УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR ENERGY STORAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе для хранения энергии, в которых энергия хранится путем сжатия криогенного метастабильного вырожденного электронного ферми-газа, содержащегося в сжатом металлическом базовом материале, таком как литий, в сосуде или ячейке под давлением, который подвержен воздействию магнитного поля для дополнительного сжатия метастабильного вырожденного электронного ферми-газа.
Более конкретно, во время работы настоящего изобретения, тепловая энергия в форме фононов используется для увеличения энергии сжатия метастабильного вырожденного электронного ферми-газа в сжатом металлическом базовом материале, таком как литий. Это увеличение энергии заставляет метастабильный вырожденный электронный ферми-газ увеличивать свое магнитное поле, что способствует увеличению общего магнитного поля. Увеличенное магнитное поле далее сжимает метастабильный вырожденный электронный ферми-газ, что вызывает поглощение теплоты и падение температуры метастабильного вырожденного электронного ферми-газа. Энергию можно извлекать из системы, обеспечив возможность метастабильному вырожденному электронному ферми-газу расширяться, противодействуя силе магнитного поля.
Раскрытие изобретения
Соответственно, основной целью настоящего изобретения является создания системы и способа для хранения энергии, в которых энергия хранится путем сжатия криогенного метастабильного вырожденного электронного ферми-газа в металлическом базовом материале в присутствии магнитного поля.
Согласно изложенным ниже принципам, в соответствии с настоящим изобретением предлагаются описанные ниже система и способ для хранения энергии, в которых создающий давление сосуд или ячейка содержит сжатый и криогенный металлический базовый материал, содержащий метастабильный вырожденный электронный ферми-газ. К вырожденному электронному ферми-газу в создающей давление ячейке прилагают магнитное поле для дополнительного сжатия в ней метастабильного вырожденного электронного ферми-газа путем магнитострикции. Магнитное поле, возможно совместно с входящим лазерным лучом, заставляет вырожденный электронный ферми-газ перейти в метастабильное состояние, что необходимо для работы настоящего изобретения. Фононы или тепловые волны, введенные в этот метастабильный вырожденный электронный ферми-газ, приводят к увеличению магнитного поля, связанного с метастабильным вырожденным электронным ферми-газом, что способствует увеличению общего магнитного поля, которое дополнительно сжимает метастабильный вырожденный электронный ферми-газ. Приложенное магнитное поле может генерироваться сверхпроводящими магнитными катушками и/или стандартными магнитными катушками, соединенными в магнитную цепь с поддерживающей давление ячейкой. Фононы или тепловые волны, введенные в метастабильный вырожденный электронный ферми-газ можно преобразовать в магнитную энергию магнитной цепью, путем увеличения тока на катушках магнитной цепи, что можно использовать для подачи электроэнергии на нагрузку, последовательно включенную последовательно или параллельно с ней.
Настоящее изобретение направлено на хранение энергии с использованием метастабильного вырожденного электронного ферми-газа, сформированного в базовом материале, например в литии, имеющем следующие свойства. Базовый материал должен быть металлическим при рабочих давлениях системы. Базовый материал должен быть достаточно сжимаемым так, чтобы в нем мог формироваться регион с меньшей плотностью метастабильности, или пузырь. Базовый материал должен иметь такие характеристики, которые предотвращали или ограничивали/уменьшали бы формирование трещин и/или пластин путем предварительного сжатия, когда базовый материал охлаждается и/или подвергается воздействию магнитного поля. Базовый материал должен соответствовать ферми-статистике при криогенных рабочих температурах системы, при этом ферми-статистика является результатом вырожденного электронного газа.
Предпочтительным базовым материалом является литий. К другим возможным подходящим базовым материалам относятся водород, хотя водород придется сжимать приблизительно в 100 раз сильнее, чем литий, для достижения металлического состояния, и натрий, хотя натрий не столь сжимаем как литий из-за электронных оболочек натрия.
Настоящее изобретение конкретно предусматривает предварительное сжатие базового материала перед его криогенным охлаждением. В случае лития, криогенное охлаждение несжатого лития приводит к тому, что переходит из состояния объемно-центрированной кубической кристаллической структуры (ОЦК) в состояние кристаллической структуры 9R/Hex, одновременно образуя "трещины" из-за различия размеров между этими двумя структурными состояниями. Чтобы предотвратить это, согласно настоящему изобретению осуществляют предварительное сжатие лития, чтобы создать припуск на объем метастабильного пузыря, создаваемого позднее. Литий предварительно сжимают так, что после формирования метастабильного пузыря большая часть лития переходит в структурное состояние 9R/Hex. В структурном состоянии 9R/Hex литий остается очень сжимаемым. Следует отметить, что литий все еще состоит из смеси различных кристаллических состояний. Предварительное сжатие лития по принципам настоящего изобретения по существу предотвращает или ограничивает последующее формирование трещин в литии.
