专利名称：高密度能量储存及恢复的制作方法
高密度能量储存及恢复
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年5月28日提交题为“用于高能量密度储存及恢复的组合物及方法”的根据35U.S.C119(e)的美国临时专利申请第61/396，523号的优先权，其以全文引用方式并入本文。技术领域
此处所述的本发明涉及能量的储存及随后的恢复，例如能量作为热或热能的储存。
背景技术：
现有的可再生能源(例如太阳能、风能、潮汐等等)通常以不连续的方式产生能量，例如在昼夜周期或者依赖气候形式或其他非持续性因素。例如，许多可再生能源直接(例如太阳能)或间接(例如风能)与太阳能变迁的一昼夜或更长的周期绑定。不可再生能源，如例如矿物燃料燃烧设备和核能发电设备，由于光需求和需要系统保持“热”，通常都在低于峰值负荷的深夜操作，例如当需求增加时避免启动的延迟和无效。在许多情况下，在低于峰值负荷情况下运行发电设备导致发电效率降低。在一些地区，在电网上发生峰值负荷时，可通过用于激活的本地设备提供者维持额外的“峰化器”设备，例如在空调负荷最高时一天中较温暖的时间段内。这种额外的设备建造昂贵，特别是考虑到它们的不连续使用。这些和其他因素造成的情况是，发电能力要求取决于在峰值期间发生的负荷，而不是根据在依据燃料使用和成本支出的最大可能效率下提供整体能源输出至每日或更长周期进行考虑。
在产能的时间里至少一些所产能源的储存能使收集到的能量分布匹配无法与当时能源生产模式相符合的当前能量需求模式，特别是满足电力质量的需求。提供尺寸和成本均有效益的与位置无关的能量的大量储存能够例如通过能够增强产能效率的负荷均衡能力，有助于解决这些需求和生产能力的时间错位，例如对于矿物燃料燃烧发电能力，通过使发电机在峰效率下运行而与需求时间或使用时间无关。例如，所产生的超过当前需求的能量能被储存用来在峰值需求时增强生产能力来平稳需求曲线。发明内容
在一方面，系统包括具有包含在保护壳内的用来储存作为热能的输入能量的保温矩阵的保护壳。保温矩阵包括碳的同素异形体。包括氮气和惰性气体的一定体积的工作流体包含在保护壳内并与保温矩阵接触。工作流体通常与碳的同素异形体不发生反应。此系统可选地包括从工作流体中移除活性化合物的活性化合物移除系统。
在一个相关方面，描述了一种在能量储存系统(其包括包含一定体积的工作流体和保温矩阵的保护壳)中储存能量的方法。该方法包括在能量储存系统处接收输入能量并通过保温矩阵和工作流体保留作为热能的输入能量。保温矩阵包括碳的同素异形体，且工作流体包括氮气和惰性气体并在能量储存系统的操作温度下通常不与碳的同素异形体发生反应。该方法包括自能量储存系统传递输出能量，并且该方法进一步可选地包括使用活性化合物移除系统处理工作流体以从工作流体中移除活性化合物。
在另一个相关方面，系统包括保护壳和保留所接收的作为热能的输入能量的工具。含在保护壳内的用来保留热能的工具包括碳的同素异形体。该系统也包括含在保护壳内并与保温矩阵接触的一定体积的工作流体。工作流体包括氮气和至少一种惰性气体，且在能量储存系统的操作温度下通常不与碳的同素异形体发生反应。该系统也可选地包括可从工作流体中移除一种或多种活性化合物的工具。
在一些变化内，在系统或方法中可选性地以单独、或两个或更多个彼此并非不相容的或相互排斥的所述特征的组合的方式包括随后的段落里讨论一个或多个特征。
活性化合物移除系统或用于从工作流体中移除一种或多种活性化合物的工具可选地包括可选地具有活性炭的过滤介质。
可选地提供用于从能量源传递输入能量到保温矩阵的能量输入系统。也可选地提供用于从保温矩阵中恢复输出能量以传递到能量需求的能量输出系统。能量输入系统和能量输出系统可选地各自独立地操作，从而通过能量输入系统接收输入能量不会干扰或妨碍通过能量输出系统传递输出能量。
工作流体可选地包括能量输入流体。能量输入系统可选地包括使工作流体穿过输入能量热交换器和将来自电能的输入能量转换为转移到工作流体的热能的第一电能转换系统中的至少一个的能量输入工作流体循环器。能量输出系统可选地包括使能量输出流体穿过输出能量热交换器和将能量输出流体内的热能转换为电能用于传递到能量需求的第二电能转换系统中的至少一个的能量输出工作流体回路循环器。
能量输入系统可选地从能量源传递输入能量至用于保留接收的输入能量的保温矩阵或工具中。输入能量可选地包括电输入能量。能量输入系统可选地包括将电输入能量转换成热能的输入能量转换系统。可选地包括至少一个电感应系统的输入能量转换系统可选地包括感应加热元件、电阻加热系统、等离子体加热系统、和能量输入工作流体循环器，感应加热元件安装在保护壳内并使用电输入能量所产生的磁场来感应加热，电阻加热系统可选地包括安装在保护壳内并使电输入能量穿过电阻加热元件来电阻加热的电阻加热元件，等离子体加热系统可选地包括由电输入能量驱动以在保护壳和使工作流体穿过的等离子腔的至少一个中产生等离子的等离子体生成系统，能量输入工作流体循环器使工作流体穿过将来自电能的输入能量转换为转移到工作流体中的热能的第一电能量转换系统。
输入能量可选地包括热且能量输入系统可选地包括可将热转移到工作流体和保温矩阵或用于保留所接收的输入能量的工具中的至少一个内的输入能量热转移系统。能量输出系统可被包括用于从保温矩阵或从用于储存热能的工具中恢复输出能量以传递能量至能量需求。
能量需求可选地针对电输出能量，且能量输出系统可选地包括将储存的热能转换为电输出能量的输出能量转换系统。输出能量转换系统可选地包括斯特林发动机、布雷顿发动机、朗肯发动机、奥托发动机、锅炉、流体热泵、固态热泵、涡轮原理发生器、活塞原理发生器、热电子装置和热光伏装置中的至少一个。能量输出系统可选地包括热发动机，其可选地以卡诺效率大于30%或卡诺效率大于45%或卡诺效率大于55%来操作。
