专利名称：实用规模的渗透电网存储的制作方法
技术领域：
本发明的一个或多个方面总体上涉及渗透分离。更具体而言，本发明的一个或多个方面涉及经由诸如正渗透等经设计的渗透过程所产生的水力发电用于实用规模 (utility scale)电网存储的用途。
背景技术：
现有的电网存储选择，如液流电池、锂离子电池、储能轮、压缩空气、电容、储氢和水力蓄能均具有显著缺点，妨碍它们成为解决电网存储难题的可行方案。此外，绝大多数的发电是热性质的，从而使得电力必须立即产生，因为不存在长期存储热量而无损失的有效方式。电网存储是解决电力电网的固有低效率并将来自化石资源消耗的输出最大化的关键。迄今为止，能源工业中没有经济的大规模电力存储选择。需要更好和更有效地使用通过提供缓冲生产和需求之间差异的存储设施而产生的电能。
发明内容
根据一个或多个实施例，本文公开了一种实用规模电网存储的解决方案，其为在自然界固有地不可靠的可再生能源(如太阳、热、光伏(PV)、风、水力、生物质和潮汐)提供了电力可靠性。公开了一种可存储大量低成本电力并按需以高速率放电的大规模渗透电池。以此方式，可为可再生设施经营者提供电网存储解决方案，该解决方案允许每天M小时连续发电而无中断。此外，所公开的实用规模电网存储解决方案可与任何类型的热力发电法(煤炭、核能、天然气、石油)结合使用以提供存储组件，从而可存储一部分能量，并按需在任何时间传输该部分能量。在一些方面，可将不能有效存储的热能转化为化学势(渗透压)形式的“存储水力”能形式，其可得以无限期地存储而无任何能量渗漏或损失。或者， 电能也可作为化学势(渗透压)形式的“水力”能而得以存储。根据一个或多个实施例，公开了一种操作渗透电池的方法。所述方法可包括提供稀释盐溶液的源，分离所述稀释盐溶液以形成浓缩溶液和基本上去离子的溶液，以及将能量存储为所述浓缩溶液和所述基本上去离子的溶液之间的化学势差。在至少一个实施例中，所述浓缩溶液可包括氨-二氧化碳溶液。在一些实施例中，分离所述稀释盐溶液可包括将所述稀释盐溶液引入热汽提法。在至少一个其他实施例中，所述浓缩溶液可包括无机盐溶液。在另一实施例中，所述浓缩溶液可包括有机溶质溶液或者有机和无机溶质的混合物。在一些实施例中，将能量存储为化学势能差可包括基于盐度差存储能量。所述方法还可包括将化学势能差转化为电力。在一些实施例中，将化学势能差转化为电力可使用反电渗析法进行。在其他实施例中，将化学势能差转化为电力可使用压力延缓渗透过程进行。在数个实施例中，将化学势能差转化为电力可使用水电涡轮机和发电机进行。所述压力延缓渗透过程可包括加压至少一部分所述浓缩溶液。所述压力延缓渗透过程还可包括增加至少一部分经加压的浓缩溶液的体积。增加体积可包括利用膜通量将至少一部分稀释溶液引入经加压的浓缩溶液。增加体积也可包括基于浓缩溶液和稀释溶液之间的渗透压差使用半透膜产生液压。所述压力延缓渗透过程还可包括减小至少一部分加压溶液体积的压力以产生电力。减小压力可包括使加压溶液流过涡轮机。所述方法还可包括将减压溶液引入分离单元。所述方法还可包括与发电机结合使用涡轮机以产生电力。所述分离单元可产生稀释和再浓缩的流以在方法中再使用。在另外的实施例中，可使用与压力交换器结合的单独工作流体以从稀释的加压汲取溶液传递压力，从而产生与涡轮机接触的单独加压流体。以此方式，可选择加压工作流体的组成以与所需的涡轮机材料相容，例如， 使得涡轮机不暴露于高盐度。因此，可独立于浓缩汲取溶液和基本上稀释的工作溶液的组成来选择涡轮机流体流。在一些实施例中，所述分离单元可包括蒸馏柱、渗透蒸发单元或膜分离单元。所述方法可包括给所述分离单元供给电力。在其他实施例中，可给所述分离单元供给由上游单元操作产生的低级或低品位热量。在其他实施例中，可直接给所述分离单元供给通过燃烧化石燃料(如煤炭、天然气或石油)产生的热量。在其他实施例中，可直接给所述分离单元供给从核能或核反应产生的热量。在其他实施例中，可给所述分离单元供给从地热或太阳能热源产生的热量。在其他实施例中，可直接给所述分离单元供给从制得的流体(如在石油和天然气提取、煤层甲烷生产、含汽油页岩的断层中的那些)和地热源以及从提高的石油回收的二氧化碳产生的热量。在其他实施例中，可直接给所述分离单元供给从加热和冷却水(如用于区域冷却系统以及联产过程(其中排出热用于市政供热)中的那些)产生的热量。所述方法还可包括将由所述分离单元产生的水提供至工业、灌溉或饮用使用地点。所述方法还可包括将电力传输至使用地点。所述方法还可包括长时间存储稀释和浓缩溶液形式的能量，然后当需要时传输电力。在一些实施例中，使用电能分离稀释盐溶液的步骤包括将所述稀释盐溶液引入纳滤、反渗透或电去离子(EDI)过程。在至少一些实施例中，从势能产生电力的过程包括压力延缓渗透过程。在其他实施例中，从势能产生电力的过程包括反电渗析(RED)过程。根据一个或多个实施例，公开了一种渗透能量存储系统。所述渗透存储系统可包括具有半透膜的压力延缓渗透单元、流体连接至所述压力延缓渗透单元的第一入口的浓缩溶液的源、流体连接至所述压力延缓渗透单元的第二入口的稀释溶液的源和流体连接所述压力延缓渗透单元下游的涡轮机。在一些实施例中，所述系统还可包括流体连接涡轮机下游的蒸馏柱。所述蒸馏柱可流体连接至所述浓缩溶液的源和所述稀释溶液的源。所述系统还可包括热连接至所述蒸馏柱的热能源。在另一个实施例中，电能源可连接至RO系统以将稀释的汲取溶液分离为低溶质水和再浓缩的汲取溶液。在一些实施例中，所述热能源可包括可再生能源。在至少一个实施例中，所述可再生能源可包括太阳能、潮汐能、生物质能、水力能或风能系统。在其他实施例中，所述系统还可包括连接至所述蒸馏柱的电源。