Дополнительно, предварительное сжатие не только препятствует образованию трещин при охлаждении литиевого базового материала, но и предотвращает или возможно ограничивает возникновение эффекта расслоения Кондона/де Хааза - Ван Альпена (Condon/de Haas - Van Alpen plating). В "Статистической физике", 3-е издание, часть 2, Ландау и Лифшица, и в "Курсе теоретической физики" т. 9, Е.М. Лифшица и Л.П. Питаевского, параграф 63, стр. 266, сказано "… образец является плоской пластиной в магнитном поле, перпендикулярном ему, тело разделяется на чередующиеся слои (диамагнитные домены) с разными величинами индукции".
Устройство для хранения энергии по настоящему изобретению также может использоваться для охлаждения, и в этом режиме тепловая энергия поглощается путем дальнейшего сжатия метастабильного вырожденного электронного ферми-газа и/или путем увеличения магнитного поля, сжимающего метастабильный вырожденный электронный ферми-газ.
В одном варианте настоящего изобретения применяется множество метастабильных секций в многосекционной системе для увеличения объединенного периода полураспада множества секций в системе. Когда такой вариант многосекционной системы используется в режиме охлаждения, одна секция хранения энергии может использоваться для охлаждения или повторного охлаждения других секций хранения энергии для их криогенных рабочих температур.
В одном предпочтительном варианте лазер используется для посылки лазерного луча через ячейку, поддерживающую высокое давление для испарения в ней части металлического базового материала для формирования метастабильного вырожденного электронного ферми-газа из вырожденного электронного ферми-газа.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные цели и преимущества настоящего изобретения, относящегося к конструкции для хранения энергии, будут более понятны специалистам из нижеследующего подробного описания нескольких предпочтительных вариантов со ссылками на приложенные чертежи, где
фиг.1 - сечение одного варианта устройства для хранения энергии по настоящему изобретению, содержащего ячейку высокого давления с магнитной цепью и лазером для инициации метастабильного состояния вырожденного электронного ферми-газа в литии в ячейке высокого давления.
фиг.2 - вариант настоящего изобретения, содержащего группу из множества устройств для хранения энергии, показанных на фиг.1, в многосекционной системе, имеющей общую криогенную систему охлаждения, для увеличения объединенного периода полураспада множества устройств системы.
фиг.3 - схематическое представление системы управления для устройства для хранения энергии по настоящему изобретению, в которой центральный процессор модуля управления управляет работой нескольких компонентов устройства для хранения энергии.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено сечение одного варианта устройства или системы для хранения энергии по настоящему изобретению. Устройство 10 для хранения энергии содержит ячейку 12 высокого давления, соединенную в магнитную цепь с магнитными катушками 14, и имеет лазер 16 для создания луча для инициации метастабильного состояния вырожденного электронного ферми-газа в образце базового материала, такого как литий, установленного в ячейке 12 высокого давления, и все эти компоненты расположены внутри внешнего изолированного криостатического сосуда 18. Нижеследующее подробное описание относится к предпочтительному базовому материалу литию, хотя следует понимать, что настоящее изобретение применимо и к другим базовым материалам.
Ячейки высокого давления по существу известны и используются в исследовании высоких давлений и при высоких, и при низких температурах для изучения физики высоких давлений, включая переходы металл-полупроводник, электронные переходы, фононы и динамику пространственных решеток при высоких давлениях и фазовые переходы.
В показанном варианте настоящего изобретения камера или ячейка 12 высокого давления содержит верхнее окно 20 из срезанного сапфира или алмаза и факультативно нижнее окно 22 из срезанного сапфира или алмаза с прокладкой 24 из металлического образца, расположенной между ними, которая определяет в ней цилиндрическую пробную камеру 26 для удержания литиевого образца 28. Высокое давление в камере 12 создается поршнем-наковальней 30 из закаленной стали, расположенной внутри цилиндрического тела 32 из закаленной стали камеры 12 высокого давления и прижимаемой к нему.
