能量储存和转换的制作方法

本公开内容涉及能量的储存和转换，具体地，涉及将流体(例如，气体)中的动能或势能形式的能量转换成电能。

背景技术：

具有便携式规模的大多数能量储存解决方案涉及在电池或燃料电池中以化学形式储存能量，以在需要时将储存的能量转换成电能。已进行过用于开发和改进电池和燃料电池的大量的积极研究以解决诸如电池的有限循环寿命和燃料电池的使用安全性的问题。

在气体或液体中以势能(压力能)的形式储存能量也是已知的。例如，已知在需求低时使用电力将水泵送到更高的势并且在需求高时通过发电涡轮机使泵送的水回落。类似地，还已知在具有恒定压力的气体中储存能量(例如，海底储存)或者在具有恒定体积的气体中储存能量(例如，地下储存)。然而，这些形式的能量储存需要包括涡轮机和电机的复杂布置和大规模安装以将储存的能量转换成电能。

一直存在对于能量储存的改进形式或替选形式的需求(特别但不仅是便携式的规模)，例如使得其可以安装在电动交通工具中。

技术实现要素：

在第一方面，一种用于将流体的动能转换成电能的装置包括流动室，该流动室具有针对流体的进入端口和针对流体的排出端口。成对的电荷收集电极，其沿收集方向彼此间隔开并且被设置在流动室内。电场产生器，其被配置成沿场方向在流动室中产生电场以分离流体中的带电物类。在进入端口与排出端口之间，流体的流动路径的流动方向具有沿收集方向的分量和沿场方向的分量。

通过电场分离的带正电物类和带负电物类中的第一者被电场偏压从而由于电荷分离而总体上在与流体流动方向相同的方向上移动，并且带正电物类和带负电物类中的第二者被电场偏压从而总体上在与流体流动方向相反的方向上移动(即，在由场引起的运动的方向与流动方向之间分别产生正标量积和负标量积)。由于流动可能不同地影响带电物类，因此除了由电场引起的电荷分离之外还在收集电极之间产生附加的电荷分离，从而将流体流动的动能(例如，由加压流体器皿中的压力的势能产生)转换成可以在负载中耗散的电能。在具有不同的带电物类迁移率的电离气体或其他流体的情况下，带电物类之一(例如气体离子)与其他物类(例如电子)相比可能会更多地受到流体流动的影响。因此，对流动更敏感的物类将优先通过排出端口离开流动室，而其他物类将优先被其对应的捕获电极捕获，因此增大了捕获电极之间的电势差并且提供与过剩电荷相关联的电能。

应当理解，本公开内容中描述的是操作理论，其是出于说明的目的而提出的，而不是为了限制本公开内容的范围。

在一些实施方式中，电场是用于使流体电离的电离电场。流体可以是诸如空气、氩气或氖气的气体，并且使流体电离可以包括：产生等离子体和/或放电，例如流动室中的暗放电或电晕放电。在这样的实施方式中，带电物类之一是气体分子的被剥离的电子，而另一带电物类是得到的带正电的气体离子。特别地，带电离子可以比自由电子更多地受到流体流动的影响，因此有差别地借助于流体流动而离开流动室的带电离子比电子多，从而增加了电荷分离并且因此增大了收集器电极之间的电势。在其他实施方式中，流体可以是例如在溶液中具有带正电离子和带负电离子的液体。

在一些实施方式中，电场产生器包括成对的场产生电极，其沿场方向间隔开并且被设置在流动室的任一侧。在一些实施方式中，场产生电极可以由电荷产生电极提供。在其他实施方式中，场产生电极可以与电荷收集电极分开并且可以与流动室电隔离。场产生电极可以由例如包括电池作为电力源的任何合适的电压源(如任何高压(hv)供应装置)驱动。合适的电压源可以附加地或替选地包括hv电容器。

在一些实施方式中，场方向与流动方向可以基本平行，收集方向与流动方向也可以基本平行。有利地，这可以使流体流动的效果最大化，尽管只要在流动方向与场和/或收集方向之间存在非零标量积就会产生效果。在一些实施方式中，场方向与流动方向之间的角度和/或收集方向与流动方向之间的角度可以在-n度与n度之间或者在180-n度与180+n度之间，其中n小于45度，例如小于30度、20度或10度。在一些实施方式中，n可以小于5度。在一些实施方式中，场方向与收集方向可以基本平行。在一些实施方式中，流动路径穿过电荷收集电极中的一者或两者。例如，电荷收集电极可以是网状电极。电荷收集电极可以以与流动路径的至少一部分重合的轴为中心。

