阅读说明：本技术 可持续能源生产 (Sustainable energy production ) 是由 T·A·雷格鲁特 于 2018-03-05 设计创作，主要内容包括：为了减少住宅或商业设施的整体环境影响,提供了一种用于集成能量使用的系统。在这种系统中,存在用于捕获太阳能的系统；用于发酵生物质并浓缩发酵物从而生成二氧化碳和乙醇的系统；用于储存多余能量以供随后释放的系统；以及用于生长生物质的系统。在集成所述系统时,所捕获的太阳能被用作热能和电能。超过瞬时能量需求的多余能量被储存在用于储存多余能量的系统中。所产生的乙醇被用作燃料。所产生的二氧化碳被提供给所述用于生长生物质的系统。通过释放所储存的多余能量来减少瞬时能量不足。(To reduce the overall environmental impact of a residential or commercial facility, a system for integrating energy usage is provided. Among such systems, there are systems for capturing solar energy; a system for fermenting biomass and concentrating the fermentation to produce carbon dioxide and ethanol; a system for storing excess energy for subsequent release; and a system for growing biomass. In integrating the system, the captured solar energy is used as thermal and electrical energy. Excess energy that exceeds the instantaneous energy demand is stored in the system for storing the excess energy. The produced ethanol is used as a fuel. The generated carbon dioxide is provided to the system for growing biomass. Transient energy deficits are reduced by releasing the stored excess energy.)

可持续能源生产

技术领域

本文公开的实施例涉及对之前存在的家庭以及新建筑进行的修改和改造，目的是减少居民和住宅以及现有或未来发电设施的能源足迹。此外，本文公开了一种可扩展能量储存和发电系统，针对可再生能源以及传统能源两者，用于从家庭规模一直到公用事业规模的广泛可能应用。最后，本文公开了一种新的建造方法，该方法为在房屋阁楼或其它类型的建筑物中安装光伏电池和太阳能热设备提供了最佳的、有吸引力的屋顶，从而向以前未使用的空间提供了为家庭或其它类型建筑物的能效做贡献的机会。

背景技术

最近，对于全球变暖或气候变化的问题已经进行了很多讨论。此外，关于这是否是人为原因的问题，仍有大量的讨论和辩论。无论其来源如何，难以否认大气中的二氧化碳增加且进入海洋的二氧化碳的水平增加。此外，自工业革命开始以来，冰川消退及其对全球海平面的影响已有大量文献记载。

冰川消退和海洋中二氧化碳含量增加是众所周知的危险预兆。尽管许多项目都关注二氧化碳的影响，但许多原因都导致了气候变化。其中包括几种自然现象，诸如火山爆发、洋流、地球轨道变化和太阳周期。这些几乎没有或根本没有为人为干预提供机会。有些原因部分是自然原因，部分是人为原因，诸如荒漠化和滥伐森林，每一个原因都为人类干预提供了一些机会。最后，温室气体排放和化石燃料热排放主要是人为原因，并且为人类干预提供了最佳机会。

当提到温室气体时，二氧化碳受到了极大的关注，然而其它温室气体也构成了类似的威胁并且可能构成了更大的威胁。这些温室气体包括二氧化碳、甲烷、卤化碳和氮氧化物。其中，卤化碳基本上都是人造的，构成了非常持久的威胁。所有这些原因的综合影响都导致了气候变化。因此，需要努力消除或减轻对环境有负面影响和对气候变化有负面影响的任何人为因素。

很明显，需要努力减少二氧化碳、甲烷、卤化碳和氮氧化物的人为排放。还必须将废热排放作为目标。减少滥伐森林将包括减少野火，野火对二氧化碳有明显影响。

一些“粗略”计算为人类活动对气候变化的影响程度提供了一些见解。首先，解决二氧化碳排放问题，温室气体排放的组成按干重计算大约是72％的二氧化碳、18％的甲烷(未燃烧)和9％的氮氧化物。自19世纪初工业革命开始以来，全球二氧化碳水平已从约100ppm上升至约400ppm。

一些粗略数字仅仅从废热的作用方面表明了问题的严重性，由于废热的作用非常小，因此通常不包括在气候变化模型中。根据每年270亿公吨(吨)二氧化碳排放量(2005年估计)，可以进行计算。假设所有二氧化碳都来自甲烷氧化(每摩尔产生212千卡的反应)，可以估算出废热。

使用已知的转换系数，可以看出270亿吨二氧化碳相当于6.14×10¹⁴摩尔二氧化碳。使用上述每摩尔212千卡，每年释放的用于供应所述二氧化碳的热量达到1.30×10¹⁷千卡。

这是多少能量？通俗地说，1945年投在广岛的***释放的能量估计为1万5千吨TNT，其中1吨TNT的能量值为999,300千卡。在此基础上，2005年由于产生二氧化碳而释放的废热达到1.30×10¹¹吨TNT。当除以广岛***的15,000吨，每年可获得868万次广岛******的结果。这大约是每天23,800起这样的***！这是个非常发人深省的坏消息；但是，问题的严重性要更糟糕。据估计，废热的作用占温室效应作用的1％至6％。作为一个乐观主义者，让我们假设在以下计算中，废热的作用是5％。该假设使得数学运算很简单；每天的废热需要乘以19来估算由于温室气体而造成的辐射再循环的作用。在此基础上，释放的热量相当于每天23,800次广岛******，并且温室气体相当于每天452,200次广岛******，共计每天476,000次广岛******。

这是一个非常严重的问题，如果除了就问题是否存在的话题进行无休止的辩论之外，基本上不采取任何措施来解决这个问题，那么这个问题只会越来越严重。这场无休止的激烈辩论造成的瘫痪局面导致缺乏行动来协调、有效地解决这一问题。

确切支持温室气体导致地球保留的能量的量增加的论点的科学原理实际上非常简单，并且无可辩驳。如果有人小时候曾在雨中出去玩耍，暴雨期间在排水沟里筑坝这一简单行为就能模拟大气中发生的事情。那么，当你在雨中走到外面并且在排水沟里筑坝时实际上会发生什么呢？上游水量显著增加。同样的效果正在我们的星球上发生。众所周知并且大家广泛理解的是，温室气体会导致通常逃逸到外层空间的红外辐射被反复反射(再循环)回到地球。因此，大气中的温室气体造成的流动障碍与大坝在暴雨中造成的流动障碍是一样的。热量回流并积聚。热量的积累增加了地面、海洋和大气的温度，还导致冰川冰融化。

