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使用两相流以便于热交换的压缩空气能量存储系统
    相关申请的交叉引用
     本专利申请是 2010 年 1 月 28 日提交的美国非临时专利申请 No.12/695,922 的部 分接续案， 上述申请要求 2009 年 6 月 29 日提交的美国临时专利申请 No.61/221,487 的优 先权。本专利申请也是 2010 年 3 月 24 日提交的美国非临时专利申请 No.12/730,549 的部 分接续案。 本专利申请也要求下列临时专利申请的优先权 ： 2010 年 1 月 12 日提交的美国临 时专利申请 No.61/294,396 ； 2010 年 2 月 19 日提交的美国临时专利申请 No.61/306,122 ； 2010 年 4 月 1 日提交的美国临时专利申请 No.61/320,150 ； 2010 年 5 月 21 日提交的美国临 时专利申请 No.61/347,312 ； 2010 年 5 月 21 日提交的美国临时专利申请 No.61/347,056 ； 以及 2010 年 5 月 26 日提交的美国临时专利申请 No.61/348,661。上述每个申请都通过引 述全部结合于此， 用于各种用途。
     技术领域 背景技术 空气被压缩到 300 巴时所具有的能量密度可以与铅酸电池以及其他能量存储技 术所提供的能量密度相比。 然而， 由于热损失和机械损失之故， 空气的压缩和减压过程通常 效率较低。将压缩空气用于能量存储应用尽管有很明显的优点， 这种低效率限制了其经济 可行性。
     众所周知， 如果压缩过程等温 (isothermally) 进行 ( 要求在压缩之前或期间冷却 空气 )， 那么压缩机就更有效率。 从 1930 年以来， 经常不时地发布一些等温气体压缩机的专 利 ( 例如， 美国专利 No.1,751,537 和 No.1,929,350)。 有效地压缩空气的一个方法是， 在几 个级 (stages) 中进行压缩， 每个级在汽缸装置 (cylinder device) 中包括往复活塞， 在级 之间有中间冷却装置 ( 例如， 美国专利 No.5,195,874)。所述空气的冷却也可以通过将液 体 ( 诸如矿物油、 制冷剂、 或水 ) 注入压缩腔或注入级间的气流中来实现 ( 例如， 美国专利 No.5,076,067)。
     有几个能量存储系统的专利将压缩空气与天然气混合起来并将混合物进给到燃 气轮机中， 从而增加了轮机的功率输出 ( 例如， 美国专利 No.5,634,340)。所述空气通过电 驱动的空气压缩机进行压缩， 而所述空气压缩机在电需求低的时段工作。压缩空气增强型 燃气轮机在峰值需求时驱动发电机。 已经建立了两个这样的系统， 并且提出建其它的系统， 这些系统使用地下洞穴来存储压缩空气。
     已经公布了这种能量存储方案的改进版本的一些专利， 它们应用在所述燃气 涡轮机上游的饱和器来加热和润湿进来的空气， 从而提高系统的效率 ( 例如， 美国专利 No.5,491,969)。也公布了其它一些专利， 这些专利提及膨胀前利用低质量的热 ( 诸如 来自一些其它过程中的废热 ) 来加热空气从而也提高效率的可能性 ( 例如， 美国专利 No.5,537,822)。
     发明内容 本发明的实施例一般地说涉及能量储存系统， 具体地说， 涉及利用压缩空气作为 能量存储介质的能量储存系统 (energy storage system)， 其中该能量储存系统包括空气 压缩 / 膨胀机构、 热交换器 (heat exchanger) 以及一个或多个空气存储罐 (air storage tank)。
     根据本发明的实施例， 提供一种压缩空气能量储存系统， 其包括压缩和膨胀空气 的可逆机构、 一个或多个压缩空气存储罐、 控制系统、 一个或多个热交换器， 以及在本发明 的一些实施例中， 还包括马达 - 发电机 (motor-generator)。
     所述可逆的空气压缩机 - 膨胀机利用机械能来压缩空气 ( 当其作为压缩机来工作 时 ) 并将压缩空气中所存储的能量转换为机械能 ( 当其作为膨胀机来工作时 )。所述压缩 机 - 膨胀机包括一个或多个级， 每个级都包括部分地充有水或其它液体的压力容器 ( 即 “压 力室” )。在一些实施例中， 所述压力容器与一个或多个汽缸装置连通以与该汽缸装置的汽 缸腔交换空气和液体。在电子控制下， 合适的阀门调节允许空气进入或离开所述压力室和 汽缸装置 ( 如果有的话 )。
     上面所提及的汽缸装置可以以若干种方法之一来构造。在一个具体的实施例中， 它可以设有与活塞杆 (piston rod) 相连的活塞， 使得进出所述汽缸装置的机械能通过这个 活塞杆来传输。 在另一种配置中， 所述汽缸装置可以包含液压液 (hydraulic liquid)， 在这 种情形中， 该液体由膨胀空气的压力来驱动， 从所述汽缸装置以这种方式传输出能量。 在这 种配置中， 所述液压液能够与所述空气直接相互作用， 或者横过所述汽缸装置口径的隔膜 (diaphragm) 能够将所述空气与所述液体隔开。
     在低压级 (low-pressure stage) 中， 在膨胀或压缩冲程 (stroke) 期间， 液体通过 雾化喷嘴 (puzzle) 被泵入所述压力室 (pressure cell) 中， 或者， 在某些实施例中， 被泵入 所述汽缸装置中以便于热交换。进入所述腔中的液体的数量足以吸收 ( 在压缩过程中 ) 或 释放 ( 在膨胀过程中 ) 与该压缩或膨胀过程相关的所有的热， 使这些过程近等温地进行。 然 后， 该液体在所述冲程的不作功阶段 (non-power phase) 返回所述压力室中， 在该压力室中 它能够通过常规的热交换器与外部环境换热。这就能使所述压缩和膨胀过程高效地进行。
     本发明的实施例的工作特征在于被压缩或膨胀的气体的温度变化的幅度。 根据一 个实施例， 在压缩循环期间， 所述气体的温度可以升高 100 或小于 100 摄氏度， 或者温度可 以升高 60 或小于 60 摄氏度。在一些实施例中， 在膨胀循环中， 所述气体的温度可以降低 100 或小于 100 摄氏度、 15 或小于 15 摄氏度、 或 11 或小于 11 摄氏度， 从初始的室温到接近 水的凝固点 (freezingpoint)。
     除了上述通过喷嘴注入液体外， 在一个或多个所述汽缸装置中， 空气也可以形成 气泡穿过一定数量的液体， 以便于进行热交换。在高压时优先使用这种方法。
     在膨胀过程中， 以电子方式控制阀门时序 (valve timing)， 使得只允许以希望的 膨胀比进行膨胀所需数量的空气进入所述汽缸装置中。随着所述存储罐耗尽， 这个体积就 发生改变， 从而必须动态地调节所述阀门时序。
     所述汽缸腔 ( 如果存在的话 ) 和压力室的体积从高压级到低压级增加。在本发明 的其它具体实施例中， 不是使用具有不同容积的汽缸腔 (cylinderchamber)， 而是使用腔具 有相同容积的多个汽缸装置， 其总容积积等于所要求的较大容积。
     在压缩过程中， 马达或其它的轴转矩源 (source of shaft torque) 驱动所述活 塞， 或者通过对所述汽缸装置中的空气进行压缩的泵产生液压 (hydraulicpressure)。 在膨 胀过程中， 则反过来。膨胀空气驱动所述活塞或液压液， 将机械能传输出系统。使用常规的 马达 - 发电机可以将这个机械能转换成电能或从电能转换成机械能。附图说明
     图 1 是本发明所述的压缩空气能量存储系统的第一实施例的示意表示， 即利用液 雾实现热交换的单级、 单作用能量存储系统 ；
     图 2 是本发明所述的压缩空气能量存储系统的第二实施例的方框图， 示出了多级 如何结合成完整的系统 ；
     图 3 是压缩空气能量存储系统的第三实施例的示意表示， 即， 既使用液雾又使用 穿过液体的空气气泡来实现热交换的单级、 单作用能量存储系统 ；
     图 4 是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中使用液雾实现热交换的一个 单作用级的示意表示 ；
     图 5 是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个双作用级的示意表示 ； 图 6 是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个使用穿过液体的空气 气泡来实现热交换的单作用级的示意表示 ；
     图 7 是本发明所述的多级压缩空气能量存储系统中的一个使用多个汽缸装置的 单作用级的示意表示 ；
     图 8 是用来将能量送入或送出系统的四种方法的示意表示 ；
     图 9 是使用液压马达作为传送和接收机械能的机构的多级压缩空气能量系统的 方框图 ；
     图 10 示出了本发明所述的设备的另一个实施例 ；
     图 11A-11F 示出了控制各个阀门的时序的控制器的操作 ；
     图 12A-C 示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 13A-C 示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 14A-C 示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 15A-C 示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 16A-D 示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 17A-D 示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 18A-D 示出了本发明的一个实施例所述的压缩循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 19A-D 示出了本发明的一个实施例所述的膨胀循环的步骤期间的设备配置 ；
     图 20 示出了适合于结合本发明的实施例所述的方法和系统使用的计算机系统的 简化图 ；
     图 20A 是图 20 所示的计算机系统中的基本子系统的说明 ；
     图 21 是用于控制本发明所述的设备的各个部件的操作的控制器的输入和输出的 方框图的一个实施例 ；
     图 22 是简化图， 示出了本发明所述的设备的一个实施例 ； 图 22A-B 示出了以不同 模式工作的图 22 所示的设备 ；
     图 23 是简化图， 示出了压缩机 - 膨胀机的一个实施例中的空气流 ； 图 24A 是简化图， 示出了本发明所述的设备的另一个实施例 ； 图 24B 是简化图， 示出了本发明所述的设备的另一个实施例 ； 图 24C 是简化图， 示出了本发明所述的设备的另一个实施例 ； 图 24D 是简化图， 示出了本发明所述的设备的又一个实施例 ； 图 25 是简化示意图， 示出了压缩机 - 膨胀机的一个实施例 ； 图 26 示出了多级设备的一个实施例的简化图 ； 图 26A 示出了多级设备的另一个实施例的简化图 ； 图 26B 示出了多级设备的另一个实施例的简化图 ； 图 27 示出了压缩机机构的一个实施例的简化示意图 ； 图 28-28A 是气雾制冷循环的实施例的简化示意图 ； 图 29 示出了中空锥形喷嘴设计的速度场 ； 图 30 示出了扇形喷嘴的仿真 ； 图 31 示出了气雾制冷循环的一个实施例的系统图 ； 图 32 画出了气雾制冷循环的实施例的温度 - 熵关系 ；图 32A 是功率流图， 示出了流过气雾制冷循环的一个实施例的功和热量 ；
     图 33 是本发明所述的系统的一个实施例的简化示意表示 ；
     图 33A 示出了可以用于本发明的实施例中的行星齿轮系统的一个实施例的简化 俯视图 ； 图 33AA 示出了图 33A 中的行星齿轮系统沿着 33A-33A’ 线的简化剖视图 ；
     图 34 是本发明所述的系统的另一个实施例的简化示意表示 ；
     图 35 是本发明所述的系统的另一个实施例的简化示意表示 ；
     图 35A 是本发明所述的系统的另一个实施例的简化示意表示 ；
     图 36 是本发明所述的系统的另一个实施例的简化示意表示 ；
     图 37 是本发明所述的系统的另一个实施例的简化示意表示 ；
     图 38 是本发明的一个实施例所述的使用混合腔的空气存储和复原系统的示意 图；
     图 39 是本发明的一个实施例所述的包括混合腔和压缩腔的单级设备的示意图 ；
     图 39A-39B 是图 39 中的实施例在工作中的简化示意表示 ；
     图 39CA-39CB 是注入液体的可能轨迹的简化示意表示 ；
     图 40 是本发明的一个实施例所述的包括混合腔和膨胀腔的单级设备的示意图 ；
     图 40A-40B 是图 40 中的实施例在工作中的简化示意表示 ；
     图 41 是本发明的一个实施例所述的用于进行压缩和膨胀的设备的实施例的示意 图；
     图 41A-D 是图 41 中的实施例在工作中的简化示意表示 ；
     图 41EA-EE 是简化示意表示， 示出了一个阀门和汽缸配置的工作 ；
     图 41FA-FC 是简化示意表示， 示出了一个实施例的工作 ；
     图 41G 是阀门结构的一个实施例的简化示意图 ；
     图 41H 是可以根据本发明的实施例使用的凸轮基阀门设计的简化示意图 ；
     图 42A 是本发明所述的用于气体压缩的多级设备的一个实施例的简化图 ；图 42B 是本发明所述的多级专用压缩机的一个实施例的简化方框图 ；
     图 42BA-42BC 示出了图 42B 中的系统的各个标准部件 (modular elements) 的实 施例的简化图 ；
     图 42C 是简化图， 示出了本发明所述的多级专用压缩机的另一个实施例 ；
     图 43 是本发明所述的多级专用膨胀机的一个实施例的简化方框图 ；
     图 43A 示出了图 43 中的系统的一个标准部件的一个实施例的简化图 ；
     图 43B 是简化图， 示出了本发明所述的多级专用膨胀机的另一个实施例 ；
     图 44 是简化图， 示出了本发明所述的多级压缩机 / 膨胀机设备的一个实施例 ；
     图 45 是简化图， 示出了本发明所述的多级压缩机 / 膨胀机的另一个实施例 ；
     图 46A 是本发明的一个实施例的简化图， 其中， 混合腔的输出有选择地输出到三 个压缩 / 膨胀汽缸中 ；
     图 46B 是本发明的一个实施例的简化图， 其中， 混合腔的输出可以弃掉 ；
     图 47 是方框图， 示出了用于控制本发明的实施例所述的设备的各个部件的操作 的控制器的输入和输出 ；
     图 48A-C 示出了用于控制所述系统中的各个阀门的时序的控制器的操作 ； 图 49A-C 画出了经历压缩和膨胀模式的腔中的压强 - 体积关系 ；
     图 50A 是本发明的一个实施例所述的使用液体注入的压缩气体能量存储系统的 简化示意图 ；
     图 50B 是本发明的一个实施例所述的使用液体注入的压缩气体能量复原系统的 简化示意图 ；
     图 51 是本发明的一个实施例所述的使用液体注入的压缩气体能量存储和复原系 统的简化示意图 ；
     图 52 是方框图， 示出了用于控制本发明的实施例所述的设备的各个部件的操作 的控制器的输入和输出 ；
     图 53A 是本发明所述的用于气体压缩的多级设备的一个实施例的简化图 ；
     图 53B 是本发明所述的多级专用压缩机的一个实施例的简化方框图 ；
     图 53BA-53BC 示出了图 53 中的系统的各个标准部件的实施例的简化图 ；
     图 53C 是简化图， 示出了本发明所述的多级专用压缩机的另一个实施例 ；
     图 54 是本发明所述的多级专用膨胀机的一个实施例的简化方框图 ；
     图 54A 示出了图 54 中的系统的一个标准部件的实施例的简化图 ；
     图 55 是简化图， 示出了本发明所述的多级专用膨胀机的另一个实施例 ；
     图 56 是简化图， 示出了本发明所述的可配置为进行压缩和膨胀的多级设备的一 个实施例 ；
     图 57 是简化图， 示出了本发明所述的可配置为进行压缩和膨胀的多级设备的另 一个实施例 ；
     图 58 是单级压缩空气存储和复原系统的一个实施例的简化示意表示 ；
     图 58A-C 是本发明所述的多级压缩空气存储系统的实施例的简化示意表示 ；
     图 59-59B 示出了包含在内部设置有可移动活塞的汽缸的级的一个实施例 ；
     图 60 是一个表格， 列出了本发明的一个实施例所述的能量存储系统的加热和冷
     却功能 ；
     图 61A-C 示出了作为膨胀机工作的级 ；
     图 62 是一个表格， 列出了被结合在电源网络中的本发明所述的能量存储系统的 可能功能 ；
     图 63A-C 示出了作为压缩机工作的级 ；
     图 64A 示出了多级系统， 其中每个级预期呈现不同的温度变化 ； 图 64B 示出了多级 系统， 其中每个级预期呈现基本上相等的温度变化 ；
     图 65 一般性地画出了压缩气体系统和外部部件之间的相互作用 ；
     图 66 是配置为向终端用户提供电能的网络的简化示意图 ；
     图 67 示出了可以由本发明的一个实施例所述的压缩气体能量存储和复原系统执 行的平坦化功能 (levelizing function) 的简化图 ；
     图 68 示出了与发电资产 (power generation asset) 同在一起的本发明所述的压 缩气体能量存储和复原系统的一个实施例的简化图 ；
     图 68A 示出了使用复合马达 / 发电机和复合压缩机 / 膨胀机的压缩气体能量存储 和复原系统的一个实施例的简化图 ；
     图 68B 示出了使用专用的马达、 发电机、 压缩机以及膨胀机部件的压缩气体能量 存储和复原系统的一个实施例的简化图 ；
     图 68C 示出了使用多节点齿轮系统的本发明所述的压缩气体能量存储和复原系 统的一个实施例的简化图 ；
     图 69 示出了本发明所述的压缩气体能量存储和复原系统的一个实施例的简化 图， 该系统与计量计 (meter) 后的终端用户同在一起 ；
     图 69A-D 示出了能量存储系统和终端用户之间的热接口 (thermalinterface) 的 例子 ；
     图 70 示出了本发明所述的压缩气体能量存储和复原系统的一个实施例的简化 图， 该系统与计量计 (meter) 后的终端用户和本地能量源同在一起 ；
     图 71 是一个表格， 总结了在计量计后与终端用户同在一起的压缩气体能量存储 和复原系统的各个工作模式 ；
     图 72 是一个表格， 总结了在计量计后与终端用户以及与本地能量源同在一起的 压缩气体能量存储和复原系统的各个工作模式 ；
     图 73 表示某些实施例的简化图 ；
     图 74 是在压缩比为 32 的两个压缩循环上的质量加权平均温度图 ；
     图 74A 是从高压缩比的气体压缩的 CFD 仿真得到的在上止点的绝对温度的假彩色 表示 ；
     图 75 示出了热力学循环 ；
     图 76A 画出了效率 - 水体积份数的关系 ；
     图 76B 示出了随着水体积份数的增加， 所排空气的温度变化 ；
     图 77 示出了在靠近汽缸头的位置处的上止点的温度 ；
     图 78 示出了在喷水和不喷水的情况下的温度变化 ；
     图 79 示出了二维射流断裂 (jet breakup) 的多相流仿真 ；图 80 是从金字塔形喷嘴的一个实施例喷射出来的水雾的 CFD 仿真 ；
     图 81a 示出了利用粒子图像测速 (Particle Image Velocimetry， PIV) 系统拍摄 的液滴的实验图像 ；
     图 81b 画出了测量的液滴尺寸分布 ；
     图 82 是利用制冷剂相变的本发明的一个实施例所述的冷却系统的简化图 ；
     图 83 表示采用喷溅模型和不采用喷溅模型 (splash model) 从 CFD 仿真中获得的 汽缸中的质量平均空气温度 (K) 与曲轴转动的关系 ；
     图 84 示出了使用活塞作为气流阀的设备的一个实施例的简化剖视图 ；
     图 85 示出了使用进入腔中的液流的设备的一个实施例 ；
     图 86A-C 示出了本发明的一个实施例所述的压缩设备 ；
     图 87 示出了包括液流阀网络的本发明所述的设备的一个实施例的简化图 ；
     图 88 示出了本发明所述的设备的一个实施例的简化图 ；
     图 89 示出了本发明的一个实施例所述的界定液体注入喷雾器的空间的简化剖视 图；
     图 90A-90C 示出了由单片制造的喷嘴的一个实施例的简化图 ； 图 91A-91D 示出了由单片制造的喷嘴的另一个实施例的简化图 ；
     图 92A-92D 示出了由单片制造的喷嘴的另一个实施例的简化图 ；
     图 93 是多片喷嘴设计的一个板的透视图， 示出了相对表面中的一个表面， 该表面 形成了所述喷雾器的一半结构 ；
     图 93A 示出了图 93 中的板的顶视图 ；
     图 93B 示出了图 93 中的板的侧视图 ；
     图 94 是第二板的透视图， 示出了形成所述喷雾器另一半结构的有壁凹的表面 ；
     图 95 示出了从配置为从所述喷雾器接收液体的腔的角度看的组装了的喷雾器结 构的一个实施例 ；
     图 96 示出了从到所述喷雾器的液体源的角度看的图 95 所示的组装了的喷雾器结 构的一个实施例 ；
     图 97 示出了图 89 中的喷嘴设计的不同部分的相对距离 ；
     图 98 示出了从图 89 中的喷嘴设计所预期的扇形喷流 ；
     图 99A-D 示出了多片喷嘴结构的另一个实施例 ；
     图 100A-J 示出了多片喷嘴结构的另一个实施例的各种视图 ；
     图 101A-C 示出了用于评估喷嘴性能的实验装置 ；
     图 102 示出了从两个瞬时投影图像获得的在 100PSIG 水压下的整体流结构 ；
     图 103 示出了从第 1 轮 (run 1) 和第 4 轮 (run 4) 获得的平均速度矢量 ；
     图 104 示出了从第 1 轮和第 4 轮获得的 RMS 速度矢量 ；
     图 105 示出了第 1 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 106 示出了第 1 轮的液滴尺寸的直方图 ；
     图 107 示出了第 4 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 108 示出了液滴尺寸的相应的直方图 ；
     图 109A 示出了第 12 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ； 图 109B 示出了第 14 轮
     的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 110A 示出了第 12 轮的液滴尺寸的直方图 ； 图 110B 示出了第 14 轮的直方图 ；
     图 111A 示出了第 5 轮到第 15 轮以及第 25 轮到第 27 轮的沿着 z 轴的液滴尺寸分 布； 图 111B 示出了以液膜角度 (sheet angle) 为坐标的同样的数据 ；
     图 112A 示出了第 5 轮到第 15 轮以及第 25 轮到第 27 轮的每个 z 位置处辨认出的 液滴的数目 ； 图 112B 示出了以液膜角度为坐标的同样的数据 ；
     图 113 示出了从两个瞬时投影图像获得的在 50PSIG 水压下的整体流结构 ；
     图 114 示出了从第 2 轮和第 3 轮获得的平均速度矢量场 ；
     图 115 示出了从第 2 轮和第 3 轮获得的 RMS 速度矢量场 ；
     图 116 示出了第 2 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 117 示出了液滴尺寸的相应的直方图 ；
     图 118 示出了第 3 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 119 示出了第 3 轮的液滴尺寸的相应的直方图 ；
     图 120 示出了第 20 轮的辨认出的液滴的一个瞬时图像 ；
     图 121 示出了第 20 轮的液滴尺寸的相应的直方图 ； 图 122A 示出了第 16-21 轮以及第 22-24 轮的沿着 z 轴 ( 单位 mm) 的液滴尺寸分 布； 图 122B 示出了以液膜角度为坐标的这些数据 ；
     图 123A 示出了第 16-24 轮每个 z 位置处辨认出的液滴的数目 ； 图 123B 示出了以 液膜角度为坐标的同样的数据 ；
     图 124 是本发明的一个实施例所述的使用液体注入的压缩气体能量存储和复原 系统的简化示意图 ；
     图 124A 示出了本发明的一个实施例所述的具有阀门和喷雾器的腔壁的视图 ；
     图 125 是本发明的一个实施例所述的使用液体注入的压缩气体能量存储和复原 系统的简化示意图 ；
     图 126 是本发明的一个实施例所述的具有用于直接注入液体的喷雾器的压缩和 膨胀腔的简化放大图 ；
     图 127 是本发明的一个实施例所述的具有用于直接注入液体的喷雾器的压缩和 膨胀腔的简化放大图 ；
     图 128 是本发明的一个实施例所述的具有用于直接注入液体的喷雾器的压缩和 膨胀腔的简化放大图 ；
     图 129 是本发明的一个实施例所述的具有用于直接注入液体的喷雾器的压缩和 膨胀腔的简化放大图 ；
     图 130A 示出了本发明所述的被置于汽缸头的喷嘴的一个实施例 ；
     图 130B 示出了本发明所述的被置于汽缸头的喷嘴的另一个实施例 ；
     图 131 示出了使用液体注入具有复杂的腔断面的设备的一个实施例 ；
     图 132 示出了使用液体注入具有复杂的腔断面的设备的另一个实施例 ；
     图 133A-G 示出了喷嘴设计的另一个实施例的视图 ；
     图 134A-C 示出了喷嘴设计的各种实施例的视图 ；
     图 135A-E 示出了具有调制共振特性的压缩或膨胀设备的设计 ；
     图 136 示出了用于抽取能量的主调控器 (active regulator) 设备的一个实施例 ；
     图 137 示出了具有内部喷雾发生机构的设备的一个实施例 ；
     图 138 示出了使用内高压通过喷嘴抽取液体的设备的一个实施例 ；
     图 139 示出了使用具有活塞致动器的无源阀门的设备的一个实施例。
     尽管这里描绘的某些图和系统可以使用标准符号来配置， 但附图是以更一般的方 式来绘制的， 以反映可以由不同的实施例实现的各种设备。 具体实施方式
     尽管将参考几个具体实施例来描述本发明， 但该描述是说明本发明的， 不能被解 释为限制本发明。在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下， 本领域中的技术人员可以 对优选实施例做出本发明的各种修正。这里应该注意， 为了更好地理解起见， 在各个图中， 相同的部件用相同的附图标记来表示。
     单级系统
     图 1 描绘了本发明所述的压缩空气能量存储系统 20 的最简单的实施例， 并揭示了 许多重要原理。简短地说， 对目前的压缩空气能量存储系统设计加以改进的这些原理中的 一些原理包括， 将液体与空气混合以便于压缩和膨胀期间的热交换， 从而提高所述过程的 效率， 以及使用同一机构进行空气的压缩和膨胀。最后， 通过用电子方式控制阀门时序， 可 以从给定体积的压缩空气获得最大可能的功输出。 如图 1 以最佳方式所示出的， 能量存储系统 20 包括汽缸装置 21， 汽缸装置 21 界定 了腔 22， 腔 22 用来在其中往复接收活塞装置 23 或类似物。压缩空气能量存储系统 20 也包 括压力室 25， 当压力室 25 与汽缸装置 21 合起来成为一个单元时， 构成了单级可逆压缩 / 膨 胀机构 ( 即， 单级 24)。空气过滤器 26、 气液分离器 (air-liquid separator)27 和包含液 体 49d 的液罐 (liquid tank)28 分别通过管道 30 和 31 与压缩 / 膨胀机构 24 在低压端互 通流体 (fluidlyconnected)。在高压端， 空气存储罐即罐 32 通过输入管道 33 和输出管道 34 与压力室 25 连接。提供多个二位二通阀 (2-way 2-position valve)35-43， 连同两个输 出喷嘴 11 和 44。这个具体的实施例也包括液泵 46 和 47。然而， 应当意识到， 如果液罐 28 的高度高于汽缸装置 21 的高度， 那么水就会在重力作用下流入所述汽缸装置， 这就不需要 泵 46 了。
     简短地说， 大气中的空气通过管道 10 进入所述系统， 经过过滤器 26 并通过管道 30 进入汽缸装置 21 的汽缸腔 22 中， 在汽缸腔 22 中所述空气通过液压或其它机械方法作用下 的活塞 23 的运动而被压缩 ( 参见图 8)。在压缩开始之前， 从压力室 25 通过管道 48 利用雾 化喷嘴 44 向汽缸装置 21 的腔 22 中引入液雾。这里的液体可以是来自所述压力室的具有 足够高热容特性的水、 油或其它合适的液体 49f。所述系统优选基本上在大气温度下工作， 从而不需要使用能够经得住高温的液体。所述液雾 (liquid mist) 的主要功能是， 在所述 汽缸腔中吸收空气压缩期间所产生的热。因此， 在每个压缩冲程期间注入所述腔中的预定 量的雾就是吸收该冲程期间所产生的所有热所需要的雾。当所述雾凝结时， 就在汽缸腔 22 中汇集成液体 49e。
     然后， 所述压缩空气 / 液体混合物通过管道 51 经出口喷嘴 11 传送到压力室 25 中。 在压力室 25 中， 传送来的混合物将所获得的压缩所产生的热传给压力室中所包含的液体
     49f 中。空气形成气泡向上穿过液体并到达压力室的顶部， 然后经管道 33 进入空气储存罐 32 中。
     膨胀循环基本上是压缩循环的逆过程。空气通过管道 34 离开空气储存罐 32， 形 成气泡向上穿过压力室 25 中的液体 49f， 通过管道 55 进入汽缸装置 21 的腔 22 中， 在腔 22 中， 该空气驱动活塞 23 或其它机械联动装置 (mechanicallinkage)。 在膨胀期间， 再一次通 过出口喷嘴 44 和管道 48 向汽缸腔 22 中引入液雾， 以便在该膨胀过程中在汽缸腔中保持基 本恒定的温度。 当空气膨胀完成时， 所用过的空气和雾经过气液分离器 27， 从而可以再利用 所述分离出的液体。最后， 空气通过管道 10 排到大气中。
     压力室 25 中所包含的液体 49f 通过热交换器 52 不停地循环以排除压缩期间所产 生的热或向所述腔增添热以供膨胀期间被吸收。 该循环液体反过来通过常规的空冷或水冷 热交换器 ( 在本图中未示出， 但在图 3 中示为 12) 与系统外部的热库 (heat reservoir)( 例 如， 大气、 池塘等 ) 进行热交换。该循环液体通过与内部热交换器连通的管道 53 和 54 流向 所述外部热交换器或从所述外部热交换器流回。
     图 1 中的设备还包括与计算机可读存储装置 1002 进行电子通信的控制器 / 处 理器 1004， 计算机可读存储装置 1002 可以采用任何设计， 包括但不限于基于半导体原理 或磁存储原理或光存储原理的设计。控制器 1004 被示为与系统中全部有源元件 (active element) 进行电子通信， 这些有源元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。系统所 使用的传感器的具体例子包括但不限于压力传感器 (P)1008、 1014 和 1024、 温度传感器 (T)1010、 1018、 1016 和 1026、 湿度传感器 (H)1006、 体积传感器 (V)1012 和 1022 以及流速传 感器 1020。
     如下面所详细描述的， 基于从一个或多个系统元件所接收到的输入， 并且也可能 基于从这些输入所计算出的值， 控制器 / 处理器 1004 可以动态地控制系统的操作以实现一 个或多个目标， 包括但不限于存储能量转化为有用功的最大化效率或受控的效率 ； 最大化、 最小化或受控的功率输出 ； 期望 (expected) 的功率输出 ； 与活塞有联系的转动杆的期望的 输出速度 ； 与活塞有联系的转动杆的期望的输出转矩 ； 与活塞有联系的转动杆的期望的输 入速度 ； 与活塞有联系的转动杆的期望的输入转矩 ； 与活塞有联系的转动杆的最大输出速 度； 与活塞有联系的转动杆的最大输出转矩 ； 与活塞有联系的转动杆的最小输出速度 ； 与 活塞有联系的转动杆的最小输出转矩 ； 与活塞有联系的转动杆的最大输入速度 ； 与活塞有 联系的转动杆的最大输入转矩 ； 与活塞有联系的转动杆的最小输入速度 ； 与活塞有联系的 转动杆的最小输入转矩 ； 或每级的空气的最大期望温度差。
     本单级系统的压缩循环的进程如下 ：
     在压缩循环的步骤 1 期间， 从液罐 28 向汽缸装置 21 的腔 22 加入液体 49d( 汇集 为液体 49e)， 使得当活塞 23 到达上止点 (top dead center， TDC) 时， 汽缸装置中的死体积 为零。这一步只需偶尔为之， 从而这一步在绝大多数循环中被省略。
     在压缩循环的步骤 2 期间， 来自压力室 25 的液雾通过泵 47 经管道 48 和喷嘴 44 被泵入汽缸腔 22 中。选定量的液雾足以吸收所述压缩步骤 ( 步骤 3) 期间所产生的热。液 体的体积比例必须足够小， 使得小液滴基本上不会融合起来以减小用于热交换的有效表面 面积 ( 即， 空气和液体之间的界面 )。典型地， 压力室 25 和汽缸装置 21 的腔 22 之间的压力 差足够大， 从而不需要泵 47 进行工作。
     在压缩循环的步骤 3 期间， 在液压或其它机械结构的作用下， 与活塞杆 19 连结的 曲柄轴 (crankshaft)( 未示出 ) 向上驱动活塞 23( 如图 8 所示 )， 从而压缩汽缸腔中所包含 的空气和雾。
     当汽缸腔 22 中的空气压强基本上等于压力室 25 中的压强时 ( 此时出口阀门 38 打开 )， 压缩循环的步骤 4 就开始进行， 使压缩空气从汽缸腔流向压力室。由于在所述压缩 循环的步骤 1 中加入到汽缸装置内的液体之故， 在本步骤期间， 汽缸腔中几乎所有的空气 都被挤出去。压缩空气连同任何残留液雾通过进给喷嘴 (inlet puzzle)11 被引入压力室 25 中， 产生小气泡， 从而压缩期间所产生的热就很快地与压力室中的液体 49f 进行交换。
     在压缩循环的步骤 5 期间， 活塞 23 被向下拉， 使低压空气通过阀门 36 和导管 30 重新填满汽缸腔。上述表格表明， 在本步骤期间阀门 39 是关闭的， 以及在步骤 5 期间泵 47 是断开的。然而， 这不是必需的。在其它实施例中， 在步骤 5 期间， 阀门 39 可以打开， 泵 47 可以接通， 使得汽缸腔在重新充满空气时被引入液雾。
     本单级系统的膨胀循环的进程如下 ：
     在膨胀循环的步骤 1 期间， 从液罐 28 向汽缸腔加入液体以消除系统中的死体积。 如上所述， 只在很少的时候需要这样做。与所述压缩循环类似， 如果液罐 28 所处的高度比 汽缸装置 21 的腔的高度高， 那么可以取消泵 46。
     在膨胀循环的步骤 2 期间， 通过在正确的时间间隔打开进给阀 (inletvalve)37 向 汽缸装置的腔中加入预定量的空气 V0， V0 依赖于压力室中空气的压强和所希望的膨胀比。 所需要的 V0 为汽缸装置的总容积除以希望的膨胀比。对于单级系统， 该比率小于或等于空 气储存罐中的空气的以大气压为单位的压强值。 同时， 将空气引入汽缸腔 22， 通过进给喷嘴 44 将来自压力室的液雾泵入 ( 通过泵 47) 汽缸腔中。如果在压力室 25 和汽缸装置 21 之间 存在足够大的压强差， 则不需要泵 47。一旦汽缸腔中的压强足够大， 阀门 37 就关闭。随着 本步骤的进行， 活塞 23 朝着 BDC 的方向被推动， 通过曲柄轴、 液压或其它机械装置将功率传 送到系统外。
     在膨胀循环的步骤 3 期间， 在步骤 2 中引入的空气在腔 22 中膨胀。液雾也通过喷 嘴 44 不停地被泵入腔 22 中。所引入的液雾的预定总量为向系统加入足够的热以便在空气 膨胀期间保持温度基本不变所需要的量。在本步骤期间， 活塞 23 被推动到汽缸装置的底 部。 应该意识到， 这个两步膨胀过程 ( 在第一步中引入一定量的空气 V0- 步骤 2- 然后 在第二步中使之膨胀 - 步骤 3) 基本上能使系统抽取压缩空气中的所有能量。
     在膨胀循环的步骤 4 中， 曲柄轴或其它机械联动装置将活塞 19 移回上止点 (TDC)， 从汽缸装置排出用过的空气和液雾。驱动活塞所需要的功率来自系统的动量和 / 或来自其 它异相 (out of phase) 活塞的运动。被排出的空气通过气液分离器， 而被分离出的液体则 返回液罐 28。
     多级系统 (multistage)
     当压缩 / 膨胀比要求比向系统传送或从系统传送出机械功率所依赖的机械或液
     压方法所能提供的压缩 / 膨胀比更大时， 就应该使用多级。图 2 中以示意的形式示出了一 个具有三级 ( 即， 第一级 24a、 第二级 24b 和第三级 24c) 的多级压缩空气能量存储系统 20。 可以类似地构造具有更多级或更少级的系统。注意， 在下面的所有附图中， 当字母 a、 b和c 与数字名称一起使用时 ( 例如， 25a)， 它们是指多级能量存储系统 20 的某个级中的元件。
     根据本发明， 每个级典型地可以具有基本上相同的膨胀比。一个级的膨胀比 r 是 总膨胀比的 N 次方根。即，
     其中， R 为总的膨胀比， 而 N 为级的数目。然而应该意识到， 不同的级可以具有不 同的膨胀比， 只要所有级的膨胀比之积为 R 即可。就是说， 例如， 在三级系统中，
     r1×r2×r3 ＝ R
     为了使每个级的质量流率 (mass flow rate) 基本上相同， 低压级的汽缸腔需要具 有较大的排量。在多级系统中， 各汽缸腔的相对排量由下面的公式决定 ：
     其中， Vi 是第 i 个汽缸装置的容积， 而 Vf 是系统的总排量 ( 即， 所有汽缸装置的排 量之和 )。举例来说， 假设一个三级系统的总排量为 1 升。如果每个活塞的冲程长度基本 上相同并且基本上等于最后一级汽缸腔的口径 ( 直径 )， 那么， 三个汽缸腔的容积就约为 3 3 3 19cm 、 127cm 和 854cm 。口径约为 1.54cm、 3.96cm 和 10.3cm， 而冲程长度对于这三个级来 说均为 10.3cm。压强最低的汽缸装置是最大的， 而压强最高的汽缸装置是最小的。
     图 9 是三个级 24a、 24b 和 24c 如何耦合 (couple) 到液压系统 ( 例如， 液压马达 57 和六个液压缸 61a1-61c2) 以产生连续近均匀功率输出的示意表示。每个压缩空气驱动 的汽缸装置 21a1-21c2 的相应的每个压缩空气驱动的活塞 23a1-23c2 通过各自的活塞杆 19a1-19c2 耦合到各个液压缸装置 61a1-61c2 的相应的活塞 60a1-60c2 上。
     如上所述， 空气驱动的汽缸装置 21a1-21c2 的腔的排量是不同的。然而， 液压缸装 置 61a1-61c2 的腔的排量却基本上相同。因为每个空气驱动的活塞所产生的力在所述三个 级上基本上是相同的， 每个液压缸装置向液压马达 57 提供基本上相同的压强。注意， 在这 个配置中， 构成某一给定级 ( 例如， 第一级 24a) 的两个空气驱动活塞 21a1、 21a2 彼此之间 180°反相工作。
     多级系统中使用液雾实现热交换的级
     如果某个级是单作用的 (single-acting) 并且使用液雾来实现热交换， 那么， 它 根据上述标题为单级系统的小节中所描述的方案来工作。 图 4 中示意地示出了多级系统 20 的每个单作用级 ( 例如， 图 2 中的第二级 24b)。在这个配置中， 空气通过管道 92a/90b 在 压缩过程中从下一个压强较低的级 ( 例如， 第一级 24a) 的压力室 25a 传送到所示的第二级 24b 的汽缸腔 22b， 而在膨胀过程中传送到所述下一个压强较低的级 (next lower pressure stage) 的压力室。液体通过管道 93a/91b 传到或来自下一个压强较低的级的压力室 25a。
     相反， 空气通过管道 92b/90c 在压缩过程中从所示级 ( 例如， 第二级 24b) 的压力 室 25b 传送到下一个压强较高的级 ( 例如， 第三级 24c) 的汽缸装置的腔中， 而在膨胀过程 中则来自所述下一个压强较高的级 (next higher pressurestage) 的汽缸装置的腔。应该
     意识到， 除了在图 4 中有一条管道 93b 将液体从一个级的压力室传送到下一个压强较高的 级的汽缸装置的腔中之外， 所示的空气压缩 / 膨胀机构 ( 即， 第二级 24b) 与图 1 中所示的 中央元件 ( 第一级 24 的汽缸装置 21 和压力室 25) 是完全相同的。压强最高的级不需要管 道 93b ； 因此， 管道 93b 在单级配置的图 ( 图 1 和图 3) 中不出现。
     如果所示级是压强最低的级 ( 例如， 图 2 的实施例中的第一级 24a)， 那么， 管线 90a 在膨胀循环期间将空气传送到气液分离器 ( 例如， 图 1 中的分离器 27)， 而在压缩循环 期间从空气过滤器 ( 例如， 图 1 中的过滤器 26) 传送空气。类似地， 如果所示级为压强最低 的级， 那么， 管线 91a 使液体流向所述液罐或从所述液罐流出。如果所示级为压强最高的级 ( 例如， 第三级 24c)， 那么， 空气通过管道 92c 传送到气罐 ( 例如， 图 1 中的气罐 32) 或从气 罐传送出来。
     利用气泡实现热交换的单作用级
     本发明的一个具体实施例不是利用喷到汽缸装置或压力室中的液雾以便在空气 压缩时冷却空气或在空气膨胀时加热空气， 而是利用逆过程。如图 6 最佳地示出的， 即， 空 气形成气泡向上穿过汽缸装置 21c 的腔 22c 中的液体 49c1。 当实现必须的热交换所需要的 液雾的体积比例大到在压缩循环期间引起高百分比的小液滴发生融合时， 与上述喷雾方法 相比， 应该优先使用本过程。典型地， 这发生在较高的压强下。此后， 图 6 中标志符 c 的使 用 ( 例如， 25c) 表示第三级即高压级。
     如上面结合图 1 所述， 图 6 中的设备还包括与计算机可读存储装置 6004 进行电子 通信的控制器 / 处理器 6002， 计算机可读存储装置 6004 可以采用任何设计， 包括但不限于 基于半导体原理或磁存储原理或光存储原理的设计。控制器 6002 被示为与系统中全部有 源元件进行电子通信， 这些有源元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。 系统所使用 的传感器的具体例子包括但不限于压力传感器 (P)6008 和 6014、 温度传感器 (T)6010、 6016 和 6018 以及体积传感器 (V)6012。
     图 6 示出了使用气泡以利于热交换的级。该单作用级系统的压缩循环的进程如 下：
     相反， 该单作用级系统的膨胀循环使用下面的进程 ：在膨胀循环期间， 来自本级 ( 例如第三级 24c) 中的汽缸装置 21c 的腔 22c 的气液 混合物通过阀门 108c 和管道 91c/95b 被传送到下一个压强较低的级 ( 例如第二级 24b) 的 压力室 25b。 在压缩过程中， 空气例如通过管道 92b/90c 从下一个压强较低的级 24b 被传送 到这一第三级 24c 中的汽缸装置 21c 的腔 22c 中。
     相反， 来自这一第二级 24c 的压力室 25c 的空气， 例如， 通过管道 92c/90d 随着管 道阀门 (in-line valve)41c 的操作被传送到下一个压强较高的级的汽缸腔 22d 或从下一 个压强较高的级的汽缸腔 22d 被传送出来。来自这个级的压力室 25c 的液体 49c 例如通过 管道 93c/94d 被传送到下一个压强较高的级 24d 的汽缸腔 22d 中。来自所述下一个压强较 高的级的汽缸腔 22d 的气液混合物 ( 在其膨胀循环期间 ) 通过管道 91d/95c 被传送到这个 级的压力室 25c 中。
     应该意识到， 在一些多级系统中， 一些 ( 压强较低的 ) 级可以运用喷雾技术， 而其 它 ( 压强较高的 ) 级则可以运用气泡技术来存储或从中排除能量。
     多相 (multiple phases)
     到此所描述的系统代表了单相实施例。就是说， 所有活塞在一个循环的过程中一 起工作。例如， 在膨胀期间， 这就在所述循环的一半中产生数量变化的机械功输出， 而在所 述循环的另一半中需要一些功输入。利用飞轮 ( 未示出 ) 可以便于进行所述功的输入。
     为了使一个循环过程中的功输出平滑以及减少对飞轮的需求， 在一个实施例中， 可以运用多系统相。因此， N 组活塞可以相隔 360/N 度来工作。例如， 四整组活塞可以相差 90°相位来工作， 从而使输出功率平滑并实现自起动和优先工作方向。 注意， 将汽缸装置与 压力室连接起来的阀门只在比一个循环的一半还少的过程中打开， 因此在相差 180°的两 个相之间可以共用一个压力室。
     如果使用 N 个相， 并且 N 为偶数， 那么， 多个成对的相均相差 180°， 并且可以使用18
     102365458 A CN 102365479说明书16/205 页双作用活塞来实现。图 5 示出了使用液雾来实现热交换的双作用级。每半个活塞的按照 “单级系统” 小节中所描述的方案来工作， 但相差 180°。
     如上面结合图 1 所描述的， 图 5 中的设备还包括与计算机可读存储装置 5004 进行 电子通信的控制器 / 处理器 5002， 计算机可读存储装置 5004 可以采用任何设计， 包括但不 限于基于半导体原理或磁存储原理或光存储原理的设计。控制器 5002 被示为与系统中全 部有源元件进行电子通信， 这些有源元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。 系统所 使用的传感器的具体例子包括但不限于压力传感器 (P)、 温度传感器 (T)、 湿度传感器 (H) 以及体积传感器 (V)。
     图 5 所示的双作用级的压缩循环的进程如下 ：
     注意， 在一些具体的实施例中， 步骤 5 不是必要的， 并且可以在绝大多数循环中可 以省略， 因为活塞中的液体水平在很长时间的操作中基本上保持不变。
     相反， 图 5 所示的双作用级的膨胀循环的进程如下 ：
     注意， 和压缩过程一样， 步骤 5 很少需要， 并且在绝大多数循环中可以省略。
     具有多汽缸装置的级
     如果希望多级系统 20 中的所有汽缸装置基本上都具有相同的尺寸， 那么， 较大的 ( 压力较低的 ) 汽缸装置可以分成两个或多个并列并相通的较小汽缸装置。图 7 示出了这 种级的一个例子， 该例子是图 4 的实施例中所述的级的实施例的另一种实施例。在本配置 中， 四个基本上相同的汽缸装置 21b1-21b4 共用一个包含液体 49b 的压力室 25b。然而， 如 果希望这些汽缸装置彼此异相地工作从而整个系统可以更均匀地传输功率， 那么， 每个汽 缸装置将需要单独的压力室。如上所述， 相差为 180°的汽缸装置是例外， 这种汽缸装置可 以共用同一压力室。
     再参看图 7 中的实施例， 每个汽缸装置 21b1-21b4 按照上面的 “单级系统” 小节中 所描述的喷雾型系统所使用的方案来工作。
     多汽缸装置级既可以是单作用的， 也可以是双作用的 (double-acting)， 并且既可 以使用液雾也可以使用气泡来实现热交换。多级系统中， 可以是一些级具有单汽缸装置而 其它级具有多汽缸装置。
     用于向系统输入和从系统输出机械功率的选项
     根据本发明， 至少可以采用四种方法向某个级输入或从某个级输出功率。这些方 法叙述如下， 并示于图 8 中。
     W. 直接作用液压汽缸装置 21w 示于图中并如下所述进行工作。
     在膨胀循环期间， 通过阀门 121w 和管道 122w 进入汽缸装置 21w 的腔 22w 中的空气 将液压液 (hydraulic liquid)49w 通过阀门 123w 排出。然后， 其通过管道 124w 流动。由 空气这样作用在所述液体上的力可以用来使液压装置 ( 例如， 如图 9 所示的液压马达 57、 液 压汽缸装置或水轮机 ) 工作以产生机械功率。在压缩循环期间， 逆过程发生。外部的机械 功率源使液压泵或汽缸装置工作， 该外部的机械功率源通过阀门 123w 将液压液 49w 推入汽
     缸腔 22w 中， 压缩该腔中的空气。当该空气达到期望的压强时， 阀门 121w 被打开， 使该压缩 空气从汽缸腔 22w 流到下一个压强较高的级或流到气罐中。
     X. 单作用活塞 23x( 也示于图 4 中 ) 可以通过活塞杆 19x 与常规的曲柄轴相连。 其工作原理在上面题目为 “单级系统” 的小节中被详细地描述。
     Y. 双作用活塞 ( 也示于图 5 中 ) 可以类似地通过活塞杆 19y 与曲柄轴相连。其工 作原理在上面题目为 “多相” 的小节中被详细地描述。
     Z. 具有隔膜 125 的液压汽缸装置示于图中， 在膨胀循环期间， 当空气通过阀门 121z 进入汽缸装置 22z 时， 向下推动隔膜 125。于是， 就推动或驱动液压液 49w 穿过阀门 123z 以及通过管道 124z。 类似地， 在压缩过程期间， 通过阀门 123z 驱动液压液 49z， 使其进 入汽缸腔 22z 中， 从而向上弯曲隔膜 125， 压缩腔 22z 的上部中的空气， 于是该空气通过阀门 121z 排出。
     注意， 使用这四种选项时， 既可以采用喷雾技术也可以采用气泡技术来实现热交 换。图 8 中未示出提供液雾或气泡的必要的阀门和喷嘴。
     尽管上面的例子描述了活塞的使用， 但可以使用其它类型的可移动部件， 这些可 移动部件也在本发明的范围之内。可以使用的其它类型的设备的例子包括但不限于螺杆 压缩机 (screw compressors)、 多叶片鼓风机 (multi-lobeblowers)、 叶片式压缩机 (vane compressors)、 摆线泵 (gerotors) 以及奎西发动机 (quasi-turbines)。
     单级单作用能量储存系统
     下面参考图 3 中的实施例来描述使用两个压力室 25d 和 25e 并将其配置为直接作 用液压汽缸装置 ( 上面的选项 A) 的单级单作用能量储存系统 20。所述两个压力室以彼此 基本上 180°相差工作。 在压缩循环期间使用液雾来实现热交换， 而在膨胀循环期间使用气 泡和液雾来实现热交换。
     如上面结合图 1 所描述的， 图 3 中的设备还包括与计算机可读存储装置 3008 进行 电子通信的控制器 / 处理器 3006， 计算机可读存储装置 3008 可以采用任何设计， 包括但不 限于基于半导体原理或磁存储原理或光存储原理的设计。控制器 3006 被示为与系统中全 部有源元件进行电子通信， 这些有源元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。系统 所使用的传感器的具体例子包括但不限于压力传感器 (P)3016、 3022 和 3038、 温度传感器 (T)3018、 3024 和 3040、 湿度传感器 (H)3010 以及体积传感器 (V)3036、 3014 和 3020。
     单级单作用能量储存系统 20 的压缩循环的进程如下 ：
     在步骤 1 期间， 利用液压泵马达 57 将流体从压力室 25e 泵入压力室 25d 中， 由此 压缩压力室 25d 中的空气。通过喷嘴 141 喷射液雾， 液雾吸收压缩产生的热。当压力室 25d 中的压强达到气罐 32 中的压强时， 阀门 132 被打开， 以便使压缩空气传送到所述气罐。在 这些步骤进行的过程中， 大气压下的空气通过管道 10 和空气过滤器 26d 进入了系统， 然后 进入压力室 25e 以替代被泵出压力室 25e 的流体。
     当所有的空气都被排出压力室 25d 时， 所述过程反过来进行， 从而步骤 3 开始， 四 通阀 138 改变状态以使液体被泵出压力室 25d 并被泵入压力室 25e， 使压力室 25e 中的空气 被压缩。因此， 在连续的循环中， 液体在压力室 25d 和 25e 之间被泵来泵去。
     单级单作用能量储存系统 20 的膨胀循环的进程如下 ：
     在步骤 1 中， 压缩空气通过喷嘴 11d 形成气泡进入压力室 25d 中。当这些气泡上 升时， 它们与流体 49d 进行热交换。空气被排出压力室 25d， 通过管道 139d， 然后驱动液压 泵 57， 从而传输机械功率。
     在步骤 2 中， 允许压缩空气进入压力室 25d 的阀门 133 被关闭， 允许压力室 25d 中 的空气膨胀， 使马达 57 连续地工作。在步骤 3 中， 一旦步骤 1 中允许进入的空气上升到压 力室 25d 的顶部而不能再与流体 49d 进行热交换， 那么通过喷嘴 141 向所述压力室中喷入 液雾以进一步加热膨胀的空气。
     当流体在步骤 1、 2 和 3 中通过液压马达 57 时， 它继续通过管道 139e 并进入压力 室 25e， 推动该压力室中的空气通过管道 140 并进入集液箱 13d 中， 然后再通过空气过滤器 26d 以及最后通过管道 10 进入大气中。
     步骤 4、 5 和 6 是步骤 1、 2 和 3 的对称步骤。就是说， 使压缩空气形成气泡进入压 力室 25e， 推动流体通过液压马达 57， 然后进入压力室 25d 中。
     如果集液箱 13e 在工作过程中被耗尽， 那么就利用一个与管道 140 相连的泵 ( 所 述图中未示出 ) 将额外的液体从集液箱 13d 的底部泵入压力室 25d 和 25e 中。
     随着时间的进行， 集液箱 13d 和 13e 都将因进行热交换的空气和残留液滴而改变 温度， 压力室 25d 和 25e 中由螺旋管 52d 和 52e 所示的并且与常规的与环境进行热交换的 外部热交换器 12 相连的热交换器将温度调节到接近大气温度。
     在步骤 1 和 3 期间被形成气泡而进入压力室的压缩空气的体积依赖于所希望的功 率输出。 如果所述空气在不移除所述压力室中的所有液体的情况下能够完全膨胀到一个大 气压， 那么， 在这个冲程中将做最大量的功。如果在所述冲程中所述空气没有完全膨胀， 那 么， 在其它相同的情况下， 以降低效率为代价功率输出会更大。
     注意， 所述压力室的高度要足够高， 使得气泡在所述冲程过程期间到达液体的表 面， 因为与所述液体进行的几乎所有的热交换发生在这些气泡向上穿过该液体时。 然而， 所 述压力室必须足够高， 以便使气泡列在排气冲程完成的时候与所述液体完全分离。如果系 统必须慢速运行， 那么一些气泡在膨胀过程完成前就会到达顶部。 在这种情况中， 膨胀循环 中通过喷嘴 141( 在步骤 3 中 ) 或喷嘴 142( 在步骤 6 中 ) 喷射液雾。
     图 3 用来说明基本原理。在希望有大的膨胀比的系统中， 需要使用多个级 24。
     系统配置
     应该明白， 可以根据本发明设计多个能量储存系统实施例。这些能量储存系统 20 可以是单级的也可以是多级的。这些级可以是单汽缸装置也可以是多汽缸装置。热交换可 以通过液雾实现也可以通过气泡实现。 功率可以通过前面小节中所描述的至少四种方法中 的任何方法传输到系统中或从系统传输出来。 每种可能的配置对于具体应用或一组设计优 先事项来说都有优点。在这里描述这些配置中的每一个配置是不实际的， 但希望所给出的 信息对于本领域中的人员来说足以根据要求配置出这些可能的能量储存系统中的任何能 量储存系统。
     一些配置可以有下述共同元素 ：
     1. 空气的近等温膨胀和压缩， 采用上表面与所述空气接触的液相来实现所需要的 热交换。
     2. 既能压缩空气也能膨胀空气的可逆机构。
     3. 对阀门时序进行电子控制以便从给定体积的压缩空气获得最大可能功输出。
     4. 如果所述能量储存系统使用液压马达或水轮机， 那么该设备的机杆直接或通过 变速箱与马达 - 发电机相连。如果所述能量储存系统使用往复活塞， 那么， 使用能够将往复 运动转化为机杆转矩的曲柄杆或其它机械联动装置。
     膨胀过程中废热的利用
     为了在等温下工作， 空气在膨胀同时做功 ( 即， 通过推动活塞或移动换液压液 ) 时 的冷却趋势必须通过与周围空气或水体 ( 例如， 溪流或湖泊 ) 的热交换来抵消。然而， 如果 一些其它的热源是可用的， 例如， 来自蒸汽冷凝器的热水， 那么在膨胀循环中就可以有利地 加以利用。在图 1 中， 如在上面的 “单级系统” 小节中所描述的， 管道 53 和 54 连接到外部 热交换器。 如果那些管道连接到热源而不是外部热交换器， 那么， 可以大大地提高所述膨胀 过程的效率。
     由于系统基本上在大气温度或在大气温度附近工作， 因此， 热源为了在这点上有 用只需要比大气高几度的温度即可。然而， 所述热源必须有足够的热质量以便在所述循环 中提供使膨胀过程处于大气温度或大气温度之上所需要的全部热量。
     如上面所详细描述的， 本发明所述的存储和复原能量的系统和方法的实施例特别 适合于结合包含处理器和计算机可读存储介质的主机来实现。 这样的处理器和计算机可读 存储介质可以内嵌在所述设备内， 和 / 或可以通过外部输入 / 输出装置进行控制和监视。图 20 是本发明的一个实施例所述的用于处理信息的计算装置的简化图。这个图只是一个 例子， 这里， 它不应该限制本发明的范围。 本领域中的普通技术人员会认识到许多其它的变 型、 修改和替换。本发明所述的实施例可以在单个应用程序 ( 诸如浏览器 ) 中实现， 也可以 在分布式计算环境 ( 诸如客户服务器模式中的工作站、 个人电脑或远程终端 ) 作为多个程 序来实现。
     图 20 示出了包含显示装置 2020、 显示屏 2030、 机箱 2040、 键盘 2050 和鼠标 2070 的计算机系统 2010。鼠标 2070 和键盘 2050 是代表性的 “用户输入装置” 。鼠标 2070 包括 在图形用户界面装置上选择按钮的按钮 2080。用户输入装置的其它例子为触摸屏、 光笔、 轨迹球、 数据手套、 麦克风等。图 20 仅表示用于实现本发明的一种系统。对于本领域中的 普通技术人员来说， 很清楚， 很多系统类型和配置适合于与本发明一起使用。 在一个优选实 TM 施例中， 计算机系统 2110 包括基于奔腾 系列的计算机， 运行微软公司的 WindowsTMXPTM 或 Windows7TM 操作系统。然而， 在不偏离本发明的范围的情况下， 本领域中的普通技术人员可 以容易使这些设备适应其它的操作系统或体系。
     如上所述， 鼠标 2170 可以具有一个或多个按钮， 如按钮 2180。 机箱 2140 容纳熟知 的计算机部件， 诸如硬盘驱动器、 处理器、 存储装置等。 存储装置包括但不限于硬盘驱动器、 磁带、 固态存储器、 磁泡存储器等。机箱 2140 可以包括其它的硬件， 诸如用于将计算机系统 2110 连接到外部装置、 外部存储器、 其它计算机或其它外围设备的输入 / 输出 (I/O) 接口 卡， 下面将进一步描述。
     图 20A 是图 20 中的计算机系统 2010 中的基本子系统的图示。这个图只是一个图 示， 在这里不应该限制本发明的范围。 本领域中的普通技术人员会意识到其它的变型、 修改 和替换。在某些实施例中， 所述子系统通过系统总线 2075 互联。示出了其它的子系统， 诸 如打印机 2074、 键盘 2078、 固定盘 2079、 与显示适配器 2082 相连的显示器 2076 以及其它部 件。与 I/O 控制器 2071 相连的外围及输入 / 输出 (I/O) 设备可以通过诸如串行口 2077 等 本领域公知的任何数目的方法与所述计算机系统相连。例如， 串行口 2077 可以用来将所述 计算机系统连接到调制解调器 2081， 调制解调器 2081 再连接到广域网 ( 诸如互联网 )、 鼠 标输入设备或扫描仪。通过系统总线的互联能使中央处理器 2073 与每个子系统通信， 以及 控制来自系统存储器 2072 或固定盘 2079 的指令的执行和在各子系统之间交换信息。本领 域中的普通技术人员很容易实现子系统和互联的其它设置。 系统存储器以及所述固定盘是 用于存储计算机程序的具体介质的例子， 其它类型的具体介质包括软盘、 可移动硬盘、 光学 存储介质 ( 诸如 CD-ROM 和条形码 ) 以及半导体存储器 ( 诸如闪存、 只读存储器 (ROM) 以及 电池支撑的存储器 )。
     图 21 是示意图， 示出了处理器 / 控制器、 接收到的各种输入、 执行的功能、 以及处 理器 / 控制器所产生的输出之间的关系。如所示出的， 处理器可以基于一个或多个输入控 制所述设备的各个工作特性。
     可以控制的这种工作参数的一个例子是在膨胀循环期间允许空气进入汽缸的入 口的打开和关闭的时序。图 11A-11C 是图 1 中的单级系统的汽缸 22 经历前述膨胀循环的 简化放大图。
     具体说， 在膨胀循环的步骤 2 期间， 通过将阀门 37 打开一段受控的时间从压力室 向腔中加入预定量的空气 V0。 计算空气的这个量 V0， 使得当活塞到达膨胀冲程的末尾时， 在所述腔内获得希望的压强。
     在某些情形中， 这个希望的压强应该近似等于下一个压强较低的级的压强， 如果 所述级是压强最低的级或是唯一的级， 则近似等于大气压强。因此， 在所述膨胀冲程的末 尾， 初始空气量 V0 中的能量已经被完全消耗了， 并且在将该膨胀空气被传送到下一个压强 较低的级的过程中， 很少浪费或不浪费能量。
     为了实现这个目标， 阀门 37 只打开这样长的时间以使希望的量的空气 (V0) 进入 所述腔中， 之后在步骤 3-4 中 ( 图 11B-C)， 阀门 37 保持关闭。在某些实施例中， 所述腔中 的希望的压强可以与下一个压强较低的级的压强相差 1psi 以内、 5psi 以内、 10psi 以内或 20psi 以内。
     在其它实施例中， 所述控制器 / 处理器可以控制阀门 37， 使其允许比 V0 大的初始 空气量进入。 当例如希望从给定的膨胀循环中以降低能量复原的效率为代价获得更大功率 时， 可以给出这样的指令。
     在压缩过程期间， 也可以仔细地控制阀门的打开和关闭的时序。例如， 如图 11D-11E 所示， 在与加入液雾和压缩相对应的所述表中的步骤 2 和 3 中， 在汽缸装置和压力 室之间的阀门 38 保持关闭， 并在所述汽缸内建立起压强。
     在常规的压缩机设备中， 累积的压缩空气通过止回阀 (check valve) 被封闭在所 述容器中， 该阀门设计为在阈值压强下机械地打开。这种利用压缩空气的能量激活止回阀 的方法减损了从用于做有用功的空气复原能量的效率。
     与此相比， 如图 11F 所示的， 本发明的实施例可以利用控制器 / 处理器在希望的 条件下 ( 例如， 当汽缸内建立起来的压强超过压力室中的压强一定的数量时 ) 精确地打开 阀门 38。在这种方式中， 汽缸内的压缩空气的能量不会被阀门打开过程消耗， 从而能量复 原的效率就提高了。可以用来进行控制以允许压缩空气流出汽缸的阀门类型的实施例包 括但不限于先导阀 (pilotvalves)、 凸轮控制提升阀 (cam-operated poppet valves)、 旋 转阀 (rotary valves)、 液压激活阀 (hydraulically actuated valves) 以及电子激活阀 (electronicallyactuated valves)。
     尽管所述单级设备的阀门 37 和 38 的工作时序可以如上述那样进行控制， 但应该 意识到， 也可以对其它实施例中的阀门进行类似的控制。 这种阀门的例子包括但不限于图 3 中的阀门 130、 132、 133、 134、 136 和 137， 图 4 中的阀门 37b 和 38b， 图 5 中的阀门 37b1、 38b1、 37b2 和 38b2， 图 6 中的阀门 106c 和 114c 以及图 7 所示的阀门 37b1-37b4 和 38b1-38b4。
     可以由处理器进行控制的系统参数的另一个例子是引入腔中的液体的量。 基于诸 如压强、 湿度、 计算的效率等值中的一个或多个值， 可以对压缩或膨胀过程中引入腔中的液 体的量进行仔细的控制以维持工作效率。 例如， 当在膨胀循环中引入腔中空气量大于 V0 时， 需要引入额外的液体以便将该膨胀空气的温度维持在希望的温度范围内。
     本发明不限于上述那些具体的实施例。 其它的方法和设备也可以落在本发明的范 围内。例如， 在每个循环中都不需要向汽缸装置加入液体的步骤。此外， 可以在引入空气的 同时向腔中加入液体。
     因此， 下面的表格描述了结合图 12A-12C 所示的利用液雾实现热交换的单级系统 的压缩循环的一个实施例中的步骤， 在图 12A-12C 中示出了与图 1 类似的元素。
     结合图 13A-13C， 在下面的表中示出了相应的膨胀循环， 其中液体与空气同时引入：
     此外， 如果使用气泡来实现热交换， 在每个循环中都不需要补充液体的步骤。 结合 图 14A-14C， 下面的表格描述了利用气泡实现热交换的单级系统的压缩循环的一个实施例 中的步骤， 在图 14A-14C 中涉及了与图 6 中的元件相似的元件。
     结合图 15A-15C， 在下面的表中示出了这个系统的相应的膨胀循环 ：在图 16A-16D 和下面的表中示出的是多相级的压缩循环的一个实施例的步骤， 涉 及图 5 中的元件 ：
     在图 17A-17D 和下面的表中示出了双作用级的相应的膨胀循环 ：在下面的表格中描述了图 18A-18D 所示的单级单作用能量储存系统的压缩循环， 其中， 在空气进入汽缸时喷入液雾， 其中具有图 3 所示的类似元件 ：
     如图 19A-19D 所示， 所示单级单作用能量储存系统的相应的膨胀循环的进程如下：
     上述具体实施例的变型是可能的。 例如， 在一些实施例中， 多个活塞可以与共同的 腔相连。在其它实施例中， 多级设备可以不包括单独的压力室。
     例如， 在图 10 的实施例中， 多个级通过热交换器直接连接起来， 而不是如图 4 中的 实施例那样通过压力室连接。 在两级系统中， 各循环的相对相位必须仔细地进行控制， 使得 当级 1 在进行排气步骤时， 级 2 在进行吸气步骤 ( 在压缩过程中 )。当级 2 在进行排气步骤 时， 级 1 在进行吸气步骤 ( 在膨胀过程中 )。
     对时序进行控制， 从而热交换器 10024 每端的压强在阀门 37 和 10058 打开时基本 上是相同的。通过打开阀门 10036 以及接通泵 10032 由汽缸 22 中的额外的水提供用于喷 嘴 44 的液体。类似地， 通过打开阀门 10038 以及接通泵 10034 由汽缸 10046 中的额外的水 提供用于喷嘴 10064 的液体。如前面所描述的， 工作期间这种精确的时序可以由与所述多 个系统元件进行通信的控制器 / 处理器的工作来实现。
     本发明不限于上面具体描述的实施例。例如， 尽管在上面的描述中用水作为注入
     空气中形成液雾的液体， 但其它液体也可以使用并落入本发明的范围内。可以使用的液体 的例子包括聚丙二醇 (polypropylene glycol)、 聚乙二醇 (polyethylene glycol) 和酒精。
     下面的权利要求涉及压缩过程。
     1. 一种储存能量的方法， 该方法包括 ：
     将第一温度下的第一定量的空气引入第一腔中 ；
     在压缩循环中， 通过与所述第一腔耦合的第一活塞对所述第一定量的空气进行压 缩；
     注入第一确定量的流体到所述第一定量的空气中以吸收所述压缩循环所产生的 热能， 从而在所述压缩过程期间将所述第一定量的空气维持在第一温度范围内 ； 以及
     将至少一部分所述第一定量的空气传送到第一压力室中。
     2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述第一确定数量的流体基于一个或多个 控制参数。
     3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 对所述压缩循环， 所述控制参数根据测量到 的物理特性来计算。