在其他实施例中，所述系统还可包括流体连接涡轮机下游的渗透蒸发单元或膜分离单元。在至少一个实施例中，反渗透单元可流体连接涡轮机下游。所述系统还可包括被配置成用于检测来自电网能量分配系统的能量需求的控制器。在一些实施例中，所述系统还可包括流体连接至所述蒸馏柱出口的工业用水、灌溉用水或饮用水使用地点。所述系统还可包括电连接涡轮机下游的电网能量分配系统。基本负荷发电厂可连接至所述电网能量分配系统。在至少一个实施例中，所述基本负荷发电厂可基于煤炭或天然气或核能。根据一个或多个实施例，一种操作渗透电池的方法可包括提供稀释盐溶液的源； 分离所述稀释盐溶液以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液；将所述浓缩溶液以与所述基本上稀释的工作溶液流体分离的方式存储；以及保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以将能量存储为所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的化学势能差。根据一个或多个实施例，一种渗透能量系统可包括具有半透膜的压力延缓渗透单元；势能存储单元，它包括流体连接至所述压力延缓渗透单元的第一入口的浓缩溶液的源和流体连接至所述压力延缓渗透单元的第二入口的稀释的工作溶液的源；流体连接压力延缓渗透膜单元下游的涡轮机；以及连接至涡轮机单元的发电机。根据一个或多个实施例，一种操作渗透电池的方法可包括提供稀释盐溶液的源； 使用电能分离所述稀释盐溶液以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液；存储所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液；保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以利用势能；以及响应于电力需求将所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液弓I入从势能产生电力的过程。在一些实施例中，使用电能分离所述稀释盐溶液的步骤包括将所述稀释盐溶液引入纳滤、反渗透或电去离子(EDI)过程。在至少一个实施例中，从势能产生电力的过程包括压力延缓渗透过程。在其他实施例中，从势能产生电力的过程包括反电渗析(RED)过程。根据一个或多个实施例，一种操作渗透电池的方法可包括将稀释盐溶液引入热分离过程以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液；存储所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液；保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以利用势能； 以及响应于电力需求将所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液引入压力延缓渗透过程而从势能产生电力。在一些实施例中，所述热分离过程包括蒸馏过程。根据一个或多个实施例，一种渗透能量系统可包括电网能量传输系统；与所述电网能量传输系统电连接的电化学发电机；以及势能存储单元，它包括流体连接至所述电化学发电机的第一入口的浓缩溶液的源和流体连接至所述电化学发电机的第二入口的稀释的工作溶液的源。在一些实施例中，所述电化学发电机包括反电渗析(RED)单元。下面，详细讨论其他方面、实施例以及这些示例性方面和实施例的优点。此外，应了解前述信息和以下详细描述仅为各个方面和实施例的说明性例子，旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特性的概述或框架。本说明书包括的附图用于为各个方面和实施例提供说明和进一步的理解，附图被引入本说明书并构成本说明书的一部分。附图以及说明书的其他部分用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。
至少一个实施例的各个方面在附图中表示。附图为了说明和解释的目的而提供， 不旨在作为本发明范围的限定。在附图中图1表示根据一个或多个方面的渗透电池的第一实施例；图2表示根据一个或多个方面的渗透电池的第二实施例；图3表示根据一个或多个方面的渗透电池的第三实施例；
图4表示正渗透系统的示意图，说明根据如随后的实施例5所讨论的一个或多个方面的与燃气轮机联合循环组合的渗透电网存储系统和方法的使用；图5A和图5B表示正渗透系统的示意图，说明根据如随后的实施例6所讨论的一个或多个方面的与柴油发动机组合的渗透电网存储系统和方法的使用；以及图6A和图6B表示正渗透系统的示意图，说明根据如随后的实施例7所讨论的一个或多个方面的与电厂冷却过程组合的渗透电网存储系统和方法的使用。
