FR3140419A1

FR3140419A1 - Compressed Air Battery Physical System

Info

Publication number: FR3140419A1
Application number: FR2210072A
Authority: FR
Inventors: Ebrahim HADAVI
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-10-03
Filing date: 2022-10-03
Publication date: 2024-04-05

Abstract

L'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie à air comprimé basé sur un réservoir de liquide isolé contenant un compresseur d'air, un réservoir d'air comprimé et un moteur ou une turbine pneumatique. L'appareil utilise l'énergie mécanique d'entrée pour comprimer l'air et la chaleur générée est stockée dans le réservoir de liquide. L'air comprimé alimente un moteur pneumatique qui peut être couplé à un générateur électrique externe. L'énergie thermique stockée pourrait également être utilisée. Il pourrait être utilisé comme stockage d'énergie sur réseau ou hors réseau, ou comme mécanisme de stockage d'énergie à long terme. En outre, une version simplifiée du dispositif pourrait être utilisée comme source de stockage d'énergie de secours. Le dispositif pourrait également accepter et stocker l'énergie thermique fournie par l'utilisation de sources d'énergie renouvelables. A compressed air energy storage device based on an insulated liquid tank containing an air compressor, a compressed air tank and a pneumatic motor or turbine. The device uses input mechanical energy to compress the air and the generated heat is stored in the liquid reservoir. The compressed air powers a pneumatic motor which can be coupled to an external electrical generator. Stored thermal energy could also be used. It could be used as on-grid or off-grid energy storage, or as a long-term energy storage mechanism. Additionally, a simplified version of the device could be used as a backup energy storage source. The device could also accept and store thermal energy provided by the use of renewable energy sources.

Description

Physical system of compressed air battery

Background of the invention

L'énergie produite par les sources renouvelables primaires est de nature très fluctuante. L'énergie solaire dépend des heures de la journée et du ciel clair, tandis que l'énergie éolienne est par nature intermittente et moins prévisible. Cela a de graves répercussions sur la fiabilité et le coût de l'énergie produite.
Le stockage d'énergie par air comprimé (CAES) est déjà testé à grande échelle depuis des décennies, mais son utilisation est restée limitée en raison de la complexité du système ainsi que de la nécessité d'utiliser des cavernes souterraines naturelles appropriées comme réservoirs.Energy produced by primary renewable sources is highly fluctuating in nature. Solar energy depends on the hours of the day and clear skies, while wind energy is inherently intermittent and less predictable. This has serious implications for the reliability and cost of the energy produced.
Compressed air energy storage (CAES) has been tested on a large scale for decades, but its use has remained limited due to the complexity of the system as well as the need to use suitable natural underground caverns as reservoirs.

Brief description of the invention

L'invention est une "batterie à air comprimé" avec une entrée de puissance mécanique qui pourrait être mécaniquement couplée à n'importe quelle source d'énergie mécanique externe comme le vent ou l'hydroélectricité. La puissance mécanique est utilisée pour comprimer l'air et le forcer à travers un échangeur de chaleur vers un stockage submersible. La majeure partie de la chaleur générée lors de la compression serait stockée dans le liquide environnant. L'air comprimé est utilisé en même temps ou plus tard. L'air comprimé stocké passe dans un échangeur de chaleur lors de la détente, se terminant par un moteur à air submersible. La puissance mécanique créée est utilisée par d'autres appareils pendant que l'air est évacué et l'énergie thermique stockée est utilisée par l'air en expansion. L'ensemble est isolé d'un seul tenant de façon à limiter au maximum les échanges thermiques avec l'extérieur. Pratiquement, l'appareil agit comme une batterie physique qui stocke l'énergie mécanique et thermique d'entrée. Cette batterie pourrait aussi servir uniquement de réserve d'énergie thermique. Un générateur d'électricité pourrait convertir l'énergie mécanique de l'appareil en électricité. L'air comprimé pourrait également être utilisé directement par des dispositifs pneumatiques. Le système pourrait recevoir et stocker de l'énergie thermique de n'importe quelle source, comme l'énergie solaire thermique.
The invention is a "compressed air battery" with a mechanical power input that could be mechanically coupled to any external mechanical energy source such as wind or hydroelectricity. The mechanical power is used to compress air and force it through a heat exchanger to a submersible storage. Most of the heat generated during compression would be stored in the surrounding liquid. The compressed air is used at the same time or later. The stored compressed air passes through a heat exchanger during expansion, ending with a submersible air engine. The mechanical power created is used by other devices while the air is evacuated and the stored thermal energy is used by the expanding air. The whole is insulated in a single piece so as to minimize heat exchange with the outside. Practically, the device acts as a physical battery that stores the input mechanical and thermal energy. This battery could also serve only as a thermal energy reserve. An electricity generator could convert the mechanical energy of the device into electricity. Compressed air could also be used directly by pneumatic devices. The system could receive and store thermal energy from any source, such as solar thermal energy.

