專利名稱：高密度能量儲存及恢復的制作方法
高密度能量儲存及恢復
相關申請的交叉引用
本申請要求2010年5月28日提交題為“用于高能量密度儲存及恢復的組合物及方法”的根據(jù)35U.S.C119(e)的美國臨時專利申請第61/396，523號的優(yōu)先權，其以全文引用方式并入本文。技術領域
此處所述的本發(fā)明涉及能量的儲存及隨后的恢復，例如能量作為熱或熱能的儲存。
背景技術：
現(xiàn)有的可再生能源(例如太陽能、風能、潮汐等等)通常以不連續(xù)的方式產生能量，例如在晝夜周期或者依賴氣候形式或其他非持續(xù)性因素。例如，許多可再生能源直接(例如太陽能)或間接(例如風能)與太陽能變遷的一晝夜或更長的周期綁定。不可再生能源，如例如礦物燃料燃燒設備和核能發(fā)電設備，由于光需求和需要系統(tǒng)保持“熱”，通常都在低于峰值負荷的深夜操作，例如當需求增加時避免啟動的延遲和無效。在許多情況下，在低于峰值負荷情況下運行發(fā)電設備導致發(fā)電效率降低。在一些地區(qū)，在電網上發(fā)生峰值負荷時，可通過用于激活的本地設備提供者維持額外的“峰化器”設備，例如在空調負荷最高時一天中較溫暖的時間段內。這種額外的設備建造昂貴，特別是考慮到它們的不連續(xù)使用。這些和其他因素造成的情況是，發(fā)電能力要求取決于在峰值期間發(fā)生的負荷，而不是根據(jù)在依據(jù)燃料使用和成本支出的最大可能效率下提供整體能源輸出至每日或更長周期進行考慮。
在產能的時間里至少一些所產能源的儲存能使收集到的能量分布匹配無法與當時能源生產模式相符合的當前能量需求模式，特別是滿足電力質量的需求。提供尺寸和成本均有效益的與位置無關的能量的大量儲存能夠例如通過能夠增強產能效率的負荷均衡能力，有助于解決這些需求和生產能力的時間錯位，例如對于礦物燃料燃燒發(fā)電能力，通過使發(fā)電機在峰效率下運行而與需求時間或使用時間無關。例如，所產生的超過當前需求的能量能被儲存用來在峰值需求時增強生產能力來平穩(wěn)需求曲線。發(fā)明內容
在一方面，系統(tǒng)包括具有包含在保護殼內的用來儲存作為熱能的輸入能量的保溫矩陣的保護殼。保溫矩陣包括碳的同素異形體。包括氮氣和惰性氣體的一定體積的工作流體包含在保護殼內并與保溫矩陣接觸。工作流體通常與碳的同素異形體不發(fā)生反應。此系統(tǒng)可選地包括從工作流體中移除活性化合物的活性化合物移除系統(tǒng)。
在一個相關方面，描述了一種在能量儲存系統(tǒng)(其包括包含一定體積的工作流體和保溫矩陣的保護殼)中儲存能量的方法。該方法包括在能量儲存系統(tǒng)處接收輸入能量并通過保溫矩陣和工作流體保留作為熱能的輸入能量。保溫矩陣包括碳的同素異形體，且工作流體包括氮氣和惰性氣體并在能量儲存系統(tǒng)的操作溫度下通常不與碳的同素異形體發(fā)生反應。該方法包括自能量儲存系統(tǒng)傳遞輸出能量，并且該方法進一步可選地包括使用活性化合物移除系統(tǒng)處理工作流體以從工作流體中移除活性化合物。
在另一個相關方面，系統(tǒng)包括保護殼和保留所接收的作為熱能的輸入能量的工具。含在保護殼內的用來保留熱能的工具包括碳的同素異形體。該系統(tǒng)也包括含在保護殼內并與保溫矩陣接觸的一定體積的工作流體。工作流體包括氮氣和至少一種惰性氣體，且在能量儲存系統(tǒng)的操作溫度下通常不與碳的同素異形體發(fā)生反應。該系統(tǒng)也可選地包括可從工作流體中移除一種或多種活性化合物的工具。
在一些變化內，在系統(tǒng)或方法中可選性地以單獨、或兩個或更多個彼此并非不相容的或相互排斥的所述特征的組合的方式包括隨后的段落里討論一個或多個特征。
活性化合物移除系統(tǒng)或用于從工作流體中移除一種或多種活性化合物的工具可選地包括可選地具有活性炭的過濾介質。
可選地提供用于從能量源傳遞輸入能量到保溫矩陣的能量輸入系統(tǒng)。也可選地提供用于從保溫矩陣中恢復輸出能量以傳遞到能量需求的能量輸出系統(tǒng)。能量輸入系統(tǒng)和能量輸出系統(tǒng)可選地各自獨立地操作，從而通過能量輸入系統(tǒng)接收輸入能量不會干擾或妨礙通過能量輸出系統(tǒng)傳遞輸出能量。
工作流體可選地包括能量輸入流體。能量輸入系統(tǒng)可選地包括使工作流體穿過輸入能量熱交換器和將來自電能的輸入能量轉換為轉移到工作流體的熱能的第一電能轉換系統(tǒng)中的至少一個的能量輸入工作流體循環(huán)器。能量輸出系統(tǒng)可選地包括使能量輸出流體穿過輸出能量熱交換器和將能量輸出流體內的熱能轉換為電能用于傳遞到能量需求的第二電能轉換系統(tǒng)中的至少一個的能量輸出工作流體回路循環(huán)器。
能量輸入系統(tǒng)可選地從能量源傳遞輸入能量至用于保留接收的輸入能量的保溫矩陣或工具中。輸入能量可選地包括電輸入能量。能量輸入系統(tǒng)可選地包括將電輸入能量轉換成熱能的輸入能量轉換系統(tǒng)?？蛇x地包括至少一個電感應系統(tǒng)的輸入能量轉換系統(tǒng)可選地包括感應加熱元件、電阻加熱系統(tǒng)、等離子體加熱系統(tǒng)、和能量輸入工作流體循環(huán)器，感應加熱元件安裝在保護殼內并使用電輸入能量所產生的磁場來感應加熱，電阻加熱系統(tǒng)可選地包括安裝在保護殼內并使電輸入能量穿過電阻加熱元件來電阻加熱的電阻加熱元件，等離子體加熱系統(tǒng)可選地包括由電輸入能量驅動以在保護殼和使工作流體穿過的等離子腔的至少一個中產生等離子的等離子體生成系統(tǒng)，能量輸入工作流體循環(huán)器使工作流體穿過將來自電能的輸入能量轉換為轉移到工作流體中的熱能的第一電能量轉換系統(tǒng)。
輸入能量可選地包括熱且能量輸入系統(tǒng)可選地包括可將熱轉移到工作流體和保溫矩陣或用于保留所接收的輸入能量的工具中的至少一個內的輸入能量熱轉移系統(tǒng)。能量輸出系統(tǒng)可被包括用于從保溫矩陣或從用于儲存熱能的工具中恢復輸出能量以傳遞能量至能量需求。
能量需求可選地針對電輸出能量，且能量輸出系統(tǒng)可選地包括將儲存的熱能轉換為電輸出能量的輸出能量轉換系統(tǒng)。輸出能量轉換系統(tǒng)可選地包括斯特林發(fā)動機、布雷頓發(fā)動機、朗肯發(fā)動機、奧托發(fā)動機、鍋爐、流體熱泵、固態(tài)熱泵、渦輪原理發(fā)生器、活塞原理發(fā)生器、熱電子裝置和熱光伏裝置中的至少一個。能量輸出系統(tǒng)可選地包括熱發(fā)動機，其可選地以卡諾效率大于30%或卡諾效率大于45%或卡諾效率大于55%來操作。
