用的热输入。

中温储存容器包括但不限于以下共同目的：1)提供对吸收冷却的所需要的热输入；2)提供热水加热功能；3)提供用于空间加热的热输入；4)在初始启动期间，提供用于高温热回路的预热；5)提供对气体蒸馏和/或水净化的所需要的热输入；6)为来自斯特林发动机、蒸汽轮机和各种热过程的废热提供中温加固的储存容器；以及7)提供用于其他各种中温应用的热输入。

低温储存容器包括但不限于以下共同目的：1)提供对地热和/或被动式热应用的所需的热输入；2)提供人行道和停车加热功能；3)提供用于空间加热的热输入；4)在初始启动期间，提供用于中温热回路的预热；5)提供对气体蒸馏和/或水净化子系统的所需要的热输入；6)为来自斯特林发动机、蒸汽轮机和各种热过程的废热提供低温加固的储存容器；以及7)提供用于其他各种低温应用的热输入。

冷温储存容器包括但不限于以下共同目的：1)提供用于斯特林热循环发动机的冷却方面的热输入；2)提供用于斯特林低温冷却器(cryo-cooler)系统的冷却方面的热输入；3)提供用于在主动式或被动式冷却系统中的空气调节中使用的热输入；4)提供在用于气体分离的蒸馏过程中使用的热输入；以及5)提供用于其他各种低温和冷却应用中的热输入。

对以上所讨论的电网能量储存的改进方法是包括本发明的ULTRAGRID^TM。如上文中所讨论的那样，ULTRAGRID^TM是本发明的电子监测、标识、能量生成、基础负载能量响应、能量供应和控制元件。当前现有技术的电力电网被设计和开发为不能允许生成源响应按需的消费者需求，而基于ULTRAGRID^TM的智能电网可被设计为使得使用率按需地随来自诸如风能和太阳能之类的间歇性功率源的生产可用性而变化。此外，对于消费者电网发电，通过为电和/或热密集型系统两者释放经匹配的储存的能量来稳定ULTRAGRID^TM。可主动预测最终用户负载并对其计时，以便在峰值使用期间获得协调的启动。此外，可在峰值和非峰值期间之间动态地改变能量费用以鼓励关闭非必需的高能量负载或控制应用启动不同时发生。

另一改进是将经由电力产生的热，将消费者电网规模的电能盈余用于消费者电网规模的热储存。这允许数百以及潜在的数千千瓦时的储存，并扩展至几十兆瓦时，或潜在的按需可用能量的大得多的项能储存。

本发明具有将过剩的风能和/或光伏太阳能电能储存为消费者电网规模的热能储存的能力。被储存为热能的过剩的电能可用作主动的或按需的能源，以用于对消费者电网基础负载的能量生成，或可用于满足高峰值要求的负载需求，以实现负载稳定性和电压稳定性和局部化电力质量消费者电网效率。此外，本发明是局部化厂内(onsite)热和地热能储存的完全整合，它们可被用作按需的能源以用于能量生成、用于热储存维持热生成、电网基本负载、中介基本负载峰化(peaking)支持，或可用于满足高峰值要求的负载需求，以实现负载稳定性、频率匹配、电压稳定性和电网效率。

本发明减少或完全消除了对重叠和冗余的子系统的需求，从而通过对重复系统和子系统的消除减少了部件计数和过量的能量使用。现有技术主要依赖工程设备效率和减少制造成本中的努力。由于对这种类型的开发而言典型的递增式增强，这些方法是有用的但在其范围和有效性方面是有限的。现有技术严重依赖于温和的渐进式改动，而不是更多地依赖于深度的根本的革命性变化。

本发明与其他现有技术不同在于：包括和结合了整合到热储存和地热储存组件的热太阳能、风力和光伏太阳能；本发明与其他现有技术的系统不同在于，通过发电、用于热应用能量的热、用于需要冷热(cold thermal)的应用的寒冷(cold)实现上述整合，同时去除了冗余组件及其过程，从而降低了能量输入要求。现有技术使用附加的能量输入来去除热，以便在消费者的封闭区域内利用直接的或被动式方法冷却该区域，从而减小了能量使用效率，在其中，本发明将热能用于有益的工作。相比现有技术因其有缺陷的设计而造成能量损失和低效率，本发明使用从发电过程中所生成的废热来用作输入能量以作为热源用于创造使用可用的已消耗能量的附加益处的单效和多效冷却、冷冻器和制冷、蒸汽和压缩机冷却过程、水净化、脱盐和水加热应用过程。

本发明尤其与其他现有技术的碱性氢电解器和类似设备不同，这些设备通常在容器中使用水和氢氧化钾KOH的混合物，并且利用位于该混合物中的两个电极来施加直流电流以将氢和氧分开；本发明与其他现有技术的哈伯/博施氨合成工厂和类似设备不同；本发明与其他现有技术的利用其减小阻碍进而提升效率的生成和再生系统和类似设备不同。

本发明及其实现特征和功能的基本方法作为完整的系统被称为模块化高级智能商用能量系统(“MAICES”)。MAICES形成了分布式电能、化学能和热能，保存电能、化学能、热能的局部化储存储备以及供应安全的根基和基础。

本发明的目标包括但不限于：

本发明的一个目标在于，通过利用局部化生成和局部化能量储存增加可用的消费者电网能量来大大地增强局部化的消费者电网，用于按需的可用性，进而降低昂贵的商用电网能量的所计量的使用。

本发明的第二目标在于提供使用可用的局部化能量生成和储存的设备，其有利于减少的主时段(primetime)电网需求使用和更高效的非主时段(non-primetime)能量生成以及能量汲取(draw)。

本发明的第三目标在于提供设备，其中，多个组件彼此与应用相关联并互连，从而增加效率和电力生产能力。这通过组合多个构成过程来实行以减少热线路损失和电网线路损失；包括通过组合热能和电能的电力需求的设备元件周期和应用而造成的能量组件的低效率损失。

本发明的第四目标在于降低系统组件的无益处的和冗余的制造和构造材料要求。

本发明的第五目标在于，由于混合式整合和生成的改进，减少了系统组件计数和面积使用要求，并大大增加了考虑系统组件安装成本而生成的能量的比率。

本发明的第六目标在于，相比现有技术中使用针对单个组件应用和过程的按需生成的低效的增加的启动和关闭能量要求，通过启用提供按需的可用性的热的和冷的热能的热储存来实现高效率。

本发明的第七目标在于，将能量生成、储存、组件和区域冷却和/或加热要求包括进单个直接的和被动式系统解决方案中；包括循环使用来自其他过程的废热的热能以增加效率并降低系统能量输入要求的能力。

本发明的第八目标在于，在闭环冷却系统中，以直接和被动式的方法循环使用所生成的废热能以使用所储存的水供应，从而降低子系统的要求和维护。

本发明的第九目标在于，循环使用所生成的废热，用于地下水和废水回收和净化，同时降低输入能量要求。

本发明的第十目标在于，循环使用所生成的废热用于脱盐中的潜在使用，同时降低输入能量要求。

本发明的第十一目标在于，循环使用再生成的废热以在蒸馏中使用，同时降低输入能量要求。

本发明的第十二目标在于，循环使用再生成的废热以对水加热，供使用或储存以供按需的可用性，同时降低输入能量要求。

本发明的第十三目标在于，从局部化未经处理的水源或受污染的公用水供应中提供便携式水。

本发明的第十四目标在于储存热能以启用可缩放的消费者的大量能量储存。

本发明的第十五目标在于，使用所储存的热能以转换为局部化的基本负载电能。

本发明的第十六目标在于，使用所储存的热能以转换为局部化的热应用使用，以供按需的可用性和使用。

本发明的第十七目标在于，使用所储存的化学能以转换为电能和热能。

本发明的第十八目标在于减少电力和热生成的碳足迹。

本发明的第十九目标在于，减少局部化能量消耗的碳足迹。

本发明的第二十目标在于实现用于生成、储存和再生的局部化可再生能量生态系统。

此外，通过本文中的以下附图和描述，其他目标将是明显的。

附图说明

图1是根据按本发明的电过程的实施例的一个或多个示例的流程图。

图2是示出根据图1的实施例的输出的流程图。

图3是根据按本发明的分层的热储存容器的实施例的一个或多个示例的示意图。

图4是根据按本发明的热太阳能过程的实施例的一个或多个示例的流程图。

图5a是根据按本发明的斯特林发动机的气缸体的实施例的一个或多个示例的总体示意图。

图5b是根据按本发明的具有双活塞的单个斯特林发动机的截面端视图的实施例的一个或多个示例的示意图。

图5c是根据按本发明的仅具有缩放热机设计所必要和需要的改变的单个斯特林发动机的截面端视图的实施例的一个或多个示例的示意图。

图6a是根据吸收体场地单元(“AFU”)的实施例的一个或多个示例的示意图，反射器面板定位在两个双收集器单元之间。示出该AFU和反射器面板与相对于双收集器单元的太阳的明显表示的角度有关。优化反射器面板的位置和取向以获取最大的反射能量。图6a也示出移动式反射器面板的承载(carriage)装置。它示出跟踪机制的“移动和转动”操作的操作。