能量需求可选地针对热输出能量，且能量输出系统可选地包括用来将存储的热能转移至能量需求的热交换器歧管和循环泵中的至少一个。热交换器歧管可选地包括包含热转移流体的线圈。线圈或其他热交换器形式可选地被嵌入在保护壳的一个或多个绝热层中或在保护壳的一个或多个绝热层之间以吸收热进入热转移流体以用于提取至将吸收的热转换为电力的电生成系统和使用吸收热以执行有用的工作的热能使用系统中的至少一个。
保护壳可选地包括具有耐火材料的内层，具有结构材料的外层和插入到内层和外层之间的绝热层。内层可选地包括玻璃碳和碳化硅中的至少一种。绝热层可选地包括限制工作流体分子的平均自由程的多孔材料。无定形碳的多孔形式可选地包括碳纤维基体、碳毡和碳泡沫中的至少一种。
工作流体可选地包括氮摩尔分数大约为35%或更多的氮气(N2)、氩摩尔分数为大约35%或更多的氩气(Ar)和氖摩尔分数为大约2%或更多的氖气(Ne)。或者，工作流体可选地包括氮摩尔分数为大约50%的氮气(N2)、氩摩尔分数为大约45%的氩气(Ar)、氖摩尔分数为大约4%的氖气(Ne)和氦摩尔分数为大约1%的氦气(He)。工作流体可选地进一步包括氪摩尔分数大于零且小于大约1%的氪气(Kr)和氙摩尔分数大于零且小于大约1%的氙气(Xe)中的至少一种。工作流体基本上可选地由环境空气中可得的无毒化合物或元素气体构成。
控制系统可选地在能量储存运行期间保持保温矩阵或用于储存热能的工具的温度在大约900K至大约1500K。控制系统可额外或者可选地在能量存储运行期间保持保温矩阵或用于储存热能的工具的温度在大约2，500K以下。
接收的输入能量能包括电输入能量并且能量输入系统能包括将电输入能量转换为热能的输入能量转换系统。用于储存热能的工具或保温矩阵可选地具有小于大约1800K的最大操作温度。能量输出系统可选地被包括用于从保持热能的工具里或保温矩阵中以至多大约50千瓦每小时的速率持续至少12小时来恢复输出能量。这样操作用于储存热能的工具或保温矩阵可选地包括占有小于约2.5立方米体积的石墨核。输入能量可选地包括电输入能量，且能量输入系统可选地包括可将电输入能量转换为热能的电阻型转换系统。保持热能的工具或保温矩阵可选地包括石墨核，当保持热能的工具或保温矩阵被加热至温度大约为1200K时，可与能量输出系统合作从石墨核中以大约5千瓦每小时的速率持续至少12小时恢复输出能量。用于储存热能的工具或保温矩阵可选地包括占有小于约0.30立方米体积的石墨核。
本发明的实施方案能够提供一个或多个优势。例如，能量来源能被便利地从进入能源存在的形式转换或转移进入用于能量储存且随后恢复的所选媒介。存储操作可至少在最大发电速率和/或电输入或恢复速率的最大梯度(如变化速率)下执行。能量可被保留在存储系统内，并且减少，最小化或在某些情况下甚至基本消除泄露速率或其他损失。因此，在一些实施方案中可获得较长时间的储存，从而为储存的能量提供更加灵活的应用。本发明的实施方案能够将储存的能量以最大速率和所需能量传递的阶梯速率转换或转移成为容易使用、转移或传送的实际应用所需的形式，例如，被所选的转换或转移设备物理性所限制。本发明的实施方案中的安装、服务、操作、维修、移除和处理机制具有实用性，低成本并且对于周围人员或环境具有相对低的风险。
一些实施方案可以包括更新、恢复、回收等存储系统的一个或多个组分的能力，可能包括但不限于存储介质、工作流体、保护壳和活性化合物移除系统的组分和机制。本发明实施方案的另外一个可能的优势在于安置能量储存系统在邻近的任何发电源，配电系统或网络，和能源使用位置的地方。储存能量的位置会影响产生、传输、和/或使用该能量的整体效率。并且考虑到日益增长的社会、政治等问题，关于能量项目的选址限制、对于能量储存系统的最大化选址的灵活性也是有益的。
本发明在此所描述的一个或更多变化的细节会在如下附图和说明书中得以阐明。本发明在此所描述的其他特征和优势也将在说明书和附图以及权利要求中进行阐明。
被纳入并构成本说明书的一部分的所附附图显示此处公开的本发明的某些方面，并与说明书一起，帮助解释一些与所公开的实施方案有关的原理。在附图中:
图1显示了说明能在电网中出现的特征的视图2显示了说明能量储存系统特征的视图3显示了说明能量储存方法的特征的流程图4显示纳入了能量输入和能量输出系统的说明性实施例的能量储存系统的视图5显示纳入了替代的能量输入和能量输出系统的说明性实施例的能量储存系统的视图6显示了具有用于热转移棒或管的穿透孔的保温矩阵材料层；
图7显示了歧管装置的三维细节图8显示了歧管装置的横截面细节图9显示了保温矩阵和穿过其中的热转移管或棒的横截面图10显示了具有多个分离的保温矩阵核的能量储存系统的实施例；
图11显示了具有压缩机泵和磁-等离子体动态热发生器的能量转换系统的实施例；
图12显示了具有压缩机泵和作为能量输入系统的磁-等离子体动态热发生器的能量转换储存的实施例；
图13显示纳入了能量储存系统的能量发生系统的视图14显示纳入了单端互连歧管的能量储存系统的实施例；
图15A和图15B显示了单端互连歧管的细节图16显示纳入了集成的电力填充和排放机制的能量储存系统；
图17显示纳入了结合的加热和冷却方法各方面的能量储存系统；
图18为显示了绝热厚度和理论操作温度之间关系的图表。
在实践时，类似的附图标记表示类似的结构，特征或元素。
具体实施方式
图1显示了在电网系统100中的说明性特征，其中本发明的一个实施方案可用来产生有利的影响。可以是任何类型发电站的发电源102，如例如太阳能、风能或其他任意规模的可再生能量装置；矿物燃料、核能、或其他类型的任意规模的发电厂或其他任意类型的电能或其他电源，可通过在某些情况下可包括将生产电压转化为传输电压的升压变压器的第一输电变电站104与一个或多个可以是输电网一部分的输电线106连接。输电网也可能括第二输电变电站110,以例如从传输电压提供电压降压。电力可被传输给通常使用降压电压的电力的工业用户112，和/或在进一步通过配电站120的变压器降低电压后传输给商业用户114和住宅用户116。
