(57)【要約】       本開示の一実施態様において、エネルギー蓄積装置が提示される。このエネルギー蓄積装置は、空気を吸着する多孔質材料および圧縮機を含む。圧縮機は機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換し、および、圧縮空気は冷却されて、多孔質材料によって吸着される。このエネルギー蓄積装置はさらに、圧縮されて吸着された空気を蓄積するのに用いられるタンクおよびモータを含む。モータを駆動している間、空気が脱着して膨張するのを可能にすることによって圧縮されて吸着された空気として蓄積されるエネルギーを回収するように、モータが駆動される。  【選択図】  図３
2011518270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積装置であって、以下、すなわち、
空気を吸着する多孔質材料と、
圧縮機であって、前記圧縮機が、機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換し、前記圧縮空気が冷却されて、かつ前記多孔質材料によって吸着される、圧縮機と、
前記圧縮されて吸着された空気を蓄積するのに使用されるタンクと、
モータであって、前記モータを駆動する間、前記空気が脱着して、かつ膨張することができるようにすることによって圧縮されて吸着された空気として蓄積される前記エネルギーを回収するために駆動される、モータと、を備えるエネルギー蓄積装置。
【請求項２】
請求項１のエネルギー蓄積装置であって、前記圧縮空気が冷却され、および、この冷却された空気が前記多孔質材料によって吸着される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項３】
請求項１のエネルギー蓄積装置であって、前記多孔質材料による前記圧縮空気の前記吸着が、熱を発生させ、それと共に、前記多孔質材料および周囲の空気の温度が、前記吸着プロセス中に前記圧力が実質的に一定のままであるように制御される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項４】
請求項１のエネルギー蓄積装置であって、前記空気のための吸着剤の温度がその最小限の値に達する時、前記エネルギー蓄積装置内に圧縮されて吸着された空気として蓄積されるエネルギー量が最大化される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項５】
請求項１のエネルギー蓄積装置であって、前記空気のための吸着剤の温度がその最大値に達する時、前記エネルギー蓄積装置内に圧縮されて吸着された空気として蓄積されるエネルギー量がその最小限の値に達する、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項６】
請求項１のエネルギー蓄積装置であって、前記モータが、タービンである、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項７】
エネルギー蓄積装置であって、以下、すなわち、
適切な流動体が吸着された多孔質材料と、
機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換する圧縮機と、
障壁であって、前記圧縮空気が、前記熱が前記障壁を通して流れることができることによって冷却される、障壁と、を備え、
前記熱が、流動体がそれに吸着された前記多孔質材料に運ばれ、
前記熱が、前記多孔質材料の前記温度を上昇させ、前記流動体にそれから脱着させる、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項８】
請求項７のエネルギー蓄積装置であって、得られる蒸気が放出されるときに、前記熱が潜在的な形態で蓄積された、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項９】
請求項７のエネルギー蓄積装置であって、前記蒸気の凝縮の際に放出される前記熱が、ヒートシンク内に蓄積されて、かつ前記適切な流動体を蒸発させるようにそれを用いて回収される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１０】
請求項８のエネルギー蓄積装置であって、前記得られる蒸気が、前記多孔質材料との接触に戻されて、かつそれによって再吸着され、前記潜熱が、顕在的な形態に戻されて、かつ前記障壁を通して戻って運ばれ、そこでそれが前記膨張する空気が更に冷却しないようにする、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１１】
請求項７のエネルギー蓄積装置であって、前記熱が、より高い空気圧に変換され、およびモータを用いて、前記圧縮空気内の前記エネルギーが回収される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１２】
請求項１１のエネルギー蓄積装置であって、前記モータが、ミキサー−エジェクタ原理に基づく空気タービンである、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１３】
エネルギー蓄積装置であって、以下、すなわち、
空気を吸着する多孔質材料と、
熱を蓄積する熱エネルギー蓄積システムと、
機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換する圧縮機であって、前記圧縮空気が冷却されて、かつ前記多孔質材料によって吸着される、圧縮機と、
前記多孔質材料および周囲の空気の温度が、前記熱が前記圧縮されて吸着された空気が逃げるのを防止する障壁を通して流れることができることによって制御され、
熱エネルギー蓄積システムであって、前記熱が前記熱エネルギーシステムに導かれて、かつそこで蓄積される、システムと、
前記圧縮されて吸着された空気を蓄積するタンクであって、およびそれが含む前記エネルギーが、前記空気が脱着して、かつ膨張することができることによって必要なときに回収される、タンクと、を備えることを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１４】
請求項１３のエネルギー蓄積装置であって、前記熱が、顕在的な形態で蓄積される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１５】
請求項１３のエネルギー蓄積装置であって、前記熱が、潜在的な形態で蓄積される、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【請求項１６】
請求項１３のエネルギー蓄積装置であって、脱着および膨張が、前記空気および前記多孔質材料を冷却し、前記障壁を通って戻り前記熱エネルギー蓄積システムから顕熱を流れさせる、ことを特徴とするエネルギー蓄積装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
この特許出願はＴｉｍｏｔｈｙ  Ｆ．Ｈａｖｅｌによって、２００８年３月１４日に米特許商標局に出願された（特許文献１）に対する優先権を主張し、その全ての内容を全体として本願明細書に引用したものとする。
【０００２】
本開示は、エネルギー蓄積の分野に関する。特に、本開示は空気を吸着する多孔質材料を含む圧力チャンバを含むエネルギー蓄積装置を目的とする。
【背景技術】
【０００３】
圧縮空気エネルギー蓄積は一般にその頭字語「ＣＡＥＳ」によって公知である。いくつかのＣＡＥＳ装置において、空気圧縮機が電気モータによって駆動され、続いて電磁発電機に接続される空気圧モータまたはタービンを駆動するのに用いられ、それによって電気化学バッテリの機能的同等物を形成する。充電−放電サイクルがおよそ等温であるように十分にゆっくり実施される場合、意味することは、圧縮によって生成される熱は、圧縮中に認めうるほどに空気の温度を上昇させることなく消散し、および周囲から吸い込まれる熱が、同様に空気が膨張中に認めうるほどに冷却しないようにし、この形態の電力蓄積が、良い効率を有することができるということである。
【０００４】
ＣＡＥＳシステムは、また、化学バッテリよりも、より高い信頼性、より少ないメンテナンスおよびより長い動作寿命を有するように設計されることができ、および圧縮空気を蓄積する安価な手段が利用できるならば、それらのコストはバッテリに基づくシステムに匹敵することができる。残念なことに、スチールタンクのような、空気を蓄積する製造された圧力容器の高コスト、重量および大きいサイズは、ＣＡＥＳ装置がそれらの通常の用途の全てでバッテリと競争するのを妨げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国仮出願番号第６１／０３６５８７号
【特許文献２】米国特許商標庁公開番号第２００６／０２３０９３０号
【特許文献３】米国特許番号第７，１５２，９３２号
【特許文献４】米国特許番号第６，８２０，４４１号
【特許文献５】米国特許商標庁公開番号第２００８／０２３９５７  Ａ１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｒｕｓｓ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．  ８１、２４６、２００７
【非特許文献２】Ｇ．Ｗ．Ｍｉｌｌｅｒ，ＡＩＣｈＥ  Ｓｙｍｐ．  Ｓｅｒ．８３，  ２８，１９８７
【非特許文献３】Ａ．Ｈａｕｅｒ、「持続可能なエネルギー使用のための熱エネルギー蓄積」ｐｐ．４０９−２７、ＮＡＴＯ  Ｓｃｉ．Ｓｅｒ．ＩＩ：Ｍａｔｈ．，Ｐｈｙｓ．  ａｎｄ  Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．２３４，Ｈ．Ｏ．Ｐａｋｓｏｙ，ｅｄ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００７
【非特許文献４】Ｇ．Ｓｔｏｒｃｈ，Ｇ．Ｒｅｉｃｈｅｎａｕｅｒ，Ｆ．ＳｃｈｅｆｆｌｅｒおよびＡ．Ｈａｕｅｒ、Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  １４，２７５，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在までのところ、ＣＡＥＳが３つの商業目的のために使われてきた。第１のおよび最も広範囲にわたる用途はそれ自体ではエネルギー蓄積の手段としてではなく、商店および工場での圧縮空気工具および機械に動力を供給することである。圧縮空気工具は電気で動く工具より高い出力対重量比率を有し、および、この種の工具内の小型電気モータは空気圧縮機を駆動するより大きいモータと比較して効率が悪い傾向がある。圧縮空気は、バッファとして役立って、かつシステム内の圧力が一定のままであることを確実にするために十分に大きなタンク内に蓄積される。それらが圧縮熱を廃棄して、その急速な膨張中に空気を再加熱しない事実によって、これらのシステムの総合効率は制限される。この非効率性は通常１０気圧未満の、適度の圧力を用いて限定され、それはまた、この種のＣＡＥＳシステムの資本費用を減少させる。
【０００８】