Лазер 16 установлен для направления луча сквозь небольшое, специально предназначенное для прохождения лазерного луча отверстие 34, которое доходит до верхнего окна 20 цилиндрической камеры 26 для образца лития, чтобы способствовать образованию метастабильного состояния в вырожденном электронном ферми-газе в образце 28 лития. На фиг.1 показан вариант, в котором лазерный луч направляется на образец лития только через одно верхнее окно. В альтернативных вариантах лазерный луч может также направляться на образец лития через нижнее окно.
Отверстие 34 для прохода лазерного луча предпочтительно немного смещено от центра цилиндрического металлического сердечника и/или прокладки 24, удерживающей литий, может иметь выступы в литиевый образец для предотвращения возможного вращения легированного литиевого образца. Следует отметить, что если какой-либо из этих признаков не использовать, легированный литиевый образец между двумя окнами наковальни может вращаться вокруг своей цилиндрической оси.
В патенте США № 5113661 того же изобретателя раскрывается использование ячейки-наковальни высокого давления, имеющей алмазные окна. Применение сапфира вместо алмаза в окне (окнах) ячейки высокого давления может дать существенную экономию средств.
Магнитная цепь через камеру 12 высокого давления сформирована ферромагнитным контуром, вокруг которого расположены магнитные катушки 14, которые могут быть стандартными катушками или сверхпроводящими катушками. Ферромагнитный контур доходит до верхнего и нижнего концов камеры 12 высокого давления и образует магнитную цепь, проходящую сквозь литиевый образец 28.
В показанном варианте часть цилиндрического стального тела 32 и часть сального поршня-наковальни 30, которые подходят к литиевому образцу 28, имеют форму усеченного конуса для направления и концентрации магнитных линий магнитного потока на литиевом образце. В альтернативных вариантах этот эффект может усиливаться еще больше путем создания цилиндрического тела 32 и поршня-наковальни 30 одновременно из ферромагнитной стали и не ферромагнитного материала, такого как латунь. Например, внутренняя часть цилиндрического стального тела 32, имеющая форму усеченного конуса, в пределах, показанных штриховыми линиями 33, может быть сформирована из ферромагнитной стали, а внешняя часть, снаружи от штриховых линий 33, может быть выполнена из немагнитного материала, такого как латунь, при этом внутренняя часть поршня-наковальни 30, в пределах штриховых линий 31, может быть выполнена из ферромагнитной стали, а внешняя часть, снаружи от штриховых линий 31, может быть выполнена из немагнитного материала, такого как латунь.
Металлический литий является немагнитным материалом и, поэтому, может быть желательным легировать литий железом или использовать железо-литиевый сплав для увеличения магнитной восприимчивости лития. ["Martensitic Transformation Of Lithium: Magnetic Susceptibility Measurements", D. Gugan, Physical Review B, Volume 56, Number 13.]
Внутри криостатического сосуда 18, который типично имеет вакуумированные или другие изолированные стенки, проходящие от входного отверстия 36 для выходного отверстия 38, сформирована криогенная охлаждающая цепь, по которой вокруг литиевого образца 28, заключенного в камере 26, циркулирует криогенная охлаждающая среда, такая как жидкий азот, для создания криогенного охлаждения образца. Криостатическая охлаждающая цепь включает низкотемпературное впускное отверстие для криостатической среды (например, жидкого азота), поступающей от теплопоглотителя или радиатора, и высокотемпературного выходного отверстия 38 для возврата криостатической среды в теплопоглотитель/радиатор. Криостатическая охлаждающая цепь содержит криостатический сосуд 18 для размещения и изоляции криогенно охлаждаемых компонентов, а лазер 16 может размещаться вне или внутри криостатического сосуда 18. Следует понимать, что криогенная охлаждающая цепь может использоваться для отвода теплоты от литиевого образца, или для подвода к нему теплоты, в зависимости от конкретных требований процесса, и термин теплота является относительным термином, который не обязательно подразумевает повышенные температуры.
Стальное цилиндрическое тело 32 имеет множество сформированных в нем охлаждающих отверстий 40, расположенных по окружности вокруг камеры 26, которые позволяют криогенной среде протекать через стальное цилиндрическое тело 32 в непосредственной близости от камеры 26 и литиевого образца 28. Криогенная охлаждающая цепь предпочтительно содержит каналы (не показаны), проходящие от впускного отверстия 36 к расположенным по окружности охлаждающим отверстиям 40 стального цилиндрического тела 32, а затем от расположенных по окружности охлаждающих отверстий 40 стального цилиндрического тела 32 к выпускному отверстию. 38. Криогенная охлаждающая цепь предпочтительно охлаждает литиевый образец 28 в камере 32 перед тем, как охладить другие компоненты, такие как магнитные катушки 14.
