JP2009528469A - エネルギーを貯蔵する方法および極低温エネルギー貯蔵システム - Google Patents
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- F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
- F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
- F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
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- F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
- F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
- F25J1/004—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by flash gas recovery
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- F25J1/0032—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration"
- F25J1/0045—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using the feed stream itself or separated fractions from it, i.e. "internal refrigeration" by vaporising a liquid return stream
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- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0221—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using the cold stored in an external cryogenic component in an open refrigeration loop
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- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
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- F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
- F25J1/0234—Integration with a cryogenic air separation unit
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- F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
- F25J1/0235—Heat exchange integration
- F25J1/0242—Waste heat recovery, e.g. from heat of compression
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- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
- F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
- F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
- F25J1/0251—Intermittent or alternating process, so-called batch process, e.g. "peak-shaving"
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- F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
- F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
- F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
- F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
- F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
- F25J3/04012—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit by compression of warm gaseous streams; details of intake or interstage cooling
- F25J3/04018—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit by compression of warm gaseous streams; details of intake or interstage cooling of main feed air
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
- F25J3/04078—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit providing pressurized products by liquid compression and vaporisation with cold recovery, i.e. so-called internal compression
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04006—Providing pressurised feed air or process streams within or from the air fractionation unit
- F25J3/04109—Arrangements of compressors and /or their drivers
- F25J3/04115—Arrangements of compressors and /or their drivers characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
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- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
- F25J3/04163—Hot end purification of the feed air
- F25J3/04169—Hot end purification of the feed air by adsorption of the impurities
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- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04151—Purification and (pre-)cooling of the feed air; recuperative heat-exchange with product streams
- F25J3/04187—Cooling of the purified feed air by recuperative heat-exchange; Heat-exchange with product streams
- F25J3/04218—Parallel arrangement of the main heat exchange line in cores having different functions, e.g. in low pressure and high pressure cores
- F25J3/04224—Cores associated with a liquefaction or refrigeration cycle
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04472—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages
- F25J3/04496—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air using the cold from cryogenic liquids produced within the air fractionation unit and stored in internal or intermediate storages for compensating variable air feed or variable product demand by alternating between periods of liquid storage and liquid assist
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
- F25J3/04527—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general
- F25J3/04533—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the direct combustion of fuels in a power plant, so-called "oxyfuel combustion"
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- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
- F25J3/04593—The air gas consuming unit is also fed by an air stream
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