ＣＡＥＳの第２の用途は、例えばコンピュータデータセンタまたは病院において停電の場合には、必須の機械を動作させ続けるために一時的なバックアップ電力のためにある。そのような場合、床面積はプレミアムであり、比較的高いエネルギー密度を達成するために１００気圧以上の圧力の使用を必要とするが、しかし、圧縮空気用の高圧スチール蓄積タンクのコストは、システムの高信頼性およびそれが停電の場合には直ちに供給することができる高出力によって正当化される。その後、ディーゼル発電機のようなより長期のバックアップシステムが、必要とあらばオンラインにもたらすことができる。同じ機能が電気化学的バッテリから得られることができるとはいえ、十分な出力を供給することができるバッテリシステムはまた、長期バックアップシステムがオンラインになるのを待つ間に必要になるであろうより、より多くのエネルギーを蓄積しなければならず、バッテリを比較的高価な解決策にするであろう。ＣＡＥＳシステムはさらに、より少ないメンテナンスを必要として、より長い寿命を有して、環境に有害な化学薬品に伴う処分費を有しない。他のこの種の短期のバックアップ電力解決策は超コンデンサおよびフライホイールを含むが、それは同様に比較的高価である。
【０００９】
ＣＡＥＳが置かれた第３の商用利用は、公益会社によって電力を発電しておよび／または配電するコストを低下させることである。これは、いくつかの方法で実行されることができ、その最も一般的なものは、中央発電容量を強化することである。石炭および原子力発電のような大きい中央発電プラントは、ストップおよびスタートが高価であるが、一方、ガス燃料タービンのようなより小型のプラントは容易にオン／オフされるが、動作させるのに比較的高価である。それゆえに、大きいプラントからのエネルギーが、需用が低いときに蓄積され、かつ需用が高いときに電気を発電するのに用いられることができる場合、小さな先頭負荷プラントを設置して動作させる必要性を低下させられ、それによってまた、電気を発電する平均または「共通基準」コストを減少させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の一実施態様において、エネルギー蓄積装置が提示される。このエネルギー蓄積装置は、空気を吸着する多孔質材料および圧縮機を含む。圧縮機は機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換し、および、圧縮空気は冷却されて、多孔質材料によって吸着される。このエネルギー蓄積装置はさらに、圧縮されて吸着された空気を蓄積するのに用いられるタンクおよびモータを含む。モータを駆動している間、空気が脱着して膨張するのを可能にすることによって圧縮されて吸着された空気として蓄積されるエネルギーを回収するように、モータが駆動される。
【００１１】
本開示の別の実施態様において、別のエネルギー蓄積装置が提示される。このエネルギー蓄積装置は、適切な流動体が吸着された多孔質材料を含む。この装置はさらに、機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換する圧縮機および障壁を含む。圧縮空気は、熱が障壁を通して流れることができることによって冷却され、熱は流動体が吸着された多孔質材料へ運ばれ、およびこの熱が多孔質材料の温度を上昇させ、流動体にそれから脱着させる。
【００１２】
さらに別の実施態様において、別のエネルギー蓄積装置が提示される。このエネルギー蓄積装置は、空気を吸着する多孔質材料および熱を蓄積する熱エネルギー蓄積システムを含む。この装置は、機械エネルギーを圧縮空気および熱に変換する圧縮機を更に含む。圧縮空気は冷却されて、多孔質材料によって吸着され、および、多孔質材料および周囲の空気の温度は熱が圧縮されて吸着された空気が逃げるのを妨げる障壁を通して流れることができることによって制御される。熱は、熱エネルギーシステムに導かれて、そこで蓄積される。更に、この装置は圧縮されて吸着された空気を蓄積するタンクを含み、および、空気が脱着して膨張することができることによって、必要なときにそれが含むエネルギーが回収される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本発明の例示的な一実施態様およびこの実施態様が基づく外挿された実験データが、図１ないし１１に例示される。
【００１４】
【図１】空気の主要な成分に対する吸着等温線をプロットする。
【図２】酸素圧力に対する窒素の比率が４．０の固定値を有するところでの、窒素圧対酸素分子の数に対する窒素の数の比率をプロットする。
【図３】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様内の質量およびエネルギー流の模式図であり、充填過程の前半中のこれらのフローを示す。
【図４】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様内の質量およびエネルギー流の模式図であり、充填過程の後半中のこれらのフローを示す。
【図５】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様内の質量およびエネルギー流の模式図であり、排出過程の前半中のこれらのフローを示す。
【図６】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様内の質量およびエネルギー流の模式図であり、排出過程の後半中のこれらのフローを示す。
【図７】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様が充填過程の前半中に動作する方法をより詳細に例示する工程系統図である。
【図８】吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積実施態様が排出過程の後半中に動作する方法をより詳細に例示する工程系統図である。
【図９】温度制御チャンバ内の空気吸着シリンダの配列の三次元図面である。
【図１０】それぞれ、充填過程の前半および排出過程の後半中に蓄積された熱を満たし、アップグレードするのに用いられる吸着ヒートポンプの三次元図面である。および
【図１１】排出過程中に圧縮空気、吸着された空気および熱として蓄積されるエネルギーを回収するのに用いられるミキサー−エジェクタ空気タービンの三次元図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、多孔質材料内の吸着の物理的なプロセスのための２つの新奇な用途を提供し、その両方ともが、圧縮空気エネルギー蓄積（ＣＡＥＳ）の経済的な側面を大いに改善する。更に本開示は、圧縮空気の形態でエネルギーを蓄積する、および、また、顕熱または潜熱の形態でエネルギーの一部を蓄積することができる装置に対して、いくつかの改良を提供する。
【００１６】
中央発電容量のためのＣＡＥＳの使用を費用効率が高いものにするために、圧縮空気は現在、製造されたタンク内によりむしろ天然帯水層のような地下地質学的リザーバまたは人工の枯渇したガスまたは油井内に蓄積される。この経済的な側面は、ガス燃焼タービンをターボで過給する圧縮空気を用いてさらに改善され、それによってタービンは空気それ自体を圧縮するエネルギーを使い果たさなければならないことをしないで済む。これによって、同時に天然ガスから付加エネルギーを生成すると共に、圧縮空気内に蓄積されるエネルギーが回収されることができる。ターボ過給のために必要な圧力が、５０気圧くらいのオーダーの、かなり高いとはいえ、ターボで過給することによって、蓄積エネルギーが高出力レベルで供給されて、約７０％の総合効率で回収されることができる。
【００１７】
まだ商業的に展開されていない公益事業目的のためにＣＡＥＳを使用することへの幾分異なるアプローチは、「先端断熱ＣＡＥＳ」として公知である。ＡＡ−ＣＡＥＳでは、それが空気圧モータまたはタービンを動かすにつれて、圧縮中に空気から抽出される熱が蓄積されて、膨張中に空気を再加熱するのに用いられる。原則として、これによって熱として蓄積されるエネルギーと、圧縮空気として蓄積されるエネルギーの両方が回収されることができるので、ＡＡ−ＣＡＥＳの効率は概ね１００％に接近することができる。実際問題として、圧縮熱を、特に高出力レベルで多大な損失を伴わずに蓄積して回収することは、困難である。全てのＡＡ−ＣＡＥＳの提案された実施態様において現在までのところ、空気は再び高圧で地下リザーバ内に蓄積されるべきであり、および、熱は通常２００℃をかなり超える温度で、潜在的な形態よりむしろ顕在的な形態で蓄積されるべきである。
【００１８】
エネルギー蓄積は同様にいくつかの他の方法で電気公益事業の運転費を減少させる潜在力を有するが、どれもこれまでに普及にいたっていない。これらは、送電容量繰り延べおよび混雑軽減、さまざまな補助サービス、大量電力価格裁定取引およびエンドユーザレベルでの負荷移動または平準化を含む。しかしながら、将来、最も重要なこの種のサービスは再生可能な能力安定化でありそうである。風および太陽エネルギーのような再生可能なエネルギー源は間欠的な傾向があり、その結果、それらの能力はそのうち変化して、しばしば電気のための需用を満たすのに十分でない。エネルギーが、能力が需用を上回る時に蓄積され、かつ需用が能力を上回るときに電気を発電するために使われることができる場合、これらの再生可能なエネルギー源はずっと費用効率が高くなる。
【００１９】
中央能力発電用の既存のＣＡＥＳシステムの主要な欠点は、適切な地下リザーバが一般的でもなく移動可能でもないということである。どこでも組み立てられることができて、発電プラントのサイズに拡大・縮小されることができるモジュラーシステムは、費用効率が高いならば、中央発電容量ならびに再生可能な能力安定化に非常により役立つであろう。加えて、それが、サブステーションまたはエンドユーザにより近い、電力網上の精選された位置に安価な、自己内蔵型ＣＡＥＳシステムを供給することが可能な場合、ＣＡＥＳは前述した他の経費節減サービスのいくつかまたは全てを提供することができる。この種のＣＡＥＳシステムが、現在費用効率が高くない主要な理由は、再び、圧縮空気用の製造された蓄積タンクの高コストである。留意する必要があるのは、第１次近似の限りでは、圧力を上昇させることによってタンクがより小さくされることができるが、その壁が比例してより厚くなる必要があり、および、逆もまた同じなので、タンクのコストが、空気が蓄積される圧力に無関係である、ということである。
【００２０】
ＣＡＥＳシステムをより経済的にするための１つのアプローチは、それは多くの注目を受けなかったが、空気の圧縮および膨張が熱を１つの場所からもう一方に汲み出す安易な手段である事実を活用することである。これは、ＣＡＥＳシステムがエンドユーザに組み合わせられた暖房、冷房および電力を提供するために容易に開発されることができることを意味する。例えば、時刻電気価格設定が利用できる家庭または企業内に、この種のＣＡＥＳシステムが設置された場合、それは電気が比較的安価である夜中に充電されることができ、それと共に同時に、建物に暖房を供給し、および、それが発電した電気が、ピーク昼間時間中に使われるかまたは電力網に売り戻され、それと共に空調もまた供給する。冬の間に冷房が必要でないときに、受動太陽熱収集器が水を加熱するのに用いられ、および、この熱水が膨張中に空気に対して熱を供給するのに用いられることができ、コストの適度の増加だけで動力出力を非常に増大させる。この種のシステムの経済的な側面は、公益事業料金、優勢な気候およびもちろん空気蓄積タンクのコストを含む多くの要因に依存するであろう。
【００２１】