两次观察到冰川冰表明存在众所周知的危险预兆。北极海冰目前在夏季月份几乎完全融化。这是一个很长时间(也许两千年)都没有经历过的新现象。美国冰川国家公园已经见证了冰川的急剧减少，以至于预计到21世纪30年代的某个时候，该公园将不再有冰。请思考一个事实，即一个拥有冰川的国家公园将不再有冰；这一结果与俄亥俄州的凯霍加河着火惊人地相似。

这些令人信服的观察结果，加上地球每天增加的热量的惊人影响程度，每天476,000次广岛******，要求立即、有效、可行地解决这一巨大问题。再拖延下去只会让最后清算日更具灾难性。简而言之，不能一如既往，争论不休。如果我们一直争论到海洋沸腾，那么我们会肯定争论得太久了。科学界需要向前迈进并迅速达成共识，以便向陷入无休止政治辩论的世界发出一个声音。接下来，是时候采取行动来解决问题了，该问题实际上已有解决方案，这个解决方案将会改善我们社会中相当多的人在这个世界上的生活质量，这些人的生活方式与我们在能源使用方面的共同态度和行为有所不同。

因此，现有技术的一个未实现的优点是为典型家庭提供一种能量模型和系统，以减少其废热，同时减少化石燃料消耗，以及为典型发电设施提供一种能量模型和系统，以减少其废热，同时减少化石燃料消耗。因此，现有技术的一个未实现的优点是提供可重复使用、高度可持续、环境友好、在整个世界范围内供应充足且可免费获得并且可扩展的能量储存和发电系统。因此，现有技术的还一个未实现的优点是提供新的方法来建造有吸引力的耐用屋顶，该屋顶提供在现有和新住宅以及建筑物中安装光伏电池和/或太阳能热量收集设备的最佳位置。因此，现有技术的还一个未实现的优点是提供各种各样的电器、电气开关、设备和其它各种物品的新配置，以利用将安装在家中和建筑物中的新能力来收集和储存可再生能源。

发明内容

这些和其它未实现的优点由一种用于集成能量使用的系统提供。这种系统包括用于捕获太阳能的系统、用于发酵生物质并蒸馏发酵物从而生成二氧化碳和乙醇的系统、用于储存多余能量以供随后释放的系统，以及用于生长生物质的系统，这些系统以集成方式进行操作，其中所捕获的太阳能用作热和电能，任何多余能量储存在用于储存多余能量的系统中。乙醇用作燃料，二氧化碳提供给用于生长生物质的系统，并且通过释放所储存的多余能量来减少瞬时能量不足。

在一些实施例中，用于捕获太阳能的系统包括在管道中循环的传热流体。该系统的特定实施例还包括将太阳能聚集到管道上的反射器。

在其它实施例中，用于捕获太阳能的系统包括生成电能的光伏电池。

在传热情况或光伏情况下，用于捕获太阳能的系统优选地布置在可居住住所的阁楼空间内。

在一些实施例中，用于储存多余能量的系统包括由来自用于捕获太阳能的系统的多余能量提供动力以压缩流体的压缩机、用于容纳压缩流体的至少一个储存构件、用于使来自至少一个储存构件的压缩流体膨胀的膨胀机。膨胀机所生成的动力用于减少系统中的瞬时能量不足。在其它实施例中，用于储存多余能量的系统包括气体液化单元而非压缩机。在这些实施例中的许多实施例中，被压缩的流体是空气，并且气体在液化时可以被分离成组分。

附图说明

当参考附图时将更好地理解本发明的一些方面，其中相同的部件用相同的附图标记标识，并且其中：

图1示出了本发明概念的第一太阳能热应用的示意图；

图2示出了本发明概念的第二太阳能热应用的示意图；

图3示出了住宅乙醇生产系统的示意图；以及

图4示出了用于储存所生成能量的本发明概念的示意图。

具体实施方式

最初从高层次来看，所公开的实施例涉及包括使用发明人命名为混合清洁能源单元的发明来发电以及在电能生成场所处使用废热来驱动任何合适的吸热过程(包括但不限于乙醇发酵、废塑料转化为燃料、煤液化或煤气化)的方法。此外，废热可以用于实现物理转化或净化方法，诸如海水蒸馏使得海水能够用作饮用水。

化石燃料发电

图1示意性地示出了能够如何使用太阳能热应用来减少电力或天然气使用。在实施例10中，使用透明或半透明屋顶12来代替典型的不透明屋顶。通过这样做，在所描绘的实施例中，描绘为一系列管道16的太阳能热装置14位于房屋内的阁楼空间18中。这使得不需要位于外部屋顶表面。在该实施例中，适当的传热液体(水是很好的例子)穿过位于阁楼空间18中的管道16，从而在该过程中获取热量。任选的一组反射器20示为处于每个管道16下方。在优选实施例中，这些反射器20是机械化的以追踪太阳的运动。阁楼空间18通过隔热层24来与可居住空间22隔开。除了面向阁楼空间18的表面26之外，或者可能代替该表面，可以用反射材料涂覆。在一些实施例中，可以仅使用单个管道16。

在隔热层24下方，在热量被提取用于其它目的之前，一系列管道28在供暖季节期间使加热的传热流体循环。这些管道28也示为具有任选但优选的反射器30。在一年中的非供暖时期中，管道16中的加热流体被直接分流用于提取热量。在一些情况下，可能需要使用透明聚合物片(诸如聚碳酸酯或聚(甲基丙烯酸甲酯))作为隔热层24。通过这样做，入射在上表面的太阳能将通过该层被反射或折射。这允许可居住空间22在白天期间被自然照明。在一些实施例中，在安装了种植架32的情况下，可居住空间将改为用作温室。当该太阳能热实施例10与发酵罐或另一种二氧化碳源一起使用时，诸如这样的温室空间的二氧化碳水平可增强，以促进生长。当然，在这种情况下，作为安全规程，谨慎的做法是监测可居住空间中的二氧化碳水平。