能量需求可選地針對熱輸出能量，且能量輸出系統(tǒng)可選地包括用來將存儲的熱能轉移至能量需求的熱交換器歧管和循環(huán)泵中的至少一個。熱交換器歧管可選地包括包含熱轉移流體的線圈。線圈或其他熱交換器形式可選地被嵌入在保護殼的一個或多個絕熱層中或在保護殼的一個或多個絕熱層之間以吸收熱進入熱轉移流體以用于提取至將吸收的熱轉換為電力的電生成系統(tǒng)和使用吸收熱以執(zhí)行有用的工作的熱能使用系統(tǒng)中的至少一個。
保護殼可選地包括具有耐火材料的內層，具有結構材料的外層和插入到內層和外層之間的絕熱層。內層可選地包括玻璃碳和碳化硅中的至少一種。絕熱層可選地包括限制工作流體分子的平均自由程的多孔材料。無定形碳的多孔形式可選地包括碳纖維基體、碳氈和碳泡沫中的至少一種。
工作流體可選地包括氮摩爾分數(shù)大約為35%或更多的氮氣(N2)、氬摩爾分數(shù)為大約35%或更多的氬氣(Ar)和氖摩爾分數(shù)為大約2%或更多的氖氣(Ne)?；蛘?，工作流體可選地包括氮摩爾分數(shù)為大約50%的氮氣(N2)、氬摩爾分數(shù)為大約45%的氬氣(Ar)、氖摩爾分數(shù)為大約4%的氖氣(Ne)和氦摩爾分數(shù)為大約1%的氦氣(He)。工作流體可選地進一步包括氪摩爾分數(shù)大于零且小于大約1%的氪氣(Kr)和氙摩爾分數(shù)大于零且小于大約1%的氙氣(Xe)中的至少一種。工作流體基本上可選地由環(huán)境空氣中可得的無毒化合物或元素氣體構成。
控制系統(tǒng)可選地在能量儲存運行期間保持保溫矩陣或用于儲存熱能的工具的溫度在大約900K至大約1500K?？刂葡到y(tǒng)可額外或者可選地在能量存儲運行期間保持保溫矩陣或用于儲存熱能的工具的溫度在大約2，500K以下。
接收的輸入能量能包括電輸入能量并且能量輸入系統(tǒng)能包括將電輸入能量轉換為熱能的輸入能量轉換系統(tǒng)。用于儲存熱能的工具或保溫矩陣可選地具有小于大約1800K的最大操作溫度。能量輸出系統(tǒng)可選地被包括用于從保持熱能的工具里或保溫矩陣中以至多大約50千瓦每小時的速率持續(xù)至少12小時來恢復輸出能量。這樣操作用于儲存熱能的工具或保溫矩陣可選地包括占有小于約2.5立方米體積的石墨核。輸入能量可選地包括電輸入能量，且能量輸入系統(tǒng)可選地包括可將電輸入能量轉換為熱能的電阻型轉換系統(tǒng)。保持熱能的工具或保溫矩陣可選地包括石墨核，當保持熱能的工具或保溫矩陣被加熱至溫度大約為1200K時，可與能量輸出系統(tǒng)合作從石墨核中以大約5千瓦每小時的速率持續(xù)至少12小時恢復輸出能量。用于儲存熱能的工具或保溫矩陣可選地包括占有小于約0.30立方米體積的石墨核。
本發(fā)明的實施方案能夠提供一個或多個優(yōu)勢。例如，能量來源能被便利地從進入能源存在的形式轉換或轉移進入用于能量儲存且隨后恢復的所選媒介。存儲操作可至少在最大發(fā)電速率和/或電輸入或恢復速率的最大梯度(如變化速率)下執(zhí)行。能量可被保留在存儲系統(tǒng)內，并且減少，最小化或在某些情況下甚至基本消除泄露速率或其他損失。因此，在一些實施方案中可獲得較長時間的儲存，從而為儲存的能量提供更加靈活的應用。本發(fā)明的實施方案能夠將儲存的能量以最大速率和所需能量傳遞的階梯速率轉換或轉移成為容易使用、轉移或傳送的實際應用所需的形式，例如，被所選的轉換或轉移設備物理性所限制。本發(fā)明的實施方案中的安裝、服務、操作、維修、移除和處理機制具有實用性，低成本并且對于周圍人員或環(huán)境具有相對低的風險。
一些實施方案可以包括更新、恢復、回收等存儲系統(tǒng)的一個或多個組分的能力，可能包括但不限于存儲介質、工作流體、保護殼和活性化合物移除系統(tǒng)的組分和機制。本發(fā)明實施方案的另外一個可能的優(yōu)勢在于安置能量儲存系統(tǒng)在鄰近的任何發(fā)電源，配電系統(tǒng)或網絡，和能源使用位置的地方。儲存能量的位置會影響產生、傳輸、和/或使用該能量的整體效率。并且考慮到日益增長的社會、政治等問題，關于能量項目的選址限制、對于能量儲存系統(tǒng)的最大化選址的靈活性也是有益的。
本發(fā)明在此所描述的一個或更多變化的細節(jié)會在如下附圖和說明書中得以闡明。本發(fā)明在此所描述的其他特征和優(yōu)勢也將在說明書和附圖以及權利要求中進行闡明。


被納入并構成本說明書的一部分的所附附圖顯示此處公開的本發(fā)明的某些方面，并與說明書一起，幫助解釋一些與所公開的實施方案有關的原理。在附圖中:
圖1顯示了說明能在電網中出現(xiàn)的特征的視圖2顯示了說明能量儲存系統(tǒng)特征的視圖3顯示了說明能量儲存方法的特征的流程圖4顯示納入了能量輸入和能量輸出系統(tǒng)的說明性實施例的能量儲存系統(tǒng)的視圖5顯示納入了替代的能量輸入和能量輸出系統(tǒng)的說明性實施例的能量儲存系統(tǒng)的視圖6顯示了具有用于熱轉移棒或管的穿透孔的保溫矩陣材料層；
圖7顯示了歧管裝置的三維細節(jié)圖8顯示了歧管裝置的橫截面細節(jié)圖9顯示了保溫矩陣和穿過其中的熱轉移管或棒的橫截面圖10顯示了具有多個分離的保溫矩陣核的能量儲存系統(tǒng)的實施例；
圖11顯示了具有壓縮機泵和磁-等離子體動態(tài)熱發(fā)生器的能量轉換系統(tǒng)的實施例；
圖12顯示了具有壓縮機泵和作為能量輸入系統(tǒng)的磁-等離子體動態(tài)熱發(fā)生器的能量轉換儲存的實施例；
圖13顯示納入了能量儲存系統(tǒng)的能量發(fā)生系統(tǒng)的視圖14顯示納入了單端互連歧管的能量儲存系統(tǒng)的實施例；
圖15A和圖15B顯示了單端互連歧管的細節(jié)圖16顯示納入了集成的電力填充和排放機制的能量儲存系統(tǒng)；
圖17顯示納入了結合的加熱和冷卻方法各方面的能量儲存系統(tǒng)；
圖18為顯示了絕熱厚度和理論操作溫度之間關系的圖表。
在實踐時，類似的附圖標記表示類似的結構，特征或元素。
具體實施方式
圖1顯示了在電網系統(tǒng)100中的說明性特征，其中本發(fā)明的一個實施方案可用來產生有利的影響?？梢允侨魏晤愋桶l(fā)電站的發(fā)電源102，如例如太陽能、風能或其他任意規(guī)模的可再生能量裝置；礦物燃料、核能、或其他類型的任意規(guī)模的發(fā)電廠或其他任意類型的電能或其他電源，可通過在某些情況下可包括將生產電壓轉化為傳輸電壓的升壓變壓器的第一輸電變電站104與一個或多個可以是輸電網一部分的輸電線106連接。輸電網也可能括第二輸電變電站110,以例如從傳輸電壓提供電壓降壓。電力可被傳輸給通常使用降壓電壓的電力的工業(yè)用戶112，和/或在進一步通過配電站120的變壓器降低電壓后傳輸給商業(yè)用戶114和住宅用戶116。