- F25J3/04612—Heat exchange integration with process streams, e.g. from the air gas consuming unit
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04521—Coupling of the air fractionation unit to an air gas-consuming unit, so-called integrated processes
- F25J3/04612—Heat exchange integration with process streams, e.g. from the air gas consuming unit
- F25J3/04618—Heat exchange integration with process streams, e.g. from the air gas consuming unit for cooling an air stream fed to the air fractionation unit
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
- F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
- F25J3/04—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream for air
- F25J3/04763—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used
- F25J3/04769—Operation, control and regulation of the process; Instrumentation within the process
- F25J3/04812—Different modes, i.e. "runs" of operation
- F25J3/04836—Variable air feed, i.e. "load" or product demand during specified periods, e.g. during periods with high respectively low power costs
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
- F05B2210/00—Working fluid
- F05B2210/10—Kind or type
- F05B2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2210/00—Working fluids
- F05D2210/10—Kind or type
- F05D2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
- F25J2205/60—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using adsorption on solid adsorbents, e.g. by temperature-swing adsorption [TSA] at the hot or cold end
- F25J2205/62—Purifying more than one feed stream in multiple adsorption vessels, e.g. for two feed streams at different pressures
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
- F25J2210/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
- F25J2210/42—Nitrogen
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
- F25J2210/62—Liquefied natural gas [LNG]; Natural gas liquids [NGL]; Liquefied petroleum gas [LPG]
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2215/00—Processes characterised by the type or other details of the product stream
- F25J2215/40—Air or oxygen enriched air, i.e. generally less than 30mol% of O2
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Abstract
Description
「Air separation and liquefaction:recent developments and prospects for the beginning of the new millennium」Castle W.F.、International Journal of Refrigeration、25、158〜172、2002年 「Energy analysis of cryogenic air separation」Cornelissen R.L.and Hirs G.G.、Energy Conservation and Management、39、1821〜1826、1998年 J.Kondoh等の「Electrical energy storage systems for energy networks」(2000年、Energy Conversion & Management、41巻、1863〜1874ページ) P.Denholm等の「Life cycle energy requirements and greenhouse gas emissions from large scale energy storage systems」(2004年、Energy Conversion and Management、45巻、2153〜2172ページ) F.R.Mclarnon等の「Energy storage」(1989年、Annual Review of Energy、14巻、241-271ぺージ)
ガス入力を供給する段階と、
ガス入力から冷凍剤を生産する段階と、
冷凍剤を貯蔵する段階と、
冷凍剤を膨張させる段階と、
タービンを駆動するために膨張した冷凍剤を使用する段階と、
冷凍剤の膨張から低温のエネルギーを回収する段階と、を含む、エネルギーを貯蔵する方法を提供する。
冷凍剤の供給源と、
冷凍剤貯蔵設備と、
冷凍剤を膨張させる手段と、
膨張する冷凍剤によって駆動可能なタービンと、
冷凍剤の膨張中に放出される低温のエネルギーを回収する手段と、を備える、極低温エネルギー貯蔵システムも提供する。
1)大気に直接的に排出され、かつ/または冷却または冷凍のために使用される。
2)供給原料として空気液化施設200内にフィードバックされる。
3)発電施設400に導入される。
1)極低温施設または貯蔵所からの液体空気が冷凍剤タンク550内に送られる。
2)圧送され、加熱され、過熱された後に、作動流体は推進力および/または電気を供給する目的で、推進器505および/または発電機515を駆動するために膨張する。
3)同時に、大気からの空気の流れ(入力の空気1)が圧縮され、熱交換器525、530、535、540に導入される。入力の空気1に含まれる圧縮熱(compression heat)は、船に温水/暖気を供給するために熱交換器525を介して抽出できる。次いで、入力の空気1は、熱交換器530、535、540を通って流れながら作動流体から冷熱を抽出する。最後に、入力の空気1は、液体空気を生産するために流量調節され、冷凍剤タンク550に貯蔵される。
4)周囲温度での入力の空気2および水は、上記に示されるような暖気/水を生産する目的で、入力の空気1に含まれる圧縮熱を抽出するために熱交換器525に導入される。
図3のCESシステムに関する、周囲条件で2つ、低圧で1つ、および高圧で1つの、4つの一般的なサイクルが、入力の空気の圧力の点で検討される。これらの分析では、液体空気が単一の位相の流体として扱われ、ガス状の空気が理想気体として扱われる。コンプレッサ310、タービン320、ポンプ380、および流量調節弁360でのエネルギー損失は、効率ηを使用することによって計算される。これらの熱力学分析に関して、管、弁、および曲げでの流れによる摩擦および領域的な損失は無視され、貯蔵の間の冷凍剤の消散は考慮されない。周囲温度および圧力は、それぞれT0およびP0によって表され、液体空気の臨界温度および沸騰温度は、それぞれTcrおよびTSとして示される。
理想の熱力学サイクルが図5に示される。これらの過程、およびこれらの過程の仕事、熱、および/またはエクセルギーは、
1)過程5-7、作動流体の圧送過程
冷凍剤タンクからの作動流体(液体空気)が圧送されて、断熱的に周囲の圧力P0からP2になる。特定の仕事(液体空気の単位質量当たりの仕事)が、力学の視点から
仕事は熱力学の第1の法則から状態7と5の間のエンタルピの差によっても表すことができる、すなわちW5-7=h7-h5である。
作動流体が入力の空気TSによって周囲温度T0に加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0であり、すなわちW7-8=0である。入力の空気から作動流体によって吸収される特定の熱はQ7-8=h8-h7である。したがって、過程のエクセルギー損失は、Ex7-8=T0(S8-S7)-(h8-h7)である。
高圧の作動流体はタービンで膨張し、それによって発電機が駆動され、周囲温度T0で電気を生成する。この過程でタービンによって行われる特定の理想の仕事は、W8-0=T0(S0-S8)-(h0-h8)によって与えられる。大気から作動流体によって膨張中に吸収される特定の熱はQ8-0=T0(S0-S8)である。
入力の空気は、作動流体から低温のエネルギーを等圧的に抽出するのに使用される。この過程で理論的には仕事はまったく必要でない、すなわちW0-6=0である。作動流体から入力の空気によって吸収される特定の冷熱は、Q0-6=h6-h0である。過程の間に入力の空気によって得られるエクセルギーは、Ex0-6=T0(S0-S6)-(h0-h6)である。
入力の空気は作動流体によって放出される低温のエクセルギーによって凝縮され、それによってなされる必要がある仕事は0、すなわちW6-5=0である。作動流体から入力の空気によって吸収される特定の低温のエネルギーはQ6-5=h5-h6=λ、ただしλは蒸発潜熱である。入力の空気により得られる、対応するエクセルギーは、Ex6-5=T0(S6-S5)-(h6-h5)である。作動流体の質量流量(mass flow)が1であると想定すると、入力の空気の質量流量はxであり、次いで熱収支はQ7-8≧x(Q0-6+Q6-5)によって与えられ、ただし、Q7-8=h8-h7、Q0-6=h6-h0、およびQ6-5=h5-h6である。上記の等式にこれらの表現を挿入すると、h8-h7≧x(h0-h5)が与えられる。P2が与えられると、h8、h7、h0、h5が決定でき、xが