在另一个实施例11中，如图2所描绘的，部署了一系列光伏面板17，优选紧接在屋顶表面12下方并与之平行。在该实施例11中，光伏面板17中所产生的电力替代了原本将从总电网汲取的电力。

这些可再生能源的混合方法可以在美国中纬度地区使用，并且可以通过部署本发明(混合清洁能源单元)扩展到具有类似季节气候的其它地理区域。从4月到11月，太阳能热阵列可以配置在住宅或发电设施处。该阵列的布置可以类似于那些已经在使用的阵列，其中太阳能用于在水被送到锅炉之前预加热和/或煮沸水，以及其它用途，从而减少对燃料的需求。在优选实施例中，太阳能收集将借助于抛物面镜进行，该抛物面镜是自动化的以全天跟随太阳的位置。在寒冷的月份，通常是从11月到4月，从发电厂排出的废热将用于空间供暖。为此，来自烟囱的废热排放将在管中传递通过上层空间，该管将被反射器元件包围以将热量辐射到下面的空间。当需要时，由废热加热的空间还可以由位于地板水平的辐射热生成器补充。此外，下面的空间可以用于任何数量的可能用途。

一个可能的用途是在冬季期间利用温室技术进行生物质生长。来自发电厂的热量将用于基本上为这一努力提供空间。只要发电厂能够提供恒定的热量水平来为植物维持温室空间的温度，这种方法就能奏效。此外，温室空间可以在较温暖的月份使用，前提是在采集太阳能时提供足够的屏蔽和隔热。此外，可以在温室的屏蔽和隔热的下方(或者在其它地方)增加窗户，以便在需要时给温室通风。

太阳能热阵列下方的区域的另一个可能用途是牲畜饲养区。牲畜可以在其大部分存活期间生活在该区域中。利用这种布置，该区域实际上含有牲畜产生的甲烷，并且甲烷将被送到常规的碳和/或碳氢化合物和/或生物质和/或乙醇和/或燃料油发电设施，在该设施处，甲烷被供给到锅炉和/或发电机以产生电力。此外，该单元设计成使得来自牲畜的粪便通过格栅落下，在格栅处可以容易地收集粪便并用于多种目的，包括但不限于厌氧消化、施肥和/或堆肥。

这种可再生能源的混合方法有助于发电机在多个方面实现可持续发展。首先，在温暖的月份，通过利用太阳能热，减少了用于发电的化石燃料。第二，在寒冷的月份，通过将来自发电厂的废热用于温室空间的空间加热或空间的其它用途，减少了发电厂的废热。第三，蔬菜、生菜、水果和其它植物可以在冬季月份和夏季月份中生产以供食用。第四，如果能够在更靠近消费者的地方种植农作物，而非运输远地种植的农作物，则这将节省所需要的运输燃料。第五，现在可以收集并燃烧牲畜产生的甲烷来产生电力。第六，现在可以将牲畜的粪便收集起来用于生产目的。此外，这种生长条件有助于农民不必为了庄稼收成而受天气的摆布。此外，由于可以提供供暖和通风来维持牲畜更舒适的生活区域，因此牲畜也不必受天气的摆布。另一个可能好处是这些操作产生的生物质可以燃烧发电。

因为植物利用二氧化碳，所以在生长区域中提供二氧化碳浓度增加的区域将提高植物的生长速率。众所周知，二氧化碳的分子量明显高于氧气、氮气或空气(其是大约80％氮气和20％氧气的混合物)，因此二氧化碳将往往在空气下方分层，进入空间的下部，除非空间中的气体被搅动或移动来防止分层。尽管二氧化碳含量较高，但是将植物放在地板附近将使得工人能够在所述空间内进行操作。

同样重要的是要注意，可以向任何前述发明增加储能和发电系统以在主要电源关闭的情况下为设施提供备用电力。所述储能和发电系统是高度可扩展的，并且对于任何应用都非常灵活。此外，用于这种设备的材料是空气。空气是可重复使用的、高度可持续的、环境友好的，并且可以在全世界范围内免费获得充足的供应。

这种方法解决了冰川融化和二氧化碳含量增加的双重问题。通过使用这种方法和系统，减少了废热并且减少了针对给定单位电力生成的二氧化碳的量。简而言之，已经减少了废热，并且正在使用更少的化石燃料。此外，在冬季月份，生鲜农产品的来源离市场更近了。

发明人设想在远离使用点的地方制造这些混合清洁能源单元，预制系统将交付给使用点。理想情况下，这些单元的尺寸可以设计成使得其能够通过铁路或卡车运输到发电设施或农场。此外，使用装配线构建方法或单元构建方法将支持更高的生产率、更一致的制造质量、成本控制和对正在完成的工作的更多监督。

发电机或农民的另一个选择是每年为空间供暖需求和热水需求提供废热。冬天，废热可以为那些需要的人提供空间热量。在夏季月份，蒸汽可以驱动吸收式冷却器来提供空气调节。

另一种减少用电所需煤的替代方法是简单地燃烧草屑和/或生物质。目前，一些草屑被堆制肥料；然而，一些草屑只是被转到垃圾填埋场。由于草屑的化学成分，草屑的燃烧会给发电机带来问题。锅炉设备上的铬沉积物对发电机来说是一个不希望发生的问题，其由燃烧生物质(诸如草屑)引起。在住宅环境中，太阳能草除盐器将安装在家中阳光最充足的一侧。通常会进入热水器的水将在管内输送通过太阳能草除盐器。新鲜的草屑将被放置在单元的顶部。当草屑暴露于阳光并堆制肥料时，会生成热量。这种热量将通过管壁传送到通向热水器的水中。在太阳能草除盐器中停留足够长的时间之后，草屑会分解并脱盐。接着，草屑将从单元底部掉落到袋子中以被送到废物收集处，或者直接落到地面上以供进一步除盐，随后装袋进行废物收集，或者由房主用作土壤改良剂。接着将使用现有加工技术将通过废物收集装袋并拾取的草屑压块。在压块之后，草块可以在锅炉中与煤一起燃烧。由于这些草块已经被适当地除盐，所以锅炉中的铬沉积问题已经得到解决并且不应该成为问题。这种做法的好处有很多。首先，碳中性能源可用于发电。其次，将草屑从垃圾填埋场转移。第三，使用较小碳足迹生产住宅热水。第四，为经济创造额外的经济活动和就业。