在本發(fā)明的各個實施方案中，納入了在此所描述的一個或多個特征的能量儲存方法可以被用在電網系統(tǒng)100內的一個或多個位置，如圖1所示。例如，聯(lián)合發(fā)電源102的第一輸電變電站104能包括所述能量儲存系統(tǒng)，以為電網的大部分區(qū)域提供負載均衡機制，其可允許發(fā)電站在較高效率峰值或近峰值輸出水平下運行。以此方式，發(fā)電廠可被設計具有由總的整體時間能量輸出所控制的發(fā)電能力，而不是可能在僅是每天、每周、每月、每季度、每年或其他周期的一小段時間內發(fā)生的峰值需求所控制的發(fā)電能力。從而多余的熱能在能量需求小于發(fā)電源102峰值能量產生速度的時間段內被儲存，隨后在能量需求超過發(fā)電源102峰值能量產生的時間段內恢復。
在另一個實施方案中，第二輸電變電站110或者一個或多個配電站120能包括能夠提供從一個或多個不連續(xù)的來源接受能量輸入并轉換所述能量輸入為可分配電力的能力，例如以提供能包括但不局限于負載均衡、改善的電力質量、基底負載發(fā)電，電力備用能力(如用于商業(yè)，工業(yè)，或甚至住宅應用)等優(yōu)勢的能量儲存系統(tǒng)。將具有一個或多個在此所描述的特征的系統(tǒng)安置在接近能量使用位置為有利地使用提供多個選擇，包括但不局限于本地使用從儲存系統(tǒng)中得到的“余熱”用于其他有利用途，以及熱和電系統(tǒng)結合的可能性或對于電力用戶現(xiàn)場電力聯(lián)產的能力(例如，使用可再生能源，本地發(fā)電能力，等等)。
如圖2所示，符合本發(fā)明的一個或多個實施方案的能量儲存系統(tǒng)200可通常包括包含在保護殼204中的保溫矩陣202，此保護殼204能具有一個或多個絕熱層來減少從能量儲存系統(tǒng)通過保護殼204的壁或容器表面逃逸到環(huán)境中的熱的量。工作流體206也存在于保護殼內而且至少部分時期直接接觸保溫矩陣202。能量儲存系統(tǒng)200能包括一個或多個能量輸入系統(tǒng)或設備210來從能量源212傳遞能量并通過保溫矩陣202和工作流體206的至少一個以熱的形式來保留。能量儲存系統(tǒng)200也可包括一個或多個能量恢復系統(tǒng)或設備214來從保溫矩陣202和工作流體206的至少一個中提取熱能，并且以熱能形式傳遞或者轉換為恢復的熱能來滿足一個或多個能量需求216。為了有助于使用包含在保護殼204內并具有在期望達到的高溫下可能未完全惰性的一種或多種成份的工作流體206，能量儲存系統(tǒng)200也可包括活性化合物移除系統(tǒng)220，其可以移除或者減少存在的或形成于工作流體內的氧化物和/或其他活性化合物或原子的濃度。在一些實施方案中，活性化合物移除系統(tǒng)220可包括能從工作流體206中移除活性成份的過濾介質222。
在圖2所示的實施例中，能量儲存系統(tǒng)可選地包括一個或多個安置于保護殼204外部的活性化合物移除系統(tǒng)220，例如以通過具有輸出導管224和返回導管226的導管回路接收來自保護殼204內部的工作流體206。在某些實施方案中，輸出導管可包括熱交換器系統(tǒng)230或穿過熱交換器系統(tǒng)230以從由輸出導管224輸出的工作流體206中提取熱量，來保證在工作流體206處從工作流體206中有效地移除活性成份(例如由具有過濾介質222的過濾)的合適的溫度下。也可使用冷卻工作流體(為了通過活性化合物移除系統(tǒng)220有效移除活性物質如果必要的話)的替代方法，包括但不局限于下面更詳細討論的那些。例如，在有用的能量通過一種或多種能量恢復系統(tǒng)或設備214從熱交換流體206中被提取后，活性化合物移除系統(tǒng)220可被納入來自一個或多個能量恢復系統(tǒng)或設備214的低溫工作流體206或接收來自一個或多個能量恢復系統(tǒng)或設備214的低溫工作流體206。
圖3顯示說明了在本發(fā)明的實施方案中所列出的一種或多種方法特征的流程圖300。在302，能量儲存系統(tǒng)200能接收輸入能量。在304，能量儲存系統(tǒng)200的保溫矩陣202和工作流體206保留作為熱能的輸入能量。保溫矩陣202和至少一些工作流體206可被包含在能量儲存系統(tǒng)200的保護殼204內。在某些實施方案中保溫矩陣202包括與工作流體206接觸的碳的同素異形體，如下更詳細的討論。在306，工作流體206可選地由使用活性化合物移除系統(tǒng)220進行處理來移除工作流體206中的活性化合物。在310，輸出能量可自能量儲存系統(tǒng)200中傳遞，例如至少部分地滿足能量需求。
在一些實施方案中，保溫矩陣202可包括碳的同素異形體，如石墨、碳納米管、富勒烯、摻雜金剛石、結合了硅或氮的化合物(如氮化物)等，以及其他具有高溫，高穩(wěn)定性結構的碳和無碳材料。純的或基本上純的石墨，與其他許多碳的同素異形體一樣，具有極高的熔點，或極高的三(氣、液或固)點溫度以及在高溫(如溫度高于4000K)下特別穩(wěn)定(例如相對化學非活性)。包括石墨的絕大多數(shù)碳的形態(tài)也表現(xiàn)出高于平均的隨溫度增加而值增加的恒壓和恒體積熱容(Cp和(；)，反過來由于溫度隨著額外熱能的儲存而增加，又增加一定石墨質量的總的可用能量儲存能力。石墨另外具有非常低的熱膨脹系數(shù)，使得其成為可用于在非常大的溫度范圍內運行的理想工作物質。這些特征，以及相對豐富的量及其相應的低成本，使得石墨成為在合理的熱存儲系統(tǒng)內使用的令人滿意的材料，如本文所述的那些。工業(yè)級石墨價格便宜且可方便地純化去灰，從而產生能用來以有利地可改變某些大塊石墨熱轉移特征的多孔結構。石墨可被開采或加工成所需的形狀和結構的塊狀，從而使用已知的方法和如本文所述那些使石墨平面垂直于輸入或輸出氣流。多個石墨塊可被小心組裝用于安裝進入較大的層內。
石墨和其他碳的同素異形體的高可用熱儲存溫度能夠令使用的熱發(fā)動機達到非常高的卡諾效率。由于認識到需要在高溫下在氦或氦-氙氣體環(huán)境中保持石墨來提供高效熱轉移而在很長時間段內沒有不需要的石墨退化或不與在熱轉移系統(tǒng)或過程中所使用的其他材料化學反應，石墨已很少使用在在商業(yè)可行規(guī)模上的明顯的熱儲存應用。在極高的溫度下碳能夠儲存最大量的能量這種考慮是非常正確的。包括完全或大體上是氦氣或氦氙混合物的氣體的產生和維護是非常昂貴的。