ガス、および、熱の蓄積が活性炭、シリカゲルまたはゼオライトのような適切な多孔質材料での吸着によって達成されることができることは十分に公知である。吸着位相が遊離ガスより非常に高密度であるので、ガスはこの種の材料の存在下でより容易に蓄積され、したがって所定の圧力でガスの所定の質量を蓄積するのに必要なタンクの容積または同等に、所定の容積で必要な圧力を減少させる。加えて、脱着のプロセスが熱を消費するので、熱が吸着材料を使用して潜在的な形態で蓄積されることができることは、周知である。熱は、被吸着剤（例えば水蒸気）が吸着剤によって再吸着されることができることによってその後再生されることができる。加えて、脱着された蒸気の凝縮の際に放出される熱は、顕在的な形態で蓄積されることができて、および、凝縮液の蒸発を促進するためにそれを用いて、そして次に、得られる蒸気が再吸着することができるようにすることによって回収されることができる。この種の装置は、一般に吸着冷凍機またはヒートポンプとして公知である。それにもかかわらず、ＣＡＥＳシステムをより高価でなく、より効率的にまたは移動可能に、組み合わせられた熱および電力の用途によりよく適しているように、および／または展開するのにより安全にする、これらの方法のいずれかで吸着のプロセスを用いる何の試みも、なされていなかった。
【００２２】
本発明は、４つの相互関係のある方法で圧縮空気エネルギー蓄積の経済的な側面を改善する。第一は、圧縮空気の形で所定の量のエネルギーを蓄積するために必要な容器内の圧力および／またはその容積を減少させるために空気用の吸着剤の使用である。第二は、ＡＡ−ＣＡＥＳをより経済的にするために圧縮熱を蓄積する手段として、おそらく、それによって生じる蒸気の凝縮の際に放出される低品位顕熱の蓄積と組み合わせられる、水またはなんらかの他の適切な流動体の脱着である。第三は、おそらく、それが膨張するにつれて、吸着材料および／または圧縮空気の温度を上昇させる、圧縮熱とともに空気の吸着によって生成される熱を蓄積して、それを用いて後の時間でこのエネルギーを回収することである。第四は、ＣＡＥＳ用の新しい熱力学のサイクルであり、圧縮空気の温度が蓄積された空気の圧力を充填／排出サイクルにわたっておよそ一定に保つために変化させられる。上述のように、空気用の吸着剤が活用されるときに、この「温度−振幅」サイクルは特に有利であり、およびそれはまた、圧縮熱および／または吸着熱が、例えば水またはなんらかの他の適切な流動体のための吸着剤を用いて、以降の使用のために蓄積される場合に適用可能である。吸着に基づくガス分離プロセスでの温度−振幅サイクルの使用は、定着している（例えば
【特許文献６】を参照のこと）。
【００２３】
エネルギーが空気以外のガスを圧縮することによって蓄積されることができること、および、このプロセスを強化するために、吸着材料を活用する回生制動システムが提案されたこと（（特許文献３））に留意する必要がある。これは、他のガスがより圧縮可能であるうえに空気より一般の吸着剤によってより強く取られることができる利点を有し、作動流体として空気を使用するときになされることができるより、エネルギーがより高密度に蓄積されることを可能にする。この種のシステムとここで考慮中のものとの間の主要な相違は、空気以外の任意の流動体の使用が、流動体が再循環されて、再利用されることができるクローズドシステムを必要とするということである。対照的に、空気は自由に周囲環境から取り出されることができて、環境影響力なしで再び放出されることができる。これは、エンドユーザ、電力サブステーションまたは発電プラントレベルで大規模なエネルギー蓄積のためにずっと経済的な開放型システムに至る。本発明は、大規模な、静止エネルギー蓄積用途での空気用の吸着剤の使用、空気の圧縮熱および／または吸着熱を蓄積する手段としての水またはなんらかの他の適切な流動体の脱着、および温度−振幅サイクルを使用するＣＡＥＳシステムだけを考慮する。これらのプロセスのいずれも、回生制動のような小規模の、可搬式の用途に適していない。
【００２４】
空気の窒素および酸素成分を若干の程度に吸着する数種類の多孔質材料が公知であるとはいえ、本発明の吸着強化ＣＡＥＳ実施態様はこのためにゼオライト材料を活用する。適度の圧力および周囲温度で、ゼオライトは酸素より強く窒素を吸着し、したがって、産業および医療目的のために空気の酸素および窒素成分を分離するために、広範囲に活用されてきた。それにもかかわらず、ＣＡＥＳに関連する比較的高い圧力でのゼオライトまたは他の多孔質材料への空気の吸着の詳細な研究はほとんどなかった。特に、ゼオライト内の空気が液化する温度−圧力境界はいかなる詳細にも調査されなかった。毛管凝縮とも呼ばれている、このプロセスは、吸着剤ガスの臨界点、または空気の場合約−１４０°Ｃを十分超える温度では通常観測されない。この種の低温は、費用効率が高い吸着強化ＣＡＥＳ装置で達成するのが困難であろう。
【００２５】
毛管凝縮が非常により高い温度で生じる、新しい多孔質材料が発見されるかまたは開発されることができたならば、おそらく全ての空気用の現在周知の吸着剤におけるような物理吸着よりむしろ化学吸着のプロセスを通して、それは、本発明における多孔質材料の第１の新しい使用法を大いに強化することができる。この種の装置の動作は、毛管凝縮に伴う遅い運動力学およびヒステリシスによって幾分複雑になるであろうが、しかし、得られるＡＥ−ＣＡＥＳシステムは非常により高いエネルギー密度を有するであろうし、必要な材料の量もまた、蓄積される単位エネルギーあたりコストの対応する減少によって大いに減少させられるであろう。この目的に適していると証明されることができる現在開発中の多孔質材料のクラスは、メソ多孔性有機シリカおよび金属有機フレームワークを含む。
【００２６】
したがって、本開示によって提供される多孔質材料の吸着の新しい使用法は、所定の圧力および温度で所定の質量の空気を蓄積するために必要なタンクの容積を減少させるか、または、代わりとして所定の容積内におよび所定の温度で所定の質量の空気を蓄積するために必要な圧力を減少させることによって、タンクの壁の厚さまたはそれが作られる材料の強度を減少させる、手段としてある。これらの２つの代案のいずれもが、適切な多孔質材料を、圧縮空気を保持する圧力チャンバに入れることによって達成されることができ、ここで「適切な」によって意味するのは、この多孔質材料が、材料自体がチャンバ内に圧縮空気の温度および圧力で占めるより、より大きな体積の空気を吸着する、ということである。この種の多孔質材料は、適切な値で固定する温度および圧力と平衡状態で、吸着された状態の空気分子が、それらのまわりのガス状の空気内のそれらより大いに減少した流動度および非常により高い密度を有するという、事実のおかげで存在する。
【００２７】
同様に、多孔質材料の吸着の別の新しい使用法が、空気を圧縮するプロセスによって生成される熱および／または上記の第１の新しい使用法に記載の空気の吸着のプロセスによって生成される熱を蓄積する手段としてある。この第２の新しい使用法は、水またはなんらかの他の適切な流動体が吸着される多孔質材料を空気圧縮機および／または圧力チャンバと熱的に接触するがその外側に、配置することによって達成される。第２の新しい使用法の多孔質材料は、第１の新しい使用法のそれと同じ種類の材料である必要はない。熱は、この多孔質材料の温度を上昇させて、そのようにそれからの水または他の流動体の脱着を促進する。分子レベルで、このプロセスは運動エネルギーを位置エネルギーに変換し、それは次いで、脱着によって生成される蒸気を、多孔質材料と接触して戻って、再吸着されることから妨げることによって無期限に蓄積されることができる。これは、熱が潜在的な形態で蓄積されたと言うことによって記述されることができる。圧縮空気からの第２の新しい使用法の多孔質材料への熱の移動は、圧縮空気の温度を低下させ、それによってまた、更にそれを圧縮するために必要な仕事、同じくそれが蓄積されるタンクのサイズまたは強度を減少させる。同様に、それから吸着熱を伝導する際に付随する第１の新しい使用法の多孔質材料の冷却は、それが任意の所定の圧力で吸着する空気の量を増大する。
【００２８】
蓄積された潜熱を顕在的な形態で回収するために、必要なときに、流動体の脱着によって生成される蒸気が再吸着に利用できなければならない。残念なことに、蒸気によって占められる大きい容積はその形態で蓄積することを困難にし、および、それを圧縮するかまたは凝縮することは顕熱の形態でより小さいがなお有意な量のエネルギーを放出する。この顕熱を蓄積して、その後この熱を収穫して、そのように蒸気を再生させるために蒸気の膨張または液体の蒸発のプロセスを使用することは、それにもかかわらず可能である。顕在的な形態で直接空気の圧縮および／または吸着によって生成される熱を蓄積する代わりに、こうする利点は、前者の場合、顕熱が損失に対してより容易に断熱されることができるより低い温度で、材料内に含まれるという事実に存在する。この種の低品位熱が通常獲得する、すなわち、それが必要であるところに伝達する、のが困難であるとはいえ、膨張または蒸発のプロセスは、別の方法でなされることができるよりずっと迅速にかつ能率的に、この材料を冷凍してそのように熱をそれから汲み出す役目をする。これはまた、原則として、冷却剤として圧縮空気を用いて直接実行されることができるが、しかし、固体または液体材料から大量の低品位熱を膨張する空気に伝導すること、および、同時に、生成される機械エネルギーを収集することは、困難である。低品位熱を、急速な膨張を容易にしておよび／または空気の脱着を促進するために必要な高品位熱に変換するのにエネルギーを必要とする。
【００２９】
必要とされる蒸気が得られる方法に関係なく、潜熱は、圧縮されたおよび／または吸着された空気として蓄積されるエネルギーとともに、空気圧モータまたはタービンと熱的に接触するように第２の新しい使用法の多孔質材料を配置して、同時に、水または他の流体蒸気がそれに再吸着することができるようにすることによって機械的形態で、回収されることができる。水または他の流動体が再吸着するにつれて生成される顕熱が伝導されるか、またはさもなければ、それが空気圧モータまたはタービン内に膨張するにつれて、圧縮空気へ伝達され、それがより役立つ仕事をするように、その温度および圧力を上昇させる。同時に、熱のこの伝達は第２の新しい使用法の多孔質材料を冷却して、そのように更に水またはなんらかの他の適切な流動体のそれへの自然発生的な再吸着を促進する。同様に、この多孔質材料からの第１の新しい使用法の多孔質材料への熱の伝達はチャンバ内の圧力でそれからの空気の脱着を促進し、および、この圧縮空気は次いで上述のような空気圧モータまたはタービン経由で機械エネルギーへ戻って変換されることができる。
【００３０】
多孔質材料がこれらの２つの新しい使用法のどちらかのためのＣＡＥＳ装置に組み込まれるときに、得られるプロセスを吸着強化ＣＡＥＳまたはＡＥ−ＣＡＥＳと、およびエネルギー蓄積装置自体をＡＥ−ＣＡＥＳ装置またはＡＥ−ＣＡＥＳシステムと称する。
【００３１】
本発明は、ガスの混合を分離する手段として広く使用されている、温度−振幅吸着の工業プロセスのための新しい使用法を更に提供する。多孔質材料が吸着の物理的なプロセスの第１の新しい使用法に対してＣＡＥＳ装置に組み込まれたのであるにせよ、この新しい使用法は実際に適用可能である。このプロセスにおいて、空気のおよび空気が吸着される多孔質材料の温度は、この装置が第１の新しい使用法のための多孔質材料を組み込む場合、エネルギーによってＣＡＥＳ装置を充填するときに、低下され、およびそれを排出する時再び上昇させられ、その間中、圧縮空気の圧力をその中でおよそ一定に保つ速度で圧力チャンバ内に空気をポンピングするかまたはそれから空気が逃げるのを可能にする。
【００３２】