在第二方面，一种用于将流体的动能转换成电能的系统包括如上所述的装置。该系统还包括用于产生电离电场的电流受限电压供应装置以及连接至电荷收集电极之一的负载。在一些实施方式中，负载可以连接至处于较低电势的电极(即，连接至供应装置的负端子的组合的场产生电极和电荷收集电极或者连接至供应装置的负端子与场产生电极相邻的电荷收集电极)，这在一些实施方式中可以提供改进的效率，例如在流体是电离气体的情况下。例如，负载可以连接在一个电荷收集电极与接地电势之间。另一个电荷收集电极可以连接至接地电势。在一些实施方式中，负载可以以浮动布置连接至电荷收集电极。负载可以在一侧连接至一个电荷收集电极而在另一侧连接至另一电荷收集电极。负载的一侧和对应的电荷收集电极可以接地。

在一些实施方式中，该系统包括用于将进入端口连接至含有加压流体的容器的连接器。容器可以可拆卸地连接至连接器，以使得能够将空容器替换为含有加压流体的新容器。该容器可以安装在系统中与装置呈固定关系，并且可以例如能够经由再填充端口向其再填充加压流体。

在一些实施方式中，该系统包括用于调节流体的流动速率的控制器。控制器可以被配置成接收指示由负载耗散的能量的量并且根据指示由负载耗散的能量的量来调节流体的流动速率。附加地或替选地，控制器可以被配置成接收指示负载的能量需求的量并且根据指示负载的能量需求的量来调节流体的流动速率。指示耗散的能量的量可以是耗散功率、由负载汲取的电流、负载两端的电压降或这些的组合。指示能量需求的量可以是期望的功率、要由负载汲取的电流、负载两端需要的电压降或这些的组合，在负载是马达的情况下可以是速度或扭矩需求，等。控制器可以控制用于控制流体流动的阀，并且控制器中的一些或全部可以被设置在加压流体容器上或与加压流体容器相关联，并且可以是能够与容器一起移除的。

负载可以是例如安装在电动交通工具中的电动马达，电动交通工具例如电动汽车或混合动力汽车、自行车、三轮车、船舶、火车或飞机。负载可以包括电力供应网络，例如一个或更多个商业或住宅单元(例如一个或更多个房屋、公寓等)的电力供应网络或公用变电站。

在第三方面，一种将流体的动能转换成电能的方法包括：使流体沿流动方向流动通过流动室。流体可以被加压并且使流体流动可以引起加压流体中的势能到流动流体的动能的转换。向在流动室中流动的流体施加电场。电场的场方向具有沿流动方向的分量。因此，流体的正物类和负物类沿场方向分离，其中带正电物类和带负电物类中的一者被偏压以在具有流动方向上的分量的方向上移动，而带正电物类和带负电物类中的另一者被偏压以在具有与流动方向相反的方向上的分量的方向上移动。在相应的电流收集器处收集带正电物类和带负电物类中的每一者，并且从电流收集器之一汲取电流以向负载提供电能。

在一些实施方式中，该方法包括：通过向流动流体施加电场来使流体(例如，气体)电离，以产生包括带负电物类和带正电物类的电离流体。使流体电离可以包括产生等离子体和引起放电(例如暗放电或电晕放电)中的一者或更多。

在一些实施方式中，该方法包括：感测指示由负载耗散的能量的量并且根据指示由负载耗散的能量的量来调节流体的流动速率。替选地或附加地，该方法可以包括：接收指示负载的能量需求的量并且根据指示负载的能量需求的量来调节流体的流动速率。

第四方面涉及一种电动交通工具，其包括如本文所述的装置和/或系统。第五方面涉及一种电力供应网络，其包括如本文所述的装置和/或系统。

公开了另外的方面和实施方式，其中在进入端口与排出端口之间，流体的流动路径的流动方向可以具有相对于收集方向和场方向的任何方向上的分量(例如，与第一方向和第二方向中一者或两者垂直)，而不限于流动方向具有沿收集方向的分量和沿场方向的分量。