在極高的溫度下，各種保護材料、不純石墨、甚至異常穩(wěn)定的氣體如惰性氣體和氮氣等之間的化學反應可能產生潛在的毒性和/或活性或化學性質不穩(wěn)定的化合物。例如，在大約3000K溫度下氮氣開始從雙原子N2分子分解成單個原子并當在高溫且存在石墨或其他碳材料時隨后產生各種各樣的帶電離子和自由基以及各種氰基型化合物。當與氧化劑接觸時，這種化合物能夠具有毒性并有潛在爆炸性。因此，在一些實施方案中，能量儲存系統(tǒng)能在溫度等于或低于大約2500K時有利地操作來減少上述提及的形態(tài)或其他活性化合物。使用根據(jù)一個或多個實施方案使用所述溫度可達到可接受的高卡諾效率。
本發(fā)明的一些實施方案包括多成分工作流體206的使用。此工作流體206能包括基于一種或多種氮氣和IS氣以及任選地包括一種或多種在空氣中可得的其他常見惰性氣體(如氖氣、氦氣、氪氣、氙氣等等)的混合物，且與以前使用的氦氙混合物相比并可能極大地降低生產成本。通過顯著降低交換溫差，已發(fā)現(xiàn)惰性氣體的加入在熱交換器壁上通過Rayleigh-Benard對流提高攝入和輸出熱能的過程。氮、IS和一些痕量惰性氣體能夠通過一系列在不同溫度下的相分離和隨后的洗滌和過濾過程有效地從空氣移除或大體移除水、二氧化碳、氧、和其他不需要的氣體來提取。氣體提取設備可以與本發(fā)明的實施方案共同使用來提供對工作流體206的原位的生產和補充，這是對工作流體成份通過工作流體線圈有缺陷的結構時以及自然擴散過程中產生的不可避免損失進行補償?shù)挠欣k法，特別是對于低分子或原子重量的氣體如氦氣、氖氣等等。
符合本發(fā)明一些實施方案，加入少量的非放射性惰性氣體到工作流體206可提供多個優(yōu)勢。例如，具有范圍廣泛的具有寬原子質譜且也具有量子電子軌道激發(fā)態(tài)(對于理想氣體，熱由平移、旋轉和振動量子保持)和能量的元素和分子氣體的工作流體206，當分子或原子與固體材料例如保溫矩陣202、其他金屬表面、混合等離子體表面、石墨擴散球等等碰撞時，可有助于能量轉移態(tài)的幾乎連續(xù)范圍。含有各種經歷Penning電離過程的氣體的工作流體206能夠在各種氣體之間經歷非常有效和快速的熱轉移，特別是當通過等離子體加熱技術應用時，如下文詳細描述。在此所描述的一種或多種惰性氣體的存在能夠提供各種各樣的在平移、旋轉和振動模式的量子激發(fā)態(tài)，有助于熱能的轉移和氣體間的刺激和加熱，與所發(fā)現(xiàn)的Penning電離效應相似。
在一個實施方案中，工作流體能夠包括下述成份:摩爾分數(shù)為大約50%的氮氣(N2)、摩爾分數(shù)為大約45%的氬氣(Ar)，摩爾分數(shù)為大約4%的氖氣(Ne)和摩爾分數(shù)為大約1%的氦氣(He)。在另一個實施方案中，工作流體206能夠包括下述成份:氮摩爾分數(shù)為大約35%或更多的氮氣(N2)、氬摩爾分數(shù)為大約35%或更多的氬氣(Ar)和氖摩爾分數(shù)為大約2%或更多的氖氣(Ne)。已發(fā)現(xiàn)加入至少痕量的氪氣(Kr)和氙氣(Xe)能夠產生有利影響。因此，在此所描述的每個工作流體的實施方案可選地包括小于大約1%的非零摩爾分數(shù)的氪氣和氙氣中的一種或兩種。即使加入少量的高原子量的惰性氣體可對工作流體的平均分子量產生重大影響，可有助于提供大范圍的熱轉移能力。
能夠在一些實施方案中為過濾系統(tǒng)(引入工作流體206與過濾介質222如活性木炭、活性碳等等接觸)的活性化合物移除系統(tǒng)220能夠移除或基本上減少活性化合物、有毒化合物和在工作流體206內的其他污染物的濃度。在一個實施方案中，活性化合物移除系統(tǒng)220可在能量儲存系統(tǒng)200的例行操作期間動態(tài)地清潔活性或其他不需要的化合物，來捕捉或顯現(xiàn)能量儲存系統(tǒng)200在高熱下操作所釋放或產生的惰性雜質。貫穿本發(fā)明的所有內容，術語“活性化合物”本意一般是指具有活性、氧化性、有毒的、爆炸的、或其他除非特別注明或在該術語使用的范圍內明確規(guī)范的不所需特征的化合物或單個原子。例如，氫原子或氫分子，傾向于與石墨反應形成可減少含碳保溫矩陣如石墨等的熱轉移特征并可污染工作流體206的碳氫化合物。
在一些實施方案中，活性木炭、活性碳或其他吸附材料可作為有用的過濾介質222用于活性化合物移除系統(tǒng)220中以吸附和/或吸收各種化學基團。活性木炭或活性碳可以有效去除某些雜質，即使在比相對常見的周圍環(huán)境升高的操作溫度下，在一些實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統(tǒng)220處理的流體的溫度得到提高?；钚阅咎亢突钚蕴急碚饔诰哂休^高的表面積和潛在的用于成鍵的范德華力。高度無定形碳的常見特征在于其具有低導熱性和低導電性。這兩種性質可由壓力的壓縮或變化來調節(jié)，例如影響化合物移除系統(tǒng)的吸收特征。用于活性化合物移除系統(tǒng)2220的其他選擇可包括但不局限于，化學清洗系統(tǒng)，例如使用活性或催化性吸附劑的那些或被設計與來自工作流體206的無需的活性化合物反應并將其移除或轉化的氣相或液相反應劑的注入。
活性化合物移除系統(tǒng)220可被納入到能量儲存系統(tǒng)200內，使得從工作流體206內清洗或移除活性化合物或減少活性化合物濃度并非同時地在工作流體206整個體積內進行。在一些實施方案中，活性化合物移除系統(tǒng)220在降低的溫度下可處理相對小部分的工作流體206。工作流體206從而能被連續(xù)地清洗少量成功處理，而不干預其主要功能或產生熱轉移回路或能量儲存系統(tǒng)200其他可選方面的額外的阻抗，如下文詳細描述。
符合與此處所描述的一個或多個特征的能量儲存系統(tǒng)的實施方案，可包括潛在的極端數(shù)量的以熱能儲存的能量。因此重要的是，該保護方法能夠安全限制高熱能負載向環(huán)境的運輸。因此，可以有利于通過多余的材料使保溫矩陣202和/或工作流體206與外部環(huán)境絕熱和/或分隔。在一些實施方案中，保護殼204能包括至少部分是耐火材料形成的內層，至少部分結構材料形成的外層以及插入到內層和外層之間的絕熱層。
內層可形成保溫矩陣材料(如石墨)的一個或多個核的直接外殼，在一些實施方案中，也包括如玻璃碳、碳化硅、強結構無定形或類似無定形的碳結構、氮化硼、碳制成的高溫氣凝膠和相關的復合物的材料和具有一個或多個如耐高溫，高強度，低孔隙度等特點的類似材料，作為用于工作流體206的有效保留隔層且也作為熱隔板來減少工作流體206中和保溫矩陣中的熱轉移到保護殼204的其它層以及外部環(huán)境中。內層可壓縮工作流體的輸入流穿過保溫矩陣202，因而在徑向方向(例如，垂直于工作流體流穿過保溫矩陣202的方向)有利地相對無孔。