在本发明的各个实施方案中，纳入了在此所描述的一个或多个特征的能量储存方法可以被用在电网系统100内的一个或多个位置，如图1所示。例如，联合发电源102的第一输电变电站104能包括所述能量储存系统，以为电网的大部分区域提供负载均衡机制，其可允许发电站在较高效率峰值或近峰值输出水平下运行。以此方式，发电厂可被设计具有由总的整体时间能量输出所控制的发电能力，而不是可能在仅是每天、每周、每月、每季度、每年或其他周期的一小段时间内发生的峰值需求所控制的发电能力。从而多余的热能在能量需求小于发电源102峰值能量产生速度的时间段内被储存，随后在能量需求超过发电源102峰值能量产生的时间段内恢复。
在另一个实施方案中，第二输电变电站110或者一个或多个配电站120能包括能够提供从一个或多个不连续的来源接受能量输入并转换所述能量输入为可分配电力的能力，例如以提供能包括但不局限于负载均衡、改善的电力质量、基底负载发电，电力备用能力(如用于商业，工业，或甚至住宅应用)等优势的能量储存系统。将具有一个或多个在此所描述的特征的系统安置在接近能量使用位置为有利地使用提供多个选择，包括但不局限于本地使用从储存系统中得到的“余热”用于其他有利用途，以及热和电系统结合的可能性或对于电力用户现场电力联产的能力(例如，使用可再生能源，本地发电能力，等等)。
如图2所示，符合本发明的一个或多个实施方案的能量储存系统200可通常包括包含在保护壳204中的保温矩阵202，此保护壳204能具有一个或多个绝热层来减少从能量储存系统通过保护壳204的壁或容器表面逃逸到环境中的热的量。工作流体206也存在于保护壳内而且至少部分时期直接接触保温矩阵202。能量储存系统200能包括一个或多个能量输入系统或设备210来从能量源212传递能量并通过保温矩阵202和工作流体206的至少一个以热的形式来保留。能量储存系统200也可包括一个或多个能量恢复系统或设备214来从保温矩阵202和工作流体206的至少一个中提取热能，并且以热能形式传递或者转换为恢复的热能来满足一个或多个能量需求216。为了有助于使用包含在保护壳204内并具有在期望达到的高温下可能未完全惰性的一种或多种成份的工作流体206，能量储存系统200也可包括活性化合物移除系统220，其可以移除或者减少存在的或形成于工作流体内的氧化物和/或其他活性化合物或原子的浓度。在一些实施方案中，活性化合物移除系统220可包括能从工作流体206中移除活性成份的过滤介质222。
在图2所示的实施例中，能量储存系统可选地包括一个或多个安置于保护壳204外部的活性化合物移除系统220，例如以通过具有输出导管224和返回导管226的导管回路接收来自保护壳204内部的工作流体206。在某些实施方案中，输出导管可包括热交换器系统230或穿过热交换器系统230以从由输出导管224输出的工作流体206中提取热量，来保证在工作流体206处从工作流体206中有效地移除活性成份(例如由具有过滤介质222的过滤)的合适的温度下。也可使用冷却工作流体(为了通过活性化合物移除系统220有效移除活性物质如果必要的话)的替代方法，包括但不局限于下面更详细讨论的那些。例如，在有用的能量通过一种或多种能量恢复系统或设备214从热交换流体206中被提取后，活性化合物移除系统220可被纳入来自一个或多个能量恢复系统或设备214的低温工作流体206或接收来自一个或多个能量恢复系统或设备214的低温工作流体206。
图3显示说明了在本发明的实施方案中所列出的一种或多种方法特征的流程图300。在302，能量储存系统200能接收输入能量。在304，能量储存系统200的保温矩阵202和工作流体206保留作为热能的输入能量。保温矩阵202和至少一些工作流体206可被包含在能量储存系统200的保护壳204内。在某些实施方案中保温矩阵202包括与工作流体206接触的碳的同素异形体，如下更详细的讨论。在306，工作流体206可选地由使用活性化合物移除系统220进行处理来移除工作流体206中的活性化合物。在310，输出能量可自能量储存系统200中传递，例如至少部分地满足能量需求。
在一些实施方案中，保温矩阵202可包括碳的同素异形体，如石墨、碳纳米管、富勒烯、掺杂金刚石、结合了硅或氮的化合物(如氮化物)等，以及其他具有高温，高稳定性结构的碳和无碳材料。纯的或基本上纯的石墨，与其他许多碳的同素异形体一样，具有极高的熔点，或极高的三(气、液或固)点温度以及在高温(如温度高于4000K)下特别稳定(例如相对化学非活性)。包括石墨的绝大多数碳的形态也表现出高于平均的随温度增加而值增加的恒压和恒体积热容(Cp和(；)，反过来由于温度随着额外热能的储存而增加，又增加一定石墨质量的总的可用能量储存能力。石墨另外具有非常低的热膨胀系数，使得其成为可用于在非常大的温度范围内运行的理想工作物质。这些特征，以及相对丰富的量及其相应的低成本，使得石墨成为在合理的热存储系统内使用的令人满意的材料，如本文所述的那些。工业级石墨价格便宜且可方便地纯化去灰，从而产生能用来以有利地可改变某些大块石墨热转移特征的多孔结构。石墨可被开采或加工成所需的形状和结构的块状，从而使用已知的方法和如本文所述那些使石墨平面垂直于输入或输出气流。多个石墨块可被小心组装用于安装进入较大的层内。
石墨和其他碳的同素异形体的高可用热储存温度能够令使用的热发动机达到非常高的卡诺效率。由于认识到需要在高温下在氦或氦-氙气体环境中保持石墨来提供高效热转移而在很长时间段内没有不需要的石墨退化或不与在热转移系统或过程中所使用的其他材料化学反应，石墨已很少使用在在商业可行规模上的明显的热储存应用。在极高的温度下碳能够储存最大量的能量这种考虑是非常正确的。包括完全或大体上是氦气或氦氙混合物的气体的产生和维护是非常昂贵的。