一定の空気圧は任意のＣＡＥＳ装置の構造および作動を単純化するが、しかし、本発明の目的にとってより重要なのは、温度−振幅プロセスが、第１の新しい使用法におけるように、任意の所定の量の多孔質材料によって蓄積されて放出される空気の量を増大する便利な手段であるという事実である。大部分の周知の多孔質材料によって吸着されるガスの量が、その温度が上昇させられるにつれて減少し、および、逆もまた同じなので、それはこれをする。従って、ＡＥ−ＣＡＥＳ装置がその充填状態にある時達成される最低温度が、多孔質材料が装置の作動圧力で空気によって主として飽和されるのを確実にするのに十分に低く、一方、ＡＥ−ＣＡＥＳ装置がその排出された状態にある時達成される最高温度が、空気の大部分が装置の作動圧力で材料から脱着されることを確実にするのに十分に高いならば、その時、少なくとも、大気中より低い圧力へ行く高価なおよびエネルギーを消費する間に合わせの方法なしで、圧力−振幅サイクルが活用された場合より、第１の新しい使用法の選択された多孔質材料からより大きな恩恵を得るであろう、ということになる。これは、一定温度を伴う、または排出された状態でのその最低温度および充填状態でその最大値に到達する圧力−振幅サイクルの自然発生的な温度変化を伴う、圧力−振幅サイクルを含む。
【００３３】
それがＡＥ−ＣＡＥＳで提供する恩恵によって、この温度−振幅サイクルが動機を与えられたとはいえ、これまで実践になる全てのＣＡＥＳ装置によって使われた圧力−振幅サイクルにわたって、それはその利点を有する。これを示すために、次に空気用の吸着剤の不在における温度−振幅ＣＡＥＳによって達成されることができる最大エネルギー密度を見積もる。更に、温度振幅を実現するために圧縮空気から取り出される圧縮熱または付加熱が蓄積される方法を特定しないが、しかし、簡単さのために、それが完全に蓄積されて、システムの全体的な容積に対して無視してよい追加だけで完全に回収されたと仮定する。同様に、エネルギー密度に関して最も単純な可能な上限を推定する意図に従って、圧縮機、空気圧モータまたはタービンおよび全ての残りの外部機器によって必要とされる容積を無視する。ＣＡＥＳ装置はそれで、以下のパラメータによって特徴づけられることができる：
・  Ｖｓｙｓ：システム内の空気の体積。
・  Ｐｓｙｓ：その温度を制御することによってシステム内に空気を維持する圧力。
・  Ｔｄｉｓ：それがその排出された（最小限のエネルギー）状態にあるシステム内の空気の温度。
・  Ｔｃｈｇ：それがその充填状態にあるシステム内の空気の温度（Ｔｃｈｇ＜Ｔｄｉｓ）。
・  Ｐａｔｍ：排出される間にシステムが仕事をするのに対する圧力（ここでは１００，０００パスカル、およそ１気圧であるとする）。
【００３４】
更にｎｄｉｓおよびｎｃｈｇをその排出および充填状態でのシステム内の空気のモル数（すなわち空気分子のアボガドロ定数の倍数）とし、Ｖａｔｍを、システムを充填するために必要とされる圧力Ｐａｔｍでの空気の体積とし、および、ＶＭをＰａｔｍでの空気のモル比容（＝Ｐａｔｍ＝１００，０００バールおよび３００Ｋで２４．８リットル）とする。理想的な気体法則およびモル比容の定義は、それでこれらの変数の間で以下の関係を持つことを意味する：
ＰｓｙｓＶｓｙｓ＝ｎｄｉｓＲＴｄｉｓ
ＰｓｙｓＶｓｙｓ＝ｎｃｈｇＲＴｃｈｇ
Ｖａｔｍ＝（ｎｃｈｇ−ｎｄｉｓ）ＶＭ
（ここでＲ＝８．３１４４７２Ｊ／（モルＫ）は、ケルビンあたり（モルあたりジュール）の単位の理想的なガス定数）。３番目からｎｄｉｓおよびｎｃｈｇを除去するのにこれらの式の最初の二つを使用して、以下を得る：
Ｖａｔｍ＝ＰｓｙｓＶｓｙｓ（１／Ｔｃｈｇ−１／Ｔｄｉｓ）ＶＭ／Ｒ
最後に、充填中にシステムに実行される「注入」作業は、：
Ｗｓｙｓ＝（Ｐｓｙｓ−Ｐａｔｍ）Ｖａｔｍ
共に、これらの最後の２つの式はエネルギー密度が充填状態と排出状態の間の逆絶対温度の差と比例しており、および、それがその作動圧力Ｐｓｙｓによって二次に増大することを示す。Ｐｓｙｓ＝１０ｘＰａｔｍ、Ｔｃｈｇ＝３００ＫおよびＴｄｉｓ＝５００Ｋの特定の場合に対して、以下を得る：
Ｖａｔｍ＝３．９７５ｘＶｓｙｓ［Ｍ３＝立方メートル］
Ｗｓｙｓ＝３．５７８ｘＶｓｙｓ［ＭＪ＝メガジュール］
これは、９９４ワット時／Ｍ３（立方メートルあたりワット時）を導き出し、Ｐｓｙｓ＝２０ｘＰａｔｍ、Ｔｃｈｇ＝３００ＫおよびＴｄｉｓ＝５００Ｋに対する対応する数値は、４１９６ワット時／Ｍ３で、作動圧力Ｐｓｙｓに関しておよそ二次依存と一致する。空気が特に圧縮される時正確に理想気体のようにふるまわない事実は、全てのこれらの数が概算だけであることを意味するが、この二次スケーリング関係は、実際問題としてそれでもやはり保つ。
【００３５】
対照的に、完全な熱回収によって一定温度で通常の圧力−振幅サイクルに基づく先端断熱ＣＡＥＳに対するエネルギー密度は：
Ｗｓｙｓ＝（（Ｐｓｙｓ／Ｐａｔｍ）γ−１−１）ＰａｔｍＶａｔｍ／（γ−１）
（ここでγ＝１．４は空気の断熱指数である）。これは、Ｐｓｙｓ＝１０ｘＰａｔｍに対して１０５０ＷＨｒ／Ｍ３およびＰｓｙｓ＝２０ｘＰａｔｍに対して３２１４ＷＨｒ／Ｍ３を得るが、それは、より高い圧力で温度−振幅ＣＡＥＳによって得られる作動圧力に関する二次依存がエネルギー密度に関して圧力−振幅ＣＡＥＳを凌ぐ潜在力をそれに与えることを示す。
【００３６】
上で与えられる吸着の物理的なプロセスの２つの新しい使用法の各々に対して、種々の多孔質材料が利用でき、それによって本発明の役立つ実施態様が構成されることができる。次に詳述する１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様において、第１の新しい使用法がＮａＸとして公知のゼオライトによって実現される。これはナトリウムイオンを含む広く入手可能なホージャサイト型ゼオライトであり、それは１３Ｘの市販名の下で一般に販売されている。
【００３７】
乾燥空気は、モル分率で約７８％窒素、２１％酸素および１％アルゴンである。ほとんどの自然におよび／または商業的に入手可能なゼオライトの様に、ＮａＸは酸素またはアルゴンより強く窒素を吸着する、すなわち、モルベースで、所定の圧力および温度でこれらの純粋なガスの下に配置されるときに、それは、−−酸素または窒素の不純物を取り除く目的で通常考慮される少なくとも比較的低い圧力で、酸素またはアルゴンより多くの窒素を吸着する。さらに、酸素およびアルゴンは主としてＮａＸ細孔壁上の化学的に同一の場所で吸着されて、更に類似した吸着等温線を有し、一方、窒素は主として酸素およびアルゴンのそれらと重複しない異なった場所で吸着される。これらの事実のため、あたかもそれが、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様が例証することを目的とする原理を無効にするのに十分に大きいいかなる過誤もなすことなく、以下で酸素であるかのように、空気のアルゴン割合を処理することによって分析を単純化することができる。さらに、Ｅ．Ａ．Ｕｓｔｉｎｏｖによって発表された実験データ（（非特許文献１））と共に上記の観察は、吸着される窒素の量が吸着される酸素（およびアルゴン）の量に無関係であり、および、逆もまた同じであるとみなすことができることを示している。
【００３８】
ＮａＸへの窒素、酸素（およびアルゴン）吸着に対する完全な等温線が、約４気圧までの圧力で、および、−７０℃と５０℃との間の４つの広く分離された温度で測定された（（非特許文献２）を参照）。これらのデータをフィッティングさせることによって定まる、ＳｉｐｓおよびＬａｎｇｍｕｉｒ等温線式のパラメータの値は、またその論文（（非特許文献２））内に与えられており、これらの測定値をより高い圧力に外挿するのに用いられることができる。
【００３９】
図１は、４つの異なる温度で、および、最高２０気圧の圧力で、ＮａＸまたは１３Ｘとして広く公知の市販のゼオライトによる空気の主要な成分、すなわち、窒素および酸素に対する吸着等温線をプロットする。Ｓｉｐｓ等温線公式から得られる窒素に対する等温線が、実線でプロットされ、一方、酸素に対するものがＬａｎｇｍｕｉｒ等温線、Ｓｉｐｓの特例、から得られて、破線でプロットされる。示されるプロットは、したがって、Ｍｉｌｌｅｒのデータを費用効率が高い吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積装置のために必要とされるより高い圧力に外挿する。
【００４０】
図２は、図１に記載の同じ４つの温度で圧力に対して、ＮａＸに吸着される酸素分子の数に対する窒素分子の数の比率をプロットし、ここでプロット上の各ポイントの酸素の圧力は窒素のそれの２５％であり、したがって、窒素圧の１２５％での空気内の酸素分圧にほぼ等しい。これらの比率は、図１内に示される外挿された等温線を使用して算出される。破線の水平線はこの比率が値４．０を有するところを示し、それで、吸着される比率は空気内の窒素および酸素の分圧の比率にほぼ等しい。破線の垂直線によって示唆される−４０℃の温度の対応する圧力は、−４０℃の最低温度による温度−振幅サイクルに基づく吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積の一実施態様に対する合理的に費用効率が高い窒素分圧であると期待される。これは、より高い圧力またはより低い温度へ行くことが、より低い圧力およびより高い温度で達成されるより、より低い速度で吸着される空気の量を増大するであろうからであり、そのため、ＮａＸ吸着剤の使用から得られる費用と便益の比率はより有利にならないであろう。
【００４１】
図３ないし８は、全部のＡＥ−ＣＡＥＳ（吸着強化圧縮空気エネルギー蓄積）実施態様の模式図を示す。これらの図は周知の工程系統図の図解版および、エンジニアリングコミュニティによって広く使われている、化学製品および材料処理システムの一般の機械、流体および電気構成部品に対する関連シンボルである。工程系統図は特定の設計のための青写真を意図せず、むしろ化学製品および材料処理の当業者がこの種の標準部品を使用して特定のプロセスを再生することができるシステムを設計するのを可能にするためである。この図はしたがって、ＣＡＥＳシステムが、特定の装置または設計よりむしろ多孔質材料での吸着を使用して強化されることができるプロセスを提供する、本発明を記述する適切な手段を提供する。使用される構成部品が完全に標準でない実施態様のそれらの部分では、より詳細な図面が与えられ、および、これらは図９ないし１１内に拡大されている。
【００４２】
図３ないし６は、その充填−排出サイクル内の４ポイントでＡＥ−ＣＡＥＳシステムの例示的な一実施態様を通して主質量およびエネルギー束の高レベル図を与える。図３は、充填過程の開始でのこれらの束を示し、その時加圧されたＮａＸベッド１は１００℃に近く、したがって、それに吸着される最小限の量の空気を有し、、一方、加圧されないＮａＸベッド４１が主として水で飽和される。図４は、どのようにこの束が充填過程のおよそ途中で変更されるかについて示し、その時加圧されたＮａＸベッド１の温度は、優勢な周囲温度まで落ち、および加圧されないＮａＸベッド４１はその水の大部分を失う。図５は、排出過程の開始での束を示し、その時加圧されたＮａＸベッド１は−４０℃で、したがって、それに吸着される最大限の量の空気を有し、一方加圧されないＮａＸベッド４１はまだ熱くて乾燥している。図６は、どのようにこれらの束が排出過程のおよそ途中で変更されるかについて示し、その時加圧されたＮａＸベッド１の温度は、周囲温度に接近しており、および水蒸気が次に完全な排出のために必要とされる熱を生成するために加圧されないＮａＸベッド４１に運び込まれている。
【００４３】