図6では、作動液は周囲温度からの温度差の存在によってT8にのみ加熱でき、入力の空気はT6にのみ冷却できる。T6'はT6(沸騰温度)より高いので、入力の空気は空気液化施設で液化される必要があり、次いで状態5でCESシステムにフィードバックされる。図6に示される過程に関する仕事、熱、および/またはエクセルギーは、以下に与えられる。
この図6の過程は、図5に示される過程と同じである。冷凍剤タンクからの液体空気は、周囲圧力P0からP2にポンプによって加圧される。液体空気に行われる特定の仕事は、
作動流体は、入力の空気によって周囲温度T8(=T0)の代わりにTSからT8に加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW7-8=0である。入力の空気から作動流体によって吸収される特定の熱はQ7-8'=h8'-h7である。したがって、過程でのエクセルギー損失はEx7-8'=T0(S8'-S7)-(h8'-h7)である。
高圧での作動流体はタービン内で膨張し、それによって発電機を等温的に駆動し、電気を生成する。この過程でタービンによって行われる特定の理想の仕事は、W8'-0'=T0'(S0'-S8')-(h0'-h8')によって与えられる。大気から作動流体によって膨張中に吸収される特定の熱はQ8'-0'=T0'(S0'-S8')である。
入力の空気は、作動流体から冷熱を等圧的に抽出するのに使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW0-6'=0である。作動流体から入力の空気によって抽出される特定の冷熱はQ0-6'=h6'-h0である。したがって、過程で入力の空気によって得られるエクセルギーは、Ex0-6'=T0(S0-S6')-(h0-h6')である。
入力の空気は空気液化施設で冷却および凝縮される。作動流体の質量流量が1であると想定すると、入力の空気の質量流量はxであり、サイクルの熱収支はQ7-8'≧xQ0-6'によって与えられ、ただし、Q7-8'=h8'-h7、Q0-6'=h6'-h0、上式は、h8-h7≧x(h0-h6')になる。P2、およびT8、T8'、T6、T6'の間の温度差が与えられると、h8'、h7、h0、h6'が決定でき、xは、
低い入力の空気の圧力に関するCESの熱力学サイクルが図8に示される。ここでは、用語「低圧」は、空気の蒸発がほぼ等温である、約3.8MPa以下の圧力を示す。サイクルは、上述した過程と同様の以下の過程からなる。
入力の空気は周囲の圧力P0からP1に等温的に圧縮される。コンプレッサによって空気に行われる仕事は、W0-2=T0(S0-S2)-(h0-h2)である。この等温過程の熱Q0-2は、Q0-2=T0(S0-S2)である。不都合なことに、絶対的な等温加圧過程を実現することは困難であり、実際の過程は0-1などのポリトロープ過程である。
圧縮された入力の空気は、作動流体から低温のエネルギーを等圧的に抽出するのに使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW2-3=0である。過程2-3で入力の空気から放出される熱は、Q2-3'=h3'-h2である。過程3-3'で入力の空気から放出される熱は、Q3'-3=h3'-h3=T3(S3'-S3)=λである。したがって、過程で得られるエクセルギーは、Ex2-3=T0(S3-S2)-(h3-h2)によって与えられる。
圧縮された入力の空気は、凝縮のために周囲の圧力に流量調節される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW3-4=0である。入力の空気から放出される熱は0、すなわちQ3-4=0である。作動流体の1つのユニットを考慮すると、入力の空気の総量は、そのうちの端数yが液化されるxユニットであり、状態5での液化された空気の量はxyになり、状態6でのガス状の空気の量はx(l-y)になる。過程3-4-5(-6)の間の熱収支は、h3=yh5+(1-y)h6である。
図8の過程5-7は、冷凍剤タンクからの液体空気が圧送されて周囲圧力P0からP2になる、図5の過程と同じである。液体空気に行われる特定の仕事は、
作動流体はT3で入力の空気を凝縮するために加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0であり、すなわちW7-7=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ7-7'=h7'-h7である。
作動流体は入力の空気によってT7'からT8に加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW7'-8=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ7'-8=h8-h7'である。過程7-8で放出されるエクセルギーは、W7-8=T0(S8-S7)-(h8-h7)である。
作動流体はT8からT9によって過熱され、そこでは仕事はまったく行われず、すなわち、W8-9=0であり、一方でこの過程の間入力の空気から吸収される特定の熱は、Q8-9=h9-h8である。
高圧を伴う作動流体は、タービン内で等温的に膨張し、それによって電気を生成するために仕事を出力する。この過程で行われる理想の仕事は、W9-10=T9(S10-S9)-(h10-h9)である。過程において周囲から作動流体によって吸収される特定の熱はQ9-10=T9(S10-S9)である。等温膨張を確実にするために、T9は周囲温度よりも高く、それによって発電施設から得られた廃熱からのエネルギーが必要になることを留意されたい。空気の膨張が断熱過程である場合、特定の理想の仕事Wadは、
排気(流量調節後の入力の空気の一部分)は、入力の空気を等圧的に凝縮するために使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW6-6'=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ6-6'=h6'-h6である。したがって、3'-3、7-7'、および6-6'の熱収支は、xQ3'-3=Q7-7'+x(1-y)Q6-6'、x(h3-h3')=(h7'-h7)+x(1-y)(h6'-h6)によって与えられる。
排気は入力の空気を等圧的に冷却するために使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW6'-0=0である。排気から入力の空気によって吸収される特定の冷熱は、Q6'-0=h0-h6'である。2-3'、7'-8、および6'-0の熱収支は、xQ2-3'≦Q7'-8+x(1-y)Q6'-0、x(h2-h3')≦(h8-h7')+x(1-y)(h0-h6')として表される。過程6-0で得られるエクセルギーは、Ex0-6=T0(S0-S6)-(h0-h6)である。サイクルの熱収支およびエクセルギー収支から、図8のT-S図に基づいて以下の式
高い入力の空気の圧力の場合に関するCESの熱力学サイクルが図9に示される。ここでは、用語「高い入力の空気の圧力」は、その上では空気がまったく等温の蒸発過程を有しない、3.8MPaよりも圧力が高いことを意味する。この場合の過程は以下の通りである。
入力の空気は周囲の圧力P0からP1に等温的に圧縮される。コンプレッサによって空気に行われる仕事は、W0-2=T0(S0-S2)-(h0-h2)である。この等温過程の熱Q0-2は、Q0-2=T0(S0-S2)である。不都合なことに、絶対的な等温加圧過程を実現することは困難であり、実際の過程は0-1になる。
圧縮された入力の空気は、作動流体から低温のエネルギーを等圧的に抽出するのに使用される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW2-3=0である。過程2-3に関して入力の空気から放出される熱は、Q2-3=h3-h2である。過程で得られるエクセルギーは、Ex2-3=T0(S3-S2)-(h3-h2)によって与えられる。
圧縮された入力の空気は、凝縮のために周囲の圧力に流量調節される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW3-4=0である。入力の空気から放出される熱は0、すなわちQ3-4=0である。低い入力の空気の圧力の場合と同様に、1つのユニットの作動流体を考慮し、その端数yが液化されるxユニットの入力の空気の総和を想定すると、状態5で液化によって生産される液体空気の量はxyであり、状態6でのガス状空気の量はx(1y)である。したがって、3-4-5(6)の熱収支は、h3=yh5+(1-y)h6と表される。
この過程は、図6の過程と同じである。冷凍剤タンクからの液体空気は、圧送されて周囲圧力P0からP2になる。ユニット質量の液体空気に行われる仕事は、
作動流体はT3で入力の空気を凝縮するために加熱され、この過程W7-8=0に伴う仕事がある。入力の空気から吸収される特定の熱はQ7-8=h8-h7である。過程7-8で放出されるエクセルギーは、W7-8=T0(S8-S7)-(h8-h7)である。
作動流体は入力の空気によってT8からT9に過熱され、そこでは仕事はまったく行われない、すなわちW8-9=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ8-9=h9-h8である。
高圧を伴う作動流体はタービン内で膨張し、等温的に仕事が行われる。この過程で行われる特定の仕事はW9-10=T9(S10-S9)-(h10-h9)であり、この過程で吸収される特定の熱はQ9-10=T9(S10-S9)である。低い圧力の場合と同様に、T9は周囲温度よりも高く、発電施設からの廃熱はこの過程を等温に保つために必要である。作動流体の膨張が断熱である場合、特定の理想の仕事Wadは、
流量調節後の排気は入力の空気を等圧的に冷却するために使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW6-0=0である。入力の空気によって吸収される特定の冷熱はQ6-0=h0-h6である。過程2-3、7-8、および6-0の間の熱収支は、xQ2-3=Q7-8+x(l-y)Q6-0,x(h2-h3)=(h8-h7)+x(1-y)(h0-h6)である。過程6-0で得られるエクセルギーは、Ex0-6=T0(S0-S6)-(h0-h6)である。過程2-3、3-4-5-6、7-8、6-0の熱収支およびエクセルギー収支に基づいて、xおよびyが空気に関するT-S図に基づいた以下の等式
1)CESのエネルギー効率およびエネルギー密度は、低温のエネルギーのリサイクルによって、液体窒素により動力を与えられたエンジンと比較して向上する。
2)エネルギー貯蔵システムの全体の性能は、タービン効率、ならびに空気液化施設の特定の仕事量および特定のエネルギー消費によって決定される。