图6b是根据按本发明的太阳能-热收集器和太阳能光伏装置的实施例的一个或多个示例的示意图。

图6c是根据按本发明的收集器的超轻型索桁桥结构的整体视图和一些细节的实施例的一个或多个示例的示意图。

图7是根据描绘按本发明的氢能可再生操作能量站(“HEROES”)的共同连接的实施例的一个或多个示例的流程图。

图8是根据按实施例的多效制冷过程的实施例的一个或多个示例的流程图。

图9是根据按本发明的可再生能量铝工厂(“REAP”)和可再生能量钢工厂(“RESP”)的共同安装连接的实施例的一个或多个示例的流程图。

图10是根据按本发明的改进型智能电网(ULTRAGRID^TM)层的实施例的一个或多个示例的流程图。

具体实施方式

以下是对具有一体式控制系统(有时称为“系统”)的基于混合式三联产系统的微电网的实施例的详细描述。呈现以下描述以使本领域中任何技术人员能够完成和使用本发明的过程，并且在特定的应用及其要求的上下文中提供以下描述。对于所公开实施例的各种修改对本领域技术人员将是显而易见的，并且可将本文中所定义的一般原理应用于其他实施例和应用，而不背离本发明的精神和范围。由此，本发明不限于所示实施例，而应当根据符合本文所公开的原理和特征的最广泛范围。以下所包括的描述参考所附附图，提供所附附图以对说明优选实施例。然而，此类实施例不表示本发明的完整范围。特别地指出了发明人不视为是其发明的主题，并且在本申请的权利要求书中明显地要求其权利。

现在参考这些附图，图1是根据按本发明的电过程的实施例的一个或多个示例的流程图。该过程利用一种或多种能源，包括但不限于：风力104、太阳能PV 107、热太阳能106、地热100、水电102、能量储存110子系统和/或公用事业电力电网108。排除公用事业电力电网108的上述列表由本发明的可再生能源112组成。所述可再生能源112将能源馈入私有电网109，可转而使用该私有电网109以经由发电机114和/或斯特林发动机116创造有用的功。在系统中将公用事业电力电网108用于高温热储存容器118的再加热或维持热，并在私有电网109达不到最终用户的电力需求的情况下用作备用能源。上述斯特林发动机116利用来自可再生能源112以及来自高温热储存容器118的一种或多种热能来创造有用的功和/或电能。

本发明由用于能量生成、处理、转移和储存110的核心可再生能量设备组成，其具有共同的共享智能交互式能量生成系统178和智能机器学习系统。所公开的多个实施例提供了用于以热学热能形式生成热能的过程或用于传递到冷基的(cold based)热储存124的冷冻器和/或冷却过程的过程。可由太阳能收集系统收集太阳能106、107的功率，可由风轮机收集风力104的功率，可通过地热电力厂来收集地热100的功率，可通过水电发电源或被连接以从可用的电网108的能源收集电力的电网108来收集水电102的功率。

为减小可再生电力112的成本和/或增加其可靠性，图1的系统可基于电力需求，储存来自可再生能量生成的能量，并且随后以来自所储存的能量的电、热、氢、惰性气体提取和氨的形式生成能量。首先，可将能量储存在诸如电池、氢、氨183和其他储存的气体(例如，氩、氦、氖等)之类的化学储存系统中。

其次，可将该能量储存为高、中或低热流体(例如，熔融盐等)中的热或储存为所储存的冷温热储存124(例如，冰、相变材料)。可附加地将高温、中温、低温和冷温工作流体置入隔热的储存容器，以在短期内将热能保留为所储存的流体和/或材料，并且/或者使用外部热输入来维持可用的热能能力。可附加地将低热容工作流体置入隔热的储存容器以在短期内将热保留为低热容流体，并且/或者使用外部热输入来维持可用的低热容流体能力。

为了从所储存的能量中生成电力，化学转移机制可以选择性地从储存110转移化学制品，以便提供按需的能量生成。此外，热转移机制能量生成允许该系统选择性地从热储存110转移热，以便提供按需的能量生成。可使用未经转换的热能来启动斯特林发动机116的热能输入。一旦转移了热，热也可使工作流体沸腾(例如，由于所述工作流体的低沸点)，从而生成用于使轮机176的转子叶片转动的蒸汽和/或水汽。轮机176和/或斯特林发动机116可生成可用的功能量，其随后可用于驱动将电力提供给负载或其他用途(例如，为泵或压缩机提供转动和/或直线能量和/或将热能提供给热密集型应用)的发电机114。

来自所储存的可再生能量的此类按需的能量生成可附加地减少与其他发电站的操作相关联的成本以补偿在从可再生能量112中进行能量生成中的波动。按照相同的准则，使用与特定流体耦合的机械元件(例如，转动-传输机制、直线传输机制、转子叶片和/或气体/工作流体激活的活塞)和摩擦来储存能量可对按比例缩放的常规的能量储存机制(诸如，电池和/或泵式储存水电的环境和面积特定的限制约束)提供成本节省。换言之，图1的系统将促进电力、氢、氨的有效、经济和/或可靠的生成、惰性气体的处理和利用可再生能量112的其他热密集型应用。

热能的产生基于生成输入的波动因固有设计的改动而是可接受的前提，固有设计的改动在高能量生成可用性期间使产生最大化，并且可按比例缩小或进入待命(standby)模式以匹配来自更低生成容量期间的输入限制。然而，可再生能量112技术的生成输出可能由于环境改变和有效动作中的固有变化而波动。此外，此类波动可能阻止可再生能量112生成技术将能量生成与能量需求(例如，电网电力需求、热应用和组件)相平衡。结果，响应于电力需求的改变和/或可再生的生成电力的供应的波动，这些系统可能导致与操作和/或关闭由其他形式的能量(例如，氢、氨、热、煤、天然气、水电102功率、核动力)驱动的发电机114相关联的成本。通过促进电、热和化学相互作用以及经由互连混合式风力104和太阳能106能量生成系统而进行的能量转换来实现优选实施例。或者，可替代地热100、水电102和其他电网108能量连接的输入源。优选实施例的效率和成本效益通过其示例性能量生成能力而成为可能，该示例性能量生成能力是改进的和包含的混合式能量生成系统178的结果，该混合式能量生成系统178包括其废热回收系统，该废热回收系统使用回收的能量以实施并实现使用所有可用的系统资源的最大益处。通过使资本密集型固定资产货币化同时减少重叠的和不需要的冗余过程，可使基础设施的利用最大化以实现能量的最低可能的层次化成本。本发明显著减小了通过增加对所投资的资本支出的更多回报所提出的投资资本要求。

参考图2，示出根据实施例的热能转移机制。如上所述，热能转移机制将启用从中温120或低温122储存容器到工作流体的选择性转移和/或结合吸收冷却过程来使用以传递到冷能量储存124。热能转移机制和/或设备可包括诸如隔热管和隔热组件之类的隔热组件。导热组件可包括促进热能转移机制的金属表面、歧管(manifold)、导电棒、散热器和/或其他结构。相反，隔热组件可包括真空隔热板和/或其他隔热材料或结构。

所公开的多个实施例提供了生成电能和热能用于电力生产和热应用使用的主要目的的系统。在操作期间，该系统使用混合式的风力104和太阳能106能量的混合以使白天和夜间的电能和热能生成最大化。也建立了向内部电网109的连接以供内部的工业使用或作为外部电网的能量供应方。也可附加地将地热100和水电102或外部源用于电能生成输入。然后，可将所生成的能量连接到氢电解器。该级使用进入的水和电流以将所述水分离成氢气和氧气。然后，将被分离的氢气和氧气移到净化器和干燥器级以去除杂质并准备转移到它们相关联的临时储存系统。这允许使用所储存的气体以作为给料输出，并且/或者在进一步的级中处理为附加产物和副产物。

本发明包括部署成用于收集热能106的集中式热太阳能收集126系统。将所述热能106转移并且随后将其储存在高温118、中温120或低温122储存容器中，并且处理其以用于冷温热储存124。在夜间和不充足的热收集期间，该系统分接(tap)其热118、120、122和冷124热储存的储备，用于应用使用或发电。或者，可将地热100和用于热生成的其他电和化学反应用于热生成和热能收集。

在一些实施例中，选择性地将热能从特定流体转移到工作流体涉及：在该特定流体和工作流体之间设置隔热组件以将热能保留在该特定流体中；并且重定位该隔热组件，以便将热从该特定流体通过导热组件转移至工作流体。部署高温118、中温120、低温122和冷温124热储存系统以用于提供按需的热能的主要目的。需要该热能用于热应用以及热到电转换应用的使用。此外，该系统部署冷却系统和冷冻器系统以提供合适的压强和冷却用于局部化冷储存124系统，并用于针对主动式和被动式使用两者的进一步的冷温应用要求。也部署高温118、中温120、低温122和冷温124热储存系统以用于提供热交换所需的热能的次要目的，该热交换使用转移流体或工作流体使轮机的叶片转动以产生转动功能量和/或斯特林循环116应用气体和/或工作流体膨胀和收缩以产生有用的功。工作流体也可导致气体和/或工作流体的膨胀和收缩应用，以使活塞上的力产生运动用于提供有用的功。一些实施例使用转动的叶片，其包括螺旋桨、叶轮、一个或多个桨片和/或卷筒中的至少一个。一些实施例使用与低熔点相关联的工作流体。然后可回收工作流体以用于能量回路使用，并进行处理以供系统重新使用。