具体实施例方式根据一个或多个实施例，公开了可用于发电以及电力存储的系统和方法。更具体地，公开了用于渗透存储以及渗透发电的系统和方法。本文所述的一个或多个实施例涉及使能量的存储与电力的产生相分离的水力发电。所公开的抽水水力发电系统和方法使用渗透势以产生液压。由于所述系统和方法主要是非热性质的，因而储能的产生可以与电力的产生分离。某些方面允许从热源和电源存储能量。根据一个或多个实施例，所公开的渗透电网存储系统和方法在电网调平(leveling)和管理电网需求响应方面是有效的。根据一个或多个实施例，渗透电池或渗透存储装置可将电网的势能存储在有需要的适当位置，从而无需被传输长距离而导致电力损失。这样的实施例也用作使较不可靠的能源(如可再生能源)与基本负荷源(如煤炭、核能和天然气)一样持续的机制。根据一个或多个实施例，盐度差为存储能量的机制。可通过从高度浓缩的盐溶液或盐水分离淡水而存储能量。存储的淡水量可以代表按需可得的能量的量。当需要电力时， 淡水和盐水之间的渗透压可产生使水自发流过膜的高渗透压。随后可将水的流动引导通过涡轮机以产生电力。根据一个或多个实施例，所公开的渗透电池可将能量存储为与第一和第二溶液之间的盐度差相关的化学势。通过基于盐度差的被称为压力延缓渗透(PRO)的方法，能量可得以大量存储并快速释放。压力延缓渗透通常涉及从两种溶液(如浓缩的汲取溶液和稀释的工作流体)之间的盐浓度差获得渗透能或盐度梯度能。在一些实例中，汲取溶液可为第一溶液，淡水或接近去离子水可为第二溶液。在一些实施例中，可将一个或多个膜组件装入压力容器中以促进压力延缓渗透。在压力延缓渗透中，可将汲取溶液引入膜的第一侧的压力室中。在一些实施例中，可基于汲取溶液和稀释的工作流体之间的渗透压差对至少一部分汲取溶液进行加压。可将稀释的工作流体引入膜的第二侧。稀释的工作流体可通常经由渗透而穿过膜移动，由此增加膜的加压的汲取溶液侧的容积。当压力得以补偿时，涡轮机可旋转产生电力。在一些实施例中，压力延缓渗透组件可在约0至2000psi之间的压力下操作。一些非限制性的压力延缓渗透实施例可涉及1000-2000psi的压力。然后可对所得的稀释的汲取溶液进行处理，如分离，从而再利用。在一些实施例中，低温热源(如工业废热) 可用于压力延缓渗透系统或方法中或可促进压力延缓渗透系统或方法。所公开的渗透电池的一个非限制性实施例在图1中示意表示。方法的第一步骤类似于例如PCT申请公开No. WO 2008/060435中记载的渗透热机法，为了所有目的将该申请以全文引用方式并入本文。渗透热机可使用将渗透压转化为电力的半透膜将势能转化为机械功。在一些实施例中，浓缩的汲取溶液，如氨-二氧化碳汲取溶液，可产生高渗透压，从而在液压梯度作用下产生穿过半透膜的水通量。将涡轮机中增加的汲取溶液体积减压可产生
8电力。通过将稀释的汲取溶液分离为再浓缩的汲取溶液和去离子水工作流体(两者均在渗透热机中再利用)中可使该过程保持在稳定态操作。根据一个或多个实施例，随后可将盐的稀释的汲取溶液分离为浓缩的汲取溶液和接近去离子的工作溶液。在一些实施例中，包括从发电过程或工业过程排出的任何形式的热量的废热可用于驱动分离操作。在至少一个非限制性实施例中，废热可为低级热量，例如，在低于约200°C下的热量。在其他实施例中， 电能可驱动分离过程。所得溶液为固有地稳定和安全的。这些溶液可将能量存储在化学势能差或盐度差中。根据一个或多个实施例，存储装置的能量容量可直接取决于两种溶液之间的盐度差和所存储的溶液的体积。只要这些溶液分别增加体积，则电力就得以存储。当接受者或电网需要电力时，两种溶液之间的盐度差可通过压力延缓渗透而被转化为电力。在一些实施例中，浓缩的汲取溶液可通过两种溶液之间的渗透压差而得以加压，水从稀释溶液穿过半透膜的流动可增加加压溶液的体积。加压的汲取溶液的增加的体积可通过流过涡轮机而得以减小，这降低了溶液压力，从而产生电力。然后可例如通过引入热量而处理减压的溶液， 从而将其再次分离为用于能量存储、再次用于按需电力传输的浓缩溶液和稀释溶液。该电力可用于弥补与可再生发电相关的停工期。根据一个或多个实施例，渗透系统和方法可用于电网能量存储。电网能量存储通常涉及大规模能量存储，其中在当产生超过消耗时的期间中存储电能以随后在当消耗超过产生之时使用。因此，产生可以维持在相当稳定的水平，而不会响应于瞬时消耗而剧烈地按比例放大或缩小。电网能量存储通常使更容易和更有效的操作和产生成为可能。本文公开的渗透电网存储相比于常规电网存储选择具有许多优点。在至少一些实施例中，不存在燃料成本，因为可使用废热而不是电力，并且不存在电力损失。由于数兆瓦的存储容量，因而系统能够大规模操作。快速放电和高功率输出也是可能的。所公开的存储系统易于许可和设置，无需特定的地形和地质。在一些非限制性实施例中，系统可在 75-80%往返电效率下操作并可涉及低能量操作。系统是低成本的，不具有昂贵组件。也不存在能量渗漏，因为盐度差是永久存储机制。系统也是安全的，不具有危险或有害的材料或组件。此外，大规模渗透存储设计简单，至少一些实施例可以要求最低限度的设备，如存储罐(标准大规模水存储)、分离设备(如常规蒸馏柱、汽提器和吸收器)、水轮机和渗透膜。这样，所公开的渗透电池可以几乎在任何地方建造，并可服务于快速发展的可再生能量工业。此外，由于它们可使用废热而不是电力进行充电，因而现有电厂的效率可得以提高，并且无价值废产物可被转化为有价值的按需峰值功率。存储于所公开的装置中的能量可提供备用电力用于调平能量输出并增加供电过程的可靠性。此外，发电机的碳排放量可得以降低，从而增加总效率，且碳补偿可立即产生。根据一个或多个实施例，低级热量可被转化为盐度不同的存储溶液，使得它们可在任何时候用于通过压力延缓渗透而产生电力。所公开的渗透电池和电网存储系统可分离为分离部分和发电部分，所述分离部分使用热量或电力将稀释的汲取溶液分离为浓缩的汲取溶液和稀释的工作流体，所述发电部分使用两种溶液(浓缩的汲取溶液和稀释的工作流体)产生电力。因此，通过使用这些溶液，可将热量转化为化学势能(以两种溶液之间的渗透压差的形式)。半透膜可用于产生液压，该液压进而在涡轮机中得以降低，从而产生电能。在一些实施例中，通过在热分离过程(如涉及蒸馏柱的热分离过程)中使用热量而产生的势能可以以在罐中累积至任意体积的两种溶液的形式进行存储。