在极高的温度下，各种保护材料、不纯石墨、甚至异常稳定的气体如惰性气体和氮气等之间的化学反应可能产生潜在的毒性和/或活性或化学性质不稳定的化合物。例如，在大约3000K温度下氮气开始从双原子N2分子分解成单个原子并当在高温且存在石墨或其他碳材料时随后产生各种各样的带电离子和自由基以及各种氰基型化合物。当与氧化剂接触时，这种化合物能够具有毒性并有潜在爆炸性。因此，在一些实施方案中，能量储存系统能在温度等于或低于大约2500K时有利地操作来减少上述提及的形态或其他活性化合物。使用根据一个或多个实施方案使用所述温度可达到可接受的高卡诺效率。
本发明的一些实施方案包括多成分工作流体206的使用。此工作流体206能包括基于一种或多种氮气和IS气以及任选地包括一种或多种在空气中可得的其他常见惰性气体(如氖气、氦气、氪气、氙气等等)的混合物，且与以前使用的氦氙混合物相比并可能极大地降低生产成本。通过显著降低交换温差，已发现惰性气体的加入在热交换器壁上通过Rayleigh-Benard对流提高摄入和输出热能的过程。氮、IS和一些痕量惰性气体能够通过一系列在不同温度下的相分离和随后的洗涤和过滤过程有效地从空气移除或大体移除水、二氧化碳、氧、和其他不需要的气体来提取。气体提取设备可以与本发明的实施方案共同使用来提供对工作流体206的原位的生产和补充，这是对工作流体成份通过工作流体线圈有缺陷的结构时以及自然扩散过程中产生的不可避免损失进行补偿的有利办法，特别是对于低分子或原子重量的气体如氦气、氖气等等。
符合本发明一些实施方案，加入少量的非放射性惰性气体到工作流体206可提供多个优势。例如，具有范围广泛的具有宽原子质谱且也具有量子电子轨道激发态(对于理想气体，热由平移、旋转和振动量子保持)和能量的元素和分子气体的工作流体206，当分子或原子与固体材料例如保温矩阵202、其他金属表面、混合等离子体表面、石墨扩散球等等碰撞时，可有助于能量转移态的几乎连续范围。含有各种经历Penning电离过程的气体的工作流体206能够在各种气体之间经历非常有效和快速的热转移，特别是当通过等离子体加热技术应用时，如下文详细描述。在此所描述的一种或多种惰性气体的存在能够提供各种各样的在平移、旋转和振动模式的量子激发态，有助于热能的转移和气体间的刺激和加热，与所发现的Penning电离效应相似。
在一个实施方案中，工作流体能够包括下述成份:摩尔分数为大约50%的氮气(N2)、摩尔分数为大约45%的氩气(Ar)，摩尔分数为大约4%的氖气(Ne)和摩尔分数为大约1%的氦气(He)。在另一个实施方案中，工作流体206能够包括下述成份:氮摩尔分数为大约35%或更多的氮气(N2)、氩摩尔分数为大约35%或更多的氩气(Ar)和氖摩尔分数为大约2%或更多的氖气(Ne)。已发现加入至少痕量的氪气(Kr)和氙气(Xe)能够产生有利影响。因此，在此所描述的每个工作流体的实施方案可选地包括小于大约1%的非零摩尔分数的氪气和氙气中的一种或两种。即使加入少量的高原子量的惰性气体可对工作流体的平均分子量产生重大影响，可有助于提供大范围的热转移能力。
能够在一些实施方案中为过滤系统(引入工作流体206与过滤介质222如活性木炭、活性碳等等接触)的活性化合物移除系统220能够移除或基本上减少活性化合物、有毒化合物和在工作流体206内的其他污染物的浓度。在一个实施方案中，活性化合物移除系统220可在能量储存系统200的例行操作期间动态地清洁活性或其他不需要的化合物，来捕捉或显现能量储存系统200在高热下操作所释放或产生的惰性杂质。贯穿本发明的所有内容，术语“活性化合物”本意一般是指具有活性、氧化性、有毒的、爆炸的、或其他除非特别注明或在该术语使用的范围内明确规范的不所需特征的化合物或单个原子。例如，氢原子或氢分子，倾向于与石墨反应形成可减少含碳保温矩阵如石墨等的热转移特征并可污染工作流体206的碳氢化合物。
在一些实施方案中，活性木炭、活性碳或其他吸附材料可作为有用的过滤介质222用于活性化合物移除系统220中以吸附和/或吸收各种化学基团。活性木炭或活性碳可以有效去除某些杂质，即使在比相对常见的周围环境升高的操作温度下，在一些实施方案中活性化合物的移除可由降低被活性化合物移除系统220处理的流体的温度得到提高。活性木炭和活性碳表征于具有较高的表面积和潜在的用于成键的范德华力。高度无定形碳的常见特征在于其具有低导热性和低导电性。这两种性质可由压力的压缩或变化来调节，例如影响化合物移除系统的吸收特征。用于活性化合物移除系统2220的其他选择可包括但不局限于，化学清洗系统，例如使用活性或催化性吸附剂的那些或被设计与来自工作流体206的无需的活性化合物反应并将其移除或转化的气相或液相反应剂的注入。
活性化合物移除系统220可被纳入到能量储存系统200内，使得从工作流体206内清洗或移除活性化合物或减少活性化合物浓度并非同时地在工作流体206整个体积内进行。在一些实施方案中，活性化合物移除系统220在降低的温度下可处理相对小部分的工作流体206。工作流体206从而能被连续地清洗少量成功处理，而不干预其主要功能或产生热转移回路或能量储存系统200其他可选方面的额外的阻抗，如下文详细描述。
符合与此处所描述的一个或多个特征的能量储存系统的实施方案，可包括潜在的极端数量的以热能储存的能量。因此重要的是，该保护方法能够安全限制高热能负载向环境的运输。因此，可以有利于通过多余的材料使保温矩阵202和/或工作流体206与外部环境绝热和/或分隔。在一些实施方案中，保护壳204能包括至少部分是耐火材料形成的内层，至少部分结构材料形成的外层以及插入到内层和外层之间的绝热层。