在一些实施例中，该系统也使用隔热容器110或地热储存以将热保留在特定流体中。在一些实施例中，导热组件是具有高热导率的组件，诸如，金属表面、歧管、导热棒和/或散热器。最后，该系统使用经转移的转动能来生成功或扭矩。

此外，在一些实施例中，所转移的特定流体使工作流体沸腾。然后，通过在汽缸中暴露压缩气体和/或工作流体以使该气体和/或工作流体膨胀可生成转动能以将力提供给活塞，随后，该活塞将该运动运用为曲轴202上的转动或线性发电机114的线性运动。使用转动能或线性运动来驱动应用或诸如机械连杆机构(linkage)、旋转斜盘(swash plate)、压缩机、泵或发电机114之类的组件。

通过转移轴转动和/或线性运动来利用所生成的转动和/或线性功能量以向水泵提供将进入的水变成加压水所需的能量，以迫使水经过例如由脱盐、蒸馏和/或反渗透组成的水净化系统，随后被储存在罐和/或高位水罐中作为附加的能量储存110以用于按需的使用。然后，可使用所生成的转动和/或线性功能量以提供转动和/或线性能量来驱动压缩机建立足够的操作压强。这进而使变压吸附能够恰当地运行。该过程允许分离、隔离和储存气体和/或工作流体，以将其作为附加的能量储存110供按需的使用。最后，可使用所生成的转动和/或线性功能量以提供转动和/或线性能量来驱动发电机114以提供电能生产。然后，可将该能量转移到内部电网109网络中，以供系统使用，通过对电解器供电用于附加的氢生产，或使之作为电网能量供应方而可用。

参考图3，示出分层的热能储存容器196。在本发明的实施例中，可将中温和低温热能量流体储存在同一个储存容器110中。如所示出的那样，需要使用具有分开的中温回路和低温回路界面的温跃层(thermocline)200。在本发明的实施例中，构想了中温储存部120将保存处于或大约处于15.56℃(60°F)的流体，而低温热储存122部将保存处于或大约处于4.44℃(40°F)的流体。不应当将图3中所示的特定的步骤安排解释为限制多个实施例的范围。

接下来参考图4，示出实施例的热太阳能过程的流程图。所示的隔热容器促进了将来自可再生能量112的能量储存在热容流体中。然后，可基于与能量要求相关联的能量需求，使用所储存的能量以生成电能和热能。为了从所储存的能量中发电，可选择性地将来自特定流体的相关联的储存110的化学制品和/或热从特定流体转移到工作流体。例如，可在该特定流体和工作流体之间设置隔热组件以将热保留在该特定流体中。在低太阳能106需求和/或低风力104需求和/或高电力需求时期期间，可重定位该隔热组件，以使热从该特定流体通过诸如金属表面、歧管、导电棒和/或散热器之类的导热组件转移至工作流体。最后，使用工作流体中经转移的热来发电。更具体地说，该工作流体可与低沸点相关联，使得从特定流体到该工作流体的热的转移迅速使该工作流体沸腾。然后，可使用来自沸腾的工作流体的水汽和/或蒸汽来转动轮机的转子叶片，并且可使用轮机176来驱动转动设备以获得可用的功，并且/或者可使用斯特林发动机116以从热能中直接创造可用的功。

参考图5，描绘了本发明的斯特林发动机116的优选实施例。图5a描绘了总体的斯特林发动机116块。图5b描绘了涵盖本发明的具有两个活塞的单个斯特林发动机116的截面端视图。图5c描绘了涵盖本发明的单个斯特林发动机116的截面端视图。曲轴202通过连接杆204附连至活塞销(wrist pin)206和膨胀活塞208；所述膨胀活塞208在膨胀汽缸210中做往复运动。围绕着该膨胀汽缸210并顺序地与之连接的是热交换器212、再生器214、冷却器216和鞘汽缸218。在冷却器216下面的是导管(duct)220，其将所述冷却器216与压缩汽缸209连接。在所述压缩汽缸209内部，经换位的(transposed)压缩活塞做往复运动。如图5b中所示，该压缩活塞包括外圆柱部、环222、圆锥截面224和盖垫密封片(head gasket seal)226。

本发明的优选实施例主要由用于单引擎双汽缸的γ型斯特林发动机116的多排经换位的压缩活塞和多个汽缸组成。这允许按线性“V”、双“V”、“W”和/或辐射型活塞安排的发动机配置。可将曲轴202上的单个连接附连至一个或多个连接杆204；一个连接进入同样对齐的汽缸中的每一个中。在热侧汽缸212中的是常规膨胀活塞208，其通过活塞销206附连至其对应的连接杆204。围绕该汽缸212，按环形设计来安排该发动机的热交换器212、再生器214和冷却器216。

在压缩侧汽缸209中的是常规压缩活塞208，其通过活塞销206附连至其对应的连接杆204。可围绕该汽缸内部地和/或作为环形设计来安排该发动机的冷却器216；在按比例缩放期间，可移动冷却器216以与压缩汽缸209对齐。本发明的目标在于开发通用型斯特林循环，其中热腔可以是与大量生产完全相同的设计，但是主要目的在于，在其中保持汽缸壁是薄的以减少材料使用要求和重量并最终同时维持降低的能量输入要求。在所描述的多汽缸斯特林循环热机116中，按两排来安排这些汽缸。使一排中的多个汽缸相对于另一排中的多个汽缸交错，并且一排的纵向中心轴相对于另一排中的多个汽缸的纵向中心轴形成角度。可添加附加的排和布局达多至或包括多排的径向发动机设计。

接近曲轴202的是汽缸的内部，其包括大钻孔，压缩活塞环222和/或密封片搭靠在其中。连接圆锥截面224包括直接传递至冷却器216的端口。在圆锥截面224之外的是压缩汽缸209的外部的小钻孔(相对于先前所述的大钻孔)，其基本上延伸该汽缸以容纳长连接杆204。由于连接杆的倾斜度，该汽缸的外部将吸收活塞的侧向负荷(side loading)。如本文中所使用的那样，“内部”和“外部”是指组件对作为发动机116的中心的曲轴202的相对接近度。压缩活塞是经换位的，使得其密封片比其活塞销206和侧向负荷轴承部离曲轴202更远。该活塞包括大直径内部，其承载环222和/或具有负荷和磨损区的密封片。圆锥截面224将活塞的内部与更小直径的圆柱形外部连接，该更小直径的圆柱形外部包含密封的活塞销206和磨损区。在活塞的外部中提供足够的间隙或其他减压(relief)装置，以便在总是限制工作气体通过汽缸的所有部件之间时允许进行润滑。通过减压通路路径热交换器212和直排式再生器214实现压强释放和气体转移，以实现向压缩侧汽缸的转移。该减压装置可位于汽缸的外部而不在汽缸的活塞中。活塞的该外部的直径符合其必须承载的负荷，具有尽可能紧密的间隙和尽可能小的容差，以便使与它和它的减压装置相关联的死体积率最小化。为了促进良好的动态平衡，压缩活塞设计成具有与膨胀置换器活塞208相同的材料质量(mass)，使得在曲轴202上均衡。多排中的汽缸的偏移交错的线性安排将允许该系统使用共同的曲轴202，并允许气缸体是连续夹心的(sandwiched)气缸体以安置、支撑和/或包围所有的汽缸。

本发明的优选实施例使用置换器侧汽缸的并排(side-by-side)对齐，以获取使用将盖(head)和多个汽缸铸造为单个制造件块以简化密封发动机的益处，从而允许利用线性偏移的斜排的汽缸获得高得多功率的发动机，并且在仍然使用单个曲轴设计的同时增加大量制造的能力。此外，凭借本设计的置换器和压缩汽缸209的布置，也可实现用于每一个汽缸的分开的盖。

附加方法是包括旋转盘形阀(更常用于机动车的两循环内燃机中)，当建立在压缩和置换器汽缸的气体交换路径之间时，可使用该旋转盘形阀获得更高的压强建立。这也可以当在具有标准内燃机型进气/排气阀的汽缸之间的路径中交换时实现，该标准内燃机型进气/排气阀使用曲轴202，该曲轴202具有瓣或外加了凸轮轴以提供用于打开阀的正时和功。