例如，通过累积盐水和稀释溶液体积，势能可得以存储。两种溶液的体积越大，它们的盐度差越大，则能量存储越大。以此方式，所公开的系统和方法可不同步地操作用于能量存储。当需要发电时， 可通过半透膜组合两种溶液，从而产生电能。在各参数中，功率输出可与两种溶液之间的渗透压差、汲取溶液上的液压和所用的膜面积相关。将提供能源的盐和水的分离与使用压力延缓渗透的电力产生相分离提供了独特的存储特性和优点。汲取溶液可为水溶液，即，溶剂为水。在其他实施例中，可使用诸如有机溶剂的非水溶液。汲取溶液通常包含一种或多种汲取溶质，如热解盐、单价盐、二价盐、有机溶质及其混合物。汲取溶液可含有相对于第一溶液更高的溶质浓度。汲取溶液通常能够在渗透分离系统中产生渗透压。可使用多种汲取溶液。在一些实施例中，汲取溶液可包含一种或多种可去除溶质。在至少一些实施例中，可使用可热去除(热解)溶质。例如，汲取溶液可包括热解盐溶液。合意的特性可包括产生高渗透势的能力，以及具有可热分解和可热汽提的溶质性质。根据一个或多个实施例，汲取溶液可为氨-二氧化碳溶液。在一些实施例中，氨-二氧化碳汲取溶液能够脱盐以促进本文公开的电网能量存储。汲取溶液在本文中可称为浓缩溶液。在一些非限制性实施例中，汲取溶液可为氨和二氧化碳的浓缩溶液。在至少一个实施例中，所用的汲取溶质可为如上引入的WO 2008/060435中记载的氨-二氧化碳汲取溶液。 也可使用诸如McGinnis的美国专利申请公开No. US 2005/0145568和McGinnis的美国专利No. 6，391，205 (为了所有目的以全文引用方式并入本文)中公开的那些氨和二氧化碳汲取溶液。根据一个或多个实施例，氨与二氧化碳的比率通常应匹配在汲取溶质去除和回收过程中所用的汲取溶液浓度和温度。若该比率不足够高，则不能完全将汲取溶质气体吸收至盐以在浓缩溶液中再利用，若该比率过高，则在汲取溶液中将存在过量的氨，其不能在所需温度范围(如使用废热驱动过程所需的温度范围)内适当冷凝。例如，在一些实施例中， 蒸馏柱可在约50 V下汽提气体，吸收柱可在约20 V下操作。应进一步考虑氨与二氧化碳的比率以防止氨通过膜进入原料溶液。若该比率过高，则这可导致未离子化的氨以高于所需或合意的浓度存在于汲取溶液(通常主要是铵)中。其他参数，如给水类型、所需渗透压、 所需通量、膜类型和汲取溶液浓度可影响优选的汲取溶液摩尔比。可在渗透分离过程中监测和控制氨与二氧化碳的比率。在至少一个实施例中，汲取溶液可包含摩尔比率大于1 1的氨和二氧化碳。在一些非限制性实施例中，对于在大约50C的汲取溶液(汲取溶液摩尔浓度指定为在该溶液中二氧化碳的摩尔浓度)，该比率可为至少约1.1 1(对于至多1摩尔汲取溶液)， 约1.2 1(对于至多1.5摩尔汲取溶液)，约1.3 1(对于至多3摩尔汲取溶液)， 约1.4 1(对于至多4摩尔汲取溶液)，约1.5 1(对于至多4. 5摩尔汲取溶液)， 约1.6 1(对于至多5摩尔汲取溶液)，约1.7 1(对于至多5. 5摩尔汲取溶液)， 约1.8 1(对于至多7摩尔汲取溶液)，约2.0 1(对于至多8摩尔汲取溶液)和约 2.2 1(对于至多10摩尔汲取溶液)。这些是在接近温度下，这些浓度的溶液的稳定溶解度所需的大致最小比率。在更低温度下，对于相同浓度需要更高的氨与二氧化碳的比率。在更高温度下，需要更低的比率，但也可需要对溶液的一些加压以防止溶质分解为气体。即使在小于2摩尔的总浓度下，大于1 1的比率也大大增加溶液的稳定性并防止二氧化碳气体放出以及响应于甚至中等量的热量和/或压力下降的通常的汲取溶液的热解。根据一个或多个实施例，氨与二氧化碳的比率可基本上允许将汲取溶液气体完全吸收至吸收流体中。根据一个或多个实施例，一部分稀释的汲取溶液可用于吸收例如来自蒸馏柱的汲取溶质气体。在至少一个实施例中，冷却以及与吸收剂的混合可在吸收柱中发生。气体与充当吸收剂的一部分稀释的汲取溶液(随后变成浓缩的汲取溶液)的混合可在容器中发生。通常，可以调节容器的尺寸，从而提供足够大的面积以促进吸收剂和气体之间的相互作用。在一些实施例中，填充柱可用作吸收器。在一个或多个实施例中，汽提蒸馏柱和吸收柱可结合使用。加热可在蒸馏柱中发生，而冷却以及与稀释的汲取溶液吸收剂的接触可在吸收柱中发生。在一些实施例中，将稀释的汲取溶液的第一部分导入蒸馏柱，将稀释的汲取溶液的第二部分导入吸收器。可将离开蒸馏柱的流引入吸收器，在那里所述流与稀释的汲取溶液混合以返回，从而将汲取溶质再引入至正向渗透膜的汲取侧。汲取溶液的浓度、体积和流量通常应匹配第一溶液的浓度、体积和流量，使得两种溶液之间的所需渗透压差在整个膜系统得以保持。根据一个或多个实施例，这可通过考虑膜内和其表面的内部和外部浓差极化现象进行计算。参照图2，显示了淡(稀释的工作流体)溶液和盐水(浓缩的汲取溶液)存储罐， 这实现了将化学势能存储于它们之间的盐度差。涡轮发电机可通过减压稀释的汲取流而将加压的汲取溶液的体积增加转化为电能。可将液压从稀释的汲取流传递至浓缩的汲取流以在汲取溶液的加压部分中保持恒定压力或所需的动压力范围的压力交换器和增压泵图中未显示。最右边的罐代表用于将稀释的汲取溶液分离为浓缩流和稀释流的蒸馏柱，柱右边的箭头代表热量引入和排出(在较低温度下排出)。第三个罐(未显示)可用于在经由热 (即，使用废热)或电过程将稀释的汲取溶液(淡溶液和盐溶液的组合)分离为淡溶液和盐溶液之前容纳该稀释的汲取溶液任意时间。根据一个或多个实施例，在封闭循环反渗透-压力延缓渗透(RO-PRO)系统中的盐度差可用于将电力存储为两种溶液中的化学势差(它们之间的浓度差和渗透压差)。