在一些實施方案中玻璃碳的使用能允許保溫矩陣202的核以相對便宜的隔熱材料作為內襯。在石墨或類似的保溫矩陣202的情況下，玻璃碳能提供高強度、低熱膨脹系數(shù)和一些熱傳導性的類似的操作特點，由于其壽命真實模擬了保溫矩陣材料本身的那些。碳化硅能形成對于工作流體206的自由流動高阻抗的隔板作為熱輸入回路(詳見下文)的一部分，并能夠在某些實施方案中使用實現(xiàn)保溫矩陣202的均勻加熱。在一些實施方案中，可將氮化硼與另一種材料(如例如碳纖維支撐基體)結合來提高氮化硼內層的結構強度。
用于絕熱層的適合材料可以包括，相對厚的微孔碳氈、碳泡沫、石墨、或其它高強度的可耐高溫并允許以熱通量形式存在的核心能量慢慢退出經濟上可行的耐火材料。由于此隔板的大部分本質性能，其可是輕的并可廉價的生產和安裝。碳基物質如石墨和碳泡沫或碳氈通常在較大壓力范圍內有近于4000K的三相點，并且在儲存容器的材料無需具有可能失敗的傾向的廣泛且昂貴的容器冷卻系統(tǒng)而在能承受的實際溫度下保持固態(tài)。如本文所述的絕熱材料以及結構或功能等同物可以用來在有助于與保溫矩陣202之間相互進行有效熱轉移的各種壓力下容納工作流體206，且在符合本發(fā)明的實施方案的能量恢復過程中與一個或多個熱發(fā)動機或發(fā)電機進行熱轉移。在一些實施方案中，操作壓力為大約0.1巴至20巴絕對壓力。
絕熱層可選地包括多于一個的層，且可選地是不同材料。例如，絕熱層也可包括標準爐材料如“高嶺棉”制成的二級耐火熱隔板，可承受幾乎最高的核心溫度。為了額外的安全，低溫玻璃棉或類似的柔性墊可以加入絕熱體內層的外側，來填滿絕熱內層和保護殼204外層之間的任何縫隙。除了插入在內層和外層間之間的絕熱層，額外的絕緣和/或化學惰性材料可以層放在保護殼204外側來降低外層的結構保護材料的成本和毒性，和/或保護保護殼204免受環(huán)境的損害(例如腐蝕或其他化學侵害、物理傷害等等)。
在另一個實施方案中，一個或兩個內層和絕熱層可具有保護和絕熱能力。結構性強的無定形或類似無定形碳結構可提供多孔耐火絕熱材料。這種材料的例子包括但不僅限于，碳氈、泡沫炭、或其他類似材料如混合木屑的碳纖維或用于通過厭氧加熱到大約1200K的較高的溫度使得絕熱物完全碳化來形成無定形碳的其他適合的輕質起始材料。由于其本身是高度絕熱材料的無定形碳的存在，能夠以由于碳纖維和微孔室的存在而具有高強度的方式形成材料。微孔(例如，孔直徑為大約I至3微米或更小)可限制工作流體206的平均自由程，因而變成了較差的熱導體且隨著本身溫度下降導熱性隨之逐漸失去。通常，較小的孔導致氣體分子的平均自由程縮短，從而提高絕緣性能。
耐火絕熱材料的使用不僅可以限制任何使用高溫所造成的損傷，也可限制正常熱量逃逸到環(huán)境中(如熱力學所要求的)。事實上，絕熱材料可以作為還會限制高溫儲能的自放熱速率的高價值阻熱器使用。
無定形碳或相關的結構材料例如無定形氮化硼的使用，能夠顯著降低必要的耐火絕熱材料的成本，而同時能承受與用在保溫矩陣202內的石墨或其他碳同素異形體同一規(guī)模的高操作溫度。無定形碳可具有與碳化硅、玻璃碳、石墨等等相似的膨脹系數(shù)，使得其可理想的在絕熱材料可以承受的較寬溫度范圍內使用。
外層可以包括結構上且環(huán)境上耐用材料的最后隔板，如例如不銹鋼等。外層能夠保證內層的物理完整性，也為工作流體206的泄漏提供了隔板。任何傳感器、控制、外部管道和其他需要插入到保護殼202內部的物體可由抗高溫并能形成氣體防滲密封的材料制成。其他能夠用在外層的材料可包括，但不局限于，例如，具有烤在其上的絕熱“涂料”的標準鋼。在一些實施方案中，這種涂料可以被也作為用于運輸和裝卸的沖擊保護物的絕熱泡沫覆蓋。
符合本發(fā)明的實施方案的保護殼204的外層可由一種或多種金屬或合金制成。例如，可用的鋼、鎳、釩、鉻、鈦、鎢或類似物等的合金可顯示出適當?shù)膹姸群腿埸c來承受完全暴露在如在此所述的保溫矩陣202工作溫度范圍的低端的溫度下。如果由所述合金制成的保護殼204的外層進一步由低熱通量絕熱體內襯并由非活性氣體如氬氣對流冷卻，保護殼204預計具有大約20至大約40年的運行壽命，使得其作為介質可實用地儲存大量能量且經濟地最小化服務?？梢圆扇☆愃频拇胧┯糜诨ミB的管道、泵、壓縮機、閥門和熱交換器來提供與眾不同的運行壽命和運行安全。
如上所述的包括提供了連續(xù)階段的被動熱絕熱體的層狀保護殼204的能量儲存系統(tǒng)，可提供有效的失敗安全機制用于阻止如在緊急制動過程中的危險狀況的產生。本發(fā)明的實施方案可被設計并操作從而使得用于正常操作的非主動冷卻是必須的。進一步地，由于工作流體206可只包括通常在環(huán)境空氣中可得的化合物來使用，在保護殼204內的破裂很可能導致僅來自窒息(例如由于氧氣的排除)的危險情況，或來自導致使含氧空氣與高溫保溫矩陣202接觸的保護殼204或工作流體循環(huán)系統(tǒng)的基本破裂的危險情況。這種情況可能導致保溫矩陣的石墨和/或其它含碳同素異形體的點燃。然而，如本發(fā)明在此所描述的能量儲存系統(tǒng)通常在(除非在保護殼204的全部結構破裂的情況下，以期最小化大量含氧空氣的入侵)升高的正面的內壓下運行。在含碳保溫矩陣材料的點燃情況下，除了在封閉的空間內有非常高的濃度的情況以外，大多數(shù)燃燒副產物(如二氧化碳、一氧化碳、煙塵等等)有可能相對良性或至少沒有急性或慢性毒性。使用了一系列的耐火材料或其他高耐熱性材料的保護殼204層狀結構可使這種加熱的工作流體逃逸和含氧的空氣入侵最小化。此特征能夠為這種破裂提供被動的保護，且在緊急情況下能夠允許系統(tǒng)被動關閉，包括控制系統(tǒng)的電力的完全喪失。
在正常操作期間，符合本發(fā)明的實施方案的能量系統(tǒng)可能需要從完全斷電狀態(tài)(黑啟動)下開始或關閉至完全斷電狀態(tài)用于維護。用于能量儲存系統(tǒng)的控制系統(tǒng)提供可確保啟動和關閉過程不會如此迅速發(fā)生以至于導致對于裝置和系統(tǒng)成份的熱沖擊的結果。此熱沖擊可能導致一個或多個系統(tǒng)組件的提前失效。在一些實施方案的普通操作中，能量輸入系統(tǒng)210的熱交換器特征可既用于開始加熱又用于關閉冷卻。在熱交換器被來自保護殼204內部的工作流體206通過一種或多種流體傳遞回路或線路供給的情況下，一種或多種流體傳遞回路內的工作流體206直接與最大能量儲存和溫度存在的保溫矩陣202接觸。在一些實施方案排除能量至非儲能狀態(tài)可以通過使用冷卻熱交換器在短時間內完成，或者替代地能夠允許系統(tǒng)在較長時間內被動地自我放電。