Detailed description of the invention

La description suivante et le dessin annexé décrivent l'invention. On se réfère tout d'abord à la . Un compresseur d'air submersible 1 connecté via un arbre mécanique 2 à l'extérieur du système. Un réservoir d'air comprimé de n'importe quelle forme et matériau 3 serait placé à l'intérieur d'un réservoir de liquide isolé 4. L'air comprimé du compresseur d'air passerait d'un serpentin pour transférer son énergie thermique au liquide 5 environnant. Les réservoirs d'air comprimé pourraient être disposés en plus petits, chacun réglé pour une pression maximale différente. L'air comprimé sortirait du réservoir 3 par une structure similaire à 5 pour assurer un réchauffage maximal lors de la détente de l'air dans un moteur ou turbine à air submersible 6, accessible par l'arbre 7 pour tout usage extérieur. Des systèmes avec un compresseur d'air externe et/ou un moteur/turbine pneumatique sont possibles, mais avec le coût supplémentaire d'une moindre efficacité du système. Le système pourrait avoir un apport de chaleur externe 8 via une structure similaire à 5 pour permettre d'importer de l'énergie thermique au système pour compenser les fuites d'énergie thermique en cas de stockage de longue durée ou pour augmenter le contenu énergétique du système. La même structure pourrait être utilisée pour l'exportation d'énergie thermique du système. L'utilisation d'un module de chauffage de liquide solaire 9 maintiendrait le système chargé et/ou pourrait ajouter de l'énergie supplémentaire au système. Toute autre source de chaleur avec une température suffisante, comme les sources de chaleur résiduelles industrielles, pourrait être utilisée ainsi qu'un moyen de capter et de recycler l'énergie thermique perdue. Le rapport du volume de liquide au volume d'air comprimé serait ajusté de manière à ce que la température du liquide reste dans une plage qui permettrait l'entrée d'énergie thermique à partir de sources extérieures. Limiter les fuites rendrait le système proche d'une situation idéale de «fermeture énergétique», ce qui rend le système proche de la situation de «stockage isotherme». Le réservoir d'air 3 pourrait être divisé en sous-unités avec différentes zones de pression connectées via des régulateurs de pression. Ledit agencement pourrait être utilisé lorsque la puissance d'entrée pourrait avoir de grandes fluctuations. En période de puissance mécanique plus élevée, l'air comprimé serait dirigé vers des zones de pression plus élevées.The following description and the accompanying drawing describe the invention. Reference is first made to the . A submersible air compressor 1 connected via a mechanical shaft 2 to the outside of the system. A compressed air tank of any shape and material 3 would be placed inside an insulated liquid tank 4. The compressed air from the air compressor would pass through a coil to transfer its thermal energy to the surrounding liquid 5. The compressed air tanks could be arranged in smaller ones, each set for a different maximum pressure. The compressed air would exit the tank 3 through a structure similar to 5 to provide maximum heating when expanding the air in a submersible air motor or turbine 6, accessible via the shaft 7 for any external use. Systems with an external air compressor and/or pneumatic motor/turbine are possible, but with the added cost of lower system efficiency. The system could have an external heat input 8 via a structure similar to 5 to allow thermal energy to be imported into the system to compensate for thermal energy leakage in case of long term storage or to increase the energy content of the system. The same structure could be used for the export of thermal energy from the system. The use of a solar liquid heating module 9 would keep the system charged and/or could add additional energy to the system. Any other heat source with sufficient temperature, such as industrial waste heat sources, could be used as well as a means of capturing and recycling the lost thermal energy. The ratio of the volume of liquid to the volume of compressed air would be adjusted so that the temperature of the liquid remains in a range that would allow the input of thermal energy from external sources. Limiting leakage would make the system close to an ideal "energy closure" situation, which makes the system close to the "isothermal storage" situation. The air tank 3 could be divided into subunits with different pressure zones connected via pressure regulators. Said arrangement could be used when the input power could have large fluctuations. In times of higher mechanical power, the compressed air would be directed to higher pressure zones.

est un schéma fonctionnel du système is a functional diagram of the system

Claims

A device we call a "physical battery" is a thermally insulated device that can store thermal and mechanical energy in the form of compressed air and heated liquid and can deliver the stored energy as heat or mechanical energy.
The said device comprises:
a) an air compressor
(b) an air engine or turbine
c) heat exchange mechanisms
d) a liquid reservoir
e) air tanks
f) mechanical input and output shafts
(g) a pressure monitoring and control mechanism
(h) a thermal monitoring and control mechanism.

Characterized in that:
a) Compression and expansion of air takes place inside the liquid container, which is thermally insulated from the surrounding environment.
b) Energy input and output are through one or two mechanical shafts.
(c) The output of the device could be converted into electrical energy or could be used directly in pneumatic devices, or both.
(d) The device may be a source of both thermal and mechanical energy. The device according to claim 1 could have a double-acting air compressor/motor. In such an arrangement, a single mechanical shaft would be used for both the input and output of energy to/from the device.
The said device could be used for backup energy storage. A double-acting DC motor/generator would be used in such an arrangement.

The device according to claim 1 could have a double-acting air compressor/motor. In this arrangement, a single mechanical shaft would be used for both the input and output of energy to/from the device.

Said device could be used for emergency energy storage. A double-acting DC motor/generator would be used in such an arrangement. The device according to claim 1 could have a direct or indirect input of thermal energy from solar energy.

A flow adjustment mechanism could be added to control the flow of compressed air from the device of claim 1 to produce a constant speed on the output shaft.

By adding a mechanism for dispersing the accumulated thermal energy into the air, the device of claim 1 could also be used to absorb thermal energy from different environments.

The device according to claim 1 could be used to capture lost thermal energy.

The insulation of the liquid tank could also be achieved by vacuum, which could enable direct absorption of solar energy by passing an outer glass and vacuum space to reach the heat absorption part of the liquid tank on the upper side.

The said device with the removal of the integrated pneumatic motor could be used as a high-efficiency air compressor device. In this case, the creation of networks between similar devices and users of pneumatic energy is possible.