如果经使用，则用于汽缸、活塞、活塞环222、杆轴承以及潜在地用于阀的发动机润滑系统设计成用于以正确的温度和压强将清洁的油递送到该发动机的每一个部件。将油从集油槽(sump)吸出到作为系统心脏的泵中，然后迫使油经过油过滤器和压强馈送去往主轴承，并且去往油压表。油从这些主轴承经过导孔进入曲轴202中的钻孔通道，并且向上进入连接杆204的大端轴承。通过经由转动曲轴202而散布的油抛掷(oil fling)对汽缸壁和活塞销轴承润滑。多余的油被活塞中的下部环222刮去。然后，多余的油被往回排到集油槽，在那里，将热散布到环境空气中。当曲轴轴颈变得磨损时，该发动机将具有低油压，并且抛洒油遍及该发动机的内部。过量的溅出可能淹没环222，并且可能使该发动机将油漏到汽缸的压缩腔区。通过简单地替换轴承衬套，可恢复磨损的轴承表面。在使足够的油循环经过该系统的时刻，液体动力润滑显示并减少了轴承磨损的进度以及汽缸壁摩擦和加热的减少。

活塞环222在压缩和燃烧期间提供了防止燃料/空气混合物和废气从燃烧腔进入集油槽的滑动式密封防漏。其次，它们将油保持在集油槽中并免于泄露进入燃烧区，在燃烧区，油将污染工作流体的转移。在活塞环222和维护良好的发动机的汽缸壁之间存在着液体动力润滑。这对最小的摩擦和磨损是必要的。在活塞停止重定向的顶部和底部的死点中，薄膜厚度变得最小，并且混合的润滑可能存在。

为了实现从活塞到汽缸的良好的盖转移、最优的密封和最小的渗油，最小的薄膜厚度是合意的。由所谓的油控环来将薄膜厚度保持为最小。该环位于汽缸环222之外，使得过剩的油被直接向下刮到集油槽中。由该环的通道而导致的留在汽缸壁上的油膜可用于对跟随的环润滑。对相继的环222重复该过程。在上冲程时，第一压缩环由在下冲程期间留在汽缸壁上的油润滑。气体从压缩腔泄露进入集油槽导致性能降级。这是尽管进行了频繁的油补给，但是由换油组成的维护可能仍是必要的原因。本发明的多汽缸斯特林发动机116提供简单和实用的方法以改善多汽缸、多活塞斯特林发动机116的性能和寿命，同时不增加其复杂性也不减少其机械效率。一般接受并同意双动式(double-acting)双活塞斯特林发动机是高能量应用的斯特林机的最合意形式之一，其既显示了简单性又显示了好的性能。能以各种形式设计此类斯特林发动机；例如，能以单排或多排的线性、直排式“V”、双“W”、“W”和径向布局型活塞发动机设计配置来安排汽缸。

最合意的安排之一是双“V”型发动机，其中，汽缸一般离开标准曲轴连接径向地定位。该布局为斯特林循环提供了简单性、强度和合适的活塞定相(phasing)，并提供了出色的动态平衡。存在着相对于连接杆204而发生的权衡。也就是说，随着使连接杆204等比例地变长，更长的汽缸冲程使盖被布置为离得更远，由此需要更大的集气室(plenum)和热交换器212，并伴随着从它们之间的空间演化而来的增加的性能-劫持死体积比(performance-robbingdead volume ratio)。其他因素是对最优效率的选择：由于短的连接杆204，紧凑型热交换器212和连接集气室将被保持为非最优性能；并且由于热交换器212和相关联的集气室中的大的死体积比率，具有高效的长连接杆204的设计将被保持为非最优性能。

本发明公开了新形式的斯特林发动机的压缩活塞和汽缸209，它们将允许发动机设计者将紧凑型热交换器212、高效的再生器214、集气室和高效的长连接杆204合并在双“V”型斯特林发动机116上。本发明的斯特林发动机116是用于双“V”型双活塞发动机机的经换位的压缩活塞和汽缸209，该双“V”型双活塞发动机允许汽缸209、210由紧凑型交换机212和转移通道连接，同时保留机械高效型的长连接杆204的使用。

在一个实施例中，将曲轴202装载在钻孔中，该钻孔横向地贯穿所安排的两个汽缸290、210，其中，所述汽缸中的一个从曲轴202的钻孔中垂直地延伸，而另一个水平地延伸。曲轴202上的每一个曲柄行程(crank throw)与两个连接杆204中的进入两个汽缸209、210中的那个附连。在垂直汽缸中的是常规膨胀活塞208，其通过活塞销206附连至其对应的连接杆204。围绕该汽缸，按环形方式来安排发动机的加热器212、再生器214和冷却器216。在斯特林发动机设计的按比例缩放期间，将冷却器部216从与置换器汽缸210对齐移动到与压缩汽缸209对齐，以便允许更大的质量体积接触而不导致下文所述的所包括的斯特林发动机断流器(图5c)中所示的过量的死空间比率的产生。水平压缩汽缸209具有沿共同延伸轴的两个同心钻孔，圆锥截面224连接它们。接近曲轴202的是汽缸的内部，其包括大钻孔，压缩活塞环222和/或密封片搭靠在其中。连接圆锥截面224包括直接传递至冷却器216的端口。在圆锥截面224之外的是压缩汽缸209的外部的小钻孔(相对于先前所述的大钻孔)，其基本上延伸该汽缸以容纳长连接杆204。由于连接杆的倾斜度，该汽缸的外部将吸收活塞的侧向负荷。该压缩活塞包括大直径的内部，其承载环222和/或具有小磨损区的密封片。圆锥截面224将该内部和更小直径的圆柱形外部连接，该更小直径的圆柱形外部包含密封的活塞销206和大磨损区。为了促进合适的动态平衡，该活塞设计成具有与膨胀活塞208相同的物理质量，使得在曲轴202上均衡。

逆转斯特林循环并以线性或转动输入的形式提供能量输入将允许斯特林循环热机116执行冷却应用过程。不同于冷却压缩侧并提供施加到置换器侧(另外也被称为位移侧)的热源，使用热转移交换器来替代热交换器212和热输入，其由诸如热虹吸管之类的设备或为了冷却气体和/或液体的装置、储存空间或物质的其他先前的现有技术的热转移方法组成。该冷却过程可用于制冷172或可延伸以提供过冷(supercooling)级或低温冷却(cryo-cooling)级温度以使气体液化，或提供对此类物质或其他需要热的应用的冷却。

用于混合式能量生成系统178的优选实施例由两个核心元件组成。一个元件由热太阳能收集模块126组成，该收集模块具有用于热收集的相关联的位于中心的吸收体；另一个元件是用于理想的热基和冷基储存110的热能储存系统。中央热太阳能106系统的优选实施例是模块化设计构造，其由具有抛物线形状和每一排上的中心轴的多排的矩形面板组成，以便给予它们跟踪太阳并将反射光聚焦到最近的吸收体上的能力。

水平装载的热太阳能吸收体的优选实施例包括管道状结构，该管道状结构在经水平装载的太阳能面板136部分之上被平行地装载，并且从下面的面板吸收经聚焦的太阳能106。该吸收体自身也将具有装载在该吸收体之上的带有抛物线形状的矩形面板，以使经反射的太阳能106能量从通过该吸收体而延伸的下面的面板往回反射到该吸收体的顶部上，从而在该吸收体表面上形成具有几乎360度太阳能106接触的效率增强。可使优选实施例适用于使用多种形状和布局的各种配置，以便匹配对于安装的可用场地专用的可使用太阳能区。

再次参考附图，图6a示出热太阳能场地单元1000(“TSFU”)的示意图，该TSFU 1000由多排的反射器130组成，多排反射器130在由悬索缆桥132(图6c)抬高的两个邻近的AFU双收集器164之间。图6b示出具有装载支架的地基支撑物134以及反射器130和/或光伏面板154的示意图。

平行于反射器面板136排对齐的并且连接到各自的高温和中温回路的多个AFU包括一个能量生成模块(“EGM”)。多个EGM包括太阳热能阵列转换系统(“STACS”)场地。基于优化策略，反射器130可定向到TSFU的边缘上的两个双收集器164中的任意一个。待定反射器面板136相对于太阳的位置位于所针对的双收集器164的哪一侧；有被动式太阳能129和相反(contra)128安排的太阳能反射器130。被动式太阳能反射器129在双收集器164的与太阳相同的侧。相反安排的太阳能反射器128在收集器164的相对于太阳的相反侧。类似地，可将在TSFU的“太阳侧”的收集器164称为被动式太阳能双收集器164。可将在太阳的相反侧的双收集器164称为相反安排的太阳能收集器。相反的太阳能反射器128定向到被动式太阳能双反射器164，反之亦然。

图6a也示出转动式太阳能反射器面板136装配件的一个实施例。它示出所连接的反射器面板结构的排中的两个邻近的反射器面板136的接合。反射面板表面是粘附到支撑平台的抛物线形的略微弯曲的镜面。该支撑平台由桁架桥型支撑结构138组成，该结构由纵梁140、横梁142、桁架144和新月状端片146组成。圆拱形新月状物向反射器130提供了围绕其对称中心的转动自由。转动轴147与反射器面板136结构的重心一起对齐以提供用于跟踪机制的流畅、平衡的转动。新月状物是通过支撑结构138形成的。