図７は、エネルギーで充填される過程の開始での、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様（図３参照）のより詳細な図を示し、その時吸着ヒートポンプの加圧されないＮａＸベッド４１は、吸着水を排除するために加熱されている。図８は、排出過程の途中のポイントに続く同じ実施態様（図６参照）を示し、その時水蒸気は、完全な排出のために必要とされる高温を生成するために加圧されないＮａＸベッド４１を通過している。図９は圧縮空気蓄積モジュールの切欠拡大を示し、それは、温度を制御するのに用いられる凝縮／蒸発チャンバ４内で、ゼオライトペレット１を詰められたシリンダ２を含む。図１０は、空気の圧縮および吸着によって生成される熱を蓄積するのに使用されるゼオライトベッド４１を含む吸着ヒートポンプ４０の拡大を示し、充填中それから水蒸気を運び出す大気が、最高効率のために、排出中に水蒸気をそれに運び込む、空気のフローをおよそ逆転させる、のを確実にするのに用いられるバッフル４２を含む。図１１は、排出過程中に圧力として、および、熱として蓄積されるエネルギーの両方を機械エネルギーに戻って効率的に変換するのに用いられる、５３、５４および５５とラベルをつけられる構成部品を含む、ミキサー／エジェクタ空気タービンの拡大を示す。
【００４４】
図１内にグラフで示される外挿と共に、上記の前提条件は、−４０℃および１０気圧で、吸着される酸素に対する窒素の量の比率は約４であることを意味する（図２）。これがまた、およそ空気内の酸素に対する窒素の分圧の比率であり、および、ＮａＸが主としてこの温度および８気圧で窒素によって飽和されるので、吸着される空気の量はより高い圧力またはより低い温度で大いに増大するはずではない。１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様は、したがって、１０気圧の作動圧力および装置がエネルギーで完全に充填される時得られる−４０℃の最低温度を活用する。
【００４５】
同様に、図１内に示される近似および外挿は、１０気圧および２４℃で、−４０℃で吸着された窒素の約３４．５％および７４．５％酸素が脱着され、一方５０℃ではこれらのパーセンテージがそれぞれ５３．５％および８２．５％である、ことを意味する。したがって、１０気圧で１００℃まで上がる場合、窒素および基本的に酸素の全ての少なくとも７５％が脱着される。これは次に、−４０℃で吸着された全空気の少なくとも８０％が、１００℃で脱着されることを意味する。１００℃を越えることは装置をより複雑で高価にするであろうので、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様は、装置が完全に排出されるときに達成される、１００℃の最高温度を活用し、ちょうど論じられたように、それは１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様での少なくとも８０％の負荷サイクルを意味する。
【００４６】
−４０℃および１０気圧の乾燥空気の下で、近似化および外挿された等温線は、ＮａＸが、無水結晶ＮａＸのキログラムあたり、それぞれ４．２４および１．１４のモルの窒素および酸素を吸着することを更に示唆する。２４．８リットルの周囲空気に対するモル比容および１．５３Ｋｇｒ／Ｌ（Ｋｇｒ／Ｌ＝キログラム／リットル）の結晶ＮａＸに対する密度によって、これは約２０４Ｌの周囲空気がこれらの条件の下でＮａＸのリットルあたり吸着されることを意味する。これは、−４０℃および１気圧で、約１６０Ｌの空気またはこの温度および１０気圧で、空気で１６．０Ｌである。
【００４７】
微結晶粉末で作用するよりはむしろ、しかしながら、また、ベッドを通しての急速な熱伝導を可能にする熱的に伝導性の結合剤を用いて、ＮａＸを、空気が装置で使用されるゼオライトベッドを通して容易に流れることができるペレットに形成する必要がある。一般的に、これらのペレットは結合剤の約２０容量％であって、約８０容量％の密度で詰められることができ、従って、ＮａＸペレットのリットルあたり約０．８３ｘ１６．０＝１０．２５Ｌまでこの作動圧力および最低温度で吸着される空気の容積を減少させる。２０％ボイド率を考慮に入れて、平衡状態で、ＮａＸペレットのベッドを詰められて、−４０℃および１０気圧で空気を満たされたタンク内の空気の全量は、したがって、同じ温度および圧力で同じタンク内に蓄積されることができる量の１０．４５倍である。上で保守的に見積もられた８０％負荷サイクルと共に、これは１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の作動圧力および最低温度で蓄積することができて、所定の量の空気を放出することができるタンクを作るために必要な構造材料の量の、８．３５倍の減少を与える。
【００４８】
ＮａＸが空気を吸着するのに用いられるときに、蓄積される単位エネルギーあたりコストの改善は、しかしながらかなり大きい。上記の計算は完全に充填されたときに、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様でＮａＸペレットベッドの各立方メートルが約１３３立方メートルの周囲空気を蓄積することを示す。温度−振幅サイクルの以前の分析において、装置を動作させる間、熱を完全に蓄積して、回収することを実行したように想定して、しかし、８０％負荷サイクルを再び想定すると、この多量の空気を１０気圧に圧縮するために必要な注入仕事は、ベッドの各立方メートルで９４．８ＭＪ／Ｍ３または２６．６キロワット時になる。以前に、２７℃と２２７℃の温度との間で、１０気圧で動作させる１００％効率温度−振幅ＣＡＥＳが立方メートルあたり９９４ワット時のエネルギー密度を達成することを見いだし、および、類似した計算が−４０℃と１００℃との間で同じ圧力で動作させられるときに、それが立方メートルあたり１２０１ワット時を得ることを示す。これらの数は、次に大気圧から１０気圧まで１００％効率等温圧力−振幅ＡＡ−ＣＡＥＳによって達成されるであろうことに匹敵する。１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様でのゼオライトペレットベッドの体積エネルギー密度は、実際典型的鉛蓄電池のそれの約半分である。このエネルギーが実際問題として回収されることができる効率が、以下で論じられる。
【００４９】
吸着材料の使用が、それがそれ自体でタンクのコストを減少させるより、３倍をこえて蓄積される単位エネルギーあたりコストを改善する理由は、排出中に吸着剤の温度を上昇させることによって、同じ量の空気が単により大きなタンク内に蓄積され、およびその温度が存在する何の吸着剤もなしで同じ量だけ上昇させられた場合におけるであろうよりも、非常により大きい割合の放出されるべき空気が生じるからである。実際に、同じ温度範囲にわたって、および、同じ圧力で、しかし、存在する何の吸着剤もなしで、動作させられる温度−振幅ＣＡＥＳ装置に対する負荷サイクルは、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様に対して上で保守的に見積もった８０％の代わりにわずか３２．５％だけである。一旦ＮａＸによって吸着される空気の量の詳細な測定が経済的に実行可能な温度および圧力の全範囲にわたってなされると、装置の費用と便益の比率が完全に最適化されることができるので、蓄積される単位エネルギーあたりコストがかなり更に改善されることがありそうである。
【００５０】
１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の残りを論ずるために進む前に、ＮａＸベッドへの空気の吸着によって放出される熱、同じく１４０℃だけその温度を単に低下させるためにそれから取り出されなければならない熱量を見積もる。Ｍｉｌｌｅｒ（上記引用文中に）は一実施態様で活用されるさまざまな負荷にわたってＮａＸへの窒素の吸着熱が１８．８７ＫＪ／（モルＫ）であり、その一方で、酸素のそれが約１３．０９ＫＪ／（モルＫ）であると見積もった。従って４．２４モルの窒素および１．１４モルの酸素を吸着することで放出されるエネルギーが９４．９ＫＪ（ＫＪ＝キロジュール）であることになる。ＮａＸペレットの充填床の使用による減少を考慮に入れて、および前の通り８０％負荷サイクルを想定して、これは約４８．６ＭＪ（メガ−ジュール）または１３．５キロワット時／Ｍ３（立方メートルあたりキロワット時）になる。これは、立方メートルあたり蓄積されて回収されることができるエネルギー量の約半分であり、および（これから見ていくように）空気を圧縮することによって生成される熱をかなり上回る。Ｅ．Ａ．Ｕｓｔｉｎｏｖ（上記引用文中に）がわずかにより低いＮａＸへの酸素吸着熱、更にはいくつかが１０気圧で窒素のそれで落ちることを見いだしたとはいえ、吸着熱のほとんどが、ＡＥ−ＣＡＥＳの任意の合理的な効率的な実施態様において蓄積され回収されなければならないことは明らかである。
【００５１】
吸着熱は、しかしながら、１４０℃温度振幅にわたって、ＮａＸベッド自体を冷却して再加熱するために必要な顕熱よりかなり少ない。ベッドの比熱容量は、ペレットが用意される方法によって、および、ある程度は温度によって変化するがしかし、一般的に１ＫＪ／（ＫｇｒＫ）のオーダーであり、それはペレットの充填密度に関する上記の前提条件と共に、約１ＭＪ／（Ｍ３Ｋ）の体積熱容量を意味する。これに１４０を掛けて、キロワット時に変換すると３８．９を与え、それは、立方メートルあたり蓄積されて回収されるべきエネルギーより約５０％大きい。幸いにも、これから見ていくように、周囲温度から１００℃までＮａＸベッドの温度を上昇させるために必要な比較的高品位の熱は容易に回収され、および、一旦空気が圧力チャンバから取り除かれ、および、それに導くバルブが閉じられるならば、もちろん温度を高く保つ必要はない。同様に、ベッドの温度を周囲温度から−４０℃まで下げるために取り除かれなければならない比較的低品位の熱は、装置を排出する間、その熱が容易に周囲環境から得られることができるので、蓄積されて、回収される必要はない。次に上記のタスクの全てを達成するために１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様内に使用される機構に目を向ける。
【００５２】
次に図７および８内に示される模式図を参照して、最初に図を２つに切る空白によって分割される平行した破線が、この装置の縮尺が幾分任意であることを示唆するはずであり、それがその場所に運ばれて、活用される方法によって、主として実際には決定されると指摘する。単に考察のために、しかしながら、以降で、モジュールあたり蓄積されるエネルギー量として、しばしば１メガワット時を使用する。これは、約４０Ｍ３のＮａＸペレット（図内の水平垂直クロスハッチング）を必要とするであろうし、それはパッケージングおよび温度制御装置によって、およそ２つの標準６７．５Ｍ３輸送容器を満たすであろう圧縮空気蓄積システムに至るであろう。
【００５３】
図９の図面内に見られるように、各シリンダのボトムの穴部からずっとシリンダの他端まで延びる穿孔された中空管３を、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様のＮａＸゼオライトペレット１はシリンダ２内に詰められている。このＡＥ−ＣＡＥＳ装置を充填するときに、このチューブによって圧縮空気（図内の右上方へ傾斜するハッチング）がその全長を通してシリンダのボトムで通気孔から迅速に通過し、および、それを排出する時再び後退することができる。結果として、シリンダの長さは決定的でないが、しかし、それらの直径はシリンダ２の表面にＮａＸベッド１を通してチューブ３内の穴部から空気の急速な拡散を可能にし、同じく、空気が吸着されるにつれて、熱の急速な拡散が発生する、ように十分に小さくなければならない。