     4. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括压缩过程中所述第一定 量的空气的温度的最大升高。
     5. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述腔内以液体形式存 在的流体的量。
     6. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括效率。
     7. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括输入到所述活塞的功率。
     8. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述活塞的速度。
     9. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括作用在所述活塞上的力。
     10. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述活塞为固体、 液体或固体和液体的组 合。
     11. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述第一温度范围由所述第一定量的空气 在所述流体的沸点以下从第一温度到第二温度的温度变化来反映。
     12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中， 所述流体包括水。
     13. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 所述第一温度范围约为 60 摄氏度或更小。
     14. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述第一确定数量的流体通过喷射或喷雾 来注入。
     15. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 热能从所述第一定量的空气到所述第一确 定数量的流体的转移通过形成气泡穿过液体来方便地进行。
     16. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括将所述压力室中的压缩空气转移到存储 罐中。
     下面的权利要求涉及压缩和膨胀。
     17. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括 ：
     在膨胀循环中， 从所述第一压力室转移第二定量的空气到所述第一腔中 ；
     使所述第二定量的空气膨胀并驱动所述第一活塞 ； 以及
     注入第二确定量的流体到所述第二定量的空气中以提供被所述膨胀空气吸收的热能， 从而在所述膨胀期间将所述第二定量的空气维持在第二温度范围内。
     18. 根据权利要求 17 所述的方法， 还包括从所述第一活塞的驱动中产生电功率。
     19. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述第二确定量的流体基于一个或多个 控制参数。
     20. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 对所述膨胀循环， 所述控制参数根据测量 到的物理特性来计算。
     21. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述膨胀过程中所述 第二定量的空气的温度的最大降低。
     22. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述腔内以液体形式 存在的流体的数量。
     23. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括效率。
     24. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述第一活塞输出的 功率。
     25. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述活塞的速度。
     26. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括作用在所述活塞上的 力。
     27. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述第一确定量的流体通过喷射或喷雾 来注入。
     28. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 热能从所述第二定量的空气到所述第二 确定量的流体的转移通过将空气形成气泡穿过液体来方便地进行。
     29. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述流体包括水。
     30. 根据权利要求 17 所述的方法， 还包括在所述膨胀循环期间使所述腔利用另外 的热能。
     31. 根据权利要求 30 所述的方法， 其中， 所述另外的热能为来自另一个热源的废 热。
     32. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述第二温度范围由所述第二定量的空 气在所述流体的凝固点以上从第一温度到第二温度的温度变化来反映。
     33. 根据权利要求 32 所述的方法， 其中， 所述流体包括水。
     34. 根据权利要求 33 所述的方法， 其中， 所述第二温度范围约为 11 摄氏度或更小。
     34a. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 在所述第一活塞的膨胀冲程的结尾， 所 述第二定量的空气被设置为在所述第一活塞上产生基本上等于希望压强的压强。
     34b. 根据权利要求 34a 所述的方法， 其中， 所述希望压强为下一个压强最低的级 的输入压强或为大气压强。
     34c. 根据权利要求 34a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以使膨胀效率最大 化。
     34d. 根据权利要求 34a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以产生希望水平的 功率输出。
     34e. 根据权利要求 34a 所述的方法， 其中， 所述希望压强与所述下一个压强最低 的级的输入压强相差约 5psi 以内。下面的权利要求涉及多级工作。 35. 根据权利要求 17 所述的方法， 还包括 ： 提供第二腔， 该第二腔与所述第一压力室以及与第二压力室进行选择性流体传递； 从所述第一压力室向所述第二腔引入在第二温度下的第三定量的空气 ；
     在所述第二腔的压缩循环中， 通过与所述第二腔耦合的第二活塞对所述第三定量 的空气进行压缩 ；
     注入第三确定量的流体到所述第三定量的空气中以吸收所述压缩过程所产生的 热能， 从而在所述压缩过程期间将所述第三定量的空气维持在第三温度范围内 ； 以及
     转移至少一部分所述第三定量的空气到所述第二压力室中。
     36. 根据权利要求 35 所述的方法， 还包括 ：
     在所述第二腔的膨胀循环中， 从所述第二压力室转移第四定量的空气到所述第二 腔中 ；
     使所述第四定量的空气膨胀并驱动所述第二活塞 ；
     注入第四确定量的流体到所述第四定量的空气中以提供被所述膨胀空气吸收的 热能， 从而在所述膨胀期间将所述第四定量的空气维持在第四温度范围内 ； 以及
     从所述第二腔转移至少一部分所述第四定量的空气到所述第一压力室中。
     下面的权利要求涉及膨胀。
     37. 一种释放储存能量的方法， 该方法包括 ：
     在膨胀循环中， 从压力室转移一定量的空气到内部设置有活塞的腔中 ；
     使所述量的空气膨胀并驱动所述活塞 ；
     注入确定量的流体到所述量的空气中以提供被所述膨胀空气吸收的热能， 从而在 所述膨胀过程期间将所述量的空气维持在第一温度范围内。
     38. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 所述确定量的流体基于一个或多个控制 参数。
     39. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数根据测量到的物理特性来 计算。
     40. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述膨胀过程中所述 量的空气的温度的最大降低。
     41. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述腔内以液体形式 存在的流体的数量。
     42. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括效率。
     43. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括输入到所述活塞的功 率。
     44. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述活塞的速度。
     45. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述控制参数包括所述活塞上的力。
     46. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述活塞为固体、 液体或固体和液体的组 合。
     47. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述流体包括水。
     48. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述第一温度范围由所述第一定量的空 气从第一温度到第二温度的温度变化来反映， 所述变化小于确定的值。
     49. 根据权利要求 48 所述的方法， 其中， 较低的温度高于所述流体的凝固点。
     50. 根据权利要求 48 所述的方法， 其中， 较高的温度低于所述流体的沸点。
     51. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 所述第一确定量的流体通过喷射或喷雾 来注入。
     52. 根据权利要求 38 所述的方法， 其中， 热能从所述量的空气到所述确定量的流 体的转移通过使空气形成气泡穿过液体来方便地进行。
     52a. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 在所述活塞的膨胀冲程的结尾， 所述量 的空气被设置为在所述活塞上产生基本上等于希望压强的压强。
     52b. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 所述希望压强为下一个压强最低的级的 输入压强或为大气压强。
     52c. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以使膨胀效率最大 化。
     52d. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以产生希望水平的功 率输出。 52e. 根据权利要求 37 所述的方法， 其中， 所述希望压强与所述下一个压强最低的 级的输入压强相差约 5psi 以内。
     下面的权利要求涉及系统工作期间的温度差。
     53. 一种方法， 包括 ：
     提供一种能量储存系统， 包括压力室， 该压力室与内部设置有可移动活塞的腔进 行选择性流体传递 ；
     传送空气进入所述腔中 ；
     在压缩循环中， 通过使所述活塞与能量源进行能量传递以压缩所述腔内的空气来 存储能量， 然后将所述压缩空气转移到所述压力室中 ； 然后
     在膨胀循环中， 通过从所述压力室将空气转移回所述腔中同时使所述活塞随着所 述腔内的空气的膨胀而移动来释放能量 ；
     监视所述压缩循环和 / 或所述膨胀循环的工作参数 ； 以及
     控制所述工作参数以将所述腔内的空气的温度维持在一个范围内。
     54. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括在所述压缩循环期间 控制被引入所述腔内的空气中的液体的量。
     55. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 所述液体包括水。
     56. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括在所述膨胀循环期间 控制被引入所述腔内的空气中的液体的量。
     57. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 所述液体包括水。
     58. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 所述范围的下界大于被引入所述腔内的 空气中的液体的凝固点。
     59. 根据权利要求 58 所述的方法， 其中， 所述液体包括水。 60. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 所述范围的上界小于被引入所述腔内的空气中的液体的沸点。
     61. 根据权利要求 60 所述的方法， 其中， 所述液体包括水。
     62. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括在所述膨胀循环期间 控制空气从所述压力室转移到所述腔中的时序。
     62a. 根据权利要求 62 所述的方法， 其中， 控制所述时序， 使得在所述活塞的膨胀 冲程的结尾， 所述被转移的空气被设置为在所述活塞上产生希望的压强。
     62b. 根据权利要求 62a 所述的方法， 其中， 所述希望压强为下一个压强最低的级 的输入压强或为大气压强。
     62c. 根据权利要求 62a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以使膨胀效率最大 化。
     62d. 根据权利要求 62a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以产生希望水平的 功率输出。
     62e. 根据权利要求 62a 所述的方法， 其中， 所述希望压强与所述下一个压强最低 的级的输入压强相差约 5psi 以内。
     63. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述压力室中的 压强。
     64. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔中的压强。
     65. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔中的空气 的温度。
     66. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视流入所述腔中的 空气的湿度。
     67. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视从所述腔中排出 的空气的湿度。
     68. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述膨胀循环期 间所释放的功率。
     69. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述活塞的位置。
     70. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述活塞上的力。
     71. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述液体的温度。
     72. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述流体的温度。
     73. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述液体的流速。
     74. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述液体的流速。
     75. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔内的液体 的水平。
     76. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔内的液体 的水平。
     77. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔内的液体 的体积。
     78. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 确定工作参数包括监视所述腔内的液体 的体积。79. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中 ：
     所述活塞与转动杆连接 ； 以及
     确定工作参数包括监视所述转动杆的速度。
     80. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中 ：
     所述活塞与转动杆连接 ； 以及
     确定工作参数包括监视所述转动杆的转矩。
     81. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 基于从所监视到的工作参数计算出的导 出参数来控制所述工作参数。
     82. 根据权利要求 81 所述的方法， 其中， 所述导出参数从下面一组参数中选择， 该 组参数包括， 功率转换效率、 期望功率输出、 与所述活塞相连的转动杆的期望输出速度、 与 所述活塞相连的转动杆的期望输出转矩、 与所述活塞相连的转动杆的期望输入速度、 与所 述活塞相连的转动杆的期望输入转矩、 与所述活塞相连的转动杆的最大输出速度、 与所述 活塞相连的转动杆的最大输出转矩、 与所述活塞相连的转动杆的最小输出速度、 与所述活 塞相连的转动杆的最小输出转矩、 与所述活塞相连的转动杆的最大输入速度、 与所述活塞 相连的转动杆的最大输入转矩、 与所述活塞相连的转动杆的最小输入速度、 与所述活塞相 连的转动杆的最小输入转矩、 或每一级的空气的最大期望温度差。
     83. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 控制所述工作参数包括在所述压缩循环 期间控制空气从所述腔转移到所述压力室的时序。
     84. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 控制所述工作参数包括在所述膨胀循环 期间控制空气从所述压力室转移到所述腔的时序。
     85. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中， 控制所述工作参数包括控制液体流到所 述腔的时序。
     86. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中， 控制所述工作参数包括控制液体流到所 述腔的时序。
     87. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中，
     在所述压缩循环期间， 所述活塞与马达或马达 - 发电机相连 ； 以及
     控制所述工作参数包括控制提供给所述马达或马达 - 发电机的电功率的量。
     88. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中，
     在所述膨胀循环期间， 所述活塞与发电机或马达 - 发电机相连 ； 以及
     控制所述工作参数包括控制提供给所述发电机或马达 - 发电机的电负载。
     89. 根据权利要求 54 所述的方法， 其中，
     利用泵使所述液体流到所述腔中 ； 以及
     控制所述工作参数包括控制提供给所述泵的电功率的量。
     90. 根据权利要求 56 所述的方法， 其中，
     利用泵使所述液体流到所述腔中 ； 以及
     控制所述工作参数包括控制提供给所述泵的电功率的量。
     91. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中，
     所述压力室中的液体通过热交换器进行循环， 而所述热交换器与风扇进行热传 递； 以及控制所述工作参数包括控制提供给所述风扇的电功率的量。
     92. 根据权利要求 53 所述的方法， 还包括在所述膨胀循环期间， 使所述腔利用另 外的热能。
     93. 根据权利要求 92 所述的方法， 所述另外的热能为来自另一个热源的废热。
     94. 根据权利要求 53 所述的方法， 其中， 控制所述工作参数包括控制压缩比。
     95. 根据权利要求 53 所述的方法， 还包括将所述压力室中的压缩空气转移到储存 罐中。
     下面的权利要求涉及系统。
     96. 一种能量存储和复原系统， 包括 ：
     第一腔， 在其内部设置有可移动活塞， 并与能量源有选择地相通 ；
     压力室， 通过第一阀门与所述第一腔进行有选择的流体传递 ；
     空气源， 通过第二阀门与所述第一腔进行有选择的流体传递 ；
     液体源， 通过第三阀门与所述第一腔进行有选择的流体传递 ； 以及
     控制器， 在下述状态之一与系统元件进行电子通信并配置为对系统元件进行操 作：
     吸气步骤， 其中， 所述第一阀门关闭， 所述第二阀门打开， 以及所述第三阀门打开 或关闭 ；
     压缩步骤， 其中， 所述活塞与所述能量源相通， 所述第一和第二阀门关闭， 所述第 三阀门打开或关闭， 然后所述第一阀门随着所述腔内的空气被所述活塞压缩而被打开，
     膨胀步骤， 其中， 所述活塞与所述能量源不相通， 所述第一阀门打开， 所述第二阀 门关闭， 所述第三阀门打开或关闭， 使得空气在所述腔中膨胀以推动所述活塞， 然后所述第 一阀门随着所述空气继续膨胀而关闭， 以及
     排气步骤， 其中， 所述活塞与所述能量源不相通， 所述第一阀门关闭， 所述第二阀 门打开， 所述第三阀门打开或关闭 ； 以及
     其中， 所述控制器被配置为确定工作参数以便将所述第一腔中的空气的温度维持 在一个范围内。
     97. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述可移动活塞包括固 体活塞。
     98. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述可移动活塞包括液 体活塞。
     99. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括， 配置为向所述腔内的 空气注入液体的喷雾器。
     100. 根据权利要求 99 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述液体包括水。
     101. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括起泡器， 配置为在所述 压力室内在所述液体和空气之间转移热。
     102. 根据权利要求 101 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述液体包括水。
     103. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括传感器， 该传感器配置 为探测所述腔内存在的液体的体积， 所述传感器与所述控制器进行电子通信， 并用于确定 所述工作参数。104. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括传感器， 该传感器配置 为探测从下面一组特性中选择的特性， 所述一组特性包括压强、 温度、 湿度、 活塞的位置、 活 塞上的力、 液体的流速、 液体水平、 液体体积、 活塞所驱动的杆的速度、 以及活塞所驱动的杆 的转矩， 其中， 所述传感器与所述控制器进行电子通信， 并用于确定所述工作参数。
     105. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括发电机或马达 - 发电 机， 配置为在所述膨胀冲程期间与所述活塞有选择地连接。
     106. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述腔被配置为与热能 量源进行热传递。
     107. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括储存罐， 配置为从所述 压力室接收压缩空气。
     107a. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 其中， 在所述膨胀过程期间， 所述控制器被配置为操作所述第一阀门以引入空气， 使得在所述活塞的膨胀冲程的末尾， 所述活塞上的压强基本上等于希望的压强。
     107b. 根据权利要求 107a 所述的方法， 其中， 所述希望压强为下一个压强最低的 级的输入压强或为大气压强。
     107c. 根据权利要求 107a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以使膨胀效率最 大化。
     107d. 根据权利要求 107a 所述的方法， 其中， 计算所述希望压强以产生希望水平 的功率输出。
     107e. 根据权利要求 107a 所述的方法， 其中， 所述希望的压强与所述下一个压强 最低的级的输入压强相差约 5psi 以内。
     下面的权利要求涉及具有多级的系统。
     108. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括 ：
     第二腔， 其中设置有可移动活塞， 并与所述能量源有选择地相通 ； 以及
     第二压力室， 通过第四阀门与所述第二腔进行有选择的流体传递， 通过第五阀门 与所述第一压力室进行有选择的流体传递， 所述第四和第五阀门与所述控制器相连并被配 置为由所述控制器操作。
     109. 根据权利要求 96 所述的能量存储和复原系统， 还包括 ： 与所述第一腔和第一 压力室串接的多个第二腔和第二压力室， 使得所述第一腔的输出被传递到所述第二腔。
     下面的权利要求涉及处理器。
     110. 一种用于存储和复原能量的设备， 所述设备包括 ：
     主机， 包括与计算机可读存储介质进行电子通信的处理器， 所述计算机可读存储 介质存储有一个或多个代码用于命令所述处理器进行以下操作，
     接收指示能量存储和复原系统的特性的信号， 其中所述能量存储和复原系统包括 内部设置有可移动活塞并且与能量源有选择地相通的第一腔、 以及与所述第一腔进行有选 择的流体传递的压力室，
     根据所接收到的信号控制所述能量存储和复原系统的元件以便将所述第一腔内 的空气的温度维持在一个温度范围内。
     111. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的代码被配置为接收指示所述压力室压强的信号。
     112. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述第一腔的压强的信号。
     113. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述第一腔中的空气温度的信号。
     114. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述压力室中的空气温度的信号。
     115. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示被引入所述第一腔的空气的湿度的信号。
     116. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示功率输出的信号。
     117. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示从所述第一腔排出的空气的湿度的信号。
     118. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述活塞的位置的信号。 119. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述活塞上的力的信号。
     120. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示流到所述腔的液体的温度的信号。
     121. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示液体到所述腔的流速的信号。
     122. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述腔中的液体水平的信号。
     123. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示所述腔中的液体体积的信号。
     124. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示与所述活塞相连的转动杆的速度的信号。
     125. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为接收指示与所述活塞相连的转动杆的转矩的信号。
     126. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制压缩循环期间空气从所述腔转 移到所述压力室的时序。
     126a. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制膨胀循环期间空气从所述压力 室转移到所述腔的时序。
     127. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制液体到所述腔的转移的时序。
     128. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制被转移到所述腔中的液体的量。129. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制膨胀循环期间作用到与所述活 塞相连的发电机或马达 - 发电机上的电负载。
     130. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制压缩循环期间运用到与所述活 塞相连的马达或马达 - 发电机上的电功率。
     131. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制运用在泵上以便使液体流入所 述腔中的电功率。
     132. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制运用到风扇上的电功率， 其中所 述风扇与配置为从所述压力室接收液体的热交换器相关联。
     133. 根据权利要求 110 所述的设备， 其中， 存储在所述计算机可读存储介质上的 代码被配置为， 根据所接收到的信号， 命令所述处理器控制压缩比。
     下面的权利要求涉及多级系统。
     134. 一种能量存储和复原系统， 包括 ：
     第一级， 包括可移动以便压缩所述第一级中的空气的第一元件， 所述第一级通过 第一阀门与环境空气源进行有选择的流体传递 ；
     最终级， 包括可移动以便压缩所述最终级中的空气以及在所述最终级内的膨胀空 气作用下可移动的第二元件， 所述最终级通过第二阀门与压缩空气储存罐进行有选择的流 体传递 ；
     控制器， 配置为确定注入所述第一级或所述最终级中以便将所述第一级或所述最 终级中的空气的温度维持在一个温度范围内的液体的量 ； 以及
     液体源， 与所述控制器相连， 并且配置为将所确定量的液体注入所述第一级或注 入所述最终级中。
     135. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一可移动部件 在所述第一级内的膨胀空气的作用下也可移动。
     136. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一可移动部件 包括活塞。
     137. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一可移动部件 包括螺杆。
     138. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级或所述最 终级包括与腔进行有选择的流体传递的压力室。
     139. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级被配置为， 通过第三阀门将压缩空气转移到所述最终级或从所述最终级接收压缩空气。
     140. 根据权利要求 139 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级包括第一 腔， 在所述第一腔内设置有第一活塞作为所述第一可移动部件， 以及所述最终级包括第二 腔， 在所述第二腔内设置有第二活塞作为所述第二可移动部件， 所述第一级和最终级没有 压力室。141. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 还包括中间级， 所述中间级 被串联地置于所述第一级和所述最终级之间并在所述第一级和最终级之间进行有选择的 流体传递， 所述中间级包括第三元件， 该第三元件可移动以压缩所述中间级内的空气， 以及 在所述中间级内的膨胀空气的作用下可移动。
     142. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一可移动部件 在所述第一级内的膨胀空气的作用下也可移动。
     143. 根据权利要求 142 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级包括第一 腔， 在所述第一腔内设置有第一活塞作为所述第一可移动部件， 以及所述中间级包括第二 腔， 在所述第二腔内设置有第二活塞作为所述第三可移动部件。
     144. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述中间级包括第一 腔， 在所述第一腔内设置有第一活塞作为所述第三可移动部件， 以及所述最终级包括第二 腔， 在所述第二腔内设置有第二活塞作为所述第二可移动部件。
     145. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级、 所述中间 级或所述最终级包括与压力室进行有选择的流体传递的腔。
     146. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 其中， 相继的级不包括压力 室。
     147. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 还包括在所述第一级和所述 最终级之间串联地设置的其它的中间级。
     148. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第二可移动部件 包括活塞。
     149. 根据权利要求 148 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第二可移动部件 包括液体活塞。
     150. 根据权利要求 148 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第二可移动部件 包括固体活塞。
     151. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级的压缩比 大于所述最终级的压缩比。
     152. 根据权利要求 141 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述第一级的压缩比 大于所述中间级的压缩比， 所述中间级的压缩比大于所述最终级的压缩比。
     153. 根据权利要求 134 所述的能量存储和复原系统， 其中， 所述液体包括水。
     154. 一种储存能量的方法， 该方法包括 ：
     在第一级中接收环境空气 ；
     压缩所述第一级中的所述环境空气 ；
     将压缩空气转移到最终级 ；
     进一步压缩所述最终级中的空气 ；
     将所述进一步压缩的空气从所述最终级转移到储存罐 ； 以及
     确定工作参数， 以便在所述压缩过程或所述进一步压缩过程中将所述第一级或所 述第二级中的空气的温度变化维持在一个范围内。
     155. 根据权利要求 154 所述的方法， 其中， 所述被确定的工作参数包括打开或关 闭阀门控制空气转移到所述级或空气从所述级转移出的时序。156. 根据权利要求 154 所述的方法， 其中， 所述被确定的工作参数包括在所述压 缩过程或所述进一步压缩过程中注入所述第一级或所述最终级的液体的量。
     157. 根据权利要求 154 所述的方法， 其中， 压缩所述环境空气包括放置活塞， 该活 塞被设置在所述第一级的腔内， 与能量源相连。
     158. 根据权利要求 154 所述的方法， 其中， 压缩所述环境空气包括放置螺杆， 该螺 杆被设置在所述第一级的腔内， 与能量源相连。
     159. 根据权利要求 154 所述的方法， 其中， 压缩空气通过中间级被转移到所述最 终级， 其中在所述中间级中进行另外的压缩。
     160. 根据权利要求 154 所述的方法， 还包括 ：
     将压缩空气从所述储存罐转移到所述最终级中 ；
     在所述最终级中使所述压缩空气膨胀并驱动第一可移动部件 ；
     将空气从所述最终级转移到所述第一级中 ；
     使所述第一级中的压缩空气膨胀并在所述第一级中驱动第二可移动部件 ； 以及
     确定工作参数， 以便在所述第一级内或在所述第二级内空气膨胀期间将所述第一 级或所述第二级内的空气的温度变化维持在一个范围内。
     161. 根据权利要求 160 所述的方法， 其中， 所述被确定工作参数包括打开或关闭 阀门控制空气转移到所述级或空气从所述级转移出的时序。
     162. 根据权利要求 160 所述的方法， 其中， 所述被确定的工作参数包括在所述第 一级或所述第二级内的空气膨胀过程中注入所述第一级或所述最终级的液体的量。
     163. 根据权利要求 160 所述的方法， 其中， 所述第一可移动部件包括活塞。
     164. 根据权利要求 160 所述的方法， 其中， 所述第二可移动部件包括活塞。
     165. 根据权利要求 160 所述的方法， 其中， 空气通过中间级从所述最终级被转移 到所述第一级， 其中在所述中间级中空气进行进一步的膨胀。
     本发明所述的实施例涉及从温度差中提取能量。在具体的实施例中， 可以通过 压缩空气的膨胀来提取热源的能量。在某些实施例中， 包含压缩气体的存储单元与压缩 机 - 膨胀机进行流体传递。从所述存储单元接收到的压缩气体在所述压缩机 - 膨胀机中膨 胀， 从而产生能量。在这个膨胀过程中， 所述压缩机 - 膨胀机通过热交换器与热源进行有选 择的热传递， 从而提高通过气体膨胀所输出的功率。 在另外的实施例中， 如果所述热源连续 可用， 那么， 可以配置专用的气体膨胀机来驱动专用的压缩机。 这些实施例可以采用封闭系 统， 使用具有高热容特性的气体 ( 例如， 氦 ) 或系统在升高的基线压 (baselinepressure) 下工作所产生的高热容气体 ( 例如， 二氧化碳、 氢气或氖气 )。
     本发明的实施例一般地说涉及从温度差中提取能量。根据某些实施例， 可以对 来自热源的热量所体现的温度进行控制， 以便从压缩气体的膨胀中产生有用的能量。压 缩机 - 膨胀机与压缩气体存储单元进行流体传递。来自所述存储单元的压缩气体在压缩 机 - 膨胀机中膨胀以产生能量。在膨胀期间， 所述热源通过热交换器与所述压缩机 - 膨胀 机进行有选择的热传递， 以提高功率输出。在膨胀期间通过引入流体， 和 / 或在膨胀期间通 过对流入或流出压缩机 - 膨胀机的空气进行控制， 可以进一步使系统工作增强。
     为了在近等温下进行工作， 空气在膨胀做功 ( 即， 通过推动活塞或推动液压液 ) 时 的冷却趋势能够通过与热源的热交换来抵消。如果某种形式的热是可用的， 那么在膨胀循环中就可以加以利用以提高功率输出。
     在许多实施例中， 由于压缩气体系统被配置为基本上在大气温度或大气温度附近 工作， 因此， 在这点上， 所述热源为了有用只需要比环境高几度。 然而， 所述热源必须有足够 的热质量以便在所述循环中提供使膨胀过程处于大气温度附近所需要的全部热量。因此， 本发明的实施例能够利用低质量的热 ( 例如， 以来自另一个过程的废热的形式 ) 以提高从 压缩空气输出的功率。
     图 22 示出了本发明所述的从压缩空气 ( 尽管可以使用其它形式的压缩气体 ) 产 生能量的系统 2280 的一个实施例的简化方框图。 所述系统包括压缩机 - 膨胀机 2282， 该压 缩机 - 膨胀机可以具有与美国临时专利申请 No.61/221,487(“487 申请” ) 中所描述的压 缩机 - 膨胀机类似的结构， 但也可以具有其它的设计。
     压 缩 机 - 膨 胀 机 2282 与 压 缩 空 气 存 储 单 元 2284 通 流 体 (in fluidcommunication)。压缩机 - 膨胀机 2282 通过热交换器 2286 和阀门 2288 与热源 2290 或吸热设备 2292 有选择地热交换 (in selective thermal communication)。 热源 2290 可 以是具有低品质热 (low grade heat) 的源， 也可以是具有高品质热的源。热源 190 可以连 续地存在， 也可以在本质上是间歇式的。
     压缩机 - 膨胀机 2282 通过联动装置 2296 与马达 - 发电机 2294 有物理连接。 根据 具体的实施例， 联动装置 2296 可以是机械式的、 液压式的、 或气动式的。 马达 - 发电机 2294 反过来与诸如电网 2298 等电源电连接。
     系统 2280 的工作描述如下。在第一模式中， 系统 2280 被配置为通过将存储单元 2284 中存储的压缩空气转化为有用功而发电。 所述系统可以在例如电网的电力需求最高峰 时 ( 例如在工作日的早 7 点到晚 7 点之间 ) 被配置成这个第一模式。
     在图 22A 所描述的所述第一模式中， 压缩空气从存储单元 2284 流入压缩机 - 膨胀 机 2282 中， 此时压缩机 - 膨胀机 2282 作为膨胀机来工作。切换装置 (switch)2288 被配置 为允许在热源 2290 与热交换器 2286 和 / 或存储单元 2284 之间通热。
     本模式中由于来自热源的热的作用， 在压缩机 - 膨胀机中进行膨胀的空气的温度 变化减小， 从而产生的功率输出增大。这个功率输出再通过联动装置 2296 传输给马达 - 发 电机 2294， 此时马达 - 发电机 2294 作为发电机来工作。所述马达 - 发电机的功率输出再输 入到电网 2298 中用于消耗。
     在第二工作模式中， 系统 2280 被配置为向所述存储罐补充压缩空气的供给。所述 系统可以在例如电网上电力需求减少时被配置成这个第二模式。
     在图 22B 所示的所述第二模式中， 马达 - 发电机 2294 从电网 2298( 或直接从其它 的源， 诸如风力涡轮机或太阳能获取单元 ) 接收能量， 并驱动联动装置使压缩机 - 膨胀机 2282 作为压缩机而工作。切换装置 2288 被配置为允许在吸热设备 2292 与热交换器 2286 和 / 或存储单元 2284 之间进行热量交换。
     在本模式中， 由于热从压缩机 - 膨胀机转移到吸热设备中， 在压缩机 - 膨胀机中被 压缩的空气的温度变化减小， 从而使能量在转化到压缩空气中时损失较少。压缩空气再从 压缩机 - 膨胀机传送到压缩空气存储单元 2284 中， 用于之后在所述第一模式中复原。
     在某些实施例中， 切换装置 2288 在本质上可以是时控性的， 使得它可以根据流逝 的时间进行工作。其一个例子为日循环式， 其中， 在白天， 所述热交换器和 / 或存储单元与作为热源的太阳热交换。相反， 在夜间， 所述热交换器和 / 或存储单元与作为吸热设备的大 气冷空气通交换。在这些实施例中， 所述热源的量级可以通过诸如反射到所述热交换器和 / 或存储罐上等技术或通过为所述热交换器和 / 或存储罐提供用来增强对太阳辐射的吸收 的涂层来放大。
     在某些实施例中， 切换装置 2288 在本质上可以是物理性的， 使得它是可开动的， 以允许来自热源的热流体流到所述热交换器和 / 或存储单元的附近， 或允许来自吸热设备 的冷流体流到所述热交换器和 / 或存储单元的附近。这种类型的配置的例子包括一种切换 装置， 该切换装置与通向作为热源的发电厂或作为吸热设备的水体 ( 诸如冷却塔、 湖、 或海 洋 ) 的管道有选择地通流体。
     上述的系统的各种实施例的工作可以利用一种或多种单独或联合使用的技术来 加强。一种这样的技术为， 当空气进行膨胀或被压缩时在其中引入液体。特别是， 如果所述 液体比空气具有更大的热容， 那么从压缩空气传热以及向膨胀空气传热就会得到提高。这 一更大的热传导反过来使得压缩空气或膨胀空气的温度保持得更加稳定。 这种在压缩或膨 胀期间液体的引入在 “487” 申请中有详细的说明。
     在某些实施例中， 所述液体通过喷射装置作为液雾来引入。 在其它的实施例中， 所 述气体可以通过形成气泡穿过液体来引入。 其它的实施例可以同时采用液雾法和形成气泡 的方法、 和 / 或可以采用多级 ( 参见下文 )， 其中所述多级只在某些级中只采用液雾法和 / 或气泡法。 另一种可以用来增强系统工作的技术为对压缩机 - 膨胀机内的气体流进行精确 的控制。这种精确的控制可以利用配置为与压缩机 - 膨胀机的各元件进行电子通信的控制 器或处理器来实现。
     例如， 图 23 示出了本发明的一个实施例所述的单级压缩机 - 膨胀机 2300 的一个 实施例的简化方框图。 与这种压缩机 - 膨胀机的结构有关的进一步细节在下文中结合图 25 来提供。
     图 23 中的压缩机 - 膨胀机 2300 包括汽缸 2302， 在汽缸 2302 内设置有可移动部 件， 诸如活塞 2304。汽缸 2302 与压力室 2306 有选择地通流体。在压缩期间， 进入所述汽缸 的空气 ( 还可能有液体 ) 通过活塞被压缩， 然后压缩空气通过阀门 2308 流到压力室中。
     在常规的压缩机设计中， 阀门 2308 是止回阀， 该止回阀由汽缸中的压缩空气的压 强所产生的力来机械地开动。然而， 这种止回阀的开动会消耗所述压缩空气的一些能量。
     与之相比， 根据本发明的某些实施例， 阀门 2308 可以是另一种类型， 该阀门由处 理器或控制器的电子控制来进行操作。 适合于本发明的实施例所述的控制的阀门的例子包 括但不限于先导阀、 旋转阀、 凸轮控制提升阀、 以及液压、 气动或电子激活阀。 这种方式的电 子控制的使用可以避免与止回阀的常规激活有关的压缩空气的能量损失。
     精确的阀门控制也能够增强膨胀期间的操作。具体说， 可以精确控制阀门 2310 以 便在膨胀循环期间让汽缸只允许从压力室进入预定量的空气。可以计算所述预定量的空 气， 以便在膨胀冲程的末尾在活塞上产生希望的压强。在压缩机 - 膨胀机只有单个级， 或压 力室和汽缸构成了多级设计中的最低级的情形中， 所述希望的压强可以近似地等于大气压 强。在多级设计中， 所述希望的压强可以等于次最低级的压强。或者， 当希望有更大的功率 输出时， 可以控制阀门 2310 的打开和关闭的时序， 以允许足够量的空气进入， 使得膨胀冲
     程的末尾的希望的压强具有更大的值。
     尽管结合可配置为既作气体压缩机又作气体膨胀机的单元的使用描述了上述实 施例， 但本发明并不要求这一点。其它的实施例可以使用专门进行气体压缩或气体膨胀的 单独单元， 并且也属于本发明的范围之内。
     图 24A 示出了一个这种其它的实施例， 其中， 系统 2400 包括专用膨胀机 2402。专 用膨胀机 2402 的功能是， 接收压缩气体， 以及允许该压缩气体膨胀并转化为有用功。例如， 膨胀机 2402 内压缩气体的膨胀可以用来驱动共同的物理联动装置 2416， 该联动装置 2416 可以是机械式的、 液压式的、 气动式的或其它类型的。
     专用膨胀机 2402 反过来与热交换器 306 进行热交换， 该热交换器与热源 2410 热 交换。所述专用膨胀机通过热交换器 2406 从热源 2410 接收到的能量可以用来在流入所述 膨胀机中的压缩空气膨胀并转化为有用功 ( 例如， 驱动联动装置 2416) 时增强功率输出。 具 体说， 在气体膨胀之前或期间热源对气体的加热使气体的非等温膨胀所导致的热力学损失 减小。
     联动装置 2416 与专用压缩机 2403 有物理连接。专用压缩机 2403 可以通过联动 装置 2416 的工作来驱动， 使得它对从所述专用膨胀机输出的气体进行压缩。
     专用压缩机 2403 与热交换器 2405 热交换， 热交换器 2405 则与吸热设备 2412 热 交换。通过所述专用压缩机经热交换器 2405 与吸热设备 2412 的热交换而导致的所述专用 压缩机的温度降低可以用来减少压缩所述气体所需要的能量。
     联动装置 2416 也与发电机 2414 连接。基于该联动装置的运动， 发电机 2414 产生 电能， 该电能再输入电网 2418 用于消耗。
     在工作中， 开始时将一定量压缩空气例如通过用马达 ( 未示出 ) 驱动压缩机 2403 来提供给所述专用膨胀机。或者， 发电机 2414 可以反过来作为马达来工作。
     随后， 所述初始量的压缩空气流出所述存储单元进入所述专用膨胀机。该压缩气 体在膨胀机中的膨胀用来驱动所述联动装置。 压缩气体中存储的能量向机械功的转化被热 源所提供的能量所强化。
     由于这个能量的转化， 就激励所述联动装置操作专用压缩机 2403 对从专用膨胀 机获得的气体进行压缩， 并使该压缩气体流回膨胀机中以使其工作。 具体说， 气体压缩之前 或压缩期间吸热设备对该气体的冷却使气体的非等温压缩所导致的热力学损失减小。
     从膨胀气体复原的超过操作压缩机所需量的能量可以反过来用于发电。具体说， 所述机械联动装置的开动可以操作与电网 2418 相连的发电机 2414。
     诸如图 24A 所示的实施例可以提供一定的益处。一个可能的益处是， 图 24A 中的 系统可以采用具有希望特性的气体来工作。
     例如， 氦气可以是用于能量存储系统的有益的候选气体， 因为氦气具有较高的热 容。氦气的高热容使其在压缩和膨胀过程中分别有效地吸收和释放热。
     氦气的价格通常限制了它在开放系统中的使用。然而， 图 24A 中的实施例作为封 闭系统工作。 这个封闭的配置允许在所述专用膨胀机中膨胀的气体反过来被压缩并被送回 所述专用膨胀机。这样的再循环可以使氦气用于图 24A 所示的系统中是经济可行的。
     图 24A 所示的系统的实施例的封闭特性也可以使该系统采用高密度气体来工作， 这样会提高气体的热容。具体说， 由于图 24A 所示的系统是封闭的， 并且不依赖于外部空气， 因此， 它可以在基线压强下工作， 而基线压强显著高于大气压。这种基线压强的例子包 括但不限于高出大气压 5psi、 10psi、 20psi、 50psi、 100psi 或 200psi 的压强。 这种系统中的 高密度气体的增强了的热容提高了该气体在压缩和膨胀过程中分别释放和吸收热的能力， 从而潜在地增强了能量存储和复原期间这些过程的热力学效率。
     具有图 24A 所示实施例的系统也可以提供构造简单的益处。例如， 由于专用膨胀 机和专用压缩机的操作是并行的， 因此， 气体通常在被压缩之后几乎马上就用于膨胀。 这种 马上进行的膨胀可以避免需要提供单独的压力密封容器部件来存储压缩气体。
     此外， 由于图 24A 所示的系统中的气体不需要存储， 因此， 它可以利用基线压强和 压缩后的压强之间的较小差异来工作。所以， 图 24A 所示的系统的实施例中的气体的压缩 可能只使用单级就能得以实现， 这进一步简化了设计。
     在本发明的某些实施例中， 使用回热器 (regenerator) 可以增强性能。图 24B 是 简化图， 示出了包含回热器的设备的一个可选实施例。具体说， 设备 2450 包括专用压缩机 2453、 专用膨胀机 2452 和发电机 2454， 它们都与共同的转动轴 2466 机械连接。
     回热器 2460 被置于在这个闭合环路系统中的专用压缩机 2453 和专用膨胀机 2452 之间流动的气体当中。具体说， 在专用压缩机 2453 中被压缩、 然后被冷却为吸热设备 2462 温度的气体在通过回热器 2460 时， 通过附近流动的在专用膨胀机 2452 中膨胀、 然后被加热 到热源 2460 温度的气体传来热能而加热。反过来， 在专用膨胀机 2452 中膨胀并被加热为 热源 2460 温度的气体， 通过附近流动的在专用压缩机 2453 的压缩过程中被冷却的气体传 走热能而冷却。回热器 2460 中在流动气体之间的这个热能交换最终用来增大从膨胀气体 复原的能量的量。
     在其它的实施例中， 也可以通过在多个级上进行膨胀来获得与所述回热器部件所 表现出的效果类似的效果。 这样一个实施例示于图 24C 中， 其中， 除了第一专用膨胀机 2482 与第二专用膨胀机 2483 串行连接并互通流体， 同时所述第一和第二专用膨胀机与共同的 联动装置 2476 有物理连接之外， 系统 2480 类似于系统 2400。联动装置 2476 可以在本质上 是机械的， 诸如转动轴， 也可以是液压的或气动的。使用通过各自的热交换器 2484 和 2486 与热源 2470 通热的相继的专用膨胀级 2482 和 2483 提取热， 可以使第二膨胀级所输出的气 体的最终温度与从图 24B 所示的实施例中的回热器所输出的气体的最终温度相当。在另一 个实施例中， 热交换器 2484 和 386 可以与分离的不需要处于相同的温度的不同热源通热。
     图 24D 是简化图， 示出了本发明所述的设备的又一个实施例。如同图 24A 那样， 本 图示出了封闭系统， 其中气体 ( 这里是氦气 ) 是再循环的。
     图 24D 中的实施例包括两个膨胀机和两个压缩机， 它们全都在同一共同的转动轴 上机械地连接在一起。图 24D 中的具体系统最终工作来压缩二氧化碳用于存储。
     具体说， 图 24D 示出了一个用于压缩从燃烧废气中分离出的二氧化碳气体的系统 的实施例， 该系统唯一地由所述废气中可用的热来提供动力。
     与从煤烟气 (coal flue gas) 中分离二氧化碳的胺方法 (amine method) 相关的 几乎所有的寄生损失源于两个过程 ：
     1) 加热胺液以便释放所吸附的二氧化碳， 以及
     2) 压缩分离出的二氧化碳气体以产生适合于输运或存储的流体。
     本发明的实施例处理所述第二类， 即压缩二氧化碳气体所需的能量， 它占了所有寄生损失的约 35％， 或者占了结合二氧化碳回收的火力发电厂所产生的总电能的 10％。本 发明的实施例所涉及的技术能够完全消除这些损失。
     可以有效而廉价地将燃烧废气中的低品质热转化为机械能， 然后将这些机械能用 于操作同样效率的二氧化碳压缩机。
     本发明的实施例利用近等温的气体压缩和膨胀。从热力学得到的基本结果是， 如 果等温地进行压缩， 那么对气体进行压缩需要少得多的功。
     当对气体作压缩功时会产生热。如果从所述系统连续地排除这个热， 使得在压缩 期间保持恒定的温度， 那么就说压缩是在等温下进行的。 类似地， 如果在气体膨胀时向系统 加入热， 那么， 可以从压缩气体存储的能量中获得更多的功。
     图 24D 中的设计使两个装置基于这些原理在单一的轴上工作。
     第一装置为热机， 包含工作在 Ericsson 循环中的耦合的压缩和膨胀腔。该热机利 用废气和大气之间的温度差以高的热效率来产生机械功 ( 在本情况中为轴转矩 )。
     第二装置为近等温二氧化碳压缩机。
     下面将从二氧化碳压缩机开始详细描述这些装置， 因为它示出了本发明所述的实 施例中的某些核心原理。
     为了控制气态二氧化碳的 ΔT( 即， 压缩期间所产生的温度上升 )， 本发明的实施 例利用了下述事实， 即在吸热方面液体比气体强很多。事实上， 在感兴趣的温度下， 给定体 积的油保有的热是同样体积的二氧化碳气体保有的热的约 2000 倍。如果液体与气体直接 接触的表面积很大， 那么气相和液相之间的温度平衡会更快地实现。通过在压缩之前或压 缩期间向气体中喷入小液滴， 可以提供大的接触面面积， 这导致两相之间的快速热交换。
     液雾 ( 通常是润滑油的液雾 ) 多年来用于冷却气体压缩机， 并获得比通常高的压 缩比 ( 如果没有充分的冷却， 那么， 高的压缩比会产生大量的热， 从而导致热疲劳和热损 坏 )。本发明所述的对该过程的提高分为两个方面 ：
     第一方面是工作期间的计算， 以及需要时的调节， 将压缩或膨胀过程的 ΔT 保持 在希望的水平所需要喷的液雾体积。这是这个具体应用中非常关键的要求 ： 由于胺吸收过 程的本性， 所述系统的不同的级必须工作在特殊的温度下。
     第二方面是使用液雾为气体压缩和膨胀控制 ΔT。如结合所述热机部件进行的说 明那样， 要求膨胀室传送从废气中可用的废热所获得的机械能。
     温控压缩
     图 27 示 意地示出 了压缩 机机构。二氧 化碳 气体 进入 预混 合腔， 在预 混合 腔 中， 油被喷入所述气体流中， 并被该气体流带走。气体以约 25 ℃进入， 而所述液体为约 20 ℃。在气体 - 液体气雾 (aerosol) 进入压缩腔之前， 它通过脉动衰减 “瓶” (pulsation dampening“bottle” )。这样， 即使压缩机正在循环中工作， 也允许我们连续地喷油。所述 压缩腔自身是常规的往复活塞和汽缸配置， 对其进行适当的调整以容纳二氧化碳气体。
     当活塞朝着下止点移动时， 通过一个进给阀门 ( 图中的上阀门 ) 将二氧化碳 / 油 滴气雾引入汽缸中。 然后， 热机 ( 参见下文 ) 朝着上止点驱动活塞， 对所述混合物进行压缩。 当达到希望的压强时 ( 在 30℃液化二氧化碳需要约 40 个大气压 )， 排气阀门打开， 所述混 合物被排入分离器中。所述分离器 ( 常规的旋风系统 (cyclone system)) 从二氧化碳中抽 取所述油， 并将该二氧化碳送到罐子或输运管线。此时， 所述油被压缩过程加热到 30℃， 并通过热交换器 ( 未示出 ) 被运送返回 20℃， 准备再次被喷入所述预混合腔中。
     图 27 所示的系统是双重作用的。当所述汽缸的一端被压缩时， 其另一端排气。每 端的进给和排气阀门彼此相位相差 180°打开和关闭。
     注意， 图 27 中所描述的系统是单级压缩机。最终的设计或许需要三个或四个级以 便将压缩比保持在实用的范围内。 然而， 只需要单个泵和单个热交换器用于所有的这些级。 通常， 在多级压缩机中， 所有的级都具有相同的压缩比。本系统的另一个专有特性是， 调节 所述压缩比， 以便在每个级中产生相等的 ΔT。平衡这些 ΔT 可以将效率和功率密度最大 化。
     系统结构
     压缩机连同其集成的液体喷雾系统构成 “室” 。根据所述阀门的时序安排， 这样的 室可以作为气体压缩机或膨胀机来工作。 在膨胀室中， 气体通过进给阀门进入汽缸中， 然后 进行膨胀以移动活塞并转动曲柄轴。
     在图 24D 所示的系统中， 二氧化碳压缩机为一个室， 驱动所述压缩机的热机包括 三个紧密耦合的室。所有的四个室共享单个曲柄轴。
     在构成所述热机的三个室中 ( 示于所述虚线方框内 )， 第一室 ( 标记为 “压缩机” ) 作为压缩机工作， 其它两个室 (“膨胀机 1” 和 “膨胀机 2” ) 为膨胀机。除了下面指明的之 外， 所述压缩机与上述二氧化碳压缩机以相同的方式工作。
     所述膨胀机的工作略有不同。进行膨胀并且对活塞做功的气体将冷却。通过吸收 经热交换器 1 和 2 从废气中获得的热， 所述膨胀机将以曲柄轴转矩的形式产生足够的机械 能， 以便为压缩室 ( 热机的压缩机和二氧化碳压缩机 ) 提供动力。就是说， 通过从热废气向 所述系统加入热， 所述膨胀机将产生比操作热机的压缩机所需要的轴转矩更多的轴转矩， 这导致净的正功输出。所产生的多余的功的量取决于进来的废气与大气之间的温度差。
     有两个膨胀机， 因为有两个处于不同温度下的可用的热源。煤的燃烧所产生的废 气 ( 大多数为氮气， 只有约 10％二氧化碳 ) 为 150℃， 而分离出的二氧化碳流约为 110℃到 120℃。于是， 为了最大化从所述热源获得的能量， 所述热机的膨胀部分使用两个热交换器 和两个回热器， 每个都被调节到可用的特定温度。
     所述热机的一个有益效果是， 所述废气被冷却， 这是在所述胺吸收过程之前无论 如何必须进行的过程。 同样， 所述分离出的二氧化碳气体流必须被冷却， 使得它在被压缩时 将液化。 于是， 这些热交换器就是常规的胺过程的必须部件。 在本系统中， 它们有两重用途， 即冷却所述气体流和为二氧化碳压缩机提供能量。
     热的吸收和释放发生在近乎恒定的压强下， 使所述热机的循环成为 Ericsson 循 环。 Ericsson 热机通常使用双作用活塞， 其中压缩和膨胀发生在相反的两端。 在本系统中， 压缩和膨胀发生在分开的不同汽缸内。
     由于所述热机的压缩和膨胀室形成了封闭系统， 所以可以使用任何合适的气体。 一个好的选择是使用氦气作为所述气体， 因为其热传输特性能使回热器 ( 通常是这种热机 中最贵的部分 ) 紧凑而便宜。
     所述系统的热力学是复杂的。主要的分析结果是， 火力发电厂的废气中有足够的 可用热能来操作整个系统， 包括热损失和机械损失， 并且不需要任何额外的能量输入就可 以压缩所有分离出的二氧化碳。就是说， 整个所述系统可以是自持的 ： 不需要电力来操作它。 下面将讨论用于进行压缩和膨胀的设备的各种实施例。然而， 本发明不限于这些 具体的实施例， 也可以使用其它的设备 ( 诸如专用压缩机和膨胀机 )。
     单级系统
     图 25 描绘了本发明所述的系统 2520 的一个实施例。这个实施例包括在压缩和膨 胀期间将液体与空气混合以便于热交换， 以及运用同一机构对空气进行压缩和膨胀。通过 对阀门时序进行电子控制， 能够从给定体积的压缩空气中获得高的功率输出。
     如在图 25 中最佳地示出的那样， 能量储存系统 2520 包括汽缸装置 2521， 汽缸装置 2521 确定了腔 2522， 腔 2522 形成为用于在其中往复地接纳活塞装置 2523 之类。压缩空气 能量储存系统 2520 也包括压力室 2525， 当压力室 2525 与汽缸装置 2521 合在一起作为一 个单元时， 形成了单级可逆的压缩 / 膨胀机构 ( 即， 一个级 2524)。有空气过滤器 2526、 液 体 - 空气分离器 2527 以及包含液体 2549d 的液罐 2528， 分别通过管道 2530 和 2531 在低压 端与压缩 / 膨胀机构 2524 连接以能够互通流体。在高压端， 空气存储罐 2532( 或多个空气 存储罐 ) 通过输入管道 2533 和输出管道 2534 与压力室 2525 连接。提供多个两位两通阀 2535-2543， 连同两个输出喷嘴 2511 和 2544。这个具体的实施例还包括液泵 2546 和 2547。 然而， 应该明白， 如果液罐 2528 的高度比汽缸装置 2521 的高度高， 那么， 水就会在重力作用 下流入所述汽缸装置， 这就不需要泵 2546 了。
     简短地说， 大气中的空气通过管道 2510 进入所述系统， 经过过滤器 2526 并通过管 道 2530 进入汽缸装置 2521 的汽缸腔 2522 中， 在汽缸腔 2522 中所述空气通过液压或通过 其它机械方法作用下的活塞 2523 的运动而被压缩 ( 参见图 8)。在压缩开始之前， 从压力 室 2525 通过管道 2548 利用雾化喷嘴 2544 向汽缸装置 2521 的腔 2522 中引入液雾。这个 液体可以是来自所述压力室的具有足够高热容特性的水、 油或任何合适的液体 2549f。 所述 系统优选基本在大气温度下工作， 从而不需要使用能够经得住高温的液体。所述液雾的主 要功能是， 吸收所述汽缸腔中的空气在压缩期间所产生的热。 因此， 在每个压缩冲程期间注 入所述腔中的预定量的液雾就是吸收该冲程期间所产生的基本上所有的热所需要的液雾。 当所述液雾凝结时， 就在汽缸腔 2522 中汇集成液体 2549e。
     然后， 所述压缩的空气 / 液体混合物通过管道 2551 经出口喷嘴 2511 被传送到压 力室 2525 中。在压力室 2525 中， 传送来的混合物将所获得的由压缩产生的热传给压力室 中所包含的液体 2549f。 所述空气形成气泡向上穿过液体并到达压力室的顶部， 然后经管道 2533 进入空气储存罐 2532 中。
     膨胀循环基本上是压缩循环的逆过程。 空气通过管道 2534 离开空气储存罐 2532， 形成气泡向上穿过压力室 2525 中的液体 2549f， 通过管道 2555 进入汽缸装置 2521 的腔 2522 中， 在腔 2522 中， 该空气驱动活塞 2523 或其它机械联动装置。在膨胀期间， 再一次通 过出口喷嘴 2544 和管道 2548 向汽缸腔 2522 中引入液雾， 以便在该膨胀过程中在汽缸腔中 保持基本恒定的温度。 当空气膨胀完成时， 用过的空气和液雾经过气液分离器 2527， 从而可 以再利用所述分离出的液体。最后， 空气通过管道 2510 排到大气中。
     压力室 2525 中所包含的液体 2549f 通过热交换器 2552 不停地循环以排除压缩期 间所产生的热或向所述腔增添热以供膨胀期间被吸收。该循环液体反过来通过切换装置 2564 和热交换器 2512 有选择地与吸热设备 2560 或热源 2562 进行热交换。该循环液体通
     过与内部热交换器 2552 连通的管道 2553 和 2554 流向外部热交换器 2512 或从外部热交换 器 2512 流回。
     图 25 中的设备还包括与计算机可读存储装置 2592 进行电子通信的控制器 / 处理 器 2594， 计算机可读存储装置 2592 可以采用任何设计， 包括但不限于基于半导体原理或磁 存储原理或光存储原理的设计。控制器 2594 被示为与系统中全部有源元件进行电子通信， 这些有源元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。系统所使用的传感器的具体例子 包括但不限于压力传感器 (P)2598、 2574 和 2584、 温度传感器 (T)2570、 2578、 2586 和 2576、 湿度传感器 (H)2596、 体积传感器 (V)2582 和 2572 以及流速传感器 2580。