На фиг.1 также показан альтернативный вариант, имеющий второй внешний криостатический сосуд 19, который может быть желателен в некоторых вариантах. Охлаждающая цепь для второго внешнего криостатического охлаждающего сосуда может работать с криогенной охлаждающей средой, такой как жидкий азот или жидкий гелий.
В устройстве для хранения энергии по настоящему изобретению предпочтительно используется любой изотоп лития. В камеру 26 ячейки 12 высокого давления сначала помещают легированный и/или сплавной литиевый образец 28.
В настоящем изобретении особо предусмотрено предварительное сжатие литиевого образца 28 перед его криогенным охлаждением. В литературе ["Structural Phase Stability And Electron-Phonon Coupling In Lithium", Amy Y. Liu et al., Physical Review B, Volume 59, Number 6, Page 4028] описаны различные изменения мартенситной фазы в литии. Охлаждение несжатого лития приводит к его переходу от ОЦК (объемно-центрированной) кристаллической структуры к кристаллической структуре 9R/Hex, что приводит к образованию "трещин" из-за разницы в размерах между этими двумя кристаллическими структурами.
Настоящее изобретение предотвращает образование таких трещин путем предварительного сжатия литиевого образца 28 для создания припуска на объем метастабильного пузыря, который будет создан позже. Литий предварительно сжат так, что после формирования метастабильного пузыря большая часть лития будет иметь кристаллическую структуру 9R/Hex. При кристаллической структуре 9R/Hex литий остается весьма сжимаемым. Следует отметить, что литий все еще состоит из смеси разных состояний кристаллических структур. Предварительное сжатие лития согласно принципам настоящего изобретения по существу предотвращает или ограничивает растрескивание и/или расслоение лития. Следует отметить, что такие трещины воспрепятствовали бы быстрой транспортировке теплоты (фононов) в литии. Скорость фонона в кристаллической структуре ОЦК больше, чем в структуре R9/Hex, но эта разница пренебрежимо мала по сравнению с потерями при транспортировке фононов от трещин.
Предварительное сжатие лития согласно принципам настоящего изобретения можно осуществлять различными способами, и известно много разных типов ячеек высокого давления, которые применяются в этой области и могут осуществлять предварительное сжатие лития.
Согласно варианту, показанному на фиг.1, литиевый образец 28 предварительно сжат в камере 26, сформированной в металлической прокладке 24 между верхним и нижним окнами 20, 22 между плоской гранью, сформированной на внутреннем конце части внешнего цилиндрического тела 32, проходящего до верхнего окна 20, и плоской гранью, сформированной на внутреннем конце поршня-наковальни 30, проходящем до нижнего окна 22. Поршень-наковальня 30 и внутренняя цилиндрическая поверхность внешнего цилиндрического тела 32 содержат вертикальную канавку, в которой проходит шпонка 41, предотвращающая любое вращение поршня-наковальни 30 относительно цилиндрического внешнего тела 32, чтобы предотвратить генерирование нежелательных вихревых токов при работе устройства по настоящему изобретению.
Литиевый образец 28 предварительно сжат в камере 26 сжимающим сердечником 42, имеющим внешнюю резьбу, которая находится в резьбовом зацеплении с внутренней резьбой, сформированной на внутренней поверхности нижней части цилиндрического тела 32. На нижней поверхности сжимающего сердечника 42 выполнена прорезь или другое средство для приложения крутящего момента (не показано), благодаря которой сжимающий сердечник можно вращать и за счет резьбы притягивать к нижней поверхности поршня-наковальни 30 для сжатия литиевого образца 28 в камере 26 между плоской поверхностью, сформированной на внутреннем конце внешнего цилиндрического тела 32 и плоской поверхностью, сформированной на внутреннем конце поршня-наковальни 30. Сжимающий сердечник также содержит проходящее по оси центральное отверстие 44, которое может быть раззенковано для размещения резьбового винта/болта 46, который находится в резьбовом зацеплении с проходящим по оси центральным резьбовым отверстием 48 в нижней поверхности поршня-наковальни 30.