3)熱交換器の間の温度差での増加は、液体空気の消費を増加させ、したがってサイクル効率を低下させる。
4)CESのエネルギー効率および密度は、発電施設からの廃熱が利用される場合に向上する。
図10aは、本発明によるCPSの熱力学サイクルを示す。以下のライン、すなわち作動流体-ライン580、入力の空気1-ライン585、入力の空気2-ライン590、および入力の空気3-ライン595によって示される4つの空気の流れがある。これらの分析では、液体空気が単一の位相の流体として扱われ、ガス状の空気が理想気体として扱われる。コンプレッサ520、タービン510、ポンプ555でのエネルギー損失は、効率ηを使用することによって計算される。これらの熱力学分析に関して、管、弁、および曲げでの流れによる摩擦および領域的な損失は無視され、貯蔵の間の冷凍剤の消散は考慮されない。周囲温度および圧力は、それぞれT0およびP0によって表され、液体空気の沸騰温度はTSとして示される。
冷凍剤タンクからの作動流体(液体空気)が圧送されて、周囲の圧力P0からP2になる。液体空気に行われる特定の仕事は、
作動流体はT1で入力の空気を凝縮するために加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW2-2'=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ2-2'=h2'-h2である。
作動流体は入力の空気によってT2'からT3に加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW2'-3=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ2'-3=h3-h2'である。過程2-3で放出されるエクセルギーはEx2-3=T0(S3-S2)-(h3-h2)である。
高圧を伴う作動流体は、タービン内で等温的に膨張し、それによって推進力および電気を生成するための仕事が行われる。この過程で行われる特定の理想の仕事はW3-0=T0(S0-S3)-(h0-h3)である。過程において周囲から吸収される特定の熱はQ3-0=T0(S0-S3)である。作動流体の膨張が断熱的である場合、特定の理想の仕事Wadは、
入力の空気1は周囲の圧力P0からP1にポリトロープ的に圧縮される。コンプレッサによって空気に行われる仕事は、
入力の空気1の熱は、暖気/または温水を生成するために入力の空気2または水に放出される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW4-5=0である。過程4-5で入力の空気1から放出される熱は、Q4-5=h4-h5である。
圧縮された入力の空気1は、等圧的に作動流体によって冷却され、作動流体内の低温のエネルギーが同時に抽出される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW5-7=0である。過程5-6で入力の空気1から放出される熱は、Q5-6=h5-h6である。過程6-7で入力の空気から放出される熱は、Q6-7=h6-h7=T6(S6-S7)=λである。したがって、過程で得られるエクセルギーは、Ex5-6-7=T0(S5-S7)-(h5-h7)によって与えられる。
圧縮された入力の空気1は、凝縮のために周囲の圧力に流量調節される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW7-8=0である。入力の空気から放出される熱は0、すなわちQ7-8=0である。
排気(流量調節後の入力の空気1の一部分)は、入力の空気を等圧的に凝縮するために使用される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW9-9'=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ9-9'=h9'-h9である。
排気(入力の空気1の一部分)が使用されて、入力の空気1を等圧的に冷却する。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW9'-0=0である。排気から入力の空気1によって吸収される特定の冷熱は、Q9'-0=h0-h9'である。過程9-0で得られるエクセルギーは、Ex9-0=T0(S0-S9)-(h0-h9)によって与えられる。
作動流体の冷熱が、空気調節に使用される低温空気の生産のために入力の空気3によって抽出される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW0-10=0である。過程0-10での作動流体からの低温のエネルギーはQ0-10=h0-h10である。
作動流体の冷熱が冷凍のために入力の空気4によって抽出される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW0-11=0である。過程0-11での作動流体からの低温のエネルギーはQ0-11=h0-h11である。
入力の空気1の熱は、暖気/温水の生成のために入力の空気2/水によって抽出される。この過程で行われる仕事は0、すなわちW0-12=0である。過程0-12で入力の空気1から放出される熱は、Q0-12=h12-h0である。
1つのユニットの作動流体に関して、入力の空気1の総量がx1、入力の空気2の総量がx2と想定すると、空気調節用にx3ユニット、および冷凍用にx4ユニットを有して、入力の空気3/4の総量がx3+x4である。1つのユニットの作動流体では、入力の空気1に対してa1ユニットが使用され、入力の空気3/4を冷却するのにa2+a3ユニットが使用され、その場合、x3にa2、x4にa3が対応する。熱力学の第1および第2の法則によれば、以下の熱およびエクセルギーの収支を得ることができる。
a1ユニットの作動流体に関して、yの割合の入力の空気1が液化され、状態1の液化された空気の量がx/yになり、状態9でのガス状の空気の量がx1(1-y)になる。過程7-8-9(-1)の間の熱収支は、h7=yh1+(1-y)h9である。上式から入力の空気の液化の比率yは、
6-7、2-2'、および9-9'の熱収支はx1Q6-7=a1Q2-2'+x1(1-y)Q9-9'、x1(h6-h7)=a1(h2'-h2)+x1(1-y)(h9'-h9)によって与えられる。x1は、
5-6、2'-3、および9'-0の熱収支は、x1Q5-6≦a1Q2-3+x1(1-y)Q9'-0、x1(h5-h6)≦a1(h3-h2)+x1(1-y)(h0-h9')として表すことができる。
過程4-5、および0-12の間の熱収支は、x2(h12-h0)=x1(h5-h4)によって表すことができる。x2は、
過程0-10および2-3での熱収支は、x3(h0-h10)=a2(h3-h2)によって表すことができる。x3は、
過程0-11および2-3での熱収支は、x4(h0-h11)=a3(h3-h2)によって表すことができる。x4は、
過程5-7、2-3、および9-0のエネルギー収支は、x1Ex5-7≦a1Ex2-3+x1(1-y)Ex0-9、x1[T0(S5-S7)-(h5-h7)]≦al[T0(S3-S2)-(h3-h2)]+x1[T0(S0-S9)-(h0-h9)]として表すことができる。
以下の分析は、
1)最大の特定の仕事WRは、CPSのエネルギー密度の上限を与える。周囲温度T0=300Kが使用される場合、値は約743kJ/kgである。
2)低温のエネルギーのリサイクルがまったくない場合、理想の特定の仕事量はWoutput=W3-0-W1-2になる。実際の値
CESシステムの性能に関する様々なパラメータの影響をシミュレートするためにFortran90の環境でコンピュータコードが書かれた。コードは、最も複雑な場合である、周囲圧力の上の圧力と3.8MPaの間で動作される熱力学サイクル(図8を参照されたい)に関して書かれる。コードは、高圧の場合(図9を参照されたい)、および周囲条件(図5から7を参照されたい)に関して容易に使用できる。以下のものを含む6つのパラメータが考慮された。
・ 作動流体の圧力(P2)
・ 入力の空気の圧力(P1)
・ タービン効率(ηT)
・ コンプレッサ効率(ηCOM)
・ ポンプ効率(ηP)
・ 空気液化施設の効率(ηA)
・ 過熱を伴わない理想のサイクル効率(EE)
・ 過熱を伴う理想のサイクル効率(Esup)
・ 過熱を伴わない実際のサイクル効率(E'E)
・ 過熱を伴う実際のサイクル効率(E'sup)
CESと関連する熱力学サイクルの4つの効率が、異なる入力の空気の圧力(P1)において作動流体の9の異なる圧力(P2=0.2MPa、0.4MPa、1.0MPa、2.0MPa、4.0MPa、10MPa、20MPa、30MPa、40MPa、および50MPa)の下で図11から18に示される。周囲温度はT0=300Kであると想定され、過熱温度はT9=400Kとしてとられ、タービン、コンプレッサ、およびポンプ効率は0.88(ηT=ηCOM=ηP=0.88)として想定された。熱交換器の温度差は、この段階では考慮されない。これは、以下に論じられる。
過熱を伴わない、また伴うCESの実際の効率が、作動流体の所与の圧力(P2=20MPa)に関する入力の空気(P1)の圧力の関数として、それぞれ図19および20にプロットされる。タービン、コンプレッサ、およびポンプの3つの効率(ηT、ηP、ηCOM=0.80、0.84、0.88)が考慮される。これらの数字の検証から、実際の効率は、過熱を伴い、および過熱を伴わずに3つの構成要素(タービン、コンプレッサ、およびポンプ)の効率の増加と共に増加することが理解できる。過熱することなく、周囲圧力(P1=0.1MPa)で最大の効率が生じ、入力の空気の圧力が増加すると共に効率(E'E)が急激に低下する。過熱すると、入力の空気の圧力(P1)が0.1と0.4MPaの間で増加すると共に、最初に効率が急激に低下する。0.4と約2MPaの間でP1がさらに増加しても、効率はほとんど変わらない。しかし、P1を約4MPaにさらに増加させると液体空気の大部分が生産されるので効率が大きく上昇する。P1が4MPaを超えてさらに増加すると、圧縮の仕事が増加することにより効率が低下する。効率のプロットに2つのピークがあり、ピーク値は3つの構成要素(タービン、コンプレッサ、およびポンプ)の効率に依存する。0.88の構成要素の効率に関して、CESの最良の効率はP1=4MPaで生じる。0.80および0.84の構成要素の効率に関して、CESの最良の効率はP1=0.1MPaで生じる。
上記に示されたように、2つの組の条件、すなわち(P1=0.1MPa、P2=20MPa)、および(P1=4.0MPa、P2=20MPa)が考慮される。コンプレッサおよびポンプ効率は0.88(ηCOM=ηP=0.88)としてとられた。周囲温度はT0=300Kとして想定され、過熱温度はT9=400Kである。熱交換器の間の温度差は考慮されない。0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つのタービン効率でシミュレーションが行われ、それぞれ熱のリサイクルを伴わず、また伴い図21および22に結果が示された。両方の場合のCESの効率は、タービン効率が上昇すると共に単調に増加する。しかし、CESの効率への依存は、P1、タービン効率、および廃熱の使用の関数である。タービン効率が1パーセントだけ上昇すると、P1=0.1MPaに関して熱のリサイクルを伴い0.318%だけCES効率が増加し、P1=0.1MPaに関して熱のリサイクルを伴い0.690%だけCES効率が増加し、P1=4.0MPaに関して熱のリサイクルを伴わずに0.428%だけCES効率が増加し、P1=4.0MPaに関して熱のリサイクルを伴い2.742%だけCES効率が増加する。