     如下面所详细描述的， 基于从一个或多个系统元件所接收到的输入， 并且也可能 基于从这些输入所计算出的值， 控制器 / 处理器 2594 可以动态地控制系统的操作以实现一 个或多个目标， 包括但不限于将存储能量转化为有用功的最大化效率或受控的效率 ； 最大 化、 最小化或受控的功率输出 ； 期望功率输出 ； 与活塞连接的转动杆的期望的输出速度 ； 与 活塞连接的转动杆的期望的输出转矩 ； 与活塞连接的转动杆的期望的输入速度 ； 与活塞连 接的转动杆的期望的输入转矩 ； 与活塞连接的转动杆的最大输出速度 ； 与活塞连接的转动 杆的最大输出转矩 ； 与活塞连接的转动杆的最小输出速度 ； 与活塞连接的转动杆的最小输 出转矩 ； 与活塞连接的转动杆的最大输入速度 ； 与活塞连接的转动杆的最大输入转矩 ； 与 活塞连接的转动杆的最小输入速度 ； 与活塞连接的转动杆的最小输入转矩 ； 或每级的空气 的最大期望温度差。
     前面结合图 12A-C 所描述的表格描述了使用液雾来实现热交换的单级系统的压 缩循环的一个实施例中的步骤。 在压缩循环期间， 所述压力室的热交换器不与热源通热， 而 是与吸热设备通热。
     相应的膨胀循环示于上面结合图 13A-C 所描述的表格中。在膨胀循环期间， 所述 压力室的热交换器与热源通热。
     本发明并不要求使用同一机构既进行压缩也进行膨胀， 但这样做能够减少系统的 成本、 尺寸和复杂度。
     多级系统
     当压缩 / 膨胀比要求比向系统传送或从系统传送出机械功率所依赖的机械或液 压方法所能提供的压缩 / 膨胀比更大时， 就应该使用多级。图 26 中以示意的形式示出了一 个具有三级 ( 即， 第一级 2624a、 第二级 2624b 和第三级 2624c) 的多级压缩空气能量存储系 统 2620。可以类似地构造具有更多级或更少级的系统。注意， 在下面的所有附图中， 当字 母 a、 b 和 c 与数字名称一起使用时 ( 例如， 2625a)， 它们是指多级能量存储系统 2620 的某 个级中的元件。图 26 示出了各个级可以通过切换装置 2654 与热源 2650 或吸热设备 2652 有选择地连通。
     使用回热器装置也可以使压缩和膨胀功能由相同部件执行的设备的多级实施例 受益。图 26A 示出了系统 2650 的另一个实施例的简化图， 该系统除了包括回热器 2652 外 与图 26 中的系统类似。回热器 2652 与处于最高压强级 2624c 和压缩气体存储单元 2632 之间的导管 2633 有选择地通流体。
     当所述系统工作在压缩模式中时， 级 2624a-c 通过切换装置 2654 与吸热设备 2652 通热。阀门 2654 和 2656 被配置为使进给空气直接流到第一级 2624a， 避免经过导管 2620。当所述系统工作在膨胀模式中时， 阀门 2654 和 2656 被配置为使导管 2620 与第一 级 2624a 的输出通热。另外， 级 2624a-c 通过切换装置 2654 与热源 2650 通热。
     这样配置的结果是， 在膨胀期间， 通过回热器 2652 流出存储单元 2632 的气体通过 吸收在附近流动的从最低压强级 2624a 出来的气体的热能而被加热。具体说， 从最低压强 级 2624a 出来的气体在三个连续级通过与热源接触已经被加热了。所述回热器中的流动气 体之间的热能交换用来增强从压缩气体的膨胀输出的能量。反过来， 从最低压强级出来的 气体在被释放到大气中之前就被冷却到大气温度了。
     尽管图 26 和 26A 中的实施例示出了多级装置的所有的级都与同一温度或热源通 热， 但本发明并不要求这一点。图 26B 示出了系统 2680 的另一个实施例， 其中， 不同的级与 具有不同温度的不同热源有选择地接通。 在图 26B 的具体实施例中， 最低压强级 2624a 和第 二级 2624b 通过第一切换装置 2683 与第一热源 2682 和吸热设备 2684 有选择地通热。最 终级 2624c 和存储单元 32 通过第二切换装置 2686 与吸热设备 2684 和第二热源 2685 有选 择地通热。
     诸 如 图 26B 所 示 的 实 施 例 可 以 允 许 从 二 次 温 度 差 (secondary temperaturedifferences) 吸取能量。 例如， 来自工业过程的强热可以通过一系列冷却步骤 降低到大气温度， 其中每个步骤比前一步骤都更接近大气温度。
     此外， 在压缩和 / 或膨胀期间， 本发明的实施例所述的多级设备的各个级可以经 历不同的温度变化。诸如图 26B 所示的配置可以允许这些级与具有特定温度的热源进行更 精确的匹配， 从而允许从各个温度最有效地抽取可用的能量。
     图 24D 示出了具有专用压缩机和膨胀机部件的实施例， 该实施例使用了多个膨胀 级， 这些膨胀级中每个膨胀级都与不同的热源相通。
     总之， 本发明的各种实施例可以共同具有下述一个或多个部件。
     1. 在膨胀循环期间与热源选择性地通热。
     2. 空气的近等温膨胀和压缩， 所要求的热交换通过与所述空气有大表面积接触的 液相来实现。
     3. 既能进行空气压缩又能进行空气膨胀的可逆机构。
     4. 对阀门时序进行电子控制， 以便从给定体积的压缩空气中获得最大可能的功输 出。
     如上面所详细描述的， 本发明所述的用于存储和复原能量的系统和方法的实施例 特别适合于结合包含处理器和计算机可读存储介质的主机来实现。 这样的处理器和计算机 可读存储介质可以内嵌在所述设备内， 和 / 或可以通过外部输入 / 输出装置进行控制和监 视。图 20 是本发明的一个实施例所述的用于处理信息的计算装置的简化图。这个图只是 一个例子， 这里， 它不应该限制本发明的范围。 本领域中的普通技术人员会认识到许多其它 的变型、 修改和替换。本发明所述的实施例可以在单个应用程序 ( 诸如浏览器 ) 中实现， 也 可以在分布式计算环境 ( 诸如客户服务器模式中的工作站、 个人电脑或远程终端 ) 作为多 个程序来实现。
     图 20 示出了包含显示装置 2020、 显示屏 2030、 机箱 2040、 键盘 2050 和鼠标 2070 的计算机系统 2010。鼠标 2070 和键盘 2050 是有代表性的 “用户输入装置” 。鼠标 2070 包 括用于在图形用户界面装置上选择按钮的按钮 2080。用户输入装置的其它例子为触摸屏、光笔、 轨迹球、 数据手套、 麦克风等。图 20 仅表示用于实现本发明的一种系统。对于本领 域中的普通技术人员来说， 很清楚， 很多系统类型的系统和配置适合于与本发明一起使用。 在一个优选实施例中， 计算机系统 2010 包括基于奔腾 TM 系列的计算机， 运行微软公司的 TM TM TM Windows XP 或 Windows7 操作系统。然而， 在不偏离本发明的范围的情况下， 本领域中的 普通技术人员可以容易使这些设备适应其它的操作系统或体系。
     如上所述， 鼠标 2070 可以具有一个或多个按钮， 如按钮 2080。 机箱 2040 容纳熟知 的计算机部件， 诸如磁盘驱动器、 处理器、 存储装置等。 存储装置包括但不限于磁盘驱动器、 磁带、 固态存储器、 磁泡存储器等。机箱 2040 可以包括其它的硬件， 诸如用于将计算机系统 2010 连接到外部装置、 外部存储器、 其它计算机或其它外围设备的输入 / 输出 (I/O) 接口 卡， 下面将进行进一步的描述。
     图 20A 是图 20 中的计算机系统 2010 中的基本子系统的图示。这个图只是一个图 示， 在这里不应该限制本发明的范围。 本领域中的普通技术人员会意识到其它的变型、 修改 和替换。在某些实施例中， 所述子系统通过系统总线 2075 互联。示出了其它的子系统， 诸 如打印机 2074、 键盘 2078、 固定盘 2079、 与显示适配器 2082 相连的显示器 2076 以及其它部 件。与 I/O 控制器 2071 相连的外围及输入 / 输出 (I/O) 设备可以通过诸如串行口 2077 等 本领域公知的任何数目的方法与所述计算机系统相连。例如， 串行口 2077 可以用来将所述 计算机系统连接到调制解调器 2081， 调制解调器 2081 再连接到广域网 ( 诸如互联网 )、 鼠 标输入设备或扫描仪。通过系统总线的互联能使中央处理器 2073 与每个子系统通信， 以及 控制来自系统存储器 2072 或固定盘 2079 的指令的执行和在子系统之间交换信息。本领域 中的普通技术人员很容易实现子系统和互联的其它设置。 系统存储器以及所述固定盘是用 于存储计算机程序的具体介质的例子， 其它类型的具体介质包括软盘、 可移动硬盘、 光学存 储介质 ( 诸如 CD-ROM 和条形码 ) 以及半导体存储器 ( 诸如闪存、 只读存储器 (ROM) 以及电 池支撑的存储器 )。
     图 21 是示意图， 示出了处理器 / 控制器、 处理器 / 控制器所接收到的各种输入、 所 执行的功能、 以及所产生的输出之间的关系。 如所示出的， 处理器可以基于一个或多个输入 控制所述设备的各个工作特性。
     可以控制的这种工作参数的一个例子是在膨胀循环期间允许空气进入汽缸的阀 门的打开和关闭的时序， 如上面结合图 13A-C 所描述的。
     具体说， 在膨胀循环的步骤 1 期间， 通过将阀门 37 打开一段受控的时间从压力室 向腔中加入预定量的空气 V0。 计算空气的这个量 V0， 使得当活塞到达膨胀冲程的末尾时， 在 所述腔内获得希望的压强。
     在某些情形中， 这个希望的压强应该近似等于下一个压强较低的级的压强， 如果 所述级是压强最低的级或是唯一的级， 则近似等于大气压强。因此， 在所述膨胀冲程的末 尾， 初始空气量 V0 中的能量已经被完全消耗了， 并且在将该膨胀空气传送到下一个压强较 低的级的过程中， 很少浪费或不浪费能量。
     为了实现这个目标， 阀门 37 只打开使希望的量的空气 (V0) 进入所述腔中这样长 的时间， 之后在步骤 3-4 中， 阀门 37 保持关闭。在某些实施例中， 所述腔中的希望的压强可 以与下一个压强较低的级的压强相差 1psi 以内、 5psi 以内、 10psi 以内或 20psi 以内。
     在其它实施例中， 所述控制器 / 处理器可以控制阀门 37， 使其允许比 V0 大的初始量的空气进入。当例如希望从给定的膨胀循环中以能量复原的效率为代价获得更大功率 时， 可以给出这样的指令。
     在压缩过程期间， 也要仔细地控制阀门的打开和关闭的时序。 例如， 在与加入液雾 和压缩相对应的所述表中的步骤 1 和 2 中， 在汽缸装置和压力室之间的阀门 38 保持关闭， 并在所述汽缸内建立起压强。
     在常规的压缩机设备中， 累积的压缩空气通过止回阀被封闭在所述容器中， 该阀 设计为在阈值压强下机械地打开。 这种利用压缩空气的能量激活止回阀减损了从空气复原 能量以做有用功的效率。
     与此相比， 本发明的实施例可以利用控制器 / 处理器在希望的条件下 ( 例如， 当汽 缸内建立起来的压强超过压力室中的压强一定的量时 ) 精确地打开阀门 38。在这种方式 中， 汽缸内的压缩空气的能量不会被阀门打开过程消耗， 从而能量复原的效率就提高了。 可 以用来进行电子控制以允许压缩空气流出汽缸的阀门类型的实施例包括但不限于先导阀、 凸轮控制提升阀、 旋转阀、 液压激活阀以及电子激活阀。
     尽管所述单级设备的阀门 37 和 38 的工作时序可以如上述那样进行控制， 但应该 意识到， 也可以对其它阀门进行类似的控制。
     可以由处理器进行控制的系统参数的另一个例子是引入腔中的液体的量。 基于诸 如压强、 湿度、 计算的效率以及其它值中的一个或多个值， 可以对压缩或膨胀过程中引入腔 中的液体的量进行仔细的控制以维持工作效率。例如， 当在膨胀循环中引入腔中空气量大 于 V0 时， 需要引入额外的液体以便将该膨胀空气的温度维持在希望的温度范围内。
     上述具体实施例的变型也是可能的。 例如， 在一些实施例中， 多个活塞可以与共同 的腔连接。
     尽管上述实施例示出了热交换器与压力室中的液体部分相接触， 但这不是本发明 所要求的。 根据其它的实施例， 热交换器可以与压力室中的气体部分相接触， 或者既与压力 室中的气体部分也与压力室中的液体部分相接触。在缺少专用压力室的实施例中 ( 例如， 如图 10 所示 )， 热交换器可以与汽缸中存在的或流入汽缸中的气体或液体相接触， 这也落 在本发明的范围内。
     尽管上述实施例示出了专用压力室， 但多级设备可以不包括单独的压力室。 例如， 在图 10 的实施例中， 多个级通过热交换器直接连接起来， 而不是通过压力室连接。在两级 系统中， 循环的相对相位必须仔细地进行控制， 使得当级 1 在进行排气步骤时， 级 2 在进行 吸气步骤 ( 在压缩过程中 )。当级 2 在进行排气步骤时， 级 1 在进行吸气步骤 ( 在膨胀过程 中 )。
     对时序进行控制， 从而热交换器 10024 两端的压强在阀门 37 和 10058 打开时基本 上是相同的。通过打开阀门 10036 以及接通泵 10032 由汽缸 22 中的多余的水提供用于喷 嘴 44 的液体。类似地， 通过打开阀门 10038 以及接通泵 10034 由汽缸 10046 中的多余的水 提供用于喷嘴 10064 的液体。工作期间这种精确的时序可以由与多个所述系统部件进行通 信的控制器 / 处理器的工作来实现， 如前面所描述的。
     1. 一种配置为从压缩气体中复原能量的系统， 该系统包括 ：
     与热源通热的热交换器 ； 以及
     第一膨胀机， 包括内部设置有第一可移动部件的腔， 该腔与液体源有选择地通液体 ； 以及
     与所述热交换器通热和与所述腔有选择地通流体的第一压力室， 其中， 所述腔被 配置为当来自所述第一压力室的压缩气体在所述腔内膨胀以驱动所述第一活塞时从所述 液体源接收液体。
     2. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中，
     所述第一膨胀机包括与压缩气体存储单元有选择地通流体的压缩机 - 膨胀机 ； 以 及
     当所述压缩机 - 膨胀机被配置为作为膨胀机工作时， 所述热交换器被配置为与所 述热源通热， 当所述压缩机 - 膨胀机被配置为作为压缩机工作时， 所述热交换器被配置为 不与所述热源通热。
     3. 根据权利要求 2 所述的系统， 其中， 当所述压缩机 - 膨胀机被配置为作为压缩机 工作时， 所述热交换器被配置为与吸热设备通热。
     4. 根据权利要求 1 所述的系统， 还包括切换装置， 其允许在所述热交换器和所述 热源之间有选择地通热。
     5. 根据权利要求 4 所述的系统， 其中， 所述热源包括太阳能， 所述切换包括日循 环。
     6. 根据权利要求 4 所述的系统， 其中， 所述切换装置允许在所述热源和所述压缩 气体存储单元之间有选择地通热。
     7. 根据权利要求 1 所述的系统， 还包括在所述第一可移动部件和发电机之间的物 理联动装置。
     8. 根据权利要求 7 所述的系统， 其中， 所述物理联动装置包括机械联动装置、 液压 联动装置或气动联动装置。
     9. 根据权利要求 7 所述的系统， 其中，
     所述膨胀机包括专用膨胀机 ； 以及
     所述系统还包括专用压缩机， 该专用压缩机与所述物理联动装置相连并且被配置 为接收从所述专用膨胀机输出的气体。
     10. 根据权利要求 9 所述的系统， 其中， 所述专用压缩机与吸热设备通热。
     11. 根据权利要求 9 所述的系统， 还包括回热器， 该回热器被配置为使所述专用膨 胀机输出的气体与所述专用压缩机输出的气体热接触。
     12. 根据权利要求 1 所述的系统， 还包括控制器， 该控制器与配置为在膨胀循环期 间使一定量的气体进入所述腔的阀门连通。
     13. 根据权利要求 12 所述的系统， 其中， 所述量的气体被配置为当所述可移动部 件在膨胀冲程末尾时产生的压强约为大气压强或约等于下一个压强较低级的压强。
     14. 根据权利要求 1 所述的系统， 其中，
     所述膨胀机包括压缩机 - 膨胀机， 该压缩机 - 膨胀机被配置为使所述腔内由所述 可移动部件压缩的空气通过阀门流入所述压力室中 ； 以及
     所述系统还包括控制器， 该控制器与所述阀门连通以便在压缩循环期间当所述腔 内达到希望的压强时打开所述阀门。
     15. 一种从温度差中提取能量的方法， 该方法包括 ：提供处于第一温度下的压缩气体 ；
     使处于第二温度下的热源与在耦合了联动装置的膨胀机中正在膨胀的所述压缩 气体通热 ； 以及
     从所述联动装置提取机械、 气动或液压形式的能量。
     16. 根据权利要求 15 所述的方法， 其中， 所述压缩气体从存储单元提供。
     17. 根据权利要求 16 所述的方法， 其中， 所述热源包括太阳能。
     18. 根据权利要求 17 所述的方法， 其中， 所述热源根据日循环而与所述压缩气体 有选择地通热。
     19. 根据权利要求 16 所述的方法， 还包括使处于第三温度下的第二热源与所述存 储单元有选择地通热。
     20. 根据权利要求 15 所述的方法， 其中， 所述压缩气体从耦合了所述联动装置的 压缩机提供。
     21. 根据权利要求 20 所述的方法， 其中， 所述压缩机对所述膨胀机输出的气体进 行压缩。
     22. 根据权利要求 21 所述的方法， 其中， 所述压缩气体包括氦气。
     23. 根据权利要求 21 所述的方法， 其中， 所述气体以实质上大于大气压强的基线 压强由所述膨胀机输出， 使得所述气体包括具有高热容的致密气体。
     24. 根据权利要求 21 所述的方法， 还包括， 在回热器中使所述膨胀机输出的气体 与所述压缩机输出的压缩气体热接触。
     25. 根据权利要求 20 所述的方法， 还包括， 使所述膨胀机输出的气体与第二膨胀 机通流体， 而所述第二膨胀机则与处于第三温度下的第二热源通热。
     26. 根据权利要求 15 所述的方法， 还包括， 将流体引入所述膨胀机中的压缩气体 中。
     美国临时专利申请 No.61/320,150 中讨论了使用液体 - 气体气雾膨胀用于冷却目 的， 该申请通过引用全部结合于此， 用于各种用途。 本发明的实施例涉及能够使用这种气雾 制冷循环来工作的压缩气体能量存储和复原系统。
     具体说， 这种冷却系统的实施例通过对空气进行近等温的压缩和膨胀、 使用水雾 以便于热交换来进行工作。因为在一些实施例中， 所述制冷剂包括空气 - 水气雾， 所以， 所 述系统能够有效而可靠地工作， 不排放温室气体 (greenhouse gas， GHG)。
     本发明的实施例能够对空气进行近等温压缩和膨胀， 只有很小的温度变化。从热 力学的基本结果可知， 如果在压缩冲程期间将压缩过程所产生的热排除， 那么需要较少的 功来压缩气体。类似地， 如果在膨胀期间加入热， 那么可以从气体膨胀中获得更多的功。
     液态水具有比大气的热容大约 5000 倍的体积热容。本发明的实施例将细小的水 滴喷入压缩和膨胀腔中。 这就使少量的水雾吸收所产生的大量的热， 从而实现近等温工作。
     一些实施例利用往复式活塞机构进行压缩和膨胀。 这样的往复式活塞机构允许将 液体直接喷入压缩或膨胀腔中。美国非临时专利申请 No.12/701,023 中描述了这样的系 统， 在这种系统中， 能够将液滴以雾的形式直接引入膨胀腔中， 该申请通过引用全部结合于 此， 用于各种用途。美国临时专利申请 No.61/306,122 描述了另一种实施例， 其中， 液雾能 够被引入位于气体进行膨胀的腔的上游的混合腔中。 这个临时专利申请也通过引用全部结合于此， 用于各种用途。
     另外， 能够控制液雾的流速和时序。这允许独立地改变流速和 ΔT， 从而优化效率 和适宜性 (comfort)。
     近等温压缩机和膨胀机的耦合允许气雾制冷循环的运行。在一些实施例中， 这就 允许只使用空气和水作为工作流体。其它实施例可以使用其它的气体和液体组合， 诸如氦 气和润滑油。气液组合的使用给出高的性能系数 (coefficient of performance， COP)， 并 不排放 GHG。
     本发明的实施例所述的气雾制冷循环能够有效地工作， 尽管不通过相的变化排出 很多热量。这个效率通过抽取膨胀气体的功并将该功再投入压缩中来实现。
     图 28 是简化图， 示出了本发明的一个实施例所述的制冷循环。具体说， 马达从下 止点 (BDC) 向上驱动压缩机活塞， 从 150psi 开始压缩汽缸中的空气。
     当 所 述 活 塞 朝 着 上 止 点 (TDC) 移 动 时， 泵 将 水 喷 入 汽 缸 中， 使温度升高到约 10° F。 当汽缸中的压强达到约 500psi 时， 排气阀门打开， 将压缩的空气 - 水滴混合物送入 空气 - 水分离器中。
     分离出的水通过热交换器， 将压缩期间所获得的热量排放到外部。所述空气在其 流向膨胀机汽缸的途中通过叉流式热交换器 (cross-flow heatexchanger)， 在该热交换器 处， 该空气将其一部分热量转移给沿另一方向 ( 从膨胀机到压缩机 ) 流动的空气。
     所述冷却了的空气开始进入处于 TDC 的膨胀机汽缸， 在该汽缸中再一次将水喷入 汽缸中。膨胀的空气朝着 BDC 驱动活塞， 使轴转动并提供额外的能量以驱动压缩机汽缸。
     所述空气 - 水混合物通过另一个分离器， 分离出的水通过冷端热交换器， 从该装 置 (the building) 内吸取热量。分离出的空气通过所述叉流式热交换器返回压缩机， 完成 循环。
     这种设计的一个可选择的益处是， 如果将空气存储罐置于图 28 中的点 A， 那么， 所 述压缩机能够在低电力需求时段运行以填充所述存储罐。然后， 能够在峰值需求时段 ( 例 如， 在工作日的早 7 时到晚 7 时之间 ) 将膨胀所实现的制冷效应传送出去， 不使用额外的电 力。
     本发明的实施例不限于上面所描述的具体温度。例如， 图 28A 示出了包括下面的 步骤 1-6 的气雾制冷循环的另一个实施例。
     1. 冷气体 (65° F) 在往复式膨胀机中膨胀， 从该膨胀机中夹带的液雾吸取热量。 两者以 40° F 的温度离开膨胀机。所抽取的功再被投入压缩机和泵中。
     2. 所述冷气雾从所述气体中分离出来， 汇集到液体流中， 并流动到热交换器， 将进 入的空气流冷却到约 55° F， 并循环回来以再次被喷入膨胀的气体中。
     3. 不含液体的冷气体通过逆流式 (counter-flow) 热交换器， 与不含液体的热气 体流逆向流动。 所述冷气体在恒定的压强下被加热到比大气温度略高的温度 ( 约 120° F)。
     4. 热液体被喷入所述热气体中， 然后被压缩。 压缩机部分地由膨胀机驱动， 部分地 由电机驱动。压缩过程的热被吸入所述气雾中。两者在 130° F 离开压缩机。
     5. 热液体从所述气体中分离， 汇集到一个流中， 流动到热交换器， 通过将热量排到 大气环境中冷却， 然后重新循环以再次被喷入压缩气体中。
     6. 不含液体的热气体通过逆流式热交换器， 与不含液体的冷气体流逆向流动。所述热气体以恒定的压强被冷却到比空调排气温度略低的温度 ( 到约 50° F)。所述气体流 入膨胀机中， 与冷液体混合， 然后循环继续进行。
     一些实施例可以以合理的成本实现超过 4 的 COP。寄生损失的控制可以帮助提高 所述装置的效率。例如， 如果电机和驱动器一起的效率为 95％， 那么， 压缩机和膨胀机机构 的完成一个来回的效率可以超过 79％。 如果使用高品质的机械部件， 并且如果压缩、 膨胀期 间以及通过所有的热交换器时的温度变化能够保持在约 10° F 到 20° F 之间， 那么这个水 平的效率是可以实现的。
     本发明的实施例利用在某些方面与涡轮膨胀机的气体制冷循环类似的方法， 诸如 可以用在喷气式飞机的空气循环冷却器中的方法。例如， 通过显热 (sensible heat) 而不 是潜热 (latent heat) 的转移完成相当部分的冷却。
     然而， 本发明所述的气雾制冷循环的实施例在某些方面不同于传统的气体制冷循 环。例如， 在压缩和膨胀过程中使用气雾以及通过该气雾中的液体成分排除热能可以产生 更紧致而便宜的系统。
     具体说， 在给定的压强下单位体积的空气 - 水气雾比同体积的空气携带更多的 热。使用高的压缩比同时将 ΔT 严格地控制在希望的有效范围， 这种空气 - 水气雾就允许 每冲程抽取的热比传统的 ( 绝热的 ) 压缩机 / 膨胀机所能实现的更多。
     低的、 严格控制的 ΔT 产生高的热力学效率。每冲程吸取的大量的热减少了机械 和流体效率损失的影响。空气 - 水气雾中的水成分的优异的载热和传热能力降低了所需要 的热交换器的成本和体积。
     本发明的实施例所述的在气雾制冷循环中实现近等温压缩和膨胀依赖于喷嘴 的研发， 该喷嘴将水以所需的质量流量 (mass flow) 和水滴尺寸引入压缩和膨胀腔中。 这种喷雾系统的特征在于使用颗粒速度成像和计算流体动力学 (computational fluid dynamics， CFD) 分析。
     图 29 示出了提供非常均匀的液滴分布、 适用于高压缩比的空心锥形喷嘴的速度 场。图 30 示出了提供高的质量流量的扇形喷嘴的 CFD 仿真。
     如上所述， 性能系数 (COP) 是制冷系统的一个可计量的特性。传统的商用空调器 可以以 3.5 的 COP 来工作。
     使用气雾制冷循环的系统的实施例可以指望获得约 4 的 COP。然而， 实际产生的 COP 的确切值依赖于若干个值。
     下面， 结合下面的数学表达式 (1)-(14)、 结合示出了气雾制冷循环的系统图的图 31 以及结合示出了气雾制冷循环的温度 - 熵图的图 32， 给出这种 COP 计算的一个例子。
     在点 1 和点 2 之间进行的等温压缩过程中所做的功由下式给出 ：
     压缩机效率定义为等温压缩过程中所做的功与实际所做的功之比。
     等温膨胀过程中的功由下式给出 ：膨胀机效率由实际抽取的功与等温过程中抽取的功之比给出。
     等温工作的膨胀机从室内抽取的热量由下式给出 ：此时， COP 可以计算为 ：系统的一个实施例的具体参数提供如下 ： T1 ＝ 75 ° F ＝ 297K ； T2 ＝ 75 ° F ＝ 297K ； T3 ＝ 55 ° F ＝ 286K ； T4 ＝ 55 ° F ＝ 压强比取为 2.71。286K
     此时， 等温压缩中所做的功给出如下 ：假设膨胀的热效率为 98％， 总的机械和泄漏效率为 95.6％， 那么， 实际所做的功为：
     从等温膨胀抽取的功由下式给出 ：假设膨胀的热效率为 92.7％， 总的机械和泄漏效率为 95.6％， 那么， 实际所做的功为 ：
     从室内抽取的热量由下式给出 ：此时， COP 由下式给出 ：图 32A 是功率流图， 示出了气雾制冷循环的一个实施例中的流过的功和热量。各 功率值被归一化到从电网流入的电功率。
     首先， 1kw 的电功率通过效率为 97％的马达驱动器进行处理， 接着由效率为 95％ 的马达进行处理。 这通过马达轴进行， 马达轴因摩擦损失其功率的 0.5％。 该马达轴驱动压 缩机。
     所述压缩机会有几个可能的降低效率的源， 包括但不限于喷雾、 泄漏、 机械的和热 学的源。对于水与氦气 10 ∶ 1 的质量比， 喷雾损失只占通过系统循环的功的 1％。
     往复式压缩机或膨胀机的机械和泄漏损失通常为 95％左右。然而， 摩擦损失集中 在阀门致动器、 喷口摩擦和管道损失以及活塞环。
     这些摩擦损失并不随压强的增加而线性地增加， 而阀门 / 管道损失对于氦气等轻 气体来说是低的。对于内压约 25 巴、 压强比为 2.71 的操作来说， 可以将总的机械效率维持 在 95.6％以上。
     在图 32A 的实施例中也示出了热效率。 当气体和液体的温度差为约 5° F 以下时， 对于所示的温度， 膨胀效率为 92.7％， 压缩效率为 98％。
     本发明的一个实施例所述的使用气雾制冷循环的系统的尺寸取决于若干因素。 所 述系统的某些部件， 诸如往复式活塞、 泵、 热交换器、 以及 AC 马达， 是标准装置， 它们可以是 现买的， 也可以进行较简单的修改。这就能够制造尺寸合适的装置和原型。
     例如， 一个以 1200RPM 和 150psi 运行的一吨的系统可以使用 1hp 的电机、 两个总 排量为 350cc 往复式活塞、 以及界面表面积约为 15 平方米的扇冷式热交换器。这些部件可 以做成具有希望的形状因子 ( 例如， 1.5’ ×1’ ×9” )。
     在具体的实施例中， 可以合理地预期系统中的部件在规格所规定的 10 多年的工 作中不进行维修或很少进行维修。影响寿命的一个因素包括在压缩机和膨胀机汽缸中使 用水， 因为水对于许多金属是有腐蚀性的。在诸如轴封 (sliding seals)、 阀门座 (valve seats)、 磨损面 (wear surfaces) 以及紧固件 (fasteners) 等元件的构造中， 耐水材料也是 有用的。本发明的实施例可以使用铝部件、 镍 - 聚合物涂层、 和 / 或 PTFT 滑动部件， 以便提 高与水有接触的元件的寿命。
     总之， 与常规的制冷方法相比， 本发明的实施例有潜在的优点。例如， 常规制冷设 备的热温度和冷温度几乎固定为压缩比的函数， 这导致对实际所需温度有 ΔT 的过冲， 以 及导致潜在的显著的热力学损失。相反， 本发明的实施例能够不依赖于负载和压缩比来控 制 ΔT， 能够避免这个特别显著的效率损失。
     本发明所述的系统能够提供的另一个潜在的优点是， 获得常规系统中会浪费掉的 能量。例如， 典型的空调器通过喷嘴 ( 例如， 膨胀阀门 ) 进行膨胀。在这个过程中释放能 量， 这个能量被浪费掉了。这可能是因为蒸汽压缩的相对效率红利 (relative efficiency bonus) 很小， COP 红利约为 1。
     相反， 气雾循环的相对效率红利就大多了， COP 红利为 4 或更大。因此， 本发明的 实施例能够有效地压缩气雾、 交换热量、 以及从该气雾的膨胀中产生机械功。 如果机械和热 力学设计很好， 那么可以获得高的 COP。
     本发明的实施例所述的制冷系统的再一个潜在优点是， 避免 GHG。具体说， 空 气 - 水气雾或氦气 - 油气雾的成分并不呈现温室特性， 因此， 与使用 HCFC 或其它工作流体 的传统系统相比， 本发明所述的系统对环境是有利的。
     下面的权利要求涉及气雾冷却。
     1. 一种冷却方法， 包括 ：
     引入液雾以与膨胀腔内膨胀的气体交换热量 ；
     膨胀后将液体与所述气体分离 ；
     使分离出的液体流到热交换器以提供冷却 ；
     使来自所述膨胀腔的气体通过逆流式热交换器流到压缩腔， 同时使来自所述压缩 腔的压缩气体经过所述逆流式热交换器流到所述膨胀腔 ； 以及
     引入第二液雾与所述压缩腔内的压缩气体交换热量。
     2. 根据权利要求 1 所述的制冷方法， 其中 ：
     所述气体包括空气 ； 以及
     所述第一液雾和所述第二液雾包括水。
     3. 根据权利要求 1 所述的制冷方法， 其中 ：
     所述膨胀腔内所述液雾与所述气体之间的热交换导致近等温膨胀 ； 以及
     所述压缩腔内所述第二液雾与所述气体之间的热交换导致近等温压缩。
     4. 根据权利要求 1 所述的制冷方法， 其中 ：
     由于所述第一液雾之故， 所述膨胀腔在膨胀期间经历约 20° F 或更小的温度变 化； 以及
     由于所述第二液雾之故， 所述压缩腔在压缩期间经历约 20° F 或更小的温度变 化。
     5. 一种方法， 包括 ：
     通过与从第一气雾分离出的液体接触来控制环境的温度， 其中， 所述第一气雾是 将各个第一液滴喷入压缩气体正在进行膨胀的第一腔中所形成的第二气雾的膨胀所产生 的； 以及
     使从所述第一气雾分离出的气体流过逆流式热交换器， 同时压缩气体也流过所述 逆流式热交换器， 所述压缩气体从第三气雾分离出来的， 而所述第三气雾是将各个第二液 滴喷入气体正在被压缩的第二腔中所形成的第四气雾的压缩所产生的。
     6. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中 ：
     所述气体包括空气 ； 以及
     所述第一液体雾滴和所述第二液体雾滴包括水。
     7. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中 ：
     用以形成所述第一气雾的所述第二气雾的膨胀通过从所述第一液滴传热发生在 近等温条件下 ； 以及
     用以形成所述第三气雾的所述第四气雾的压缩通过由所述第二液滴吸热发生在 近等温条件下。
     8. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中 ：
     用以形成所述第一气雾的所述第二气雾的膨胀经历约 20° F 或更小的温度变化 ；以及 用以形成所述第三气雾的所述第四气雾的压缩经历约 20° F 或更小的温度变化。
     9. 一种制冷设备， 包括 ：
     第一汽缸， 在其中设置有第一构件以界定膨胀腔， 所述第一构件在所述膨胀腔内 膨胀的气体的作用下可移动 ；
     第二汽缸， 在其中设置有第二构件以界定压缩腔， 所述第二构件可移动以压缩所 述压缩腔内的气体 ；
     在所述第一可移动部件和所述第二可移动部件之间的物理联动装置 ；
     与所述物理联动装置连接的马达 ；
     喷雾系统， 设置为在所述膨胀腔内引入液滴以形成第一气雾以及在所述压缩腔内 引入液滴以形成第二气雾 ；
     第一气体 / 液体分离器， 设有入口， 与所述第一汽缸的出口通流体 ；
     第二气体 / 液体分离器， 设有入口， 与所述第二汽缸的出口通流体 ；
     第一热交换器， 与所述第一气体 / 液体分离器的第一出口通流体 ；
     第二热交换器， 与所述第二气体 / 液体热交换器的第一出口通流体 ； 以及
     逆流式热交换器， 配置为使从所述第一气体 / 液体分离器接收到的气体流到所述 压缩腔， 以及配置为使从所述第二气体 / 液体分离器接收到的气体流到所述膨胀腔， 其中， 所述第一热交换器用作制冷节点以冷却环境的温度。
     10. 根据权利要求 9 所述的制冷设备， 其中， 所述液体包括水， 所述气体包括空气。
     11. 根据权利要求 9 所述的制冷设备， 其中， 所述第一构件包括第一往复式活塞， 所述第二构件包括第二往复式活塞。
     12. 根据权利要求 11 所述的制冷设备， 其中， 所述物理联动装置包括可转动轴。
     13. 根据权利要求 9 所述的制冷设备， 还包括 ：
     第一泵， 配置为使液体从所述第一气体 / 液体分离器流动到所述第一热交换器 ； 以及
     第二泵， 配置为使液体从所述第二气体 / 液体分离器流动到所述第二热交换器。
     14. 根据权利要求 9 所述的制冷设备， 其中， 所述喷雾系统包括空心锥形喷嘴。
     15. 根据权利要求 9 所述的制冷设备， 其中， 所述喷雾系统包括扇形喷嘴。
     总之， 本发明的实施例涉及从温度差中抽取能量。在具体的实施例中， 热源的能 量可以通过压缩气体的膨胀来抽取。在某些实施例中， 包含压缩气体的存储单元与压缩 机 - 膨胀机通流体。从所述存储单元接收到的压缩气体在所述压缩机 - 膨胀机中膨胀以产 生能量。在该膨胀期间， 所述压缩机 - 膨胀机通过热交换器与所述热源有选择地通热， 从而 增强由所述膨胀气体输出的能量。在另外的实施例中， 如果所述热源连续可用， 那么， 专用 气体膨胀机可以被配置为驱动专用压缩机。这样的实施例可以使用封闭系统， 该封闭系统 使用具有高热容特性的气体， 例如氦气或所述系统在高的基线压强下工作所产生的高密度 气体。
     压缩空气的一个源是风。公知地， 从风产生功率的效率随着风力涡轮机的扇片距 离地面的高度的增加而增加。然而， 这个高度要求提供具有足够机械强度的大而固定的结 构， 以便在各种风力条件下安全地支撑包括叶片的所述涡轮机的较重的结构。
     构建和维持这样的支撑结构的花费是所述系统的固有花费， 这减小了风力发生装 置的总的收益。因此， 在本领域中需要新的结构和方法来支撑风力涡轮机。
     能量存储和复原系统使用由来自工作着的风力涡轮机的能量压缩的空气。 该压缩 空气被存储在将风力涡轮机支撑在地面上的结构的一个或多个腔内。 通过既作为物理支撑 又作为压缩空气的存储容器， 所述支撑结构在所述能量存储和复原系统的总成本中的相对 贡献会降低， 从而在经济上容易实现所述复合的涡轮机 / 支撑设备。在某些实施例中， 会依 赖于所述腔内存储的压缩空气的膨胀力来增加支撑结构的物理稳定性， 这进一步降低了所 述支撑结构的材料成本。
     本发明所述的方法的一个实施例包括将由工作着的风力涡轮机的能量所产生的 压缩气体存储在支撑该风力涡轮机的结构的各个壁所界定出的腔内。
     本发明所述的设备的一个实施例包括被配置为将风力涡轮机撑起在地面上的支 撑结构， 该支撑结构包括壁， 所述壁界定腔， 所述腔被配置为与所述风力涡轮机所操作的气 体压缩机通流体， 所述腔也被配置为存储被所述压缩机压缩的气体。
     本发明所述的设备的一个实施例包括能量存储系统， 该能量存储系统包括风力涡 轮机、 被配置为由所述风力涡轮机操作的气体压缩机、 以及被配置为将所述风力涡轮机撑 起在地面上的支撑结构， 所述支撑结构包括壁， 所述壁界定腔， 所述腔与所述气体压缩机通 流体， 所述腔被配置为存储被所述压缩机压缩的气体。发电机被配置为从所述腔所流出的 压缩气体的膨胀产生电能。
     如前面所述， 风力涡轮机距离地面越高就越能有效地获得风能。 具体说， 风速大致 正比于所述高度的七次方根。 功率正比于风速的立方， 并且也正比于风力涡轮机的面积。 较 高的高度 H 在理论上允许有较大直径的涡轮机， 给出正比于 H2 的面积以及正比于 Hx 的功 率， 其中， x 大约为 2+3/7。因此， 所述支撑结构是所述系统的必须部件。根据本发明的实施 例， 这个支撑结构能够执行其它任务， 即容纳一个或多个腔或容器， 这些腔或容器配置为接 收和存储由所述风力涡轮机的输出产生的压缩空气。
     这种风力涡轮机的支撑结构从一开始就很好地适合这个任务， 因为它通常由外壳 来形成， 该外壳封起了内部空间。 这种结构为处于顶部的风力涡轮机提供希望的机械支撑， 同时不使用大量的材料并避免了很重的重量， 没有整体实心支撑结构所具有的很重的重 量。
     图 33 示出了本发明所述的系统的一个实施例的简化示意图。 具体说， 系统 3300 包 括位于支撑塔 3306 顶部的涡轮机机舱 (nacelle)3301。机舱 3301 包含风力涡轮机 3302， 风力涡轮机 3302 具有可转动叶片 3304。
     机舱 3301 可以通过接头 3311 与支撑塔 3306 可转动地连接 ( 如箭头 3320 所 示 )， 从而允许风力涡轮机叶片的取向面对盛行风向。适于本发明的实施例使用的风力涡 轮机的一个例子为康涅狄格的 Fairfield 通用电力公司 (GeneralElectric Company of Fairfield， Connecticut) 所提供的 1.5sle 型涡轮机。
     与风 3308 接触后， 涡轮机 3302 的叶片 3304 转动， 从而将风的能量转化为输出到 联动装置 3305 的能量。联动装置 3305 可以本质上是机械的、 液压的或气动的。
     反过来， 联动装置 3305 通过齿轮系统 3312 和联动装置 3303 与马达 / 发电机 3314 物理连接。齿轮系统 3312 也通过联动装置 3307 与压缩机 / 膨胀机部件 3316 物理连接。联动装置 3303 和 3307 可以本质上是机械的、 液压的或气动的。
     所述齿轮系统可以配置为允许所有联动装置以相减或相加的方式同时运动。 所述 齿轮系统也可以配置为容纳部分联动装置的运动。在某些实施例中， 行星齿轮系统可以很 好地执行这些任务。
     压缩气体存储腔 3318 被界定在所述支撑塔的壁 3318a 之内。 压缩机 / 膨胀机 3316 通过导管 3309 与存储腔 3318 通流体。
     下面将描述系统 3300 的几个工作模式。在一个工作模式中， 风在吹， 并且电网上 的电能需求高。在这些条件下， 基本上涡轮机叶片的转动所输出的所有能量都通过联动装 置 3305 和 3303 以及齿轮系统 3312 传递到正作为发电机工作的马达 / 发电机 3314 中。马 达 / 发电机 3314 所产生的电能通过导线 3313 输出到电网上供消耗。在这种模式中， 压缩 机 / 膨胀机 3316 不工作。
     在另一种工作模式中， 风在吹， 但电能的需求不高。在这些条件下， 涡轮机叶片的 转动所输出的能量的一部分通过部件 3305、 3312、 3303 和 3314 转化为电能， 如上所述。
     此外， 工作着的涡轮机所输出的能量的一部分也通过联动装置 3305 和 3307 以及 齿轮系统 3312 被传递来驱动正作为压缩机工作的压缩机 / 膨胀机 3316。压缩机 / 膨胀机 3316 运行起来吸入空气、 压缩该空气、 然后使该压缩空气流入位于支撑塔中的存储腔 3318 中。如下面所述， 之后， 以该压缩空气的形式存储的能量可以复原， 以产生有用功。
     具体说， 在系统 3300 的另一个工作模式中， 压缩机 / 膨胀机 3316 配置为作为膨胀 机来工作。在这种模式中， 所述存储腔中的压缩空气通过导管 3309 流入膨胀机 3316 中， 在 膨胀机 3316 中该压缩空气可以进行膨胀。该空气的膨胀驱动与联动装置 3307 有物理连接 的可移动部件。这种可移动部件的一个例子为位于压缩机 / 膨胀机 3316 的汽缸中的活塞。
     被驱动的联动装置 3307 的能量再通过齿轮系统 3312 和联动装置 3303 传到正作 为发电机工作的马达 / 发电机 3314。马达 / 发电机在联动装置 3303 运动的作用下所产生 的电能可以再通过导线 3313 输出到电网。
     在刚刚描述的工作模式中， 风可以正在吹， 也可以不在吹。 如果风在吹， 那么， 压缩 机 / 膨胀机 3316 所输出的能量可以与涡轮机 3312 所输出的能量在所述齿轮系统中合并。 然后， 来自这些源 ( 风、 压缩空气 ) 的合并能量可以由齿轮系统 3312 通过联动装置 3303 传 到马达 / 发电机 3314。
     在另一种工作模式中， 风不在吹， 并且电能需求低。在这些条件下， 压缩机 / 膨胀 机 3316 可以作为压缩机工作。 马达 / 发电机 3314 作为马达工作， 从电网吸取能量以通过联 动装置 3303 和 3307 以及齿轮系统 3312 驱动压缩机 / 发电机 3316( 正作为压缩机工作 )。 这种工作模式允许消耗电网的多余能量以补充腔 3318 中所存储的压缩空气， 以便以后使 用。
     2009 年 6 月 29 日提交的美国临时专利申请 No.61/221,487 和 2010 年 1 月 28 日 提交的美国非临时专利申请 No.12/695,922 中描述了提供压缩气体能量的有效存储和复 原的系统的实施例， 这两个专利申请通过引述全部结合于此， 用于各种用途。然而， 本发明 的实施例不限于压缩空气存储和复原系统的这些设计以及任何其它具体设计的使用。 2010 年 1 月 12 日提交的临时专利申请 No.61/294,396 也通过引述全部结合于此， 用于各种用 途。如前面所述， 本发明的某些实施例可以有利地使用行星齿轮系统以允许机械能在 所述系统的不同部件之间转移。具体说， 这种行星齿轮系统可以灵活地包容处于上述各种 工作模式中的联动装置之间的不同的相对运动。
     图 33A 示出了本发明的实施例中可以使用的行星齿轮系统的一个实施例的简化 俯视图。图 33AA 示出了图 33A 中行星齿轮系统沿 33A-33A’ 线的简化剖视图。
     具体说， 行星齿轮系统 3350 包括环形齿轮 3352， 环形齿轮 3352 在外周具有第一组 轮齿 3354， 在内部具有第二组轮齿 3356。环形齿轮 3352 与三个其它齿轮组件啮合， 并相对 于它们可以在任一方向上运动。
     具体说， 第一齿轮组件 3340 包括包括侧齿轮 3342， 侧齿轮 3342 位于环形齿轮 3352 的外侧， 并固定到可转动轴 3341 上， 可转动轴 3341 用作到所述行星齿轮系统的第一联 动装置。侧齿轮 3342 的轮齿与位于所述环形齿轮的外周的轮齿 3354 机械连接。轴 3341 在任一方向上的转动将化成环形齿轮 3352 的相应运动。
     第二齿轮组件 3358 包括中心 ( 太阳 ) 齿轮 3360， 中心齿轮 3360 位于环形齿轮 3352 的内部。中心齿轮 3360 固定在可转动的轴 3362 上， 可转动的轴 3362 用作到所述行星 齿轮系统的第二联动装置。
     第三齿轮组件 3365 使中心齿轮 3360 与环形齿轮 3352 的第二组轮齿 3356 机械连 接。具体说， 第三齿轮组件 3365 包括多个 ( 行星 ) 齿轮 3364， 这些齿轮 3364 通过各自的销 子 (pin)3367 与 ( 行星承载 ) 盘 3366 处于自由转动连接中。盘 3366 固定到第三轴 3368 上， 第三轴 3368 用作对于所述行星齿轮系统的第三联动装置。
     图 33A-33AA 所示的行星齿轮系统 3350 提供与三个可转动联动装置 3341、 3362 和 3368 的机械连接。这些联动装置中的每个联动装置可以与所述系统的各种其它部件 ( 例 如， 风力涡轮机、 发电机、 马达、 马达 / 发电机、 压缩机、 膨胀机或压缩机 / 膨胀机 ) 物理连 接。
     行星齿轮系统 3350 允许所有的联动装置以相减或相加的方式同时运动。例如， 如 果风正在吹， 那么， 可以将来自涡轮机联动装置的能量分配以驱动对于发电机的联动装置 和对于压缩机的联动装置。在另一个例子中， 如果风正在吹且电能需求高， 那么， 所述行星 齿轮系统允许涡轮机联动装置的输出与膨胀机联动装置的输出合并， 以驱动对于发电机的 联动装置。
     此外， 所述行星齿轮系统也可以配置为包容部分联动装置的运动。例如， 轴 3341 的转动可以导致轴 3362 的转动并且反之亦然， 而阻止轴 3368 转动。类似地， 轴 3341 的转 动可以只导致轴 3368 的转动并且反之亦然， 或者， 轴 3362 的转动可以只导致轴 3368 的转 动并且反之亦然。 这种配置允许机械能只在所述系统的两个部件之间有选择地转移， 例如， 当风力涡轮机是静止的， 且希望基于马达的输出来操作压缩机。
     再回到图 33， 本发明所述的压缩气体存储和复原系统的某些实施例可以提供若干 潜在希望的特性。首先， 所述系统利用现有风力涡轮机系统中可能存在的设备。就是说， 所 述压缩空气能量存储和复原系统可以利用同一个用来从风力涡轮机输出能量到电网的发 电机。这种从风力和从存储的压缩空气产生电力的发电机的使用会降低整个系统的成本。
     与图 33 的实施例相关的另一个潜在的益处是， 能量产生的效率提高。具体说， 转 动的风力涡轮机叶片所输出的机械能能够以机械的形式传递给压缩机， 而不需要转化成另一种形式 ( 诸如电能 )。通过以本身的机械形式使用能量源 ( 风力涡轮机 ) 的输出， 该能量 转移到压缩空气中的效率会提高。
     与图 33 的实施例相关的另一个潜在的优点是， 部件数目减少。具体说， 所述系统 的两个部件执行双重功能。具体说， 马达 / 发电机既可以作为马达又可以作为发电机来工 作， 而压缩机 / 膨胀机既可以作为压缩机又可以作为膨胀机来工作。这就不再需要单独专 用的部件来执行这些功能。
     与图 33 的实施例相关的再一个潜在的优点是， 将各个部件与移动件连接起来的 联动装置相对简单。 具体说， 在图 33 的实施例中， 涡轮机、 齿轮系统、 马达 / 发电机和压缩机 / 膨胀机均位于所述机舱内。 这样的配置提供了兼容的优点， 其中在机舱和下面的支撑结构 之间有转动连接。具体说， 没有一个部件之间的联动装置需要穿越所述转动接头， 因此， 所 述联动装置不需要包容所述机舱和支撑结构之间的相对运动。 这种配置允许那些联动装置 的设计和操作有实质性的简化。
     然而， 根据另外的实施例， 所述齿轮系统、 压缩机 / 膨胀机以及马达 / 发电机中的 一个或多个可以被置于所述机舱的外部。图 34 示出了本发明所述的系统 3400 的这样一个 另外的实施例的简化图。
     在这个实施例中， 涡轮机 3402 被置于机舱 3401 内， 而齿轮系统 3412、 压缩机 / 膨 胀机 3416 和马达 / 发电机 3414 被置于塔 3406 的底部。通过使用在涡轮机 3402 和齿轮系 统 3412 之间工作的加长的联动装置 3405， 这种配置成为可能。加长的联动装置 3405 本质 上可以是机械的、 液压的或气动的。
     图 34 中的实施例的设计会有一些额外的复杂性， 这种复杂性在于， 联动装置 3405 横穿了转动接头 3411， 因此必须能够包容涡轮机 3402 相对于齿轮系统 3412 的相对运动。 考虑联动装置 3405 被限制为只在一个方向 ( 从涡轮机到齿轮系统 ) 传递能量， 那么这一复 杂性可以部分地减少。
     此外， 使联动装置 3405 横穿转动接头 3411 所涉及的复杂性的成本可以被接近马 达 / 发电机、 压缩机 / 膨胀机以及齿轮系统的容易性所抵消。特别地， 这些部件包括大量的 移动件并不断被磨损。将这些部件放在所述塔的底部 ( 而不是顶部 ) 便于检查和维修时接 近， 从而减小了成本。
     其它的实施例也是可能的。例如， 尽管图 34 示出了齿轮系统、 马达 / 发电机、 以及 压缩机 / 膨胀机部件被放置在所述支撑结构的内部， 但这不是所要求的。在其它的实施例 中， 这些部件的一个或多个可以被置于所述支撑结构的外部， 并仍然通过从所述支撑塔延 伸的联动装置与风力涡轮机连接。在这种实施例中， 压缩空气管道、 电导线以及机械、 液压 或气动联动装置可以在这些系统部件之间提供需要的连接。
     本发明的实施例不限于上述具体的部件。例如， 尽管图 1 和图 2 示出了包括具有 联合功能的压缩机 / 膨胀机部件和马达 / 发电机部件的压缩气体存储系统， 但这并不是本 发明所要求的。
     图 35 示出了本发明所述的系统 3500 的另一实施例， 该实施例使用了单独的专用 压缩机 3550、 专用膨胀机 3516、 专用马达 3554 和专用发电机 3514 部件。这种实施例在使 现有风力涡轮机适应于容纳压缩气体存储系统上是有用的。
     特别地， 原有的风力涡轮机成套设备或许包含通过齿轮系统 3512 和联动装置3503 和 3505 与涡轮机 3502 连接的专用发电机部件 3514。然而， 发电机 3514 并没有设计 成也具有马达功能。
     可以将专用膨胀机 3516、 专用压缩机 3550、 专用马达 3554、 联动装置 3507 和 3573 以及导管 3570 添加到这样一个现有配置中， 以结合压缩气体存储系统。在一个实施例中， 专用膨胀机 3516 可以被置于机舱 3501 中， 通过联动装置 3507 与齿轮系统 3512 连接。 专用 膨胀机 3516 通过导管 3509 与压缩气体存储腔 3518 的顶部通流体， 而压缩气体存储腔 3518 由支撑塔 3506 的壁 3506a 界定。
     专用压缩机 3550 和专用马达 3554 被容易地包含在例如所述支撑塔的底部或底部 附近， 从而便于接近这些部件。 专用压缩机 3550 通过导管 3570 与存储腔 3518 通流体， 通过 联动装置 3572 与专用马达 3554 物理连接。专用马达 3554 再与发电机和 / 或电网进行电 子通信， 以接收能量来操作所述压缩机， 从而补充所述腔 3518 中存储的压缩气体的供应。
     如图 35 所示， 这个实施例还可以包括可选的在位于机舱 3501 内的齿轮系统 3512 和位于机舱 3501 外的专用压缩机 3550 之间延伸的加长型机械、 液压或气动联动装置 3574。 这样一个联动装置将允许专用压缩机直接由所述涡轮机的输出来操作， 避免了通过专用发 电机将机械能转化为电形式、 再通过专用马达将电功率在转化回机械形式以便操作所述压 缩机所涉及的损失。
     图 35A 示出了本发明所述的系统的又一个实施例的简化图。 在图 35A 的系统 3580 的实施例中， 只有涡轮机 3582、 联动装置 3583 和专用压缩机 3586 部件被放在位于支撑塔 3596 顶部的机舱 3581 内。专用压缩机 3586 通过联动装置 3583( 可以是机械的、 液压的或 气动的 ) 与所述涡轮机连接， 用来由所述专用压缩机驱动空气的压缩。所述专用压缩机所 输出的压缩空气通过穿越接头 3591 的导管 3589 流入支撑塔 3596 中的腔 3598 中。
     其余的部件被置于所述机舱的外部， 既可以在所述支撑塔内， 也可以在所述支撑 塔外。例如， 专用膨胀机或膨胀机 / 压缩机 3588 与界定在壁 3596a 内的腔 3598 相连， 以 通过导管 3593 接收压缩气体。部件 3588 配置为允许所述压缩空气膨胀， 并通过联动装置 3592 将该膨胀所复原的能量传递到发电机或发电机 / 马达 3584。部件 3584 再进行工作以 发电， 该电力被馈入电网上。
     图 35A 所示的实施例也可以具有存储来自电网的能量的功能。如果部件 3584 为 发电机 / 马达， 部件 3588 为膨胀机 / 压缩机， 那么， 部件 3584 可以作为马达来工作以驱动 作为压缩机工作的部件 3588， 从而将空气压缩并使其流到腔 3598 中供存储以及之后的复 原。
     图 35A 所示的实施例提供了一个潜在的优点， 即， 利用所述腔将能量从所述塔的 顶部输运到底部， 不要求有单独的加长型联动装置或导管。图 35A 的实施例的另一个可能 的优点是， 在所述塔的顶部减少了重量。尽管这个实施例会招致损失， 其中， 所述涡轮机的 机械能输出首先被转化为压缩空气， 然后再被转化回机械能以驱动所述发电机， 然而， 这种 损失会被所述塔顶重量的减少所抵消， 塔顶重量的减小允许塔更高并接触更多的风能。
     本发明不限于具有任何具体形状的支撑结构。 在图 33 和 34 所示的具体实施例中， 所述支撑结构的截面形状出沿着其长度变化。例如， 支撑结构 3306 在其底部较宽， 然后渐 细， 直到与风力涡轮机汇合之处。 通过将材料分配到能够最好地给出支撑功能之处， 这种设 计可以尽量少用材料并减少成本。然而， 本发明也包括具有其它形状的支撑结构。 例如， 图 36 示出了支撑结构 3600， 该支撑结构 3600 包括中空管， 该中空管具有基本上均匀的圆形或椭圆形截面。 中空管 3600 的壁 3600a 反过来界定了用于存储压缩气体的腔 3602。尽管可能会使用更多的物质， 但这 种管是一种较简单的结构， 在许多其它工业中用于各种应用中。 因此， 这种管很可能能以较 低的价格得到， 这个低价格可以抵消任何更大的材料成本。
     仍有其它的实施例是可能的。 例如， 在某些实施例中， 支撑结构可以设计为利用由 其中所存储的压缩气体所施加的力， 以便赋予所述支撑结构额外的稳定性。
     因此， 图 37 示出了一个实施例， 其中， 支撑结构 3700 包括一个部分 3706a， 该部分 具有较薄的壁 3706b， 比前面的实施例中的相应部分具有较小的固有强度。 这个强度的减小 可以归因于一个或多个因素， 包括但不限于， 所述支撑使用不同的设计或形状、 所述支撑中 使用的材料量减少、 或所述支撑中使用不同的材料。
     然而， 根据本发明的实施例， 支撑结构 3706 的固有强度的任何减小可以由腔 3718 内所包含的压缩空气 3726 所施加的膨胀力 3724 来抵消。特别地， 以与膨胀气球的壁的强 化类似的方式， 所述压缩空气的膨胀力可以为所述支撑结构贡献额外的强度。这个膨胀效 应非常夸张地示于图 37 中， 用以说明。
     这种设计的一个可能的应用采用一种支撑结构， 该支撑结构由至少能够有些弯曲 的材料 ( 例如， 碳纤维 ) 制成。在这样一个实施例中， 韧性支撑件的腔中的压缩气体所产生 的膨胀力可以抵住所述腔的壁， 从而使其硬化并对该支撑的结构稳定性做出贡献。这种支 撑结构也可以由其它材料来形成， 并仍然落在本发明的范围内。
     一种包含碳纤维的设计还可以提供进一步的优点。例如， 碳纤维结构根据其制备 方式可以在特定的维度上呈现出增强的强度。因此， 碳纤维支撑结构可以制成在特定维度 上呈现强度和 / 或弯曲， 例如， 在压缩气体的膨胀力预期要作用的维度上， 和 / 或在所述支 撑预期要经受外应力的维度上 ( 例如， 主流风向 )。
     当然， 利用所存储的压缩空气的膨胀力进行的设计需要在面对所存储的压缩空气 的量发生预期 ( 和意外 ) 变化的时候呈现出足够的固有强度， 例如在压缩空气被抽走并进 行膨胀以复原能量的时候。不过， 与所述支撑结构内剩余的最少量的压缩空气相关的膨胀 力可以赋予支撑结构足够的稳定性， 从而减少了其制造和维修的成本。
     1. 一种方法， 包括 ：
     将工作着的风力涡轮机的能量所产生的压缩气体存储在由所述风力涡轮机的支 撑结构的壁所界定的腔内。
     2. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括， 从所述风力涡轮机的输出来操作压缩机 以产生所述压缩气体。
     3. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括，
     从所述腔中流出至少一部分所述压缩空气 ； 以及
     允许所述流出的压缩气体部分膨胀并产生能量。
     4. 根据权利要求 3 所述的方法， 其中， 所述一部分压缩气体从所述腔中流到与发 电机有物理连接的膨胀机中。
     5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述压缩气体的膨胀力赋予所述支撑结构 稳定性。6. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中， 所述壁包括韧性材料。
     7. 一种设备， 包括 ：
     支撑结构， 配置为将风力涡轮机抬升到地面之上， 所述支撑结构包括界定腔的壁， 所述腔配置为与所述风力涡轮机所操作的气体压缩机通流体， 所述腔也配置为存储所述压 缩机所压缩的气体。
     8. 根据权利要求 7 所述的设备， 其中， 所述支撑结构包括空心管。
     9. 根据权利要求 8 所述的设备， 其中， 所述空心管呈现出沿着其长度基本上不变 的截面。
     10. 根据权利要求 7 所述的设备， 还包括机舱， 所述机舱通过接头与所述支撑结构 可转动地连接， 所述机舱容纳所述涡轮机。
     11. 根据权利要求 10 所述的设备， 其中， 所述机舱还容纳齿轮系统、 所述齿轮系统 和所述涡轮机之间的第一物理联动装置、 发电机、 所述发电机和所述齿轮系统之间的第二 物理联动装置、 与所述腔通流体的膨胀机、 以及所述膨胀机与所述齿轮系统之间的第三物 理联动装置， 使得所述第一、 第二和第三物理联动装置不穿越所述接头。
     12. 根据权利要求 11 所述的设备， 其中， 所述发电机包括配置为操作所述气体压 缩机的马达 / 发电机。
     13. 根据权利要求 11 所述的设备， 其中， 所述气体压缩机和膨胀机结合成压缩机 / 膨胀机。
     14. 根据权利要求 11 所述的设备， 其中， 所述齿轮系统包括行星齿轮系统。
     15. 根据权利要求 10 所述的设备， 还包括齿轮系统、 发电机、 所述发电机和所述齿 轮系统之间的第一物理联动装置、 与所述腔通流体的膨胀机、 所述膨胀机和所述齿轮系统 之间的第二物理联动装置、 以及所述涡轮机与所述齿轮系统之间的第三物理联动装置， 其 中， 所述齿轮系统、 所述发电机、 所述第一物理联动装置、 所述膨胀机、 以及所述第二物理联 动装置被置于所述机舱外， 以及其中， 所述第三物理联动装置穿越所述接头。
     16. 根据权利要求 15 所述的设备， 其中， 所述发电机包括马达 / 发电机， 所述膨胀 机包括压缩机 / 膨胀机。
     17. 根据权利要求 15 所述的设备， 其中， 所述发电机包括专用发电机， 所述膨胀机 包括专用膨胀机。
     18. 根据权利要求 15 所述的设备， 其中， 所述齿轮系统包括行星齿轮系统。
     19. 根据权利要求 10 所述的设备， 其中，
     所述机舱容纳齿轮系统、 专用发电机、 所述专用发电机和所述齿轮系统之间的第 一物理联动装置、 与所述腔通流体的专用膨胀机、 所述专用膨胀机和所述齿轮系统之间的 第二物理联动装置、 以及所述涡轮机与所述齿轮系统之间的第三物理联动装置 ； 以及
     所述设备还包括，
     专用压缩机， 该专用压缩机与所述存储腔通流体， 并通过第四联动装置与专用马 达物理连接， 其中， 所述专用压缩机、 所述专用马达、 以及所述第四联动装置被置于所述机 舱的外部。
     20. 根据权利要求 19 所述的设备， 还包括， 所述齿轮系统和所述专用压缩机之间 的第五联动装置。21. 根据权利要求 19 所述的设备， 其中， 所述齿轮系统包括行星齿轮系统。
     22. 根据权利要求 10 所述的设备， 其中，
     所述压缩机包括容纳在所述机舱内的专用压缩机， 所述压缩机通过第一联动装置 与所述涡轮机物理连接， 并通过第一导管越过所述接头与所述腔通流体 ； 以及
     所述系统还包括 ：
     被置于所述支撑结构的底部附近的膨胀机， 所述膨胀机与所述腔通流体， 并通过 第二物理联动装置与发电机连接。
     23. 根据权利要求 22 所述的设备， 其中， 所述膨胀机包括膨胀机 / 压缩机， 所述发 电机包括发电机 / 马达。
     24. 一种能量存储系统， 包括 ：
     风力涡轮机 ；
     气体压缩机， 配置为由所述风力涡轮机操作 ；
     支撑结构， 配置为将所述风力涡轮机抬升到地面之上， 所述支撑结构包括界定腔 的壁， 所述腔与所述气体压缩机通流体， 所述腔被配置为存储由所述气体压缩机压缩的气 体； 以及
     发电机， 配置为由从所述腔所流出的压缩气体的膨胀来发电。
     25. 根据权利要求 24 所述的系统， 还包括机舱， 所述机舱通过接头与所述支撑结 构可转动地连接， 所述机舱容纳所述涡轮机、 所述发电机、 以及与所述腔通流体且与所述发 电机物理连接的膨胀机。
     总之， 能量存储和复原系统的实施例使用由工作着的风力涡轮机的能量进行压缩 的空气。该压缩空气被存储在将所述涡轮机支撑在地面上的结构中的一个或多个腔内。通 过既作物理支撑又作存储压缩空气的容器， 所述支撑结构对所述能量存储和复原系统的总 成本的相对贡献可以减小， 从而在经济上容易实现所述复合的涡轮机 / 支撑设备。在某些 实施例中， 可以依赖于所述腔内存储的压缩空气的膨胀力来增加支撑结构的物理稳定性， 这进一步降低了所述支撑结构的材料成本。
     在某些实施例中， 利用单独应用或相结合应用的一种或多种技术可以提高从压缩 气体中存储和回收的能量。一种技术将雾状液滴引入位于第二腔的上游的专用腔中， 在该 第二腔中发生气体压缩和 / 或膨胀。在一些实施例中， 通过在专用的混合腔和第二腔之间 插置脉动阻尼瓶 (pulsation damper bottle)， 使得连续流穿过混合腔， 可以提高所得的 气 - 液混合物的均匀性。另一种技术利用能够以低能量开动的阀门构造来控制来自或流向 压缩和 / 或膨胀腔的气体的流动。所述阀门构造利用在系统的操作期间产生的固有压差来 使阀门以低能量消耗被开动。
     图 38 示出了根据本发明的能量存储和复原系统 3801 的一个实施例的简化框图。 图 38 示出了与压缩空气存储单元 3803 选择性地通流体的压缩机 / 膨胀机 3802。发动机 / 发电机 3804 与压缩机 / 膨胀机 3802 选择性地连通。
     在第一操作模式中， 能量以压缩空气的形式存储， 并且马达 / 发电机 3804 作为马 达进行操作。马达 / 发电机 3804 从外源接收能量， 使得压缩机 / 膨胀机 3802 用作压缩 机。压缩机 / 膨胀机 3802 接收未经压缩的空气， 在腔 3802a 中利用诸如活塞的可移动部件 3802b 对空气进行压缩， 并使压缩空气流向存储单元。在第二操作模式中， 回收存储在压缩空气中的能量， 并且压缩机 / 膨胀机 3802 用 作膨胀机。压缩机 / 膨胀机 3802 从存储单元 3803 接收压缩空气， 然后使压缩空气在腔 3082a 中膨胀。这种膨胀驱动可移动部件 3802b， 所述可移动部件 3802b 与用作发电机的马 达 / 发电机 3804 连通。马达 / 发电机 3804 所产生的能量可以反过来输入电力网并消耗。
     如上所述的对空气进行压缩和消除压缩的过程可能会经历一些热量和机械损耗。 然而， 如果压缩过程以最小的温度增加进行， 则可以减小热量损失， 并且如果膨胀过程以最 小的温度降低进行， 则可以减小热量损失。
     因此， 本发明的实施例可以在压缩和 / 或膨胀过程中引入液体。液体的相对应气 体较高的热容量使得在压缩期间液体可以从空气接收热量， 并在膨胀期间将热量传递给空 气。如果液体以雾状引入压缩空气或膨胀空气中， 则液体的大的表面积可以提高传递给液 体的能量和从液体传递的能量。
     在压缩和 / 或膨胀期间引入的气 / 液混合物的条件 ( 诸如液滴大小、 液滴分布的 均匀性、 液体体积比、 温度和压强 ) 在决定向气体传递能量和从气体传递能量方面是重要 的。 然而， 由于压缩和膨胀的固有性质， 当那些过程发生时， 诸如温度、 体积和压强之类的条 件很可能会发生变化。
     因此， 为了在压缩和膨胀期间实现更好的控制气 / 液混合物并且保证混合物的热 特性的一致性和再现性， 本发明的实施例利用位于第二腔的上游的单独的混合腔 3805， 膨 胀和压缩在第二腔中发生。该单独的混合腔 3805 通过阀门 3807 与腔 3802a 选择性的通流 体。以此方式， 在混合腔 3805 中相对稳定的条件下制备的气液混合物流入压缩 / 膨胀腔 3802a， 以在压缩 / 膨胀腔 3802a 中从气体吸收热量或将热量传递给气体。
     尽管上述实施例利用被构造为作为气体压缩机和作为气体膨胀机工作的单个设 备， 但是本发明不必须如此。另外的实施例可以利用分离的、 专用的原件来进行压缩和膨 胀， 这仍包括在本发明的范围内。
     例如， 图 39 示出了根据本发明实施例的用于进行气体压缩的设备 3900 的简图。 气 流 3902 通过进气管 3904 进入， 然后流入混合腔 3906。
     液体喷雾 3908 穿过与多个喷嘴 3910 通流体的歧管 3911 喷入混合腔 3906， 并被气 流 3902 带走。由于混合腔 3906 的存在及其结构 ( 例如， 它的尺寸和 / 或喷射口或喷嘴的 数量和排列 )， 在到达压缩腔 3912 之前液体喷雾 3908 在气体中均匀地分布以形成均匀的混 合物， 诸如气 - 液气雾。
     在 某 些 实 施 例 中， 期 望 形 成 具 有 平 均 直 径 约 为 20μm 或 更 小 的 液 滴 的 混 合 物。在一些实施例中， 通过在液体中包含表面活性剂有助于形成具有合适大小的液 滴 的 混 合 物。 可 使 用 的 表 面 活 性 剂 的 一 个 例 子 是 CAS 号 为 9002-93-1 的 辛 苯 昔 醇 (octylphenoxypolyethoxyethanol)， 也被称作曲拉通 (Triton)X-100。
     在气 - 液气雾进入压缩腔 3912 之前， 它穿过另一部分， 即脉动阻尼瓶 3914。该脉 动阻尼瓶的体积明显大于压缩腔的体积， 通常至少是腔体积的 10 倍。
     脉动阻尼瓶 3914 也呈现出宽度 (w) 与瓶 3914 的入口 3916 和出口 3918 的宽度 不同。该瓶与它的入口和出口之间的尺寸差异使得对于任何试图从压缩腔 3912 的进气阀 3920a-b 返回混合腔 3906 的声波产生一系列阻抗失配。具体来说， 这些阻抗失配消除混合 腔中的液体移动的不期望的改变， 否则这些不期望的改变会影响其中产生的气 - 液混合物的均匀性。
     具体地， 如联系图 39A-B 进行的详细论述， 由于压缩机的循环工作， 伴随着进气阀 3920a 和 3920b 交替地打开和关闭， 会导致这种不期望的液体移动。 这种循环阀门操作可以 使脉动增加， 这可能引起混合腔 3906 中产生的气液混合物不均匀。
     通过在阀门和混合腔之间放置脉动阻尼瓶， 根据本发明的实施例可以抑制这些脉 动。
     压缩腔 3912 包括一种布置， 所述布置包括在汽缸 3919 中的往复活塞 3924。活塞 与能源 ( 未示出 ) 物理连通。