在该实施例中，电能可用于加压盐水流，使得当该盐水流沿半透膜表面通过时，发生所述流的浓缩，并且在渗透液侧产生稀释水。浓缩溶液和稀释溶液可存储于单独的罐中，以此方式，电能可转化为两种溶液之间的渗透压差的势能。系统的能量容量受制于两种溶液的体积和它们之间的渗透压差。该势能可存储长时间而不会降低，且存储介质是固有地安全的。功率输出通常与两种溶液之间的渗透压差、汲取溶液上的液压以及所用的膜面积相关。当需要电能时，两种溶液可在封闭循环PRO过程中使用，从而通过引发水通量从稀释溶液穿过半透膜进入加压的汲取溶液而产生电力。汲取溶液体积的增加可在涡轮机中减压，从而使用发电机产生电力。在一些实施例中，该过程的效率与抽水至海拔梯度(抽蓄水力)的效率几乎相同，因为加压泵和涡轮机效率类似。低效率可能是因为用于通过离开的稀释的汲取溶液和进入的浓缩的汲取溶液之间的液压传递以及通过在管道、热传递和膜系统中的摩擦压力损失而保持汲取溶液压力所实施的任何压力交换器(95-98%有效)和相关增压泵。能量存储的总效率预期为大于75%。在该实施例中，合意的是当溶质排出时使用热汽提和吸收系统以保持稀释流中的低溶质浓度，因为在反渗透(RO)步骤过程中这些溶质可趋于进入渗透液。在一些实施例中，可进行稀释溶液的定期排出并再填充稀释水以保持稀释流中的低溶质浓度。
在一个可选择的实施例中，可使用纳滤(NF)膜而不是RO膜与PRO的组合用于能量存储以发电。在使用二价盐作为汲取溶质的一些实施例中，NF膜可履行相同的功能，但提供降低的水通量阻力。在其他实施例中，可使用其他溶质，从而可通过有效去除所述溶质但对总效率无过大不利影响的任何分离方式而从稀释溶液(R0步骤的渗透液)定期降低它们的浓度。这种第二分离步骤的例子为稀释流上的离子交换树脂系统，用浓缩的汲取溶液或用酸和/或碱再填充。这种溶质的一个例子为各种二价盐。若其他汲取溶质能产生高渗透压，则它们也可用于电存储变体中，并通过RO或NF和PRO膜良好排出。在一个可选择的实施例中，二价盐可用于具有高排斥RO和PRO膜的电变体中，因为它们极少透过进入渗透液。或者，可使用几乎完全被膜排斥的溶质，如低分子量带电有机分子或三价盐。在一个可选择的实施例中，可使用随温度变化发生沉淀的溶质作为汲取溶质，其可包括有机和/或无机溶质。这些溶质在能量存储阶段中的分离可在具有或不具有膜分离步骤的情况下完全或部分通过稀释的汲取溶液的热调控而进行。在一些实施例中，所用的汲取溶质可为氯化钠或任何其他的盐或渗透剂，但对于使用这种常规溶质，应当满足两个条件之一膜对于排斥盐的透过必须接近100%有效(例如碳纳米管或水通道蛋白类膜)，或者稀释溶液必须定期排出并用淡水、极低盐度的水替换或经受第二分离步骤，从而保持稀释的工作流体中的低溶质浓度。这是因为当汲取溶质通过而进入电厂的RO操作阶段的渗透液时，在能量存储和传输的反复循环中在稀释的汲取溶液中发生的盐的累积，这会导致PRO系统中不利的内部浓差极化或降低反电渗析(RED) 或其他发电系统的效率。以此方式，稀释的工作流体溶液可在任意循环数中保持在低盐度下。在其他实施例中，所用的汲取溶质可为氨-二氧化碳溶质，如可衍生自氨-二氧化碳热解盐汲取溶液渗透剂。这种汲取溶质可得自正渗透脱盐过程或渗透热机过程，包括但不限于WO 2008/060435、美国专利No. 6，391，205和美国专利公布No. US 2005/0145568所述的那些，为了所有目的将上述每个文献以全文引用方式并入本文。在这种配置中，预期少量汲取溶质在操作的RO阶段过程中通过而进入稀释溶液，但这些汲取溶质可通过使用溶质从稀释溶液热分离而定期或连续移出并再循环至浓缩溶液，所述热分离是通过施加热， 通过例如使用蒸馏柱，如在上文所指的正渗透脱盐和渗透热机过程中记载的以及在PCT申请公布No. WO 2007/146094(为了所有目的其以全文引用方式并入本文)中记载的。这样， 稀释的工作流体溶液可在任意循环数中保持在低盐度下。根据一个或多个实施例，重要的是保持稀释溶液的低盐度以防止膜结构中的内部浓差极化。根据一个或多个实施例，可使用不同于氨-二氧化碳汲取溶质的盐。若分离和再结合方式涉及高排斥，这是特别合意的。例如，若使用排斥接近100 %的所有盐的膜，则可使用包括NaCl和MgCl在内的任何盐。参照图3，淡溶液和盐溶液罐可分别容纳稀释的工作流体和浓缩的汲取溶液。泵可用于引起浓缩溶液的加压，从而导致稀释溶液渗透经过半透膜进入标记为“淡”的稀释溶液罐。这具有浓缩盐溶液的效果。通过存储任意体积的具有不同盐度(渗透压)的淡溶液和盐溶液，这些溶液的化学势差可用作稳定、固有地安全的能量存储方式。第三个罐(未显示)可用于在通过使用电力以引发穿过膜的反渗透流动从而将稀释的汲取溶液分离为上述淡溶液和盐溶液之前，容纳该稀释的汲取溶液(淡溶液和盐溶液的组合)任意时间。该系统可具有两种操作模式将电力存储为两种溶液之间的盐度差的R0，和将该盐度差转化为电力的PRO。对于PRO操作，所示的压力交换器可与增压泵(未显示)一起使用以通过将液压从离开的稀释的汲取溶液传递至进入的浓缩的汲取溶液而保持在浓缩的汲取溶液上的压力，从而将两种溶液之间的盐度差转化为电力。通过使稀释的汲取溶液的加压膨胀的体积在涡轮机中减压(例如，如上文关于分离和压力延缓渗透过程所述的)而实现这种发电。最左边的容器为小蒸馏柱，其可用于通过溶质的热汽提而定期或连续从稀释溶液移出溶质，从而保持溶液的低盐度。或者，稀释溶液排出和再填充循环可用于保持该溶液中的低盐度。可利用的另外的实施例包括代替RO或蒸馏柱的使用而使用电渗析、离子交换、电容去离子、渗透蒸发、膜分离或其他分离方式，以将稀释溶液分离为浓缩流和稀释流。