内层可形成保温矩阵材料(如石墨)的一个或多个核的直接外壳，在一些实施方案中，也包括如玻璃碳、碳化硅、强结构无定形或类似无定形的碳结构、氮化硼、碳制成的高温气凝胶和相关的复合物的材料和具有一个或多个如耐高温，高强度，低孔隙度等特点的类似材料，作为用于工作流体206的有效保留隔层且也作为热隔板来减少工作流体206中和保温矩阵中的热转移到保护壳204的其它层以及外部环境中。内层可压缩工作流体的输入流穿过保温矩阵202，因而在径向方向(例如，垂直于工作流体流穿过保温矩阵202的方向)有利地相对无孔。
在一些实施方案中玻璃碳的使用能允许保温矩阵202的核以相对便宜的隔热材料作为内衬。在石墨或类似的保温矩阵202的情况下，玻璃碳能提供高强度、低热膨胀系数和一些热传导性的类似的操作特点，由于其寿命真实模拟了保温矩阵材料本身的那些。碳化硅能形成对于工作流体206的自由流动高阻抗的隔板作为热输入回路(详见下文)的一部分，并能够在某些实施方案中使用实现保温矩阵202的均匀加热。在一些实施方案中，可将氮化硼与另一种材料(如例如碳纤维支撑基体)结合来提高氮化硼内层的结构强度。
用于绝热层的适合材料可以包括，相对厚的微孔碳毡、碳泡沫、石墨、或其它高强度的可耐高温并允许以热通量形式存在的核心能量慢慢退出经济上可行的耐火材料。由于此隔板的大部分本质性能，其可是轻的并可廉价的生产和安装。碳基物质如石墨和碳泡沫或碳毡通常在较大压力范围内有近于4000K的三相点，并且在储存容器的材料无需具有可能失败的倾向的广泛且昂贵的容器冷却系统而在能承受的实际温度下保持固态。如本文所述的绝热材料以及结构或功能等同物可以用来在有助于与保温矩阵202之间相互进行有效热转移的各种压力下容纳工作流体206，且在符合本发明的实施方案的能量恢复过程中与一个或多个热发动机或发电机进行热转移。在一些实施方案中，操作压力为大约0.1巴至20巴绝对压力。
绝热层可选地包括多于一个的层，且可选地是不同材料。例如，绝热层也可包括标准炉材料如“高岭棉”制成的二级耐火热隔板，可承受几乎最高的核心温度。为了额外的安全，低温玻璃棉或类似的柔性垫可以加入绝热体内层的外侧，来填满绝热内层和保护壳204外层之间的任何缝隙。除了插入在内层和外层间之间的绝热层，额外的绝缘和/或化学惰性材料可以层放在保护壳204外侧来降低外层的结构保护材料的成本和毒性，和/或保护保护壳204免受环境的损害(例如腐蚀或其他化学侵害、物理伤害等等)。
在另一个实施方案中，一个或两个内层和绝热层可具有保护和绝热能力。结构性强的无定形或类似无定形碳结构可提供多孔耐火绝热材料。这种材料的例子包括但不仅限于，碳毡、泡沫炭、或其他类似材料如混合木屑的碳纤维或用于通过厌氧加热到大约1200K的较高的温度使得绝热物完全碳化来形成无定形碳的其他适合的轻质起始材料。由于其本身是高度绝热材料的无定形碳的存在，能够以由于碳纤维和微孔室的存在而具有高强度的方式形成材料。微孔(例如，孔直径为大约I至3微米或更小)可限制工作流体206的平均自由程，因而变成了较差的热导体且随着本身温度下降导热性随之逐渐失去。通常，较小的孔导致气体分子的平均自由程缩短，从而提高绝缘性能。
耐火绝热材料的使用不仅可以限制任何使用高温所造成的损伤，也可限制正常热量逃逸到环境中(如热力学所要求的)。事实上，绝热材料可以作为还会限制高温储能的自放热速率的高价值阻热器使用。
无定形碳或相关的结构材料例如无定形氮化硼的使用，能够显著降低必要的耐火绝热材料的成本，而同时能承受与用在保温矩阵202内的石墨或其他碳同素异形体同一规模的高操作温度。无定形碳可具有与碳化硅、玻璃碳、石墨等等相似的膨胀系数，使得其可理想的在绝热材料可以承受的较宽温度范围内使用。
外层可以包括结构上且环境上耐用材料的最后隔板，如例如不锈钢等。外层能够保证内层的物理完整性，也为工作流体206的泄漏提供了隔板。任何传感器、控制、外部管道和其他需要插入到保护壳202内部的物体可由抗高温并能形成气体防渗密封的材料制成。其他能够用在外层的材料可包括，但不局限于，例如，具有烤在其上的绝热“涂料”的标准钢。在一些实施方案中，这种涂料可以被也作为用于运输和装卸的冲击保护物的绝热泡沫覆盖。
符合本发明的实施方案的保护壳204的外层可由一种或多种金属或合金制成。例如，可用的钢、镍、钒、铬、钛、钨或类似物等的合金可显示出适当的强度和熔点来承受完全暴露在如在此所述的保温矩阵202工作温度范围的低端的温度下。如果由所述合金制成的保护壳204的外层进一步由低热通量绝热体内衬并由非活性气体如氩气对流冷却，保护壳204预计具有大约20至大约40年的运行寿命，使得其作为介质可实用地储存大量能量且经济地最小化服务。可以采取类似的措施用于互连的管道、泵、压缩机、阀门和热交换器来提供与众不同的运行寿命和运行安全。
如上所述的包括提供了连续阶段的被动热绝热体的层状保护壳204的能量储存系统，可提供有效的失败安全机制用于阻止如在紧急制动过程中的危险状况的产生。本发明的实施方案可被设计并操作从而使得用于正常操作的非主动冷却是必须的。进一步地，由于工作流体206可只包括通常在环境空气中可得的化合物来使用，在保护壳204内的破裂很可能导致仅来自窒息(例如由于氧气的排除)的危险情况，或来自导致使含氧空气与高温保温矩阵202接触的保护壳204或工作流体循环系统的基本破裂的危险情况。这种情况可能导致保温矩阵的石墨和/或其它含碳同素异形体的点燃。然而，如本发明在此所描述的能量储存系统通常在(除非在保护壳204的全部结构破裂的情况下，以期最小化大量含氧空气的入侵)升高的正面的内压下运行。在含碳保温矩阵材料的点燃情况下，除了在封闭的空间内有非常高的浓度的情况以外，大多数燃烧副产物(如二氧化碳、一氧化碳、烟尘等等)有可能相对良性或至少没有急性或慢性毒性。使用了一系列的耐火材料或其他高耐热性材料的保护壳204层状结构可使这种加热的工作流体逃逸和含氧的空气入侵最小化。此特征能够为这种破裂提供被动的保护，且在紧急情况下能够允许系统被动关闭，包括控制系统的电力的完全丧失。