【００５４】
主な理由は、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様がＣｏｃａ  Ｃｏｌａ（登録商標）のような飲料が一般に詰められるアルミニウム缶と同様であるがより長いシリンダを使用して、それらが大量生産されてしたがって低コストに利用できるからである。アルミニウムはスチールより高価であるが、より容易にこの種のシリンダに形成されて、より耐腐食性が高く、より高い熱伝導度を有する。但し、典型的アルミニウム缶のそれらよりわずかにより厚い壁が１０気圧の圧力を封じ込めるために必要である。そのようなものとして、一実施態様のシリンダ２の直径は６．０センチメートルであり、一方、それらの中央の下の穿孔されたチューブ３は内径で０．５センチメートルを超えない必要があり、詰められたシリンダに構造上の支持を形成するためにスチールで作られる。空気および熱がシリンダの表面に到達するために拡散しなければならない距離は、したがって、約２．７５センチメートルだけである。もちろん、ＮａＸまたは他の多孔質材料のペレットのベッドを含有する圧力容器のためのシリンダの正確な寸法も、それらが作られる材料も、円筒形の形状さえも、本発明にとって必須ではない。
【００５５】
シリンダ２は次に、適度の圧力に耐えることができて、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の温度振幅にわたって排出されることができる断熱された壁を備えたチャンバ４内に含まれる。このチャンバは熱伝達流体を含む役目をして、それは次にシリンダ２内部の圧縮空気およびＮａＸベッド１の温度を制御して、活用される温度−振幅サイクルをそのように実現するのに用いられる。シリンダ２がそれの中で配置されるチャンバの幾何学形状も方法も、決定的でないが、効率のためにパッキングはできる限り高密度にするとともに熱伝達流体がシリンダのまわりを自由に流れることができるようにすべきである。図９内に、直径１．２５Ｍの温度制御チャンバが示され、それは、各々長さ１．０Ｍの１０８本のシリンダを含み、および、チャンバあたり合計約０．２５Ｍ３のＮａＸベッドに対して０．１Ｍ間隔で、そのポイントを正方形格子上に配列される。１６０個のこの種のチャンバが、１メガワット時のエネルギーを蓄積するために必要であろう。
【００５６】
１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様において、壁を備えたチャンバ４へ／から熱を運ぶ流動体は、メタノールである。これは大気圧および−４Ｏ℃、温度−振幅サイクルにわたって到達される最低温度で液体であり、一方、それは大気圧および１００℃、到達される最高温度でガスである。それはまた高気化熱、この温度範囲にわたって平均算出約３６ｋＪ／モルを有し、および、その正確な沸点は壁を備えたチャンバ４内の圧力を制御することによって−４０℃と１００℃との間の任意の値に設定されることができる。具体的には、１気圧の圧力でのメタノールの沸点は、６４．７℃であり、および、その気化熱が圧力に依存しないと仮定する場合、その沸点が３．６気圧で１００℃、および、２３１．５パスカル（１気圧の約０．２％）で−４０℃であることを示すＣｌａｕｓｉｕｓ−Ｃｌａｐｙｒｏｎ式を用いることができる。これらの適度の温度および圧力によってチャンバの壁４が、なんらかの不可欠の断熱もまた与える、耐熱フェノール樹脂またはエポキシから形成される安価なガラス繊維複合材から作られることができる。もちろん、メタノール以外の流動体が熱を伝達するために活用される、および／または、その他の材料がチャンバの壁４に対して使われる、他の実施態様が可能である。
【００５７】
１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様を充填するときに、液体メタノール（より濃い左下方へ傾斜するハッチング）が制御バルブ１０を通して密閉して密封されおよび断熱されたタンク１５から吸引されて、図７に示す壁４を備えたチャンバ４の最上部内のノズル８からプログラムされた速度で噴霧される。このメタノールの一部は、ノズルによって点在する通気孔９を通して蒸発して、チャンバを出て、一方、残っている液体メタノールは、その時チャンバ内の圧力に対するその沸点で、シリンダ２の側の下に流れて、および、それがそのようにするにつれてそれらから沸騰し、それによってそれらが含むＮａＸベッド１とともにそれらを冷やす。このプロセスによって生成される付加メタノール蒸気（より薄い左下方へ傾斜するハッチング）が上昇して、前の通り通気孔９を通してチャンバを出て、一方チャンバのボトムにまで達するいかなる液体メタノールもボトム内のドレイン６に、および、それから戻って再使用のための小さい密封保持タンク７に流れる。
【００５８】
対照的に、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様を排出するときに、バルブ１０が閉じ、別の制御バルブ１１が開けられ、および、蓄積タンク１５内のメタノールがタンク内部で熱交換器１６を通して熱水の通過（図内のより濃い斜めのクロスハッチング）によって加熱される。結果として生じるメタノール蒸気は、その最上部内の通気孔１４を通してタンク１５を出て、壁を備えたチャンバ４のボトムで穿孔されたチューブ５のネットワークに至るパイプを通して流れる。メタノール蒸気は次いで上昇して、シリンダ２の表面上で凝縮して、チャンバ内の優勢な圧力によって決定される温度でそれらにその気化熱を伝達する。これは次に、ＮａＸベッド１の温度をその目標値の方へ上昇させ、一方、凝縮された液体メタノールがドレイン６を通して、および、保持タンク７内にチャンバから再び流れる。単純な容積型ポンプ１２が次いで、図８に示す再使用のためのその時開いているバルブ１３経由でタンク１５にそれを返す。
【００５９】
１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様を充填する間、壁を備えたチャンバ４内の圧力はメタノール蒸気が図７に示すバルブ１８を通して通気孔９から流れる圧縮機１９経由で減少させられる。それは、高圧力および温度で圧縮機１９を出て、断熱されたタンク２０内の熱交換器２１に流れ込み、そこでそれが大気圧で水のストリームによって約１００℃の温度に冷やされる。メタノール蒸気は次いで、減圧バルブ２４を通過し、それによって、それが膨張し、更に冷却し、および、大規模に凝縮し、および、そこから再使用のための蓄積タンク１５に開放バルブ１７を通して戻ることができる。このようにして、ＮａＸベッド１への空気の吸着によって生成される熱は、タンク２０中を通過する水または蒸気（図内の斜めのクロスハッチング）へ伝達される。以下の技術的な考慮に従って経済的な根拠で主に決定される正確な選択によって、多くの種類の圧縮機が１９に対して使われることができる。
【００６０】
熱湯に対する効率的な熱伝導のために、圧縮されたメタノール蒸気は十分にそれより上の温度、例えば１５０℃を有しなければならない。１．３のメタノールに対する断熱指数によって、充填過程の初めに、メタノール蒸気が３．６気圧の圧力および１００℃の温度で圧縮機１９に入るときに、それが約１．７倍にまたは６．２気圧に圧力を増大することを必要とするだけのことになる。充填過程の後半に、しかしながら壁を備えたチャンバ４内の圧力および温度がそれぞれ、２３１．５パスカル、および、−４０℃に落ちるにつれて、それは、ほぼ１３．３倍にメタノール蒸気圧を増大することを必要とするであろうが、それでも０．０３気圧だけである圧力に結びつく。この冷却システムの動作係数に関するカルノー限界は、壁を備えたチャンバ４内の温度が１００℃である開始で無限であるが、しかし、それが−４０℃に落ちる充填過程の終わりでわずか１．６６である。また、充填中にＮａＸベッド１から取り除かれなければならない大量の顕熱に関する以前の考察に従って、一旦、ＮａＸベッド温度が７℃に達すると起こる、理論的な動作係数が約３より下に落ちるならば、その後高温を生成するのに用いられることができる形態で、この熱または吸着によって放出されるより少しの熱量を蓄積しようとすることは、もはや有利でない。この問題は、ほどなく再び取り上げられる（図３および４参照）。
【００６１】
熱が次にどこに行くかについて記述する前に、まず１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様を充填するときに空気が１０気圧に圧縮され、および同時に、圧縮熱の多くがそれから取り除かれる、プロセスを考慮する。それらの高効率のために、このＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様において、これは連合して２つの標準の遠心圧縮機２６および２８によってなされ、その各々が３．１６（１０の平方根）倍に空気の圧力を増大する。エアーフィルタおよびデシケータ２５が、第１の圧縮機２６に入る前に空気から粒状物質および水蒸気を取り除くのに用いられる。１．４の空気に対する断熱指数を使用して、それは各圧縮段階が周囲温度から始まって、１．３９倍にまたは約１４１℃まで空気の絶対温度を増大することを示されることができる。２０．７７Ｊ／（モルＫ）の空気に対する一定の容積の熱容量によって、２つの段階にわたる圧縮熱は、したがって、１０気圧に圧縮される周囲空気の立方メートルあたり５４ワット時、または蓄積されるべき全エネルギーの２１．６％である。
【００６２】
空気は、それが２つの圧縮機２６および２８の各々を出るにつれて、冷却される。これは、それぞれ、圧縮機２６および２８の出口の向流熱交換器２７および２９を通して冷水のストリームを駆動するポンプ３９を使用してなされる。このようにして、圧縮熱は水を予熱し、それは次に、パイプを通してノズル２２に導かれ、そこで、充填過程の前半中に（図３を参照）、前述したように、それが圧縮されたメタノール蒸気によって沸騰する。充填過程後半に、すなわち、一旦メタノールヒートポンプの理論的な動作係数が３ほどより下に落ちるならば、メタノール蒸気が最大１００℃まで上昇させられるように、圧縮機１９の圧縮比が低下される。同時に、空気圧縮機２６および２８を通して流れる水の速度が、それがそれ程予熱されないように増大され、その時、水は沸騰されず、その代わりに単に加熱され、再循環されるという最終結果を伴う（図４に示す）。圧縮空気自体は、図７に示すＮａＸベッド１に開放バルブ３０を通して導かれる。それの中に残っている残留圧縮熱は、その後ＮａＸベッド１を冷却する間に取り除かれて、同様にタンク２０を出る蒸気または水に終わる。この蒸気または水は、したがって、空気の圧縮の、および、吸着の熱の大部分、同じくそれらを冷却するためにＮａＸベッド１から取り除かれる顕熱を含む。
【００６３】
充填過程の前半（図３）中に、タンク２０を出る蒸気内に含まれる高品位熱が、その吸着剤−被吸着剤ペアとしてＮａＸ−水を使用する吸着ヒートポンプを満たすのに用いられる。この開放型吸着システムは、ドイツ連邦共和国のＡｎｄｒｅａｓ  Ｈａｕｅｒによって最近実証されたものにならって作られ、ここで、それが夜にＮａＸから水を脱着して、暖房の需用がより大きい日中に、廃熱をアップグレードするために水蒸気の再吸着を使用することによって建物を暖めるコストを減少させるのに用いられた（（非特許文献３）の第２５章のセクション２を参照）。この開放型吸着ヒートポンプは単純に、前の通り耐熱ガラス繊維複合材から一実施態様で造られた断熱されたタンク４０であり、それは空気を吸着するのに用いられるものに、形態において類似しているが、必ずしも同一でないＮａＸペレット４１によって充填されている。
【００６４】