可以使用用于从盐度差发电的RED或其他电化学技术来代替压力延缓渗透步骤。本文公开的技术大致涉及使用热量或电力分离这些溶液，以及随后或同时再组合这些溶液以发电的各种方法。在一些实施例中，可实施一个或多个所公开的渗透存储装置和方法以改进或增加电厂的总效率。例如，所公开的系统和方法可用于补充从诸如煤炭和天然气和核能等来源的常规基本负荷发电。因此可根据一个或多个实施例改装现有电厂，从而提高效率、可靠性和存储。在一些非限制性实施例中，淡溶液和浓缩的汲取溶液之间的水力势可为约300bar 或接近10，000英尺液压压头。在至少一些非限制性实施例中，总系统效率可在55%至85% 的范围内。在至少一个实施例中，可获得的效率为至少约75%。根据一个或多个实施例，水产品可由所公开的系统和方法产生。水产品可具有一种或多种特性或品质，使其在各种应用中是可用的或合意的。水产品可为经处理的水。在至少一个实施例中，水产品可为脱盐水。因此，除了存储能量(即，电力)之外，取决于需要可将水提供至使用地点或用户。在一些非限制性实施例中，例如，水产品可提供用于工业、 灌溉或饮用应用。水产品可通过本文所述的分离过程而制得。在一些实施例中，渗透存储装置和方法可通过本文公开的废热充电。因此，可使得作为返回的输入能量百分比的能量存储效率在某些方面基本上不相关。在至少一个实施例中，渗透存储装置和方法可仅使用废热充电。热量可来自常规热力发电来源。在一些实施例中，煤炭、天然气、核能和石油发电源可提供废热。例如，涉及锅炉、燃气轮机和往复式发动机的发电或热电联产(CHP)系统可提供废热。用于蒸汽和发热的工业或商业锅炉可提供废热。热量也可来自非常规来源，如太阳热发电、地热发电、区域供热和冷却水，或诸如来自石油和天然气提取、断层和提高的石油回收操作的制得的流体。在其他实施例中，可在现场例如通过与渗透存储组合的分配式发电或组合的实用规模发电和渗透存储而联产 (cogenerated)热量。在其他实施例中，装置和方法的电气形式可如上所述实施。产生的电力可供应至这种实施例的装置以给其中的一个或多个单元操作供电。在这种实施例中，能量存储效率是重要的考虑。在至少一个实施例中，混合的系统和方法依赖于废热以及电力。根据一个或多个实施例，渗透电网存储系统可用于热力发电。渗透电网存储装置
13可与任何热力发电源结合使用，从而捕获排出热并将其转化为存储的按需电力。所公开的渗透电网存储系统可使用来自电厂的排出热每天至多M小时充电，并在需要电力且电力最昂贵时的一天中的高峰时间供应大量水电。这可增加电厂的总效率，降低碳排放，也为总功率输出的一部分提供了按需功能(这是目前不存在的能力)。根据一个或多个实施例，渗透电网存储系统还可用于太阳热存储或地热存储。来自常规热液源或来自增强地热系统(EGQ源的自地面提取的地热可被转化为存储的能量。 这可增加地热电厂的总效率，也增加了存储组件。若存储的电力更有价值，则可将更多的热量或更高温度的热量送至渗透电网存储系统以增加存储，而不是送至双循环电厂(binary plant)以立即发电。在一些实施例中，渗透电网存储系统可与有机兰金循环(organic rankine cycle，0RC)组合以提供低至40°C温度的热量的最有效使用。根据一个或多个实施例，所公开的渗透存储系统可用于小规模存储。渗透电网存储系统可按比例缩小至小尺寸，例如在1_2(MW范围内，以用于分配式、工业或用户电力存储应用。渗透电网存储系统可与小规模往复式发动机或发电机结合，从而例如捕获排出热并提供按需电力。小规模渗透电网存储系统也可利用来自诸如炉子、热水加热器和小锅炉等工业设备的热量。甚至更小规模的渗透电网存储系统也可利用简单的太阳能收集器(如可见于屋顶上的那些)以提供按需电力。根据一个或多个实施例，渗透电网存储系统可用于核能存储。渗透电网存储系统可与核能相结合以存储大量的按需电力。核能是一种产生热量而无碳影响的极有效的方法。这种热量可以废热的形式直接或间接得以使用，以给渗透电网存储系统供电。这样可增加核电厂的总效率，并提供在目前核设施中不存在的存储机制。根据一个或多个实施例，渗透电网存储系统可用于区域供热和冷却。渗透电网存储系统可与从区域供热和冷却系统产生的热水相结合。当发电时，蒸汽可通过冷凝器(在此处排出热量)回收。在一些情况中，如联产系统，热量随后用于区域供热和冷却。通常， 热量为在40-50°C温度范围内的穿过街道而管道输送的热水的形式。这种热量可用于给渗透电网存储系统供电以提供存储的电力。根据一个或多个实施例，渗透电网存储系统可与渗透热泵一起使用。渗透电网存储系统可与地热泵相结合以提供必需的热量，从而回收汲取溶液。在此情况中，可以没有蒸馏柱，并用提供汲取溶质分离的地下热泵代替蒸馏柱。以此方式，小规模渗透电网存储系统可在存在合理的地下温度的任何地方设置，从而提供住宅、商业和分配式能量存储系统。根据一个或多个实施例，电网存储系统可使用电能进出(electrical energy in, electrical energy out)技术。在一个实例中，RO可用于将稀释的二价盐溶液浓缩为浓缩溶液和基本上稀释的工作流体。这些溶液可无限期地存储以将电力存储为化学势。当需要电力时，PRO可用于将这些溶液再组合以产生电力。在一些实施例中，可使用抛光法以防止溶质在工作流体中积聚，例如包括离子交换或其他分离方法。以此方式，渗透电网存储系统可防止溶质积聚。例如，弱酸碱的阴离子和阳离子交换树脂也可与多价盐溶液一起使用。 定期排出也可如本文所公开那样实施。