コンプレッサ効率のCESの効率への効果が、熱のリサイクルを伴わず、また伴い、それぞれ図23および24に示される。以下の条件P1=0.1または4.0MPa、P2=20MPa、T0=300K、T9=400K、およびηT=ηP=0.88によって、0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つのコンプレッサ効率に関してシミュレーションが行われた。熱交換器の間の温度差は考慮されない。
以下の条件P1=0.1または4.0MPa、P2=20MPa、T0=300K、T9=400K、およびηT=ηP=0.88に関する、0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つのポンプ効率に関してシミュレーションが行われた。熱交換器の間の温度差は考慮されない。それぞれ熱のリサイクルを伴わない、また伴う、図25および26に結果が示され、そこから両方のCESサイクル効率が、ポンプ効率の上昇と共に単調に増加することが理解できる。しかし上昇はほんのわずかであり、1パーセントのポンプ効率の上昇により、熱のリサイクルを伴わずにP1=0.1MPaに関して0.025%しかCESサイクル効率が上昇せず、熱のリサイクルを伴いP1=0.1MPaに関して0.068%しかCESサイクル効率が上昇せず、熱のリサイクルを伴わずにP1=4.0MPaに関して0.022%しかCESサイクル効率が上昇せず、熱のリサイクルを伴いP1=4.0MPaに関して0.072%しかCESサイクル効率が上昇しない。
図27および28は、生産される液体空気のキログラム当たりのエネルギー消費の関数としてのCESの効率を示す。0.400、0.375、0.350、0.325、0.300、および0.275kWh/kgの6つのレベルのエネルギー消費が考慮され、それぞれηA=0.516、0.559、0.602、0.645、0.688、および0.731の空気分離施設の効率に対応する。これらのレベルのエネルギー消費の根拠は、現在の液体空気のエネルギー消費が約0.4kWh/kgであり、2010から2020までに約0.28-0.3kWh/kgに低下すると期待される。その他の条件は、P1=0.1または4.0MPa、P2=20MPa、T0=300K、T9=400K、およびηT=ηP=ηCOM=0.88である。
CESシステムの性能に関する様々なパラメータの影響をシミュレートするためにFortran90の環境でコンピュータコードが書かれた。コードは、周囲圧力の上の圧力と38バールの間で動作される熱力学サイクル(図10aを参照されたい)に関して書かれ、それは高圧の場合(図10bを参照されたい)に関しても使用できる。以下のものを含む7つのパラメータが考慮された。
・ 入力の空気1の圧力(P1)
・ 周囲温度(T0)
・ タービン効率(ηT)
・ コンプレッサ効率(ηCOM)
・ ポンプ効率(ηP)
・ 圧縮のポリトロープ係数(n)
・ タービンでの膨張の非等温性
CPSの理想および実際の効率が、入力の空気1の14の異なる圧力(P1=1.0bar、2.0bar、3.0bar、4.0bar、6.0bar、8.0bar、10bar、12bar、l4bar、l6bar、l8bar、20bar、30bar、40bar)の下で図29にプロットされる。周囲温度は300Kとして取られ、コンプレッサのポリトロープ係数が1.2として取られ、タービン、コンプレッサ、およびポンプの3つの係数(ηT=ηP=ηCOM=0.88、0.84、0.80)が考慮された。図29の検証から、CPS効率は、3つの構成要素(タービン、コンプレッサ、およびポンプ)の効率の増加と共に上昇することが理解できる。効率は最初に、入力の空気1の圧力の増加と共に上昇し、次いでピークに達した後に低下する。最大の効率は、それぞれηCOM=1(理想)、0.88、0.84、0.80である場合に0.793、0.679、0.646、0.613であることが分かった。理想の場合に関しては、CPSのピーク効率はP1=約14バールで生じる。ピークが生じる入力の空気1の最適の圧力は、構成要素の効率の低下すなわち0.88に関してP1=8bar、0.84および0.80に関してP1=約6バール共に低下する。
図30は、n=1.2およびηT=ηP=ηCOM=0.88の場合の270K、280K、290K、300K、および310Kの5つの周囲温度に関するP1=8バール、およびP2=200バールでの周囲温度のCPS効率への影響を示す。周囲温度が270K、280K、または290Kである場合、空気調節用の低温空気を計算に入れることが不要であると見なされる。CPS効率は周囲温度の上昇と共に単調に上昇することが明らかである。周囲温度が270Kから310Kに増加すると、CPS効率は14.9%だけ上昇する。290Kよりも高い温度での空気調節に関する低温のエネルギーの利用により、290Kから300Kへの効率の急激な上昇がある。したがって、CPSは熱帯領域などの高い周囲温度を有する場所でよりよく動作すると結論される。
図31は、ηCOM=ηP=0.88、n=1.2、T0=300K、P2=200バール、およびP1=8バールの場合のηT=0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つの値に関するCPSの全体の効率へのタービン効率の影響を示す。CPS効率は、タービン効率の上昇と共にほぼ直線的に上昇する。タービン効率が1%だけ上昇すると、CPS効率が0.738%だけ上昇する。したがって、タービン効率はCPS効率の鍵になるパラメータである。
コンプレッサ効率のCPS効率への影響が、図32に示されている。P1=8バール、P2=200バール、T0=300K、ηT=ηP=0.88、およびn=1.2の場合の0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つのコンプレッサ効率に関してシミュレーションが行われた。コンプレッサ効率が増加すると共に、CPS効率が単調に増加する。コンプレッサ効率が1%だけ上昇すると、CPS効率が0.09%だけ上昇する。したがって、コンプレッサ効率はCPS効率に大幅に寄与しない。これは、作動流体の作動圧力に比べて入力の空気1の比較的低い作動圧力により、コンプレッサによって消費される仕事の量が小さく、作動流体の低温のエネルギーのかなりの部分が空気調節および冷凍用に低温の空気を提供するのに使用されることにより、作動流体の流量と比較して入力の空気1の流量が比較的低いためである。
ポンプ効率のCPS効率への影響が、図33に示されている。P1=1バール、P2=200バール、T0=300K、ηT=ηCOM=0.88、およびn=1.2の場合の0.68、0.72、0.76、0.80、0.88、0.92、0.96、および1.00の7つのポンプ効率に関してシミュレーションが行われた。ポンプ効率が増加すると共に、CPS効率が単調に増加する。しかし、増加率は非常に小さく、ポンプ効率が1%だけ上昇しても、CPS効率は0.0625%しか上昇しない。したがって、CPS効率はポンプ効率にほとんど依存しない。
P1=1バール、P2=200バール、T0=300K、ηT=ηCOM=ηP=0.88、に関する1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、および1.35の7つのポリトロープ係数に基づいてシミュレーションが行われた。結果が図34に示され、そこからCPS効率がポリトロープ係数の増加に伴ってほとんど変化しないことが理解できる。これは、コンプレッサにより消費される作業の量がわずかであり、圧縮熱が入力の空気2によって再利用されるからである。
P1=1バール、P2=200バール、T0=300K、ηT=ηCOM=ηP=0.88に関する0.80、0.85、0.90、0.95、1.0のタービンの膨張過程の等温性の5つの値がシミュレーションされ、結果が図35に示される。CPS効率は、等温性の上昇と共にほぼ直線的に上昇する。等温性が1%だけ上昇すると、CPS効率が0.72%だけ上昇する。したがって、膨張の等温性は、CPS効率に関する、鍵になるパラメータである。
熱交換器はCESの重要な構成要素である。熱交換器は、低温工学および空気液化産業で幅広く用いられ、それによってそれに続く技術の基礎が確立された。一般に、熱交換器を設計する場合に以下の要因が考慮される。
(1)熱伝達要件
(2)交換器の効率または温度差
(3)利用可能な空間の寸法
(4)低い熱容量の要求
(5)費用
(6)圧力降下の重要性
(7)動作圧力
(1)流体相の間の熱力学的な平衡
(2)熱交換器内の均等な流れの分布
(3)乱流が最大限に生じること
(4)断熱性のシェル壁(Adiabatic shell wall)
(5)軸方向伝導が0であること
(6)高温と低温の流体の間に放射がまったくないこと
(7)全体の熱伝達係数が一定であること
CESシステムは4つの熱交換器まで有することができる。
(1)熱交換器1(350):作動流体から冷熱を抽出するために空気を入力する(かつ、周囲空気から熱を取る)ためのもの
(2)熱交換器2(340)作動流体を加熱するために熱を費やすためのもの
(3)熱交換器3:熱を大気から吸収するタービンのためのもの
(4)熱交換器4:等温動作を確実にするコンプレッサのためのもの
熱交換器1 Q1=h8-h1
熱交換器2 Q2=h9-h8
熱交換器3 Q3=T9(S10-S9)
熱交換器4 Q4=T0(S0-S2)
上述のように熱交換器に関する実質的な技術的基礎があり、低温工学、ならびに空気分離および液化産業に利用可能な多くのタイプの熱交換器がある。チューブインシェルおよびプレートアンドフィン(plate-and-fin)の熱交換器はとりわけ広く用いられるタイプである。チューブインシェル熱交換器は一般的に、比較的高い温度で使用される。チューブインシェル熱交換器は、シェル側および管側の流体相の両方が液体である場合に、約300から約3000W/m2Kの範囲の高い熱伝達係数を有する。チューブインシェル熱交換器の性能を向上させる一般的な技術は、密集度の比率および熱伝達係数を上昇させるために、管の周りに螺旋的にフィンを裏打ちし、チューブアンドフィン熱交換器を形成することである。これは、流体が熱交換器の片方または両方の側で気体状態である場合に特に効果的である。さらに、高温と低温の流体の間の温度差は比較的高く(約15K)、それによって比較的効率が低くなる。