经由弯曲配合套管(flex-fit sleeve)153来连接两个邻近的反射器面板136结构。附连到反射器面板136结构的一端的反射器面板136结构自由地滑动进入附连到邻近的反射器面板136的另一端的套管153。弯曲配合驱动套管连接将转动力矩从一个面板136结构转移到另一面板136结构，并且允许纵向的热膨胀。驱动套管153是反射器面板136排的定位和取向系统的一个组件和实施例。将跟踪系统的动力传动系统装载在支撑结构138上。单一功能步进电机148是对轮系(train)的驱动。它提供转动驱动。经由齿轮150或链齿驱动的系统来执行反射器面板136的转动跟踪运动，该系统具有滚链152，该滚链152固定到面板齿轮150和附连到步进电机148的对应的齿轮151的圆周。

图6b进一步示出为所连接的反射器130提供支撑和驱动的端承载装配件。中间的承载装配件为两个所连接的反射器128、129提供支撑和驱动。由轴承149利用用于热面板130或光伏面板154的基座支撑来为导轨(rail)上的承载提供引导。侧向导轨提供稳定性以及支撑新月形状的横向支撑物146，以便在强风的情况下固定反射器结构。该风防护系统的部分是驱动套管153，该驱动套管153连接反射器面板136，该反射器面板136在因风流动而上升的情况下通过轴承装载将它们固定到承载。

图6c是双收集器164的超轻型、预应力缆支撑的桁架桥结构的总体侧视图。考虑到大跨度桥所需的刚性，拉索(tension-cable)结构156利用悬索桥132来提供支撑。悬索桁架桥132结构将为灵活的悬索支撑提供底部支撑。

太阳能吸收体由单个或多个加压工作流体管、高温吸收体管160和中温吸收体管162组成；自由地覆盖并被支撑在悬浮式牵索缆上。缆绳的支撑部由圆柱形或椭圆形的滚珠覆盖，其为管形成滚动式“串珠项链”型支撑。在该吸收体的中心，滚动式销支撑这些管，使得热膨胀不被侧面、底部或任何其他区域的摩擦或阻力阻止。

将具有高发射率表面的轻量的但耐用的片材用于次级反射器130。以唯一的方式使抛物线反射器轮廓成形以提供孔径/吸收体宽度的最优比率，并且如果不是捕捉并诱捕到所有反射能量中的绝大多数，也捕捉并诱捕到所有这些反射能量中的大多数。对吸收体及其涂层进行选择的功能和益处为：发射率、工作流体的大流动摩擦的减小、收集器的对流式热损失、对高温的抵抗、低成本和简单的维护。遍及EGM的吸收体网格的流体的流动分布和热力学性质的控制对获得太阳能106能量生成的高热效率是具有关键性重要意义的。

持续地使对反射器130和/或光伏面板154以及收集区的反射能量的移动的场地进行定位和取向的优选方法最大化并对其优化，以获得最高效率。在被抬高的线性接收器上，利用反射能量的固定部分使热面板转动，该被抬高的线性反射器主要包括双吸收体164和相关联的反射器130和/或具有高温和中温热流体流动回路捕捉的辐射器。沿支撑导轨按间隔的新月状的横向支撑142提供了稳定的反射器面板支撑和风力稳定，同时允许反射器面板旋转不受阻地发生，并且提供了对潜在的季节性雪和冰积累的清除。为场地的每一排固定反射器面板136的抛物线形最优孔径曲率，从而允许优化的大量生产并易于航运、装卸、安装和清洁。

经由对上部的反射器130的物理连接来装载轻量型中温收集器-吸收体162结构；悬索桥132支撑吸收体；拉索吊架(guyed cable hanger)支撑在中心装载的高温收集器-吸收体160。被连接到经由外部连接点而被连接的每一个中温吸收体162的拉索阵列横向支撑有助于附加的支撑和稳定，同时减少对水平反射器的能量收集大面积的影响。该设计允许用于实现高度灵活的系统按比例缩放的布局设计的模块化方法。或者，可从地面装载桁架支撑系统来支撑AFU。在本文中将该类型的太阳能热收集器126称为紧凑型线性抛物线反射器(“CLPR”)，并且由于它们的简单性和成本效益而使用它们。它们是按平行的排而安排的并被取向到共同的双收集器164和/或吸收体的抛物线或准抛物线反射器130“带”(“strip”)(长而窄的面板)的场地，其中，共同的反射器130位于高于反射器场地的某个高度。可直接将反射器130面板交换为类似尺寸的光伏面板154以提供局部化的发电，从而用于局部化的能量需求。

双收集器164和/或吸收体是管道状的、长而窄的结构，其平行于设计成用于收集来自反射器场地的能量的多排反射器130而被对齐。双收集器164和/或吸收体吸收来自其两侧的每一侧的多个反射器130排的反射能。为了进行讨论，将该场地的基本单元定义为两个邻近的双收集器164以及所附连的第三顶部反射器130和它们下面的底部反射器130。理论上，任何底部反射器130可为四个收集器164中的任何一个服务。多个这些吸收体场地单元(“AFU”)(平行于这些反射器排而排列)构成太阳能收集器场地区，表示其周期性的线性布局对称性。

已知的反射器具有沿它们的纵轴的中枢旋转运动的单个轴或自由度。跟踪系统转动反射器并跟随太阳的明显运动。镜面的取向使得经反射的入射阳光“重定向”至吸收体场地单元(AFU)的边缘处的双收集器164的高热收集器和/或吸收体160中的一个，从而将每一个反射器面板排“固定”到双收集器164。已知的现有技术中的一些具有将多排反射器连接进单个跟踪阵列的机械连杆机构。

本发明的方法确保了聚焦了阵列中每一排的转动角以获得能量反射的最优发射率，并且将线性排中的所有镜面都聚焦到同一个双收集器164。一些现有技术偏向于排的北-南对齐，而另一些现有技术偏向于该场地的东-西对齐。为了参考收集器来描述反射器的位置和取向，使用以下术语：相反安排的太阳能128排是在跟踪的收集器的相对于太阳的相反侧的排(在东-西对齐的场地中，在收集器的极(polar)侧；或者在北-南对齐的场地中的上午期间的西侧反射器)。相反安排的太阳能反射器128具有被暴露给太阳光线的更大的“共同”表面积。因此，它们具有更大的最优反射潜力。被动式太阳能排129是相对于跟踪的收集器在与太阳的同侧的排(东-西对齐的场地的赤道侧；对于北-南对齐的场地，在早上期间的东侧反射器和下午期间的西侧反射器)。被动式太阳能129排通常具有更少被暴露的法向表面，因此它们低于最优。

收集器164的目的在于，通过从反射器面板136捕捉最多能量并且通过使双收集器系统的辐射和对流损失最小化来使所吸收的太阳能106辐射最大化。使诸如熔融盐、油、水/乙二醇混合物和/或其他液态介质之类的热转移介质和工作流体回路通过作为热转移(或工作)流体的高温160和中温162吸收体。收集器的吸收体表面实际上是吸收体表面，因为直接将所收集的太阳能106热用于高温和低温热能使用和储存110。本申请由此描述了扩展的移动式超紧凑型反射器面板场地，其中，反射器面板136排具有新的双吸收体164和装载吸收体的反射器面板136，该反射器面板136用于减少在单个吸收体上所反射的集中式光的扩散，同时允许第二中温吸收体162增强来自主高温吸收体160的所辐射的热能的直接热反射能量收集。本发明由此描述了通过互换(作为对抛物线反射器面板130的直接替换)来整合光伏电池的附加无缝式方法以提供局部的电力生成供应和/或能量，从而对电池充电以激活跟踪电机148、流量阀、其他电动传感器组件和/或控制系统。该选项将消除对用于系统功能的远程电力的需求。

本申请由此描述了将远程电组件与局部化能量生成源、电池备用和无线接口和控制相整合的附加方法。本申请由此描述了将远程电组件与局部化能量生成源、电池备用和具有对仅有线控制信号连接的需求的有线接口和控制相整合的附加方法，其减少或消除了用于远程供电的电力线的安装和维护的需求。

现有技术也造成来自能量中的不直接到达收集器和/或吸收体而被辐射到大气中的其余部分的损失。此外，现有技术遭受来自具有因没有集中式反射以吸收的更少能量的吸收体中的最高的20-35％的降低的温度分布的损失。

该装载吸收体的反射器面板136的附加益处在于，使来自下面的反射器场地的扩散的太阳光线被重新定向并反射到主高温吸收体160的顶部表面上。当与现有技术比较时，在整个表面积上创建了归一化的热分布，现有技术利用来自下面的反射器面板场地的热能，实现吸收体表面的底部和侧面的上部的仅70％。

本发明的转动式排具有在两个双收集器164和顶部反射器130单元之间调节并优化它们的位置的能力，使得全年全天使来自整个场地的反射太阳光整体上最大化。本申请进一步描述了扩展的移动式反射器面板的承载导轨装置。该设备提供了反射器面板结构的线性和转动移动性以及使AFU的反射能量最大化所需的跟踪和定位。本申请进一步描述了超轻型、高效率的收集器-吸收体结构。该装配件具有用于大量生产、有利于构造和场地施工的简单共同复制。