Для предварительного сжатия литиевого образца 28, сжимающий сердечник 42 поворачивают и, благодаря резьбе, притягивают к нижнему концу поршня-наковальни 30 при отсутствии резьбового винта/болта 46. Механический или гидравлический пресс, который часто используется вместе с ячейками высокого давления, затем вставляют сквозь проходящее по оси центральное отверстие 44 в сжимающем сердечнике 42 для прижатия поршня-наковальни 30 к внешнему цилиндрическому телу 32 так, что литиевый образец 28 предварительно сжимается между ними. После достижения требуемой степени предварительного сжатия литиевого образца 28 сжимающий сердечник 42 затем притягивают по резьбе к поршню-наковальне для удержания предварительного сжатия, и пресс удаляют из проходящего по оси центрального отверстия 44 в сжимающем сердечнике 42. После этого резьбовой винт/болт 46 ввинчивают в центральное резьбовое отверстие 48 поршня-наковальни 30 и затягивают для соединения этих двух деталей друг с другом. В нижней части сжимающего сердечника 42 можно установить на резьбе одну или более дополнительную запирающую пробку 50, чтобы дополнительно зафиксировать на месте детали, которые прижаты к литиевому образцу 28.
Устройство для хранения энергии затем охлаждают криогенной охлаждающей цепью для криогенной температуры ниже температуры, при которой ферми-статистика вырожденного электронного газа в металлическом литии преобладает перед бозе-статистикой вырожденного электронного ферми-газа.
Криогенные температуры, требуемые для работы настоящего изобретения, зависят от нескольких параметров, включая плотность металлического лития и силу магнитного поля, воздействующего на металлический литий.
Ферми-статистика и бозе-статистика и сходство и различия между ними хорошо известны и всеохватывающее описание распределений Ферми и Бозе, применимых к настоящему изобретению, можно найти в работе "Статистическая физика", 1980, ч. 1, Ландау и Лифшиц, Глава 5, где описаны распределения Ферми и Бозе.
После предварительного сжатия литиевого образца 28 и охлаждения его до нужной криогенной температуры, сквозь одно или оба сапфировых/алмазных окна направляют лазерный луч для создания пузыря в центральном регионе (который может быть смещен) литиевого образца 28, путем испарения лития.
2
Лазер 16 выбирают для создания луча такой частоты/длины волны, которая легко поглощается металлическим литием с кристаллической структурой 9R/Hex, чтобы теплота легко поглощалась металлическим литием с кристаллической структурой 9R/Hex, при этом одним из пригодных лазеров является CO-лазер.
В патенте США № 5113661 того же изобретателя раскрывается использование металлического водорода в качестве базового материала, что требует сжатия базового металлического водорода в алмазной ячейке высокого давления до очень высокого давления, необходимого для получения металлического водорода.
2
В настоящем изобретении, где в качестве базового материала используется металлический литий с кристаллической структурой 9R/Hex, необходимое давление в сосуде/ячейке высокого давления уменьшено приблизительно до 7 ГПа (гигапаскалей), или до приблизительно 10000 фунтов на кв. дюйм (703,0696 кг/см). Это позволяет отказаться от использования алмазной ячейки высокого давления с двумя гранями. В одном варианте настоящего изобретения можно использовать подобный сосуд, поддерживающий небольшое давление и имеющий единственное кристаллическое окно. Однако в этом варианте все равно требуется обеспечить доступ лазерного луча по меньшей мере к одной стороне легированного литиевого образца для создания пузыря отрицательного давления.
Главный принцип работы камеры или ячейки высокого давления относительно прост. Литиевый образец помещают внутри сжимаемой прокладки (магнитной или немагнитной, предпочтительной может быть немагнитная) между плоскими параллельными гранями противолежащих пластин или дисков, по меньшей мере один из которых образует сапфировое или алмазное окно, и подвергают давлению, когда приложенная сила сжимает две противолежащие пластины друг с другом. Различия в конструкциях различных ячеек высокого давления обусловлены разными конструкциями механизмов генерирования силы и механизмов выравнивания пластин.
Метастабильность в вырожденном электронном ферми-газе формируется как менее плотная среда, возможно пузырь, возможно расположенный в центре базового материала, а не как тороидальный пузырь, окружающий базовый материал. В одном варианте пузырь метастабильного вырожденного электронного ферми-газа можно формировать лучом лазера 16, который испаряет базовый материал для формирования пузыря.
Лазерный луч направлен сквозь одно или оба сапфировое/алмазное окно для создания пузыря в центре региона (который может быть смещен) литиевого образца, путем испарения лития. Использование лазера для создания такого пузыря создает несколько эффектов.
Во-первых, он приводит к созданию метастабильности (т.е. пузыря) внутри лития.