    [1000] 压缩腔 3912 分别通过阀门 3920a-b 和 3922a-b 与进气管 3950 和排气管 3952 选 择性地通流体。以下将联系图 41 详细描述尤其适合用于结合压缩和膨胀功能的设备的这 些阀门的一种具体构造。

    [1001] 现在联系图 39A-B 来详细描述压缩机的操作。图 39A 示出了当活塞朝向下止点移 动时， 气液混合物通过进气阀 3920b 进入汽缸的左部 3913a。 同时， 出气阀 3922a 打开， 将上 一个冲程中在腔的下部被压缩的气液混合物排入到分离器 3930 中。进气阀 3920a 在此活 塞冲程期间关闭。

    [1002] 图 39B 示出了下一个冲程， 其中， 进气阀 3920b 关闭并且活塞被朝向上止点驱动。 该过程在汽缸的左部 3913a 中压缩气液混合物。当达到所需的压强时， 排气阀 (exhaust valve)3922b 打开， 然后经压缩的混合物被排出到分离器 3930 中。在图 39B 所示的活塞冲 程中， 进气阀 3920a 打开以准许用于在下一个循环中进行压缩的额外的气液混合物进入。 在这一冲程中出气阀 3922a 关闭。

    [1003] 分离器 3930 用于从气液混合物中分离液体。根据本发明的实施例的可以使用的 分离器的类型的例子包括但不限于旋风分离器、 离心分离器、 重力分离器和除雾器分离器 ( 利用网孔型聚结器、 叶片组 (vane pack) 或其它结构 )。

    [1004] 虽然以上各图示出了作为单个元件的分离器， 但是分离器可以包括串联排列的一 个或多个设备。 因此分离器可以采用被设计为首先从流入的气液混合物中除去大量液体的 第一结构。这种结构的一个例子是一种腔， 所述腔具有限定流入的混合物的迂回前进路径 的一系列重叠的板或折流板， 并且提供用于凝聚水的大的表面积。诸如旋风分离器的另一 结构可以串联地接在这种初始结构后面， 所述另一结构被设计为从混合物中除去较小量的 液体。

    [1005] 然后， 压缩气体从分离器通过阀门 3933 流到压缩气体存储单元 3932。

    [1006] 分离器 3930 回收的液体收集在贮液器 3934 中。该液体通过泵 3936 经过热交换 器 3938 循环到喷嘴 3910， 从该处作为喷雾的再次注入进气流。

    [1007] 图 39 所示的系统是双作用的。具体地， 当在汽缸一侧的气液混合物被压缩时， 在 汽缸另一侧的气液混合物被排出。因此， 在汽缸两侧的进气阀 3920a-b 和排气阀 3922a-b 被构造为以彼此 180 度的相差不同时地打开或关闭。阀门的这种重复的打开和关闭可以形 成被脉动阻尼瓶抑制的声波。

    [1008] 图 39 的设备进一步包括与计算机可读存储器 3994 电子通讯的控制器 / 处理器 3996， 所述计算机可读存储器 3994 可以是包括但不限于基于半导体原理或者磁或光存储 原理的计算机可读存储器中的任一设计。示出了控制器 3996 与系统中的全部有源元件电子通讯， 该有源电子元件包括但不限于阀门、 泵、 腔、 喷嘴和传感器。 系统所使用的传感器的 具体例子包括但不限于放置在系统的入口的压力传感器 (P)、 温度传感器 (T)、 体积传感器 (volume sensor)(V) 和湿度传感器 (H)。

    [1009] 如下所详细描述的， 基于从一个或多个系统元件接收的输入以及根据这些输入计 算出的可能值， 控制器 / 处理器 296 可以动态地控制系统的操作以达到一个或多个目的， 所 述一个或多个目的包括但不限于 ： 存储的能量转化为有用功的最大化或受控转化效率 ； 最 大化、 最小化或受控功率输出 ； 期望的功率输出 ； 与活塞连通的转轴的期望的输出速率 ； 与 活塞连通的转轴的期望的输出转矩 ； 与活塞连通的转轴的期望的输入速率 ； 与活塞连通的 转轴的期望的输入转矩 ； 与活塞连通的转轴的最大输出速率 ； 与活塞连通的转轴的最大输 出转矩 ； 与活塞连通的转轴的最小输出速率 ； 与活塞连通的转轴的最小输出转矩 ； 与活塞 连通的转轴的最大输入速率 ； 与活塞连通的转轴的最大输入转矩 ； 与活塞连通的转轴的最 小输入速率 ； 与活塞连通的转轴的最小输入转矩 ； 或在每个级的最大期望温度差。

    [1010] 虽然以上例子描述了活塞的使用， 但是可以利用其它类型的可移动部件， 这 仍处在本发明的范围内。可以利用的替换类型的设备包括但不限于螺旋式压缩机、 多 叶 鼓 风 机 (multi-lobe blower)、 叶 片 式 压 缩 机、 内 齿 轮 泵 (gerotor) 和 奎 西 发 动 机 (quasi-turbine)。

    [1011] 现在描述混合腔的各种可能的实施例的特征。 混合腔的一个目标是将液体注入气 流中， 形成均匀的气液混合物。混合腔可以被设计为利用一个或多个特征实现这种均匀的 气液混合物。

    [1012] 例如， 将液体注入气体的一种方法可以通过使液体流过形成在导管 ( 气体沿导管 流动 ) 的壁中的一个或多个孔来实现。与气流相关的这种孔的截面大小和取向可以用于确 定所得的气液混合物的特性。

    [1013] 或者， 液体可以通过经由喷嘴结构喷射而被引入， 所述喷嘴结构被设计为以经计 算可以获得所需的混合物的方式强制改变注入液体的特性 ( 速度、 压强改变 )。 某些喷嘴的 设计可以利用除压强变化之外的各种能量形式， 以获得所需的喷射特性。应用超声波能量 可以形成特别精细的液滴， 这种液滴具有小的直径， 例如在约 5-10μm 的范围内。

    [1014] 图 39CA 示出了混合腔 3950 的俯视图， 沿气体的流动方向， 示出了根据本发明的一 个实施例注入的液体的可能的轨迹 3951。如此图所示， 液体轨迹的走向使流动气体的气柱 的各个部分最大化地暴露于液体， 所述液体的轨迹在这里示出为与由混合腔的壁界定的气 柱的圆形横截面交叉的箭头。产生这些轨迹 3951 的孔或喷嘴 3953 不必出现在混合腔的同 一高度， 而是可以沿混合腔的长度交错在不同的位置。

    [1015] 图 39CB 示出了混合腔 3960 的替代设计的俯视图， 沿气体的流动方向， 示出了根据 本发明的一个实施例注入的液体的可能的轨迹 3962。如此图所示， 液体轨迹可以根据所谓 的斐波那契螺旋线 (Fibonacci spiral) 定向。并且， 产生这些轨迹 3951 的孔或喷嘴 3953 不必出现在混合腔的同一高度， 而是可以沿混合腔的长度交错在不同的位置。

    [1016] 除了喷射轨迹的相对走向之外的方面可以用于设计特定用途的混合腔。 如下所详 细讨论的， 某些实施例可以在若干级进行压缩或膨胀， 伴随着进入的气体以不同的压强流 向各级。因此， 被构造为以高压将液体注入气体的混合腔可以具有与打算用于低压气流的 混合腔不同的设计。具体地， 用于在高压气流中进行注入的实施例可以显示相对于低压混合腔较细长 和较窄的尺寸。这种设计可以克服喷射轨迹穿入高压气流中心的困难。

    [1018] 回到图 39， 图中所示的特定的实施例是专门用于进行压缩的设备。根据另外的实 施例， 类似的设备可以作为膨胀机工作。

    [1019] 图 40 示出了根据本发明的膨胀机设备的实施例。在膨胀循环期间， 压缩空气可以 从存储单元 4032 经由进气管 4004 进入混合腔 4006。

    [1020] 通过歧管 4011， 使用喷嘴 4010 注入液体喷雾 4008。气液混合物可以通过脉动阻 尼瓶 4014 流入被用作膨胀机的汽缸 4013 的腔。

    [1021] 如图 40A 所示， 在此模式中， 在汽缸 4013 的腔 4013a 中的气体膨胀将使活塞 4024 向右移动并转动曲柄轴 ( 未示出 )。此外， 在那一活塞冲程期间， 在上一活塞冲程期间膨胀 的气体将从汽缸 4013 的另一腔 4013b 输出。

    [1022] 图 40B 示出了下一个活塞冲程， 其中， 在另一腔 4013b 中的气体膨胀使活塞向相反 的方向移动以转动曲柄轴。早前在第一腔 4013a 中膨胀的气体从汽缸输出。

    [1023] 分离器 4030 接收从所述腔输出的膨胀气液混合物， 并且从气液混合物中分离液 体。根据本发明的实施例可以使用的分离器的类型的例子包括但不限于旋风分离器、 离心 分离器、 重力分离器和除雾器分离器 ( 利用网孔型凝聚过滤器、 叶片组或其它结构 )。之后 气体流出系统。

    [1024] 分离器 4030 回收的液体收集在贮液器 4034 中。该液体通过泵 4036 经过热交换 器 4038 循环到喷嘴 4010， 从该处作为喷雾的再次注入进气流。

    [1025] 图 40 的设备在膨胀循环期间与在压缩循环期间相比操作略有不同。具体地， 膨胀 并对活塞做功的气体将会冷却。在某些实施中， 从热源获得的热量可以添加到进入压缩机 的压缩气体或者添加到喷入混合腔的液体中， 从而使得膨胀机可以产生曲柄轴转矩形式的 机械能量。 就是说， 通过向系统添加热量， 膨胀机将产生更多的轴转矩并且可以提高能量输 出。能量输出的量取决于热源和环境空气的温差。

    [1026] 在某些实施例中， 为了最大化从一个或多个热源获得的能量， 可以通过能有效地 转换热量的回热器 (regenerator) 将热量传递给气体。

    [1027] 相结合的压缩 / 膨胀

    [1028] 先前描述的某些实施例涉及被构造为作为专用的压缩机或膨胀机进行操作的结 构。然而， 替换的实施例可以被构造为在压缩模式或膨胀模式的任一模式进行操作。

    [1029] 图 41 示出了这种能够执行压缩和膨胀任务两者的设备的一个实施例的简化图。 在图 41 中， 实线用于示出在压缩模式的三通阀的构造， 虚线用于示出在膨胀模式的三通阀 的构造。为了说明的目的， 图 41 还示出了压缩 / 膨胀汽缸和阀门的构造以及通向它们的导 管， 并且该图不应该被理解为是描述部件的相对尺寸。

    [1030] 设备 4100 包括与入口 4150 通过空气过滤器 4152 通流体的第一组合的混合腔 / 脉动阻尼瓶 4182。在压缩模式中， 部件 4182 的出口通过三通阀 4164 与压缩 / 膨胀汽缸以 及阀门构造 4108( 其操作将在下面详细描述 ) 选择性地连通。在压缩模式， 部件 4108 的输 出通过第二个三通阀 4166 流到分离器 4170， 在该处被分离的液体流入储液器 4135。被分 离的气体转而通过三通阀 4165 流到压缩气体存储单元 4132。 来自储液器 4135 的液体被泵 4176 通过热交换器 4190 泵送用于再次注入到混合腔 / 脉动瓶结构 4182 的混合腔中。在膨胀模式， 来自存储单元 4132 的压缩气体通过三通阀 4165 流入第二组合的混 合腔 / 脉动阻尼瓶 4183。部件 4183 的出口转而通过三通阀 4166 与压缩 / 膨胀汽缸和阀门 构造 4108( 其操作在下面详细描述 ) 选择性地连通。在膨胀描述， 部件 4108 的输出通过三 通阀 4164 流到分离器 4172， 在该处被分离的液体流入储液器 4136。被分离的气体转而通 过出口 4134 流到系统之外。来自储液器 4136 的液体被泵 4174 通过热交换器 4192 泵送用 于再次注入到混合腔 / 脉动瓶结构 4183 的混合腔中。

    [1032] 现在描述图 41 的实施例的特定的汽缸和阀门结构 4108。 汽缸和阀门结构 4108 的 特征是放置在汽缸 4112 中的双作用活塞 4124， 由此定义第一腔 4113a 和第二腔 4113b。第 一阀 4120 可工作以允许第一腔 4113a 和第一低压侧导管 4102 之间的液体流通。第二 4122 可工作以允许第一腔 4113a 和第二高压侧导管 4104 之间的液体流通。

    [1033] 第三阀 4121 可工作以允许第二腔 4133b 与第一导管 4102 之间液体流通。第四阀 4123 可工作以允许第二腔 4133b 与第二导管 4104 之间液体流通。

    [1034] 图 41 是仅为阐述目的而给出的， 并且不应该理解为限制本发明的范围。例如， 尽 管该图示出了活塞可以在竖直方向移动， 但这不是必须的。活塞的移动方向可以根据特定 的执行方式而不同 ( 例如在水平方向 )。

    [1035] 并且尽管图 41 示出了各种阀门位于汽缸的侧壁内， 但是这种构造也不是必须的。 根据另外的实施例， 阀门可以位于其它位置 ( 例如汽缸的端壁 )， 并且这种结构仍将在本发 明的范围内。

    [1036] 现在联系图 41A 至图 41D 的详细视图来描述处于各种模式的汽缸和阀门构造 4108 的操作。第一阀 4120 至第四阀 4123 中的每个都包括相对于各自的阀门座 412b 可移动的 阀门板 412a。各个电磁线圈 412c 物理连通， 以通过相对于阀门座移动阀门板来启动阀门 4120 至 4123。电磁线圈 412c 与诸如图 41 的控制器 / 处理器 4196 的控制器 / 处理器连通。

    [1037] 根据某些构造， 各种阀门的阀门座和阀门板可以被定向从而以低能耗传送气体 流。 例如， 图 41A 至图 41B 示出了汽缸 4112 被构造为作为压缩机进行操作的实例。 具体地， 在图 41A 中当活塞 4124 向下移动时， 阀门 4121 和 4123 最初关闭， 在第二腔 4113b 中的气 体被压缩， 第二腔 4113b 中的压强相对于第一导管 4102 中的压强增加。此压强差用于使阀 门板 4121a 相对于阀门座 4121b 自然地偏置， 由此使电磁线圈 4121c 可以使用最低的能耗 保持阀门 4121 处于关闭位置。

    [1038] 如图 41B 所示， 活塞继续向下移动， 最后导致第二腔 4113b 中的压强达到高压侧的 压强。此外， 在此过程期间， 与阀门座相关的阀门板 4121a 的具体构造使得阀门 4121 可以 使用来自电磁线圈 4121c 的最小的能量保持关闭。

    [1039] 此外， 自电磁线圈 4123c 需要消耗相对少的能量来打开阀门 4123， 以使压缩气体 可以流到第二腔 4113b 之外。这是因为第二腔 4113b 内的压强接近高压侧导管 4104 的压 强， 并且因此启动阀门 4123 不需要克服很大的压力差。

    [1040] 在图 41A 至图 41B 所示的活塞冲程期间， 阀门 4120 打开， 以使进入的气流填充腔 4113a， 用于在下一活塞冲程中进行压缩。阀门 4120 和 4122 的阀门板和阀门座的具体结构 也使得此任务可以利用最低的能耗完成。

    [1041] 具体地， 当在图 41A 至图 41B 中活塞 4124 向下移动时， 第一腔 4113a 的有效体积 增加并且腔中的压强相对于第一导管 4102 减小。此压强差用于自然地倾斜阀门板 4120a远离阀门座 4120b， 使得电磁线圈 4120c 可以使用最小的能耗打开阀门 4120。此外， 相对于 第二导管 4104 的在第一腔 4113a 中的低压自然导致阀门板 4122a 朝向阀门座 4122b 倾斜， 由此按照所希望的使用来自电磁线圈 4122c 的最小的能量保持阀门 4122 处于关闭位置。

    [1042] 在随后的压缩冲程 ( 这里未示出 )， 活塞 4124 在第一腔中向上移动以压缩空气。 以与上述结合图 41A 至图 41B 描述的方式类似方式， 阀门板的相对于阀门座的方位使得此 压缩可以使用最小的能耗进行。具体地， 在此压缩冲程期间自然地产生的压强差导致阀门 4120 和 4123 关闭， 并且使得阀门 4121 和 4122 可以打开。

    [1043] 图 41C 至图 41D 示出汽缸 4112 被构造为作为膨胀机进行操作的情况。此外， 某些 阀门的阀门板和阀门座的方位使得可以使用减小的能耗完成这种膨胀。

    [1044] 具体地， 当活塞 4124 在图 41C 中向下移动时， 阀门 4122 打开而阀门 4120 保持关 闭， 并且允许压缩气体进入第一腔 4113a， 进行膨胀。 此时， 第一腔 4113a 中的压强比在低压 侧的第一导管 4102 中的压强高。 此压强差自然地用于使阀门板 4120a 相对于阀门座 4120b 相反地倾斜， 使得电磁线圈 4120c 可以使用最小的能耗保持阀门 4120 处于关闭位置。

    [1045] 同样如图 41C 所示， 阀门 4123 关闭并且阀门 4121 打开， 使得在上一活塞冲程期间 膨胀减压的空气流到第二腔 4113b 的外部进入第一导管 4102。这里， 在第二腔中的膨胀空 气的压强接近在低压侧的导管 4102 的压强， 电磁线圈 4121c 需要少量能量或不需要能量来 打开阀门 4121。此外， 第二导管 4104 和第二腔 4113b 之间的压强差自然地使阀门板 4123a 相对于阀门座 4123b 相反地倾斜， 使得电磁线圈可以用低的能耗保持阀门 4123 关闭。

    [1046] 如图 41D 所示， 一旦阀门 4122 关闭并且空气在第一腔 4113a 中膨胀以进一步向 下驱动活塞 4124， 阀门 4123 基于第二导管和第二腔之间的压强差保持关闭。由于阀门板 4123a 相对于阀门座 4123b 的方位， 电磁线圈 4123c 可以用最小的能耗保持阀门 4123 的这 种关闭状态。

    [1047] 图 41D 还示出了保持关闭的阀门 4120。由于阀门板 4120a 相对于阀门座 4120b 的 方位， 电磁线圈 4120c 可以用最小的能耗基于第一腔 4113a 和第一导管 4102 之间的压强差 保持阀门 4120 的这种关闭状态。

    [1048] 在随后的膨胀冲程 ( 这里未示出 )， 当空气在第二腔中膨胀时活塞 4124 向上移动。 以与上述结合图 41C 至图 41D 描述的方式类似的方式， 某些阀门板的相对于阀门座的方位 使得此膨胀可以使用最小的能耗进行。具体地， 这种固有的压强差倾向于自然地偏置以至 于关闭阀门 4121 和 4122。

    [1049] 为了避免在活塞启动中浪费能量， 可以将系统设计为， 在膨胀之后汽缸中的气体 的压强几乎等于低压侧的压强。这种压强平衡减少了在图 41C 至图 41D 中启动活塞 4121 以及膨胀期间在活塞的下一冲程启动活塞 4120 所需的能量。

    [1050] 此外， 图 41C 中的阀门 4121 可以在活塞 4124 达到冲程的底部之前关闭。第二腔 4113b 中剩余的空气在活塞继续移动到它的冲程底部时被压缩。选择阀门 4121 关闭的时 刻， 使得腔 4113b 中的最终压强与歧管 4104 中的压强基本相同， 从而降低打开阀门 4123 所 需的能量， 并且降低当气体经由压强下降而在不做功的情况下膨胀时发生的损耗。在另一 实施例中， 可以允许水通过阀门 ( 未示出 ) 进入腔 4113b 以均衡阀门 4123 两侧的压强。

    [1051] 图 41 至图 41D 的特定的汽缸和阀门构造的另一优点是， 在发生系统故障时可以自 动回到压缩模式。 具体地， 在控制器没有收到阀门启动指令的情况中， 由活塞的持续运动引起的汽缸中的相对压强差将通过默认设置 (default) 使得阀门 4120-4123 允许气体从低压 侧进入汽缸。这将转而导致进行压缩的故障防护模式， 伴随着系统中剩余的动能逐渐被吸 收并且使系统停止。

    [1052] 图 41 至图 41D 所示的特定的阀门和汽缸的构造不限于用于涉及向气体中注入液 体以进行热交换的系统中， 还可以用于不需要这种液体注入的系统。此外， 图 41 至图 41D 所示的特定的阀门和汽缸的构造不限于用于汽缸既被用作压缩机也被用作膨胀机的系统， 还可以用于专用的压缩机或专用的膨胀机系统。

    [1053] 虽然图 41 至图 41D 的特定的实施例示出了气流阀由电磁线圈选择性地启动， 但是 本发明不限于使用任何特定类型的阀门进行液体注入。 根据本发明实施例的适用于液体注 入的阀门的例子包括但是不限于， 电磁线圈启动的阀门、 滑阀、 闸阀、 圆柱形阀、 针形阀或提 升阀。

    [1054] 适用于本发明的另外的气流阀的设计是包括伺服回路的音圈启动的阀门。 使用这 种阀门结构有利于控制启动的速度分布， 例如在停止前降低板的移动的末端的速度， 由此 减轻阀门部件上的压力。

    [1055] 可以使用其它方法进行阀门阻尼。例如， 某些实施例可以使用气垫、 凹坑、 圆柱形 孔和 / 或在阀门体或阀门座中的其它几何图形的凹陷， 以及在相对应的器件上的相对应的 凸起区域， 来制造空气弹簧， 所述空气弹簧在阀门可移动部件接近阀门座时吸收所述阀门 的可移动部件的若干运动能量。

    [1056] 根据其它实施例， 可以气动地启动气流阀， 例如， 比例气动气阀。在另外的实施例 中， 可以液压地启动阀门， 例如， 高压液压阀门。

    [1057] 尽管图 41 至图 41D 示出了根据某些实施例的阀门的打开和关闭的时序， 但是这种 时序计划不是必须的。根据其它实施例， 在本发明中可以利用和保留阀门的另外的时序。

    [1058] 例如， 图 49A 至图 49C 示出了经历压缩和膨胀的腔室中压强和容积之间的关系。 这 些绘图是有代表性的、 理想化的绘图， 并且不包括阀门损耗。具体地， 图 49A 绘制了在经历 压缩循环的腔室中的压强 / 容积图。

    [1059] 在第一活塞冲程期间， 活塞在 t1 时刻从上止点 (TDC， Top Dead Center) 位置移动 在 t3 时刻到达位置下止点 (Bottom Dead Center， BDC) 位置。当活塞头在 TDC 时， 在 t1 时 刻腔室内的容积为腔室内留存的余隙容积 (Vc)。 在 t3 时刻腔室内的容积是活塞位于 BDC 位 置的容积 (VBDC)。

    [1060] 在 t1 和 t3 之间的时刻 t2， 腔室内的压强小于低压侧的压强， 使得阀门打开， 以允许 气体从处于入口压强 (Pm) 的低压侧进入腔室。

    [1061] 在第一活塞冲程的结尾 ( 时刻 t3)， 阀门关闭。在活塞的下一冲程， 活塞开始向相 反的方向移动 ( 从 BDC 到 TDC)， 从而在腔室中压缩气体。在时刻 t4， 腔室中的压强达到高 压侧的输出压强 (Pout)。这时， 腔室和高压侧之间的阀门打开， 并且活塞的持续移动使压缩 气体流向高压侧。

    [1062] 在时刻 t5， 活塞已达到第二冲程的结尾。 腔室和高压侧之间的阀门关闭， 然后活塞 开始沿相反的方向移动， 以开始另一压缩循环。

    [1063] 图 49A 所示的压缩循环的阀门有效地进行操作。尤其是， 当腔室中的压强与低压 侧的相匹配时第一阀打开 ( 在时刻 t2)， 阀门启动需要很少的能量。此外， 此时压强平衡最小化了使气体从低压侧流向腔室时浪费的能量。

    [1064] 同样， 当腔室中的压强与高压侧的相匹配时第二阀打开 ( 在时刻 t4)， 阀门启动也 需要很少的能量。此压强平衡进一步最小化了使气体从腔室流向高压侧时浪费的能量。

    [1065] 图 49B 描绘了在进行传统的膨胀循环的腔室中的压强 - 容积图。在传统的膨胀循 环的第一活塞冲程期间， 活塞在从 t1 时刻从 TDC 位置移动， 在 t3 时刻到达 BDC 位置。在 t1 时刻， 腔室中的容积为余隙容积 (Vc)。在 t3 时刻腔室内的容积是 VBDC。

    [1066] 在 t1 时刻， 腔室和高压侧之间的阀门打开。由于所存在的压强差， 气体通过阀门 迅速地流入腔室， 膨胀以填充可用容积并导致压强在 t2 时刻迅速地达到 Pin。 腔室中的空气 在 t2 和 t3 时刻之间膨胀， 并且活塞朝 BDC 移动。

    [1067] 在第一活塞冲程结束时 (t3 时刻 )， 所述阀门关闭并且腔室和低压侧之间的阀门打 开。腔室中的压强迅速的下降到 Pout。在下一冲程中， 活塞沿相反方向 ( 从 BDC 到 TDC) 移 动， 以将膨胀气体从腔室排出到低压侧 (Pout)。

    [1068] 在时刻 t5， 活塞已到达第二冲程的结尾。出气阀关闭并且活塞开始沿相反的方向 移动以开始另一膨胀循环。

    [1069] 与图 49A 的压缩循环不同， 在图 49B 的传统膨胀循环中阀门可能操作效率较低。 尤 其是， 在允许空气进入腔室和 / 或从腔室排出膨胀的空气时， 在恢复压缩气体的能量可能 会有能量损失。

    [1070] 例如， 在打开高压侧和腔室之间的阀门时 (t1 时刻 )， 存在压强差。必须克服所述 压强差来驱动阀门， 这消耗能量而降低效率。此外， 当压缩气体在 t1 和 t2 时刻之间迅速地 流入腔室时消耗了压缩气体的可用能量。这种能量损失了并且不能通过活塞的移动恢复， 进一步降低了系统的效率。

    [1071] 膨胀气体从腔室流出时也可能会降低效率。尤其是， 在 t3 时刻驱动腔室和低压侧 之间的阀门时， 腔室中的压强可能会超过低压侧的压强。 在这种情况下， 必须克服此压强差 来驱动所述阀门， 消耗能量而降低效率。此外， 当气体在 t3 和 t4 时刻之间迅速地流入低压 侧时将消耗所述气体的可用能量。这种能量损失了并且不能通过移动活塞恢复， 进一步降 低了系统的效率。

    [1072] 因此， 本发明的实施例被构造为在膨胀模式中控制阀门的驱动以更有效地进行操 作。图 49C 用虚线描绘了在根据本发明实施例的膨胀循环的实施例中的压强 - 容积关系。

    [1073] 图 49C 的图表与图 49B 的图表类似， 除了打开阀门的时间不必须与活塞冲程的结 尾相一致。例如， 在活塞到达 BDC 位置之前， 高压侧和腔室之间的活塞在 t3 时刻关闭。这 种驱动定时的结果是， 较小量的气体被引入以进行膨胀， 并且在膨胀冲程的结尾腔室中的 气体的最终压强与低压侧匹配。 这种降低了的压强差允许以低能量驱动腔室和低压侧之间 的阀门， 并且降低与腔室中膨胀的气体快速流入低压侧相关的能量损耗。

    [1074] 腔室和低压侧之间的阀门在活塞达到 TDC 位置之前的 t1 时刻可以关闭。这种阀 门驱动时序导致当高压侧和腔室之间的阀门再次打开时腔室中剩余一定量的气体。 此残余 气体用于在压缩气体进入腔室时降低压强差。 被降低的压强差继而减缓压缩气体在进气阀 打开时流入腔室的速率， 从而通过膨胀可以恢复更多能量。被降低的压强差还降低了克服 压强差以启动阀门从而使压缩气体进入腔室进行膨胀所需的能量。

    [1075] 沿着下述图 49B 的曲线所提取的能量总量大于沿着图 49C 的曲线所提取的能量总量， 但是效率更低。通过控制阀门的定时， 可以沿着图 49B 和图 49C 之间的任意中间曲线操 作， 使系统用能量输出换取效率。

    [1076] 图 41EA-EE 示出了根据本发明的另一实施例的阀门在膨胀模式中打开和关闭的 时序。为了说明的目的， 图 41EA-EE 示出了在汽缸的端壁中的阀门， 但是所述阀门可以位于 腔室中接近活塞头的向上的最大程度的任意位置， 如在前面的图 41- 图 41D 所概括描述的。

    [1077] 在图 41EA 中， 活塞 4124 靠近汽缸 4112 的顶部， 并且在上一活塞冲程膨胀的气体 现在通过打开的阀门 4120 被排出到低压侧。如图 41EB 所示， 在一种方法中， 阀门 4120 可 以保持开启直到活塞到达膨胀冲程的末端， 由此排出所有膨胀空气。

    [1078] 然而， 这种启动阀门 4120 的时序会导致从系统中损失能量。如图 41EC 所具体示 出的， 在活塞的下一 ( 向下 ) 冲程的开始， 与高压侧联通的阀门 4122 将打开， 并且高压气体 会快速进入腔室。与这种高压气体的快速流动相关的能量会损失到随后的膨胀， 由此降低 能量输出。

    [1079] 根据图 41ED 的另一阀门的定时方法， 通过在活塞头到达汽缸的顶部之前关闭阀 门 4120 可以避免这种能量损失。在这种配置中， 通过继续向上移动活塞可以压缩汽缸中剩 余的膨胀气体 4185。该压缩会升高汽缸顶部的压强， 并降低压强差， 因为在图 41EE 中阀门 4122 基本上打开了。以此方法， 进入的气体可以低速流动， 降低与压强差相关的能量损失。

    [1080] 图 41ED 至图 41EE 的方法还可以降低阀门启动所消耗的能量。为了打开阀门， 电 磁线圈 4122c 必须克服高压侧所施加的压强来移动阀门 4122 的板。然而， 从早前的关闭阀 门 4120 所引起的汽缸中的增加的反压将额外地提供偏置以在阀门 4122 的打开期间辅助阀 门板的移动。

    [1081] 刚刚描述的阀门定时方法利用汽缸中存在的残余气体， 以在膨胀期间在活塞冲程 的结尾降低压强差。另外地或在这种方法中， 液体材料可以被引入汽缸以降低该压强差。

    [1082] 图 41FA- 图 41FC 示出这种实施例的剖视图。在图 41FA 中， 同样， 活塞是向着汽缸 的顶部移动， 伴随着膨胀空气通过阀门 4120 被排出到低压侧。在图 41FB 中， 阀门 4120 在 活塞到达汽缸的顶部之前关闭。诸如水的液体 4187 从储液器 4119 通过阀门 4117 进入汽 缸。所述液体用于减小汽缸中剩余的气体所占的容积， 使得更易于将剩余的气体压缩到较 高的压强。如图 41FC 所示， 当活塞在下一冲程中开始下降时， 当阀门打开以使气流从高压 侧进入时， 汽缸中由于水的存在而增加的压强会减小阀门 4122 两侧的压强差和相应的能 量损失。如果压强差降为零， 将没有自由膨胀， 并且可以最大化效率。

    [1083] 液体可以通过多种方法进入汽缸。在一些实施例中 ( 例如那些利用注入液体来减 小余隙容积的实施例 )， 单独的阀门可以允许汽缸和液体供给源之间选择性地连通。另外， 这些实施例可以通过液体注入提供汽缸中的一些或所有液体， 并且一些液体作为来雾的液 滴来提供。

    [1084] 在汽缸中存在液体的实施例中， 可以控制引入或剩余在汽缸中的液体的量以优化 系统的性能。 例如， 腔室中的传感器可以显示液位， 以及系统部件的操作可以被控制以改变 液量。 在一些实施例中， 可以通过排水管从汽缸排出液体， 同时通过处理器或控制器控制流 出汽缸的液体的速率。

    [1085] 返回图 41， 此实施例包括两个分离的混合腔和脉动阻尼瓶。使用这种分离的结构 是合适的， 因为对于压缩和膨胀， 气 - 液混合物的形成条件很可能不同。例如在压缩模式，接收液体喷雾的气流将处于更低的压强。相反在膨胀模式中， 接收液体喷雾的气流将处于 更高的压强。如在图 4 的实施例中使用的分离的混合腔允许在这些不同的条件下获得最佳 的液体引入。

    [1086] 根据本发明的实施例， 组合的压缩 / 膨胀腔、 专用的压缩腔或专用的膨胀腔可以 与所述混合腔 ( 以及任何中间结构， 诸如脉动阻尼瓶 ) 通过各种阀门设计而通流体。如图 39 至图 41D 的实施例中所示的， 多个阀门允许混合腔和不止一个压缩 / 膨胀腔 ( 例如， 由汽 缸中的所具有的双作用活塞界定的两个腔室 ) 选择性地通流体。