收集器的特征为：宽孔径、次级反射器表面的经优化的曲率、悬索桥吸收体支撑、吸收体的滚珠悬索和预应力索桥支撑结构。本申请进一步描述了反射器130的新月状横向支撑142导轨。反射器面板136结构的重心线在面板导轨的转动重心147中。对于AFU中的每一排，反射器130的抛物线曲率是归一化的标准。本申请进一步描述了高温和中温生成系统的流动分布和控制方法。收集器的每一个吸收体包括单个管。该场地包括多个吸收体网格。由具有互连性和对ULTRAGRID^TM 194兼容性的局部化的监测、分析和控制系统提供对遍及整个热网格的热力学条件(压强、温度、速度和相)的最优控制。

参考图7，示出太阳能热过程的实施例的流程图。热能储存(“TES”)系统的优选实施例主要由高温储存容器118、中温储存容器120、低温储存容器122和最后的冷温储存容器124组成。附加的改进是主要由兼作废能热储存110的热水储存组成的附加的热储存110容器。

如图7中所示，优选实施例将高温储存热能用作对基于氨的冷却过程166的能量输入，以便启用并提供用于低温储存容器122的能量输入的温度支持能量。优选实施例将高温储存热能用作对加热过程的能量输入以启用并提供用于空间加热器、房屋、区域或建筑加热系统的温度支持能量。优选实施例将冷温储存热能用作对主动式冷却过程168的能量输入以启用并提供用于中央空调和冷却的温度支持能量。优选实施例将冷温储存热能用作对主动式冷却过程168的能量输入以启用并提供用于制冷172装置、进入式制冷器、酒储存区、盒以及水冷却的温度支持能量。优选实施例将冷温储存热能用作对主动式冷却过程168的能量输入以启用并提供用于冷藏器170装置、进入式冷藏器、盒式冷藏器的温度支持能量。

优选实施例由斯特林循环组成，该斯特林循环使用可用的所储存的高温热能以启用气体和/或工作流体膨胀，从而生成转动和/或线性运动。优选实施例由斯特林循环组成，该斯特林循环使用可用的所储存的低温热能以启用气体和/或工作流体收缩，从而生成转动和/或线性运动。优选实施例使用施加于发电机114的所生成的转动和/或线性运动以生产电能。优选实施例将来自斯特林循环的回收热力废热用作加热过程的能量输入，以提供用于空间加热器、房屋、区域或建筑加热系统的温度支持能量。优选实施例也将来自斯特林循环的回收的热力废热用作加热过程的能量输入以启用并提供用于水加热应用的温度支持能量。

参考图8，示出四吸收制冷系统的示意图。在四效(quad effect)吸收制冷系统中，溶液从吸收体流向并联地连接的第一228、第二230、第三232和第四234发电机。离开第一发电机228的溶液返回到多吸收体系统。离开第二发电机230的溶液流向第三发电机232，其流向与第二发电机230串联连接的第四发电机234。在各自的冷凝器236中冷凝来自每个发电机的制冷剂蒸汽。第四冷凝器242与第三发电机232交换热能，第三冷凝器240与第二发电机230交换热能，并且第二冷凝器238与第一发电机228交换热能。

优选发明的冷却系统包括改进型多效多级吸收制冷系统，更具体地是用于获取相对于可用的热能输入的数量、质量、压强和温度的增加的效率制冷效用级。通过严格地遵守热能输入温度带(band)的严格范围来实现此，因为每一个带随着直接耦合至特定级和冷却等级的关系来影响步骤和级。可检查此，并且将其与现有技术的典型而通用的一刀切式的(one size fits all)常见方法进行比较。现有技术将在单独的或多个组件基础类型的设计上具有一般不平衡的和过度的热、液体和气体负荷的低效的未经优化的效用级用于常规的冷冻器和制冷系统。

多效、多级吸收制冷系统可包括提供有压强提升设备和其间的压强控制的多级再生器-冷凝器系统和多级蒸发器-吸收体系统。本发明的优选实施例利用冷却系统，该冷却系统由四效用组成和/或具有基于可用的热能温度的潜在附加的效用级。这种类型的制冷系统包括并主要采用：多个热交换器；多个发电机228、230、232、234；多个冷凝单元236、238、240、242；多个蒸发器244，可由多个可变孔膨胀阀计量去往所述多个蒸发器的制冷剂；以及多个吸收单元。

向多效吸收制冷系统提供了多个冷凝器耦合和并联或串联电路，以便在四效制冷系统中馈送包含制冷剂的吸收剂溶液经过超高温、高温、中介(intermediate)温、中温、低温发电机，或者在多效系统的四效设计优化中馈送其经过高温、中介温、中温、低温发电机配置。通过响应于附加效应的更高的温度、压强和液体和气体的腐蚀性增加对应的耐腐蚀性的潜在构造，可利用更高的输入温度来实现附加的吸收效用级。考虑到有效地在系统内的组件之间传递热能并进而增加系统的总体热效率的能力，对组件的耦合将增强系统内热能的内部恢复。

在四效吸收制冷系统中，溶液从吸收体流向并联地连接的第一228、第二230、第三232和第四234发电机。离开第一发电机238的溶液返回到多吸收体系统。离开第二发电机230的溶液流向第三发电机232，其流向与第二发电机230串联连接的第四发电机234。在各自的冷凝器236中冷凝来自每个发电机的制冷剂蒸汽。第四冷凝器242与第三发电机232交换热能，第三冷凝器240与第二发电机230交换热能，并且第二冷凝器238与第一发电机228交换热能。

在另一实施例中，利用四效吸收制冷系统，溶液从吸收体流向并联地连接的第一、第二、第三、第四和第五发电机。离开第一发电机的溶液返回到多吸收体系统。离开第二发电机的溶液流向第三发电机，其流向第四发电机，其流向与第二发电机串联连接的第五发电机。在各自的冷凝器中冷凝来自每个发电机的制冷蒸汽。第五冷凝器与第四发电机交换热量，第四冷凝器与第三发电机交换热量，第三冷凝器与第二发电机交换热量，并且第二冷凝器与第一发电机交换热量。可响应于附加输入温度的增加和提高的冷却要求，使用以上教导来添加附加的效用级。

参考图9，示出利用风力104功率和化学副产物的替代实施例的流程图。该替代实施例将施加于泵或压缩机的所生成的转动和/或线性运动用于液体、气体和/或工作流体的增压和传递。图9示出替代实施例，其中，使用来源于风力104功率的转动功的电能对化学和热副产物供电，以供使用和/或储存110。利用氨合成模块来使用和/或储存氨183，以供在燃气轮机中使用或供其他商业使用。同样，利用所述电能对电加热器供电，以用于热能储存110，从而便利用斯特林发动机116和/或蒸汽轮机176来使用。该发电允许产生化学副产物，包括但不限于氢、二氧化碳、一氧化碳、氨和氮。具有更低效率和非最优性能的另一实施例将需要蒸汽机的使用来取代斯特林过程发动机116。

参考图10，示出ULTRAGRID^TM 194软件控制层的示意图。人工智能管理系统(“AIMS”)的整合提供了基于软件和硬件的用于电网管理188、能量生成系统178、氢生成系统180、氨生产系统182、能量再生系统、性能调节、功率监测184、频率匹配186和控制系统冗余的一体化控制、数据采集和处理。这与机器学习组合，用于自动化维护调度，以获得增加的正常运行时间(uptime)可用性。该系统还提供安全的SCADA一体化解决方案，其用于针对本地和远程的视觉概况、监测和控制的数据对接。

替代实施例包括模块化的碱性跨水(Transaquatic)电解器(“MATE”)，其用于氢的大量生产，按比例缩放的气体输出基于可变的能量输入、氢生产和储存，其用于再售，或作为短期或长期的储存介质用于能量储存、备用生成燃料源，或作为供其他产物使用的基础。这将与氨生产系统(“APS”)182协作，该APS 182由对进入的高压气态氢和氮气的储存组成，其中，高压气态氢来自MATE式碱性氢电解器，而氮气来自用于高度定制化的哈伯/博施氨合成系统中使用的氮生成器。然后，冷却经转换的氨气，将其转换为液态，并输送到临时的或长期的储存183，供稍后使用和/或最终产物转换。将系统控制和数据管理整合到用于监督管理系统的中央控制系统和数据转移中。

此外，该系统提供对系统组件和传感器的主动式条件监测以实现健康监测，标识变化和趋势以优化总体性能，监测警报等级并联系待处理问题的维护以便在故障发生之前采用主动的维护调度方法。消费者电网管理188系统的整合提供了对能量生成的智能控制，以进行负载匹配190和负载生成系统的预计的要求，从而获得所生成能量的更高利用。该系统也积极地监测和控制再生能量系统，其用于备用和基本负载供应，以避免由缺乏能量生成可用性而导致的用电管制(brownout)。智能电网对接192和监测允许该系统控制能量生成并预计能量使用。