Во-вторых, теплота лазерного излучения и испарения приводит к отжигу остающегося лития, уменьшая и, возможно, устраняя любые внутренние напряжения и микроскопические трещины, присутствующие в литии.
В-третьих, поскольку испаренный литий имеет больший объем, оставшийся литий находится под большим давлением, поскольку часть его первоначального объема теперь занята метастабильным пузырем. Это увеличенное давление желательно для предотвращения возникновения микроскопических трещин и термодинамического благоприятствования возникновению других кристаллических состояний, помимо 9R/Hex, когда литий охлаждается и нагревается.
Затем литий вместе с метастабильным пузырем подвергают воздействию удерживающего (сжимающего) магнитного поля, создаваемого магнитными катушками 14. Может оказаться желательным подвергать литий воздействию магнитного поля, когда лазер все еще включен. Удерживающее магнитное поле оказывает увеличенное магнитное давление на неиспарившийся литий, чем неиспарившийся литий оказывает на пузырь. Таким образом, литий теперь подвергается воздействию отрицательного давления относительно магнитного поля. Именно это отрицательное давление и является движителем процесса. Затем лазер выключают.
После этого систему вновь охлаждают до ее нормальной криогенной рабочей температуры.
Метастабильность (т.е. пузырь) в литии поддерживается путем управления двумя противоположными одновременными физическими силами (процессами), магнитострикцией легированного лития, создающей отрицательное давление, и стремлением сжатого лития в кристаллическом состоянии 9R/Hex к расширению.
Магнитострикция магнитного поля прилагает большее давление к литию, чем литий прилагает к магнитному полю, и поэтому литий подвергается воздействию отрицательного давления. Результатом является:
0
δs/δV <
для лития, где S - энтропия, а V - объем [Статистическая физика" 3-е издание. Часть 1, Ландау и Лифшиц. "Курс теоретической физики". Том V. Е.М.Лифшиц и Л.П.Питаевский, параграф 12, "Давление", стр. 44]. Следовательно, метастабильный литий с кристаллической структурой 9R/Hex должен спонтанно сжиматься для увеличения его энтропии.
Фононы в литии приводят к увеличению его объема, но поскольку литий находится под отрицательным давлением, любое увеличение объема привело бы к уменьшению энтропии. Поэтому фононы, присутствующие в сжимающемся литии, повышают вырождение электронного газа в метастабильном литии, но не повышают температуру легированного/сплавного лития. При повышении вырождения метастабильного электронного газа в литии магнитное поле также увеличивается. Это увеличение магнитного поля приводит к увеличению тока в магнитных катушках.
Фононы в литии с кристаллической структурой 9R/Hex приводят к сжатию лития с кристаллической структурой 9R/Hex. Сжатый литий с кристаллической структурой 9R/Hex, расширяясь, преодолевая силу магнитного поля, не нагревается, поскольку энергия отводится через магнитное поле. Магнитное поле ослабляется, вытягивая ток (энергию) из сверхпроводящих катушек и, поэтому, литий находится в состоянии
0
δs/δV <
Следует отметить, что метастабильность является состоянием частичного равновесия, поскольку оба эти процесса происходят одновременно.
0
В этом описании еще не рассматривалась энергия нулевой точки. "Учитывая, что Li является таким легким атомом, эффекты конечной температуры, возникающие из вибрационных степеней свободы, вероятно, играют роль в структурной энергии этой системы" [Structural Phase Stability And Electron-Phonon Coupling In Lithium", Amy Y. Liu et al., Physical Review D, Volume 59, Number 6, Page 4028]. Таким образом, все вибрационные эффекты энергии нулевой точки непосредственно связаны с волюметрическим эффектом или эффектом вырождения и, как показано выше, для δЅ/δV < повышения температуры не происходит.
Затем система по существу самостоятельно поддерживается при криогенной температуре, поскольку окружающая теплота, поглощенная системой, проявляет себя как дополнительные фононы в метастабильном вырожденном электронном ферми-газе. Дополнительные фононы, введенные в метастабильный вырожденный электронный ферми-газ приводят к увеличению магнитного поля, связанного с этим метастабильным вырожденным электронным ферми-газом, что способствует увеличению общего магнитного поля, которой дополнительно сжимает путем магнитострикции метастабильный вырожденный электронный ферми-газ. Это увеличенное магнитное поле сжимает метастабильный вырожденный электронный ферми-газ, который не нагревается при таком сжатии, а его вырожденность увеличивается. Метастабильное состояние системы является метастабильным в конкретных пределах.