したがって、１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様もまた本発明の多孔質材料のＮａＸゼオライトを吸着の第２の新しい使用法のために活用する。シリカゲルのような、多数の他の多孔質材料が利用でき、また、水または実際にその他の適切な流動体の吸着経由で熱を汲み出すのに用いられることができるとそれでもやはり強調しなければならない。空気−ＮａＸペアの様に、被吸着剤が安価で環境的に良性であるので、ここで使用される水−ＮａＸ被吸着剤−吸着剤ペアが選択され、一方、吸着剤は、繰り返された使用によって品質低下の傾向がないことが良く分かっており（適切な結合剤がペレットのために使われる時、（非特許文献４）を参照）、および、商業的に入手可能である。水−ＮａＸシステムの更なる利点が、ＮａＸへの水蒸気の微分吸着熱が、水の蒸発熱のそれの近い値または４４ＫＪ／モルから、ＮａＸに吸着される水量が３０から０重量％まで落ちるにつれて、その値の約二倍に増大する事実に存在する。これは、熱をより高い温度にアップグレードする手段を供給することに加えて、排出中に水を蒸発させるために必要な熱を減らした後にさえ、ヒートポンプのＮａＸベッド４１がまた、潜在的な（同じく顕在的な）形態で多大な熱量を蓄積することを意味する。ＮａＸへの水蒸気の吸着熱がＮａＸへの空気の吸着熱より非常により大きいので、この吸着ヒートポンプのために必要とされるＮａＸの量は空気自体を吸着するのに必要なものの４分の１未満である。
【００６５】
再び充填過程の前半（図３）中に、タンク２０からの蒸気は、その最上部内の通気孔２３を通して別の圧縮機３１まで通過し、それは蒸気の圧力を２．８倍に、および水の断熱指数がまた、約１．３であるので、その温度を約２００℃まで上昇させる。それは次いで、開放バルブ３２経由で熱交換器３６に移り、そこで、ファン３７によって熱交換器の上に吹きつけられる大気の逆流ストリームによって、蒸気が冷やされ、その過程で空気を約１５０℃の温度まで加熱する。このヒートポンプに対する動作係数上のカルノー限界は７．５であり、それは充填過程の前半にわたるメタノール圧縮機１９の平均動作係数と同等のはずである。圧縮機１９および３１によって必要とされるエネルギーはまた蓄積された熱として終わり、およびその後回収され、それによってシステム内の他の場所での損失を埋め合わせることができる点に留意する必要がある。ファン３７を走らせるために必要なエネルギーは、比較的に多大でない。
【００６６】
熱交換器３６からの熱風は断熱されたタンク４０に、および、ＮａＸゼオライトペレット４１の加圧されないベッドを通して流れ込み、それは初めにそれらに吸着される水のそれらの重さの約３０％を有する（図１０を参照）。熱風は、ＮａＸペレット４１の温度を上昇させ、この水に水蒸気の形態でそれらから脱着させて、このプロセスの中で空気を冷やす。この水蒸気は、ＮａＸ−ペレットを詰められたコンテナ４０を通して空気によって運ばれて、約４０℃の温度で湿り空気の形態でその他端から出る。ＮａＸベッド４１に入る空気を加熱するのに用いられる蒸気は、減圧バルブ３８を通して熱交換器３６から出て、そこで、それはさらに、水の標準沸点より十分下に冷却して、大規模に凝縮する。何の熱伝導も完了していないので、この水はまだ、熱交換器に入るそれが含んだ熱の一部を保持する。この顕熱内に含まれるエネルギーは、それが生じたリザーバ４３の表面に水を戻すことによって蓄積される。
【００６７】
同様に、ＮａＸベッド４１から出る暖かい湿り空気は、コンデンサ４７上を通過しそれを通して水がポンプ４４の作用を経て通過する。この水は、コンデンサ４７を通してリザーバ４３の冷たいボトムから、および、開放バルブ５０を通して戻ってリザーバ４３の暖かい表面に流れる。凝縮熱は、それによって同様にリザーバの表面水へ伝達される。効率の目的のために凝縮熱を使用する必要性はＡ．Ｈａｕｅｒによって強調された（上記引用文中に）、および、リザーバ内にそれを蓄積するオプションもまた、より最近の特許（（特許文献４））において請求された。凝縮水自体は鉢４９内に集まり、および一旦１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様が完全に充填されるならば、廃棄されるかまたはリザーバ４３に加えられることができる。
【００６８】
対照的に、充填期間の後半（図４）中に、ファン３７は停止され、および、コンテナ４０はそれが含むＮａＸベッド４１に、湿気が時期尚早に再吸着することができないように封止される。２００℃の蒸気の代わりに、その沸点より十分に下の熱水が、直接にタンク２０から、そこで、それは熱い圧縮されたメタノール蒸気から熱を拾い、その時受動的な圧縮機３１をバイパスするその時開いているバルブ３５を通して、および更なる冷却なしでリザーバ４３の表面に流れる。このようにして、充填期間の後半中に、空気の圧縮および吸着によって生成される熱、同じくＮａＸベッド１内に残留する顕熱もまた、リザーバ４３に終わる。この熱がその後どのように回収されるか、以下に記載する。
【００６９】
一旦１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様が完全に充填されると、それに置かれる機械エネルギーの大部分がシリンダ２内でＮａＸペレットベッド１内に吸着された空気の形態で主として蓄積される。上記したように、このエネルギーの約２１．６％がまた、主に貯水槽４３内に熱として蓄積される。同時に、蓄積エネルギーの約二倍に等しい量のエネルギーが、熱の形でＮａＸベッド１から取り出され、その大半が空気の吸着によって生成される熱からのより小さい、しかし、多大な寄与を伴う顕熱であった。この熱の大部分は貯水槽４３内に顕熱として同様に蓄積される。但し、顕著な量がまた、吸着ヒートポンプのＮａＸベッド４１内に潜熱および顕熱の両方として蓄積される。
【００７０】
バルブ３０および５６が圧縮されて吸着された空気を捕捉するために閉じるように保たれる限り、基本的に、この形態で蓄積されるエネルギーのいずれも排出の前に失われない。同様に、コンテナ４０が湿気から封止するように保たれる限り、ＮａＸベッド４１内に潜熱として蓄積されるエネルギーのいずれも排出の前にそれから漏れない。上記のように、かなりより大きい熱量が貯水槽４３内に顕熱として蓄積されるが、しかし、この熱が貯水槽から漏れる速度は、水と貯水槽の環境との間の温度差が大きくないので（寒天でさえ十分に１００℃より下）、大きくない。別の、より直接でない形の損失が、壁を備えたチャンバ４に漏れる熱からあり、ＮａＸベッド１の温度をその中で上昇させ、および、シリンダ２が耐えることが可能であるそれを越えて圧力が上昇しないようにいくらかの圧縮空気の放出を強制するであろう。再び、しかしながら、このＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様はこれらの温度差を通常の周囲温度の上下約７０°Ｃに対称的に置かれる最低および最高温度を用いて低く保つよう努める。この種の適度の温度勾配に対して、ポリウレタンフォームのような標準の低コストの断熱材が、１日以下の予想された蓄積期間にわたって受け入れられるレベルに、顕熱漏れによる損失の全てを抑えるはずである。
【００７１】
１つのＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様において蓄積される機械エネルギーを回収する時が来ると、リザーバの表面からの温水がバルブ５０を閉じて、バルブ５１を開けることによって熱交換器１６を通して導かれる。同時に、ファン３７が吸着ヒートポンプのＮａＸベッド４１を通して周囲空気を吹きつけるのに用いられ、そこで、それが再吸着する多くの湿気を含まないので、それは潜熱の多くでなく顕熱をベッドから拾う。この熱のいくらかはそれが熱交換器１６に続く出口で、熱交換器４７を通して流れる水に伝達されるが、しかし、大部分の熱はなお高い温度で出口チャンバ４８に空気とともに運ばれる。この温風は空気タービンにダクト５２経由で導かれ、それは図７および８内に図式的に示唆されるように、出口チャンバ４８内に邪魔板を再配置することによって、構成部品５３、５４および５５を含む。それが、ほどなく記述されるように膨張する圧縮空気を冷却から遠ざけるためにそこで使われる。
【００７２】
一方、熱交換器１６を通して流れる温水は蓄積タンク１５内のメタノールを沸騰させ、それは初めに１気圧の一部分の圧力未満である。得られたメタノール蒸気は、次いで、前述したように、空気が吸着されるＮａＸペレットベッド１を含むシリンダ２を加熱するのに用いられる。これは、メタノール蒸気が壁を備えたチャンバ４に入る速度を制御することによって制御される速度で、吸着された空気を圧縮空気に変換する。図８に示すように、それが構成部品５３、５４および５５を備えた空気タービンにその時開いているバルブ５６を通して脱着によって生成されるにつれて、この圧縮空気はまた、導かれる。排出過程のこの前半中の質量およびエネルギー束は、図５内に例示される。
【００７３】
一旦蓄積エネルギーの約半分が回収され、および、加圧されたＮａＸベッド１の温度が周囲温度に接近していると、バルブ４５はリザーバ４３の表面から温水を、ベーパライザ４６を通過させるために開けられ、それは熱交換器３６を介してミストとしてそれを出す。同時に、リザーバ４３からの温水が開放バルブ３４経由で熱交換器３６を通してポンプ３９によって駆動されて、蒸発水がそれ周辺で空気を冷やさないようにするために、バルブ３２、３３および３５を閉じることによって空気圧縮機２６および２８に着くことから妨げられる。このようにして、ファン３７からの空気は加圧されないＮａＸベッド４１に入る前に水蒸気で飽和して、それが加圧されないＮａＸベッドを通過するにつれて、水蒸気の吸着のプロセスによって加熱される。排出過程のこの後半中の質量およびエネルギー束が、図６内に例示される。もちろん、４６のような単純なベーパライザの使用は本発明にとって重要でなくて、最適ならば、インペラまたは超音波給湿器によって容易に置換されることができる。
【００７４】
Ａ．Ｈａｕｅｒ（上記引用文中に）は、空気が１００℃を超える温度で吸着ヒートポンプコンテナ４０の最遠端部を出ることを示した。それがそのようにするので、それが含む熱の一部がリザーバ４３の表面から温水の逆流ストリームまで熱交換器４７経由で伝達されて、排出過程が進行するにつれて１００℃の方へ徐々にそれを加熱する。これは、タンク１５内に生成されるメタノール蒸気の温度および圧力をより高いレベルに上昇させ、それによって排出過程の終わりで１００℃までシリンダ２内のＮａＸベッド１を加熱する。同時に、熱交換器３６中を通過する水が冷却されて、装置が充填される次のとき、使用されるべきリザーバ４３のボトムに戻される。
【００７５】
ＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の効率は、また、熱風が充填中に加圧されないＮａＸベッドから湿気を脱着するためにそれを通して通過した方向のおよそ逆転で、加圧されないＮａＸペレットベッド４１を通して排出中に空気を通すことによって改善される。これは効率を向上する、さもなければ排出過程の前半中にベッドに入る空気によって取り上げられるか、または後半中に空気から湿気の吸着によって生成される、顕熱のいくらかは、それが最遠端部に達する前に、より冷たいおよび／またはより乾燥していないＮａＸベッドから取り去られるからである。フローのこのおよその逆転は、図面内に濃い実線によって表される内部バッフル４２のシステムによって達成され、それは、充填中に空気がベッドのセンターを通して近い端に入るが、外縁周辺で最遠端部を出るように配置され、それから、排出中に、図７および８（また、図１０を参照）内に図式的に示唆されるように、空気が、近い端上の外縁に入るが、最遠端部上のセンターを通して出るように再配置される。もちろん、他の実施態様が、最遠端部が第２のファンを含むことが可能であり、空気がＮａＸベッド４１を通して戻って正確に反対側の経路をとることを可能にすると共に装置を排出する間、熱交換器３６および４７の役割が交換される。