在正常操作期间，符合本发明的实施方案的能量系统可能需要从完全断电状态(黑启动)下开始或关闭至完全断电状态用于维护。用于能量储存系统的控制系统提供可确保启动和关闭过程不会如此迅速发生以至于导致对于装置和系统成份的热冲击的结果。此热冲击可能导致一个或多个系统组件的提前失效。在一些实施方案的普通操作中，能量输入系统210的热交换器特征可既用于开始加热又用于关闭冷却。在热交换器被来自保护壳204内部的工作流体206通过一种或多种流体传递回路或线路供给的情况下，一种或多种流体传递回路内的工作流体206直接与最大能量储存和温度存在的保温矩阵202接触。在一些实施方案排除能量至非储能状态可以通过使用冷却热交换器在短时间内完成，或者替代地能够允许系统在较长时间内被动地自我放电。
循环系统，如符合本发明的一个或多个实施方案的能量储存系统，通常经历承受以热冲击、振动、摩擦、扩散、化学反应和降解最初形成的材料直到其整个循环系统或组分需要维护或更换的许多其他相关的力的形式的磨损。当成本不再有效的维持系统在安全和有效的方式下运行时，系统即被宣布达到报废且需要更换或再生。绝大多数现代机械通常的目标是在基于成本和风险分析基础上延长机械预期寿命周期为可能长的时期。然而，当此体系最终退休，需要清理的大量物质为一个或多个同素异形体形式的碳。这种材料对于正常清理来说一般是相当安全的(例如不作为危险废物)。相似地，此系统的其他组分可采用无毒的金属，陶瓷材料等等来制造。因此正常清理这些材料几乎没有危险，其中许多还可能全部或部分可修正用来回收。
再参考图2，能量储存系统200能够包括一个或多个电力输入系统210。能量储存系统200的保温矩阵202通常以热的形式保留能量。在一些实施方案中被能量储存系统200储存的输入能量的传递可能通过直接提供热能至保温矩阵202和工作流体206 —方或双方来进行。例如，一种或多种热转移棒或管可以定向穿过被包含在保护壳204内部的容积作为从高温热源传递热至工作流体206和/或保温矩阵202的热交换器使用。另外或此外，热交换能够发生在保护壳204外部，例如通过使工作流体206在保护壳204内部至热交换器外部循环的流体线路。例如，输入能量至保温矩阵202的引导能够间接穿过工作流体气体来利用所需的任何热源包括地热、太阳能、或燃烧等而不首先转换成电形式的能量来执行。
如果现有的或新的热源和工作发电系统与能量储存系统不为一体，基本上为任何形式的输入能量都能高率转换成热并转移至保温矩阵202。一种提供输入能量的方法是通过一个或多个热交换器和热泵“增加”热能源至高温。符合本发明的方法的另一实施例是通过使用电至热转换系统使电能至高温热能转换，如例如电阻加热元件或其他热传导或辐射元件或其中一个或多个感应元件通过磁场的产生来加热的感应加热系统。例如，如果保温矩阵202包括石墨，石墨中的石墨烯板能够通过使用振荡磁场的感应能量转移而被加热。
一种添加输入能量至保温矩阵202的方法可以通过传递进入的电能至保温矩阵202来直接加热保温矩阵202。对于使用石墨作为保温矩阵202的系统来说，一种能量输入方法能够利用石墨的各向异性性能通过使用附加接触石墨核相对的两侧或两端来通过电阻加热材料。其他具有类似的导电性能的保温矩阵材料可以以类似的方式被加热。
添加输入能量的一个替代方法可以使用等离子体和气体之间快速和简便的热传递。当气体和等离子体在容器中同时存在，它们在恒温下迅速达到平衡。相比之下，流体和固体之间的热转移，包括如气体及其混合物的流体可以相对缓慢。因此，既可以在保护壳内部或是在外部的等离子体腔室中，可以热力学有利地激发工作流体206进入等离子状态，并且允许等离子体-气体热转移至工作流体206上来以极高的效率迅速产生高温均匀混合物。如果保护壳204或其他保护特征(例如管装物、管子等等)是具有非常低的热转移速率的固体，几乎全部进入的等离子产生的能量以热的形式被保留在工作流体206内，导致在相对较短的距离内非常有效的和高功率通量(大约几千瓦)的转移方法，特别是从电至热的形式。
当等离子体离子与不带电的气体产生碰撞，可以有施加于整个气体上的净力，导致电-磁-流体泵效果。因此，工作流体206在具有开口端(但仍封闭回路)的保护壳204、外部等离子体腔室、或其他保护特征内既可均匀加热又可同时在同一方向被泵送，其泵送方向跟随离子回旋元件。氮气体已被发现有效的淬灭等离子体“火焰”并迅速传播转移的热至保留的气体内。
再参考图2，能量储存系统200可以包括一个或多个电力输出系统214。为了存储于能量储存系统内的热能的作为电力来分配，必须使用一个或多个方法将热能转换为电力。此外，如果是对于热能的能量需求，这种能量可以直接或间接地输送，例如通过包括工作流体206流的热转换器或含有一定体积的工作流体206的静态容器。为了从储存中恢复以热的形式的热能，流体热转换器能够用来自保温矩阵202运输能源到外部来转换成适当的有用的能源形式。在某些非限制性实施方案中可以采用机械发电机，例如蒸汽动力涡轮、斯特灵循环发动机、布雷顿循环发动机等等。布雷顿循环涡轮及相关热发动机能够在“封闭回路”循环中被构造并操作，以使得工作流体206孤立于周围环境并且可以在任何所需的水平加压，包括低于大气。
作为达到高操作温度(例如，约2500K)的能力的结果，如本文所述的能量储存系统能够与几乎所有现有的常规发电厂的发电机械结合来使用，从而通过重新使用它们最昂贵的组件，包括现有的与配电网的连接，使它们转换或扩展成为可再生能量储存设施。高卡诺效率热机可结合到能量储存系统上来产生有用的工作或能量，特别是在预先存在的生成设备未存在或未并入的地方。
能量储存系统，与现有的热循环转化系统结合使用来产生有用的能量时，可以具有相当低的成本。如果这样的系统已在使用，那么储存在保护壳204内的热能可通过作为简单的热电容来模拟热循环的热端温度并延长发生器的运行时间段以扩展热循环系统。如果热循环使用与作为保温矩阵202的石墨材料或其他材料不兼容的工作流体，那么一套高效换热器能够被用来将如本文所述的保温矩阵202和工作流体206安装到热循环系统上，在热进出保温矩阵202的往返转移间具有很小的效率损失。