    [1087] 如前述实施例所示， 通过与轴物理连通的电磁线圈可以机械地启动阀门， 以使阀 门板相对于阀门座移动。这种设计可以包括额外的特征以提高系统性能。

    [1088] 例如， 图 41G 示出利用超声换能器的阀门设计的一个实施例的简化图。仅为了说 明的目的而给出该图， 并且该图的组件的相对大小和尺寸不按比例。

    [1089] 尤其是， 阀门 4189 包括具有缺口 4193 的阀门座 4191， 并且包括具有缺口 4197 的 阀门板 4195， 并且所述阀门板 4195 可移动以与阀门板接合。 阀门座的缺口相对于阀门板的 缺口偏移， 从而当它们接合时， 防止气体通过阀门流出。

    [1090] 当阀门座和阀门板未接合时， 这些部件之间存在足够的空间， 允许气体通过穿过 缺口 4197 和 4193 而穿越阀门。然而， 如图 41G 所示， 当气体流过阀门时利用的路径可能是 糟糕的， 因为急转弯可能导致液滴 4187 在暴露的表面上结合。在压缩或膨胀期间， 这种结 合会不期望地改变腔室中这些液滴的均匀性。 可以通过塑造阀门板和阀门座的边缘以最小 化急转弯来减少这种结合， 但是只通过这种方法不能消除此影响。

    [1091] 因此， 根据一个实施例， 本发明的阀门结构可以与超声换能器连通。 从此换能器接 收的超声波能量可以用于阻断在阀门上的液体结合， 使得液体在压缩和 / 或膨胀期间流入 腔室中以进行热交换。

    [1092] 图 41G 示出了一个实施例， 其中阀门板 4195 通过与电磁线圈 4177 连通的轴 4175 可以相对于阀门座 4191 移动。在此实施例中， 超声换能器 4173 可以固定到轴 4175。启动 超声换能器 4173 使得超声波与阀门板连通， 阀门板振动和驱散可能已在它的表面上结合 的液体。超声波能量也可以到达阀门座以阻断液体在阀门座的表面上结合。

    [1093] 虽然图 41G 示出了超声换能器通过轴直接与阀门板接触的实施例， 但是本发明不 必须如此。在替换实施例中， 超声换能器可以与阀门板和 / 或阀门座分开一些距离， 通过超 声波能量冲击在这些阀门部件上来阻断液体在它们的表面上结合。

    [1094] 虽然图 41G 的设备使超声换能器位于与控制流入腔室的气流的阀门结构声学连 通的位置， 但作为一种替换防式， 超声换能器可以位于其它位置并仍然在本发明的范围内。

    [1095] 例如， 来自注入的液雾的液滴的结合不限于阀门板或阀门座的表面。这种结合还 可以发生在汽缸自身中、 腔室壁上和 / 或活塞头和活塞轴上。

    [1096] 因此， 本发明的一些实施例可以将超声换能器放置在汽缸自身内。在这种实施例 中， 来自换能器的超声波能量可以与腔室壁和 / 或活塞的表面作用。

    [1097] 在腔室内的这种超声波能量的传输可以用至少几种方法增强压缩或膨胀过程的 热传递。 第一， 超声波能量可以将液体从表面分离到气体中， 在气体中液体更适于与气体进 行热作用。 此外， 超声波能量可以用于将结合的液体分解为直径更小的更细小的液滴， 由此 创建更大的表面积并增强热交换。返回阀门结构的主题， 本发明的实施例不限于使用电磁线圈驱动阀门。替换实施 例可以利用其它类型的阀门并仍在本发明的范围内。

    [1099] 适于应用于本发明的替换实施例的这种阀门设计的一个例子是包括伺服回路的 音圈驱动阀门。使用这种阀门结构有利于控制启动的速度变化， 例如降低板在停止之前运 动结束时的速度， 从而缓解阀门组件上的压力。

    [1100] 根 据 其 它 实 施 例， 阀 门 可 以 被 气 动 地 驱 动， 一个例子是比例气动空气阀 (proportional pneumatic air valve)。 在另外的其它实施例中， 阀门可以被液压地驱动， 例如高压液压阀。

    [1101] 根据本发明而使用的阀门的实施例可以被设计为显示打开和 / 或关闭的具体的 时间分布。例如， 图 41H 示出了一个可行的实施例， 其中， 当凸轮绕轴 4144 转动时， 通过凸 轮从动装置 (cam follower)4142 和凸轮 4143 的表面 4143a 之间的接触， 通过轴 4148 相对 于阀门板 4145 启动阀门板 4140。凸轮从动装置通过弹簧 4141 保持与所述凸轮表面接触。 在此实施例中， 凸轮的特定形状和凸轮表面相对于凸轮从动装置的相应走向可以被设计用 来确定阀门的在关闭和打开时的启动的时间变化。 通过提供改变凸轮的角度或有效外形的 机制可以改变阀门时序。

    [1102] 此外， 根据本发明的实施例不限于使用二位阀。 根据一些实施例， 混合腔可以通过 具有两个或多个输出端的多位阀与多个压缩 / 膨胀腔选择性地通流体。

    [1103] 图 46A 的实施例示出了采用混合腔和压缩 / 膨胀腔之间的具有多于两个输出端的 阀门的系统。在此结构中， 混合腔 4699 的输出端通过脉动阻尼瓶 4694 和多位阀 4698 与多 个压缩 / 膨胀腔 4602a-c 中的一个选择性地通流体。

    [1104] 系统的该实施例被设计为在大多数时候气 / 液混合物通常流向压缩 / 膨胀腔 4602a-c 中的至少一个。混合腔的这种形成气 / 液混合物的持续操作来、 帮助确保混合物 ( 如气流、 液体和所得的气 / 液混合物本身 ) 的性质随时间流逝的一致性， 混合腔的这种持 续操作不根据不同的压缩 / 膨胀腔的变化的需求而重复地停止和开始。

    [1105] 在图 46B 所示的又一实施例中， 压缩 / 膨胀腔 4654a-c 中的一个并非随时都需要 混合腔 4659 中制备的气 / 液混合物。然而， 持续产生气 / 液混合物的益处可以通过使多位 阀 4658 的一个输出端与存储容器 (dump)4656 通流体来实现。因此， 当任何腔室都不需要 压缩或膨胀的气 / 液混合物时， 混合物通过脉动阻尼瓶 4654 从混合腔 4659 流入存储容器 4656， 所述液体可能会也可能不会被恢复以重新被利用， 诸如， 重新注入。

    [1106] 进一步注意到， 混合腔中产生的流入压缩 / 膨胀腔的气 / 液混合物的特性在膨胀 循环和压缩循环期间可以相同也可以不同。因此， 当所需的气 / 液混合物改变时， 可以有利 地使变化的混合物流到所述存储容器， 直到变化的气 / 液混合物达到一致的条件。

    [1107] 图 48A-48C 描述了一个特定的实施例， 其中选择性地安排气 / 液混合物到所述存 储容器的路线可能是有用的。尤其是， 一些实施例可以对阀门启动进行精确的控制以在膨 胀循环期间允许预先限定体积的气 / 液混合物进入。

    [1108] 具体地， 通过将进气阀门 4800 打开经控制的一段时间， 预定量的空气 V0 被从高压 侧 ( 诸如上一级或存储罐 ) 加入腔室。计算该预定量的空气 V0 从而当活塞 4802 到达膨胀 冲程的结尾时， 在腔室 4804 将达到所需的压强。

    [1109] 在某些情况中， 所需的压强近似等于下一较低压级的压强， 或者， 如果下一较低压级是最低压级或者是唯一的级， 则近似等于大气压强。 在一些实施例中， 腔室中所需的压强 可以在下一较低压级的压强的 1PSI 内、 5PSI 内、 10PSI 内或 20PSI 内。因此， 在膨胀冲程的 末尾， 在初始空气体积 V0 内的能量被充分地耗尽， 并且很少或没有能量浪费在将膨胀空气 移动到下一较低压级中。

    [1110] 为了达到此目标， 进气阀 4800 仅打开使所需量的空气 (V0) 进入所述腔室所需的 时间。在下文中， 如图 48B-C 所示， 阀门 4800 保持关闭。

    [1111] 在此构造中， 进气阀 4800 在活塞完成它的膨胀冲程之前关闭。此外， 进气阀 4800 的关闭时序可以不与使气体 / 液体流入另一腔室 ( 或其一部分， 在双作用活塞情况下 ) 的 另一进气阀的开启精确同步。因此， 在关闭进气阀 4800 时， 其它腔室可能还没有准备好接 收用于膨胀的压缩的气 / 液混合物流。因此， 这些实施例可以得益于使气 / 液混合物连续 地流入存储容器直到系统中的腔室被配置为接收该用于膨胀的气 / 液混合物流 ( 图 48C) 的能力。

    [1112] 在其它实施例中， 控制器 / 处理器可以控制进气阀 4800 使进气阀 4800 允许初始 体积大于 V0 的空气进入膨胀腔。例如， 当在给定的膨胀循环需要更多的能量时会给出该指 令， 代价是降低能量恢复的效率。

    [1113] 如以上所详细描述的， 根据本发明的用于存储和恢复能量的系统和方法的实施例 尤其适合结合包括处理器和计算机可读存储介质的主机来实现。 该处理器和计算机可读存 储介质可以内嵌在设备中， 和 / 或可以通过外部输入 / 输出装置来控制或监控。

    [1114] 图 47 是示出处理器 / 控制器与接收到的各种输入、 执行的功能和处理器控制器所 产生的输出之间的关系的简图。如所示， 处理器可以基于一个或多个输入控制设备的各种 操作特性。

    [1115] 可控制的运行参数的例子是控制空气和液体流入混合腔以及转而从混合腔流入 压缩 / 膨胀腔的阀门的时序和配置。 例如， 如上所述， 在一些实施例中， 混合腔和压缩 / 膨胀 腔之间的阀门选择性地打开和关闭， 以使气 / 液混合物流入合适的压缩 / 膨胀腔中。在多 个这种腔室与混合腔通流体的系统中， 需要小心控制阀门， 以使气 / 液混合物在合适的时 间段内进入合适的腔室， 并且在一些实施例中视情况使气 / 液混合物流入所述存储容器。

    [1116] 混合腔和压缩 / 膨胀腔之间的阀门的此操作时序也需要被控制以确保只有预定 量的空气和气 / 液混合物进入压缩 / 膨胀腔。以上结合图 48A-C 对此进行了讨论。

    [1117] 在压缩期间也要小心地控制阀门的打开和关闭的时序。例如， 本发明的实施例可 以在所需的条件下， 例如， 在汽缸中产生的压强超过下一级中的压强或最终级压强一定量 的条件下， 利用控制器 / 处理器准确地打开压缩腔的出气阀。以此方法， 来自汽缸中的压缩 空气的能量在启动出气阀时不被消耗 ( 如在用传统的止回阀的情况中 )， 并且存储在压缩 空气中的能量被保存， 以用于稍后通过膨胀恢复。

    [1118] 尽管可以如上所述地控制压缩和 / 或膨胀腔的进气阀和出气阀的操作时序， 但是 应该理解， 在一些实施例中， 可以类似地控制其他阀门或除阀门之外的系统部件。例如， 可 以被处理器控制的系统参数的另一例子是进入腔室的液体量。基于一个或多个值， 诸如压 强、 湿度、 计算的效率等， 在压缩或膨胀期间进入腔室的液体量可以被小心地控制以保持操 作效率。例如， 当大于 V0 的气体量在膨胀循环期间进入腔室时， 需要额外的液体进入以将 膨胀空气的温度保持在所需的温度范围内。这可以通过用处理器控制阀门来实现， 所述阀门使储液器和喷嘴连接或使存储器和用于使液体流入喷嘴的存储容器连接。

    [1119] 多级系统

    [1120] 刚刚描述的特定的实施例在单个级利用压缩或膨胀。然而， 根据本发明的替换实 施例可以利用多于一个压缩和 / 或膨胀级。

    [1121] 例如， 当所需的压缩 / 膨胀率大于通过机械或液压方法所容纳的压缩 / 膨胀率时， 可以利用多级， 通过所述机械或液压方法机械能量被传送到系统和从系统中传送出来。

    [1122] 图 42A 是用于以三个级 ( 即， 第一级 4224a、 第二级 4224b 和第三级 4224c) 压缩气 体从而存储在罐 4232 的多级系统 4220 的实施例的高度简化图。可以类似地构造具有更多 或更少级的系统。如图 42A 的系统 4220 所示， 在多级的实施例中， 一个压缩级的输出流入 相继的压缩级的入口以进一步进行压缩等， 直到达到可以存储的最终期望压强。 以此方式， 气体可以在几个级被压缩直道达到仅通过一个级难以达到的最终压强。

    [1123] 图 42B 是根据本发明的多极的专用压缩机设备 4200 的一个实施例的细节图。具 体地， 图 42B 示出了包括第一级 4202、 第二级 4204 和存储单元 4232 的系统 4200。第一级 4202 包括通过压缩腔模块 C01 与分离器模块 B1 通流体的混合腔模块 A0。第一级 4202 通过 空气过滤器 4250 接收用于压缩的空气。

    [1124] 第一级 4202 继而与第二级 4204 通流体。第二级包括通过压缩腔模块 C12 与分离 器模块 B2 通流体的混合腔模块 A1。第二级 4204 继而与存储单元 4232 通流体。

    [1125] 图 42BA、 42BB 和 42BC 示出了图 42B 的多级设备的不同组件模块的简化图。具体 地， 混合模块 Ax 包括与混合腔 4208 通流体的进气口 4206。混合腔 4208 被构造为通过进液 口 4213 接收液体流， 并且通过歧管 4210 和喷嘴 4212 将该液体注入流动的气体中。混合模 块 Ax 还包括与出口 4216 通流体的脉动阻尼瓶 4214。

    [1126] 图 42BB 示出了分离器模块 By。分离器模块包括与液 / 气分离器 4232 通流体的进 口 4230。被分离器分离的液体被配置为流向贮液器 4234。来自分离器的气体被配置为流 向分离器模块的出口 4236。泵 4238 被配置为使来自贮液器的液体流向出液口 4240。

    [1127] 图 42BC 示出了压缩模块 Cxy。 上文联系图 41-41B 详细描述了压缩模块的一个实施 例的构造。具体地， 压缩模块包括与进口 4252 通流体并通过阀门 4256a 和 4256b 与气缸通 流体的导管 4250。导管 4258 通过阀门 4257a 和 4257b 与汽缸 4254 通流体并与出口 4259 通流体。

    [1128] 双作用活塞 4255 放置在汽缸 4254 内。双作用活塞与能量源 ( 未示出 ) 连通， 并 且双作用活塞的移动用于压缩汽缸中存在的气体。上文联系图 39-39B 和图 41-41B 概括示 出和描述了这种压缩。

    [1129] 在多级的专用压缩机设备 4200 的第一级 4202 中， 分离器模块 B1 的出液口通过第 一热交换器 H.E.01 与混合腔模块 A0 进液口通流体。在多级的专用压缩机设备 4200 的第二 级 4204 中， 分离器模块 B2 的出液口通过第二热交换器 H.E.02 与混合腔模块 A1 进液口通流 体。

    [1130] 图 42B 的实施例可以利用由级产生的压强差， 以有助于液体的注入。具体地， 图 42B 的实施例使分离的液体流回具有上一较低压级的减小的压强的气流中。这减小了液体 注入所需的力， 并因此减少了在使液体流动时泵所消耗的能量。

    [1131] 根据本发明的专用多级压缩机设备不限于图 42B 所示的特定实施例。具体地， 尽管图 42B 的实施例示出了这样一种设备， 其中在单独的级中被分离的液体循环用于再次注 入进气流， 但是本发明不必须如此。

    [1132] 因此， 图 42C 示出了根据本发明的专用多级压缩机设备的替换实施例。在根据本 实施例的系统 4260 中， 注入第一级的混合腔 4262 中的液体随后被分离器 4264 分离， 然后 流动用于注入下一级的混合腔 4266。这种构造导致在罐 4268 中积累最终分离的液体。

    [1133] 尽管图 42A-C 示出了两级压缩， 但是本发明的实施例不限于这种方法。根据本发 明的另外实施例也可以进行任意级数的膨胀， 其中一个膨胀级的输出流到相继的膨胀级的 进口以进行进一步膨胀， 等等， 直到一定量的能量从压缩气体中恢复。以此方式， 仅在一个 级的膨胀难以恢复的能量可以从在若干级中膨胀的气体中恢复。

    [1134] 图 43 是根据本发明的多级专用膨胀机设备的一个实施例的细节图。 具体地， 图 43 示出了包括存储单元 4332、 第一级 4362 和第二级 4364 的装置 4360。第一级 4362 包括通 过膨胀模块 E34 与分离器模块 B4 通流体的混合腔模块 A3。第一级 4362 从存储单元 4332 接 收空气用于压缩。

    [1135] 第一级 4362 继而与第二级 4364 通流体。第二级 4364 包括通过膨胀模块 E23 与分 离器模块 B3 通流体的混合腔模块 A2。第二级 4364 继而与出口 4357 通流体。

    [1136] 图 42BA 和图 42BB 也如上所述地示出多级专用膨胀机设备 4360 的不同组件模块。 专用膨胀机设备 4360 还包括图 43A 所示的膨胀模块 Exy。

    [1137] 具体地， 上文连续图 41 和图 41C-D 详细描述了这种膨胀模块的一个实施例的构造 和操作。具体地， 膨胀模块包括与进口 4352 通流体并通过阀门 4366a 和 4366b 与气缸 4354 通流体的导管 4350。 导管 4358 通过阀门 4367a 和 4367b 与汽缸 4354 通流体并与出口 4359 通流体。

    [1138] 双作用活塞 4355 放置在汽缸 4354 内。双作用活塞与一设备 ( 未示出 )( 例如发 电机 ) 连通以将机械能转换为能源。汽缸中的空气膨胀用于驱动活塞移动。上文联系图 40-40B、 图 41 和图 41C-D 概括示出和描述了这种膨胀。

    [1139] 在多级的专用膨胀机设备 4360 的第一级 4362 中， 分离器模块 B4 的出液口通过第 一热交换器 H.E.43 与混合腔模块 A3 的进液口通流体。在多级的专用膨胀机设备 4360 的第 二级 4364 中， 分离器模块 B3 的出液口通过第二热交换器 H.E.32 与混合腔模块 A2 的进液口 通流体。

    [1140] 根据本发明的专用多级膨胀机设备不限于图 43 所示的特定实施例。具体地， 尽管 图 43 的实施例示出了这样一种设备， 其中在单独的级中被分离的液体循环用于再次注入 气流， 但是本发明不必须如此。

    [1141] 因此， 图 43B 示出了根据本发明的专用多级膨胀机设备的替换实施例。在根据本 实施例的系统 4300 中， 注入第一级的混合腔 4302 中的液体随后被分离器 4304 分离， 然后 流动用于注入下一级的混合腔 4306。这种构造导致在罐 4308 中积累最终分离的液体。

    [1142] 图 43B 的实施例不需要使液体克服级所产生的压强差而注入。在图 43A 的特定实 施例中， 被分离的液体流回具有上一较高压级的升高的压强的进气流中。相反地， 图 43B 的 实施例使被分离的液体流入进入下一级的膨胀气体中， 减少泵在使液体流动中所消耗的能 量。

    [1143] 尽管至此描述的多级设备的实施例是专门用于压缩或膨胀的， 但是根据本发明的替换实施例可以既进行压缩也进行膨胀。图 44 示出了这种既允许压缩也允许膨胀的两级 设备的一个实施例的简化图。

    [1144] 具体地， 图 44 的实施例结合多个设计特征来产生能够既进行压缩也进行膨胀的 系统。系统 4400 的一个特征是通过三位阀 4404 连接系统的某些部件。图 44 描述三位阀 的构造， 实线为压缩模式， 虚线为膨胀模式。

    [1145] 系统 4400 的一个特征是压缩模式和膨胀模式都采用相同的混合腔 4405 来引入液 体。具体地， 在压缩期间， 利用混合腔 4405 将液体注入由于在上一级的压缩而已处于高压 的气体中。在膨胀期间， 利用混合腔 4405 将气体注入在第一级的高压气体中。在具有共同 地既用于压缩也用于膨胀的混合腔的多级设备中， 流入那些混合腔的进入气体的压强近似 相同， 以获得所需的气 / 液混合物。

    [1146] 系统 4400 的又一特征是使用在一个或多个维度 ( 这里， 沿维度 d) 延长的脉动阻 尼瓶。脉动阻尼瓶 4406 的延长的形状允许该瓶和相邻部件的多个连接， 同时使用于与这些 相邻部件通流体的导管保持是短的。

    [1147] 具体地， 脉动阻尼瓶的尺寸提供相对大的容纳气 / 液混合物的容积。该容积容纳 气流主体中的液滴， 以相对低比例暴露于所述瓶壁的表面区域。通过最小化液滴对壁的暴 露， 液滴倾向于保持分布在气流中， 而不是结合在所述表面上， 因而可用于热交换。

    [1148] 图 44 是仅示意性地示出延长的脉动阻尼瓶的简化图， 并且延长的瓶的形状不应 该被认为受这种或其他特定轮廓的限制。例如， 脉动阻尼瓶的替换实施例可以包括一个或 多个凸角或其他细长的特征。

    [1149] 如果不使用这种具有延长形状的脉动阻尼瓶， 则显示出更大的复杂性 ( 例如更长 和 / 或具有更多转弯 ) 的相应的液体导管可以用于使该瓶与不同系统部件连接。这种复杂 的导管， 例如通过增加导管中液体的不期望的局部结合， 可以产生破坏气 / 液混合物的均 匀性的局部压强差。

    [1150] 当在压缩模式操作时， 气体通过进口 4450 进入系统并且在流入存储单元 4432 之 前经历两次连续的液体注入和压缩级。被分离的液体积累在罐 4435 中， 罐 4435 可以是绝 热的以保存用于随后的再次注入的热量， 从而在膨胀模式实现接近等温的膨胀。

    [1151] 具体地， 在膨胀模式操作时， 来自存储单元的压缩气体在从出口 4434 流出到系统 外之前经历两次连续的液体注入和膨胀压缩级。被分离的液体积累在罐 4436 中， 并且随后 可以被再次注入以在压缩模式实现接近等温的压缩。

    [1152] 在图 44 的系统的实施例中， 被分离的液体流经不同级， 这导致被分离的液体以与 图 42C( 专用压缩机 ) 和图 43B( 专用膨胀机 ) 的实施例类似的方法积累在最终的分离器中。 这些实施例要求贮液器更大， 以容纳存在的定向液体流。

    [1153] 图 45 是示出根据本发明实施例的多级设备的简化图， 该设备可以被构造为既进 行压缩也进行膨胀。具体地， 系统 4500 是图 44 的实施例的改进， 包括额外的三位阀 4502 和在某些分离器部件和某些混合腔之间的额外的导管。再次， 图 45 描述三位阀的构造， 实 线是在压缩模式， 虚线是在膨胀模式。

    [1154] 尽管图 45 的实施例提供的阀门和导管具有额外的复杂性， 但是可以去掉某些部 件。具体地， 注意到压缩和膨胀不是同时发生的， 因而不需要同时使用图 44 的实施例的所 有三个热交换器和泵。因此， 系统 4500 只使用两个热交换器 (H.E.1 和 H.E.2) 和两个泵4504， 而不是图 44 的实施例的三个热交换器和三个泵。

    [1155] 此外， 图 45 的实施例将液体的循环限制在一个级中。因此， 液体流不是液体积累 在一个贮液器中， 所以不需要像在图 44 的实施例中那样使贮液器更大。

    [1156] 总之， 根据本发明的各种实施例可以结合下述要素中的一个或多个 ：

    [1157] 1、 使用用于混合气体和液体的混合腔， 该混合腔位于进行气体的压缩和 / 或膨胀 的腔室的上游。

    [1158] 2、 使用在混合腔和进行气体的压缩和 / 或膨胀的腔室之间的脉动阻尼瓶。

    [1159] 3、 在混合腔中连续产生气 / 液混合物， 所述生气 / 液混合物或者连续地流到压缩 / 膨胀腔或在不需要时流到存储容器。

    [1160] 4、 利用由液相以大表面积与气体接触而形成的所需的热交换， 气体的接近等温的 膨胀和压缩， 所述液相产生在与进行压缩 / 膨胀的腔室分离的混合腔。

    [1161] 5、 既能压缩空气也能膨胀空气的机构。

    [1162] 6、 阀门时序的电子控制， 以通过给定体积的压缩空气的膨胀获得高功输出。

    [1163] 这里描述的各种构造使用和产生机械能， 液压或活塞的往复运动。 然而， 在多数应 用中， 需要的是用于存储电能。 在该情况下， 可以使用发电机以及合适的能量调节电子设备 来在膨胀期间将系统所提供的机械能转化为电能。类似地， 在压缩期间系统所需的机械能 可以由电机提供。由于同一腔室从不同时进行压缩和膨胀， 因此， 在某些实施例中， 电机 / 发电机可以用于执行两种功能。

    [1164] 如果能量存储系统使用液压电机或水利涡轮， 则该装置的轴可以与电机 / 发电机 直接连接或通过齿轮箱连接。如果能量存储系统使用往复的活塞， 则可以使用能够将往复 运动转化为轴转矩的曲柄轴或其他机械联动装置。

    [1165] 此外， 本发明的实施例不需要在每个级都使用混合腔。某些实施例可以仅在一些 级使用混合腔， 在其它级使气体不通过混合腔而进入压缩 / 膨胀腔， 例如通过将水汽或喷 雾直接注入进行压缩 / 膨胀的腔室中。

    [1166] 另外的实施例使用的级中， 使液体通过喷雾之外的方式进入气体， 例如使气体以 气泡的形式穿过液体。例如， 在某些实施例中， 一些 ( 较低压 ) 级可以使用利用混合腔的液 雾技术， 而其它 ( 较高压 ) 级可以利用气泡技术来存储和移走由此获得的能量。

    [1167] 1、 一种方法， 包括 ：

    [1168] 将液体喷射入包含流动的气体的第一腔中， 以产生气 / 液混合物 ；

    [1169] 使所述气 / 液混合物流入第二腔 ；

    [1170] 通过联结到所述第二腔的活塞压缩所述气 / 液混合物部分， 所述气 / 液混合物的 液体吸收通过压缩产生的热能 ； 以及

    [1171] 从所述第二腔传送被压缩的气 / 液混合物的至少一部分。

    [1172] 2、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物未流到所述第二腔 时， 连续产生所述气 / 液混合物。

    [1173] 3、 如权利要求 2 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物不流到所述第二腔 时， 使所述气 / 液混合物流入第三腔。

    [1174] 4、 如权利要求 2 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物不流到所述第二腔 时， 使所述气 / 液混合物流入存储容器。5、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括 ： 使所述气 / 液混合物通过脉动阻尼瓶流 入所述第二腔。

    [1176] 6、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括 ： 从所述被压缩的气 / 液混合物部分分离 液体以形成被压缩的气体。

    [1177] 7、 如权利要求 6 所述的方法， 进一步包括 ： 使所述被压缩的气体流入存储单元。

    [1178] 8、 如权利要求 6 所述的方法， 进一步包括 ： 使被分离的液体通过热交换器被喷射 到所述第一腔中。

    [1179] 9、 如权利要求 6 所述的方法， 进一步包括 ： 使所述被压缩的气体流入下一级以进 行进一步的压缩。

    [1180] 10、 如权利要求 9 所述的方法， 进一步包括 ： 使被分离的液体通过热交换器被喷射 到下一级。

    [1181] 11、 一种方法， 包括 ：

    [1182] 将液体喷射入包含流动的气体的第一腔中， 以产生气 / 液混合物 ；

    [1183] 使所述气 / 液混合物流入第二腔 ；

    [1184] 使所述气 / 液混合物膨胀以驱动与所述第二腔联结的活塞， 所述气 / 液混合物中 的液体在膨胀期间传送热能 ； 以及

    [1185] 从所述第二腔传送膨胀的气 / 液混合物的至少一部分。

    [1186] 12、 如权利要求 11 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物不流到所述第二 腔时， 连续产生所述气 / 液混合物。

    [1187] 13、 如权利要求 12 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物不流到所述第二 腔时， 使所述气 / 液混合物流入第三腔。

    [1188] 14、 如权利要求 12 所述的方法， 进一步包括 ： 当所述气 / 液混合物不流到所述第二 腔时， 使所述气 / 液混合物流入存储容器。

    [1189] 15、 如权利要求 11 所述的方法， 进一步包括 ： 使所述气 / 液混合物通过脉动阻尼瓶 流入所述第二腔。

    [1190] 16、 如权利要求 11 所述的方法， 进一步包括 ： 从所述被压缩的气 / 液混合物部分分 离液体。

    [1191] 17、 如权利要求 11 所述的方法， 进一步包括 ： 使被分离的液体通过热交换器喷射 入所述第一腔室。

    [1192] 18、 如权利要求 11 所述的方法， 其中， 从存储单元接收所述流动的气体。

    [1193] 19、 如权利要求 11 所述的方法， 其中， 从上一膨胀级接收所述流动的气体。

    [1194] 20、 如权利要求 19 所述的方法， 进一步包括 ： 使被分离的液体通过热交换器被喷 射到下一级。

    [1195] 21、 一种设备， 包括 ：

    [1196] 第一腔， 被构造为接收气体流并且通过喷雾器与液体源通流体， 以在所述第一腔 中产生气 / 液混合物 ；

    [1197] 第二腔， 通过脉动阻尼瓶和阀门与所述第一腔有选择性地通流体， 所述第二腔具 有放置在其中的可移动部件。

    [1198] 22、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述可移动部件与能量源连通以在所述第二腔中压缩空气。

    [1199] 23、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述可移动部件与发电机连通以通过在所 述第二腔中的空气膨胀来产生电能。

    [1200] 24、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述阀门包括被放置为当所述第二腔中的 压强超过所述第一腔中的压强时向阀门座移动的阀门板。

    [1201] 25、 如权利要求 21 所述的设备， 进一步包括通过第二阀与所述第二腔通流体的分 离器。

    [1202] 26、 如权利要求 25 所述的设备， 其中 ：

    [1203] 所述阀门包括被放置为当所述第二腔中的压强超过所述第一腔中的压强时向第 一阀门座移动的第一阀门板 ； 以及

    [1204] 第二阀包括被构造为当所述第二腔中的压强超过所述分离器中的压强时从所述 第二阀门座移动离开的第二阀门板。

    [1205] 27、 如权利要求 25 所述的设备， 进一步包括与所述分离器通流体的贮液器。

    [1206] 28、 如权利要求 27 所述的设备， 进一步包括 ： 导管、 泵和热交换器， 其中所述贮液 器包括通过所述导管、 所述泵和所述热交换器与所述第一腔通流体的液体源。

    [1207] 29、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述可移动部件选择性地与所述发电机连 通并且选择性地与所述能量源连通。

    [1208] 30、 如权利要求 29 所述的设备， 进一步包括 ：

    [1209] 第三腔， 被构造为接收第二气体流并且通过第二喷雾器与第二液体源通流体， 以 在所述第三腔中产生气 / 液混合物， 所述第三腔通过第二脉动阻尼瓶和第二阀与所述第二 腔选择性地通流体 ；

    [1210] 第一三位阀， 在所述第一脉动阻尼瓶和所述阀门之间， 所述第一三位阀被构造为 使来自所述第二腔的输出流入第一分离器 ； 以及

    [1211] 第二三位阀， 在所述第二脉动阻尼瓶和所述第二阀之间， 所述第二三位阀被构造 为使来自所述第二腔的输出流入第二分离器。

    [1212] 31、 如权利要求 30 所述的设备， 其中 ：

    [1213] 所述阀门包括被设置为当所述第二腔中的压强超过所述第一腔中的压强时向第 一阀门座移动的第一阀门板 ； 以及

    [1214] 第二阀包括被构造为当所述第二腔中的压强超过所述第一分离器中的压强时从 所述第二阀门座离开的第二阀门板。

    [1215] 32、 如权利要求 30 所述的设备， 进一步包括 ：

    [1216] 第一贮液器， 包括第一液体源并与所述第一分离器通流体并与所述第一腔通过第 一导管、 第一泵和第一热交换器通流体 ； 以及

    [1217] 第二贮液器， 包括第二液体源并与所述第二分离器通流体， 并与所述第三腔通过 第二导管、 第二泵和第二热交换器通流体。

    [1218] 33、 如权利要求 25 所述的设备， 进一步包括 ： 与所述分离器通流体的下一级。

    [1219] 34、 如权利要求 33 所述的设备， 其中， 所述分离器与贮液器通流体， 并且所述下一 级通过导管、 泵和热交换器与所述贮液器通流体。

    [1220] 35、 如权利要求 21 所述的设备， 进一步包括与所述第一腔通流体的上一级。36、 如权利要求 35 所述的设备， 其中， 所述上一级与贮液器通流体， 并且所述贮液 器通过导管、 泵和热交换器与所述第一腔通流体。

    [1222] 37、 如权利要求 33 所述的设备， 其中 ：

    [1223] 所述下一级包括通过第二脉动阻尼瓶与第四腔通流体的第三腔和具有放置在其 中的第二可移动部件的第四腔 ； 以及

    [1224] 其中所述设备进一步包括被构造为在压缩模式使在所述第一腔中压缩的气体流 入第二级并且被构造为在膨胀模式使在第四腔中膨胀的气体流入所述第一腔的三位阀的 网状系统。

    [1225] 38、 如权利要求 37 所述的设备， 其中， 所述三位阀的网状系统包括 ：

    [1226] 第一三位阀， 放置在所述第一脉动阻尼瓶和所述第二腔之间 ；

    [1227] 第二三位阀， 放置在所述第二腔和所述第三腔之间 ；

    [1228] 第三三位阀， 放置在所述第二脉动阻尼瓶和所述第四腔之间 ； 以及

    [1229] 第四三位阀， 放置在所述第四腔和压缩气体存储单元之间。

    [1230] 39、 如权利要求 38 所述的设备， 其中， 在所述压缩模式 ：

    [1231] 所述第一三位阀被构造为使所述第一脉动阻尼瓶与所述第二腔室通流体 ；

    [1232] 所述第二三位阀被构造为使所述第二腔和第一分离器通流体 ；

    [1233] 所述第三三位阀被构造为使所述第二脉动阻尼瓶和所述第三腔通流体 ； 以及

    [1234] 所述第四三位阀被构造为使所述第四腔和第二分离器通流体， 其中所述第二分离 器与所述存储单元通流体。

    [1235] 40、 如权利要求 38 所述的设备， 其中， 在所述压缩模式 ：

    [1236] 所述第四三位阀被构造为使所述第三腔与所述存储单元通流体 ；

    [1237] 所述第三三位阀被构造为使所述第二脉动阻尼瓶和所述第四腔通流体 ；

    [1238] 所述第二三位阀被构造为使所述第四腔和第一分离器通流体 ； 以及

    [1239] 所述第一三位阀被构造为使所述第二腔与和出口通流体的第二分离器通流体。

    [1240] 41、 如权利要求 37 所述的设备， 其中， 所述第二脉动阻尼瓶是细长的。

    [1241] 42、 如权利要求 41 所述的设备， 其中， 所述第二脉动阻尼瓶在有助于与所述第二 腔和所述第四腔连接的维度上是细长的。

    [1242] 43、 如权利要求 21 所述的设备， 进一步包括通过歧管与所述喷射器连通的所述液 体源。

    [1243] 44、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述喷射器包括在所述第一腔的壁内的孔 口。

    [1244] 45、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述喷射器包括喷嘴。

    [1245] 46、 如权利要求 21 所述的设备， 进一步包括多个喷射器， 所述多个喷射器与歧管 通流体并被构造为用来注入多个液体喷雾轨迹。

    [1246] 47、 如权利要求 46 所述的设备， 其中， 所述多个喷射器在气体通过所述第一腔的 流动方向上位于不同的位置。

    [1247] 48、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述阀门包括电磁线圈驱动的阀门、 气动阀 门、 液动阀门、 音圈驱动的阀门或凸轮驱动阀门。

    [1248] 49、 如权利要求 21 所述的设备， 进一步包括与所述阀门声学连通的超声换能器。50、 如权利要求 21 所述的设备， 其中， 所述可移动部件包括固体活塞， 所述固体活 塞包括活塞杆和活塞头。

    [1250] 51、 如权利要求 50 所述的设备， 其中， 所述可移动部件包括放置在汽缸中的双作 用活塞， 以界定所述第一腔和通过第二阀与所述第一腔通流体的第三腔。

    [1251] 52、 如权利要求 51 所述的设备， 其中， 所述第二腔通过第三阀与分离器通流体， 并 且所述第三腔通过第四阀与所述分离器通流体。

    [1252] 53、 如权利要求 52 所述的设备， 其中 ：

    [1253] 所述阀包括被设置为当所述第二腔中的压强超过所述第一腔中的压强时向第一 阀门座移动的第一阀门板 ；

    [1254] 第二阀包括被设置为当所述第三腔中的压强超过所述第一腔中的压强时朝向第 二阀门座移动的第二阀门板 ；

    [1255] 第三阀包括被设置为当所述第二腔中的压强超过所述分离器中的压强时从所述 第三阀门座离开的第三阀门板 ； 以及

    [1256] 第四阀包括被设置为当所述第三腔中的压强超过所述分离器中的压强时从所述 第四阀门座离开的第四阀门板。

    [1257] 54、 一种方法， 包括

    [1258] 提供其中放置有可移动部件的腔室， 所述腔室通过第一阀与高压侧选择性地通流 体并且通过第二阀与低压侧选择性地通流体 ；

    [1259] 在可移动部件的第一膨胀冲程，

    [1260] 关闭所述第二阀并打开所述第一阀， 以使压缩气体从所述高压侧进入所述腔室， 以及

    [1261] 使得所述压缩气体在所述腔室中膨胀并且驱动所述可移动部件以产生能量 ； 以及

    [1262] 在所述可移动部件沿与所述第一膨胀冲程相反方向的第二膨胀冲程中，

    [1263] 打开所述第二阀以使在所述第一膨胀冲程期间膨胀的气体流到所述低压侧， 以及

    [1264] 在所述第二膨胀冲程结束之前升高腔室中的压强。

    [1265] 55、 如权利要求 54 所述的方法， 其中， 通过在所述第二冲程结束之前关闭所述第 二阀来提高压强。

    [1266] 56、 如权利要求 55 所述的方法， 进一步包括 ： 在所述第二膨胀冲程结束之前将液 体引入所述汽缸中。

    [1267] 57、 如权利要求 56 所述的方法， 其中， 所述液体被注入所述腔室外的压缩气体中。

    [1268] 58、 如权利要求 56 所述的方法， 其中， 所述液体直接流入所述腔室。

    [1269] 59、 如权利要求 54 所述的方法， 其中， 通过在所述第二膨胀冲程结束之前将液体 引入所述汽缸来升高压强。

    [1270] 60、 如权利要求 59 所述的方法， 其中， 所述液体被注入所述腔室外的压缩气体中。

    [1271] 61、 如权利要求 59 所述的方法， 其中， 所述液体直接流入所述腔室。

    [1272] 62、 如权利要求 54 所述的方法， 进一步包括 ： 在所述第一膨胀冲程期间， 一旦一些 压缩气体进入所述腔室， 就关闭所述第一阀， 以使在所述第一膨胀冲程结束时的压强升到 约等于低压侧的压强。

    [1273] 63、 如权利要求 54 所述的方法， 其中 ：所述第一阀包括被设置为当所述腔室中的压强超过所述高压侧的压强时移动离 开第一阀门座的第一阀门板 ； 以及

    [1275] 所述第二阀包括被设置为当所述腔室中的压强超过所述低压侧的压强时向第二 阀门座移动的第二阀门板。

    [1276] 64、 如权利要求 54 所述的方法， 其中 ：

    [1277] 提供所述腔室包括提供其中放置有双作用活塞以界定所述腔室和第二腔， 所述第 二腔通过第三阀与高压侧选择性地通流体并且通过第四阀与低压侧选择性地通流体 ； 以及

    [1278] 其中， 在所述可移动部件的第一膨胀冲程， 所述方法进一步包括，

    [1279] 打开所述第四阀以使在上一膨胀冲程期间在所述第二腔中膨胀的气体流到所述 低压侧， 以及

    [1280] 在所述第一膨胀冲程结束之前升高所述第二腔中的压强。

    [1281] 65、 如权利要求 64 所述的方法， 其中， 通过在所述第一膨胀冲程结束之前关闭所 述第四阀来升高压强。

    [1282] 66、 如权利要求 65 所述的方法， 进一步包括 ： 在所述第一膨胀冲程结束之前将液 体引入所述汽缸。

    [1283] 67、 如权利要求 66 所述的方法， 其中， 所述液体被注入所述第二腔外的压缩气体 中。

    [1284] 68、 如权利要求 66 所述的方法， 其中， 所述液体直接流入所述第二腔中。

    [1285] 69、 如权利要求 64 所述的方法， 其中， 通过在所述第一膨胀冲程结束之前将液体 引入所述汽缸来升高压强。

    [1286] 70、 如权利要求 69 所述的方法， 其中， 所述液体被注入所述第二腔外的压缩气体 中。

    [1287] 71、 如权利要求 69 所述的方法， 其中， 所述液体直接流入所述第二腔中。

    [1288] 72、 如权利要求 64 所述的方法， 其中 ：

    [1289] 所述第一阀包括被放置为当所述腔室中的压强超过所述高压侧的压强时移动离 开第一阀门座的第一阀门板 ；

    [1290] 所述第二阀包括被放置为当所述腔室中的压强超过所述低压侧的压强时朝向第 二阀门座移动的第二阀门板 ；

    [1291] 所述第三阀包括被放置为当所述第二腔中的压强超过所述高压侧的压强时移动 离开第三阀门座的第三阀门板 ； 以及

    [1292] 所述第四阀包括被放置为当所述第二腔中的压强超过所述低压侧的压强时向第 四阀门座移动的第四阀门板。

    [1293] 利用单独应用或组合应用的一种或多种技术可以提高对压缩气体的能量的存储 和恢复。一种技术将液滴构成的雾引入位于发生气体压缩和 / 或膨胀的第二腔上游的专用 腔。在某些实施例中， 可以通过在所述专用混合腔与所述第二腔之间插置脉动阻尼瓶提高 所产生的液气混合物的均匀性， 从而能够连续地流过混合腔。另一种技术利用低功耗实现 的阀门构造来控制气体流入压缩和 / 或膨胀腔和从压缩和 / 或膨胀腔流出。所述阀门构造 利用系统操作期间的内在压差， 使得阀门启动以低能耗进行。

    [1294] 本发明的某些实施例可以提供压缩和 / 或膨胀过程中的液气混合物。液体相对于气体更高的热容量使得液体能在压缩期间从气体接收热量并且能在膨胀期间向气体传递 热量。如果液体是以压缩空气或膨胀空气内的液滴的雾或喷汽进入的， 那么通过液体的大 的表面积可以提高进出液体的这种能量传递。

    [1295] 通常， 不期望将根据本发明的实施例的被引入气体压缩或膨胀腔以实现热交换的 液体在该腔内进行燃烧。因此， 尽管被注入来进行热交换的液体可能是易燃的 ( 例如， 油、 酒精、 煤油、 柴油或生物柴油 )， 但是在许多实施例中不希望液体在该腔内燃烧。 至少在这方 面， 根据本发明的实施例的液体引入与液体引入到涡轮机和马达进行燃烧的情况不同。

    [1296] 变频器的成本和低效是另一个可能改进的地方。 作为替代可以使用具有负载控制 的同步马达发电机， 并且对于压缩机 / 膨胀机来说， 可以控制阀门脉冲长度和频率， 以改变 用于电压和频率调节的功率。这种方法可以用效率为代缴实时地换取功率的增加或降低。

    [1297] 根据本发明的实施例， 利用腔内存在的可移动部件， 可以通过压缩将能量分配给 气体， 和 / 或通过膨胀从气体复原能量。在某些实施例中， 可移动部件可以与通过一个或多 个物理联动机构而与其它系统部件 ( 诸如马达或发电机 ) 连通， 该物理联动机构实际上是 机械的、 液压的、 气动的、 磁力的、 电磁的或静电。

    [1298] 在一些实施例中， 可移动部件可以仅仅通过一种特定类型的联动装置来连接。例 如， 本发明的某些实施例可以仅仅利用可以包括转动杆的机械联动装置来将能量传送到可 移动部件 / 从可移动部件传送能量。这种构造可以通过避免与一种形式和另一种形式之间 的能量转换相关的损耗而提供更高的效率。

    [1299] 某些实施例可以利用具有可移动部件的液压联动装置。

    [1300] 液 / 气混合物的情况 ( 包括但不限于液滴尺寸、 液滴分布的均匀性、 喷射速度、 液 相体积比、 温度和压强 ) 会影响气体与液体之间的热能交换。尽管先前描述的某些实施例 利用混合腔引入液体， 但这不是本发明必需的。一些实施例可以利用液体注射直接将液体 引入压缩腔、 膨胀腔或进行膨胀和压缩的腔。

    [1301] 例如， 图 50A 示出了根据本发明的能量存储装置的一个可能的实施例的简化示意 图， 该能量存储装置可以利用压缩空气作为所述气体， 用水作为所述注入的液体。图 50A 示 出了包括可移动部件 5006( 这里是包括活塞头和活塞杆的往复式实心活塞 ) 的系统 5002， 可移动部件 5006 布置在具有压缩腔 5018a 和 5018b 的汽缸 5008 内。

    [1302] 在某些实施例 ( 不限于图 50A 具体示出的 ) 中， 活塞可以是十字机头设计。这样 的实施例可以通过进一步将膨胀 / 压缩汽缸的水与存在于曲轴箱中的油或其它液体等隔 离而提供额外的好处。

    [1303] 可移动部件可以通过一个或多个联动装置 5099 选择性地与马达、 发电机或马达 / 发电机 5098 物理连通。这些联动装置实际上可以是机械的、 液压的、 或气动的。

    [1304] 在某些实施例中， 活塞可以是自由活塞。这种自由活塞可以通过诸如磁性或电磁 联动装置等物理联动装置传送能量。

    [1305] 在某些实施例中， 活塞可以包括活塞头和与联动装置相联结的活塞杆。该联动装 置可以包括圆形齿轮和 / 或具有其它形状 ( 诸如椭圆形 ) 的齿轮。在某些实施例中， 一个 或多个齿轮的齿可以具有直线形状、 有斜面的形状或螺旋形， 利用后者可以提供推力轴承。 在某些实施例中， 可以使用蜗轮。

    [1306] 许多种机械联动装置是适用的。 其例子包括但不限于诸如行星齿轮系统之类的多节点齿轮系统。机械联动装置的例子包括杆， 诸如曲柄轴、 链条、 传送带、 传动器 - 随动器 联动装置、 枢轴联动装置、 Peaucellier-Lipkin 联动装置、 Sarrus 联动装置、 Scott Russel 联动装置、 Chebyshev 联动装置、 Hoekins 联动装置、 挡板或摇摆板联动装置、 弯曲轴联动装 置、 Watts 联动装置、 轨迹跟踪联动装置以及凸轮联动装置。凸轮联动装置可以采用不同 形状的凸轮， 包括但不限于正弦形状和其它形状。在 Jones 的″ Ingenious Mechanisms forDesigners and Inventors， VoIs.I and II″， 工业出版社 ( 纽约 1935) 中， 描述了各种 类型的机械联动装置， 其全部内容通过引述结合于此以用于各种用途。

    [1307] 尽管图 50A 所示的具体实施例利用布置为水平移动的活塞， 本发明不限于这种设 计。替换实施例可以采用被布置为以其它方向 ( 例如竖直地、 对角地 ) 移动的活塞或其它 类型的构件。

    [1308] 例如， 在某些实施例中， 将活塞构造为在竖直方向往复运动同时将压缩和 / 或膨 胀腔放置在下面是有益的。这种构造的例子已经在图 6 中示出， 尽管这样的实施例不需要 将气体形成气泡而是作为替换方式可以使用通过喷雾引入液体。 这种构造可以有助于避免 液体在重力作用下通过填充物渗漏到腔的外部并且不期望地进入曲轴箱或其它空间。

    [1309] 本发明的具体实施例可以包括一级或多级， 该一级或多级具有以直线方式之外的 方式移动的可移动部件。例如， 某种装置的构件， 诸如螺杆、 类涡轮机 (quasi-turbine)、 内 齿轮油泵和其它结构， 被构造为以转动的方式移动。

    [1310] 在″ The Internal Combustion Engine in Theory and Practice， VoIs.1 and 2″ (MIT 出版社 (1985) 第二版， 修订版 ) 中， Charles Fayette Taylor 公开了对于气体压 缩和 / 或膨胀有用的多种结构。通过引述该文章全部结合于本文用于各种目的。

    [1311] 根据本发明的某些实施例可以利用调节的进气口和排气口。 具体地， 进气歧管、 导 管、 阀门和汽缸 ( 或多个汽缸 ) 整体上形成复杂的谐振系统 (resonantsystem)。待压缩或 膨胀的气体通过该谐振系统移动， 只要横截面积发生变化就从墙壁反射， 并且气体的压缩 和反射围在封闭腔内。这种封闭腔的一个例子是远端具有关闭的阀门的导管。

    [1312] 气体的惯性和这些反射产生压缩和膨胀波。 利用计算流体动力学 (computational fluid dynamics， CFD) 技术的分析， 可以调整进气系统的几何结构以便将压缩波的到达时 间定为与进气阀或多个进气阀的关闭时间一致。 这可以通过例如调节通向汽缸的管长来实 现。

    [1313] 例如， 如图 135A 所示， 在进给阀 13500 在汽缸 13504 内可运动的活塞 13502 的 TDC 处打开后不久， 压强相对于进气口 13506 下降。如图 135B 所示， 这产生远离阀门并沿管移 动的膨胀波 13508。

    [1314] 膨胀波以 (s-v) 的速率行进， 其中， s 是声速， v 是流体的速率。流体可以是气体和 液滴 (droplets) 的混合物。

    [1315] 如图 135C 所示， 所述波被管的远端处的开口反射。所述波随后作为压缩波以速率 (s+v) 折返向阀门进行。

    [1316] 到达的压缩波有助于填充汽缸。如果管长为 L， 则所述波的总的往返行进时间为 ：

    [1317] 为了使有益效果最大化， 该行进时间可以与曲柄旋转 (θ/2πN) 期间阀门打开的时间基本相同， 其中， θ 是打开角度， N 是转速。对此， 是这样的情形 ：

    [1319] 因此， 如图 135D 所示， L 是使流入汽缸的空气最大化的管长。

    [1321] 图 135E 示出了对于设计在不同转速下的标准汽缸设计， 改变进气口长度对于容 积效率 ( 即， 可以通过阀门被排出的气体量 ) 的影响。除了其它变量， 优化的管长是转速的 函数。

    [1322] 刚刚所描述的调节可以具有将额外的气体抽吸到汽缸中、 提高容积效率的效 果。类似地， 调节排气系统的几何结构可以有助于从汽缸中更彻底地排出气体， 同样地提 高了容积效率。对这些效果的分析可以从 “John L.Lumley， Engines， An Introduction， Cambridge University Press， Cambridge(1999)” 中找到， 其全部内容通过引述结合于此 以用于各种用途。

    [1323] 优化的进气和排气系统的几何结构可以与发电机转速有关。 如果所述机构在使所 述设计的性能优化的特定速率下运行时， 可以确保有益的效率。

    [1324] 以上所述大部分集中在涉及液体注射的压缩 / 膨胀装置。然而， 本发明的调节方 法不限于这些设备。根据另外实施例， 进气和 / 或排气系统的几何结构可以被调节为使用 所述流中的声波能量来提高在不同类型的气体压缩机和气体膨胀机中的容积效率。

    [1320] 现在回到图 50A 所示的特定实施例， 在低压侧， 压缩腔 5018a 通过空气净化器 5020、 低压侧导管 5010、 吸滤瓶 5011 和阀门 5012 选择性地与外部空气通流体。阀门 5012 包括相对于阀门座 5012b 可移动以打开或关闭阀门的阀门板 5012a。 在某些实施例中， 可以 通过电磁线圈或其它可控制的致动器 ( 诸如液压或气动活塞或电动马达 ) 来操纵阀门。类 似地， 压缩腔 5018b 通过所述空气净化器、 所述低压侧导管、 所述吸滤瓶和阀门 5013 选择性 地与外部空气通流体， 阀门 5013 包括相对于阀门座 5013b 可移动的阀门板 5013a。

    [1326] 在高压侧， 压缩腔 5018a 分别通过阀门 5022、 排放瓶 5023、 高压侧导管 5024、 挡板 式分离器 5026 和旋风分离器 5028 与压缩气体存储罐 5032 通流体。阀门 5022 包括相对于 阀门座 5022b 可移动以打开或关闭该阀门的阀门板 5022a。

    [1327] 可以通过电磁线圈来启动本发明的多个实施例的阀门。 可以是各种类型的阀门启 动， 包括但不限于凸轮驱动启动、 压电式启动、 液压启动、 电力启动、 磁性启动、 气压启动等 等。根据特定的实施例， 可以根据可变的时序或者可以根据固定的时序来驱动阀门驱动。

    [1328] 尽管上述实施例被描述为利用板阀形式的气流阀门， 然而这不是必需的。本发明 不限于利用任何特定气体阀门类型的装置， 其它气体阀门类型也可以适于在各种实施例中 使用。 根据本发明的实施例的阀门的例子包括但不限于先导阀、 旋转阀、 凸轮控制提升阀以 及液压、 气压或电力驱动阀门。

    [1329] 在某些实施例中， 可以利用能增加阀门和其它组件的性能的材料制备阀门和其它 组件。例如， 阀门的某些实施例可以在一个或多个表面上承受疏水涂布， 诸如 TEFLON( 聚四 氟乙烯 )。在一些实施例中， 疏水涂布可以包含纹理以进一步赋予超疏水特性。

    [1330] 可以使用其它类型的涂布。某些类型的涂布可以抑止腐蚀和磨损。可能的涂布类 型的一个例子是类金钢石 (DLC)。也可以使用镍 / 聚合物涂布。

    [1331] 在某些实施例中， 通过所述可移动部件自身可以执行一个或多个气流或液流阀门

    [1325] 的功能。例如， 如在本文其它地方描述的图 84 中所示， 在某些实施例中活塞头的移动可以 选择性地阻挡通向所述腔的口， 从而有效地用作阀门。

    [1332] 类似地， 压缩腔 5008b 分别通过阀门 5027、 所述高压侧导管、 所述挡板式分离器和 所述旋风分离器与所述气体存储罐通流体。在某些利用电磁线圈的实施例中， 阀门 5027 包 括相对于阀门座 5027b 可移动的阀门板 5027a。

    [1333] 压缩空气存储罐 5032 通过调压器 5054 与消音器 (muffler)5052 通流体。空气存 储罐 5032 还通过浮阀与液体循环系统的加压水罐 5030 通流体。

    [1334] 不同类型的压缩气体存储单元可以适用于本发明的不同实施例。例如， 在某些实 施例中， 压缩气体存储单元可以包括具有大容量的封闭体积， 例如， 诸如废弃矿山或者油田 或天然气气田之类的人造结构。高容量的压缩气体也可以存储在天然地产生的地质构造 中， 诸如， 洞穴、 盐丘或其它多孔特性的构造。

    [1335] 其它合适的压缩气体存储单元还可以包括专门为此目的构造的容器。 在某些实施 例中， 所述气体可以存储在一个或多个长度约为 1.6 米、 能够在 200 大气压下存储空气并且 装配有阀门的钢罐 ( 可以选择性地互相连接 ) 中。一些实施例可以利用长度大约 16 米的 更大的钢罐， 这样的钢罐可以降低将该罐形成封闭并且形成颈部的成本， 并且也能够降低 多个阀门的成本。

    [1336] 本发明的实施例可以采用由除了单一金属材料 ( 诸如钢 ) 之外的材料制成的压缩 气体存储单元。 例如， 如之前已经描述过的， 压缩气体存储单元的某些实施例可以具有特殊 形状和 / 或包括复合材料， 该复合材料含有碳化纤维或其它材料。