図36および37は、それぞれ過熱を伴う、および伴わない場合の熱交換器の高温と低温の流体の間の温度差の関数としてのCESの効率を示す。温度の6つの値0K、2K、4K、6K、8K、10Kがシミュレーションされた。CESの効率は、温度差の増加と共に単調に低下する。温度差が1Kだけ上昇すると、CESの効率は、それぞれ熱のリサイクルを伴わずにPI=0.1MPaに関して約0.37%だけ低下し、熱のリサイクルを伴ってPI=0.1MPaに関して約0.25%だけ低下し、熱のリサイクルを伴わずにPI=4.0MPaに関して約0.36%だけ低下し、熱のリサイクルを伴ってPI=4.0MPaに関して約1.33%だけ低下する。したがって、熱交換器内の高温と低温の流体の温度差はCESの全体の性能にかなり重要な役割を果たす。
冷凍剤タンクの熱放散(漏洩)は、周囲温度で断熱されたデュワーで1日当たり約1%である。より多くの労力が払われ、または低温のエネルギー放散が利用されると、放散(漏洩)によるCESの効率の損失は、1日当たり1%より少ないことができる。これはCESのエネルギー貯蔵サイクルの継続時間を考慮する場合に重要であり、すなわち全体の効率を確実にするために一定の期間内に液体空気が使用されなければならない。
熱交換器はCPSで重要な役割を果たす。CPSの熱交換器での流れおよび熱伝達は3次元の粘性、乱流、および2相現象を伴う。この分析では、以下の想定がなされた。
(1)流体相の間の熱力学的な平衡
(2)熱交換器内の均等な流れの分布
(3)最大限に生じる乱流
(4)断熱シェル壁
(5)軸方向伝導が0であること
(6)高温と低温の流体の間に放射がまったくないこと
(7)全体の熱伝達係数が一定であること
主要なCPSシステムは、4つの熱交換器を有し、タービンは等温膨張のための追加の熱交換器を使用する(図4を参照されたい)。
(1)熱交換器1(540):入力の空気1を凝縮するために作動流体から冷熱を抽出する入力の空気1のためのもの
(2)熱交換器2(535):作動流体から冷熱を抽出するための入力の空気1および4のためのもの
(3)熱交換器3(530):作動流体から冷熱を抽出するための入力の空気1、3、および4のためのもの
(4)熱交換器4(525):圧縮熱を吸収するために入力の空気1および2のためのもの
(5)熱交換器5:熱を大気から吸収するタービンのためのもの
熱交換器1 Q1=x1(h6-h7)
熱交換器2 Q2=x1(h5'-h6)+x4(h10-h11)
熱交換器3 Q3=x1(h5-h5')+x3(h0-h10)+x4(h0-h10)
熱交換器4 Q4=x1(h4-h5)
熱交換器5 Q5=T0(S0-S3)
以下のものは、プレートアンドフィンタイプの性能に基づいた熱交換器の寸法の予測である。全体の平均熱伝達係数
図40は、熱交換器内の高温と低温の流体の間の温度差の関数としてのCPSの効率を示す。温度の6つの値0K、2K、4K、6K、8K、10Kがシミュレーションされた。CPSの効率は、温度差の増加と共に単調に低下する。温度差が1Kだけ上昇すると、CPSの効率は約0.4%だけ低下する。したがって、熱交換器内の高温と低温の流体の温度差はCPSの全体の性能にかなり重要な役割を果たす。
冷凍剤タンクの熱放散(漏洩)率は、周囲温度で断熱されたデュワーで1日当たり約1%である。より多くの労力が払われ、または例えば空気調節のために低温のエネルギー放散が利用されると、放散(漏洩)によるCPSの効率の損失は、1日当たり1%より少ないことができる。1日当たりの1%、0.75%、0.50%、0.25%の4つの放散率に関する時間の関数としての熱放散の効率が図41に示される。熱放散の効率Edisは、
100kWhの能力を有する例示の小さな実験室規模のCESシステムが、図42に概略的に示される。これは、市販のユニットの可能性のある寸法よりもはるかに小さな縮尺でのシステムを示し、動作パラメータを試験し、システムの性能を最適にするように設計される。原寸大のCESシステムは追加の構成要素を含むことができ、それは実験室規模のシステムには含まれない。システムは、12.5kWの電力定格および8時間の放電時間を有する。電力定格は、マイクロ発電の構成で多くの家庭の電力需要に適したものであることもできる。8時間の放電時間(100kWh蓄積)が選択され、それはこの時間がサンディア研究所のなどの団体によって示唆されるエネルギー貯蔵用途に求められる最大放電時間に近いからである。
1)冷凍剤施設または貯蔵所からの液体空気(作動流体)が冷凍剤タンク600内に送られる。
2)作動流体がタービン630に流入する前に圧送および加熱され、そこで電力を生成してブロワ650を駆動するために膨張する。ブロワ650は2つの機能を有し、1つは熱交換器620を介して低温のエネルギーを回収するために入力の空気を供給するものであり、もう一方はタービン630(発電機として機能する)に負荷を提供するためのものである。
3)ブロワ650からの空気(入力の空気)のわずかな部分が3方向弁および乾燥機660を介して熱交換器620に導入される。
4)資本費用を削減する液体空気が実験室規模のシステムではまったく生産されない。しかし、測定されたデータがそのような目的に十分であるので、これはCES性能の評価に影響を与えない。
実験室規模のCESの熱力学サイクルが図43に示される。T0、h0、およびS0がそれぞれ周囲温度、エンタルピ、およびエントロピを示すと、過程およびその熱、仕事、ならびにエクセルギーが以下のように与えられる。
作動流体は入力の空気によってT2からT3に加熱される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW2-3=0である。入力の空気から吸収される特定の熱はQ2-3=h3-h2である。過程2-3で放出されるエクセルギーは、EX2-3=T0(S3-S2)-(h3-h2)である。
高圧を伴う作動流体はタービン内で膨張し、仕事を出力する。理想の等温過程が考慮されると、過程で行われる特定の仕事は、W3-0=T0(S0-S3)-(h0-h3)である。理想の等温過程において周囲から吸収される特定の熱はQ3-0=T0(S0-S3)である。作動流体の膨張が断熱的である場合、特定の理想の仕事Wadが
作動流体の低温のエネルギーは、熱交換器を介して等温的に入力の空気によって抽出される。この過程で行われる特定の仕事は0、すなわちW6-7=0である。過程6-7での作動流体からの低温のエネルギーはQ6-7=h6-h7である。過程の間に入力の空気によって得られるエクセルギーは、Ex6-7=T6(S6-S7)-(h6-h7)である。上記の分析から、サイクルの特定の理想の正味仕事量は、
適切な測定システムが図42に概略的に示される。熱電対用に7つ、圧力変換器用に7つ、流量用に2つ、電圧用に1つ、電流用に1つ、およびトルク/速度用に1つの20の測定用のチャネルがある。データ収集システムがデータ収集、記憶、および処理のためにコンピュータに連結されている。
(1)T1:ポンプ610の入口での作動流体の温度
(2)T2:ポンプ610の出口/熱交換器620の入口での作動流体の温度
(3)T3:熱交換器620の出口/タービン630の入口での作動流体の温度
(4)T4:タービン630の出口での作動流体の温度
(5)T5:ブロワ650の入口での空気の温度(周囲温度)
(6)T6:熱交換器620の入口での入力の空気の温度
(7)T7:熱交換器620の出口での入力の空気の温度
(8)P1:ポンプ610の入口での作動流体の静圧
(9)P2:ポンプ610の出口/熱交換器620の入口での作動流体の静圧
(10)P3:熱交換器620の出口/タービン630の入口での作動流体の全圧力
(11)P4:タービン630の出口での作動流体の全圧力
(12)P5:ブロワ650の入口での空気の全圧力(周囲圧力)
(13)P6:熱交換器620の入口での入力の空気の静圧
(14)P7:熱交換器620の出口での入力の空気の静圧
(15)F1:ポンプ610によって送出される作動流体の流量
(16)F2:熱交換器620を通る入力の空気の流量
(17)V1:ポンプ610の電圧
(18)C1:ポンプ610の電流
(19)ω1:タービン630の回転速度
(20)M1:タービン630の出力トルク
トルク/速度メータがタービン630の軸に直接的に連結され、ブロワ650が負荷として使用される。タービン630の仕事量は、測定されたトルク(M1)および速度(ω1)を掛けることによって得られ、すなわちW3-4=M1・ω1である。
実験システムでは、ポンプ610がモータによって駆動される。したがって、ポンプ610によって消費された実際の仕事は、モータの電圧(V1)および(C1)を測定することによって得ることができ、すなわちW1-2=V1・C1である。W1-2の結果は、ポンプおよびモータ610の両方の効率の根拠になる。
入力の空気によって回収された低温のエクセルギーは、Ex6-7=T6(S6-S7)-(h6-h7)によって計算できる。入力の空気のエントロピおよびエンタルピ、すなわちS6、S7、h6、およびh7を得るために、それぞれ2つの熱電対および2つの圧力変換器が熱交換器620の入口および出口で実験システムに使用される。T6、T7、P6、およびP7の測定されたデータを使用して、入力の空気のエントロピおよびエンタルピが、空気に関する熱力学データ表から発見できる。
入力の空気を圧送するのに消費される特定の仕事は、熱交換器620の入口と出口の間の圧力差によって計算でき、すなわちW6-7=P7-P6である。
作動流体の流量は、ポンプ610の入口に装着された流量計によって測定される。
入力の空気の流量は熱交換器620の出口に装着された流量計によって測定される。
作動流体から回収される全低温のエクセルギーは、EX1=T0(S0-S1)-(h0-h1)によって計算される。作動流体のエントロピおよびエンタルピ、すなわちS0、S1、h0、およびh1を得るために、それぞれ2つの熱電対および2つの圧力変換器がそれぞれ熱交換器620の入口および出口に装着される。T5、T1、P5、およびP1のデータを使用して、作動流体のエントロピおよびエンタルピが、空気に関する熱力学データ表を参照して得ることができる。
a.液体空気の体積は、レベル指示器から得ることができる;熱放散は、既知の期間の間のボリュームの差から計算できる。
b.冷凍剤タンク600の出口での温度(T1)
c.冷凍剤タンク600の出口での圧力(P1)
d.作動流体の流量(F1)
a.ポンプ610の流量(F1)
b.ポンプ610の入口(T1)および出口(T2)での温度
c.ポンプ610の入口(P1)および出口(P2)での圧力
d.ポンプ610の効率:
a.熱交換器620の入口(T2)および出口(T3)での作動流体の温度
b.熱交換器620の入口(P2)および出口(P3)での作動流体の圧力
c.熱交換器620の入口(T6)および出口(T7)での入力の空気の温度
d.熱交換器620の入口(P6)および出口(P7)での入力の空気の圧力
e.作動流体の流量(F1)
f.入力の空気の流量(F2)
g.熱交換器620の入口と出口の間での作動流体と入力の空気の温度差、すなわち(T7-T2)および(T6-T3)
h:熱交換器620の入口と出口の間での作動流体と入力の空気の圧力差、すなわち(P7-P2)および(P6-P3)
a.タービン630の入口(T3)および出口(T4)での作動流体の温度
b.タービン630の入口(P3)および出口(P4)での作動流体の圧力
c.タービン630の出口トルク(M1)および回転速度(ω1)
d.
e.