【００７６】
最後に、出口チャンバ４８に入って、ダクト５２経由で通過する温風がどのようにＮａＸベッド１からの膨張する圧縮空気を加熱して、それによって排出プロセスの前後半の全体にわたって圧縮熱を回収するのに用いられるかについて記述する。図７および８内に５３、５４および５５とラベルをつけられる構成部品を含むこの空気タービンが、それに入る圧縮空気のストリームがその全長に沿って平行に走るねじれたベーンを伸張して、ベンチュリ管を通して加速するように、設計される（図１１を参照）。これはそれの背後に真空を発生させる渦を作り出して、それが次にブレード５３のわずかに風上の静的ブレード５４の直径が大きい環を通してダクト５２から温風を吸う。温風のこの第２の渦は、ブレード５３からの低温膨張空気の渦を統合して、このプロセスによってそれと迅速にかつ十分に混合される。このタービンの背後の原理は、実は（特許文献５）内に最近開示されたミキサー−エジェクタ風力タービン設計のそれらと類似しており、それから着想を引き出したものである。ここで迅速に動く空気渦は、空気タービンロータ５５のブレードを打って、それによって圧縮空気内に蓄積されるエネルギーおよび熱として蓄積されるエネルギーの一部を外部使用のための機械的形態に変換する。もちろん、レシプロ式空気圧モータのような、多くの他の装置が利用でき、それによって熱および圧縮空気は、さまざまな代替実施態様で機械エネルギーに変換されることができるが、但し、これらは、概ね、今説明したミキサー−エジェクタ空気タービンほど効率的でないであろう。
【００７７】
このＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様が６時間の期間にわたって定速で１メガワット時のエネルギーを放出し、および、圧縮空気がこのプロセスで周囲温度へ戻って加熱されるとするなら、圧縮空気は、周囲温度および圧力で測定して毎時約７００Ｍ３の流量で放出されなければならない。圧縮空気の実際の温度は−４０℃で始まり、および、徐々に、６時間の期間にわたって１００℃近くまで上昇し、および、−４０℃の空気は任意の所定の圧力で１００℃の空気より１．６倍密度が高い。従って１０気圧の空気が排出期間の初めに毎時５４Ｍ３の速度で、および終わりに毎時８６Ｍ３で放出されなければならないことになる。断熱状態の下で、この空気が、それが膨張するにつれて、始めに−１５２℃、および、排出期間の終わりに−８０℃まで冷却するであろうし、それは次に、圧縮空気の放出のために流量をそれぞれ毎時２８３および４５４Ｍ３に減少させるであろう。それらの温度の空気を周囲温度に戻すために、それは、ダクト５２を通して空気タービンに入るおおよその空気の温度、４５℃の温度で約８．８７および５．２５掛ける同じ質量の空気と混合されなければならない。ダクトを通して４５℃空気の必要な流量は、したがって、６時間の排出期間にわたって毎時６６２８から３９２０Ｍ３まで変化する。
【００７８】
７０００キログラムのＮａＸペレットベッドを使用して、Ａ．Ｈａｕｅｒ（上記引用文中に）は毎時６０００Ｍ３の空気流を、また６時間の期間にわたって、１２０℃および１００℃の間にまで加熱することが可能だったが、それは、約１２０キロワットの熱に相当する。エネルギーの２１．６％だけが熱として蓄積されるので、約０．２１６ｘ１０００／６＝３６キロワットの熱が１メガワット時に対して想定された６時間の排出期間中にタービンによって必要なことになる。排出過程の初めにメタノールをあまり加熱する必要はなく、それでＮａＸペレットベッド４１を通して非加湿の空気流の速度が比較的高く保たれることができ、および、水が高速で熱交換器４７を通して汲み出されることができる。得られた空気は、上で想定された４５℃より幾分下の温度でダクト５２に入るが、しかし、タービンへのその流量は、また、４５℃で、上で見いだされた毎時６６２８Ｍ３より大きい。排出が進行するにつれて、排出期間の終りまでに熱交換器４７を出る水の温度が、それを超える空気のそれ、または１００℃に接近するように、ポンプ４４は遅くなる。同時に、ＮａＸペレットベッド４１を通して加湿された空気流の速度は、徐々に遅くなり、それで排出プロセスの終わりの近くでダクト５２を通してタービンに入る空気の温度は、４５℃より幾分大きいが一方、その流量がまた４５℃で、上で見積もった毎時３９２０Ｍ３より少ない。
【００７９】
ＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の構成部品の全てが公表された工学技術文献内にすでに実証されたことは、それらがここで使用されるそれらときわめて異なる目的のためとはいえ、明らかに理解されなければならない。これらの構成部品は、水−ＮａＸ吸着ヒートポンプ、吸着された形態で圧縮空気を蓄積するＮａＸゼオライトベッドおよびミキサー−エジェクタ原理に基づく先端空気タービンを含む。使用可能なＡＥ−ＣＡＥＳ装置に共にこれらの構成部品を入れるために必要な唯一の有意な追加的な工学技術は、上で概説されたように、同期性で共にそれらに動作させるのに必要な制御システムを開発することである。特に、充填および排出中に壁を備えたチャンバ４内の圧力およびメタノールがそれに入る速度が、圧縮空気が、それが圧縮機２６および２８によって生成されるかまたはそれぞれ、５３、５４および５５とラベルをつけられる構成部品を含むタービンに供給され、それによってシリンダ２内のガス状の空気の圧力を全体にわたっておよそ一定に保つ、同じ速度で吸着された空気へ／から変換されるように調整されなければならない。些細でないにもかかわらず、このタスクはそれでもやはりその技術の当業者によって達成されることができる化学プロセス工学における完全に標準のシステムインテグレーション問題である。
【００８０】
ＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様の機械および流体構成部品に対する、同じく、それが使用する材料に対する、多数の代替品があることは、機械および化学工学の当業者に明白であり、その全てが、相補温度−振幅サイクルとともに、圧縮空気および熱の蓄積を容易にするために吸着剤の使用を通して得られる利点を例示するためにのみ選択された。ポンプおよび圧縮機を動かすために必要なエネルギーがＡＥ−ＣＡＥＳ装置の総合効率を算出する際に放出されるエネルギーから減じられなければならないので、一実施態様に対する適度の改良がこの種の置換によって達成されることができることは十分にあり得る。但し、それらはそれでも上で与えられるカルノー限界に従わなければならない。特に、圧縮機１９、２６、２８および３１を駆動する原動力はどこから来るのか、または、構成部品５３、５４および５５を含む空気タービンによって発生される機械力が何のために使用されるかについて述べるのを控えたことに留意されたい。通常、圧縮機は電気モータによって駆動されるが、石炭または原子力発電プラントで、例えば発電プラントの蒸気タービンから、油圧システム経由でそれがタービンからの機械エネルギーを電気に、および次いで、圧縮機内の機械エネルギーへ戻って変換するためにそうするであろうより、直接それらを駆動することがより経済的であろう。同じことは、もちろん、風力タービン農場で設置されるＡＥ−ＣＡＥＳ装置にとって真実である。同様に、いくつかの状況の下で、電気を発電するよりむしろ、圧縮空気工具または機械を動かすためにＡＥ−ＣＡＥＳ装置を排出すると共に、放出される圧縮空気を使用することが、より経済的でありえる。
【００８１】
ＡＥ−ＣＡＥＳ装置および／または温度−振幅ＣＡＥＳ装置がまた、発明者の意図から具体的に逸脱することなく種々の他の確立した化学プロセスを使用することができることは、先端断熱ＣＡＥＳまたはさらに一般的にいえば熱エネルギー蓄積の当業者に更に明白である。例えば、一実施態様の水−ＮａＸヒートポンプ４０および４１は、他の被吸着剤−吸着剤ペア、液体培地内のガスの吸着に基づくことができるかまたは、潜在的な形態で熱を蓄積することもできる多種多様な固−液相変化材料によって、置換されさえすることができる。種々の方法で廃熱回収または熱エネルギー収穫によって蓄熱サブシステムを補充するかまたは完全に置換することが、さらに可能である。例えば、石炭または原子力発電プラントのような、副産物として熱を生成する発電プラントに、ＡＥ−ＣＡＥＳ装置が設置される場合、この熱は膨張空気および／または空気用の吸着剤を再加熱するのに用いられることができる。代わりとして、受動的な太陽熱コレクタがまた、例えば風力タービン農場に設置されたＡＥ−ＣＡＥＳ装置を排出するときに必要とされる適度の温度を容易に発生させることができる。要点は、排出中にＡＥ−ＣＡＥＳ装置の任意の構成部品によって活用される熱が、それに充填する間、逆プロセスによって生成される必要がなかったということである。
【００８２】
熱の適切な安価な供給源を前提として、蓄積または排出期間中に吸着剤冷凍システムを再生させるのにそれを用いることもまた可能であろうし、それが充填期間中に空気を吸着する間、それがＮａＸベッドを冷却するために一実施態様の蒸気−圧縮冷凍システムの代わりに活用されることができる。この種の環境加熱源が、それらが必要な時に常に利用できない場合には、熱は装置を充填する間、生成される熱とともに、顕在的なまたは潜在的な形態で利用できるときに蓄積されることができ、および不完全な熱伝導によるエネルギー損失を埋め合わせるのに用いられることができる。高負荷サイクルに必要とされる温度振幅のサイズ、およびしたがって、空気用の吸着剤から取り出され、およびそれに戻されなければならない熱量、を減少させることもまた、上記のＡＥ−ＣＡＥＳ実施態様に記載の純粋な温度振幅の代わりに温度および圧力振幅のいくつかの組合せを用いて、可能なはずである。本発明者は、これらの変形例の全てがその多様な可能な用途の多くにおいてＡＥ−ＣＡＥＳ装置を構築しておよび／または動作させる経済的な側面を有意に改善することができることを十分に理解している。
【符号の説明】
【００８３】
１  加圧されたＮａＸベッド  ゼオライトペレット
２  シリンダ
４  凝縮／蒸発チャンバ  壁
５  チューブ
６  ドレイン
７  保持タンク
９、１４  通気孔
１０、１１  制御バルブ
１２  容積型ポンプ
１３、１８、３３、３５、４５、５１、５６  バルブ
１５  蓄積タンク
１６、２１、３６、４７  熱交換器
１７、３０、３２、３４、５０  開放バルブ
１９、３１  圧縮機
２０  タンク
２２  ノズル
２４  減圧バルブ
２５  エアーフィルタおよびデシケータ
２６、２８  遠心圧縮機
２７、２９  向流熱交換器
３７  ファン
３８  減圧バルブ
３９、４４  ポンプ
４０  吸着ヒートポンプ  タンク  コンテナ
４１  加圧されないＮａＸペレットベッド  ゼオライトペレット
４２  バッフル
４３  リザーバ
４６  ベーパライザ
４７  コンデンサ  熱交換器
４８  出口チャンバ
４９  鉢
５２  ダクト
５３、５４  ブレード
５５  タービンロータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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