Для такой системы существует и минимальное, и максимальное сжатие метастабильного вырожденного электронного ферми-газа. Минимальное магнитное сжатия это такое сжатие, которое должно создаваться магнитным полем для поддержания метастабильного пузыря. Максимальное магнитное сжатие это магнитострикционное сжатие, создаваемое магнитным полем, так, что любое более сильное магнитное поле было бы выше критического поля (т.е. критического тока) сверхпроводящих магнитных катушек. В вариантах с не сверхпроводящими катушками, максимальным магнитным полем будет состояние, когда сопротивление катушек создает больше теплоты, чем может быть поглощено метастабильным литием.
Далее, у метастабильной системы имеется период полураспада, и в разных вариантах этот период полураспада можно удлинить, легируя литий ферромагнитными (или другими) присадками для увеличения магнитной восприимчивости лития ["Martensitic Transformation Of Lithium: Magnetic Susceptibility Measurements", D.Gugan, Physical Review D, Volume 56, Number 13].
При поглощении фононов температура метастабильного вырожденного электронного ферми-газа падает и, предпочтительно [этот эффект], используется как теплоотвод для сверхпроводящих и/или стандартных катушек 14, а также для любых компонентов системы, подверженных резистивному (импедансному) нагреву. Криогенная среда в охлаждающей цепи предпочтительно используется для охлаждения и для подвода теплоты в систему и отвода теплоты из системы. Кроме того, одна оперативная система хранения энергии может использоваться как теплоотвод для охлаждения другой системы хранения энергии до ее криогенной рабочей температуры. В этом качестве система хранения и регенерации энергии по настоящему изобретению может использоваться как холодильная система.
Энергию можно извлекать из системы, позволяя току в сверхпроводящих и/или стандартных катушках 14 проходить через внешний импеданс. Внешний импеданс может быть включен последовательно и/или параллельно со сверхпроводящими и/или стандартными катушками. Внешнее сопротивление, подключенное к катушкам, управляет расширением или сжатием метастабильного вырожденного электронного ферми-газа. Одним преимуществом параллельного внешнего сопротивления является то, что его можно использовать для управления током и/или напряжением на катушках.
Ток, создаваемый таким вариантом, является постоянным током. Следовательно, может возникнуть необходимость преобразовать постоянный ток в переменный или изменить напряжение или силу тока перед тем, как подавать его в энергетическую распределяющую сеть.
На фиг.1 также показано, что метастабильная система хранения энергии имеет цепь 52 постоянного тока, предназначенную для обеспечения того, чтобы ток на сверхпроводящих или стандартных катушках 14 находился в пределах, необходимых для поддержания метастабильного пузыря в литии, но не выше, чем критический ток сверхпроводящей или стандартной катушки 14. Если на выводе 54 постоянного тока отсутствует резистивная нагрузка, тогда ток перегрузки направляется на резистивный теплоотвод/радиатор 56, предназначенный для рассеяния избыточной энергии (т.е. тока перегрузки) от сверхпроводящих или стандартных катушек 14.
В некоторых вариантах количество энергии, которое способна хранить такая система, вероятно, можно увеличить путем легирования или сплава базового литиевого материала с дополнительными элементами, которые добавляют электроны в метастабильный вырожденный электронный ферми-газ, чтобы сделать его более несжимаемым.
Метастабильность лития поддерживается путем управления двумя противоположными одновременными физическими силами (процессами), магнитострикцией легированного лития, создающей отрицательное давление, и тенденцией сжатого лития с кристаллической структурой 9R/Hex к расширению.
На фиг.2 показан вариант настоящего изобретения, который содержит группу из множества метастабильных секций 10, обозначенных позициями U1, U2, … Un, в многосекционной системе 60, имеющей общую систему криогенного охлаждения и позволяющей увеличить соединенные периоды полураспада множества секций системы. Устройства для хранения энергии являются метастабильными и, поэтому, имеют период полураспада. Поэтому, когда любое данное устройство группы в системе распадается, другие устройства в системе охлаждают распадающееся устройство и могут восстановить распадающееся устройство, подавая электроэнергию для работы распадающегося устройства, включая его лазер(лазеры) и магнитное поле. В этом варианте истинная вероятность отказа группы из множества устройств в одной системе равна вероятности того, что все устройства откажут в один и тот же момент, а такая вероятность минимальна.