a.ブロワ650の入口(T5)および出口(T6)での空気の温度
b.ブロワ650の入口(P5)および出口(P6)での空気の圧力
c.ブロワ650(タービン630によって駆動される)の入力トルク(M1)および回転速度(ω1)
(1)冷凍剤タンク
燃料(液体空気)の流量は、
ポンプに関連する、鍵になるパラメータには、作動流体の流量、入口圧力、出口圧力、作動温度、および電力消費が含まれる。ポンプの流量は冷凍剤タンクに関する流量と同じであり、したがってF1=141.0l/hである。液体空気の入口圧力は冷凍剤タンクの出口圧力によって決定される。安全弁が実験室規模のシステムに使用されるので、タンクの圧力は事前に決定できない。しかし、冷凍剤ポンプは所与の出口圧力で、一定の範囲の入口圧力を超えて動作できる。したがって、ポンプの入口圧力は、P1=0.1〜3.0MPaとして取られる。冷凍剤ポンプの出口圧力は、作動流体の動作圧力と等しく、それは20MPaとして与えられる。したがって、P2=20MPaである。冷凍剤ポンプは通常の実験室温度で動作する必要がある。したがって、動作温度は0℃〜40℃として選択される。ポンプの入口での作動流体の温度は、およそ液体空気の沸点(-196℃)であることが予測される。ポンプの出口での作動流体の温度は断熱加圧過程の後に約-192℃であることが予測される。ポンプによって消費される電力は、所与の出口圧力および流量での効率によって決定される。ポンプ効率が0.8として想定されると、ポンプの電力要件は、
熱交換器と関連する、鍵になるパラメータには、動作圧力、作動流体および入力の空気の両方の流量および圧力降下、ならびに熱交換器の入口および出口での作動流体および入力の空気の温度が含まれる。作動流体の動作圧力は、ほぼポンプの出口圧力に等しく、すなわちP2=20MPaである。入力の空気の動作圧力は、ブロワによって消費される仕事を最低限に抑えるために周囲の圧力の近くである必要があり、すなわちP7=P0である。入力の空気の入口圧力は、熱交換器全体を通じての圧力降下にほぼ等しく、すなわちP6=PLoss+P7である。作動流体の流量は上記に与えられ、すなわちF1=141.0l/h=(123kg/h)である。入力の空気の流量は、熱交換器の性能によって影響される。おおよその値がF2=206.0kg/hとして熱力学の計算によって得られる。熱交換器全体を通じての作動流体の圧力降下は、熱交換器の工学設計に依存する。しかし、それは約1000Pa程度のものであると予測される。熱交換器全体を通じての入力の空気の圧力降下は設計にも依存する。それも約1000Paであると予測される。管/継手/弁の熱損失が無視される場合、熱交換器の入口での作動流体の温度は、ほぼポンプの出口での温度に等しく、すなわちT2=-192℃である。熱交換器の出口での作動流体の温度は熱交換器の性能に依存し、想定された温度差(すなわち5℃)を有して周囲温度の近くであると予測され、すなわちT3=22℃である。熱交換器の入口での入力の空気の温度は、ほぼ周囲温度である。熱交換器の出口での入力の空気の温度も、熱交換器の性能に依存するが、それは熱交換器の入口での作動流体の温度の近く(約-192℃)であると予測される。
タービンの性能を分析する際に、相互加熱(inter-heating)を伴う多段断熱膨張過程が検討された。タービンの入口での作動流体の圧力がP3=20MPaとして与えられた。タービンの入口での作動流体の温度は熱交換器によって加熱された後に周囲温度の近くである必要がある。5℃の(周囲の下の)温度差が考慮されると、タービンの入口での作動流体の温度は22℃(300Kとして取られた周囲温度)、すなわちT3=22℃である。
ブロワに関連する、鍵になるパラメータは、圧力、流量、電力、および効率である。定格出力はほぼタービンの仕事量(約12.5kW)に等しい必要があり、圧力は熱交換器全体を通じた入力の空気の圧力降下よりも高い必要がある。
以下の構成要素の選択は、上記に詳述した分析に基づいている。
Si-Chuan Air Separation Plant(Group)Co.Ltd社の製品番号C404C1(モデルZCF-2000/16)は、二重壁および真空粉末断熱構造(vacuum powder insulated structure)を有する適切な垂直型冷凍タンクであり、概略図は図46を参照されたい。この冷凍剤タンクは以下のパラメータを有する。
・ 容量=2000リットル
・ 最大動作圧力=1.6MPa
・ 空のタンク重量=2282kg
・ 寸法(直径×H)=1712mm×3450mm
・ 1日当たりボイルオフ(20℃および0.1MPaで1日当たり蒸発する液体空気の百分率)=<0.96%
往復ピストン極低温液体ポンプが実験室規模のCES実験システムに推奨され、Cryogenic Machinery Corporation社の製品番号B228(Si-Chuan Air Separation Plant(Group)Co.Ltd社)が適している。このポンプは、高真空断熱ポンプヘッドを有し、それは蒸発損失(vaporisation loss)およびポンプの吸込み圧力を低下させる。ポンプのピストンリングおよびフィリングリング(filling ring)は、優れた可塑性および潤滑能力を有する非金属の極低温材料を使用する。専用の潤滑剤を使用すると、ポンプは液体酸素などの可燃性または爆発性の液体用にも動作できることが確実になる。ポンプの内部構造が図47に示される。この冷凍剤ポンプは以下のパラメータを有する。
・ 作動流体=液体空気/酸素/窒素/アルゴン
・ 入口の圧力=0.05〜1.5MPa
・ 出口圧力=20〜35MPa
・ 流量=50〜150l/h
・ 出力=3.0kW
・ 動作温度=-10〜40℃
・ 重量=約150kg
熱交換器は約20MPaの高い圧力で、非常に大きな温度差(-196℃〜27℃)にわたって動作する。作動流体の流量は123kg/hである。目的に適した既存の製品がまったく見つかっていない。したがって、専用に設計され、製造された熱交換器が求められる。そのような熱交換器は、以下のパラメータを有するシェルに封入されたチューブフィン構造であることができる。
・ 作動流体=液体空気
・ 加熱流体=周囲空気
・ (低温)作動流体の圧力=20MPa
・ 加熱流体の圧力=0.1MPa
・ 作動流体の流量=123kg/h
・ 加熱流体の流量=約206kg/h
・ 作動流体の圧力損失=<500Pa
・ 加熱流体の圧力損失=<1000Pa
・ 動作温度=-10〜40℃
・ 管の材料=304ステンレス鋼
・ フィンおよびシェルの材料=ステンレス/アルミニウム合金
・ 寸法(長さ/幅/高さ)=2.5m/2.2m/10.8m
・ 重量=約1200kg
タービンの性能は全体の実験室規模システムの性能において重要な役割を果たす。タービンの出力仕事は通常、モータ、コンプレッサ、ファン、または発電機を駆動するために使用される。提供されるタービンの入口圧力は高く(約20MPa)、作動流体の流量は低く(約123MPa)、タービンは数ミリメートルの直径を有するマイクロタービンである必要がある。図48は、適切なタービンの概略図を示す。しかし、現行のタービンは、提供された実験室規模のシステムとまったく比肩できないことが分かった。したがって、専用に設計され、製造されたタービンが求められる。
入力の空気の圧力降下に打ち勝つために、ブロワは総圧力を送ることができる必要がある。ブロワはタービンの負荷としても作用するので、タービンの仕事量(約12.5kW)にほぼ等しい総出力に定格を定めなければならない。Beijing Dangdai Fan社の混成流GXF-C(製品コード番号6.5-C)などのブロワが適切である。このブロワは以下のパラメータを有する。
・ 作動流体=空気
・ 総圧力=1162Pa
・ 流量=24105m3/h
・ 回転速度=2900rpm
・ ノイズ=83dB(A)
・ 出力=15kW
・ 寸法(長さ/幅/高さ)=0.845m/0.751m/0.800m
・ 重量=234kg
タービンの回転速度は通常とても高く(数万rpm)、それに対し、提供されるブロワの回転速度は低い(2900rpm)ので、トランスミッションシステムが小規模のCES実験システムに必要である。さらに、熱交換器の壁に(入力の空気からの)水が凍結するのを回避するために、入力の空気が熱交換器に入る前に除湿するために乾燥機が必要である。
冷凍剤施設からの液体空気は、冷凍剤トラックによって実験室に移送され、冷凍剤タンクC404C1に送り込まれる。往復ピストン極低温液体ポンプB228は、液体空気を加圧し、作動流体が熱交換器を流れて通るための運動エネルギーを与える。作動流体は、作動流体が膨張してブロワの動力を供給するマイクロタービンの負荷としても働く、ブロワGXF-C-6.5Cによって供給される入力の空気によって熱交換器で加熱される。ブロワからの空気のわずかな部分のみが入力の空気として使用される。
次に、現行のエネルギー貯蔵システムが評価され、CESと比較される。CESのデータは500MWhの貯蔵量、および8時間の放電時間に基づいて計算される。その他のエネルギー貯蔵システムに関するデータは、非特許文献3、非特許文献4、日特許文献5から取られている。
貯蔵システムの出力電力と出力継続時間の間の関係が図49に示される。各貯蔵システムは適切な範囲を有し、それらは、毎日の負荷を平準化するタイプ、および電力の質を向上させるタイプの2つのタイプに分類できる。
・ 揚水プラントに蓄積されたエネルギーがmghに基づいて計算され、ただし、mは水の質量であり、gは重力による加速度であり、hは500mであると想定される有効落差である。
・ CAESの空洞容積は約60atmで54,000m3であると想定される。蓄積された空気は、施設が連続的に26hの間に100MWを生成できるようにする。CAESのエネルギー密度の計算には、燃料貯蔵、モータ/発電機、コンプレッサ、およびエキスパンダの体積は含まれない。
・ CESのエネルギー密度の計算は、貯蔵されたエネルギー、ならびに冷凍剤タンクおよび熱交換器の体積に基づき、モータ/発電機、コンプレッサ、およびエキスパンダの体積は、冷凍剤タンクよりも少なくとも1桁小さいので、考慮されない。
・ その他のシステムに関するエネルギー密度は、出力電力を貯蔵デバイスの体積で割ることによって計算される。
5つの海洋エンジンのモデルが、CPSを使用して用意された。次いで、これらのモデルは、5つの既知のディーゼルエンジンと比較される。5つの既知の工業的なディーゼルエンジンの詳細が、図4に示される。
エネルギー密度および価格
表4と5の間の比較は、モデル1から5のCPSの燃料消費が、37.70、44.36、42.08、42.5、および42.3にそれぞれ、相当するディーゼルエンジンの燃料消費をかけたものであることを示す。したがって、モデル1から5のエネルギー密度は、相当するディーゼルエンジンのエネルギー密度の1/37.70、1/44.36、1/42.08、1/42.5、および1/42.3である。
5つのモデルの間の油井から車輪までの効率の比較が表6に示される。CPSデータは、1kgの液体空気を生産する0.4kWhに基づいている。モデル1のCPSの効率は、CAT-3516の効率と同様であり、液体空気を燃料として使用するモデル2から4のCPSの効率は、対応するディーゼルエンジンの効率より低いことが理解できる。小型のヨットは冷熱を完全に回収しないので、中型のCPSの船は冷凍材料の輸送に使用された場合に、小型のヨットが有するよりも高い効率を有する。括弧内に示されるCPSモデル1から4の効率は、1kgの液体空気を生産するための消費が0.3kWhであると取られた場合のものである。