在任何所述的方面和实施方式中，流动方向和场方向的标量积可以为负，即，电场用于使带负电物类(例如，电子)总体上在与流体流动的方向相同的方向上加速，而流体流动将抵消电场对带正电物类(例如，正气体离子)的作用。这可以提供更大的影响，因为流体流动对离子运动的影响比对电子运动的影响大，而且流体流动保持正离子中的至少一部分到达负收集电极。在其他实施方式中，流动方向与场方向的标量积可以为正，并且电场可以用于使带正电物类(例如，气体离子)总体上在与流体流动方向相同的方向上加速。

应当理解，第一方向总体上沿着第二方向或者具有沿第二方向的分量相当于在沿第一方向和第二方向的各个矢量之间(或者简单地说，在两个方向之间)存在非零标量积，或者，两个方向不垂直并且因此它们之间的角度在0度与小于90度之间或者在大于90度与180度之间(或者，取决于对测量角度的感知，在180度与小于270度之间或者在大于270度与360度之间。)

流体可以是气体，例如空气、氩气或氖气。有利地，氩气或氖气具有化学惰性，并且其带电离子可以安全地释放到大气中。在其他实施方式中可以使用的其他惰性气体也是如此。使用非惰性气体(例如含氧和氮的空气)的实施方式可以包括使用捕获装置捕获离开排出端口的流体中的离子和/或使其放电，以避免将有毒气体排放到大气中。当然可以理解，其他实施方式(例如使用惰性气体的实施方式)也可以包括对这种捕获装置的使用。

附图说明

现在参照附图通过示例和说明的方式描述实施方式，在附图中，相同的附图标记指代相同的元素，并且在附图中：

图1示出了包括用于将流体流动的动能转换成电能的装置的能量储存和转换系统的实施方式；

图2示出了包括用于将流体流动的动能转换成电能的装置的能量储存和转换系统的替选实施方式；

图3示出了包括图1或图2的系统的电动交通工具；以及

图4示出了将流体流动的动能转换成电能的方法。

具体实施方式

参照图1，用于转换在加压流体中储存的能量的系统2包括能量转换装置4，其连接至加压流体的贮存器6，例如加压流体容器。在一些实施方式中，流体是气体，例如惰性气体(如氩气或氖气)。流动室8包括在一端通过导管12连接至贮存器6的流体进入端口10以及在另一端(相反端)的流体排出端口14。在每个端部设置有相应的收集电流的网状电极15，使得流动自/通过进入端口10和排出端口14的流体流动通过网状电极。在一些实施方式中，端口延伸通过其相应的电极15或与之齐平。在一些实施方式中，还可以采用其他电极几何形状，例如围绕相应端口或设置在端口附近的环状电极、设置在其各自端口附近的点状电极等。可以利用已公开的或其他几何形状的任意组合来将电极15配置为相同的或者彼此不同。

成对的场产生电极16被流动室8在其间间隔开，每个电极与进入端口10和排出端口14中相应的一个相邻。电介质材料18设置在每个场产生电极16与流动室8的相邻端之间。在一些实施方式中，电介质材料18是固体，在其他实施方式中，其是空气或任何其他合适的电介质。因此，场发生电极16与流动室8电隔离。在一些实施方式中，导管12通过电介质材料18连接至流动室8并且/或者排出导管20通过电介质材料18连接至排出端口14。在一些实施方式中，排出导管20直接或间接地通过排出离子阱与周围大气流体连接。

高电压、电流受限的供应装置22连接至场发生电极16，以在流动室8内产生足够强度的电场来分离流体中的带电物类。在一些实施方式中，该场具有足以使流体电离的强度。例如，通过供应装置施加在场发生电极之间的电势差可以例如产生6000v/cm或更大的场强以使氩气电离为流动流体。某些流体需要较低的场强，例如氖气(600v/cm)，而其他流体需要较高的场强，例如空气(30kv/cm)。供应装置22由电能源24(例如，诸如电池(如12v电池)的直流电源)馈电。在一些实施方式中，供应装置22被配置成限制电流以便在一些实施方式中从电池(或其他输入电流源)汲取小于2a的电流。在一些实施方式中，也可以将连接至供应装置的电路中的电流(输出电流)限制为例如小于2a。在一些实施方式中，发现当室8填充有空气并且发生火花时，输出电流受到击穿电流的限制，在一些实施方式中，发现输出电流在约50ma至100ma的范围内。在一些实施方式中，对供应装置的输入电压可以例如在9v至12v之间变化。在一些实施方式中，供应装置22和电源24被替换为已由任何合适的电源提前充电的高压电容器。