能量生成系统178的整合提供了对生成系统和负载供应系统的智能对接。系统间的数据交互允许具有少的电力尖峰(spike)的稳定的电网109的电力控制，同时增加促进能量处理和储存系统的最大效率的正常运行时间可用性。所整合的通信桥允许来自能量生成源178的局部地储存的能量与内部电网109协作，以便基于对热储存110系统的可变的输入能量进行功率转换。

能量储存系统的整合实现了具有最优的能量收集和任务关键性响应时间的最大能量生成，以实现最高的效率和安全等级。针对热密集型应用的按需的热能到电能和热能的整合允许及时的和响应性的能量生成能力，以便基于智能电网192的通信来响应繁重的基线负载要求和需求。

ULTRAGRID^TM 194系统的整合允许能量系统的快速相互作用以获得最大的电力可用性和灵活性来处理所有的系统需求和能量要求。该整合将兼容性和易用性延伸到附加的最初的最终用户产品设计和制造。此外，可替换其他设备供电和控制系统。按多层组件来设计ULTRAGRID^TM 194，多层组件潜在地由能量生成、能量储存、能量供应、电网层、消费者层和最终用户组件层组成。使用分层将允许简单的逻辑整合、灵活的信息访问、适应性和可扩展性、迅速的响应、快速而容易的安装和强健的/安全的操作。

优选实施例的另一改进是整合和包括/兼容外部软件包，即，ULTRAGRID^TM 194，其包括完整系列的消费者和商用产品和服务，这些产品和服务通过组合的软件和硬件解决方案，经由企业公用事业电网供应系统使效率和能量稳定性最大化。此外，可替换其他设备供电和控制系统。用于消费者的软件允许本地和远程使用以分析并控制个人能量使用，并且允许整合进ULTRAGRID^TM ZH1家庭控制和安全系统。用于消费者的硬件可包括独立的插件适配器，即ULTRAGRID^TM Z1允许插入普通的家用设备以允许它们成为智能设备。此外，可替代对其他当前可用的自动化和控制设备的兼容性和连接性以获得兼容性和连续性。另一改进涉及从启用ULTRAGRID^TM ZA1的智能设备监测和储存到的用户传感器数据，这些智能设备诸如使用共同数据接口和网络的电视机、冰箱和类似用户拥有的设备。系统的进一步改进在于，它将对其他ULTRAGRID^TM 194对接的STACS电网连接的场所检测电网能量负载平衡以实现标称负载供应，从而启用储备容量生成能力来实现电力质量和能量可用性增强。此外，该系统将对STACS热储存110电网连接的场地监测电网能量负载平衡和标称负载供应以启用储备容量生成能力。

此外，改进的系统将允许将能量生成器的电力损失从局部化储存重新分配和供应到在线和可用的状态。响应于ULTRAGRID^TM 194的命令和控制激活来初始化来自本地系统和其他活动的系统节点的该辅助模式以防止局部化电网109崩溃和电力质量波动。进一步的改进是包括ULTRAGRID^TM 194的兼容性，其允许来自所有场地的通信和对来自主要的集中式命令和控制的一体化网络操作中心的场地状态的管理。经互连的联网的数据控制系统和子系统将允许在所需的地点和时间引导能量，并且提供对废能和废热的有益的循环使用和回收。另一改进是昼夜循环期间伴随其变化和季节性平衡要求的增强型消费者电力质量和电网109的稳定性。通过在自然地发生在白天期间的主时段能量使用期间使用局部化消费者分布式热储存110来实现此。可经由在非峰时(off peak)时间期间外部电网能量到热的转换对此进行补充以维持最优的可用性和可靠性。

虽然已通过某种程度的具体性描述了本发明的各种代表性实施例，但是本领域技术人员可对所公开的多个实施例进行许多变更而不背离说明书和权利要求书中所陈述的发明主题的精神或范围。应当广泛地解释联合(joinder)引用(例如，附连的(attached)、粘附的(adhered)、加入的(joined))，并且联合引用可包括元件的连接之间的中介构件和元件间的相对运动。由此，联合引用不一定推断出两个元件被直接地连接，也不一定推断出两个元件处于相对于彼此的固定关系。此外，应当广泛地解释网络连接引用，并且其可包括在元件的网络连接之间的中介构件或设备。由此，网络连接引用不一定推断出两个元件彼此直接通信。在一些实例中，在本文中直接或间接陈述的方法中，虽然按照一种可能的操作顺序描述了各种步骤和操作，但是本领域技术人员将理解，可重新安排、替换或消除多个步骤和操作而不一定背离本发明的精神和范围。旨在将以上描述中所包含的和所附附图中所示的所有事物解释为仅是说明性的而非限制性的。可作出细节或结构上的改变而不背离所附权利要求书中所定义的本发明的精神。

虽然已参考以上概述的多个实施例描述了本发明，但是各种替代、修改、变型、改进和/或实质等同物(无论是已知的还是当前预见或可以预见的)至少对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。按某个顺序列出方法的多个步骤不构成对该方法的步骤顺序的任何限制。相应地，上述本发明的多个实施例旨在是说明性的而非限制性的。本领域技术人员将理解，可在形式和细节上作出改变而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明旨在涵盖所有已知的或更早开发的替代、修改、变型、改进和/或实质等同物。

Claims (32)

1.一种过程，包括：

a)捕捉能量；所述所捕捉的能量包括风能、光伏能和热能中的至少一个；

b)使用发电机、轮机、电解器、压缩机、气体分离器、热储存罐、斯特林发动机和化学反应器中的至少一个，将所述所捕捉的能量转换为至少一种中介物；

c)其中，所述中介物包括蒸汽、电、水、氢、氧、氮、氩、氖、氙、氪、熔融盐、乙二醇和水的混合物、以及氨中的至少两种；以及

d)将所述热能和中介物中的至少一种储存在至少一个储存介质中。

2.如权利要求1所述的过程，其特征在于，经由太阳能热能和地热能中的至少一个来捕捉所述热能。

3.如权利要求1所述的过程，其特征在于，由蒸馏器、发电机、轮机、电解器、压缩机和变压吸附模块中的至少两个来利用所述中介物以创造化学和热副产物中的至少一个。

4.如权利要求1所述的过程，其特征在于，由氨反应器、斯特林发动机、辐射加热回路和辐射冷却回路中的至少两个来利用所述热能。

5.如权利要求4所述的过程，其特征在于，所述斯特林发动机包括：

a）传动轴、发电机和轴承中的至少一个；

b）压缩侧汽缸、动力活塞、再生器区、置换器汽缸和活塞中的至少一个；

c）加大尺寸的高热的热回路，与所述置换器汽缸对接；以及

d）冰水冷却回路，与所述压缩侧汽缸对接。

6.如权利要求5所述的过程，其特征在于，多个定位构件以直线式、直排式v、双v、“W”或旋转式安排来对所述斯特林发动机的所述多个汽缸定位。

7.如权利要求5所述的过程，其特征在于，所述斯特林发动机包括附加的回路接口；所述附加的回路接口利用来自所述发动机的废热以加热废热回路中的介质。

8.如权利要求7所述的过程，其特征在于，利用所述附加的回路作为设备和区域中的至少一个的辐射热源。

9.如权利要求1所述的过程，其特征在于，将所述热能储存在从由下列各项组成的组中选出的介质中：

a）高热容流体；

b）中热容流体；

c）低热容流体；

d）工作流体；以及

e）以上的组合。

10.如权利要求9所述的过程，其特征在于，将所述介质储存在高热储存罐、中热储存罐和低热储存罐中的至少两个中。

11.如权利要求1所述的过程，其特征在于，进一步包括多效吸收制冷系统，其中，所述多效吸收制冷系统包括多个蒸发器、吸收体、热交换器和冷凝器。

12.如权利要求1所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）至少一个线性抛物线反射器；

b）至少一个线性接收器，包括至少一个高温吸收体、中温吸收体和协作的反射器和辐射器中的至少一个，所述协作的反射器和辐射器具有至少一个高温热流体捕捉回路和中温热流体捕捉回路；以及

c）新月形横向支撑物，附连所述线性抛物线反射器和所述线性接收器，并且允许所述线性抛物线反射器的不受阻的独立的转动运动。

13.如权利要求1所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）对现有电网的至少一个输入和输出。

14.如权利要求13所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）变电站，在所述所捕捉的能量、储存和转换设备以及所述现有电网之间。

15.如权利要求1所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）计算机化的控制系统，用于监测、处理、控制并重新分配所述所捕捉的能量、对所述至少一种中介物的转换和对所述所捕捉的能量的储存。