如果在已存在的热系统的热源温度和系统的优化发生温度之间存在差异，那么能量可以被储存到两点间较热的一点，并且可利用所需要的热交换器或节约装置(用于比发生器温度更热的来源温度)或热泵或过热器(用于比发生器温度更冷的来源温度)来达到发生器的入门温度。在一个可选的实施方案中，部分“排放”冷工作流体可以循环返回来与热工作流体一起混合，例如使用可变控制结合阀门或类似物，以在输入至热发动机或其他热-电转换技术时得到恒定热源温度。
此处所述的热能储存通常也能用在任何或每个同时发电的热能级或与循环发生系统结合成一体用于热转换为有用的电能。余热(如超过室温或所述系统的最低运行冷却温度的出口温度能量)能够被用于其他衍生用途如加热饮用水或居住地或工作室。
在任何基于热循环的系统中最重要的挑战是，在不同相材料如固-气、固-液、液-气或三相点共存材料之间的热能转移。一般来说是有利的是，例如，如果热交换器歧管内于歧管两侧进入的不同温度流体之间的热转换是容易的，而同时不允许或基本不允许任一流体与另一种混合的物理转移。此特征和组成也有利地限制了可能阻碍流体循环的大体上是固体或粘性材料的形成，无论从工作流体和热交换器壁之间或之内的相位变化或化学反应方面。
相反地，对于管道、容器等材料在特定的温度和压力下可有利地重新配置由流体保留的热以在其内部具有低热通量的固体内衬从而避免将积累的热量转移至其周边环境。此特征可以防止或减少热损失和防止工作保护材料的化学或物理变化。此管道、容器等等也可以有利地限制以任何可察觉的速率流体或其他材料进入或离开它们的壁的物理转移。
包含工作流体的相变或等温压缩或膨胀的蒸发、冷凝和隔热循环也是容纳压力和/或体积变化同时包含与环境物理隔离的工作流体206的设备。热能够通过独立于与工作流体206所运行的方法的围阻墙(containing wall)来转移或保留，从而致使对正确通过所需的工作热循环的启动，运行和停止将保持完整的和功能的容器进行适当选择。容器也能有利地隔绝工作流体206与外界的相互物理传递使其安全和有效。
热和工作具有相同的测量单位，促进热发动机和热泵的使用来将一种能量转化成为另一种。热效率被发动机或泵入口和出口温度之间的不同所限制，同样被热力学第二定律所限制。为了达到高的热效率，可有利地使得有效的进口和出口的之间具有尽可能大的温度差，并使用热转换装置使得其等温和隔热(可逆绝热过程)部分的用于工作循环的热得到最佳利用。
卡诺循环发动机的效率，如上所述，是高温参考(也被称为“热点”)和低温度参考(也被称为“冷点” )之间的差异的函数。用于不同热点温度和通常可用的冷点温度的理论卡诺效率归纳在表I里:
表1:理论卡诺效率:
热点(° K) |600 |900 I1200 11500 Il800 I2100 I2400~ 卡诺效率% % % % % % % 280° K Geo f￡ 53~ 69~ 77~ 81 ~ 84~ 87~ 88 285° K Geo , 52~68~ 76~81 ~84~86~88 293° K 空气低 3~ 67~ 75~ 80~ 84~ 86~ 88
权利要求
1.一种系统，包括: 保护壳； 保温矩阵，其被包含在保护壳内，该保温矩阵包括存储输入能量作为热能的碳的同素异形体；和 一定体积的工作流体，其被包含在保护壳内并与保温矩阵接触，该工作流体包含氮气和惰性气体并通常与碳的同素异形体不发生反应。
2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括从工作流体中移除活性化合物的活性化合物移除系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其中活性化合物移除系统包括过滤介质。
4.根据权利要求3所述的系统，其中过滤介质包括活性碳。
5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其进一步包括用于从能量源传递输入能量到保温矩阵的能量输入系统和用于从保温矩阵中恢复输出能量以传递至能量需求的能量输出系统，能量输入系统和能量输出系统可独立地操作，使得通过能量输入系统接收输入能量不会干扰或妨碍通过能量输出系统传递输出能量。
6.根据权利要求5所述的系统，其中工作流体包括能量输入流体； 能量输入系统包括使工作流体穿过至少一个输入能量热交换器的能量输入工作流体循环器和将来自电能的输入能量转换为转移到工作流体中的热能的第一电能转换系统；和 能量输出系统包括使能量输出流体穿过至少一个输出能量热交换器的能量输出工作流体回路循环器和将能量输出流体内的热能转换为电能以传递到能量需求的第二电能转换系统。
7.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其进一步包括用于从能量源传递输入能量到保温矩阵的能量输入系统。
8.根据权利要求5-7任一项所述的系统，其中输入能量包括电输入能量并且能量输入系统包括将电输入能量转换为热能的输入能量转换系统。
9.根据权利要求8所述的系统，其中输入能量转换系统包括至少一种电感应系统、电阻加热系统、等离子体加热系统和能量输入工作流体循环器中的至少一个，电感应系统包括在保护壳内的通过使用电输入能量而产生的磁场来进行感应加热的感应加热元件，电阻加热系统包括在保护壳内的通过使电输入能量穿过电阻加热元件来进行电阻加热的电阻加热元件，等离子体加热系统包括由电输入能量驱动以在保护壳和供工作流体穿过的等离子腔的至少一个中产生等离子的等离子体产生系统，能量输入工作流体循环器使工作流体穿过将来自电能的输入能量转换为转移到工作流体中的热能的第一电能转换系统。
10.根据权利要求5-7任一项所述的系统，其中输入能量包括热并且能量输入系统包括将热转移到工作流体和保温矩阵的至少一个中的输入能量热转移系统。