Многосекционная система 60 содержит общую криогенную систему охлаждения, которая содержит внутренний резервуар 62 для криогенной среды, главный впускной клапан 64, и главный выпускной клапан 66, соединенный с внешним теплоотводом/радиатором (не показан). Впускная линия 68 криогенной среды ведет от впускного клапана 64 к множеству индивидуальных впускных клапанов vi для множества метастабильных устройств U1, U2, … Un, каждый из которых имеет индивидуальный выпускной клапан в выпускную линию 70 для криогенной среды, ведущую к главному выпускному клапану 66.
На фиг.3 схематически показана система управления для системы хранения энергии по настоящему изобретению, в которой центральный процессор 80 управляющего модуля управляет работой нескольких компонентов системы 10 хранения энергии, включая лазер 16 и цепь 52 постоянного тока, как описано выше. Система для хранения энергии по настоящему изобретению является мета стабильной, и в конце концов распадается и, желательно, должна иметь механизм для определения, когда метастабильный пузырь не присутствует и, следовательно, должен быть создан (т.е. система должна быть восстановлена). Эту функцию выполняет устройство 82 обнаружения распада, которое содержит ЖИГ или ИАГ лазер 84, который с регулярными интервалами направляет лазерный луч очень малой интенсивности в объем метастабильного пузыря через полупрозрачное зеркало и/или призму 86. Интенсивность и частота этого лазера очень малой интенсивности для обнаружения распада таковы, что луч лазера 84 отражается к детектору 82 и не нагревает измеримо или существенно литий, когда он направлен в пузырь. Если метастабильный пузырь отсутствует, то лазерный луч отражается от лития назад. Однако если пузырь существует, то этот мета лазерный луч отражается частью метастабильным пузырем, а частью ферромагнитным поршнем-наковальней 30. Разница в отраженном свете, когда метастабильный пузырь имеется, и когда метастабильный пузырь отсутствует и должен быть создан (т.е. система должна быть восстановлена), обнаруживается детектором 82 распада, который обнаруживает отраженный лазерный луч, и эта информация направляется на центральный процессор 80 управляющего модуля.
В промежутках между этими лазерными импульсами малой интенсивности, когда метастабильный пузырь не освещен, или вместо них, детектор 82 распада или отдельный детектор также может осуществлять мониторинг температуры литиевого базового материала и/или метастабильного пузыря через излучаемое излучение абсолютно черного тела. Альтернативно или дополнительно, для отслеживания температуры лития в камере для образца камеры 12 высокого давления можно установить отдельный температурный датчик 88. Детектор 82 распада и отдельный температурный датчик 88 подают сигналы на вход центрального процессора управляющего модуля, который управляет процессом восстановления (охлаждение, создание метастабильного пузыря, приложение магнитного опля и повторное охлаждение для рабочей температуры устройств).
Кроме того, управляющий модуль 80 одного устройства 10 для хранения энергии может быть соединен с управляющим модулем 80 другого устройства 10 для хранения энергии через интерфейсный модуль 90 управляющих устройств. Управляющий модуль 80 одного оперативного устройство 10 также может действовать как главный управляющий модуль, управляя восстановлением другого устройства 10 для хранения энергии. Управляющий модуль 80 восстанавливаемого устройства (устройств) работает в подчиненном режиме и управляется и направляется главным управляющим модулем. При переходе в рабочее состояние управляющий модуль выходит из подчиненного режима работы и работает в нормальном управляющем режиме, и сам может стать главным управляющим модулем для управления восстановлением другого устройства 10 для хранения энергии.
Настоящее изобретение направлено на устройство для хранения энергии с использованием лития. Однако подходящий метастабильный вырожденный электронный ферми-газ может быть сформирован в базовых материалах, не являющихся литием, таких как водород и натрий, имеющих следующие свойства:
(а) базовый материал должен быть металлическим при рабочих давлениях системы;
(b) базовый материал должен быть достаточно сжимаемым, так, чтобы можно было сформировать менее плотный метастабильный регион или пузырь;
(с) образование трещин и/или слоев, которое может возникнуть при охлаждении и/или воздействии магнитного поля, можно предотвратить предварительным сжатием;
(d) базовый материал должен подчиняться ферми-статистике при криогенных рабочих температурах системы, при этом такая статистика является результатом вырожденного электронного ферми-газа;
(е) базовый материал должен быть восприимчив к магнитному полю так, чтобы пузырь можно было поддерживать в течение некоторого периода времени (период полураспада).
Хотя выше были подробно описаны некоторые варианты устройства для хранения энергии по настоящему изобретению, специалистами понятно, что описание и принципы настоящего изобретения распространяются на множество альтернативных конструкций.