此外，来自工厂、发电厂、熔炉等的废热可以并且应该用于通过使用热交换器来提供空间加热、热水和蒸汽。例如，来自燃气炉或燃气热水器的废热可以用来预热去往热水器的水。

发电场所的乙醇生产

除了部署本发明(混合清洁能源单元)之外，另一个提议包括在发电场所建立吸热过程，诸如乙醇发酵能力。这样做的话，乙醇生产全年将需要一定百分比的发电热量，并且通过使用本发明(混合清洁能源单元)将减少热能所需的化石燃料量。在一年中较冷的几个月中，可能需要减少乙醇生产以便可以将热能重新引导至本发明(混合清洁能源单元)。在这一年中，除了由于增加乙醇生产能力和混合清洁能源单元而将需要较少的化石燃料并且将向环境中释放明显减少的废热之外，发电将如以前一样进行。此外，生产的乙醇和食品将可以出售给市场。

第三种方法包括仅向发电场所增加吸热过程能力，诸如乙醇生产能力。在这种情况下，发电产生的废热将用于驱动发酵过程。这样做，减少了发电产生的废热，并且产生了有价值的液体燃料。

另一项提议包括对并置在传统发电设施附近的混合清洁能源单元产生的电力部署储能和发电设备。

另一项提议包括为传统发电设施产生的电力部署储能和发电设备。

重要的是要注意，多种材料可以用于乙醇发酵。一些农作物可以用于乙醇发酵。来自一些农作物的废料可以用于乙醇发酵。食物垃圾和废纸可以用于乙醇发酵，而不是倾倒在垃圾填埋场。纸板和木材废料可以用于乙醇发酵。草屑可以用于乙醇发酵。生物质可以用于乙醇发酵，并且图3示出了太阳能如何可以用于裂解生物质；这种能力非常重要，因为利用太阳能裂解生物质能极大地改善用生物质制造乙醇的过程的可持续性。如果没有这种能力，生物质的使用相当有限，因为使用现有技术生产乙醇的化石燃料比最终从乙醇燃烧中获得的更多。

鉴于纸和塑料转化为燃料的这一新作用，纸和塑料制造商理应以最有利于将纸和塑料转化为燃料的化学过程的方式来生产这些材料。例如，塑料制品可以不需要目前在其制造中使用的一些添加剂，这些添加剂会削弱这些塑料制品升级为燃料的潜力。

上一段提到的一些材料是可回收的。可悲的事实是，这些可回收材料中只有一小部分实际上得到了回收；如果不回收，则其命运就是垃圾填埋场。因此，第二种和第三种方法为原本会被倾倒在垃圾填埋场的一些回收产品提供了有用、可靠的需求。

乙醇的住宅生产

如上所述，太阳能热量收集实施例10、11可以收集太阳能以直接用作热或电。住宅及其居民还产生大量废物生物质，包括食物垃圾、草屑等。有一些明确需要液体燃料的情况。这种方法的一个具体实施包括将来自太阳能热量收集实施例10、11的能量输出与住宅规模的乙醇单元集成，如图3示意性地示出。小型住宅生产乙醇的方法在可持续性、经济性、可行性和安全性方面提出了许多挑战。

纤维素乙醇因其固有的可持续性优点而备受关注。但是，这种方法需要太多的能量来利用现有技术裂解生物质以使得在住宅层面可行。这样做，从生物质生产乙醇的可持续性大大改善，因为阳光现在正用于所述过程的高能量密集步骤来代替使用现有技术的化石燃料。这样做，对该过程的输入能量大大减少，因此整个过程现在具有有利得多的经济性。

在图3的发酵过程200中，来自多种来源的生物质被聚集在一起并且准备好在生物质制备步骤202中进行处理。以分批方式，将生物质引入具有水和发酵培养基(通常是酵母)的发酵桶中。众所周知，发酵过程204生成乙醇水溶液、二氧化碳和固体废物。二氧化碳在生成时被分离出来，并且其可以用于构成可持续能源住宅单元的一部分的一个或多个温室单元。液体可以被排出或泵出到常规蒸馏单元206，并且发酵罐中剩余的固体可以被移动到专用于固体再利用的单元208。固体将包含酵母生物质等。依据组成成分，固体在某些情况下可以为牲畜或家畜提供食物来源，并且在干燥后，其中通常使用来自太阳能热量收集单元的热量进行干燥，固体可以是燃烧燃料以使用常规过程提供热量或发出蒸汽。当从生物质制备单元202到发酵单元204的生物质馈送具有均匀性质时，单元208中的固体再利用可能特别有效。例如，如果生物质是良好的淀粉/糖来源，诸如谷物，则剩余的固体将非常适合喂养家禽、猪或牲畜。来自多种来源的废热可用于干燥从发酵罐出来的消耗的谷物。

目前，蒸馏单元206的住宅操作可能违反地方、州或联邦法规。一个简单的解决方案可以是要求通过添加化学试剂来使乙醇不适合人类消费。此类试剂是众所周知的。例如，当乙醇用作发动机燃料时，甲醇是优选的化学物质。在其它情况下，可以使用另一种向乙醇提供不良味道的试剂。这一步很重要，因为依据所使用的生物质，发酵过程中可能已经含有足够的甲醇，使发酵产物不适合食用。在蒸馏之后，乙醇可以被移动到燃料储存单元210以供后续使用，其可以包括用作固定燃料或移动燃料。在蒸馏的替代方式中，可以使用已知的膜分离技术来浓缩乙醇。

很明显，本文教导的热电联产和发酵概念易于扩展。可以在一个单独家庭或建筑、两个或三个或更多个单独家庭或建筑或者小型或大型仓库或商店或者小型或大型工厂或者小型或大型商业或住宅建筑上进行安装。这些发明的可能应用的发展潜力是无限的。