降压转换器26连接至电荷收集电极15中的一个电极(在一些实施方式中是较低电势的电极，在其他实施方式中是较高电势的电极(如图所示))，以将电极6之间的电势差降低到连接至降压转换器26的负载28的所要求的工作电压，以便从降压转换器26并因此从装置4汲取电流。负载28连接在所讨论的电荷收集电极15之间，并且在一些实施方式中，负载的一侧和对应的电流收集电极连接到地。在其他实施方式中，负载28以浮动布置连接在电荷收集电极15之间。在一些实施方式中，负载28连接在地与其中一个电荷收集电极之间，并且另一个电荷收集电极也连接到地。

在一些特定实施方式中，电荷收集电极15的面积为1cm²并且间隔开1.6cm，并且场产生电极的面积为5cm²并且间隔开7cm。流动室的长度为7cm，内部容积为34cm³，并且由于导管和端口10、12、14、20的流动阻力，流动速率为0.1ml/分(1.7×10^-3ml/秒)，并且特别是由于排出端口14的相对小的流动横截面/相对高的流体动力学阻力，贮存器中的压力为10bar。

参照图2，在一些实施方式中(现在参照相同元素的相同附图标记进行描述)，装置4与上面参照图1描述的装置4类似地布置，但是，场电极15和收集电极16被替换为设置在流动室8内处于流动室8的各个端部处并且连接至供应装置22的组合的场电极和收集电极17。在一些特定实施方式中，电极17被配置为管状电极，其中每个电极的轴线沿共同的方向对准。在一些实施方式中，进入端口10和排出端口14被设置在电极17中相应的一个电极的一侧。在一些实施方式中，供应装置22被配置成例如借助于与供应装置22的正端子相关联的二极管来防止或有力地限制与流入供应装置22的正端子的电子对应的电流。

组合的场电极和收集电极17连接至供应装置22的相应端子。降压转换器26与供应装置22并联地连接至电极17中的一个电极(其如上所述限制或阻止电流从该电极17流回供应装置)，并且负载28连接至降压转换器26。具体地，降压转换器26和负载28连接在电极17之间。在一些实施方式中，负载的一侧和电极17中的一个电极连接到地。在一些实施方式中，负载连接在电极17中的一个电极(例如电势较低的电极)与地之间，而电极17中的另一电极连接到地以形成回路。

参照图3，电动交通工具30(例如电动汽车)包括连接到如上所述的能量转换装置4的贮存器6。如上所述，能量转换装置4连接至供应装置22和负载28。负载28是耦接至交通工具的传动系32的电动马达，用于引起交通工具的运动，例如驱动交通工具的轮。在一些实施方式中，贮存器中的加压流体6中储存的能量是引起交通工具运动的唯一能量源。在一些实施方式中，贮存器6可拆卸地连接至装置4，并且能够在排空时与满的贮存器交换。在其他实施方式中，无论储存器6是否可拆卸/可更换，都可以通过电动交通工具30中的再填充端口向其再填充加压流体。

控制器33接收来自交通工具驾驶员接口的输入(例如需求速度或扭矩)、来自负载/马达28的输入(例如电流需求、实际电流)和来自贮存器6的输入(例如贮存器中的压力，例如，通过与贮存器相关联的压力传感器和/或流动传感器测量)中的一个或更多个并且控制供应装置22，具体地，控制电极16或17上的电压(视情况而定)和用于调节流体从贮存器6到装置4的流动的阀(未示出)。根据特定实施方式，控制器33基于合适的控制法则控制施加的电压和流量，例如使用负反馈来调节马达的电流、通量、扭矩输出或速度。例如，可以基于功率需求来控制场强(即，向电极15/17施加的电压)，场强随功率需求增加。应当理解，在一些实施方式中，在图1和图2的实施方式中如参照图3所描述的那样并入了实现合适的控制法则的合适的控制器，即，与具体应用无关。当然，应当理解，所实现的具体的控制法则，以及所感测或接收到的和被控制的量将随着应用的不同而变化。