循環(huán)系統(tǒng)，如符合本發(fā)明的一個或多個實施方案的能量儲存系統(tǒng)，通常經歷承受以熱沖擊、振動、摩擦、擴散、化學反應和降解最初形成的材料直到其整個循環(huán)系統(tǒng)或組分需要維護或更換的許多其他相關的力的形式的磨損。當成本不再有效的維持系統(tǒng)在安全和有效的方式下運行時，系統(tǒng)即被宣布達到報廢且需要更換或再生。絕大多數(shù)現(xiàn)代機械通常的目標是在基于成本和風險分析基礎上延長機械預期壽命周期為可能長的時期。然而，當此體系最終退休，需要清理的大量物質為一個或多個同素異形體形式的碳。這種材料對于正常清理來說一般是相當安全的(例如不作為危險廢物)。相似地，此系統(tǒng)的其他組分可采用無毒的金屬，陶瓷材料等等來制造。因此正常清理這些材料幾乎沒有危險，其中許多還可能全部或部分可修正用來回收。
再參考圖2，能量儲存系統(tǒng)200能夠包括一個或多個電力輸入系統(tǒng)210。能量儲存系統(tǒng)200的保溫矩陣202通常以熱的形式保留能量。在一些實施方案中被能量儲存系統(tǒng)200儲存的輸入能量的傳遞可能通過直接提供熱能至保溫矩陣202和工作流體206 —方或雙方來進行。例如，一種或多種熱轉移棒或管可以定向穿過被包含在保護殼204內部的容積作為從高溫熱源傳遞熱至工作流體206和/或保溫矩陣202的熱交換器使用。另外或此外，熱交換能夠發(fā)生在保護殼204外部，例如通過使工作流體206在保護殼204內部至熱交換器外部循環(huán)的流體線路。例如，輸入能量至保溫矩陣202的引導能夠間接穿過工作流體氣體來利用所需的任何熱源包括地熱、太陽能、或燃燒等而不首先轉換成電形式的能量來執(zhí)行。
如果現(xiàn)有的或新的熱源和工作發(fā)電系統(tǒng)與能量儲存系統(tǒng)不為一體，基本上為任何形式的輸入能量都能高率轉換成熱并轉移至保溫矩陣202。一種提供輸入能量的方法是通過一個或多個熱交換器和熱泵“增加”熱能源至高溫。符合本發(fā)明的方法的另一實施例是通過使用電至熱轉換系統(tǒng)使電能至高溫熱能轉換，如例如電阻加熱元件或其他熱傳導或輻射元件或其中一個或多個感應元件通過磁場的產生來加熱的感應加熱系統(tǒng)。例如，如果保溫矩陣202包括石墨，石墨中的石墨烯板能夠通過使用振蕩磁場的感應能量轉移而被加熱。
一種添加輸入能量至保溫矩陣202的方法可以通過傳遞進入的電能至保溫矩陣202來直接加熱保溫矩陣202。對于使用石墨作為保溫矩陣202的系統(tǒng)來說，一種能量輸入方法能夠利用石墨的各向異性性能通過使用附加接觸石墨核相對的兩側或兩端來通過電阻加熱材料。其他具有類似的導電性能的保溫矩陣材料可以以類似的方式被加熱。
添加輸入能量的一個替代方法可以使用等離子體和氣體之間快速和簡便的熱傳遞。當氣體和等離子體在容器中同時存在，它們在恒溫下迅速達到平衡。相比之下，流體和固體之間的熱轉移，包括如氣體及其混合物的流體可以相對緩慢。因此，既可以在保護殼內部或是在外部的等離子體腔室中，可以熱力學有利地激發(fā)工作流體206進入等離子狀態(tài)，并且允許等離子體-氣體熱轉移至工作流體206上來以極高的效率迅速產生高溫均勻混合物。如果保護殼204或其他保護特征(例如管裝物、管子等等)是具有非常低的熱轉移速率的固體，幾乎全部進入的等離子產生的能量以熱的形式被保留在工作流體206內，導致在相對較短的距離內非常有效的和高功率通量(大約幾千瓦)的轉移方法，特別是從電至熱的形式。
當?shù)入x子體離子與不帶電的氣體產生碰撞，可以有施加于整個氣體上的凈力，導致電-磁-流體泵效果。因此，工作流體206在具有開口端(但仍封閉回路)的保護殼204、外部等離子體腔室、或其他保護特征內既可均勻加熱又可同時在同一方向被泵送，其泵送方向跟隨離子回旋元件。氮氣體已被發(fā)現(xiàn)有效的淬滅等離子體“火焰”并迅速傳播轉移的熱至保留的氣體內。
再參考圖2，能量儲存系統(tǒng)200可以包括一個或多個電力輸出系統(tǒng)214。為了存儲于能量儲存系統(tǒng)內的熱能的作為電力來分配，必須使用一個或多個方法將熱能轉換為電力。此外，如果是對于熱能的能量需求，這種能量可以直接或間接地輸送，例如通過包括工作流體206流的熱轉換器或含有一定體積的工作流體206的靜態(tài)容器。為了從儲存中恢復以熱的形式的熱能，流體熱轉換器能夠用來自保溫矩陣202運輸能源到外部來轉換成適當?shù)挠杏玫哪茉葱问健Ｔ谀承┓窍拗菩詫嵤┓桨钢锌梢圆捎脵C械發(fā)電機，例如蒸汽動力渦輪、斯特靈循環(huán)發(fā)動機、布雷頓循環(huán)發(fā)動機等等。布雷頓循環(huán)渦輪及相關熱發(fā)動機能夠在“封閉回路”循環(huán)中被構造并操作，以使得工作流體206孤立于周圍環(huán)境并且可以在任何所需的水平加壓，包括低于大氣。
作為達到高操作溫度(例如，約2500K)的能力的結果，如本文所述的能量儲存系統(tǒng)能夠與幾乎所有現(xiàn)有的常規(guī)發(fā)電廠的發(fā)電機械結合來使用，從而通過重新使用它們最昂貴的組件，包括現(xiàn)有的與配電網的連接，使它們轉換或擴展成為可再生能量儲存設施。高卡諾效率熱機可結合到能量儲存系統(tǒng)上來產生有用的工作或能量，特別是在預先存在的生成設備未存在或未并入的地方。
能量儲存系統(tǒng)，與現(xiàn)有的熱循環(huán)轉化系統(tǒng)結合使用來產生有用的能量時，可以具有相當?shù)偷某杀尽Ｈ绻@樣的系統(tǒng)已在使用，那么儲存在保護殼204內的熱能可通過作為簡單的熱電容來模擬熱循環(huán)的熱端溫度并延長發(fā)生器的運行時間段以擴展熱循環(huán)系統(tǒng)。如果熱循環(huán)使用與作為保溫矩陣202的石墨材料或其他材料不兼容的工作流體，那么一套高效換熱器能夠被用來將如本文所述的保溫矩陣202和工作流體206安裝到熱循環(huán)系統(tǒng)上，在熱進出保溫矩陣202的往返轉移間具有很小的效率損失。
如果在已存在的熱系統(tǒng)的熱源溫度和系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)生溫度之間存在差異，那么能量可以被儲存到兩點間較熱的一點，并且可利用所需要的熱交換器或節(jié)約裝置(用于比發(fā)生器溫度更熱的來源溫度)或熱泵或過熱器(用于比發(fā)生器溫度更冷的來源溫度)來達到發(fā)生器的入門溫度。在一個可選的實施方案中，部分“排放”冷工作流體可以循環(huán)返回來與熱工作流體一起混合，例如使用可變控制結合閥門或類似物，以在輸入至熱發(fā)動機或其他熱-電轉換技術時得到恒定熱源溫度。