同样重要的是要注意，任何前述发明中可以增加储能和发电系统，以向家庭、企业、工厂、商业建筑、医院和/或仓库提供电力备份系统，以防主电源停工。储能和发电系统是高度可扩展的，并且对于任何应用都非常灵活。此外，用于这种设备的材料是空气。空气是可重复使用的、高度可持续的、环境友好的，并且可以在全世界范围内免费获得充足的供应。

糖的使用非常适合住宅生产乙醇，但是乙醇的经济性却是一个相当大的挑战。由于生产一加仑乙醇需要大约10-14磅糖，所以一种原料针对每加仑乙醇占2.00美元至2.80美元，并且没有购买其它任何东西。在写这篇文章的时候，汽油是每加仑2.00美元至2.25美元。因此，在美国使用糖的经济效益肯定不乐观。但是，如果乙醇发酵活性增加，则糖的经济效益在中南美洲可能较好。也许中南美洲对糖的较大需求可能会为这些地区的农民提供另一种经济作物来代替用于生产非法药物的植物。在美国，糖是个问题。我们基本上把目前对国外石油来源的依赖换成了对国外糖来源的依赖。

我想到的下一个想法是玉米。再一次，经济效益是不确定的，因为2.8加仑乙醇需要1蒲式耳玉米。玉米目前的价格是每蒲式耳3.89美元。因此，一种原料的成本是每加仑乙醇1.39美元，并且没有购买任何其它东西。此外，玉米的使用引发了食物与燃料问题。此外，任何其它农作物的使用也引发了食物与燃料纷争。

此时，废物流的想法浮现在脑海中。明确地说，几个在线网站讨论了乙醇废物、苏打饮料废物和食物废物的使用。使用这些废物流有许多好处。首先，它们使用真正符合可持续发展的事业。第二，经济性和可行性良好。第三，将这些物品用于住宅乙醇使这些废物流从垃圾填埋场转移，在垃圾填埋场它们最终将转化为甲烷，而甲烷只会污染空气。安全性是最后一个问题。任何使用蒸馏过程从水中分离乙醇的行为都会带来风险；但是，这种风险可以通过适当使用过程危险分析以及一些常识来解决。最后，或许也是可悲的是，在美国食物垃圾供应充足。根据worldfoodusa.org，大约“30-40％的食物供应被浪费了”，“这相当于每人每月20磅食物”。

图3中呈现了住宅生物乙醇的工艺布局。所需的设备是基本的。总体概念是雇用一名操作员每周至少5天进行实际操作，并且在周六和周日留给居民每周少于1小时的操作。操作员将每周至少6天收集食物垃圾，周一至周五运行该流程，收集乙醇产品，进行维护，并且确保该流程正在运行。还有额外自动化机会；但是，成本和复杂性也会增加。乙醇废物可以蒸馏，苏打饮料废物可以发酵，并且淀粉类食物废物需要先水解，接着发酵，然后蒸馏。

实施这种类型的住宅乙醇生产系统将需要几个设备项目，包括(出于说明目的)蒸馏装置、用于制备酒粕的干燥设备(优选，太阳能供能)、用于制备麦芽浆的带盖敞口桶、气闸和搅拌器、用于收集在发酵期间释放的二氧化碳的气体收集系统、酵母自动接种器以及回流蒸馏器，优选由来自热电联产的废热加热。

这种系统还将需要运输和移除谷物产品的能力。

就这种系统使用来自餐馆、酒吧、杂货店和其它食物垃圾收集场所的废弃食物产品而言，将需要雇佣并培训废物流收集者了解需要和不需要的食物垃圾以及每个废物流(优选避免高盐食物垃圾)使用哪个桶。

在实施期间，将收集并通过减小尺寸来发送食物垃圾以提供一致性质的原料。

一旦运送到住宅场所，新的或“处于原始状态的”食物垃圾将被处理以通过水解周期来糖化，并且接种酵母进行发酵。至少从这一点来看，该过程应该尽可能地自动化。在大约12小时之后，接种的麦芽浆应该可以发酵了。装有麦芽浆的桶可以在系统中旋转，其中桶在再次使用之前要清洗干净。可以自动监控麦芽浆的乙醇含量，或者可以基于转化速率和工艺操作人员的时间表来选择指定发酵时间量。酒粕可以运输出去堆肥或作为动物饲料或肥料出售。

接着蒸馏发酵的麦芽浆，并且如果需要，可以使用分子筛将其加工至更高的乙醇含量，分子筛可以根据需要再生。

在可能的范围内，运输和拾取过程中使用的卡车产生的废热可以用于干燥废弃食品、酒糟以及再生分子筛。

正在考虑的汽车清洁排放途径之一是用天然气取代汽油。天然气作为运输燃料具有优于汽油的许多好处；但是，其在汽油燃烧社会的实施非常缓慢。当天然气燃料供应可用时，人们会购买天然气汽车；但是，当制造和销售天然气汽车时，燃料供应站将变得可用。双燃料汽油/天然气汽车为过渡到天然气提供了机会，但这种转换并没有受到公众的欢迎。即使有这样的转换，天然气压缩成压缩天然气仍然是一个问题。

随着前面讨论的二氧化碳水平和冰川融化，已经出现了对在没有车辆挑战、天然气压缩挑战和天然气燃料供应基础设施挑战的情况下用天然气可持续地为车辆提供燃料的需求。

多余能量的储存

在许多采集太阳能或风能的系统中，瞬间能量产生很少与瞬间能量使用相匹配。当电力产生不足时，用户需要输入能量，通常来自电网；并且当产生多余电力时，可以将多余电力输出到电网。在后一种情况下，有必要将多余电力提供作为频率和电压与电网信号同步的“干净”交流电信号。在许多情况下，多余能量可以呈热能形式，或者如果储存在传统电池中，呈直流电形式。