CPSのすべての主要な構成要素は、CESと同様であるので、CPSシステムの耐用期間は約20から40年であるとも予測される。ディーゼルエンジンの耐用期間は約17年であると見なされる。しかし、高い温度での燃焼過程がCPSにはまったくなく、ピストンとシリンダの間い強い摩擦がまったくないので、CPSの耐用期間はディーゼルエンジンの耐用期間よりも高いと考えられる。
ディーゼルエンジンは化石燃料の燃焼を伴い、したがって汚染物質の排出を招く。CPSは完全に排出がなく、環境的に優しいシステムである。液体空気が再生可能なエネルギーによって生産される場合、CPSシステムは完全な「環境保護の」動力システムになる。さらに、汚染物質は液化過程中に除去でき、それは化石燃料の燃焼と関連する良くない環境的な問題を緩和するのを助ける。望ましくない浮遊粒子は同様に、液体空気の生産中に除去できる。
110 流れ
120 入力の空気
130 冷却された入力の空気
200 空気液化施設
210 製品
220 空気圧縮ユニット
230 空気前処理ユニット
240 熱交換器
300 極低温エネルギー貯蔵ユニット(CES)
300 CES
310 コンプレッサ
320 タービン
330 発電機
340 第1の熱交換器
350 第2の熱交換器
360 流量調節弁
370 冷凍剤タンク
380 ポンプ
400 発電施設
410 廃熱
500 極低温推進システム(CPS)
505 推進器
510 タービン
515 発電機
520 コンプレッサ
525 熱交換器
530 熱交換器
535 熱交換器
540 熱交換器
545 流量調節弁
550 冷凍剤タンク
555 ポンプ
600 冷凍剤タンク
610 ポンプ
620 熱交換器
630 タービン
640 トランスミッションボックス
650 ブロワ
660 乾燥機
670 3方向弁
Claims (50)
- エネルギーを貯蔵する方法であって、
ガス入力を供給する段階と、
前記ガス入力から冷凍剤を生産する段階と、
前記冷凍剤を貯蔵する段階と、
前記冷凍剤を膨張させる段階と、
タービンを駆動するために前記膨張した冷凍剤を使用する段階と、
前記冷凍剤の前記膨張から低温のエネルギーを回収する段階と、を含んだ方法。 - 発電機を駆動して電気を生成するために、前記タービンを使用する段階をさらに含んだ、請求項1に記載の方法。
- 推進器を駆動するために前記タービンを使用する段階をさらに含んだ、請求項1に記載の方法。
- 前記冷凍剤が液体空気である、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷凍剤がスラッシュエアである、請求項4に記載の方法。
- 前記冷凍剤を膨張させる前記段階が前記冷凍剤を加熱する段階を含んだ、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷凍剤を加熱する前記段階が、周囲の熱を使用して前記冷凍剤を加熱する段階を含んだ、請求項6に記載の方法。
- 前記冷凍剤を加熱する前記段階が、地熱を使用して前記冷凍剤を加熱する段階を含んだ、請求項6に記載の方法。
- 前記冷凍剤を加熱する前記過程が、発電施設、蒸気流、発電施設の煙道ガス、または他の廃熱供給源からの廃熱を使用して前記冷凍剤を加熱する過程を含んだ、請求項6に記載の方法。
- 前記冷凍剤を生産する前記過程が、前記ガス入力を圧縮する過程を含んだ、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷凍剤を膨張させる前記段階が、前記ガス入力を圧縮する前記段階中に生成される廃熱を使用して前記冷凍剤を加熱する過程を含んだ、請求項10に記載の方法。
- 前記冷凍剤を膨張させる前記段階が、
前記冷凍剤を周囲空気を使用してほぼ環境温度に加熱する過程と、
次いで、廃熱をさらに使用して前記冷凍剤を過熱する過程と、を含んだ、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。 - 前記冷凍剤の圧力が膨張の前に増加される、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記冷凍剤が膨張の前に上昇した温度で貯蔵される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記回収された低温のエネルギーを使用する過程をさらに含んだ、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- より多くの冷凍剤の生産を促進するために、前記回収された低温のエネルギーを使用する過程をさらに含んだ、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記回収された低温のエネルギーを冷凍に使用する過程をさらに含んだ、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記回収された低温のエネルギーを空調に使用する過程をさらに含んだ、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。
- 暖房用に暖気を供給するために、前記冷凍剤を生産する前記過程中に生成された廃熱を使用する過程をさらに含んだ、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
- 温水を供給するために、前記冷凍剤を生産する前記過程中に生成された廃熱を使用する過程をさらに含んだ、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記方法に動力を与えるために非汚染のエネルギー供給源が使用される、請求項1から20のいずれか一項に記載の方法。
- 汚染物質を前記ガス入力から分離する段階をさらに含んだ、請求項1から21のいずれか一項に記載の方法。
- 前記タービンが多段式の擬等温タービンを備えている、請求項1から22のいずれか一項に記載の方法。
- 冷凍剤の供給源と、
冷凍剤貯蔵設備と、
前記冷凍剤を膨張させる手段と、
前記膨張する冷凍剤によって駆動可能なタービンと、
冷凍剤の膨張中に放出される低温のエネルギーを回収する手段と、を備えている、極低温エネルギー貯蔵システム。 - 前記タービンによって駆動可能な発電機をさらに備えている、請求項24に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記タービンによって駆動可能な推進器をさらに備えている、請求項24に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤が液体空気である、請求項24から26のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤がスラッシュエアである、請求項24から26のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 冷凍剤の前記供給源が空気液化施設である、請求項24から28のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤を膨張させる前記手段が前記冷凍剤を加熱する手段を備えている、請求項24から29のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤を加熱する前記手段が少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項30に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、周囲空気からの熱を使用して前記冷凍剤を加熱するように構成された、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、地熱を使用して前記冷凍剤を加熱するように構成された、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、発電施設、蒸気流、発電施設の煙道ガス、または他の廃熱供給源からの廃熱を使用して前記冷凍剤を加熱するように構成された、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 冷凍剤の前記供給源がガス入力の供給源、前記ガス入力を圧縮するコンプレッサ、および前記ガス入力を冷却する少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項24から34のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、前記ガス入力の圧縮中に生成された廃熱を使用して前記冷凍剤を加熱し、膨張させるように構成された、請求項35に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、前記ガス入力の圧縮中に生成された廃熱を使用して暖房用の暖気を供給するように構成された、請求項35に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記少なくとも1つの熱交換器が、前記ガス入力の圧縮中に生成された廃熱を使用して温水を供給するように構成された、請求項35に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 周囲空気を使用して前記冷凍剤をほぼ環境温度に加熱するように構成された第1の熱交換器と、
さらに廃熱を使用して前記冷凍剤を加熱するように構成された第2の熱交換器と、を備えている、請求項31の極低温エネルギー貯蔵システム。 - 膨張の前に前記冷凍剤の圧力を上昇させるように構成されたポンプをさらに備えている、請求項24から39のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記ガス入力を冷凍剤に変換するように構成された流量調節弁をさらに備えている請求項24から40のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤の前記膨張から低温のエネルギーを回収する前記手段が、前記低温のエネルギーを使用するように構成された少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤の前記膨張から低温のエネルギーを回収する前記手段が、より多くの冷凍剤の生産を促進するために、前記低温のエネルギーを使用するように構成された少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤の前記膨張から低温のエネルギーを回収する前記手段が、冷凍用に前記低温のエネルギーを使用するように構成された少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記冷凍剤の前記膨張から低温のエネルギーを回収する前記手段が、空気調節用に前記低温のエネルギーを使用するように構成された少なくとも1つの熱交換器を備えている、請求項31に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記ガス入力から汚染物質を分離する手段をさらに備えている、請求項22から45のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 前記タービンが多段式の擬等温タービンを備えている、請求項22から46のいずれか一項に記載の極低温エネルギー貯蔵システム。
- 添付の図面を参照して上記に説明され、その図面に示されるような極低温エネルギー貯蔵システム。
- 添付の図面を参照して上記に説明され、その図面に示されるような極低温推進システム。
- 添付の図面を参照して上記に説明され、その図面に示されるような極低温エネルギー生成システム。
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