16.如权利要求15所述的过程，其特征在于，所述计算机化的控制系统基于先前的用户输入和所定义的规则中的至少一项，利用机器学习来适应需求改变。

17.如权利要求15所述的过程，其特征在于，所述计算机化的控制系统包括从由下列各项组成的组中所选择的至少一层：

a）主控制智能监督系统；

b）主网络操作中心；

c）网络操作中心；

d）消费设备和家居控制；以及

e）以上的组合。

18.一种过程，包括：

a）捕捉能量；所捕捉的能量包括风能、太阳能光伏能和热能；

b）经由蒸汽轮机或斯特林发动机转换所述所捕捉的能量中的至少一种以产生电能；

c）利用至少一种所捕捉的能量来操作发电机，以便产生至少一种中介物；

d)其中，所述中介物包括蒸汽、电、水、氢、氧、氮、氩、氖、氙、氪、和氨中的至少一个；

e）所述至少一种中介物操作蒸馏模块以对水进行净化；

f）所述至少一种中介物操作电解器以将所述经净化的水分解为所述经净化的水的组分化学品中的至少一个；

g）所述至少一种中介物操作压缩机以用于氨生产；

h）所述至少一种中介物操作氨反应器以用于氨生产；

i）所述至少一种中介物操作变压吸附模块以生产氮和稀有气体；以及

j）所述至少一种中介物和所述所捕捉的能量被储存在热能储存单元、化学储存单元和电网单元中的至少一个中。

19.如权利要求18所述的过程，其特征在于，经由太阳能热能和地热能中的至少一个来捕捉所述热能。

20.如权利要求18所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）对现有电网的输入和输出；由变电站将所述现有电网与能量捕捉、储存和转换过程分开。

21.如权利要求18所述的过程，其特征在于，将所述热能储存在至少一个对应的储存罐中的高热容流体、中热容流体、低热容流体和工作流体的组合中。

22.如权利要求21所述的过程，其特征在于，利用所述高热容流体、所述中热容流体、所述低热容流体和所述工作流体中的至少一个来操作至少一个氨冷却、蒸汽交换器以进行冷温能量储存。

23.如权利要求18所述的过程，其特征在于，所述斯特林发动机包括：

a）多汽缸斯特林循环热机，其中，将所述多个汽缸安排在至少两排中；

b）第一排汽缸，相对于第二排汽缸交错，并且所述第一排汽缸的纵向中心轴相对于所述第二排汽缸的纵向中心轴形成角度；

c）压缩侧汽缸、动力活塞、再生器区、置换器汽缸和活塞中的至少一个；

d）所述至少两排与多个定位构件有关，所述多个定位构件以线性、直排式“V”、双“V”、“W”或旋转式安排中的至少一个对所述多个汽缸定位；

e）加大尺寸的高热的热回路，与所述置换器汽缸对接；

f）冰水冷却回路，与所述压缩侧汽缸对接；

g）附加的回路接口；

h）所述附加的回路接口利用来自所述发动机的废热以加热废热回路中的介质；以及

i）将所述附加的回路用作设备和区域中的至少一个的辐射热源。

24.如权利要求18所述的过程，其特征在于，进一步包括多效吸收制冷系统，其中，所述多效吸收制冷系统包括多个蒸发器、吸收体、热交换器和冷凝器。

25.如权利要求24所述的过程，其特征在于，所述多效吸收制冷系统进一步包括：

a）第四发电机中的最高输入温度；

b）第四冷凝器和第三发电机之间的热交换器；

c）第三冷凝器和第二发电机之间的热交换器；

d）第二冷凝器和第一发电机之间的热交换器；

e）其中，每一个所述发电机去除制冷剂蒸汽的部分以将所述最高输入温度降低到对每一个相继的所述冷凝器的相继更低的温度。

26.如权利要求18所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）至少一个线性抛物线反射器；

b）至少一个线性接收器，包括：

i）至少一个高温吸收体；

ii）至少一个中温吸收体；以及

iii）协作的反射器和辐射器中的至少一个，所述协作的反射器和辐射器具有至少一个高温热流体捕捉回路和中温热流体捕捉回路；以及

c）新月形横向支撑物，附连所述线性抛物线反射器和所述线性接收器，并且提供所述线性抛物线反射器的不受阻的独立的转动运动。

27.如权利要求18所述的过程，其特征在于，进一步包括：

a）计算机化的控制系统，用于监测、处理、控制和重新分配所述所捕捉的能量、对所述中介物中的至少一种的转换和对所述所捕捉的能量的储存，所述计算机化的控制系统具有基于先前的用户输入和所定义的规则中的至少一项的机器学习；

b）至少一个控制层，所述层从由以下各项组成的组中选出：

i）主控制智能监督系统层；

ii）主网络操作中心层；

iii）网络操作中心层；

iv）消费设备和家居控制层；以及

v）以上的组合。

28.如权利要求26所述的过程，其特征在于，所述主控制智能监督系统层基于基本负载和峰化器需求输入来监督能量捕捉和生成，并且所述主网络操作中心层监测并分析电网操作、跟踪电力质量、创建计费和报告、控制并响应需求变化并且监测和控制能量储存。

29.一种过程，包括：

a）捕捉能量；所述所捕捉的能量包括风能、太阳能光伏能、太阳能热能和地热能；

b）经由蒸汽轮机或斯特林发动机，转换所述至少一种所捕捉的能量以产生电能；

c）利用所述至少一种所捕捉的能量来操作发电机，以便产生至少一种中介物；

d)其中，所述至少一种中介物包括蒸汽、电、水、氢、氧、氮、氩、氖、氙、氪、和氨中的至少一种；

e）所述至少一种中介物操作蒸馏模块以对水进行净化；

f）所述至少一种中介物操作电解器以将所述经净化的水分解为所述经净化的水的组分化学品中的至少一个；

g）所述至少一种中介物操作压缩机以用于氨生产；

h）所述至少一种中介物操作氨反应器以用于氨生产；

i）所述至少一种中介物操作变压吸附模块以生产氮和稀有气体；

j）将所述所捕捉的能量和中介物中的至少一个储存在热中介物中，所述热中介物包括高热容流体、中热容流体、低热容流体和工作流体的组合；

k）所述高热容流体、所述中热容流体、所述低热容流体和所述工作流体中的至少一个操作至少一个氨冷却、蒸汽交换器以进行冷温能量储存；

l）将所述所捕捉的能量和中介物中的至少一个储存为化学中介物和电中介物中的至少一种；

m）多效吸收制冷系统，其中，所述多效吸收制冷系统包括多个蒸发器、吸收体、热交换器和冷凝器；

n）所述多效吸收制冷系统进一步包括：

i）第四发电机中的最高输入温度；

ii）第四冷凝器和第三发电机之间的热交换器；

iii）第三冷凝器和第二发电机之间的热交换器；

iv）第二冷凝器和第一发电机之间的热交换器；

v）其中，每一个所述发电机去除制冷剂蒸汽的部分以将最高输入温度降低到对每一个相继的所述冷凝器的相继更低的温度；

o）至少一个线性抛物线反射器；

p）所述至少一个线性抛物线反射器与至少一个线性接收器对接；

q）所述线性接收器包括：

i）至少一个高温吸收体；

ii）至少一个中温吸收体；

iii）协作的反射器和辐射器中的至少一个，所述协作的反射器和辐射器包括至少一个高温热流体捕捉回路和中温热流体捕捉回路；

r）新月形横向支撑物，附连所述线性抛物线反射器和所述线性接收器，并且提供所述抛物线反射器的结构支撑和不受阻的独立的转动运动来跟踪太阳的运动；

s）8到24之间的所述反射器和所述接收器的比率；以及

t）所述过程连接至现有电网。

30.如权利要求29所述的过程，其特征在于，所述斯特林发动机包括：

j）多汽缸斯特林循环热机，其中，将所述多个汽缸安排在至少两排中；

k）第一排汽缸，相对于第二排汽缸交错，并且所述第一排汽缸的纵向中心轴相对于所述第二排汽缸的纵向中心轴形成角度；

l）压缩侧汽缸、动力活塞、再生器区、置换器汽缸和活塞中的至少一个；

m）所述至少两排与多个定位构件有关，所述多个定位构件按线性、直排式“V”、双“V”、“W”或旋转式安排中的至少一个对所述多个汽缸定位；

n）加大尺寸的高热的热回路，与所述置换器汽缸对接；

o）冰水冷却回路，与所述压缩侧汽缸对接。

p）附加的回路接口；

q）所述附加的回路接口利用来自所述发动机的废热以加热废热回路中的介质；以及

r）将所述附加的回路用作设备和区域中的至少一个的辐射热源。

31.如权利要求29所述的过程，其特征在于，由至少一个变电站将所述现有的电网与所述过程分开。

32.如权利要求29所述的过程，其特征在于，进一步包括计算机化的控制系统，所述计算机化的控制系统具有基于先前的用户输入和所定义的规则中的至少一项的机器学习，并且用于监测、处理、控制和重新分配捕捉、转换和储存步骤中的至少一个步骤，其中，所述计算机化的控制系统包括以下各项中的至少一个：

j）主控制智能监督系统；

k）主网络操作中心；

l）网络操作中心；以及

m）消费设备和家居控制；

其中，所述主控制智能监督系统层基于基本负载和峰化器需求输入监督能量捕捉和生成，并且所述主网络操作中心层监测并分析电网操作、跟踪电力质量、创建计费和报告、控制并响应需求变化并且监测和控制能量储存；

其中，所述网络操作中心监测并分析电力、峰值供应和频率稳定性，并且所述消费者控制层监测并报告最终用户的居住使用，并向最终用户提供对居住和设备的控制。