此外，大型蓄电池的生产由于用于生产蓄电池的诸如钴和锂等元素而可能会对环境造成严重破坏。

至少出于这些原因，本发明的优选实施例包括发明人更喜欢称为“空气马达”或“空气电池”的系统，如图4的示意图所示。在该系统300中，所提供的设备包括体积减小单元302和膨胀机304，其优选具有涡轮机的性质。还提供了一个或多个储存单元306。输入能量308可以以多种形式生成，但其通常是多余能量，如可以由太阳能热装置(诸如图1的单元10、11)生成。输入能量308还可以由图3的乙醇生产发酵204、来自图3的固体再利用208的固体燃烧以及其它来源提供。如果输入能量308用于操作体积减小单元302，则可压缩流体(诸如空气)可以被压缩并储存在储存单元306之一中，直到需要能量时为止。当所述情况发生时，压缩流体被送到膨胀机304，在该处流体的膨胀操作发电机，从而提供输出能量310。膨胀的流体，尤其当它是空气时，可以排放到大气中。体积减小单元302的许多实施例将是常规的压缩机，但是，可以选择地，已知技术可以用于液化空气，并且在某些情况下，用于将空气分离成组分气体，以用于特定用途。此外，尽管使用空气作为工作流体可能是优选的，但是由于供应的可用性和在不影响环境的情况下排放气体的能力，也可以使用与空气分离的其它气体。但是，使用空气的主要优点是该工艺在每一端保持“开放”，即不需要维持未压缩气体的供应，维持未压缩气体的供应将需要大量资本投资。

输出能量310可以以多种方式利用。但是，一个明显的用途是将能量用作图3的蒸馏单元206的输入能量。

典型郊区家庭中的化石燃料使用

发明人是美国中西部的典型居民。我们家在郊区。发明人住在一栋大约2600平方英尺的房子里，有五名居民、四辆汽车和四名汽车司机。该住宅为家庭用电需求和空调提供电力服务，并且为炉子、热水和壁炉插件提供天然气服务。在安装时，购买并安装了高效HVAC设备和电器。

发明人提出了一种用天然气可持续地替代汽油使用的方法。该方法包括安装由天然气供能的1-9kW家用热电联产单元，但热电联产单元可以由许多其它燃料提供燃料。来自热电联产单元的废热在冬季月份中用于热水和空间加热，并且这种废热在夏季月份中用于提供将糖或同等原料发酵成乙醇所需的热能。依据家中的位置并且依据任何操作人员所作的安排，可能需要地下储槽来储存乙醇以备后续使用。代替使用汽油供能汽车，家庭将使用插电式混合动力车，其配备有补充电池和能够使用汽油或E95运行的内燃机。此外，汽车中的电池将安装在可互换的模块化单元中，使得每辆汽车都具有适合其各自日常通勤的适当蓄电能力。此外，这些车辆中的电池将位于行李箱中以便车辆灵活使用。

在常规工作和活动时间表中，汽车将主要由天然气和乙醇所产生的电力供能。在假期或大旅行中，行李箱中的电池可以被移除，并且汽车将变成由E95和/或汽油供能的混合动力车。依据电池成本和热电联产单元成本，可以生成高电压来对最少量的电池进行快速再充电，或者可以生成常规电压来对也许更多的电池进行较慢的再充电。使用常规电压，汽车将需要更长时间的再充电，和/或将必须在车辆当中切换出电池模块，和/或将必须采用额外电池模块。在汽车中大部分使用电力用于通勤的主要好处是减少了城市地区的汽车尾气排放，一旦本发明得到高度采用，这将显著改善空气质量。本发明混合动力车辆的另一个设计方面已经出现。用于电池生产的各种化学品的许多采矿技术对环境具有重大、严重和有害的长期影响。因此，在插电式混合动力车中使用电池具有负面环境影响，这可能是许多潜在汽车购买者未曾预料到和/或未知的。

为了解决该问题，本发明混合动力车辆需要另一种动力系统。发明人提出使用液氮或液体储存和空气驱动系统来代替电池或加上电池。液氮或液态空气将被来自常规化石燃料或乙醇发动机的废热加热。在加热后，液氮或液态空气会汽化，并且会发生非常显著的体积膨胀。体积膨胀将提供能量以向传统空气马达供能，或者可能向可以位于车辆后部的涡轮机供能。来自这种氮驱动或空气驱动发动机的马力可以用来使用粘性耦合传动系向汽车提供全轮驱动，我相信斯巴鲁已经非常广泛使用了该粘性耦合传动系。但是，可以利用其它方法将该能量传递给汽车的车轮。第二种替代方式是将发电机耦接到氮气驱动或空气驱动的马达上。发电机将产生电力供应，该电力供应将为传统混合动力车辆架构中使用的电动引擎供能；这种方法允许汽车制造商利用汽车电气化的最新发展，同时仍然允许减小电池组的尺寸，由于这些电池的成本、重量、有限寿命和负面环境影响，这在这些车辆中被证明是一个重要的设计问题。

汽化氮气或汽化空气可以安全地排放到大气中，因为其起源于大气；氮气或空气因此被用作环境友好的能量载体。或者，液态空气或液氮也可以被共同供给到传统内燃机，类似于在第二次世界大战期间为额外航程向飞机发动机添加液态水的实践。

重要的是要注意，上述使用氮气和空气作为储能介质的方法将非常适合为可再生能源提供储能能力。多余电能可以被引导到低温空气分离器或液化器，该分离器或液化器将产生低温液体，该低温液体可以在以后需要发电时使用。在加利福尼亚，低温空气分离器或液化器的使用将有助于解决白天出现的电力供应过多问题，此时太阳能发电厂当前能够提供市场上当前不需要的过量电力。

非常重要的是要注意，低温空气分离器的理想选址将是化石燃料发电场所。液氮和大气中其它有价值的成分可以运输到市场上；但是，液氧可以在发电场所用于燃烧化石燃料。假如给定的电力设施仅使用氧气来燃烧化石燃料，则来自该设施的排放物将几乎完全是二氧化碳和水。主要包含二氧化碳和水的排放流可以通过简单地从二氧化碳中冷凝水蒸气或者从二氧化碳中吸收介质中的水来分离。

二氧化碳流接着可以用于制造多种产品，包括但不限于所有种类的吹塑塑料、聚氨酯、橡胶和丙烯酸树脂，以及使用二氧化碳和碳酸苏打水的灭火器。此外，二氧化碳和水流可以部分供给混合清洁能源单元。