根据一个或多个实施例，装置、系统和方法通常涉及用于调整或调节装置或系统组件的至少一个操作参数(例如但不限于将阀和泵启动)以及用于调整一个或多个流体流动流的性质或特性的控制器。控制器可与至少一个被配置成用于检测系统的至少一个操作参数(如浓度、流量、PH水平或温度)的传感器电子通信。控制器通常被配置成产生控制信号，从而响应于由传感器产生的信号调整一个或多个操作参数。例如，控制器可被配置成接收任何流、渗透分离装置或电网存储系统的组件或子系统的条件、性质或状态的表示。控制器通常包括促进至少一个输出信号的产生的算法，所述输出信号通常基于上述任何表示中的一个或多个表示以及目标或所需的值，如设定点。根据一个或多个特定的方面，控制器可被配置成接收任何测得性质的表示，并向任何系统组件产生控制、驱动或输出信号，从而减小测得性质与目标值的任何偏差。根据一个或多个实施例，工艺控制系统和方法可监测各种浓度水平，例如可基于检测的参数(包括PH和电导率)。也可控制工艺流流量和罐液位。可监测温度和压力。膜渗漏可使用离子选择性探针、PH计、罐液位和流流量进行检测。渗漏也可通过用气体加压膜的汲取溶液侧并使用超声检测器和/或在给水侧的渗漏目测观察进行检测。可监测其他操作参数和维护问题。各种工艺效率可例如通过测量产品水流量和品质、热流、电能消耗和能量输出而进行监测。污垢缓解的清洗方案可例如通过测量通量下降而进行控制，所述通量下降通过在膜系统中特定点处的给料和汲取溶液的流量进行确定。在盐水流上的传感器可指示何时需要处理，如蒸馏、离子交换、折点氯化或类似的方案。这可使用PH、离子选择性探针、傅里叶变换红外(FTIR)光谱法或检测汲取溶质浓度的其他方式完成。可监测和追踪汲取溶液条件，从而补充添加和/或更换溶质。同样地，可通过常规方式或使用诸如铵或氨探针等探针来监测产品水品质。可实施FIlR以检测存在的物质，从而提供用于例如确保正确设备操作的信息以及用于确定诸如膜离子交换效果等行为的信息。根据一个或多个实施例，系统和方法可与电网结合以满足能量需求。系统和方法可与基本负荷能量结合以提供备用电力，可用于调平能量输出，并可增加供电过程的可靠性。在一些实施例中，可监测电力需求。与所公开的系统联合的控制器可接收指示电力需求的信号。在一些实施例中，可响应于电力需求的检测而在线引发或引起渗透发电过程，如本文所讨论的压力延缓渗透过程。同样地，在无电力需求时可以终止发电。当未产生能量时， 可进行分离过程，用于存储处于浓缩溶液和基本上去离子的溶液之间的浓度梯度形式的势能。在其他实施例中，分离过程可与能量产生同时进行。从如下非限制性实施例可更全面地理解这些和其他实施例的功能和优点。实施例旨在是说明性的，不应被认为限制本文所讨论的实施例的范围。实施例1基于比较尺寸和操作参数模拟各种存储技术，包括所公开的渗透系统和方法，并就效率和资本成本方面进行评估。下表1总结了有关效率的结果。表 权利要求
1.一种操作渗透电池的方法，其包括 提供稀释盐溶液的源；分离所述稀释盐溶液以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液； 将所述浓缩溶液以与所述基本上稀释的工作溶液流体分离的方式存储；以及保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以将能量存储为所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的化学势能差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中分离所述稀释盐溶液包括将所述稀释盐溶液引入蒸馏柱。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将化学势能差转化为电力。
4.根据权利要求3所述的方法，其中响应于电力需求的检测，将化学势能差转化为电力。
5.根据权利要求3所述的方法，其中使用压力延缓渗透过程进行化学势能差向电力的转化。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述压力延缓渗透过程包括加压至少一部分所述浓缩溶液。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述压力延缓渗透过程还包括增加至少一部分经加压的浓缩溶液的体积以形成体积膨胀的加压溶液。
8.根据权利要求7所述的方法，其中增加体积包括将至少一部分所述稀释工作溶液引入所述经加压的浓缩溶液。
9.根据权利要求8所述的方法，其中增加体积包括使用半透膜促进水通量。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述压力延缓渗透过程还包括减小加压溶液的压力以产生电力并制得稀释盐溶液。
11.根据权利要求10所述的方法，其中减小压力包括使加压溶液流过涡轮机。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述稀释盐溶液引入分离单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述分离单元选自蒸馏柱、渗透蒸发单元、反渗透膜分离单元、纳滤膜分离单元和电渗析装置。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括给所述分离单元供给电力。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括给所述分离单元供给由上游单元操作产生的热量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中给所述分离单元供给由燃料源的燃烧产生的热量。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括给所述分离单元供给作为可再生能源的副产物而产生的热量。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括将由所述分离单元产生的水提供至使用地点ο