此處所述的熱能儲存通常也能用在任何或每個同時發(fā)電的熱能級或與循環(huán)發(fā)生系統(tǒng)結合成一體用于熱轉換為有用的電能。余熱(如超過室溫或所述系統(tǒng)的最低運行冷卻溫度的出口溫度能量)能夠被用于其他衍生用途如加熱飲用水或居住地或工作室。
在任何基于熱循環(huán)的系統(tǒng)中最重要的挑戰(zhàn)是，在不同相材料如固-氣、固-液、液-氣或三相點共存材料之間的熱能轉移。一般來說是有利的是，例如，如果熱交換器歧管內于歧管兩側進入的不同溫度流體之間的熱轉換是容易的，而同時不允許或基本不允許任一流體與另一種混合的物理轉移。此特征和組成也有利地限制了可能阻礙流體循環(huán)的大體上是固體或粘性材料的形成，無論從工作流體和熱交換器壁之間或之內的相位變化或化學反應方面。
相反地，對于管道、容器等材料在特定的溫度和壓力下可有利地重新配置由流體保留的熱以在其內部具有低熱通量的固體內襯從而避免將積累的熱量轉移至其周邊環(huán)境。此特征可以防止或減少熱損失和防止工作保護材料的化學或物理變化。此管道、容器等等也可以有利地限制以任何可察覺的速率流體或其他材料進入或離開它們的壁的物理轉移。
包含工作流體的相變或等溫壓縮或膨脹的蒸發(fā)、冷凝和隔熱循環(huán)也是容納壓力和/或體積變化同時包含與環(huán)境物理隔離的工作流體206的設備。熱能夠通過獨立于與工作流體206所運行的方法的圍阻墻(containing wall)來轉移或保留，從而致使對正確通過所需的工作熱循環(huán)的啟動，運行和停止將保持完整的和功能的容器進行適當選擇。容器也能有利地隔絕工作流體206與外界的相互物理傳遞使其安全和有效。
熱和工作具有相同的測量單位，促進熱發(fā)動機和熱泵的使用來將一種能量轉化成為另一種。熱效率被發(fā)動機或泵入口和出口溫度之間的不同所限制，同樣被熱力學第二定律所限制。為了達到高的熱效率，可有利地使得有效的進口和出口的之間具有盡可能大的溫度差，并使用熱轉換裝置使得其等溫和隔熱(可逆絕熱過程)部分的用于工作循環(huán)的熱得到最佳利用。
卡諾循環(huán)發(fā)動機的效率，如上所述，是高溫參考(也被稱為“熱點”)和低溫度參考(也被稱為“冷點” )之間的差異的函數(shù)。用于不同熱點溫度和通?？捎玫睦潼c溫度的理論卡諾效率歸納在表I里:
表1:理論卡諾效率:
熱點(° K) |600 |900 I1200 11500 Il800 I2100 I2400~ 卡諾效率% % % % % % % 280° K Geo f￡ 53~ 69~ 77~ 81 ~ 84~ 87~ 88 285° K Geo , 52~68~ 76~81 ~84~86~88 293° K 空氣低 3~ 67~ 75~ 80~ 84~ 86~ 88
權利要求
1.一種系統(tǒng)，包括: 保護殼； 保溫矩陣，其被包含在保護殼內，該保溫矩陣包括存儲輸入能量作為熱能的碳的同素異形體；和 一定體積的工作流體，其被包含在保護殼內并與保溫矩陣接觸，該工作流體包含氮氣和惰性氣體并通常與碳的同素異形體不發(fā)生反應。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其進一步包括從工作流體中移除活性化合物的活性化合物移除系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中活性化合物移除系統(tǒng)包括過濾介質。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中過濾介質包括活性碳。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的系統(tǒng)，其進一步包括用于從能量源傳遞輸入能量到保溫矩陣的能量輸入系統(tǒng)和用于從保溫矩陣中恢復輸出能量以傳遞至能量需求的能量輸出系統(tǒng)，能量輸入系統(tǒng)和能量輸出系統(tǒng)可獨立地操作，使得通過能量輸入系統(tǒng)接收輸入能量不會干擾或妨礙通過能量輸出系統(tǒng)傳遞輸出能量。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中工作流體包括能量輸入流體； 能量輸入系統(tǒng)包括使工作流體穿過至少一個輸入能量熱交換器的能量輸入工作流體循環(huán)器和將來自電能的輸入能量轉換為轉移到工作流體中的熱能的第一電能轉換系統(tǒng)；和 能量輸出系統(tǒng)包括使能量輸出流體穿過至少一個輸出能量熱交換器的能量輸出工作流體回路循環(huán)器和將能量輸出流體內的熱能轉換為電能以傳遞到能量需求的第二電能轉換系統(tǒng)。
7.根據(jù)權利要求1-4任一項所述的系統(tǒng)，其進一步包括用于從能量源傳遞輸入能量到保溫矩陣的能量輸入系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求5-7任一項所述的系統(tǒng)，其中輸入能量包括電輸入能量并且能量輸入系統(tǒng)包括將電輸入能量轉換為熱能的輸入能量轉換系統(tǒng)。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中輸入能量轉換系統(tǒng)包括至少一種電感應系統(tǒng)、電阻加熱系統(tǒng)、等離子體加熱系統(tǒng)和能量輸入工作流體循環(huán)器中的至少一個，電感應系統(tǒng)包括在保護殼內的通過使用電輸入能量而產生的磁場來進行感應加熱的感應加熱元件，電阻加熱系統(tǒng)包括在保護殼內的通過使電輸入能量穿過電阻加熱元件來進行電阻加熱的電阻加熱元件，等離子體加熱系統(tǒng)包括由電輸入能量驅動以在保護殼和供工作流體穿過的等離子腔的至少一個中產生等離子的等離子體產生系統(tǒng)，能量輸入工作流體循環(huán)器使工作流體穿過將來自電能的輸入能量轉換為轉移到工作流體中的熱能的第一電能轉換系統(tǒng)。
10.根據(jù)權利要求5-7任一項所述的系統(tǒng)，其中輸入能量包括熱并且能量輸入系統(tǒng)包括將熱轉移到工作流體和保溫矩陣的至少一個中的輸入能量熱轉移系統(tǒng)。
11.根據(jù)權利要求1-4和權利要求7-10任一項所述的系統(tǒng)，其進一步包括用于從保溫矩陣中恢復輸出能量以傳遞至能量需求的能量輸出系統(tǒng)。