作为一种替代方式，低温空气分离器或液化器可以以住宅规模制造，使得实施或不实施热电联产设备的家庭也能够在其住宅中为其车辆生成自己的液氮或液态空气。因此，采用这种技术的家庭将能够生产自己的电、液氮和/或液态空气、乙醇和/或空间供暖和热水。许多供应选项将允许市场上出现竞争，并且将有助于确保客户不仅仅受制于单一供应来源。

在本发明的许多实施例中，用于本发明混合动力车辆的可互换电池模块将有助于为房屋周围的其它物品供能，所述物品诸如备用电池供能的排水泵、割草机、扫雪机、鼓风机、线式修边机、修枝锯、故障指示灯、钻机或电锯。

重要的是要注意，电动机能持续很长时间。此外，电动机不需要太多的服务，并且较容易启动。最后，许多小型化石燃料发动机往往会产生肮脏的排放物，而且噪声也往往很大。

或者，可以将液氮或液态空气储存和发电系统连线到电路中来为家庭、办公室、工厂、小型或大型企业、农场、医院和/或仓库中的关键任务设备提供备用电力。

此外，将需要用于热工艺水和/或传热流体的储罐和循环泵，以缓冲来自热电联产单元的废热以便满足家庭热能需求。最后，将需要控制系统来有序地操作所有这些设备。重要的是要注意，如果需要的话，房屋还会具有用天然气燃烧的炉子和热水罐。此外，房屋将具有由热电联产单元或电力公司供能的电动空调。此外，房屋将具有来自公用事业的电连接，其允许电力从电网流向房屋以及从房屋流向电网。这种电连接将为房屋提供额外能量以满足高峰需求，并且将避免对家庭储能单元的需求。但是，如果这种连接不可用，则可以包括家庭储能单元。此外，热电联产单元将被装配为感测停电，并且在停电期间向家庭提供必要的能量。

诚然，该家庭已经配备了大量设备升级。但是，家庭中的车辆现在以可持续的方式由天然气提供燃料。此外，所附的电子表格详细说明了这样一个事实，即使用这种方法的家庭能源使用减少了约2倍，并且燃烧超过200mcf天然气将产生的热量减少了对环境的废热。每mcf天然气产生1,000,000Btu，这样就大大减少了废热。公寓、共管公寓、办公楼和其它设施都可以采用这种方法来产生类似的结果。

经济性讨论

出于说明目的，发明人已经准备了将这一概念应用于居住在2600平方英尺房屋中的五口之家的经济性估计。在五名居民中，四名居民驾驶车辆。

该住宅目前的年度能源成本估计为10,010美元，基于：

空调用电500美元；

炉子用天然气和电力(为鼓风机供能)700美元；

杂项用电1,900美元；

热水加热器(天然气)300美元；

四辆车的燃料3,600美元；

供暖和制冷维护256美元；以及

车辆维护2754美元。

在应用所述概念的情况下，年度能源成本将估计为：

空调用电95美元；

炉子用天然气和电力(为鼓风机供能)502美元；

杂项用电906美元；

热水加热器(天然气)0美元(系统取消)；

四辆车的燃料1050美元；

供暖和制冷维护256美元；以及

车辆维护2165美元。

这些费用总计4974美元。但是，针对住宅实施热电联产系统预计将增加5375美元的年度拥有成本(如下文更详细描述)，从而使年度成本达到10,349美元。

车辆燃料成本降低是基于依靠热电联产单元所生成的电力操作车辆，其电费相当于每年240天每天估计使用6加仑汽油。如下所述，从汽油到电动车辆的改装成本包含在年度热电联产成本中。

热电联产单元的年度拥有成本是基于购买成本、利息成本、维护成本和增量成本。如上所述，资本成本估计为86,000美元，20年来每年筹资3％，总成本为137,600美元。其中，30,100美元是应计折旧的，剩下107,500美元将在20年内分摊，每年为5375美元。

86,000美元的资本成本分为三项成本：用于购买、安装和维护热电联产系统的51,000美元；车辆改装的增量成本为30,000美元；以及与供暖系统相关联的增量成本为5000美元。后面的那些成本包括储热系统和控制系统3300美元、泵400美元、加热管道线圈500美元和热水器水槽线圈800美元。

根据发明人的估计，表面积约为10英尺乘20英尺的室内或有顶游泳池可以使用来自热电联产单元的热量将水温维持在比环境温度高约20F。假如居民更喜欢这样的泳池而不是乙醇生产能力，那么居民可以在大约5月下旬至9月中旬使用这样的泳池，这取决于天气。

另一项提议包括至少部分地由太阳能驱动的住宅乙醇生产。在该提议中，乙醇发酵将在一年中的温暖月份中在特定的地点使用前面讨论的方法进行，并且用于发酵的热输入将由太阳能热设备提供。

可持续空调和可持续发电

如上所述，一系列复杂的原因导致了全球变暖，又称气候变化，必须尽快妥善解决。较易理解废热排放是如何导致变暖而不是温室效应的。较难理解大气中较高水平的二氧化碳和其它温室气体是如何导致温室效应从而导致全球变暖的。然而，术语温室效应已经存在了很长很长时间。

尽管二氧化碳受到了广泛关注，但其它气体也有可能产生更大影响。特别值得注意的是存在许多氟化烃。全球变暖潜能值(“GWP”)被定义为瞬时释放1kg追踪物质与1kg参考气体产生的时间积分辐射强迫之比。在下表中，“HFC-134a”是1,1,1,2四氟乙烷(CH₂FCF₃)，也称为FREON 134a，“HFC-23”是三氟甲烷(CFH₃)，“HFC 125”是五氟乙烷(C₂HF₅)，“PFC 14”是四氟甲烷(CF₄)，“PFC 116”是六氟甲烷(C₂F₆)，并且SF6是六氟化硫(SF₆)。尽管这些化合物中有许多被用作制冷剂，但SF6的最常见用途是作为电介质。为了证明这些气体的影响，来自包括www.gov.uk在内的各种来源的数据以表格形式提供了以下图片：

氟化HC	总FHC的％	GWP	GWP影响
				HFC-134a	58	1430	829.4
HFC-23	5	14800	740
				HFC-125	9	3500	315
HFC-152a	20	124	24.8
				PFC-14	5	9300	465
PFC-116	1	12200	122
				SF6	3	22800	684
总FHC	101		3180.2

可以将这些数据总体上与其它常见温室气体进行比较以确定它们存在于大气中的总体影响，如下：

温室气体	总量的％	GWP	在大气中的寿命
				二氧化碳	82	1	100年
甲烷	10	36	12年
				二氧化氮	5	298	120年
总FHC	3	3180.2	数周到50,000年
				总温室气体	100.