    [1337] 在某些实施例中， 气体存储单元可以由复合材料构造， 该复合材料包含一层或多 层抗张强度高的线或纤维， 该线或纤维由金属材料或天线材料或人造材料制成， 并且以螺 旋形式围绕在不渗透层， 并且通过基体材料固定在适当位置。使用抗张强度高的拉制线材 的优点在于它比同等重量而体积大的相同合金的拉伸强度更高， 因此可以使用更少的材 料， 降低成本。

    [1338] 在某些实施例中， 压缩气体存储单元可以与能量源进行热交换。 例如， 在某些实施 例中， 所述存储单元可以包括与太阳进行热交换的罐。所述罐可以涂有吸热材料 ( 例如黑 涂料 )。在某些实施例中， 所述存储单元可以放置在透明屏障 ( 诸如玻璃 ) 后面， 从而收集 红外线 (IR) 太阳能并且进一步促进热交换。

    [1339] 图 50A 的系统的运行与前面所示的许多图所描述的类似。 可移动部件 5006 以往复 运动方式在所述汽缸内移动。 该构件 5006 向右侧运动到对应于腔 5018a 的下止点 (Bottom Dead Center， BDC) 处造成腔 5008a 与所述低压侧的所述吸滤瓶之间的压差增大。该压差 使阀门板 5012a 偏离阀门座 5012b， 使得阀门 5012 能打开并且允许未压缩的空气进入腔 5018a。腔 5018a 与排放瓶之间的压差也使阀门板 5022a 偏向阀门座 5022b， 关闭阀门 5022 以使得所允许的未压缩空气在腔 5018a 中聚积。

    [1340] 在这个冲程中， 所述可移动部件同样的动作 ( 朝向腔 5018a 的 BDC， 即腔 5018b 的 TDC)， 也造成腔 5018b 与所述吸滤瓶之间的压差。具体地， 允许在上一个冲程进入腔 5018b 中的空气被压缩， 由此使阀门板 5013a 偏向阀门座 5013b 并且关闭阀门 5013。

    [1341] 腔 5018b 与所述排放瓶之间的压差使阀门 5027 保持关闭状态。然而， 由于所述可 移动部件继续向 BDC 移动， 腔 5018b 内的压强升高。当腔 5018b 内的该压强达到高压侧的排放瓶的压强时， 阀门板 5027a 不再是偏向阀门座 5027b， 并且阀门 5027 打开， 使得压缩气 体移动到排放瓶并且通过所述导管和所述挡板式分离器以及所述旋风分离器最终到达所 述存储单元。

    [1342] 在随后的可移动部件 5006 向左 ( 腔 5018a 的 TDC 和腔 5018b 的 BDC) 的冲程中， 压缩腔 5018a 和腔 5018b 的角色互换。就是说， 允许未经压缩的气体通过打开阀门 5013 进 入腔 5018b 中， 同时先前允许进入腔 5018b 中的未经压缩的气体被所述可移动部件压缩， 直 到所述气体达到高压强并且通过略微高于高压侧的压差所驱动的阀门 5022 流出。

    [1343] 如图 50A 所示， 吸滤瓶位于所述压缩腔的所述进给阀的上游低压侧， 排放瓶位于 所述压缩腔的所述排出阀的下游高压侧。这些瓶子的容积明显大于各个所述压缩腔的容 积， 并且这些瓶子的容积通常为那些压缩腔的容积的至少 10 倍。

    [1344] 所述瓶子显示出与它们的入口和出口不同的宽度尺寸 (w， w′ )。该尺寸差异使任 何试图从所述压缩腔的阀门行进到所述系统的其余部分的声波产生连续的阻抗失配， 由此 破坏不希望的压强变化。 通过利用所述系统的所述气体阀门与其它部件之间的吸滤瓶和排 放瓶， 根据本发明的实施例可以抑制这些脉动 (pulsations)。

    [1345] 在压缩过程中， 所述腔内的气体经历温度升高。为了使该压缩以热力学效率高 (thermodynamically efficient) 的方式进行， 本发明的实施例通过向所述腔中直接喷射 液 ( 这里是水 ) 滴， 产生液气混合物。液气混合物的液体成分从压缩过程中的气体吸收热 能， 由此减少任何温度升高的量级。

    [1346] 相应地， 图 50A 也示出了液体循环系统， 其被构造用来流动液体以喷射到所述腔 中从而与经历了所述压缩过程的所述气体进行热交换。更具体地， 该液体循环系统包括通 过导管 5088 与所述压缩腔通流体的加压水罐 5030、 陶传送泵 5042、 热交换器 5044、 阀门 5047、 多级水泵 5031、 阀门 5033 和 5034 以及各自的喷嘴 5035 和 5036。储能器 5039 与所 述液体循环系统通流体， 以吸收在该液体循环系统中产生的能量的脉动。

    [1347] 阀门 5033 和 5034 能够被驱动从而在选定时间使水通过喷嘴 5035 和 5036 流入各 自的压缩腔 5018a 和 5018b。在某些实施例中， 所述阀门可以构造为在允许空气进入时打 开， 从而使液体同时流入所述压缩腔中。 在这样的实施例中， 直接液体注入与进入的气流同 时发生， 可以促进水滴在空气中的混合， 增强所需的热交换的效果。

    [1348] 在某些实施例中， 阀门 5033 和 5034 可以构造为仅仅在已经允许空气进入并且已 经关闭各自的进气阀的情况下打开， 从而使液体流入所述压缩腔中。 在这样的实施例中， 液 体直接注入到关闭的腔中除了进行热交换之外还可以有利于压缩所述空气。

    [1349] 在某些实施例中， 阀门 5033 和 5034 可以构造为在所述构件在所关闭的腔内移动 从而压缩所述气体的过程中打开。如在下面所讨论的， 在某些液体注入到经过压缩的气体 的实施例中， 可以利用不只一个具有不同特性的喷雾器的子系统。

    [1350] 在某些实施例中， 驱动阀门 5033 和 5034 可以使液体在压缩循环的多个周期流入 所述腔内。 例如， 既可以在空气进入时也可以在空气进入后但是进行压缩之前， 驱动所述阀 门， 或者可以在空气进入和压缩期间驱动所述阀门， 或者可以在空气进入期间和进行压缩 期间驱动所述阀门。

    [1351] 如刚刚指出的， 在某些实施例中， 可以不使液体连续地引入所述压缩腔中。而且， 在未引入液体的时期， 在所述构件在该腔内移动时和 / 或压缩气体从所述腔流动所时， 所述压缩腔会经历压强改变。

    [1352] 因此， 图 50A 中的阀门 5033 和 5034 可以用于在这种非注入期内将液体循环系统 的喷雾器与其它组件隔离。 这种隔离有助于防止液体压强 ( 诸如瞬间回压 (transient back pressure)) 改变， 该液体压强改变对液体在整个系统中的流动有不利影响。在将液体以连 续方式引入的实施例中， 可以不需要液体流动阀。

    [1353] 液体循环系统可以包括被设计用来避免液体内的压强改变的影响的其他特征。 例 如， 在系统运行期间， 循环水被注入到所述气体中以产生被压缩到更高压强的液气混合物。 随后通过所述分离器从该高压液气混合物中除去液体。

    [1354] 然而， 所述压缩过程的结果是， 一定量的气体溶解在所述液体中。这样， 由于通过 所述液体循环系统流动的所分离的液体遇到以低压进入的气体， 该所溶解的气体会从溶液 中释放出来 ( 释气 )。

    [1355] 这样的释气会在所述液体循环系统的不同部分中， 尤其是在阀门 5033 和 5034、 喷 嘴 5035 和 5036、 和 / 或这些部件之间的各自的导管 5060 和 5061 中产生不需要的气泡。所 述液体循环系统中的这些气泡的存在会影响所控制的进入所述压缩腔的液体流动的可预 测性和 / 或可靠性。

    [1356] 因此， 本发明的某些实施例会设法将在处于低压的多个所述液流阀门与多个所述 喷嘴之间的导管的长度 (d， d′ ) 制造得尽可能短。这样的距离最小化可以有效地减少从 加压液体中释气的几率， 由此有利地避免了气泡的形成。

    [1357] 在图 50A 的具体实施例中， 显示出液流阀门 5033 和 5034 由电磁线圈选择性地进 行驱动。然而， 本发明不限于使用用于液体注入的任何特定类型的阀门。根据本发明实施 例的可以适用于液体注入的阀门的例子包括但不限于， 电磁线圈驱动阀门、 滑阀、 闸阀、 柱 形阀、 针阀或提升阀。

    [1358] 可以适用于本发明的替代阀门设计的一个例子是， 包括伺服回路的音圈驱动阀 门。这种阀门结构的使用可以有利于控制驱动的速度分布， 例如在板进行停止之前的最后 时间降低速度， 由此减弱对阀门组件的应力。

    [1359] 可以采用其它阀门缓冲 (valve dampening) 的方法。例如， 某些实施例可以在阀 体或阀门座中使用气垫、 小凹陷、 圆柱形孔和或其它凹陷的几何结构， 在相对的构件上具有 相应的凸起区域， 以产生空气弹簧， 当所述阀门的可移动组件靠近所述阀门座时， 所述空气 弹簧吸收该阀门的可移动组件的运动能量的一部分。

    [1360] 根据其它实施例， 所述阀门可以是气动驱动的， 一个例子是成比例的气动空气阀 门。在又一个其它实施例中， 所述阀门可以是液压驱动的， 例如高压液压阀。

    [1361] 在某些实施例中， 优选的是产生具有特定尺寸的液滴的混合物。 在一些实施例中， 可以通过在液体中包含表面活性剂来促进这种混合物的形成。 可以使用的表面活性剂的一 个例子是被称为曲拉通 (Triton)X-100 的 ( 辛基苯氧基聚乙氧基乙醇， octylphenoxypoly ethoxyethanol)。

    [1362] 压缩之后， 液气混合物通过各自的排出阀 5022 和 5027 流到排放瓶 5023、 高压侧导 管 5024 和去除液体的分离器 5026、 5028。挡板式分离器结构 5026 采用用来从流动的液气 混合物中初步去除大部分液体的第一结构。这种结构的一个例子是腔， 该腔具有一系列重 叠的平板或限定流动的液气混合物的弯曲路径的挡板， 并且提供用于水聚集的大的表面面积。 在图 50A 的具体实施例中， 在初级挡板式分离器结构之后顺序连接的是用来从所 述混合物中去除少量液体的第二分离器结构 5028( 这里是旋风分离器 )。本发明的实施例 不限于这种或任何特定类型的分离器或分离器构造。 可能使用的分离器的例子包括但不限 于： 旋风分离器、 离心分离器、 重力分离器和除雾分离器 ( 采用网格型聚结器、 叶片组或其 它结构 )。在 “M.Stewart 和 K.Arnold， Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators， Gulf 专业出版 (2008)” 中描述了各种分离器设计， 在此通过引述将其全部并入本文以越南用于 各种目的。

    [1364] 通过分离器 5026 和 5028 从所述混合物中去除的液体经由各自的浮阀 5027 和导 管返回到包括减压阀和排水阀的加压水罐 5030。液体从该加压水罐利用输送泵 5042 经过 热交换器 5044 进行冷却而被再循环， 然后由多级水泵 5031 被再注入入所述压缩腔。

    [1365] 图 50A 的液体循环系统还通过阀门 5048 选择性地与供水罐 5046 通流体。该罐通 过过滤器 5050 从基础供水系统 ( 诸如市政供水 ) 接收未加压的水。来自该供水罐的水可 以选择性地流经阀门 5048 以便初步填充或者补充所述循环系统的水。供水罐 5046 还包括 真空减压阀和排水阀。

    [1366] 在图 50A 的具体实施例中， 喷雾器布置在所述汽缸中没有包含气流阀门的相对的 侧壁上。 所述喷雾器可以包括产生液滴、 液体流束或液膜的一个或多个孔口或喷嘴的布置， 并且有助于与所述腔内的气体进行热能交换。这些喷嘴或孔口可以与公用的歧管通流体。

    [1367] 本发明不限于通过任何特定类型的喷雾器将液体引入所述腔的方式。在以下美 国 专 利 No.3,659,787、 No.4,905,911、 No.2,745,701、 No.2,284,443、 No.4,097,000 和 No.3,858,812 中， 描述了可以适用于根据本发明实施例的可能的喷嘴结构的一些例子， 通 过引述， 所述美国专利中的每一个全部并入以用于各种目的。

    [1368] 根据本发明实施例的可以用来引入液体的喷雾器结构的一种类型是冲击喷雾器。 这种冲击喷雾器的结构的一个例子是可从 BETE Fog Nozzle 有限公司 ( 格林菲尔德， 马萨 诸塞州 ) 购买的 PJ Misting Nozzle。 在某些实施例中， 液体喷雾器可以利用除了液体流动 之外的能量， 例如声波能量， 以便形成具有所需特性的液滴。

    [1369] 已知其它类型的喷雾器结构。 可以适用于根据本发明实施例的喷雾器结构的例子 包括但不限于 ： 转盘雾化器、 静电雾化器、 旋流喷嘴、 风扇喷嘴、 冲击喷嘴和转杯式雾化器。

    [1370] 在某些实施例中， 多个喷雾器可以构造为互相交互， 从而产生具有所需特性的喷 雾。例如， 一个喷嘴的喷射会填充相邻喷嘴的空档部位。以下专利和公开的专利申请描述 了喷雾器的各种构造 ： 美国专利 No.6,206,660、 美国专利公开 No.2004/0244580 和美国专 利公开 No.2003/0180155， 通过引述， 所述专利和公开的专利申请全部并入本文以用于各种 目的。

    [1371] 根据本发明的实施例不限于使用喷雾器将液体引入气体中。根据替换实施例， 如 同之前已经参照图 6 所描述的， 根据本发明的压缩气体能量存储装置的一个或多个级可以 通过利用起泡器来引入液体。

    [1372] 在高压下， 为了实现液体质量的高百分比的液体的体积百分比， 可能会过大而使 得液滴 - 气雾难以保持。作为替代， 该体积百分比可以转变为 “段塞流” 或 “环状流” 。

    [1373] 这种段塞流或环状流是不利的， 因为它不允许快速的热交换。 另外， 这种段塞流或

    [1363] 环状流会导致机械问题或阀门性能的下降。

    [1374] 然而， 将气体以气泡形式引入液体， 这支持了气体和液体之间的大的接触表面而 不会引起不均匀的流动。某些实施例可以利用能在液体内产生对流状水流的喷洒器模式。 通过将气泡更均匀地散布在汽缸中， 这样的水流可以提高气泡形式的气体与液体之间的热 传递速度。

    [1375] 图 50A 的装置还包括与计算机可读存储设备 5094 电连接的控制器 / 处理器 5096， 该计算机可读存储设备 5094 可以是包括但不限于基于半导体原理、 或者磁存储原理或光 存储原理的任何设计。控制器 / 处理器 5096 被显示为与系统中的若干有源元件电连接， 该有源元件包括但不限于阀门、 泵、 喷雾器和传感器。系统所采用的传感器的具体的例子 包括但不限于位于系统入口处的压力传感器 (P)、 温度传感器 (T)、 体积传感器 (V)、 湿度传 感器， 以及可以指示可移动组件 ( 诸如阀门或活塞 ) 状态或系统的其它参数的其它传感器 (S)。

    [1376] 如下面所详细描述的， 基于从一个或多个系统部件接收到的输入， 以及从这些输 入计算出的可能的值， 控制器 / 处理器 5096 可以动态地控制系统的操作来实现一个或多个 目标， 所述目标包括但不限于 ： 最大化或可控制压缩的效率， 将能量以压缩气体的形式存储 的可控制能量损耗， 执行压缩的可移动部件的预期输入速度， 与可移动部件相连的转动轴 的最大输入转矩， 与可移动部件相连的转动轴的最小输入速度， 与可移动部件相连的转动 轴的最小输入转矩， 或者多级装置 ( 下面要讨论 ) 的不同级中水的预期最大温度升高， 或者 多级装置的不同级中空气的预期最大温度升高。

    [1377] 计算机可读存储介质中的代码可以配置为指示控制器或处理器以使得系统执行 各种操作模式。例如， 尽管图 50A 示出了装置被构造为用作专用压缩机， 但这不是本发明必 需的。替换实施例可以构造为用作膨胀机， 将存储在压缩气体中的能量转换为功率来做有 用功 ( 例如， 输出到电力网的电功率 )。

    [1378] 图 50B 示出了专用膨胀机的实施例的简化图。除了所述腔用于容纳来自高压侧的 存储罐的压缩空气之外， 图 50B 的实施例的工作原理与图 50A 的相同。活塞杆根据腔内的 气体膨胀移动。注入到腔内的液体用于向膨胀空气传递热量， 以减少温度降低的程度。液 体分离器 ( 这里示为单个单元以便于说明 ) 放置于低压侧， 以便去除液体用于再循环， 之后 膨胀的空气流出系统。

    [1379] 图 51 示出了用于根据本发明的压缩气体存储系统中的装置 500 的一个替换实施 例的简化示意图。该替换实施例被构造为执行压缩或膨胀。

    [1380] 具体地， 在一个操作模式下， 所述装置消耗功率从而以压缩气体的形式存储能量。 压缩机 / 膨胀机 5102 通过联动装置 5132 接收来自马达 / 发电机 5130 的能量， 马达 / 发电 机 5130 驱动构件 5106 移动从而压缩通过阀门 5112 从低压侧导管 5110 进入腔 5108 中的 气体。

    [1381] 在压缩期间， 所述腔内的气体经历温度升高。为了使该压缩以热力学效率高的方 式进行， 本发明的实施例通过将液滴喷到所述腔中来产生液气混合物。在压缩时该液气混 合物的液体成分从气体接收热能， 由此减小任何温度上升的幅度。

    [1382] 压缩后的气体随后流经阀门 5122 到高压侧导管 5120， 然后流经分离器部件 5124( 可以包括多个分离器 ) 到存储单元 5126。从所述混合物中去除的液体容纳在蓄液器5125 中， 液体从蓄液器 5125 通过经热交换器 5150 暴露到散热器 5140， 可以被冷却， 然后被 泵 5134 驱动从而再注入到所述含有用于压缩的额外气体的腔中。

    [1383] 在系统 5100 的另一个操作模式下， 通过压缩气体的膨胀来恢复能量。压缩机 / 膨 胀机 5102 通过高压侧导管 5120 和阀门 5122 接收来自存储单元 5126 的压缩气体， 然后使 得该压缩气体在腔 5108 中膨胀， 从而使可移动部件 5106 移动。膨胀后的空气作为废气流 过阀门 5112 和低压侧导管 5110。马达 / 发电机 5130 用作发电机， 接收所述可移动部件的 动作产生的能量， 并且输出电功率。

    [1384] 在膨胀期间， 所述腔内的气体经历温度降低。为了使该膨胀以热力学效率高的方 式进行， 本发明的实施例通过将液滴喷到所述腔中来产生液气混合物。在膨胀期间该液气 混合物的液体成分向气体传递热量， 由此减小任何温度降低的幅度。

    [1385] 膨胀之后， 所述液气混合物经过阀门 5112 和低压侧导管 5110 流到液体分离器 5114。从所述混合物中去除的液体容纳在蓄液器 5115 中， 液体在蓄液器 5115 中通过热交 换器 5152 暴露给热源 5154 从而被加热， 然后被泵 5134 驱动从而再注入到所述含有用于膨 胀的额外的压缩气体的腔中。

    [1386] 尽管图 51 的特定实施例示出了安置有在垂直方向动作的单个活塞并且经由包含 两个阀门的阀门组可以进入的汽缸， 但本发明不限于该特定构造。根据本发明的实施例可 以采用其它构造， 例如， 如同之前已经详细描述的， 在水平方向可移动的并且安置在包含四 个阀门的阀门和汽缸组件中的双作用活塞。

    [1387] 如以上详细描述的， 根据本发明的用于存储和复原系统和方法的实施例特别适用 于与包括处理器和计算机可读存储介质的主机相结合实施。 这种处理器和计算机可读存储 介质可以嵌入所述装置中， 和 / 或可以通过外部输入 / 输出设备进行控制或监控。

    [1388] 图 52 是示意图， 示出所述处理器 / 控制器以及由所述处理器 / 控制器所接收的各 种输入、 所执行的功能和所产生的输出之间的关系。 如图所示， 处理器可以基于一个或多个 输入来控制所述装置的各种的操作属性。如以上所详细描述的， 这些操作参数包括但不限 于打开 / 关闭气流阀门和液流阀门的时序。

    [1389] 之前描述的图 20-20A 示出了根据本发明一个实施例的用于处理信号的计算机设 备的简化图。这个图仅仅是个例子， 在此不应当限制权利要求的范围。本领域技术人员应 当理解可以有许多其它变型、 修改和替换。根据本发明的实施例可以以单个应用程序 ( 诸 如浏览器 ) 的方式实现， 或者可以实现为分布式计算环境 ( 诸如客户端服务器关系中的工 作站、 个人计算机或远程终端 ) 中的多个程序。

    [1390] 由于其普遍性和热容量大， 液态水是用来与散热器或热源进行热能交换的一种常 用介质。然而， 液态水的热交换特性受到相变的限制。

    [1391] 例如， 在经历相变到气体之前， 液态水在室温下可以从压缩气体吸收热量并且经 受大约高于 +80℃的正的温度变化。然而， 在经历相变到固体之前， 室温的液态水可以向膨 胀气体传递热量并且经受大约低于 -15℃的负的温度变化。

    [1392] 可获得的温度降的这个更小的范围可以起到在用于气体膨胀的多级装置的任意 一级的操作中的限制作用。 然而， 本发明的实施例不限于使用液态水作为热交换介质。 其它 实施例可以采用其它流体来进行热交换， 并且保持在本发明的范围内。 例如， 基于存在的丙 二醇的相对量， 丙二醇溶液的凝固点可以远远低于液态水的凝固点。这种替代的热交换介质可以用于不适于以纯液态水的流动方式处理的环境， 例如， 在高纬度地区或高海拔地区。

    [1393] 可以用于本发明各个实施例的液体的例子或其成分可以包括但不限于 ： 防冻液、 表面活性剂、 沸点提高剂、 防腐蚀剂、 润滑剂、 发泡剂、 溶解的固体和溶解的气体。

    [1394] 以上所示出和描述的特定实施例， 描绘了一个系统， 在该系统中， 气体被引入并且 排出到外部环境。这样的系统的例子是一个基于大气的压缩和膨胀的系统。

    [1395] 然而， 本发明不限于这些实施例。替换实施例可以适用于封闭系统， 其中， 进入该 系统用于压缩的气体是在先前膨胀过程中所排放的气体。 这种系统的一个例子是压缩气体 包含的气体不是空气， 例如， 显示出良好的热容量的氦气或其它气体。

    [1396] 在开放系统或封闭系统中， 根据本发明某些实施例的可以被压缩、 膨胀或压缩和 膨胀的气体的例子包括但不限于以下气体 (ASHRAE ＝美国采暖、 制冷与空调工程师学会 (American Society of Heating， Refrigerating， andAir-Conditioning Engineers)) ：

    [1397] (ASHRAE 序号 / 名称 / 分子式 / 化学文摘登记号 ； 出处 ) ：

    [1398] R-600/ 丁烷 /CH3CH2CH2CH3/106-97-8 ；

    [1399] R-600a/ 异丁烷 /CH(CH3)2CH3/75-28-5 ；

    [1400] R-601/ 戊烷 /CH3CH2CH2CH2CH3/109-66-0 ；

    [1401] R-601a/ 异戊烷 /(CH3)2CHCH2CH3/78-78-4 ；

    [1402] R-610/ 乙醚 /C2H5OC2H5/60-29-7 ；

    [1403] R-611/ 甲酸甲酯 /C2H4O/107-31-3 ；

    [1404] R-630/ 甲胺 /CH2NH2/74-89-5 ；

    [1405] R-631/ 乙胺 /C2H5NH2/75-04-7 ；

    [1406] R-702/ 氢 /H2/1333-74-0 ； R-704/ 氦 /He/7440-59-7 ；

    [1407] R-717/ 氨 /NH3/7664-41-7 ； R-718/ 水 /H2O/7732-18-5 ；

    [1408] R-720/ 氖 /Ne/7440-01-9 ；

    [1409] R-728/ 氮 /N2/7727-37-9 ； R-732/ 氧 /O2/7782-44-7 ；

    [1410] R-740/ 氩 /Ar/7440-37-1 ； R-744/ 二氧化碳 /CO2/124-38-9 ；

    [1411] R-744A/ 一氧化二氮 /N2O/l 0024-97-2 ；

    [1412] R-764/ 二氧化硫 /SO2/7446-09-5 ； R-784/ 氪 /Kr/7439-90-9 ；

    [1413] R-1112a/1， 1- 二氯 -2， 2- 二氟乙烯 /C2Cl2F2/79-35-6 ；

    [1414] R-1113/ 三氟氯乙烯 /C2ClF3/79-38-9 ；

    [1415] R-1114/ 四氟乙烯 /C2F4/116-14-3 ；

    [1416] R-1120/ 三氯乙烯 /C2HCl3/79-01-6 ；

    [1417] R-1130/ 顺式 -1， 2- 二氯乙烯 /C2H2Cl2/156-59-2 ；

    [1418] R-1132/1， 1- 二氟乙烯 /C2H2F2/75-38-7 ；

    [1419] R-1140/ 氯乙烯 /C2H3Cl/75-01-4 ；

    [1420] R-1141/ 氟乙烯 /C2H3F/75-02-5 ；

    [1421] R-1150/ 乙烯 /C2H4/74-85-1 ；

    [1422] R-1216/ 六氟丙烯 /C3F6/l 16-15-4 ；

    [1423] NA/ 六氟丙烯三聚物 /(C3F6)3/6792-31-0 ；

    [1424] R-1270/ 丙烯 /C3H6/l 15-07-1 ；R-10/ 四氯甲烷 /CCl4/56-23-5 ； R-I1/ 三氯氟甲烷 /CCl3F/75-69-4 ； R-12/ 二氯二氟甲烷 /CCl2F2/75-71-8 ； R-12B1/ 溴氯二氟甲烷 /CBrClF2/353-59-3 ； R-12B2/ 二氟二溴甲烷 /CBr2F2/75-61-6 ； R-13/ 氯三氟甲烷 /CClF3/75-72-9 ； R-13B1/ 三氟溴甲烷 /CF3Br/75-63-8 ； R-14/ 四氟甲烷 /CF4/75-73-0 ； R-20/ 三氯甲烷 /CHCl3/67-66-3 ； R-21/ 二氯氟甲烷 /CHFCl2/75-43-4 ； R-22/ 一氯二氟甲烷 /CHClF2/75-45-6 ； R-22B1/ 溴二氟甲烷 /CHBrF2/1511-62-2 ； R-23/ 三氟甲烷 /CHF3/75-46-7 ； R-30/ 二氯甲烷 /CH2Cl2/75-09-2 ； R-31/ 氯氟甲烷 /CH2FCl/593-70-4 ； R-32/ 二氟甲烷 /CH2F2/75-10-5 ； R-40/ 氯甲烷 /CH3Cl/74-87-3 ； R-41/ 氟甲烷 /CH3F/593-53-3 ； R-50/ 甲烷 /CH4/74-82-8 ； R-110/ 六氯乙烷 /C2Cl6/67-72-1 ； R-111/ 五氯氟乙烷 /C2FCl5/354-56-3 R-112/1， 1， 2， 2- 四氟 -1， 2- 二氟乙烷 /C2F2Cl4/76-12-0 ； R-112a/1， 1， 1， 2- 四氟 -2， 2- 二氟乙烷 /C2F2Cl4/76-11-9 ； R-113/1， 1， 2- 三氟三氯乙烷 /C2F3Cl3/76-13-1 ； R-113a/1， 1， 1- 三氟三氯乙烷 /C2F3Cl3/354-58-5 ； R-114/1， 2- 二氯四氟乙烷 /C2F4Cl2/76-14-2 ； R-114a/1， 1- 二氯四氟乙烷 /C2F4Cl2/374-07-2 ； R-114B2/ 二溴四氟乙烷 /C2F4Br2/124-73-2 ； R-115/ 氯五氟乙烷， /C2F5Cl/76-15-3 ； R-116/ 六氟乙烷 /C2F6/76-16-4 ； R-120/ 五氯乙烷 /C2HCl5/76-01-7 ； R-121/1， 1， 2， 2- 四氟 -l- 氟乙烷 /C2HFCl4/354-14-3 ； R-121a/1， 1， 1， 2- 四氟 -2- 氟乙烷 /C2HFCl4/354-11-0 ； R-122/1， 1， 2- 三氯 -2， 2- 二氟乙烷 /C2HF2Cl3/354-21-2 ； R-122a/1， 1， 2- 三氯 -1， 2- 二氟乙烷 /C2HF2Cl3/354-15-4 ； R-122b/1， 1， 1- 三氯 -2， 2- 二氟乙烷 /C2HF2Cl3/354-12-1 ； R-123/2， 2- 二氯 -1， 1， 1- 三氟乙烷 /C2HF3Cl2/306-83-2 ； R-123a/1， 2- 二氯 -1， 1， 2- 三氟乙烷 /C2HF3Cl2/354-23-4 ； R-123b/1， 1- 二氯 -1， 2， 2- 三氟乙烷 /C2HF3Cl2/812-04-4 ； R-124/2- 氯 -1， 1， 1， 2- 四氟乙烷 /C2HF4Cl/2837-89-0 ；R-124a/l- 氯 -1， 1， 2， 2- 四氟乙烷 /C2HF4Cl/354-25-6 ； R-125/ 五氟乙烷 /C2HF5/354-33-6 ； R-E125/( 二氟甲氧基 )( 三氟 ) 甲烷 /C2HF5O/3822-68-2 ； R-130/1， 1， 2， 2- 四氯乙烷 /C2H2Cl4/79-34-5 ； R-130a/1， 1， 1， 2- 四氯乙烷 /C2H2Cl4/630-20-6 ； R-131/1， 1， 2- 三氯 -2- 氟乙烷 /C2H2FCl3/359-28-4 ； R-131a/1， 1， 2- 三氯 -1- 氟乙烷 /C2H2FCl3/811-95-0 ； R-131b/1， 1， 1- 三氯 -2- 氟乙烷 /C2H2FCl3/2366-36-1 ； R-132/ 二氯二氟乙烷 /C2H2F2Cl2/25915-78-0 ； R-132a/1， 1- 二氯 -2， 2- 二氟乙烷 /C2H2F2Cl2/471-43-2 ； R-132b/1， 2- 二氯 -1， 1- 二氟乙烷 /C2H2F2Cl2/l 649-08-7 ； R-132c/1， 1- 二氯 -1， 2- 二氟乙烷 /C2H2F2Cl2/l 842-05-3 ； R-132bB2/1， 2- 二溴 -1， 1- 二氟乙烷 /C2H2Br2F2/75-82-1 ； R-133/1- 氯 -1， 2， 2- 三氟乙烷 /C2H2F3Cl/431-07-2 ； R-133a/1- 氯 -2， 2， 2- 三氟乙烷 /C2H2F3Cl/75-88-7 ； R-133b/1- 氯 -1， 1， 2- 三氟乙烷 /C2H2F3Cl/421-04-5 ； R-134/1， 1， 2， 2- 四氟乙烷 /C2H2F4/359-35-3 ； R-134a/1， 1， 1， 2- 四氟乙烷 /C2H2F4/811-97-2 ； R-E134/ 双 ( 二氟甲基 ) 醚 /C2H2F4O/l 691-17-4 ； R-140/1， 1， 2- 三氯乙烷 /C2H3Cl3/79-00-5 ； R-140a/1， 1， 1- 三氯乙烷 /C2H3Cl3/71-55-6 ； R-141/1， 2- 二氯 -1- 氟乙烷 /C2H3FCl2/430-57-9 ； R-141B2/1， 2- 二溴 -1- 氟乙烷 /C2H3Br2F/358-97-4 ； R-141a/1， 1- 二氯 -2- 氟乙烷 /C2H3FCl2/430-53-5 ； R-141b/1， 1- 二氯 -1- 氟乙烷 /C2H3FCl2/1717-00-6 ； R-142/Chloro 二氟乙烷 /C2H3F2Cl/25497-29-4 ； R-142a/1- 氯 -1， 2- 二氟乙烷 /C2H3F2Cl/25497-29-4 ； R-142b/1- 氯 -1， 1- 二氟乙烷 /C2H3F2Cl/75-68-3 ； R-143/1， 1， 2- 三氟乙烷 /C2H3F3/430-66-0300 ； R-143a/1， 1， 1- 三氟乙烷 /C2H3F3/420-46-23,800 ； R-143m/ 甲基三氟甲基醚 /C2H3F3O/421-14-7 ； R-E143a/2， 2， 2- 三氟乙基甲基醚 /C3H5F3O/460-43-5 ； R-150/1， 2- 二氯乙烷 /C2H4Cl2/l 07-06-2 ； R-150a/1， 1- 二氯乙烷 /C2H4Cl2/75-34-3 ； R-151/ 氯氟乙烷 /C2H4ClF/110587-14-9 ； R-151a/1- 氯 -1- 氟乙烷 /C2H4ClF/l 615-75-4 ； R-152/1， 2- 二氟乙烷 /C2H4F2/624-72-6 ； R-152a/1， 1- 二氟乙烷 /C2H4F2/75-37-6 ； R-160/ 氯乙烷 /C2H5Cl/75-00-3 ；R-161/ 氟乙烷 /C2H5F/353-36-6 ； R-170/ 乙烷 /C2H6/74-84-0 ； R-211/1， 1， 1， 2， 2， 3， 3- 七氯 -3- 氟丙烷 /C3FCl7/422-78-6 ； R-212/ 六氯二氟丙烷 /C3F2Cl6/76546-99-3 ； R-213/1， 1， 1， 3， 3- 五氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3F3Cl5/2354-06-5 ； R-214/1， 2， 2， 3- 四氯 -1， 1， 3， 3- 四氟丙烷 /C3F4Cl4/2268-46-4 ； R-215/1， 1， 1- 三氯 -2， 2， 3， 3， 3- 五氟丙烷 /C3F5Cl3/4259-43-2 ； R-216/1， 2- 二氯 -1， 1， 2， 3， 3， 3- 六氟丙烷 /C3F6Cl2/661-97-2 ； R-216ca/1， 3- 二氯 -1， 1， 2， 2， 3， 3- 六氟丙烷 /C3F6Cl2/662-01-1 ； R-217/1- 氯 -1， 1， 2， 2， 3， 3， 3- 七氟丙烷 /C3F7Cl/422-86-6 ； R-217ba/2- 氯 -1， 1， 1， 2， 3， 3， 3- 七氟丙烷 /C3F7Cl/76-18-6 ； R-218/ 八氟丙烷 /C3F8/76-19-7 ； R-221/1， 1， 1， 2， 2， 3- 六氯 -3- 氟丙烷 /C3HFCl6/422-26-4 ； R-222/ 五氯二氟丙烷 /C3HF2Cl5/134237-36-8 ； R-222c/1， 1， 1， 3， 3- 五氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3HF2Cl5/422-49-1 ； R-223/ 四氯三氟丙烷 /C3HF3Cl4/134237-37-9 ； R-223ca/1， 1， 3， 3- 四氯 -1， 2， 2- 三氟丙烷 /C3HF3Cl4/422-52-6 ； R-223cb/1， 1， 1， 3- 四氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3HF3Cl4/422-50-4 ； R-224/ 三氯四氟丙烷 /C3HF4Cl3/134237-38-0 ； R-224ca/1， 3， 3- 三氯 -1， 1， 2， 2- 四氟丙烷 /C3HF4Cl3/422-54-8 ； R-224cb/1， 1， 3- 三氯 -1， 2， 2， 3- 四氟丙烷 /C3HF4Cl3/422-53-7 ； R-224cc/1， 1， 1- 三氯 -2， 2， 3， 3- 四氟丙烷 /C3HF4Cl3/422-51-5 ； R-225/ 二氯五氟丙烷 /C3HF5Cl2/127564-92-5 ； R-225aa/2， 2- 二氯 -1， 1， 1， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/128903-21-9 ； R-225ba/2， 3- 二氯 -1， 1， 1， 2， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/422-48-0 ； R-225bb/1， 2- 二氯 -1， 1， 2， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/422-44-6 ； R-225ca/3， 3- 二氯 -1， 1， 1， 2， 2- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/422-56-0 ； R-225cb/1， 3- 二氯 -1， 1， 2， 2， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/507-55-1 ； R-225cc/1， 1- 二氯 -1， 2， 2， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/13474-88-9 ； R-225da/1， 2- 二氯 -1， 1， 3， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/431-86-7 ； R-225ea/1， 3- 二氯 -1， 1， 2， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/136013-79-1 ； R-225eb/1， 1- 二氯 -1， 2， 3， 3， 3- 五氟丙烷 /C3HF5Cl2/l11512-56-2 ； R-226/ 氯六氟丙烷 /C3HF6Cl/134308-72-8 ； R-226ba/2- 氯 -1， 1， 1， 2， 3， 3- 六氟丙烷 /C3HF6Cl/51346-64-6 ； R-226ca/3- 氯 -1， 1， 1， 2， 2， 3- 六氟丙烷 /C3HF6Cl/422-57-1 ； R-226cb/1- 氯 -1， 1， 2， 2， 3， 3- 六氟丙烷 /C3HF6Cl/422-55-9 ； R-226da/2- 氯 -1， 1， 1， 3， 3， 3- 六氟丙烷 /C3HF6Cl/431-87-8 ； R-226ea/1- 氯 -1， 1， 2， 3， 3， 3- 六氟丙烷 /C3HF6Cl/359-58-0 ； R-227ca/1， 1， 2， 2， 3， 3， 3- 七氟丙烷 /C3HF7/2252-84-8 ；R-227ca2/ 三氟甲基 1， 1， 2， 2- 四氟乙基醚 /C3HF7O/2356-61-8 ； R-227ea/1， 1， 1， 2， 3， 3， 3- 七氟丙烷 /C3HF7/431-89-0 ； R-227me/ 三氟甲基 1， 2， 2， 2- 四氟乙基醚 /C3HF7O/2356-62-9 ； R-231/ 五氯氟丙烷 /C3H2FCl5/134190-48-0 ； R-232/ 四氯二氟丙烷 /C3H2F2Cl4/l 34237-39-1 ； R-232ca/1， 1， 3， 3- 四氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3H2F2Cl4/l 112-14-7 ； R-232cb/1， 1， 1， 3- 四氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3H2F2Cl4/677-54-3 ； R-233/ 三氯三氟丙烷 /C3H2F3Cl3/134237-40-4 ； R-233ca/1， 1， 3- 三氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H2F3Cl3/131221-36-8 ； R-233cb/1， 1， 3- 三氯 -1， 2， 2- 三氟丙烷 /C3H2F3Cl3/421-99-8 ； R-233cc/1， 1， 1- 三氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H2F3Cl3/131211-71-7 ； R-234/ 二氯四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/127564-83-4 ； R-234aa/2， 2- 二氯 -1， 1， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/17705-30-5 ； R-234ab/2， 2- 二氯 -1， 1， 1， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/149329-24-8 ； R-234ba/1， 2- 二氯 -1， 2， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/425-94-5 ； R-234bb/2， 3- 二氯 -1， 1， 1， 2- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/149329-25-9 ； R-234bc/1， 2- 二氯 -1， 1， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/149329-26-0 ； R-234ca/1， 3- 二氯 -1， 2， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/70341-81-0 ； R-234cb/1， 1- 二氯 -2， 2， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/4071-01-6 ； R-234cc/1， 3- 二氯 -1， 1， 2， 2- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/422-00-5 ； R-234cd/1， 1- 二氯 -1， 2， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/70192-63-1 ； R-234da/2， 3- 二氯 -1， 1， 1， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/146916-90-7 ； R-234fa/1， 3- 二氯 -1， 1， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/76140-39-1 ； R-234fb/1， 1- 二氯 -1， 3， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H2F4Cl2/64712-27-2 ； R-235/ 氯五氟丙烷 /C3H2F5Cl/l 34237-41-5 ； R-235ca/1- 氯 -1， 2， 2， 3， 3- 五氟丙烷 /C3H2F5Cl/28103-66-4 ； R-235cb/3- 氯 -l， 1， 1， 2， 3- 五氟丙烷 /C3H2F5Cl/422-02-6 ； R-235cc/1- 氯 -1， 1， 2， 2， 3- 五氟丙烷 /C3H2F5Cl/679-99-2 ； R-235da/2- 氯 -1， 1， 1， 3， 3- 五氟丙烷 /C3H2F5Cl/134251-06-2 ； R-235fa/1- 氯 -1， 1， 3， 3， 3- 五氟丙烷 /C3H2F5Cl/677-55-4 ； R-236cb/1， 1， 1， 2， 2， 3- 六氟丙烷 /C3H2F6/677-56-5 ； R-236ea/1， 1， 1， 2， 3， 3- 六氟丙烷 /C3H2F6/431-63-0 ； R-236fa/1， 1， 1， 3， 3， 3- 六氟丙烷 /C3H2F6/690-39-1 ； R-236me/1， 2， 2， 2- 四氟乙基二氟甲基醚 /C3H2F6O/57041-67-5 ； R-FE-36/ 六氟丙烷 /C3H2F6/359-58-0 ； R-241/ 四氯氟丙烷 /C3H3FCl4/134190-49-1 ； R-242/ 三氯二氟丙烷 /C3H3F2Cl3/134237-42-6 ； R-243/ 二氯三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/134237-43-7 ； R-243ca/1， 3- 二氯 -1， 2， 2- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/67406-68-2 ；R-243cb/1， 1- 二氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/70192-70-0 ； R-243cc/1， 1- 二氯 -1， 2， 2- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/7125-99-7 ； R-243da/2， 3- 二氯 -1， 1， 1- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/338-75-0 ； R-243ea/1， 3- 二氯 -1， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/151771-08-3 ； R-243ec/1， 3- 二氯 -1， 1， 2- 三氟丙烷 /C3H3F3Cl2/149329-27-1 ； R-244/ 氯四氟丙烷 /C3H3F4Cl/l 34190-50-4 ； R-244ba/2- 氯 -1， 2， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl ； R-244bb/2- 氯 -1， 1， 1， 2- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/421-73-8 ； R-244ca/3- 氯 -1， 1， 2， 2- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/679-85-6 ； R-244cb/1- 氯 -1， 2， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/67406-66-0 ； R-244cc/1- 氯 -1， 1， 2， 2- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/421-75-0 ； R-244da/2- 氯 -1， 1， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/19041-02-2 ； R-244db/2- 氯 -1， 1， 1， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/l 17970-90-8 ； R-244ea/3- 氯 -1， 1， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl ； R-244eb/3- 氯 -1， 1， 1， 2- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl ； R-244ec/1- 氯 -1， 1， 2， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl ； R-244fa/3- 氯 -1， 1， 1， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl ； R-244fb/1- 氯 -1， 1， 3， 3- 四氟丙烷 /C3H3F4Cl/2730-64-5 ； R-245ca/1， 1， 2， 2， 3- 五氟丙烷 /C3H3F5/679-86-7560 ； R-245cb/ 五氟丙烷 /C3H3F5/l 814-88-6 ； R-245ea/1， 1， 2， 3， 3- 五氟丙烷 /C3H3F5/24270-66-4 ； R-245eb/1， 1， 1， 2， 3- 五氟丙烷 /C3H3F5/431-31-2 ； R-245fa/1， 1， 1， 3， 3- 五氟丙烷 /C3H3F5/460-73-1 ； R-245mc/ 甲基五氟乙基醚 /C3H3F5O/22410-44-2 ； R-245mf/ 二氟甲基 l2， 2， 2- 三氟乙基醚 /C3H3F5O/l 885-48-9 ； R-245qc/ 二氟甲基 l1， 1， 2- 三氟乙基醚 /C3H3F5O/69948-24-9 ； R-251/ 三氯氟丙烷 /C3H4FCl3/134190-51-5 ； R-252/ 二氯二氟丙烷 /C3H4F2Cl2/l 34190-52-6 ； R-252ca/1， 3- 二氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3H4F2Cl2/l 112-36-3 ； R-252cb/1， 1- 二氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3H4F2Cl2/l 112-01-2 ； R-252dc/1， 2- 二氯 -1， 1- 二氟丙烷 /C3H4F2Cl2 ； R-252ec/1， 1- 二氯 -1， 2- 二氟丙烷 /C3H4F2Cl2 ； R-253/ 氯三氟丙烷 /C3H4F3Cl 134237-44-8 ； R-253ba/2- 氯 -1， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-253bb/2- 氯 -1， 1， 2- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-253ca/1- 氯 -2， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl/56758-54-4 ； R-253cb/1- 氯 -1， 2， 2- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl/70192-76-6 ； R-253ea/3- 氯 -1， 1， 2- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-253eb/1- 氯 -1， 2， 3- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ；R-253ec/1- 氯 -1， 1， 2- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-253fa/3- 氯 -1， 3， 3- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-253fb/3- 氯 -1， 1， 1- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl/460-35-5 ； R-253fc/1- 氯 -1， 1， 3- 三氟丙烷 /C3H4F3Cl ； R-254cb/1， 1， 2， 2- 四氟丙烷 /C3H4F4/40723-63-5 ； R-254pc/ 甲基 1， 1， 2， 2- 四氟乙基醚 /C3H4F4O/425-88-7 ； R-261/ 二氯氟丙烷 /CSHSFCl2/l34237-45-9 ； R-261ba/1， 2- 二氯 -2- 氟丙烷 /C3H5FCl2/420-97-3 ； R-262/ 氯二氟丙烷 /C3H5F2Cl/l34190-53-7 ； R-262ca/1- 氯 -2， 2- 二氟丙烷 /C3H5F2Cl/420-99-5 ； R-262fa/3- 氯 -1， 1- 二氟丙烷 /C3H5F2Cl ； R-262fb/1- 氯 -1， 3- 二氟丙烷 /C3H5F2Cl ； R-263/ 三氟丙烷 /C3H5F3 ； R-271/ 氯氟丙烷 /C3H6FCyi 34190-54-8 ； R-271b/2- 氯 -2- 氟丙烷 /C3H6FCl/420-44-0 ； R-271d/2- 氯 -1- 氟丙烷 /C3H6FCl ； R-271fb/1- 氯 -1- 氟丙烷 /C3H6FCl ； R-272/ 二氟丙烷 /C3H6F2 ； R-281/ 氟丙烷 /C3H7F ； R-290/ 丙烷 /C3H8/74-98-6 ； R-C316/ 二氯六氟环丁烷 /C4Cl2F6/356-18-3 ； R-C317/ 氯七氟环丁烷 /C4ClF7/377-41-3 ； R-C318/ 八氟环丁烷 /C4F8/115-25-3 ； R-3-1-10/ 全氟丁烷 /C4F10 ； R-329ccb/375-17-7 ； R-338eea/75995-72-1 ； R-347ccd/662-00-0 ； R-347mcc/ 全氟丙基甲基醚 /C4H3F7O/375-03-1 ； R-347mmy/ 七氟异丙基甲基醚 /C4H3F7O/22052-84-2 ； R-356mcf/ R-356mffm/ R-365mfc/1， 1， 1， 3， 3- 五氟丁烷 /C4H5F5 FC-72/ 全氟己烷 /C6F14355-42-0 R-400 R-12/R-114(60/40wt％ ) 二元混合 R-401A R-22/R-152a/R-124(53/13/34) R-401B R-22/R-152a/R-124(61/11/28) R-401C R-22/R-152a/R-124(33/15/52) R-402A R-125/R-290/R-22(60/2/38) R-402B R-125/R-290/R-22(38/2/60)R-403A R-290/R-22/R-218(5/75/20)

    [1660] R-403B R-290/R-22/R-218(5/56/39)

    [1661] R-404A R-125/R-143a/R-134a(44/52/4)

    [1662] R-405A R-22/R-152a/R-142b/R-C318(45/7/5.5/42.5)

    [1663] R-406A R-22/R-600a/R-142b(55/04/41)

    [1664] R-407A R-32/R-125/R-134a(20/40/40)

    [1665] R-407B R-32/R-125/R-134a(10/70/20)

    [1666] R.407C R-32/R-125/R-134a(23/25/52)

    [1667] R-407D R-32/R-125/R-134a(15/15/70)

    [1668] R-407E R-32/R-125/R-134a(25/15/60)

    [1669] R-408A R-125/R-143a/R-22(7/46/47)

    [1670] R-409A R-22/R-124/R-142b(60/25/15)

    [1671] R-409B R-22/R-124/R-142b(65/25/10)

    [1672] R-410A R-32/R-125(50/50)

    [1673] R-410B R-32/R-125(45/55)

    [1674] R-41IA R-1270/R-22/R-152a(1.5/87.5/11)

    [1675] R-41IB R-1270/R-22/R-152a(3/94/3)

    [1676] R-412A R-22/R-218/R-142b(70/5/25)

    [1677] R-413A R-218/R-134a/R-600a(9/88/3)

    [1678] R.414A R-22/R-124/R-600a/R-142b (51/28.5/4.0/16.5) R-414BR-22/R-124/R-600a/R-142b(50/39/1.5/9.5)

    [1679] R-415A R-22/R-152a(82/18)

    [1680] R-415B R-22/R-152a(25/75)

    [1681] R-416A R-134a/R-124/R-600(59/39.5/1.5)

    [1682] R-417A R-125/R-134a/R-600(46.6/50.0/3.4)

    [1683] R-418A R-290/R-22/R-152a(1.5/96/2.5)

    [1684] R-419A R-125/R-134a/R-E170(77/19/4)

    [1685] R-420A R-134a/R-142b(88/12)

    [1686] R-421A R-125/R-134a(58/42)

    [1687] R-421B R-125/R-134a(85/15)

    [1688] R-422A R-125/R-134a/R-600a(85.1/11.5/3.4)

    [1689] R-422B R-125/R-134a/R-600a(55/42/3)

    [1690] R-422C R-125/R-134a/R-600a(82/15/3)

    [1691] R-422D R-125/R-134a/R-600a(65.1/31.5/3.4)

    [1692] R-423A R-134a/R-227ea(52.5/47.5)

    [1693] R-424A R-125/R-134a/R-600a/R-600/R-601a(50.5/47/.9/1/.6)

    [1694] R-425A R-32/R-134a/R-227ea(18.5/69.5/12)

    [1695] R-426A R-125/R-134a/R-600/R-601a(5.1/93/1.3/.6)

    [1696] R-427A R-32/R-125/R-143a/R-134a(15/25/10/50)R-428A R-125/R-143a/R-290/R-600a(77.5/20/.6/1.9) R-500 R-12/ R-152a(73.8/26.2)

    [1698] R-501 R-22/R-12(75/25)

    [1699] R-502 R-22/R-115(48.8/51.2)

    [1700] R-503 R-23/R-13(40.1/59.9)

    [1701] R-504 R-32/R-115(48.2/51.8)

    [1702] R-505 R-12/R-31(78/22)

    [1703] R-506 R-31/R-114(55.1/44.9)

    [1704] R-507 R-125/R-143a(50/50)

    [1705] R-508A R-23/R-116(39/61)

    [1706] R-508B R-23/R-116(46/54)

    [1707] R-509A R-22/R-218(44/56)

    [1708] 在本发明的某些实施例中， 一种或多种上述气体的混合物可以经受压缩、 膨胀或 者压缩和膨胀。这种气体混合物的一个例子是通常用于燃烧的天然气。

    [1709] 根据本发明的某些实施例， 用于做有用功的能量可以通过流经网络的压缩气体 ( 诸如天然气 ) 的膨胀来复原。例如， 传统的 “城市供气计量站 (citygate)” 或者其它被动 调压器使得气体能够从较高压强向较低压强自由地膨胀。所产生的低压气体具有更高的 熵， 意味着能从它得到的功更少。

    [1710] 在某些应用中， 可能需要最小化在气体中获得的功的损失。这种应用的一个例子 发生在经由城市供气计量站系统膨胀到城市压强 (city pressure) 的天然气管道中的气体 膨胀期间。

    [1711] 因此， 本发明的实施例可以包括主动调节器， 在该主动调节器中， 气体在其膨胀时 相对于活塞或其它可移动部件做机械功。该机械功可以用于操作发电机发电、 或者驱动其 它的一些机械系统。

    [1712] 因此， 图 136 中公开的主动调节器 13600 利用膨胀气体的压强来驱动活塞 13602， 而不是使气体自由膨胀。反之， 可以利用所述活塞的这种移动以提供有用功。例如， 在图 136 的实施例中， 所述活塞转动曲柄轴 13604 以操作发电机 13606， 从而发电。

    [1713] 为了最大化所述过程的效率并且防止在膨胀期间气体中的任何水分冻结， 在膨胀 期间将与气体共存的液体通过喷雾器 13607 喷到汽缸 13608 中。如上所述， 该液体将热量 传递到汽缸中， 控制膨胀过程的温度， 例如， 使该温度接近恒定。

    [1714] 膨胀的气液混合物经由阀门 13610 从汽缸中排出并且通过气液分离器 13612。在 被再次喷到汽缸中之前， 所述液体被泵 13613 抽吸， 经过热交换器 13614 恢复到接近环境 温。

    [1715] 刚刚描述的具体实施例在单个级中进行压缩或膨胀。然而， 根据本发明的替换实 施例可以采用顺序排列的一个以上的压缩和 / 或膨胀级。

    [1716] 例如， 当需要高于能利用机械或液压途径顺利地调节的压缩 / 膨胀率时， 则可以 采用多级式， 通过所述机械或液压途径， 机械功率转换到所述系统或通过所述系统转换出 机械功率。

    [1717] 图 53A 表示具有三级 ( 即， 第一级 5324a、 第二级 5324b 和第三级 5324c) 的用于压缩存储在罐 5332 中的空气的多级系统 5320 的实施例的高度简化图。类似地也可以构建具 有更多或更少级的系统。 如图 53A 所示的系统 5320， 在多级实施例中， 一个压缩级的输出流 到用于进一步压缩的下一个压缩级的入口， 诸如此类， 直到达到最终所需的存储压强。 以这 种方式， 气体可以经过几级压缩达到仅仅利用一级压缩难以实现的最终压强。

    [1718] 图 53B 表示根据本发明的多级专用压缩机装置 5300 的一个实施例的视图。具体 地， 图 53B 示出包括第一级 5302、 第二级 5304 和存储单元 5332 的系统 5300。第一级 5302 包括通过压缩腔模块 C01 与分离器模块 B1 通流体的入口模块 A0。第一级 5302 通过空气过 滤器 5350 接收用于压缩的空气。

    [1719] 第一级 5302 进而与包括入口模块 A1 的第二级 5304 通流体， 该入口模块 A1 通过压 缩模块 C12 与分离器模块 B2 通流体。第二级 5304 进而与存储单元 5332 通流体。

    [1720] 图 53BA、 图 53BB 和图 53BC 示出了图 53B 的多级压缩装置的不同组件模块的简化 图。具体地， 入口模块 Ax 包括通过导管 5312 与脉动阻尼瓶 5314 通流体的进气口 5306， 脉 动阻尼瓶 5314 与出口 5315 通流体。

    [1721] 图 53BB 中示出了分离器模块 By。分离器模块包括与液气分离器 5332 通流体的入 口 5330。由分离器分离出的液体流到储液器 5334。来自所述分离器的气体被配置为流到 所述分离器模块的出口 5336。

    [1722] 泵 5338 被构造为使液体从该储液器经液体阀门 5341 流到液体出口 5340。 液体阀 门 5341 用于控制液体从所述分离器模块流出到所述压缩模块的喷雾器结构。该液流阀门 的驱动可以用于将泵和储液器隔离以避免产生当所述腔内没有液体注入时发生的压强波 动。在某些实施例中， 所述液流导管可以与蓄能器结构 (accumulator structure) 连通， 以 阻尼压强改变。

    [1723] 图 53BC 中示出了压缩模块 Cxy。前面已经详细描述了压缩模块的一个实施例的架 构。具体地， 所述压缩模块包括与入口 5352 通流体并且通过阀门 5356a 和 5356b 与汽缸 5354 通流体的导管 5350。导管 5358 通过阀门 5357a 和 5357b 与汽缸 5354 通流体， 并且与 出口 5359 通流体。

    [1724] 双作用活塞 5355 被布置在汽缸 5354 中。双作用活塞与能量源 ( 未示出 ) 连通， 并且双作用活塞的动作用于压缩所述汽缸内存在的气体。 这种压缩在前面已经概括地示出 并描述。