12.根據(jù)權利要求5-6或權利要求11任一項所述的系統(tǒng)，其中能量需求是為了電輸出能量，且其中能量輸出系統(tǒng)包括將存儲的熱能轉換為電輸出能量的輸出能量轉換系統(tǒng)。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中輸出能量轉換系統(tǒng)包括斯特林發(fā)動機、布雷頓發(fā)動機、朗肯發(fā)動機、奧托發(fā)動機、鍋爐、流體熱泵、固態(tài)熱泵、渦輪原理發(fā)生器、活塞原理發(fā)生器、熱電裝置和熱光伏裝置中的至少一個。
14.根據(jù)權利要求5-6或權利要求11任一項所述的系統(tǒng)，其中能量需求是為了熱輸出能量，且其中能量輸出系統(tǒng)包括將存儲的熱能轉移至能量需求的熱交換器歧管和循環(huán)泵中的至少一個。
15.根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中熱交換器歧管包括內含熱轉移流體的線圈，該線圈被嵌入保護殼的一個或多個熱絕緣層中或在保護殼的一個或多個熱絕緣層之間以吸收熱進入熱轉移流體以用于提取至將吸收的熱轉換為電力的電生成系統(tǒng)和使用吸收熱以執(zhí)行有用的工作的熱能使用系統(tǒng)中的至少一個。
16.根據(jù)權利要求1-15任一項所述的系統(tǒng)，其中保護殼包括具有耐火材料的內層，具有結構材料的外層，和插入內層和外層之間的絕熱層。
17.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其中內層具有玻璃碳和碳化硅中的至少一種。
18.根據(jù)權利要求16-17任一項所述的系統(tǒng)，其中絕熱層具有限制工作流體的分子平均自由程的多孔材料。
19.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中無定形碳的多孔形態(tài)包括碳纖維基體、碳氈和碳泡沫中的至少一種。
20.根據(jù)權利要求1-19任一項所述的系統(tǒng)，其中工作流體包括氮摩爾分數(shù)為大約35%或更多的氮氣(N2)、氬摩爾分數(shù)為大約35%或更多的氬氣(Ar)和氖摩爾分數(shù)為大約2%或更多的氖氣(Ne)。
21.根據(jù)權利要求1-19任一項所述的系統(tǒng)，其中工作流體包括氮摩爾分數(shù)為大約50%的氮氣(N2)、氬摩爾分數(shù)為大約45%的氬氣(Ar)，氖摩爾分數(shù)為大約4%的氖氣(Ne)和氦摩爾分數(shù)大約為1%的氦氣(He)。
22.根據(jù)權利要求20-21任一項所述的系統(tǒng)，其中工作流體進一步包括氪摩爾分數(shù)大于零且小于大約1%的氪氣(Kr)和氙摩爾分數(shù)大于零且小于大約1%的氙氣(Xe)中的至少一種。
23.根據(jù)權利要求1-22任一項所述的系統(tǒng)，其中工作流體大體上由環(huán)境空氣中可得的無毒化合物或原子構成。
24.根據(jù)權利要求1-23任一項所述的系統(tǒng)，其進一步包括在能量儲存操作過程中保持保溫矩陣的溫度在大約900K至大約1500K的控制系統(tǒng)。
25.根據(jù)權利要求1-23任一項所述的系統(tǒng)，其進一步包括在能量存儲操作過程中保持保溫矩陣的溫度在大約2500K以下的控制系統(tǒng)。
26.一種在能量儲存系統(tǒng)中的儲能方法，其包括含有一定體積工作流體和保溫矩陣的保護殼，其方法包括: 在能量儲存系統(tǒng)中接收輸入能量； 通過保溫矩陣和工作流體保留輸入能量作為熱能，保溫矩陣包括碳的同素異形體，工作流體包括氮氣和惰性氣體； 使用活性化合物移除系統(tǒng)處理工作流體以從工作流體中移除活性化合物； 從能量儲存系統(tǒng)中傳遞輸出能量。
27.根據(jù)權利要求26所述的方法，其進一步包括通過能量輸入系統(tǒng)將來自能量源的輸入能量傳遞到保溫矩陣和通過能量輸出系統(tǒng)從保溫矩陣中恢復輸出能量以傳遞至能量需求，能量輸入系統(tǒng)和能量輸出系統(tǒng)可獨立地操作，以至于通過能量輸入系統(tǒng)接收輸入能量不會干擾或妨礙通過能量輸出系統(tǒng)傳遞輸出能量。
28.根據(jù)權利要求27所述的方法，其中能量輸出系統(tǒng)包括熱發(fā)動機，且該方法進一步包括以卡諾效率大于30%或卡諾效率大于45%或卡諾效率大于55%來操作熱發(fā)動機。
29.—種系統(tǒng),包括: 保護殼； 用于保留接收的輸入能量作為熱能的工具，此用于保留熱能的工具包括碳的同素異形體并且被包含在保護殼內； 包含在保護殼內部并與保溫矩陣接觸的一定體積的工作流體；該工作流體包括氮氣體和惰性氣體并通常在系統(tǒng)運行的運行溫度范圍內不與碳的同素異形體反應；和 用于從工作流體中移除一種或多種活性化合物的工具。
30.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其中接收的輸入能量包括電輸入能量且能量輸入系統(tǒng)包括將電輸入能量轉化為熱能的輸入能量轉換系統(tǒng)，且其中用于儲存熱能的工具具有小于大約1500K的最大操作溫度；該系統(tǒng)進一步包括: 用于從儲存熱能的工具中以至多大約50千瓦每小時的速率持續(xù)至少12小時來恢復輸出能量的能量輸出系統(tǒng)。
31.根據(jù)權利要求30所述的系統(tǒng)，其中用于儲存熱能的工具包括占小于約2.5立方米體積的石墨核。
32.根據(jù)權利要求29所述的系統(tǒng)，其中輸入能量包括電輸入能量，能量輸入系統(tǒng)包括將電輸入能量轉換為熱能的電阻型轉換系統(tǒng)，且當用于儲存熱能的工具被加熱至大約1500K溫度時，其與能量輸出系統(tǒng)合作從儲存熱能的工具中以至多大約5千瓦每小時的速率持續(xù)至少12小時來恢復能量。
33.根據(jù)權利要求3 2所述的系統(tǒng)，其中用于儲存熱能的工具包括占小于約0.3立方米體積的石墨核。
全文摘要
本發(fā)明涉及能夠使用保護殼(204)、包含在保護殼(204)內的保溫矩陣(202)、包含在保護殼(204)內并與保溫矩陣(202)接觸的一定體積的工作流體(206)，以及可選地，從工作流體中移除活性化合物的活性化合物移除系統(tǒng)(220)提供高溫能量。保溫矩陣(202)包括碳的同素異形體。工作流體(206)包括氮氣和一種或多種惰性氣體。本發(fā)明還涉及相關的系統(tǒng)和方法。
文檔編號F28D20/00GK103154657SQ201180036592
公開日2013年6月12日 申請日期2011年5月20日 優(yōu)先權日2010年5月28日
發(fā)明者A·皮奇 申請人:凱爾文儲存技術公司