鉴于这些数据，FHC(卤化碳)显然可能需要更多的重视和行动。

由于各种FHC对臭氧层的有害影响，蒙特利尔议定书禁止了这些化学剂。基于第二张表中的信息，可能需要另一项禁令。然而，当前一代的FHC是电气空调的重要组成部分。因此，对这些化学物质的禁令实质上将等同于对电动空调的禁令，这是世界上许多地方最不受欢迎的发展。需要另一种替代方式，并且另一种替代方式是可用的。低温空气分离单元能够将空气分离成任何所需的成分组合。液态二氧化碳，单独地或与惰性气体的任何混合物结合，可以证明是用于空调单元的合适制冷剂。另一种替代方式在于简单地使用含有氮气或不含氮气的惰性气体的适当组合。又一种替代方式在于使用含有氮气并且含有二氧化碳或不含二氧化碳的惰性气体的适当组合。液氧可以与这些组合中的任何一者一起使用；但是，需要采取适当的预防措施，因为氧气是一种强有力的氧化剂。无论如何，与当前一代的氟化烃相比，上述化学物质向环境提供了更可持续和更环保的特征。此外，上述任何一种组合都将证明比GWP为22,800(第一张表中的最高GWP)的SF6更具可持续性和环保性。

在开发出又一代氟化烃(或其它合适的制冷剂)并证明其对环境安全之前，吸收式制冷机技术为使用这些有问题的氟化烃的电动空调提供了另一种可行的替代方式。吸收式制冷机技术公认不如电动空调节能；然而，吸收式制冷机技术不再需要氟化烃。吸收式制冷机可以是经济的，因为它们可以由天然气或任何化石燃料以及来自可再生能源的热量驱动。吸收式制冷机技术的可持续性可以通过使用具有储热能力的太阳能热量收集而不是仅使用天然气驱动这些单元来显著改善。这种布置特别有利，因为吸收式制冷机对热量的最高需求发生在外部温度最高的时候，并且最高的室外温度可能发生在太阳出来的白天。因此，太阳能热量收集器通常将在一天中最热的时段最有效率，此时吸收式制冷机单元需要最多的空调。

最初，二氧化碳作为制冷剂似乎不是卤化碳的良好替代品，因为其目标是减少温室效应。但是，由于二氧化碳具有低得多的GWP，在环境中容易获得，并且当用作制冷剂时，被有效地隔离，所以当它被包含在闭环系统中时，它成为更有吸引力的替代物。

在住宅、办公室、公寓、共管公寓和商业建筑中使用吸收式制冷机很简单。由于这些单元的重量，在汽车中采用吸收式制冷机技术可能会带来问题，即使驱动这些制冷机的热源在汽车中很容易以来自发动机的废热的形式获得。

另一种替代方式是在汽车中使用液化气体罐，该液化气体罐将用于在较温暖的月份中使汽车达到舒适的温度。本质上，液化气体将使用热交换器冷却乘客舱中的空气。当液化气体向汽车车厢提供冷却时，其会沸腾，并且设备将被设计成将汽化气体排放到环境中。

在理想情况下，汽车中的液化气体罐的尺寸将设计成使得其能够在需要汽油时在加油站加油。作为替代方式，液化气体可以被输送到家庭和工作场所，并且可以在那些地方较频繁地重新充装，从而使得能够在车辆中使用较小的罐。另一种替代方式在于在家庭、公寓、共管公寓和办公室中针对较小空调负载使用液化气体。又一种替代方式在于部署住宅尺寸的低温空气分离单元，该单元能够从空气中至少提供液氮以及其它所需的液态气体。

如果采用液氮冷却汽车和/或较小的房地产物业，则低温空气分离单元的理想位置将在使用化石燃料的发电设施附近。通过这种选址布置，也由所述过程产生的液氧可以被发电机用于煤、生物质、燃油以及也许甚至天然气的较清洁燃烧。

将液氧用于化石燃料燃烧似乎没有必要；但是，它的使用提供了许多优点。首先，氮氧化物带来了空气污染问题。如果氟化碳氢化合物和氮氧化物的排放量大幅减少，则空气质量就会得到改善。其次，来自化石燃料设施的废气排放将主要限于二氧化碳和水蒸气。水蒸气能够很容易从二氧化碳中分离出来。二氧化碳可以用于生产用途，诸如提高石油采收率，或者可能用作隔热体和/或泡沫中的发泡剂。泡沫可以由以下新材料或废料制成：橡胶、塑料、聚氨酯、丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、水瓶等。水蒸气可以在冷却塔中冷凝，并且接着在必要时可以利用发电操作产生的废热进行蒸馏，使得其能够达到可饮用和/或可接受的完整性水平。

当上述这些新的创新与混合清洁能源发电单元、车辆替代燃料供给配置以及可扩展的储能和发电系统一起部署时，从可持续性的角度来看，我们的未来将更加光明。所有这些发明的全部影响将解决能源、食品、水、清洁空气、气候变化、空间供暖、热水需求、能量储存、运输和空调以及潜在的太空旅行的关系，这些将共同需要较小碳足迹，并且将比目前使用的技术具有更有利的负面环境影响。

已经示出并描述了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将认识到，可以进行许多变化和修改来实现所描述的发明，并且仍然在所主张的发明的范围内。因此，上文指出的许多元素可以被更改或用不同元素替换，这将提供相同的结果并且落入本发明所主张的精神内。因此，意图是仅如权利要求书的范围所示来限制本发明。