    [1725] 喷雾器 5343 与所述汽缸通流体以便将液体引入汽缸。喷雾器 5343 从所述分离器 模块的液体出口接收液体。 在某些实施例中， 可以最小化液流阀门与喷雾器之间的距离， 从 而减小释气的几率。

    [1726] 在多级专用压缩机装置 5300 的第一级 5302 中， 分离器模块 B1 的液体出口通过第 一热交换器 H.E.01 与压缩模块 C01 通流体。在多级专用压缩机装置 5300 的第二级 5304 中， 分离器模块 B2 的液体出口通过第二热交换器 H.E.12 与压缩模块 C12 的液体入口通流体。

    [1727] 图 53B 的实施例因而可以利用级产生的压差， 来促进液体的注入。具体地， 图 53B 的实施例使分离出的液体流回具有先前低压级的压强减小的气流中。 这样减小了液体注入 所需的力， 因而减小了泵使液体流动而消耗能量。

    [1728] 根据本发明的专用多级压缩机装置不限于图 53B 所示的特定实施例。具体地， 尽 管图 53B 的实施例示出了在单个级中分离出的液体可回收用于再注入到气流的装置， 但这不是本发明必需的。

    [1729] 图 53C 示出了根据本发明的专用多级压缩机装置的替换实施例。在根据该实施例 的系统 5360 中， 注入到第一级的压缩腔 5362 的液体随后被分离器 5364 去除， 然后流动用 以再注入到下一级的压缩腔 5366 中。这种构造导致最终分离出的液体在罐 5368 中的聚 积。图 53C 的实施例可以提供的益处在于， 所压缩的气体的能量被保存， 而没有被用于再注 入到同一级的压缩腔中的流动液体所消耗。

    [1730] 尽管图 53A-C 示出了经过多个级进行压缩， 但本发明的实施例不限于这种方法。 根据本发明的替换实施例也可以经过多个级进行膨胀， 利用一个膨胀级的输出流到用于进 一步膨胀的下一个膨胀级的入口， 诸如此类， 直到已经从所压缩气体复原了一定量的能量。 以这种方式， 可以以仅仅在一个级中利用膨胀难以获得的方式来从经过几个级膨胀的气体 中复原能量。

    [1731] 图 54 表示根据本发明的多级专用膨胀机的一个实施例的详细图。具体地， 图 54 示出了包括存储单元 5432、 第一级 5462 和第二级 5464 的装置 5460。第一级 5462 包括通 过膨胀模块 E34 与分离器模块 B4 通流体的入口模块 A3。第一级 5462 从存储单元 5432 接收 用于压缩的空气。

    [1732] 第一级 5462 进而与第二级 5464 通流体。第二级 5464 包括通过膨胀模块 E23 与分 离器模块 B3 通流体的入口模块 A2。第二级 5464 进而与出口 5457 通流体。

    [1733] 多级专用膨胀机 5460 的某些不同组件模块也可以如上面的图 53BA、 图 53BB 表示。 专用膨胀装置 5460 还包括图 54A 中所示的膨胀模块 Exy。

    [1734] 前面已经描述了这种膨胀模块的一个实施例的架构和操作。具体地， 所述膨胀模 块包括与入口 5459 通流体并且通过阀门 5467a 和 5467b 与汽缸 5454 通流体的导管 5458。 导管 5450 通过阀门 5466a 和 5466b 与汽缸 5454 通流体， 并且与出口 5452 通流体。

    [1735] 双作用活塞 5455 被布置在汽缸 5354 中。双作用活塞与例如发电机的用于将机械 能转换为能量的装置 ( 未示出 ) 连通。所述汽缸内的空气膨胀用于驱动所述活塞的动作。 这种膨胀在前面已经概括地示出并描述。

    [1736] 在多级专用膨胀机装置 5460 的第一级 5462 中， 分离器模块 B4 的液体出口通过第 一热交换器 H.E.43 与膨胀模块 E34 的腔通流体。 在多级专用膨胀机装置 5460 的第二级 5464 中， 分离器模块 B3 的液体出口通过第二热交换器 H.E.32 与膨胀模块 E23 的腔通流体。

    [1737] 根据本发明的专用多级膨胀机装置不限于图 54 所示的特定实施例。具体地， 尽管 图 54 的实施例示出了在单个级中分离出的液体可回收用于再注入到气流的装置， 但这不 是本发明必需的。

    [1738] 图 55 示出了根据本发明的专用多级膨胀机装置的替换实施例。在根据该实施例 的系统 5500 中， 注入到第一级的膨胀腔 5502 的液体随后被分离器 5504 去除， 然后流动用 以再注入到下一级的膨胀腔 5506 中。这种构造导致分离器 5507 使最终分离出的液体在罐 5508 中的聚积。

    [1739] 图 55 的实施例不需要液体克服压差被注入。在图 54A 的特定实施例中， 所分离的 液体流回到具有先前的高压级的升高的压强的进气流。相比之下， 图 55 的实施例使所分离 的液体注入进入下一级的膨胀气体中， 减少了泵在使液体流动中所消耗的能量。

    [1740] 尽管到目前为止已经描述的多级装置的实施例不是专用于压缩就是专用于膨胀，但是根据本发明的替换实施例也可以既进行压缩也进行膨胀。图 56 示出了这种压缩和膨 胀都允许的两级装置的一个实施例的简化示意图。

    [1741] 具体地， 图 56 的实施例结合了一些设计特点以制造能够既进行压缩也进行膨胀 的系统。系统 5600 的一个特征是通过三通阀 5604 来连接系统的某些部件。图 56 将三通 阀的构造描绘为压缩模式中的实线和膨胀模式中的虚线。

    [1742] 系统 5600 的一个特征是使用同一个蓄液器 5605 来容纳在压缩模式和膨胀模式中 都用于引入的液体。具体地， 在压缩过程中， 利用蓄液器 5605 将液体注入通过前一级压缩 已经处于高压的气体中。在膨胀过程中， 利用蓄液器 5605 将气体注入在第一级的高压气体 中。在具有通用于压缩和膨胀的混合腔的多级装置中， 流到那些混合腔中的进入气体的压 强大致相同， 以便实现所需的气液混合。

    [1743] 系统 5600 的又一特征是使用在一个或多个维度 ( 这里， 沿维度 d) 拉长的脉动阻 尼瓶 5606。 脉动阻尼瓶 5606 的拉长的形状使得该瓶与相邻部件之间能建立多个连接， 同时 使得用于与那边相邻部件通流体的导管保持为短的。 这个瓶子以与之前描述过的用于单级 实施例的所述瓶子基本相同的方式起到抑制脉动的作用。

    [1744] 图 56 是仅仅示意性地示出所拉长的脉动阻尼瓶的简化图， 并且不应当认为所拉 长的瓶子的形状限于这个或其它任何特定的外形。例如， 脉动阻尼瓶的替换实施例可以包 括一个或多个凸角或其它被拉长的特征。

    [1745] 在压缩模式下操作时， 在流到存储单元 5632 之前， 气体通过入口 5650 进入系统 5600， 并且经历液体注入和压缩这两个连续的级。分离出的液体聚积在罐 5635 中， 该罐 5635 可以是隔热的， 以便保存用于随后的再注入的热量， 从而在膨胀模式下实现近乎等温 膨胀。

    [1746] 具体地， 在膨胀模式下操作时， 在出口 5634 处流出系统之前， 来自存储单元 5632 的压缩气体经历液体注入和膨胀这两个连续的级。分离出的液体聚积在罐 5636 中， 并且可 以随后被再注入， 从而在压缩模式下实现近乎等温压缩。

    [1747] 在图 56 的系统的实施例中， 以与图 53C( 专用压缩机 ) 和图 55( 专用膨胀机 ) 的 实施例类似的方式， 所分离出的液体的经过不同级的流动导致在最终分离器的聚积。这些 实施例需要储液器更大， 以容纳产生的方向性的液体流。这些聚积的液体可以通过将系统 的操作模式倒转而流回它们最初的蓄液器。

    [1748] 图 57 是示出了根据本发明的实施例的多级装置的简化图， 该多级装置可配置为 既进行压缩也进行膨胀。具体地， 系统 5700 表示图 56 的实施例的变型， 包括某些分离器部 件与某些压缩 / 膨胀腔之间的额外的三通阀 5702 和额外的导管。图 57 再次将三通阀的构 造描绘为压缩模式中的实线和膨胀模式中的虚线。

    [1749] 尽管图 57 的实施例提供一些额外的阀门和导管的复杂性， 但它可以消除某些部 件。具体地， 应当注意压缩和膨胀不是同时发生， 因而图 57 的实施例的全部三个热交换器 和泵不需要同时使用。因此， 与图 56 的实施例的三个热交换器和三个泵相比， 系统 5700 仅 仅利用两个热交换器 (H.E.1 和 H.E.2) 和两个泵 (5704)。

    [1750] 此外， 图 57 的实施例将液体限制为在一个级内循环。因此， 液体的流动不会使液 体聚积在一个蓄液器中， 因此储液器不需要制造得象图 56 的实施例中的那么大。另外， 图 57 的实施例在实现经过多级的液体注入时不会使压缩空气的能量减少。先前的某些实施例已经描述了使用一个或多个泵来使液体流动用于引入到正在 经历压缩或膨胀的气体中。在某些实施例中， 一个或多个这样的泵可以通过压缩或膨胀腔 内存在的可移动部件 ( 诸如活塞 ) 来单独地进行驱动。例如， 所述泵可以由电力进行驱动， 该电力可以是或者可以不是由所述系统操作产生的。

    [1752] 先前所讨论的实施例已经表明采用泵使液体流动通过系统， 该泵可以是各种类 型， 包括非正排量泵， 诸如离心机、 隔膜或其它形式。 然而， 因为压缩腔或膨胀腔内的气压通 常会变化， 本发明的某些实施例可以得益于使用正排量泵来提供流到膨胀 / 压缩腔内的液 体。

    [1753] 因此， 图 85 示出了使用以活塞 8502 在充满液体的汽缸 8504 内可移动的方式的正 排量泵 8500 的实施例。液体经过阀门 8508 和导管 8506 流出汽缸 8504， 导管 8506 通向压 缩和 / 或膨胀腔 8510 内的喷雾器 8509。

    [1754] 图 85 的正排量泵可以提供具有所需特性的液体流动。具体地， 当活塞 8514 动作 时， 汽缸 8510 内的压强改变。如果喷嘴 8509 被供给固定压强的液体， 则跨过喷嘴的压差会 随着活塞冲程的过程而变化。

    [1755] 因此， 在某些时间， 所述压差可能会高于所需要的 ( 可能会浪费能量 )。而在其它 时候， 压差可能会过低 ( 使得喷雾无效因而降低压缩机的效率 )。然而， 通过用定量泵来驱 动喷嘴， 通过将泵控制为与压缩机活塞同步， 可以使压差在整个冲程内保持为所需的值。

    [1756] 在压缩过程中， 活塞 8514 和 8502 相互同相地动作是有益的。在膨胀过程中， 所述 活塞以 180°相差移动是有利的。 在其它实施例中， 其它的相位角可以是适当的。 其它实施 例可以利用泵与压缩机 / 膨胀机部件的异步动作而获得益处。

    [1757] 除了在压缩 / 膨胀汽缸内压强改变时提供更均匀的液体流动之外， 图 85 的特定实 施例可以高效地利用可用能量。具体地， 由于液体泵 8500 的活塞 8502 由与压缩 / 膨胀汽 缸的活塞 8514 相同的物理联动装置 8512( 这里是曲柄轴 ) 驱动， 能量不会从第二源消耗， 压缩 / 膨胀的初始能量也不需要转换为其它形式以便驱动液体的流动。

    [1758] 尽管图 85 的特定实施例示出了液体从以活塞泵形式的正排量泵流到腔， 但这不 是本发明必需的。某些实施例可以采用其它形式的正排量泵来使液体流动， 包括但不限于 蠕动泵、 腔式泵、 齿轮泵或罗茨泵 (roots-type pump)。

    [1759] 根据本发明的系统的某些实施例可以利用多个液体泵。例如， 图 86 示出了包括与 正排量多级水泵通流体的非正排量 ( 离心机 ) 输送泵的压缩系统的实施例。如图所示， 液 体从输送泵到多级水泵的流动利用输送泵周围的比例积分微分 (Proportional-IntegralDerivative， PID) 回路。PID 回路被构造为保持进入多级水泵的目标压强 ( 或诸如流速的 其它参数 )。

    [1760] 尽管本发明的某些实施例可以采用泵来使液体流过整个系统， 但在其它实施例 中， 可以不需要单独的液体泵结构。例如， 图 87 示出了液体利用压缩或膨胀腔内的压强流 动的实施例。

    [1761] 具体地， 在图 87 中， 液体从蓄液器 8700 流入多级系统 8708 的级 8706 的腔 8704 的喷雾器 8702。蓄液器 8700 包括含有气体的液面上空间 8710， 该气体的压强提供使液体 流到喷雾器的力。

    [1762] 详细地， 液面上空间 8710 通过液流阀门网络 8714 选择性地与其它级 8712 的腔通气体。液流阀门网络 8714 基于通过控制器接收的输入被精确地驱动。

    [1763] 在当另一级的气压足够强以使得液体从所述蓄液器流入腔 8704 中的时刻， 液流 阀门网络 8714 被操纵以使得液面上空间 8712 与其它级之间通气体。对液流阀门网络的精 确控制可以允许传送仅仅使液体流动所需的压强的量， 由此保存系统内的全部能量。

    [1764] 在某些实施例中， 通过可移动部件自身可以执行一个或多个气流阀门或液流阀门 的功能。例如， 被动端口阀门常规地用于两冲程内燃机。这些端口控制空气燃料混合物从 曲轴箱到发生燃烧的汽缸的传输， 以及燃烧气体从汽缸的排出。

    [1765] 图 84 示出的实施例中活塞 8400 的垂直动作可以选择性地阻挡到腔 8404 的端口 8402( 这里是到压缩腔的气流进入口 )， 由此高效地用作进气阀。在常规的两冲程电机的设 计中已经采用了这种构造。

    [1766] 通过消除对一些阀门结构的需要， 这样的实施例可以简化所述装置的设计， 潜在 地降低成本和维护。避免需要某些阀门的实施例也可以有助于将液体， 例如作为在上游混 合腔中产生的液滴， 引入腔中。具体地， 消除若干部件 ( 诸如阀门座、 阀门板 )( 若不删除这 些部件提供液滴可能聚集的表面 ) 可以最终提高在压缩 / 膨胀过程中引入进行热交换的液 体的质量 ( 容积、 速率、 液滴尺寸均匀性、 液滴数量等 )。

    [1767] 尽管图 84 的实施例示出了活塞的动作用于控制气体流入用于压缩的腔中， 但本 发明不限于该特定构造。其它实施例可以采用活塞的动作控制液体流入腔 / 从腔中流出， 和 / 或控制进入或从发生膨胀或压缩的腔中排出的气体的流动。

    [1768] 此外， 尽管图 84 的特定实施例显示了具有对称形状的活塞和腔， 但这不是本发明 必需的。 在替换实施例中， 活塞和汽缸表面可以形成为允许原料的流动， 同时实现诸如最小 化死区和 / 或调节汽缸内其它阀门的驱动等目标。

    [1769] 本发明利用端口阀门的实施例相比其它类型的阀门 ( 诸如板阀和提升阀 ) 可以呈 现出一个或多个可能的好处。一个可能的好处是， 除了移动构件自身， 端口阀门没有活动 件， 因此比较便宜并且更可靠。利用端口阀门的系统的另一个可能的好处是端口阀门开度 可以很大， 允许高流速。

    [1770] 又一个可能的好处是， 气体可以穿过该端口阀门而不用必须快速转向或改变方 向。这种构造可以进一步提高流速。该构造还可以允许气液溶胶 ( 例如， 在上游混合腔中 已经产生的 ) 在障碍最小的情况下穿过， 由此更容易保持液滴夹带在气体中。

    [1771] 被动端口阀门不能离开活塞或其它可移动部件而单独地进行控制。 如果要离开可 移动部件单独地控制该端口阀门或多个端口阀门， 这也可以实现， 例如通过使用经第二联 动装置 ( 曲柄轴或其它机构 ) 控制的第二活塞 ( 或其它类型的可移动部件 )。

    [1772] 例如， 图 139 示出了系统 13900 的简化图， 系统 13900 包括活塞执行机构 13902 以 及在汽缸腔 13906 侧面的一个或多个的开口 13904， 汽缸腔 13906 与压缩 / 膨胀腔 13908 通 流体。 开口 13904 可以用于将气体 ( 或气体和液滴的混合物 ) 引入压缩 / 膨胀腔 13908 中。

    [1773] 活塞执行机构可以与负责气体压缩或膨胀的移动构件 13910( 例如， 活塞 ) 独立地 移动， 并以与移动构件 13910 的移动相反的方向移动。

    [1774] 在一些实施例中， 致动器活塞可以通过与同一曲柄轴相连的机械联动装置或驱动 可移动部件的其它机构进行操作。在这些实施例中， 致动器活塞和可移动部件同步移动并 且同时到达 TDC。在一些实施例中， 致动器活塞的时序不依赖于可移动部件的时序。这样可以允许 对压缩 / 膨胀率和其它系统参数进行控制。

    [1776] 一些利用被动端口阀门的实施例可以包括能够部分地挡住该端口的开口的可移 动滑动窗。这样使得穿过该端口的气体或气液混合物的流动可以控制。这种流动控制可以 进而使系统能量被 “调节” ， 就是说， 在操作过程中增大或减小。根据某些实施例， 通过由计 算机或机械控制的单独执行机构可以调节可移动滑动窗的活塞。

    [1777] 尽管根据本发明的某些实施例在多个级中利用液体用于注入， 但这不是必需的。 例如， 特定的多级实施例的一个或多个级可以完全不利用液体的引入。适用于这样的级中 的可移动部件除了之前描述过的之外还包括常规的涡轮机、 鼓风机和离心泵。

    [1778] 此外， 尽管某些多级装置的实施例可以利用多个级之间的相同液体的注入， 但这 不是本发明必需的， 并且某些实施例的特征是在不同级中流入不同的液体。在一些这样的 实施例中， 例如， 利用分离的、 专用气液分离器、 蓄液器和泵， 可以保持这些液体在多个级之 间完全不同。

    [1779] 然而， 根据替换实施例， 在不同的级中可以流入共有一种或多种成分的不同液体。 在这样的实施例中， 可以分离出液体中非共同成分， 使得公同成分在不同级之间循环。

    [1780] 例如， 在一些实施例中， 一个或多个膨胀级可以利用净水作为液体注入， 而其它膨 胀级利用水 - 丙二醇溶液作为液体注入。在这样的实施例中， 在使水在多个级之间流动之 前， 可以分离出丙二醇。

    [1781] 此外， 如上所述， 单级或多级装置的一些实施例可以被构造为使用相同的一个 ( 或多个 ) 腔用来进行压缩和膨胀。这样的装置的某些实施例可以根据特定的操作模式而 引入不同的液体。

    [1782] 根据本发明的某些实施例， 在一个级内和 / 或多个级之间， 在压缩和膨胀过程中 引入的这些不同的液体可以保持为分离的。并且在不同的液体共有共同成分时， 可以采用 液 - 液分离以使得液体成分在不同操作模式下在不同级之间或在同一级内循环。

    [1783] 本发明的利用从液体中分离成分的实施例可以在图 88 中概括地描绘为包括液体 流动和分离网络 8800， 用于接收来自分离器结构 8802 中从气体分离的液体。 液体流动和分 离网络 8800 可以包括选自导管、 阀门、 泵、 蓄液器、 热交换器、 蓄能器、 过滤器和分离器结构 中的多种部件， 这些部件以适当的组合布置。 在某些实施例中， 这种液体流动和分离网络可 以与图 87 中的上述液体流动阀门网络相结合。

    [1784] 在一些实施例中， 可以由压缩机或膨胀机的动作形成的压差而产生驱动液体流经 喷雾嘴或多个喷雾嘴进入汽缸中的动力。图 138 示出了这样的系统的实施例 13800 的简化 图。

    [1785] 在压缩的情形中， 经气液分离器 13802 从气液混合物中分离出的液体处于比进入 压缩腔的气体的压强更高的高压下。因此， 从喷雾嘴 13804 的一边到另一边存在压差。

    [1786] 在一些实施例中， 该压差足以克服经过喷嘴的压降。系统可以被设计为提供合适 的压差以使得要引入喷嘴的液体产生所需的喷雾。

    [1787] 在一些实施例中， 系统可以设计有变流量阀 13806 以提供合适的压差。系统的某 些实施例可以设计有系统组件和几何结构的适当的选择， 以实现合适的压差。

    [1788] 一旦开始膨胀， 从下一个更高压强的级流入的气液混合物的压强高于汽缸内的压强。由高压气体 13810 产生的该压差可以用于 ( 和以上描述的压缩情况一样 ) 驱动经气液 分离器从气体中分离出的液体通过喷雾嘴。

    [1789] 之前描述的一些实施例利用喷雾嘴结构在压缩或膨胀过程中将液体喷雾引入汽 缸中。然而这不是本发明必需的， 并且某些实施例可以利用其它类型的喷雾系统。

    [1790] 例如， 图 137 示出了一个这种装置 13700 的实施例的简化剖视图。具体地， 当活塞 靠近 BDC 时， 液体 13702 经液体入口 13708 和阀门 13710 被引入活塞 13704 的顶部与喷嘴 板 13706 之间的空间。

    [1791] 在压缩过程中， 当活塞被驱动从 BDC 朝向 TDC 动作时， 活塞推动液体空间使其紧压 着喷嘴板。将汽缸 13720 的顶部与喷嘴板连接的可压缩构件 13712( 例如弹簧 ) 产生的力 可以抵挡住喷嘴板的动作。

    [1792] 由汽缸和弹簧施加的压力之间的压力差驱动液体通过喷嘴板中的孔口 ( 孔口可 以限定比简单的开口更复杂的内部空间 )。这样在汽缸的上部产生了喷雾。

    [1793] 在膨胀过程中， 尽管方向相反， 但是动作相似。在膨胀冲程的开始弹簧在靠近 TDC 处被压缩。 由于弹簧扩展， 它推动喷嘴板向下进入液体空间， 驱动一部分液体穿过孔口以形 成喷雾。

    [1794] 本发明的实施例不需要将液体直接流入每级的压缩或膨胀腔中。 某些实施例可以 不采用液体直接注入或者仅在一些级中采用直接液体注入。 不采用液体直接注入的级可以 与通过分离的混合腔使气液混合物引入到压缩 / 膨胀腔的级相联结。

    [1795] 某些实施例可以利用一个或多个其中液体通过不同于喷雾的方式 ( 例如， 通过使 气体穿过液体发泡 ) 被引入到气体中的级。例如， 在某些实施例中， 一些 ( 通常是低压 ) 级 可能采用利用混合腔或直接注入的液雾技术， 而其它 ( 通常是高压 ) 级会采用通过发泡方 式的液体注入。

    [1796] 根据本发明的压缩气体存储系统的实施例不限于任何特定尺寸。在某些应用中， 使系统与特定的形状系数 ( 诸如， 标准船用集装箱 ) 相配是有用的。形状系数的另一个例 子是牵引式拖车装备的拖车的标准尺寸 / 重量， 它能够允许能量存储系统的实施例使用在 移动应用中。

    [1797] 在一些情况下， 系统能够由一个人来装配是有用的， 例如， 使系统由称重 501bs 或 更小的独立组件装配而成。在一些例子中， 希望将系统在一天内或更少时间安装。

    [1798] 本发明的具体实施例可以允许对一个或多个级的温度变化进行控制。 某些实施例 可以允许跨越多个级的气体的压缩 / 膨胀， 其中在每个级产生的气体温度变化基本相同。

    [1799] 在设计系统时， 设计者可以选择初始和最终气体温度， 并且随后迭代求解方程组， 以确定其它系统参数， 尤其是压缩率， 从而可以找到所需的 ΔT。

    [1800] 在操作系统时， 压缩或膨胀冲程过程中的温度变化可以是由系统设计者 ( 或操作 者 ) 选出的数。该温度变化可以表示以效率为代价的交换。ΔT 越高， 则功率越高， 而效率 越低。

    [1801] 根据一些实施例， 在不同级中的每一级不需要采用相同压缩或膨胀率的情况下， 可以实现这种在不同级中气体温度变化的基本相同。在一些实施例中， 可以动态地控制级 的压缩率或膨胀率， 例如， 基于负责将气体引入压缩和 / 或膨胀腔或从压缩和 / 或膨胀腔中 排出的阀门的驱动时序。图 58 示出了根据本发明的单级系统 5801 的一个实施例的简化方框图。图 58 示 出与进气口 5805 和压缩气体存储单元 5803 通流体的压缩机 / 膨胀机 5802。马达 / 发电机 5804 选择性地与压缩机 / 膨胀机 5802 连通。

    [1803] 在第一操作模式下， 能量以压缩气体 ( 例如空气 ) 的形式存储， 马达 / 发电机 5804 作为马达来工作。马达 / 发电机 5804 从外部源接收功率， 并且传递该功率 (Win) 以使得压 缩机 / 膨胀机 5802 用作压缩机。压缩机 / 膨胀机 5802 接收处于入口 (inlet) 压强 (Pin) 的未经压缩的气体， 利用诸如活塞的可移动部件将气体压缩到更大压强 (Pst) 用于存储在 腔内， 然后使压缩气体流到存储单元 5803。

    [1804] 在第二操作模式下， 存储在压缩气体中的能量被复原， 并且压缩机 / 膨胀机 5802 用作膨胀机。压缩机 / 膨胀机 5802 从存储单元 5803 接收处于存储压强 Pst 的压缩气体， 然 后使压缩气体在腔中膨胀到较低的出口压强 Pout。该膨胀驱动与用作发电机的马达 / 发电 机 5804 连通的可移动部件。从压缩机 / 膨胀机 5802 输出 (output) 并被传递到马达 / 发 电机 5804 的功率 (Wout)， 可以进而被输入到电力网并且被消耗。

    [1805] 如上所述的对气体压缩和减压的过程会经历热和机械损失。然而， 如果这些过程 在温度变化最小的接近等温条件下进行， 这些过程的发生会伴随以更小的热损失。 因此， 如 果在最小温度增量 (+ΔTC) 下进行压缩， 压缩会伴随以热损失减少而发生， 如果在最小温度 减小量 (-ΔTE) 下进行膨胀， 膨胀会伴随以热损失减少而发生。

    [1806] 本发明的实施例通过在多个级进行这种压缩 / 膨胀， 可以力图最小化与气体压缩 和 / 或膨胀相关的温度变化， 以及因此伴随的热损失。下面将讨论在多个级进行的这种压 缩和膨胀。

    [1807] 图 58A 示出了多级压缩 - 膨胀装置的实施例的简化通用图。图 58A 示出与气体入 口 5805 和压缩气体存储单元 5803 通流体的压缩机 / 膨胀机 5802。马达 / 发电机 5804 选 择性地与压缩机 / 膨胀机 5802 连通。

    [1808] 在该实施例中， 压缩机 / 膨胀机 5802 实际上包括串联地通流体的多个级 5802a-c。 尽管图 58A 的特定实施例示出具有三个这种级的系统， 根据本发明的实施例， 可以采用两 个级或任意更大的级数。

    [1809] 在压缩操作模式下， 压缩机 / 膨胀机 5802 的每个级被构造为接收处于较低压强 的进入气体， 将该气体压缩到更高的压强， 然后使压缩气体流到下一级更高压强的级 ( 或 者在最高压强级的情况下， 使压缩气体流到存储单元 )。因此， 图 58A 示出了进入气体在级 5802a 中经历压强从 Pin 到 P1 的第一增长， 在级 5802b 中经历压强从 P1 到 P2 的第二增长， 然 后在第三级 5802c 中经历压强从 P2 到 Pst 的最终增长。

    [1810] 在每一级， 作为马达工作的马达 / 发电机 5804 消耗一定量的功率 ( 这里分别为 Win1、 Win2 和 Win3)。同样在每一级， 压缩气体所增加的压强与该气体温度的对应增长 ( 这里分 别为 +ΔT1、 +ΔT2 和 +ΔT3) 相关。

    [1811] 在膨胀操作模式下， 压缩机 / 膨胀机 5802 的每个级被构造为接收处于较高压强的 进入气体， 使得该气体膨胀到较低的压强， 然后使压缩气体流到下一级更低压强的级 ( 或 者在较低压强级的情况下， 使膨胀后的空气流出系统 )。因此， 图 58A 也示出了所存储的气 体在级 5802c 中经历压强从 Pst 到 P3 的第一下降， 在级 5802b 中经历压强从 P3 到 P4 的第二 下降， 然后在第三级 5802c 中经历压强从 P4 到 Pout 的最终下降。在每一级， 产生一定量的功率 ( 这里分别为 Wout3、 Wout2 和 Wout1) 并输出到作为发电 机工作的马达 / 发电机 5804。 同样在每一级， 降低的气体压强与该气体温度的对应下降 ( 这 里分别为 -ΔT4、 -ΔT5 和 -ΔT6) 相关。

    [1813] 尽管图 58A 示出了每一级与前一级和次一级连接的装置， 但这不是本发明必需 的。图 58B 示出了系统 5880 的实施例的简化图， 在系统 5880 中， 多个级 5882a-c 与阀门网 络 5888 通流体， 阀门网络 5888 的动作允许在多个级之间选择气体流动的路线。因此， 利用 图 58B 的实施例， 可以根据具体条件而有选择地利用或者旁路一个或多个级。例如， 在来自 所述存储罐的气体的先前膨胀已经将压强减小到相对低的值的情况下， 可以无需在所有级 中进行后续的膨胀。 类似地， 也无需在所有级中进行压缩到较低压强， 并且阀门网络的使用 可以选择性地旁路一个或多个级。

    [1814] 尽管图 58A 到图 58B 示出了被构造为在每级中进行压缩或膨胀的装置， 本发明不 限于这样的实施例。 根据本发明的装置的替换实施例可以设定为专用于仅仅进行压缩或仅 仅进行膨胀的多级装置。这样的实施例的简化图如图 58C 所示。

    [1815] 在根据本发明的某些实施例中， 每一级所经历的温度变化基本相同 ( 不管该过程 包括气体压缩还是气体膨胀 )。如在此所引用的， 术语 “基本相同” 是指相差 500℃或更小、 相差 300℃或更小、 相差 100℃或更小、 相差 75℃或更小、 相差 50℃或更小、 相差 25℃或更 小、 相差 20℃或更小、 相差 15℃或更小、 相差 10℃或更小、 或者相差 5℃或更小的温度变化。 根据本发明的实施例， 利用单独应用或组合应用的一种或多种技术可以控制由一个或多个 特定级所经历的温度变化。

    [1816] 控制压缩 / 膨胀率

    [1817] 一个或多个级的温度可以通过调节该级的压缩或膨胀率来实现。 根据一些包括多 个级的实施例， 所述级的压缩或膨胀率可以彼此显著不同。

    [1818] 用于进行压缩、 膨胀或者压缩和膨胀的多级装置的每一级以压缩率和 / 或膨胀率 为特征。这些压缩率和 / 或膨胀率对于不同的级可以相同或不同。

    [1819] 在某些实施例中， 可以利用在汽缸内可移动的活塞进行在每一级中发生的压缩和 / 或膨胀。图 59 到图 59B 示出了这种装置的通用图。

    [1820] 具体地， 图 59 示出了包括具有内壁 5904 的汽缸 5902 的压缩和 / 或膨胀级 5900。 布置在汽缸 5902 中的是可移动活塞 5906， 可移动活塞 5906 包括与活塞杆 5906b 连接的活 塞头 5906a。

    [1821] 在所述级被构造为进行压缩的情况下， 活塞杆通过联动装置与能量源 ( 未示出 ) 物理连接， 该联动装置可以是实际上机械的， 诸如曲柄轴等。或者， 位于能量源与活塞杆之 间的该联动装置可以是实际上液动或气动的。 能量源驱动活塞在汽缸内动作以压缩汽缸内 的空气。

    [1822] 在所述级被构造为进行膨胀的情况下， 活塞杆通过联动装置与发电机 ( 未示出 ) 物理连接。发电机由于与联动装置连接的活塞杆的动作产生能量。

    [1823] 图 59 仅仅表示一个压缩 / 膨胀级的实施例的简化通用图， 并且本发明不应当被理 解为被该图的具体部件所限制。例如， 尽管图 59 示出了在垂直方向可移动的活塞， 但这不 是必需的， 并且在其它实施例中， 活塞可以在水平或其它方向可移动。

    [1824] 另外， 在图 59 的特定实施例中， 气流阀门 5910 和 5912 形成在汽缸 5902 的端壁。图 59A 到图 59B 也示出了阀门在汽缸的端壁， 但这仅仅用于说明目的， 阀门可以位于腔内的 其它地方。

    [1825] 通过诸如电磁线圈之类的部件 5911 可以选择性地操纵阀门 5910， 以便将阀门板 5910a 从阀门座 5910b 移开， 由此允许压缩和 / 或膨胀腔 5908 与低压侧 5916 的导管 5914 通流体。通过诸如电磁线圈之类的部件 5913 可以选择性地操纵阀门 5912， 以便将阀门板 5912a 从阀门座 5912b 移开， 由此允许压缩和 / 或膨胀腔 5908 与高压侧 5920 的导管 5918 通流体。

    [1826] 如前面所提到的， 本发明的实施例不限于使用相对于腔具有任意特定结构或构造 的阀门。 前面也提到了， 本发明的实施例不限于包括往复运动的活塞的可移动部件， 也可以 使用其它结构， 包括但不限于螺栓、 类涡轮机和内齿轮油泵。

    [1827] 图 59A 示出了级 5900， 其中活塞头 5906a 已经移动到汽缸顶部 ( 上止点 -TDC) 处。 图 59A 示出了在 TDC 处， 在活塞头 5906 的上表面与汽缸的端壁之间存在一定量的死 (dead) 容积 (Vdead)。

    [1828] 根据本发明的特定实施例， 多级压缩机、 膨胀机或压缩机 / 膨胀机可以被设计为 满足与每一级中的温度变化有关的某些条件。

    [1829] 图 59B 示出了级 5900， 其中活塞头 5906 已经移动到汽缸底部 ( 下止点 -BDC) 处。 图 59B 示出了两个容积。

    [1830] 该级的总 (total) 容积 (Vtotal) 被定义为活塞的顶面与位于 BDC 处的汽缸的上壁 之间的容积。该级的位移 (displacement) 容积 (Vdisplacement) 被定义为位于 BDC 处的活塞的 顶面与位于 TDC 处的活塞的顶面之间的容积。 死容积表示总容积与位移容积之间的差 ： Vdead ＝ Vtotal-Vdisplacement。

    [1831] 对级 5900 的动作进行量化的值是其压缩率或膨胀率， 本文通常表示为 r。压缩率 或膨胀率可以用下面的等式 (1′ ) 来表达 ：

    [1832] 其中， Vclosed 是在膨胀过程中当进气阀被关闭 (closed) 时， 或在压缩过程中当排气 阀打开时， 汽缸的容积。

    [1834] 在膨胀的情形中， 容积 Vclosed 与 Vtotal 可以彼此不同， 不仅因为死容积， 也因为在 膨胀冲程期间进气阀在活塞到达 BDC 之前关闭， 还因为在排气冲程期间排气阀在活塞到达 TDC 之前关闭。在压缩的情形中， Vclosed 与 Vtotal 可以不同， 不仅因为死容积， 也因为在压缩

    [1833] 冲程期间排气阀在活塞到达 TDC 之前打开。

    [1835] 在每一级的压缩率或膨胀率相同的多级压缩 / 膨胀装置中， 一级的压缩率或膨胀 率 r 是总的压缩率或膨胀率的第 N 次方根。即 ：

    [1836] 其中， R 是总的压缩率或膨胀率， N 是级的数量。

    [1838] 这是一种在多个级之间发生中间冷却和中间加热的理想情况。就是说， 如果压缩 或膨胀后的气体温度在它进入下一级之前恢复到环境温， 则公式 (2′ ) 也会忽略任何容积 效率低。

    [1839] 不同的级可以具有不同的压缩或膨胀率， 只要所有级的压缩或膨胀率的积是 R 即

    [1837] 可。就是说， 在三级系统中， 例如 ：

    [1840] r1×r2×r3 ＝ R. (3′ )

    [1841] 在多级系统中， 汽缸腔的相对位移由下面的等式决定 ：

    [1842] 其中， Vi 是第 i 个汽缸设备的位移容积， Vf 是系统的总位移 ( 即所有汽缸设备的 位移之和 )。

    [1844] 根据本发明的某些实施例， 多级压缩或膨胀装置的每一级可以构造为在膨胀或压 缩冲程期间以特定温度变化来工作。 这种实施例的设计和操作可以利用根据物理量限定单 个级的性能的一系列数学关系来实现。 这样一组数学关系的一个例子在下面与气体膨胀级 相关的等式 (5′ )-(16′ ) 中描述。

    [1845] 压缩或膨胀后的气体的最终 (final) 温度和相关的最终压强取决于许多数量。下 面的等式 (6′ )、 (7′ ) 表示一级的压强和温度的这些最终值。

    [1846] 这样的级的压强比由下式给出 ：

    [1843] 或者

    [1850] Vclosed 是在膨胀过程中当进气阀被关闭时， 或在压缩过程中当排气阀打开时， 汽缸 的容积 (Vtotal/r)。

    [1852] Vdisplacement 是汽缸的总位移。

    [1853] ΔTgas-liquid 是在冲程结束时压缩 / 膨胀腔内气体 (gas) 与液体 (liquid) 之间的温 度差。

    [1854] γeffective 是有效多变指数。

    [1855] 如下面要详细描述的， γeffective 和 ΔTgas-liquid 的数值与多个值有关。基于这些值， 可以解出等式 (5′ )、 (6′ )、 (7′ )， 以确定单个膨胀级发生的温度变化。

    [1851] 对膨胀率的控制可以以若干可能的方式来实现。在一种方法中， 膨胀率可以通过 控制 Vclosed 来确定。例如 Vclosed 可以是通过负责允许压缩气体流入用于膨胀的腔中的阀门 驱动时序来进行控制。

    [1857] 图 61A 到图 61C 相应地示出了活塞 6106 在进行膨胀冲程的膨胀级 6100。图 61A 示出随着活塞 6106 向下运动而关闭的阀门 6111， 以及打开以允许压缩气体流入用于通过 膨胀使能量复原的腔中的阀门 6112。在图 61B 中， 阀门 6112 被关闭以在活塞到达 BDC 位置 之前使气体的进入暂停， 由此将 Vclosed 限定为在该活塞冲程中可以膨胀的气体流量。图 61C 示出了随着气体量 Vclosed 的膨胀活塞向下的连续运动。

    [1858] 因此， 通过调节阀门 6112 的关闭时序， 限制了在汽缸内膨胀的气体量。更具体地，

    [1856] 由于图 61B 中的阀门 6112 在活塞到达 BDC 之前关闭， 因此限制了汽缸中的气体容积， 也相 应地限制了该级经历的膨胀率和温度变化。

    [1859] 进气阀 6112 的驱动时序可以通过控制器或处理器， 诸如， 以前描述的对多个级执 行迭代运算的控制器， 来进行调节。相应地， 图 61A 到图 61C 示出了与控制器 6196 电连接 的阀门 6112 的驱动部件 6111。控制器 6196 进而与计算机可读存储介质 6194 电连接， 计算 机可读存储介质 6194 中存储有用于指示驱动阀门 6112 的代码。

    [1860] 如上所述的膨胀率的调节可以表示和系统所存储或释放的能量达成的平衡。 具体 地， 在图 61B 到图 61C 中比汽缸内能容纳的容积小的气体容积的膨胀减少了通过气体膨胀 输出到活塞的功率。 然而， 这样的能量损耗是合适的， 以便实现所需的温度变化， 例如， 使一 个级的温度变化与其它级经历的温度变化相一致。

    [1861] 引入到膨胀腔内的流体也可以用于改变膨胀率。内部没有水的汽缸的膨胀 率 r ＝ Vtotal/Vclosed。如果将一定容积的水 (water)Vwater 引入汽缸中， 则膨胀率变为 r ＝ (Vtotal-Vwater)/(Vclosed-Vwater)。因此， 膨胀率与 Vwater 相关。

    [1862] 回到等式 (5′ )、 (6′ )、 (7′ )， γeffective 的数值由多个值得到。下面结合等式 (8′ )、 (9′ ) 来讨论 γeff 的计算。

    [1863] 等式 (6′ )、 (7′ ) 中出现的 ΔTgas-liquid 的数值也由多个值得到。下面结合等式 (10′ )-(17′ ) 来讨论。

    [1870] 是气体与液体之间的容积热导率 (12′ ) 是从气体到液体的总热导率 (13′ )rdroplet ＝液滴 (liquid droplet) 的平均半径 adroplet ＝液体的比例 kgas ＝气体的热导系数 ω ＝转动速率 dV/dθ ＝压缩 / 膨胀腔容积随着曲柄角 θ 的变化是是努塞尔特数 (Nusselt number) (15′ ) agravity ＝重力 (gravity) 引起的加速度 ρ ＝密度 μ ＝粘度 cdrag ＝液滴的阻力 (drag) 系数 ( 范围＝ .47) 是普朗特数 (Prandtl number) (16′ )等式 (5′ )、 (6′ )、 (7′ ) 也可以用于确定彼此串联排列的多个膨胀级的特性。 如下面进一步描述的， 利用由一个级输出的温度和压强提供给下一个相继的级的等式作为 输入， 可以解出每一级的等式。

    [1889] 另外， 显示出多级系统中每一级的特性的等式 (5′ )、 (6′ )、 (7′ )， 可以以迭代 的方式解出， 以确定在彼此串联排列时呈现温度变化的各个级中的结构和 / 或操作参数。 下面进一步描述这些等式的这种应用于多个膨胀级的迭代解。

    [1890] 如果在一个质量流率、 进气压强和死容积都固定的多级压缩或膨胀装置中， 在压 缩 / 膨胀冲程期间的温度变化和压缩 / 膨胀率表示单个的自由参数。就是说， 控制一个参 数而得出其它的参数。 因此， 在设计每一级时， 利用等式 (5′ ) 选择压缩 / 膨胀率理论上会 导致在压缩或膨胀冲程期间产生所需的温度变化。通过选择合适的高效热交换器， 可以迭 代地设计出多级系统， 使得每一级呈现出所需的温度变化。

    [1891] 与等式 (5′ )-(16′ ) 相结合描述的各种关系可以用于为给定的膨胀级产生输 出。具体地， 对等式的不同类型的输入以从该膨胀级排出的气体的温度和压强 (Tgas final， Pfinal) 以及由该膨胀级经历的温度变化 (ΔTgas， final-inital) 的形式产生相对应的输出。

    [1892] 这些输出 (Tgas_final1， Pfinal1) 可以进而作为表示初始 (inital) 温度和压强 (Tgas_ Pinitial2) 的输入提供给等式 (5′ )、 (6′ )、 (7′ )， 以计算接收该膨胀气体进行进 initial2， 一步膨胀的下一膨胀级的性能。一个级的压强和湿度输出 (Tgas_final2， Pfinal2) 可以作为输入 (Tgas_initial3， Pinitial3) 提供给第三膨胀级， 以产生最终的输出温度和压强 (Tgas_final3， Pfinal3)。

    [1893] 在计算中， 可以预先设定系统的初始温度和 / 或压强的值 (Tgas_initial1， Pinitial1)， 和/ 或系统的最终温度和 / 或压强的值 (Tgas_final3， Pfinal3)。例如， 进入气体的压强和 / 温度可 以依据压缩气体存储单元的当前容量来指示 ( 如下面所讨论的， 可以在压缩气体被消耗时 随着时间改变 )。

    [1894] 在另一个例子中， 排出气体的压强和 / 或温度可以依据气体被排出的环境来指 定。例如， 排放到海平面上的外部环境的空气可能不具有小于 1ATM 的输出压强。

    [1895] 其它因素可能制约计算。 例如， 在环境温度的液态水被用于热交换时， 任意一级经 历的温度变化不能低于大约 15℃， 以防止被冻结。

    [1896] 另外， 显示出多级压缩系统中每一级的特性的相应等式， 可以以迭代的方式解出， 以确定在彼此串联排列时呈现基本相等温度变化的各个级中的结构和 / 或操作参数。

    [1897] 构造为确定每一级经历基本相等温度变化所需的条件的系统可以包括与计算机 可读存储介质电子通信的控制器， 该计算机可读存储介质可以基于磁、 光和 / 或半导体原 理。该计算机可读存储介质中存储有被配置为用于指示处理器执行特定任务的代码。

    [1898] 例如， 计算机可读存储介质中存储的代码可以指示控制器预先设定输入到所述计 算中的初始压强和 / 或温度参数。计算机可读存储介质中存储的代码还可以指示控制器预 先设定由所述多级系统计算要输出的最终压强和温度参数。

    [1899] 计算机可读存储介质中存储的代码还可以指示控制器预先设定出现在相关等式 的输入中的某些变量。例如， 这些变量中的一部分可以通过经历压缩的气体 ( 例如空气 ) 的特性， 和 / 或被注入进行热交换的液体 ( 例如水 ) 的特性来预先设定。

    [1900] 计算机可读存储介质中存储的代码还可以指示控制器确定出现在各等式的输入 中的一个或多个变量。例如， 先前迭代的结果可以指示以特定方式 ( 方向， 大小 ) 改变输入 变量， 从而产生所需的每级的温度变化。 因此， 基于计算机可读存储介质中的代码所表示的 算法， 控制器可以改变来自先前迭代的输入的值。可以使用诸如共轭梯度或最陡下降等标 准技术。

    [1901] 迭代运算的成功收敛可以基于数值分析技术来确定， 该迭代运算用以确定呈现基 本相等温度变化的多个级的参数。这种用数值分析求解的例子包括但不限于共轭梯度、 最 陡下降、 Levenberg-Marquardt、 Newton-Raphson、 神经网络、 遗传算法或二分查找。

    [1902] 根据某些实施例， 基于等式 (5′ )-(16′ ) 的计算可以在设计过程中进行， 以便 固定设计中某些不改变的参数。根据其它实施例， 利用被调节为反映条件变化的多级系统 的特性， 上述迭代运算可以不断地运行。这种改变条件的一个例子是进入系统的气体温度 (Tgas_initial)。

    [1903] 具体地， 当压缩系统在一天中工作时， 外部空气的温度会随着时间变化。在该外 部空气被引入用于压缩的情况下， 它的温度会随着时间变化 ( 例如， 在白天升高， 在夜晚降 低 )。控制器可以与传感器电通信， 以检测这种温度变化， 并且将该温度变化作为的输入提 供给所述计算。控制器也可以与额外的传感器通信， 以检测其它变化的属性。

    [1904] 控制器可以与气体压缩系统的各种部件电通信。基于所述计算的结果， 控制器可 以指示系统部件的操作， 以确保在不同的级中保持平稳的温度变化。

    [1905] 例如， 在某些实施例中， 控制器可以操纵负责允许气体进入压缩腔的阀门。 在某些 实施例中， 控制器可以操纵负责从膨胀腔排出气体的阀门， 和 / 或操纵负责允许液体流入 压缩腔的阀门。对于这些阀门部件的操纵的时序的控制会影响各个级的压缩率， 因而这些级经历温度改变。

    [1906] 等式 (17′ ) 示出了 Tgas_final 与 Vclosed 与相关 ：

    [1907] 等式 (18′ ) 示出了 Vclosed 可以由压缩率 (r) 来表示 ：因此， 一个级的压缩率可以确定该压缩级所经历的温度变化的大小。这种对压缩 率的控制可以以几种可能的方式实现。

    [1911] 在一种方法中， 可以通过控制 Vclosed 来确定压缩率。例如， 利用负责允许气体流入 用于压缩的腔的阀门的动作时序可以控制 Vclosed。

    [1912] 以与上述方式类似的方式， 控制器可以与气体压缩系统的各种部件电通信。基于 所述计算的结果， 控制器可以指示系统部件的操作， 以确保在不同级中气体温度保持平稳 变化。

    [1910] 例如， 在某些实施例中， 控制器可以操纵负责允许气体进入压缩腔的阀门。图 63A 到图 63C 示出了在压缩情形中这种进气阀动作的例子。具体地， 图 63A 到图 63B 示出压缩 级 6300， 其中活塞 6306 正在经历压缩之前的冲程， 图 63C 示出压缩冲程的初始部分。

    [1914] 图 63A 示出随着活塞 6306 向下运动关闭的阀门 6312， 以及打开以允许气体流入所 述腔以进行压缩的阀门 6310。在图 63B 中， 阀门 6310 被关闭以在活塞到达 BDC 之前使气体 的进入暂停， 由此将在活塞的后续冲程中可以压缩的气体流量限定为 Vclosed。图 63C 示出了 在后续压缩冲程中， 活塞 6306 向上运动以压缩气体量 Vclosed。

    [1915] 通过调节阀门 6310 的关闭时序， 确定了在汽缸内压缩的气体量。具体地， 由于图 63B 中的阀门 6110 在活塞到达 BDC 之前关闭， 因此限制了汽缸中用于压缩的气体的有效体 积， 也限制了该级的压缩率 (r)。

    [1916] 进气阀 6310 的动作时序可以通过控制器或处理器来调节。相应地， 图 63A 到图 63C 示出了与控制器 6396 电通信的阀门 6310 的驱动部件 6311。控制器 6396 进而与计算 机可读存储介质 6394 电通信， 计算机可读存储介质 6394 中存储有用于指示阀门 6310 动作 的代码。

    [1913] 压缩模式中的气体排出阀的动作时序可以被调节来控制压缩率。 以与上述方式类 似的方式， 可以对排出阀的关闭进行定时， 以在压缩腔内保留剩余压缩气体， 由此在后续活 塞冲程中将 Vclosed 减小到小于 Vdisplacement 的最大值， 以从摄取更多用于压缩的气体。这种阀 门时序因而也减小了压缩率 (r)。

    [1918] 以与先前结合前面附图描述方式的类似的方式， 引入压缩腔中的流体也可以用 于改变压缩率 (r)。内部没有水的汽缸的压缩率 r ＝ Vtotal/Vclosed。如果将一定体积的水 (water)Vwater 引入汽缸中， 则压缩率变为 r ＝ (Vtotal-Vwater)/(Vclosed-Vwater)。因此， 压缩率与 Vwater 相关。

    [1919] 通过主动控制回路可以控制膨胀机的性能， 主动控制回路的输入可以包括控制参 数和传感器数据， 其输出可以包括阀门动作。在一个实施例中， 控制输入包括但不限于 ：

    [1917] Pf ≡在打开排放阀之前向下膨胀的最终压强

    [1921] ΔVi ≡在进气时容积的变化

    [1922] ΔVe ≡在排放后容积的变化

    [1923] S ≡曲柄的转动速率， 单位是 RPM

    [1924] Θo ≡喷雾阀门被打开的曲柄角

    [1925] Θc ≡喷雾阀门被关闭的曲柄角

    [1926] F ≡喷雾泵的流速

    [1927] 从传感器所测量到的值包括但不限于 ：

    [1928] Pi ≡输入压强

    [1929] Po ≡输出压强

    [1930] Θ ≡相对于 TDC 的曲柄角

    [1931] Ti ≡平均进气温度

    [1932] Tf ≡平均排放气体温度

    [1933] W ≡膨胀机输出的轴功率

    [1934] 在一个实施例中， 控制回路可以如下进行工作。由活塞到 TDC 处开始， 打开进气 阀， 使气体在压强 Pi 进入。

    [1935] 进气阀随着活塞运动保持打开， 直到活塞已经扫过 (swept out)ΔVi 的容积。这 可以通过所测量到的曲柄角和已知的活塞和联动装置的大小计算出。

    [1936] 此时， 进气阀关闭并且气体膨胀， 随着汽缸内的压强减少而对活塞做功。 当汽缸内 的压强减小到低于 Pf 时， 排放阀打开。这可以是在活塞到 BDC 时或到 BDC 之前。

    [1937] 在活塞到 TDC 之前， 排放阀保持打开直到 ΔVe( 通过所测量到的曲柄角可以计算 出 )， 此时排放阀关闭。活塞继续向 TDC 运动， 并且该循环重复。

    [1938] 利用该控制回路可以控制喷雾器。在一些实施例中， 液体只是连续地喷雾到汽缸 中。

    [1939] 根据某些实施例， 在一个循环的一部分中， 通过诸如电磁阀之类的可控制阀门可 以打开喷雾器。例如， 在相对于 TDC 的曲柄角 A 到曲柄角 B 期间可以打开喷雾器。A 可以是 0、 5、 10、 45、 90、 120、 180、 200、 240、 270 度。B 可以是 180 或 360 度 ±20 度或更多。

    [1940] 可以控制进入喷雾嘴的压强或流速。例如， 这可以通过控制与喷雾泵相连的变频 驱动器来完成。

    [1941] 可以控制系统的转动速度。例如， 这可以通过改变与活塞机械连接的发电机的负 载来完成。

    [1942] 控制输入参数连同操作条件导致特定的结果， 包括但不限于最终温度 (Tf) 或轴功 率 (W)。 控制输入参数与输出之间的关系可以通过物理原理模型化， 和 / 或它也可以在手控 测试中被测量出， 形成映射图。可以对该映射图进行插值， 使其近似于平滑的多维表面。

    [1943] 在膨胀机的工作过程中， 可能希望实现某一目标性能， 诸如输出特定功率 (W) 以 满足特定的需要。所述已经创建的映射图可以用于找到的用于工作的初始的一组控制值。

    [1944] 在工作过程中， 由于测量到期望的性能参数 ( 在这种情况下是 W)， 映射图的梯度 可以用于朝着使测量到的值与期望值之间差异减少或最小化的方向改变控制参数。 目标性 能度量的例子包括但不限于功率输出、 功效 ( 通过测量的值计算出 ) 或者其它度量的加权和。 某些实施例可以利用使 T1-Tf 最小化的量度， 其中 Tf 受到诸如 Tf ＞ Tmin 的约束。 这可以用于从膨胀机获得高效率， 同时保持温度高于液体的凝固点。

    [1946] 尽管前面已经描述了利用控制回路的膨胀性能， 本发明不限于这些特定的实施 例。 根据替换实施例， 通过主动控制回路可以控制压缩机的性能， 主动控制回路的输入可以 包括控制参数和传感器数据， 其输出可以包括阀门驱动。

    [1947] 在一个实施例中， 控制输入包括但不限于 ：

    [1948] ΔPf ≡在打开排放阀之前汽缸中的最终压强与排放阀另一侧的压强 (Po) 之间的 差

    [1949] ΔPi ≡在打开进气阀之前汽缸中的初始压强与进气阀另一侧的压强 (Pi) 之间的 差

    [1950] ΔVi ≡在进气时容积的变化

    [1951] ΔVe ≡在排放后容积的变化

    [1952] S ≡曲柄的转动速率， 单位是 RPM

    [1953] Θo ≡喷雾阀门被打开的曲柄角

    [1954] Θc ≡喷雾阀门被关闭的曲柄角

    [1955] F ≡喷雾泵的流速

    [1956] 从传感器所测量到的值包括但不限于 ：

    [1957] Pi ≡输入压强

    [1958] Po ≡输出压强

    [1959] Θ ≡相对于 TDC 的曲柄角

    [1960] Ti ≡平均进气温度

    [1961] Tf ≡平均排放温度

    [1962] W ≡膨胀机输出的轴功率

    [1963] 在一个实施例中， 控制回路可以如下进行工作。由活塞到 TDC 处开始， 并且汽缸中 气体在一定压强 P 下， 活塞开始向 BDC 运动。

    [1964] 当压强下降到低于 Pi-ΔPi 时， 进气阀打开。这可以是在活塞到 TDC 之前或到 TDC 时。

    [1965] 活塞运动到 BDC， 此时进气阀关闭。随着活塞头转向 TDC， 活塞压缩气体， 随之汽缸 内的压强增大。

    [1966] 当汽缸内的压强上升到高于 Po-ΔPf 时， 排放阀打开。这可以是在活塞到 TDC 之前 或到 TDC 时。

    [1967] 在活塞到 TDC 之前， 排放阀保持打开直到 ΔVe( 通过所测量到的曲柄角可以计算 出 )， 此时排放阀关闭。活塞继续向 TDC 运动， 并且该循环重复。