参照图4，现在描述操作能量储存和转换系统的方法。在步骤34处引起从储存器6到装置4的流体流动，并且在步骤36处，向电极16/17施加电场以分离流体中的带电物类。在流体是气体的实施方式中，气体被电场电离。例如，在一些实施方式中，电场引起气体中的暗放电或电晕放电。在一些实施方式中，取决于装置4的几何形状，使得流体沿电场的方向流动。在步骤38处，收集电极16收集带电物类(流体中固有的或通过电离产生的，例如气体离子和电子)。例如，由于每种物类的流动性和/或电极相对于流动的布置，带电物类可能受到流体流动的不同影响。因此，带电物类中的一者可能优先通过排出端口20离开装置4，而带电物类中的另一者可能优先被对应的电极15/17收集，视情况而定。因此，由于流体的流动，电极15/17之间的电势差可以增加超过其他情况下的电势差，并且在步骤40中，对应的过剩电荷可以被负载28汲取为电流以进行电气工作。

如上所述，在一些实施方式中，可以基于一个或多个所感测或接收到的参数来控制步骤34中的流体流动(例如通过阀)或者步骤36中施加的电场(例如通过供应装置22的电压设置)中的一者或两者。所感测的参数可以指示由负载耗散的能量，并且接收到的参数可以指示负载的能量需求。控制还可以基于像贮存器6中的压力这样的所感测的参数。另外，在流体是气体并且装置4能够提供所需功率的实施方式的情况下，例如如上所述基于功率需求来控制供应装置22的电压以供应足以使流体电离的场强。在一些实施方式中，电压可以随时间变化。例如，在一些实施方式中，最初由供应装置22提供较高的电压，直到气体中发生放电和/或产生等离子体，然后将电压降低到足以维持放电或等离子体的较低水平。对场强的控制可以基于反馈、时间协议或两者，以实现对流体的高效利用并满足功率需求。

可以将流动速率控制为在可实现的程度上基本恒定，例如随着储存器6内的压力变化和/或基于负载中耗散的需求或实际功率(或相关措施——参见上文)。在一些实施方式中，控制器可以通过增加流动速率和/或供应电压来对功率需求/耗散的功率作出响应。另外或替选地，在一些实施方式中，控制器例如响应于来自流动室8内的压力传感器的信号来控制流动室8内的压力。可以通过一方面控制入口导管12和进入端口10的流动阻力和/或另一方面控制排出导管14和排出端口20的流动阻力来控制流动速率和/或压力。例如，在一些实施方式中，可以在导管12、14中的任何一个或两个中设置节流阀，并且/或者端口10、20可以具有可变孔径。在一些实施方式中，节流阀和/或可变孔径(视情况而定)处于控制器的控制下，例如用于如上所述控制流动速率和/或压力。

应当理解，所描述的控制方面适用于所描述的所有实施方式，包括以上参照图1、图2或图3描述的那些实施方式。

在一些实施方式中，流动方向和场方向可以指向大致相反的方向(即，具有负的标量积)。在这些实施方式中，带正电的物类被电场和流偏压以在不同的方向上移动。在电离的气体作为工作流体的情况下，这意味着气体中的正离子实际上通过流动被从其对应的捕获电极16/17吹走，因此可以将其高效地从装置4中移除，而流动性较高的电子受流体流动的影响较小，并且在任何情况下都被流体流动朝向其相应的捕获电极16/17偏压。然而，在一些实施方式中，流体流动和电场的相对方向可以反转。

通过以下方式以图示来表征以上参照图1描述的特定实施方式的性能：对于0.1ml/分的固定流动速率和2a的供应电流以及两个负载，在9伏与12伏之间改变供应装置22的输入电压，这导致在阈值输入电压之上负载中耗散的功率发生变化。在阈值输入电压下，供应装置的输出电压约为30kv，而在12v的最大供应装置输入电压下，供应装置的输出电压约为45kv。下表中呈现了部分结果：

以上已经通过示例描述了特定实施方式以说明本公开内容的各个方面。应当理解，本发明的范围在所附权利要求中阐述。对于本领域普通技术人员来说，对特征的许多修改和不同组合将是明显的，例如如以上所阐述的。此外，应当理解，方法实施方式的步骤的顺序可以适当地改变，并且可以实际上以时间上完全或部分交叠的关系来执行其中一些或所有步骤。同样地，上述各种实施方式的特征可以适当地组合。在本发明分别参考带正电物类和带负电物类的情况下，每种物类可以对应于单一类型的实体(例如，分别对应仅带正电的气体离子和电子)，或者每种物类可以包括子物类，例如具有不同的各种电荷的带正电的气体离子。类似的考虑也适用于流体是溶液中具有各种离子的溶液的实施方式。