11.根据权利要求1-4和权利要求7-10任一项所述的系统，其进一步包括用于从保温矩阵中恢复输出能量以传递至能量需求的能量输出系统。
12.根据权利要求5-6或权利要求11任一项所述的系统，其中能量需求是为了电输出能量，且其中能量输出系统包括将存储的热能转换为电输出能量的输出能量转换系统。
13.根据权利要求12所述的系统，其中输出能量转换系统包括斯特林发动机、布雷顿发动机、朗肯发动机、奥托发动机、锅炉、流体热泵、固态热泵、涡轮原理发生器、活塞原理发生器、热电装置和热光伏装置中的至少一个。
14.根据权利要求5-6或权利要求11任一项所述的系统，其中能量需求是为了热输出能量，且其中能量输出系统包括将存储的热能转移至能量需求的热交换器歧管和循环泵中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的系统，其中热交换器歧管包括内含热转移流体的线圈，该线圈被嵌入保护壳的一个或多个热绝缘层中或在保护壳的一个或多个热绝缘层之间以吸收热进入热转移流体以用于提取至将吸收的热转换为电力的电生成系统和使用吸收热以执行有用的工作的热能使用系统中的至少一个。
16.根据权利要求1-15任一项所述的系统，其中保护壳包括具有耐火材料的内层，具有结构材料的外层，和插入内层和外层之间的绝热层。
17.根据权利要求16所述的系统，其中内层具有玻璃碳和碳化硅中的至少一种。
18.根据权利要求16-17任一项所述的系统，其中绝热层具有限制工作流体的分子平均自由程的多孔材料。
19.根据权利要求18所述的系统，其中无定形碳的多孔形态包括碳纤维基体、碳毡和碳泡沫中的至少一种。
20.根据权利要求1-19任一项所述的系统，其中工作流体包括氮摩尔分数为大约35%或更多的氮气(N2)、氩摩尔分数为大约35%或更多的氩气(Ar)和氖摩尔分数为大约2%或更多的氖气(Ne)。
21.根据权利要求1-19任一项所述的系统，其中工作流体包括氮摩尔分数为大约50%的氮气(N2)、氩摩尔分数为大约45%的氩气(Ar)，氖摩尔分数为大约4%的氖气(Ne)和氦摩尔分数大约为1%的氦气(He)。
22.根据权利要求20-21任一项所述的系统，其中工作流体进一步包括氪摩尔分数大于零且小于大约1%的氪气(Kr)和氙摩尔分数大于零且小于大约1%的氙气(Xe)中的至少一种。
23.根据权利要求1-22任一项所述的系统，其中工作流体大体上由环境空气中可得的无毒化合物或原子构成。
24.根据权利要求1-23任一项所述的系统，其进一步包括在能量储存操作过程中保持保温矩阵的温度在大约900K至大约1500K的控制系统。
25.根据权利要求1-23任一项所述的系统，其进一步包括在能量存储操作过程中保持保温矩阵的温度在大约2500K以下的控制系统。
26.一种在能量储存系统中的储能方法，其包括含有一定体积工作流体和保温矩阵的保护壳，其方法包括: 在能量储存系统中接收输入能量； 通过保温矩阵和工作流体保留输入能量作为热能，保温矩阵包括碳的同素异形体，工作流体包括氮气和惰性气体； 使用活性化合物移除系统处理工作流体以从工作流体中移除活性化合物； 从能量储存系统中传递输出能量。
27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括通过能量输入系统将来自能量源的输入能量传递到保温矩阵和通过能量输出系统从保温矩阵中恢复输出能量以传递至能量需求，能量输入系统和能量输出系统可独立地操作，以至于通过能量输入系统接收输入能量不会干扰或妨碍通过能量输出系统传递输出能量。
28.根据权利要求27所述的方法，其中能量输出系统包括热发动机，且该方法进一步包括以卡诺效率大于30%或卡诺效率大于45%或卡诺效率大于55%来操作热发动机。
29.—种系统,包括: 保护壳； 用于保留接收的输入能量作为热能的工具，此用于保留热能的工具包括碳的同素异形体并且被包含在保护壳内； 包含在保护壳内部并与保温矩阵接触的一定体积的工作流体；该工作流体包括氮气体和惰性气体并通常在系统运行的运行温度范围内不与碳的同素异形体反应；和 用于从工作流体中移除一种或多种活性化合物的工具。
30.根据权利要求29所述的系统，其中接收的输入能量包括电输入能量且能量输入系统包括将电输入能量转化为热能的输入能量转换系统，且其中用于储存热能的工具具有小于大约1500K的最大操作温度；该系统进一步包括: 用于从储存热能的工具中以至多大约50千瓦每小时的速率持续至少12小时来恢复输出能量的能量输出系统。
31.根据权利要求30所述的系统，其中用于储存热能的工具包括占小于约2.5立方米体积的石墨核。
32.根据权利要求29所述的系统，其中输入能量包括电输入能量，能量输入系统包括将电输入能量转换为热能的电阻型转换系统，且当用于储存热能的工具被加热至大约1500K温度时，其与能量输出系统合作从储存热能的工具中以至多大约5千瓦每小时的速率持续至少12小时来恢复能量。
33.根据权利要求3 2所述的系统，其中用于储存热能的工具包括占小于约0.3立方米体积的石墨核。
全文摘要
本发明涉及能够使用保护壳(204)、包含在保护壳(204)内的保温矩阵(202)、包含在保护壳(204)内并与保温矩阵(202)接触的一定体积的工作流体(206)，以及可选地，从工作流体中移除活性化合物的活性化合物移除系统(220)提供高温能量。保温矩阵(202)包括碳的同素异形体。工作流体(206)包括氮气和一种或多种惰性气体。本发明还涉及相关的系统和方法。
文档编号F28D20/00GK103154657SQ201180036592
公开日2013年6月12日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年5月28日
发明者A·皮奇 申请人:凯尔文储存技术公司