19.根据权利要求10所述的方法，还包括将电力传输至使用地点。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述浓缩溶液包含热解盐。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述浓缩溶液包括氨-二氧化碳溶液。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述浓缩溶液包含摩尔比大于1 1的氨和二氧化碳。
23.根据权利要求4所述的方法，其中使用电化学过程进行化学势能差向电力的转化。
24.根据权利要求10所述的方法，还包括将来自加压溶液的至少一部分压力传递至与所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液不同的涡轮机流体流，以及将涡轮机中的经加压的涡轮机流体流减压。
25.一种渗透能量系统，其包括包括半透膜的压力延缓渗透单元；势能存储单元，它包括流体连接至所述压力延缓渗透单元的第一入口的浓缩溶液的源和流体连接至所述压力延缓渗透单元的第二入口的稀释的工作溶液的源；流体连接压力延缓渗透膜单元下游的涡轮机；以及连接至涡轮机单元的发电机。
26.根据权利要求25所述的系统，还包括流体连接涡轮机下游的蒸馏柱。
27.根据权利要求沈所述的系统，其中所述蒸馏柱流体连接至所述浓缩溶液的源和所述稀释的工作溶液的源。
28.根据权利要求27所述的系统，还包括热连接至所述蒸馏柱的可再生能源。
29.根据权利要求27所述的系统，还包括热连接至所述蒸馏柱的工业废热的源。
30.根据权利要求27所述的系统，还包括连接至所述蒸馏柱的电源。
31.根据权利要求25所述的系统，还包括流体连接涡轮机下游的渗透蒸发单元、第二膜分离单元或电渗析装置。
32.根据权利要求沈所述的系统，还包括流体连接至所述蒸馏柱出口的工业用水、灌溉用水或饮用水使用地点。
33.根据权利要求25所述的系统，还包括电连接涡轮机下游的电网能量分配系统。
34.根据权利要求33所述的系统，还包括连接至所述电网能量分配系统的基本负荷发电厂。
35.根据权利要求34所述的系统，还包括被配置成用于检测来自所述电网能量分配系统的能量需求的控制器。
36.根据权利要求25所述的系统，还包括流体连接涡轮机下游的反渗透或纳滤单元。
37.根据权利要求25所述的系统，其中所述浓缩溶液包含热解盐。
38.一种操作渗透电池的方法，其包括提供稀释盐溶液的源；使用电能分离所述稀释盐溶液以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液；存储所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液；保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以利用势能；以及响应于电力需求将所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液引入从势能产生电力的过程。
39.根据权利要求38所述的方法，其中使用电能分离所述稀释盐溶液的步骤包括将所述稀释盐溶液引入纳滤、反渗透或电去离子(EDI)过程。
40.根据权利要求38所述的方法，其中从势能产生电力的过程包括压力延缓渗透过
41.根据权利要求38所述的方法，其中从势能产生电力的过程包括反电渗析(RED)过程。
42.一种操作渗透电池的方法，其包括将稀释盐溶液引入热分离过程以形成浓缩溶液和基本上稀释的工作溶液； 存储所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液；保持所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液之间的浓度梯度以利用势能；以及响应于电力需求将所述浓缩溶液和所述基本上稀释的工作溶液引入压力延缓渗透过程而从势能产生电力。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述热分离过程包括蒸馏过程。
44.一种渗透能量系统，其包括 电网能量传输系统；与所述电网能量传输系统电连接的电化学发电机；以及势能存储单元，它包括流体连接至所述电化学发电机的第一入口的浓缩溶液的源和流体连接至所述电化学发电机的第二入口的稀释的工作溶液的源。
45.根据权利要求44所述的系统，其中所述电化学发电机包括反电渗析(RED)单元。
全文摘要
本发明公开了存储势能的系统和方法，所述势能易于转化为传输至用户或电网分配的电力。该方法涉及到盐度梯度或也可描述为两种溶液之间的渗透压梯度或差异的使用，从而在浓缩溶液中产生液压，以产生电力。
文档编号F03G7/00GK102272449SQ200980154110
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者罗伯特·姆金尼斯, 阿伦·曼德尔 申请人:Oasys水有限公司