    [1968] 利用该控制回路可以控制喷雾器。在一些实施例中， 液体只是连续地喷雾到汽缸 中。

    [1969] 根据某些实施例， 在周期的一部分中， 可以打开喷雾器 ( 例如通过诸如电磁阀之 类的可控制阀门 )。例如， 从相对于 TDC 的曲柄角 A 到曲柄角 B 可以打开喷雾器。A 可以是 0、 5、 10、 45、 90、 120、 180、 200、 240、 270 度。B 可以是 180 或 360 度 ±20 度或更多。

    [1945] 可以控制进入喷雾嘴的压强或流速， 例如， 通过控制与喷雾泵相连的可变频驱动 器。可以控制系统的转动速度， 例如， 通过改变与活塞机械连接的发电机的负载。

    [1971] 控制输入参数连同操作条件导致特定结果， 诸如最终温度 (Tf) 或轴功率 (W)。控 制输入参数与输出之间的关系可以通过物理原理模型化， 或者它也可以在手控实验过程中 被测量出， 形成映射图。可以对该映射图进行插值， 使其近似于平滑的多维表面。

    [1972] 在压缩机的工作过程中， 可能希望实现某一目标性能， 诸如输出特定功率 (W) 以 满足特定的需要。 上述所形成的映射图可以用于首先给出用于操作所述装置的初始的一组 控制值。

    [1973] 在工作过程中， 由于测量到期望的性能参数 ( 在这种情况下是 W)， 映射图的梯度 可以用于朝着使测量到的值与期望值之间差异减少或最小化的方向改变控制参数。 一些目 标性能度量可以是功率输入、 效率 ( 根据测量值计算得到 )。 另一个目标性能度量可以是其 它度量的加权和。

    [1974] 另一度量可以是使 Ti-Tf 的值最小化， Tf 满足约束条件， 诸如 Tf ＞ Tmin。这一度量 可以用于从膨胀机得到高效率， 同时保持温度低于液体的沸点。

    [1975] 因此， 一级的压缩率可以确定该压缩级所经历的温度变化的大小。这种对压缩率 的控制可以以几种可能的方式实现。

    [1976] 在一种方法中， 通过控制 Vclosed 可以确定压缩率。例如， 利用负责允许气体流入用 于压缩的腔的阀门的动作时序可以控制 Vclosed。

    [1977] 控制器可以与气体压缩系统的各种部件电通信。基于所述对叠代计算求解的结 果， 控制器可以指示系统部件的操作， 以确保在不同级中气体温度保持平稳变化。

    [1978] 例如， 在某些实施例中， 控制器可以操纵负责允许气体进入压缩腔的阀门。图 63A 到图 63C 示出了在压缩情形中这种进气阀动作的例子。具体地， 图 63A 到图 63B 示出压缩 级 6300， 其中活塞 6306 正在经历压缩之前的冲程， 图 63C 示出压缩冲程的初始部分。

    [1979] 图 63A 示出随着活塞 6306 向下运动关闭的阀门 6312， 以及打开以允许气体流入压 缩腔的阀门 6310。在图 63B 中， 阀门 6310 被关闭以在活塞到达 BDC 之前使气体的进入暂 停， 由此将在活塞的后续冲程中可以压缩的气体流量限定为 Vclosed。图 63C 示出了在后续压 缩冲程中， 活塞 6306 向上运动以压缩气体量 Vclosed。

    [1980] 通过调节阀门 6310 的关闭时序， 确定了在汽缸内压缩的气体量。具体地， 由于图 63B 中的阀门 6110 在活塞到达 BDC 之前关闭， 因此限制了汽缸中用于压缩的气体的有效容 积， 也限制了该级的压缩率 (cr)。

    [1981] 进气阀 6310 的动作时序可以通过控制器或处理器来调节。相应地， 图 63A 到图 63C 示出了与控制器 6396 电通信的阀门 6310 的驱动部件 6311。控制器 6396 进而与计算 机可读存储介质 6394 电通信， 计算机可读存储介质 6394 中存储有用于指示阀门 6310 动作 的代码。

    [1982] 压缩模式中的排出阀的动作时序可以被调节来控制压缩率。 以与上述方式类似的 方式， 可以对排出阀的关闭进行定时， 以在压缩腔内保留剩余压缩气体， 由此将 Vclosed 减小 到小于后续活塞冲程中 Vdisp 的最大值， 以摄取更多气体用于压缩。这种阀门时序因而也减 小了压缩率 (cr)。

    [1983] 以与先前结合前面附图描述方式的类似的方式， 引入压缩腔中的流体也可以用于改变压缩率 (cr)。内部没有水的汽缸的压缩率 cr ＝ Vtotal/Vclosed。如果将一定容积的水 (water)Vwater 引入汽缸中， 则压缩率变为 cr ＝ (Vtotal-Vwater)/(Vclosed-Vwater)。因此， 压缩率与 Vwater 相关。

    [1984] 上述方法集中在通过利用阀门 ( 进气 / 排气 ) 时序和 / 或液体注入的调节来进行 容积控制， 从而控制压缩和 / 或膨胀率。然而， 这不是本发明必需的， 替换实施例可以通过 调节影响压缩或膨胀率的其它部件来实现对温度的控制。

    [1985] 例如， 改变压缩或膨胀率的其它技术采用机械方法。这种方法的例子包括但不限 于改变活塞冲程的长度， 或者操作活塞来改变腔的死容积。

    [1986] 发生在给定级的温度变化可以通过改变该级的速度来控制。例如， 与具有相同速 度以及气体和液体质量流率的较高压强的级相比， 较低压强的级可以呈现较小的 ΔT。

    [1987] 以相同系数来增大速度并减小位移会得到相同的质量流率 ( 例如， 以匹配随后的 级 )， 但是更高的 ΔT。要减小这样的级的大小， 以降低成本。

    [1988] 每一级可以以不同的速度运行， 其中操纵每一级的可移动部件的单独的曲柄或其 它联动装置之间具有固定的或可变的齿轮齿数比。或者， 可以为每一级或一些级提供单独 的马达 / 发电机。

    [1989] 如果不只一个速度可以单独地控制， 则可以动态地调节这些速度以实现所需的操 作性能。一种动态地调节控制压缩 / 膨胀率和 ΔT 值的参数的方式是使用加权输入值的函 数。

    [1990] 在某些实施例中， 这些输入值可以包括但不限于 ： 诸如进气压强、 排气压强、 进气 温度、 排气温度、 液体流速、 气体流速、 存储罐压强之类的传感器原数据， 以及测量到的进入 马达 / 发电机或马达 / 发电机输出的功率。这些输入值可以包括基于传感器原数据和其它 源计算出的值， 诸如功率需求、 用户输入参数、 估计的 ΔT 和估计的效率。

    [1991] 根据本发明的具有多个经历基本相等温度变化的压缩或膨胀级的本发明的实施 例可以提供许多可能的好处。一个可能的好处是能够最大化系统的效率。

    [1992] 如上所述， 压缩和膨胀在接近等温条件下以最小热损失和最大效率进行。通过要 求多个级中的每一级的温度变化相等， 将设计一个能经过多个级高效地进行这种压缩或膨 胀的装置的问题简化。利用这个条件， 能够将多级系统的其它部件设计为使该均匀的温度 变化最小化。

    [1993] 此外， 为了实现高效操作所需的接近等温的条件， 多级系统的每一级都与热源或 热沉热连通以进行能量交换。 在一个级是进行压缩的情况下， 该级与热沉热连通， 以通过加 热的气体传递热能。 在一个级是进行膨胀的情况下， 该级与热源热连通， 以将热能传递到冷 却的气体。

    [1994] 图 64A 示出了多级系统 6400， 其中希望各个级 6402、 6404 和 6406 呈现出不同的温 度变化。为了可靠和高效地交换必需的热能的量， 图 64A 的系统通常为各个级采用不同的 热交换器 6408、 6410 和 6412。 此外， 由于循环流体可能处于不同的温度， 因此可以在各个热 交换器和具有相关热容量的各自的热源或热沉之间使用单独的循环系统 ( 包括泵。)

    [1995] 然而， 在希望各个级都呈现出基本相等的温度变化的情况下， 可以使用简单的热 交换器设计。图 64B 示出了这种系统 6450， 其中各个级 6452、 6454 和 6456 都与同一类型的 管壳式热交换器 6458 热连通。而且， 由于希望在每一级中每一个热交换器交换相等量的热能， 因此这些热交换器可以都共享具有单个泵 6460 和热沉或热源的公共循环系统。这种构 造有利地避免了使用多个泵和流体导管回路， 由此减小系统的复杂度和开支。

    [1996] 如上所述， 根据本发明的压缩气体系统的部件可以通过一个或多个联动装置与其 它结构连接， 如图 65 中一般地描绘的。 这种位于压缩气体能量系统 6500 与外部部件之间的 联动装置可以包括物理联动装置 6502， 诸如机械联动装置、 液压联动装置、 磁性联动装置、 电磁联动装置、 电子联动装置或气压联动装置。

    [1997] 在根据本发明的系统的实施例之间的联动装置的其它可能类型包括热联动装置 6504， 热联动装置 6504 可以包括用于液体、 气态或固态材料的导管、 导管、 泵、 阀门、 开关、 回热器和包括错流热交换器的热交换器。

    [1998] 如图 65 中进一步示出的， 根据本发明的系统的实施例与外部部件之间的其它可 能类型的联动装置包括流体联动装置 6506 和通信连接装置 6508。前者的例子包括气相或 液相的物质流， 并且可以包括导管、 阀门、 泵、 蓄液器、 储能器、 瓶子、 喷雾器和其它结构。

    [1999] 通信连接装置的例子包括有线或光纤连接装置 6510a 和无线通信网络 6510b， 无 线通信网络 6510b 在本地使用或跨接很大区域工作。可以适用于根据本发明的实施例的 通信网络的例子包括但不限于 ： 以太网、 CAN(ControllerArea Network， 控制器局域网 )、 WiFi、 蓝牙、 DSL、 专用微小链路、 SCADA 协议、 DOE( 美国能源部 ) 的 NASPInet、 DoD( 美国国 防部 ) 的 SIPRNet( 保密因特网协议路由网络 )、 IEEE 802.11、 IEEE 802.15.4、 帧中继、 异 步传输模式 (ATM)、 IEC( 国际电工委员会 )14908、 IEC 61780、 IEC 61850、 IEC61970/61968、 IEC 61334、 IEC 62056、 ITU( 国际电信联盟电信标准化部 )-TG.hn， SONET( 同步光纤网 )、 IPv6、 SNMP、 TCP/IP、 UDP/IP、 高级量测体系以及智能电网协议。

    [2000] 一定量的存储的功存在于给定压强下的气体容积中， 因而存储于图 65 的系统中 的功的量可以如下进行计算 ：

    [2001] 数量表示在存储容器中单位容积内所存储的功的量。这是存储能量密度。该能量密度可以利用下面的公式确定 ：

    [2002] 其中 ： W ＝存储的功 V0 ＝存储单元的容积 ； 以及Pa ＝开放系统中的环境气压， 或封闭系统中的低压 ； 以及

    [2006] P0 ＝罐中的压强。

    [2007] 由以公升 (L) 为单位的容积和由以大气压 (atm) 为单位的压强表示的该能量密度 需要使用转换因子 ：

    [2008] 其中 ： W ＝存储的功 (Joule( 焦耳 )) V0 ＝存储单元的容积 (L) ； 以及 Pa ＝开放系统中的环境气压， 或封闭系统的低压 (atm) ； 以及P0 ＝罐中的压强 (atm)。 因此， 在 V0 ＝ 1L ； Pa ＝ 1atm ； 以及 的标准条件下 ： 或

    [2015] W/V0 的倒数表示需要存储给定能量的罐的容积。这个公式可以以 L/kW· h 为单位 表示如下 ： 其中 ： 1Joule ＝ 1W·s ： 3600Joule ＝ 1W·h ； 以及 3600kJoule ＝ 1kW·h 这样在给定示例性压强下产生下面的结果 ：

    [2017] 考虑效率则导致上述等式变化为 ：其中， e ＝系统的单向效率。

    [2027] 因此， 在一个以 0.8 的效率 (e) 将压缩空气从 300atm 的存储压强 (P0) 复原到 1atm 的最终压强 (Pa) 的系统中，

    [2026] 数量根据本发明实施例的系统快速地复原以压缩气体的形式存储的能量的能力， 可以 使这种系统潜在地适于各种任务。 若干这种任务涉及能量系统在负责向一个或多个最终用 户提供电力的网络内的位置。这种网络在下文中也被称为电力网。

    [2030] 在此出于所有目的通过引述将其全部并入的是下面的文档 “EnergyStorage for the Electricity Grid ： Benefits and Market Potential Assessment Guide ： A Study for the DOE Energy Storage Systems Program” ， Jim Eyer&Garth Corey， 报告号No.SAND2010-0815， 桑迪亚国家实验室 (2010 年二月 )。

    [2031] 图 66 表示用于电力的产生、 传输、 配送和消耗的网络的实施例的通用描绘。图 66 中所示的实施例表示实际电力网的实质性的简化， 不应当理解为限制本发明。

    [2032] 配电网络 6601 包括与传输层 6604 电连接的发电层 6602。 来自传输层的电力经过 配送层 6605 到达消耗层 6608 的单个最终用户 6606。 下面将依次描述配电网络的这些层中 的每一个。

    [2033] 发 电 层 6602 包 括 多 个 负 责 在 网 络 内 产 生 大 量 电 功 率 的 单 独 的 发 电 设 施 (generation asset)。这种发电设施 6610a、 6610b 的例子可以包括传统的燃烧燃料的发 电厂， 诸如， 燃煤发电厂、 燃气发电厂或燃油发电厂。传统发电厂的其它例子包括不消耗燃 料的水力发电站和核电站。发电设施的其它例子包括替代能源， 例如那些利用自然温差的 ( 诸如地热和海洋深度温度梯度 )、 风力发电机或太阳能采集装置 ( 诸如光伏 (PV) 阵列和 太阳能热发电厂 )。

    [2034] 发电层的发电设施通常在比传输层相对低的电压 ( ＜ 50kV) 下以交流电的形式传 送电力。该电力随后被馈送给传输层用于按指定路线发送。具体地， 发电设施与传输层之 间的接口在下文中被称为母线 6612。

    [2035] 传输层包括沿着传输线 6622 放置在不同点的各个变压器元件 6620a 和 6620b。 升 压变压器 6620a 位于最接近发电设施和对应母线的位置， 并且用于增大电力电压， 以有效 地在传输线上传送。传输层中的电压的例子可以是几百 kV 的量级。

    [2036] 在传输线的另一端， 降压变压器 6620b 用于减小电压以最终配送到各个最终用 户。传输层的降压变压器所输出的功率可以在几十 kV 的电压范围内。

    [2037] 图 66 以高度简化的形式表示了传输层， 而实际上可以利用几个阶段以不同电压 进行电力传输， 这些阶段由输电变电所 6665 来划界。这样的输电变电所可以出现在传输线 6622 与第二传输线 6663 之间的接口处附近。

    [2038] 配电层从传输层接收电力， 然后将该电力传送到最终用户。一些最终用户 6606a 直接从初级变电所接收相对高的电压。 初级变电所用于进一步将所述电压减小到初级配电 电压， 例如 12000V。

    [2039] 其它最终用户从二次变电所 6630b 接收更低的电压。馈线 6632 将初级变电所与 二次变电所相连， 二次变电所进一步将初级配电电压减小到在计量表 6634 处送达最终用 户的最终电压。这样的最终电压的一个例子是 120V。

    [2040] 图 66 提供可以用于电力产生、 传输、 配送和消耗电能的电力网的物理元件的概括 描述。由于这种电力网构成公共设施的重要部分， 并且需要来自众多不同地理和行政实体 的合作， 因此在多个级别 ( 地区、 国家、 国际 ) 对它进行严格管理。

    [2041] 图 66 因而也提供了通过不同管理机构对不同网络部件的调节进行分类的架 构。 例如， 可以基于电力网的部件作为发电层、 传输层、 配送层或消耗层的机构的类别进 行调节。这种调节分类可以在确定集成在电力网内的能量存储系统的性质时起重要作 用。

    [2042] 根据本发明的某些实施例， 压缩气体系统可以合并到供电网的发电层中。在某些 实施例中， 从压缩气体复原的能量可以在短期时间内提供稳定的电力。 根据一些实施例， 从 压缩气体复原的能量可以提供电力以使发电设施的变化的输出平滑或稳定， 该电力资产包括可再生能源， 例如， 风力发电厂。

    [2043] 图 66 的电力网的发电层的各种机构， 可以按照要产生的电力的类型来分类。例 如， 基本负载的发电设施一般包括被构造为产生价格最便宜的能量的装置。这种基本负载 的发电设施通常以满功率连续运转， 以便提供最高的效率和经济性。一般的基本负载发电 设施的例子包括大型发电厂， 诸如核电站、 煤电厂或燃油电厂。

    [2044] 负荷追踪发电设施通常包括这样的装置， 该装置更有能力响应随着时间变化的需 求， 例如， 通过被打开 / 关闭或者以增大或减小的容量工作。这种负荷追踪发电设施的例子 包括但不限于蒸汽涡轮发电机和水力发电厂。

    [2045] 在至少预先 30 分钟通知的条件下， 可以要求负荷追踪发电设施提供额外的电力 以满足变化的需要。由于负荷追踪发电设施一般不需要以满功率连续运转， 因此它们的效 率较低并且它们的电力一般比基准发电设施的更贵。

    [2046] 第三种发电设施是峰值发电设施。 基于满足最高级的需要而间歇地利用峰值发电 设施。峰值发电设施在在提前较短时间通知的情况下能够工作， 但同时效率低并且相应地 花费更高。天然气汽轮机是一般用作峰值发电设施的装置的一个例子。另一个例子是柴油 发电机。

    [2047] 尽管峰值发电设施在提前较短时间通知的情况下能够提供电能， 实际上它们在能 够产生满足电力网需要的数量和质量的电力之前， 还需要一定准备时间。这些电力质量要 求包括在给定容差范围内电压的稳定性以及必需使输出频率与网络现存的频率同步。

    [2048] 压缩气体能量存储和复原系统的实施例先前已经在美国临时专利申请 No.61/221,487 和 No.61/294,396 以及美国非临时专利申请 No.12/695,922 中进行了描述， 通过引述所述专利申请中的每一个在此出于所有目的将其全部并入。 通过引述在此出于所 有目的将其全部并入的是与本申请一同申请的美国临时专利申请 No.61/358,776( 代理人 卷号 No.800KT-001300US)。

    [2049] 这种压缩气体能量存储和复原系统的一个潜在特征是， 它们能够在短时间内以较 稳定形式提供存储的能量。具体地， 压缩气体可以在具有大容积的存储单元内保持升高的 压强。 这种存储结构的例子包括但不限于人造结构 ( 诸如罐或废弃矿山或油井 )， 或者自然 形成的地质建造， 诸如洞穴、 盐丘或其它多孔特性的构造。

    [2050] 根据需要， 通过操纵气流阀门以提供存储单元与膨胀机装置之间流体流通， 可以 使用以压缩气体形式存储的能量。 该简单阀门动作使得压缩气体形式的能量能够快速转换 为机械或电形式。

    [2051] 例如， 如下面描述的， 压缩气体在汽缸内的膨胀可以用于驱动同样布置在汽缸内 的活塞。活塞可以与发电机机械连接以产生电力。这种构造由于没有内燃机所需要的预热 期特性， 允许快速地产生稳定的电力。 空气中的能量可以快速获得， 并且仅仅需要克服系统 的惯性以便输送满功率。几秒的时间就足够了。

    [2052] 这种以压缩气体的形式存储的能量的迅速可用性与只有在调节多个材料流时才 可以实现稳定功率输出的燃烧型装置形成鲜明的对比。例如， 只有通过对空气和天然气的 流动、 对这些流动的混合、 以及在基本上不变的条件下对该混合物的点燃进行精确地控制， 天然气汽轮机才可以稳定工作。 燃气轮机工作以产生稳定可靠的输出也需要对燃烧得到的 热量进行仔细的管理， 从而产生膨胀气体， 该膨胀气体以旋转涡轮叶片的形式被转换为机械能。 根据发电设施被要求执行的特定角色， 发电设施可以以某些运行特性工作。某些 这种特性在图 62 的表中进行了描述。

    [2054] 根据某些实施例， 压缩气体能量存储和复原系统可以物理地与发电设施共处一 处， 并且可以通过公共母线与电力网电连接。 或者， 发电设施和能量存储和复原系统可以通 过相同的传输线与电力网电连接。

    [2055] 根据本发明的压缩气体存储和复原系统可以并入电力网的发电层， 以使自然界中 可获得的可再生能源的输出平衡。例如， 风力涡轮机的输出受限于吹风量。风速在相对短 的时期内会增大或减小， 导致输出功率的相应增大和减小。 类似地， 太阳能获取装置的输出 受限于可获得的阳光， 可获得的阳光根据云量等因素在相对短的时期内会变化。

    [2056] 然而， 常规的电力网依赖于能源 ( 诸如化石燃料发电厂之类 )， 其输出随着时间变 化基本恒定并且可控制。 可再生能源与电力网所依赖的那些传统能源的差异会对采用诸如 太阳能和风能等自然界中间歇的和 / 或变化的可再生能源造成阻碍。

    [2057] 因此， 本发明的压缩气体能量存储和复原系统的实施例可以与可再生能源结合， 以便使它们到电力网的输出平衡。图 67 示出了这种平衡功能的简化图。

    [2058] 例如， 经过图 67 所示的时段 A， 压缩气体能量存储和复原系统提供充足的输出以 补偿可再生替代能源的变化的输出和固定值 Z 之间的差值。该固定值可以基于例如发电设 施的所有者与网络运营商之间的合同条款来确定。

    [2059] 此外， 在开始于图 67 的 B 点的时段， 由可再生发电设施提供的能量显著地下降， 例 如， 由于风力的完全丧失或者暴风雨即将到来。 在这种情况下， 压缩气体能量存储和复原系 统可以构造为在 B 之后的时段内提供能量， 直到另一发电设施逐渐提高发电量以在更长时 期内替代能量覆盖范围。

    [2060] 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统可以构造为向替代发电设施传送 信息来开始逐渐提高发电量的过程。 在压缩气体能量存储和复原系统没有与替代发电设施 物理共处一处的情况下， 可以通过诸如互联网或智能电网等广域网来传输这样的信息。

    [2061] 具体地， 图 66 也示出了将压缩气体存储和复原系统并入电力网的实施例。根据某 些实施例， 压缩气体能量存储和复原系统 6640b 可以并入沿着与发电设施 6610a 或 6610b 相同的传输线所处的发电层中。在其它实施例中， 根据本发明的压缩气体能量存储和复原 系统 6640a 可以与发电设施物理地共处一处， 可能位于相同的母线之后。

    [2062] 将压缩气体能量存储和复原系统与发电设施放置在一起， 可以带来一些好处。一 个这种潜在的好处是通过允许更多有效操作而提供的成本优势。

    [2063] 例如， 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统的压缩机部件可以通过物 理联动装置 6641 与发电设施的移动构件物理连接。因此， 如上所述， 在特定实施例中， 燃气 轮机或风力涡轮机的旋转的叶片可以通过机械、 液动或气动的联动装置与压缩气体能量存 储和复原系统的压缩机物理连接。

    [2064] 这种联动装置提供的直接物理连接可以使功率在这些部件之间更有效地传输， 由 此避免与必须将功率转换为电形式相关的损失。以这种方式， 可以将来自燃气轮机或风力 涡轮机的功率存储在压缩空气中， 以用来在以后恢复该能量以起到平衡输出或逐渐提高覆 盖范围的作用。

    [2053] 此外， 将压缩气体能量存储和复原系统与发电设施放置在一起可以允许它们之间 以其它形式能量流的形式的有效联通。例如， 能量存储系统的某些实施例可以通过热通路 (thermal link)6642 与放置在一起的发电设施热连通。 因此， 在一些实施例中， 利用从发电 设施传递来的热量， 可以提高压缩气体存储系统的压缩气体的膨胀效率。

    [2066] 以这种方式， 可以利用太阳能热电厂的废热来增强能量存储系统的腔中的气体膨 胀。在某些情况下， 所述系统与太阳能热电厂可以设置在一起。在其它实施例中， 压缩气体 可以通过延长的导管被引到发电设施。

    [2067] 将能量存储系统与发电设施放置在一起， 还可以通过流体通路 6644 在这些部件 之间提供实际的流体连通。 例如， 在能量存储系统与燃气涡轮发电机放置在一起的情况下， 流体通路可以使得系统所存储的压缩气体直接流到这样的燃气轮机用于燃烧， 由此提高燃 气轮机的运行效率。

    [2068] 通过将能量存储系统与发电设施放置在一起可以实现的另一个可能的好处是， 可 以平衡现有的设备。例如， 现有的发电设施通常已经包括用于将机械能转换为电能的发电 机。 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统能够利用同样的发电机部件将气体膨胀的 动作转换为电能。类似地， 压缩气体能量存储和复原系统也能够利用发电设施与网络现有 的接口 ( 母线 )， 以便与网络进行电力流通。

    [2069] 通过将能量存储系统放置在网络的发电层中的母线之后可以实现的又一个可能 的好处是， 是产生的控制监管的形式。 作为发电层的一部分， 能量存储系统与网络的接触相 对简单并且有限。 具体地， 能量存储系统通过单个接口与网络接触， 并且经过该接口的能量 流的大小和方向将以发电机和能量存储系统所期望的操作为基础。

    [2070] 将能量存储系统与发电设施放置在一起还可以提高这两个部分之间的协调行动。 具体地， 压缩气体能量存储系统 6640a 和放置在一起的发电设施之间的通信链路 6650 可以 实际上是本地的， 因而比更大区域的网络潜在地更快和更可靠。

    [2071] 能量存储系统与发电设施之间的这种紧密联系有助于促进从所述存储系统输出 到所述网络的功率与从所述发电设施输出到所述网络的功率之间的无缝转换。 在输出平衡 作用中， 通过存储系统即使在快速变化的条件下也进行发电， 能量存储系统与间歇性能量 的替代能源可以促进快速和平稳的干预。

    [2072] 尽管将根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统与发电设施的物理放置在一 起在某些情形下是优选的， 但这不是必需的。 具体地， 诸如互联网的广域网的通信可靠性的 增强已经减小了将网络的不同部件之间紧密联系的需求。

    [2073] 因此， 图 66 也示出了压缩气体能量存储和复原系统 6640b 与发电设施 6610a 位于 同一传输线上的实施例。 系统 6640b 和发电设施 6610a 可以通过有线或无线网络链路 6657 进行高效的通信。

    [2074] 例如， 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统的一个潜在作用是， 提供调节 器响应机制， 如果采用另外形式的某些能源可能缺乏这种机制。 详细地， 传统发电机涉及流 体的流动 ( 诸如蒸汽涡轮发电机 )， 包括将所测量的发电机的速率与液流阀门相关联的调 节器设备。所述调节器可以以提供负反馈的方式来操作， 例如， 当运转速率过低时， 打开所 述阀门以加大流量， 当运转速率过高时， 关闭阀门以限制流量。

    [2075] 这种发电机可以设计为具有 Automatic Generation Conytol( 自动发电控制，AGC) 能力。在为了稳定频率、 电压或其它辅助目的而需要额外的功率时， AGC 可以使来自系 统操作者的请求增大或减小输出的消息直接转发到调节器。 该信号优先于调节器自己对速 率和其它条件的设定。

    [2076] 然而， 某些电力发电设施缺乏固有的 AGC 能力。例如， 风力涡轮机的功率输出量是 基于在风力作用下涡轮叶片的转动速率。在通过调节器动作的传统方式中， 不能加速这种 转动以提供额外的电压。

    [2077] 某些形式的太阳能也可能缺乏固有的调节器响应机制。例如， 从光电池阵列或太 阳能热电系统获得的能量的量通常由太阳光决定， 并且不一定会容易地增长以满足额外的 功率需要。

    [2078] 因此， 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统的一些实施例可以与电力网的 无调节器的发电设施相结合。 这样的存储系统可以基本上替代调节器， 使发电设施具有 AGC 能力， 并且响应系统操作者的稳定电压的请求时， 在短时间内自动地输出更多功率。 这种构 造可以有助于在现有电力网基础设施中集成替代能源， 并且不需要能量存储系统与替代发 电设施物理地放置在一起。

    [2079] 能量存储系统与发电设施位于不同位置的这种布置在某些情况下可以带来好处。 例如， 可再生能源的位置主要由诸如风或阳光之类的自然资源的可获得性而决定。 因此， 这 种替代发电设施会处于偏远地区， 增加了诸如压缩气体能量存储和复原系统的任何放置在 一起部件的检查和维护费用。将电力从偏远地区传输到需要的地方也会带来额外成本。因 此， 在更容易接近的地方设置能量存储系统可以提高其操作的成本效率。

    [2080] 将能量存储系统置于与发电设施不同的位置还可以带来更大的灵活性。具体地， 操作这种远程设置的能量存储系统不需要受制于任何特定的发电设施。因此， 图 66 的压缩 气体能量存储和复原系统 6640b 能够容易地向网络上供应电力以便在逐渐提高发电量期 为发电设施 6610a、 发电设施 6610b、 或者上述两者一起提供覆盖。

    [2081] 图 68 示出了根据本发明一个实施例的压缩气体存储和复原系统的一个实施例的 简化方框图。详细地， 压缩气体存储和复原系统 6801 包括与进气口 6805 通流体并且与压 缩气体存储单元 6803 通流体的压缩机 / 膨胀机 (C/E)6802。

    [2082] 图 68 示出了压缩机 / 膨胀机 6802 通过联动装置 6807 选择性地与马达 / 发电机 (M/G)6804 物理连接。 在第一操作模式下， 马达 / 发电机 6804 作为马达操作， 以使得能量以 压缩气体 ( 例如空气 ) 的形式存储。马达 / 发电机 6804 从外部源接收功率， 并且传递该功 率， 以使得压缩机 / 膨胀机 6802 用作压缩机。马达 / 发电机 6804 的一个可能的功率源是 通过线缆 6881 与电力网 6814 的配电层的变电所 6882 电连接的仪表 6880。如下面更详细 描述的， 除了供电网， 电力网 6814 可以是包含信息的智能电网。

    [2083] 在压缩时， 马达 / 发电机 6804 进而通过联动装置 6807 向压缩机 / 膨胀机 6802 传 递功率， 使得压缩机 / 膨胀机 6802 用作压缩机。压缩机 / 膨胀机 6802 从进气口 6805 接收 气体， 压缩气体， 然后使压缩气体流到所述存储单元 6803。

    [2084] 图 68 也示出了系统 6801 还可以被配置为从第一 ( 可变 ) 替代能源 6810( 诸如风 力涡轮机 ) 接收能量。这里， 压缩机 / 膨胀机 6802 被显示为通过联动装置 6820 与风力涡 轮机 6810 物理连接。该联动装置实际上可以是机械的、 液压的或气动的。

    [2085] 由联动装置 6820 提供的风力涡轮机的旋转叶片与所述压缩机 / 膨胀机之间的直接连通， 可以使能量作为压缩气体在能量损失低的情况下高效地存储。在共同待审的美国 非临时专利申请 No.12/730,549 中描述了风力涡轮机与压缩气体存储系统结合的实施例， 通过引述， 所述专利申请在此出于所有目的将其全部并入。 在某些实施例中， 如物理联动装 置 6821 所指示的， 所述能量存储系统和替代能源可以共享公用的发电机。

    [2086] 在某些实施例中， 替代能量存储源可以包括单独的发电机并且通过联动装置 6883 将能量以电的形式提供到用作马达的马达 / 发电机 6804。在某些实施例中， 风力涡轮机中 的单独发电机通过联动装置 6883 与马达 / 发电机 6804 电连接。

    [2087] 图 68 进一步示出了压缩气体能量存储和复原系统 6801 也可以配置为从诸如石 油或天然气管道之类的第二 ( 可快速调度 (dispatchable)) 源 6850 接收能量。所述系统 可以利用该可快速调度能量源 6850， 在例如先前的操作已经耗尽了所存储的压缩气体供应 时， 来满足提供电力的合同承诺。

    [2088] 详细地， 来自该可快速调度源 6850 的能量可以由诸如天然气汽轮机、 柴油发动机 或煤气发动机的部件 6864 来消耗， 以通过联动装置 6822 驱动马达 / 发电机 6804 作为发电 机操作， 并且由此产生用于输出到所述电力网的电力 ( 例如， 在最大需求量期间 )。来自替 代能源 6850 的能量也可以由部件 6864 来消耗， 以通过联动装置 6885 驱动压缩机 / 膨胀机 6802 作为压缩机操作， 并且由此压缩用于能量复原的气体 ( 例如， 在非最大需求量期间 )。

    [2089] 部件 6864 也可以通过热交换器 6860 与热源 6862 热连通。以这种方式， 由部件 6864 的操作产生的热能可以提高能量从压缩气体复原期间的膨胀效率。

    [2090] 在部件 6864 是涡轮机 ( 诸如燃气轮机 ) 的情况下， 在某些实施例中， 可以在燃烧 过程期间利用来自存储单元的压缩气体的膨胀。相应地， 图 68 示出了部件 6864 通过流体 导管 6876 和阀门 6878 选择性地与压缩气体存储单元 6803 通流体。以这种方式利用压缩 气体用于燃烧， 可以允许存储在压缩气体中的能量的高效复原。

    [2091] 在某些实施例中， 压缩机 / 膨胀机 6802 可以包括可配置为一起作为热机操作的单 独的压缩机和单独的膨胀机。在这样的实施例中， 即使在气体存储单元 6803 已经被耗尽之 后， 来自热源 6862 的热量也可以用于驱动马达 / 发电机 6804。

    [2092] 在某些实施例中， 能量存储和复原系统 6801 也可以与另一设施 6870 放置在一起， 设施 6870 可以是大型用电设备。这种设施的例子包括但不限于， 诸如工厂 ( 包括半导体生 产设备 ) 的制造中心、 数据中心、 医院、 港口、 机场之类， 和 / 或诸如购物中心之类的大型零 售设施。

    [2093] 尽管电力可以通过单独的通道 6874 在系统 6801 与设施 6870 之间以某种路径传 输， 设施 6870 与能量存储和复原系统 6801 可以共享与电力网之间的公共接口。通过通 道 6874 可以将电力从所述能量存储和复原系统直接传递到所述设施， 以用作不间断电源 (UPS) 或者使所述设施满足某些目的， 所述目的包括但不限于峰值负载抑制、 负载均衡、 和 / 或需求响应。在所述设施与所述能量存储系统之间还可以存在其它链路 ( 在此未示出 )， 诸如热、 流体和 / 或通信链路， 例如用于允许温度控制。

    [2094] 在第二操作模式下， 存储在压缩气体中的能量复原， 并且压缩机 / 膨胀机 6802 作 为膨胀机操作。压缩机 / 膨胀机 6802 接收压缩气体并且使该压缩气体膨胀， 驱动通过联动 装置 6807 与用作发电机的马达 / 发电机 6804 连接的可移动部件。从马达 / 发电机产生的 电力可以经由母线 6872 和传输线 6812 输出到电力网， 用以消耗。如前面所述， 经历过压缩或膨胀的气体会经历一定程度的温度改变。 详细地， 气体 由于被压缩而趋于温度升高， 气体由于膨胀而趋于温度降低。

    [2096] 如上所述的气体的压缩和减压过程会经历一定程度的热损耗和机械损耗。然而， 如果这些过程是在温度变化最小的接近等温条件下进行， 则这些过程伴随着减小的热损耗 发生。利用包括但不限于液体注射以进行热交换的一种或多种技术， 可以实现这种接近等 温的压缩和 / 或膨胀。

    [2097] 因此， 系统 6801 的压缩机 / 膨胀机装置 6802 与一个或多个热交换器 6860 通流体， 热交换器 6860 可以选择性地与热沉或热源 6862 进行热连通。在压缩操作模式下， 热交换 器被放置为与热沉 ( 例如， 在风扇吹动空气以冷却该热交换器的大气 ) 热连通。在膨胀操 作模式下， 热交换器被放置为与热源 ( 例如， 环境空气温度或废热的源 ) 热连通。该热源可 以是诸如池塘的结构， 该结构被构造为接收和存储利用能源 6850 的部件 6864 产生的热量。

    [2098] 尽管图 68 的特定实施例示出了利用压缩气体的系统的形式的能量存储和复原系 统， 本发明不限于这种系统。本发明的替换实施例可以利用位于相同母线之后或者与相同 的传输线连接的其它形式的能量存储和复原系统， 作为供电网络的发电设施。这种其它类 型的能量存储和复原系统的例子包括但不限于 ： 抽水水电发电、 飞轮、 蓄电池、 超级电容器、 热存储、 化学存储、 渗透压存储或超导环。

    [2099] 系统 6801 的各种部件与中央控制器或处理器 6896 连接， 央控制器或处理器 6896 进而与计算机可读存储介质 6894 电连接。中央控制器或处理器 6896 也可以通过有线连接 6816 和 / 或节点 6818 与 6828 之间的无线链路与电力网 6814( 例如， 智能电网 ) 连接。中 央控制器或处理器 6896 还可以与其它信息源 ( 例如互联网 6822) 连接。

    [2100] 基于以存储在计算机可读存储介质 6894 上的计算机代码的形式的指令， 控制器 或处理器 6896 可以操作， 从而控制系统 6801 的各种部件。这种控制可以基于从系统中的 各种传感器接收的数据、 从所述数据计算出的值、 和 / 或控制器或处理器 6896 从包括放置 在一起的源或外部源的各种源所接收的信息。

    [2101] 在某些实施例中， 所述系统的所述控制器可以配置为基于从发电设施接收的指令 来进行操作。 例如， 压缩气体存储和复原系统可以用于提供电力， 以平衡从再生能源发电设 施的间歇性输出。 在这种情况下， 所述控制器于是可以配置为接收信号， 该信号指示再生能 源发电设施的可变或间歇性输出， 并且所述控制器响应于该信号产生充足的电量。

    [2102] 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统可以向发电设施传输信号。 例如， 起平衡作用的系统可以接收信号， 该信号指明再生能源发电设施输出的长时间减少 ( 由于 多云或风力减小 )。 在检测到这种情况时， 所述系统控制器可以被配置为发送指示另一个发 电设施在长时间范围内提供充足的电力覆盖的信号。

    [2103] 图 68A 是简化方框图， 示出根据一个实施例的组合压缩 / 膨胀系统的操作的各种 系统参数。图 68A 示出了在压缩时， 马达 / 发电机 6804 从外部源接收功率， 并且传递该功 率 (Win) 以使得压缩机 / 膨胀机 6802 用作压缩机。压缩机 / 膨胀机 6802 接收处于进入压 强 (Pin) 的未压缩气体， 利用诸如活塞的可移动部件将该气体压缩到更大压强 (Pst) 以存储 在腔中， 然后使压缩气体流到所述存储单元 6803。

    [2104] 图 68A 也示出了在第二操作模式下， 存储在压缩气体中的能量复原， 并且压缩机 / 膨胀机 6802 作为膨胀机操作。压缩机 / 膨胀机 6802 从存储单元 6803 接收处于存储压强Pst 的压缩气体， 然后使该压缩气体在腔中膨胀到较低的排出压强 Pout。该膨胀驱动与用作 发电机的马达 / 发电机 6804 连接的可移动部件。功率 (Wout) 从压缩机 / 膨胀机输出并传 递到马达 / 发电机 6804， 能够进而输入到电力网并且被消耗。

    [2105] 图 68A 也示出了压缩气体存储和复原系统与其它部件之间可能存在的物理、 流 体、 通信和 / 或热联接。

    [2106] 尽管图 68 和图 68A 已经示出了具有组合压缩机 / 膨胀机 (C/E) 和组合马达 / 发 电机 (M/G) 的压缩气体存储和复原系统的实施例， 但这不是本发明必需的。图 68B 示出了 分别采用与单独的专用马达部件 6887 和发电机部件 6889 分别连接的单独的专用压缩机部 件 6886 和膨胀机部件 6888 的替换实施例。在某些实施例中， 这些部件可以通过单个公用 联动装置进行物理连接。 在其它实施例中， 这些部件可以通过多个联动装置进行物理连接。 在又一些实施例中， 马达 6887 和发电机 6889 可以结合为单个马达 / 发电机单元。

    [2107] 在该实施例以及其它实施例中， 通过压缩气体的膨胀复原的能量不需要输出到系 统外部作为电能。在某些操作模式中， 从膨胀气体获得的全部能量可以为了其它目的而消 耗， 例如为了温度控制 ( 诸如加热或冷却 ) 和 / 或用压缩机压缩更多气体。

    [2108] 图 68C 示出了根据本发明一个实施例的压缩气体存储和复原系统的替换实施例 的简化方框图。在图 68C 的实施例中， 专用压缩机 (C)6886、 专用膨胀机 (E)6888、 专用马达 (M)6887 和专用发电机 (G)6889 都通过多节点齿轮系统 6899 选择性地相互物理连通。 这种 齿轮系统的一个实施例是在美国非临时专利申请 No.12/730,549 中描述的行星齿轮系统， 通过引述， 所述专利申请在此将其全部并入用于各种目的。

    [2109] 如前面在图 33A-AA 中所示的诸如行星齿轮系统的多节点齿轮系统可以以删减或 添加的方式允许全部联动装置同时运动。 例如， 在有风吹动的时候， 可以分配来自所述涡轮 机联动装置的能量以驱动联结到发电机的联动装置联结到压缩机的联动装置。 在另一个例 子中， 在有风吹动并且对能量的需求高时， 所述行星齿轮系统允许风力涡轮机联动装置的 输出与膨胀机联动装置的输出相结合， 以驱动联结到发电机的联动装置。

    [2110] 此外， 多节点齿轮系统也可以配置为容纳部分联动装置的运动。例如， 在轴 3368 被阻止转动的情况下， 图 33A 中的轴 3341 的转动会导致轴 3362 的转动， 反之亦然。 类似地， 轴 3341 的转动仅仅会导致轴 3368 的转动， 并且反之亦然， 或者轴 3362 的转动仅仅会导致 轴 3368 的转动， 并且反之亦然。这种配置使得机械能仅仅在系统的两个部件之间选择性地 传递， 例如， 在风力涡轮机静止并且希望基于马达的输出来操作压缩机的情况下。

    [2111] 本发明的某些实施例可以有利地采用行星齿轮系统以允许机械能在系统的不同 部件之间传递。 详细地， 这种行星齿轮系统可以提供灵活性， 以容纳不同操作模式中联动装 置之间的不同相对运动。

    [2112] 尽管图 68C 示出了具有多节点的齿轮系统的实施例， 但这不是本发明必需的。在 替换实施例中， 所述系统的各种部件可以通过单独的物理联动装置或通过与部分其它部件 共享的物理联动装置互相物理连通。

    [2113] 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统可以在压缩和 / 或膨胀过程中利 用液体注入来促进热交换。这样的热交换可以使得温度控制 ( 诸如接近等温 ) 条件在压缩 和 / 或膨胀过程中能够保持， 由此提高相应的能量存储和复原的效率。

    [2114] 将压缩气体能量存储和复原系统并入电力网络的发电层， 可以使得现有的发电设施被利用而起到的作用， 是在不将压缩气体能量存储和复原系统并入的情况下由于其斜坡 加载时期而无法起到的作用。例如， 发电设施的潜在的作用可以是向能源市场销售电力。

    [2115] 一个这种市场是用于销售能量以平衡对于大于一小时的时间段的需求的供给。 这 样的实施例可以接近实时地从存储系统快速分配电力， 以便使得现有的发电设施满足短期 的需求波动。这些波动可能由自然因素造成， 例如， 由可变的再生能源 ( 诸如风力电厂 ) 供 应的电量变化。该波动也可能是人为因素， 例如， 由能源市场调配的价格变化。

    [2116] 压缩气体能量存储和复原系统的某些实施例可以配置为促进发电设施的产能提 升， 从而在更长的时期 ( 例如， 一天内 ) 向能源批发 _ 市场销售电力。因此， 本发明的能量 存储系统的另一个潜在的作用是， 可以通过发电设施促进当天的套利增长。

    [2117] 在起这种作用时， 发电设施会用于提升产能并且在电力批发价格昂贵时提供能源 用于销售。 压缩气体能量存储系统的存在可以使发电设施在很短时间内就这种当天套利增 长的机会做出响应。

    [2118] 来自所述存储系统的电力 ( 以及随后被来自产能提高后的发电设施的电力所替 代 )， 可以销售到能源批发市场。这样的压缩气体能量存储和复原系统可以由独立发电商 (IPP)、 发电公司或其他负荷服务企业 (LSE) 所拥有和运作。

    [2119] 其产能提高由压缩气体能量存储和复原系统覆盖的发电设施的另一个潜在的作 用是， 可以进行每日的可更新均衡。 具体地， 这样的发电设施的快速响应时间可以允许需求 快速地从变化的再生能源移开， 以便更好地使负载和传输可用性匹配。 例如， 在风力逐渐消 失的情况下， 来自压缩气体的能量能够在电力网络上起到应急作用直到燃气涡轮机产能提 高以弥补再生能源供应的损失。这样可以提高可靠性， 因而提高再生能源的价值。

    [2120] 尽管上述描述已经涉及被分类为属于发电层的系统， 该系统中复原的电力被销售 到能源批发市场， 但本发明不限于起到这些作用。 根据替换实施例， 能量存储和复原系统可 以向其它类型的市场销售能量并且保持在本发明的范围内。

    [2121] 这种用于销售从压缩气体复原的电力的替换市场的例子是辅助性服务 (A/S) 市 场。一般来说， 辅助性服务市场通常表示销售给网络的电力用于使用者消耗之外的其它用 途。这些用途包括保持所述网络的完整和稳定性， 以及所提供的电力的质量。

    [2122] 向辅助性服务市场提供能量的能力 ( 容量 )， 通常以市价按小于一天的时段销售。 独立系统运行机构 (ISO) 支付预付储备这种容量的容量成本。

    [2123] 实际的能量自身是根据来自所述网络的要求进行销售， 以一定持续时间提供电 力。当这种情况发生时， 所述系统的所有者将被支付销售的能量的市场价格。

    [2124] 存在一个辅助市场用以保持提供对网络进行运营所需的储备的容量。就是说， 网 络的运营商需要能够提供高于并超出现有需求的电量， 以便确保网络能满足未来的需求。 这些储备通常以超出供给的百分比来计算。

    [2125] 储备的一种形式是应急储备。应急储备是电力网络在相对短时期内要求的， 以响 应某些意外的但需要进行计划的事件 ( 紧急事件 )。这种可能的紧急事件的例子包括传输 层的部件 ( 诸如传输线 ) 故障， 意外的需求激增， 或者在短期内断开或减少发电部件的输出 的需求。

    [2126] 应急储备的一种形式是运转储备 (spinning reserves)。这种运转储备通常在极 短时间内可获得的。 运转储备的传统形式是增加在低于容量工作的发电机组的输出或者中断给某些客户的服务的。 这种储备被称为 “运转” ， 因为为了满足短期内的需求， 发电设施可 能已经在线并且以同步方式与网络的其它部分一起工作 ( 运转 )。

    [2127] 应急储备的另一种形式是长期储备 (standing reserves)。可获得的长期储备比 运转储备具有更长的提前期， 因为发电设施还没有同步地在线。长期储备也可以采用这样 的形式， 在通知期相应地更长的条件下， 中断给某些客户的服务。

    [2128] 在某些实施例中， 现有的发电设施的产能提高时间被根据本发明的压缩气体能量 存储和复原系统覆盖， 所述现有的发电设施能够用于提供应急储备。这种发电设施具有提 供服务提供商要求的持续一段时间的所需应急电量的能力。 上面已经总结了获得产能提高 覆盖的各种可能的作用。

    [2129] 1. 一种方法， 包括 ：

    [2130] 使压缩气体膨胀以驱动位于腔内的可移动部件 ；

    [2131] 通过所述可移动部件的运动产生电力， 以及

    [2132] 在电力网的发电设施的产能提高期将所述电力提供到所述电力网。

    [2133] 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 通过母线将所述电力供应到所述电力网， 并 且所述发电设施通过所述母线与所述网络电连接。

    [2134] 3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 通过发电机将所述电力供应到所述电力网， 并且所述发电设施与所述发电机物理连接。

    [2135] 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述电力供应到所述电力网的传输线， 并且 所述发电设施与所述传输线电连接。

    [2136] 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述发电设施包括燃气轮机或者蒸汽轮机 或者柴油发电机。

    [2137] 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括将所述压缩气体放置为与所述发电设 施热连通。

    [2138] 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括将所述发电设施放置为与所述压缩气 体源通流体。

    [2139] 8. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括将所述可移动部件放置为与所述发电 设施物理连接。

    [2140] 9. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括将所述可移动部件放置为与所述发电 设施电连接。

    [2141] 10. 一种方法， 包括 ：

    [2142] 使压缩气体膨胀以驱动位于腔内的可移动部件 ；

    [2143] 通过所述可移动部件的运动产生电力， 以及

    [2144] 将所述电力提供到电力网， 以平衡所述电力网的发电设施的间歇性输出。

    [2145] 11. 根据权利要求 10 所述的方法， 其中， 通过母线将所述电力供应到所述电力网， 并且所述发电设施通过所述母线与所述网络电连接。

    [2146] 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中， 通过发电机将所述电力供应到所述电力 网， 并且所述发电设施与所述发电机物理连接。

    [2147] 13. 根据权利要求 10 所述的方法， 其中， 将所述电力供应到所述电力网的传输线， 并且所述发电设施与所述传输线电连接。14. 根据权利要求 10 所述的方法， 其中， 所述发电设施包括可再生发电设施。

    [2149] 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述可再生发电设施包括风力涡轮机或 者太阳能采集装置。

    [2150] 16. 根据权利要求 10 所述的方法， 进一步包括将所述压缩气体放置为与所述发电 设施热连通。

    [2151] 17. 根据权利要求 10 所述的方法， 进一步包括将所述发电设施放置为与所述压缩 气体源通流体。

    [2152] 18. 根据权利要求 10 所述的方法， 进一步包括将所述可移动部件放置为与所述发 电设施物理连接。

    [2153] 19. 根据权利要求 10 所述的方法， 进一步包括将所述可移动部件放置为与所述发 电设施电连接。

    [2154] 20. 一种装置， 包括 ：

    [2155] 腔， 所述腔内布置有对所述腔内气体的膨胀做出反应的可移动部件 ；

    [2156] 发电机， 所述发电机与所述可移动部件物理连接并且与电力网的传输层电连接， 以及

    [2157] 压缩气体存储单元， 被构造为选择性地与所述腔通流体， 从而所述发电机在发电 设施的产能提高期将电力提供到所述电力网。

    [2158] 21. 根据权利要求 20 所述的装置， 其中， 所述发电机和所述发电设施通过公共母 线与所述传输层电连接。

    [2159] 22. 根据权利要求 20 所述的装置， 其中， 所述发电设施与所述发电机物理连接以 产生电力。

    [2160] 23. 根据权利要求 20 所述的装置， 其中， 所述发电机和所述发电设施通过公共传 输线与所述传输层电连接。

    [2161] 24. 根据权利要求 20 所述的装置， 进一步包括所述腔与所述发电设施之间的热联 动装置。

    [2162] 25. 根据权利要求 20 所述的装置， 进一步包括所述压缩气体存储单元与所述发电 设施之间的流体联动装置。

    [2163] 26. 根据权利要求 25 所述的装置， 其中， 所述发电设施包括燃气轮机。

    [2164] 27. 根据权利要求 20 所述的装置， 进一步包括与所述压缩气体存储单元通流体的 压缩机。

    [2165] 28. 根据权利要求 27 所述的装置， 进一步包括所述发电设施与所述压缩机之间的 物理联动装置。

    [2166] 29. 根据权利要求 27 所述的装置， 进一步包括与所述可移动部件电连接并且与所 述发电设施电连接的控制器。

    [2167] 30. 一种装置， 包括 ：

    [2168] 腔， 所述腔内布置有对所述腔内气体的膨胀做出反应的可移动部件 ；

    [2169] 发电机， 所述发电机与所述可移动部件物理连接并且与电力网的传输层电连接， 压缩气体存储单元， 被构造为选择性地与所述腔通流体， 从而所述发电机将电力139以及

    [2170] 102365458 A CN 102365479说明书137/205 页提供到所述电力网， 以平衡发电设施的间歇性输出。

    [2171] 31. 根据权利要求 30 所述的装置， 其中， 所述发电机和所述发电设施通过公共母 线与所述传输层电连接。

    [2172] 32. 根据权利要求 31 所述的装置， 其中， 所述发电设施与所述发电机物理连接。

    [2173] 33. 根据权利要求 30 所述的装置， 其中， 所述发电机和所述发电设施通过公共传 输线与所述传输层电连接。

    [2174] 34. 根据权利要求 30 所述的装置， 进一步包括与所述压缩气体存储单元通流体的 压缩机。

    [2175] 35. 根据权利要求 30 所述的装置， 进一步包括所述发电设施与所述压缩机之间的 物理联动装置。

    [2176] 36. 根据权利要求 35 所述的装置， 其中， 所述发电设施包括燃气轮机。

    [2177] 37. 根据权利要求 30 所述的装置， 进一步包括所述腔与所述发电设施之间的热联 动装置。

    [2178] 38. 根据权利要求 30 所述的装置， 进一步包括与所述可移动部件电连接并且与所 述发电设施电连接的控制器。

    [2179] 压缩气体能量存储和复原系统可以包括在电力供应网络中， 终端用户在仪表后。 这种能量存储和复原系统可以起供电和 / 或温度控制的作用。在某些实施例中， 可以利用 从压缩气体的膨胀中恢复的能量来冷却终端用户。根据一些实施例， 从气体的压缩产生的 热量可以用于加热。在用作电源时， 所述压缩气体能量存储和复原系统可以用作终端用户 的不间断电源 (UPS)， 和 / 或可以用于提供使终端用户可以执行抑制峰值和 / 或参与请求响 应程序的能量。

    [2180] 根据本发明的实施例， 压缩气体能量存储和复原系统可以包括在终端用户的仪表 后的电力供应网络中。在一些实施例中， 可以利用气体的压缩产生的能量或从气体的膨胀 中复原的能量 ( 也可以从其他热源供应 ) 来对终端用户进行温度控制 ( 例如冷却和 / 或加 热 )。

    [2181] 在图 60 所示的表中列出了这种温度控制作用的一些参数的例子。

    [2182] 在某些实施例中， 位于消耗层的压缩气体能量存储和复原系统可以提供满足终端 用户的全部或部分需要的能量。 这种电源作用的例子包括但不限于用作不间断电源 (UPS)、 用作使终端用户可以进行日常套利的电源 ( 即每日在低价时从网络购买能量 )、 用作使终 端可以参与请求响应程序的电源、 用作使终端用户将消耗减小到历史峰值水平之下的电 源、 和 / 或用作在来自可再生能源 ( 诸如风力涡轮机或光伏 (PV) 阵列 ) 的供给变化或间断 时供应能量的电源。

    [2183] 在图 62 所示的表中列出了这种电源作用的一些参数的例子。

    [2184] 小的终端用户的例子包括单独的居所或小的业务。 中等的终端用户的例子包括哪 些具有较大能量和 / 或温度控制需求的用户， 例如， 医院、 办公楼、 大型商店、 工厂或数据存 储中心。大的终端用户可以包括由多个单独的实体形成的用户， 例如购物中心、 住宅小区、 学术或行政大学、 或者诸如机场、 码头或铁路等交通中心。

    [2185] 图 66 示出将压缩气体存储系统的各种实施例包括在电力网中。图 66 示出， 在某 些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统 6640a 可以与终端用户 6606a 一起包括在仪表6634a 之后的用电层中。 在这种构造中， 终端用户与能量存储和复原系统之间可以具有多个 不同类型的连接装置 6650( 包括但不限于物理的、 热学的、 电气的、 流体的和 / 或通讯 )。

    [2186] 图 66 还示出了， 在其它实施例中， 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统 6640b 可以与终端用户 6606b 及一个或多个局部能量源 6655 一起位于仪表 6634b 之后。这 种局部能量源的例子包括但不限于风力涡轮机和诸如屋顶光伏 (PV) 阵列和 / 或热学太阳 能系统的太阳能获取设备。 在此构造中， 终端用户与能量存储和复原系统之间、 终端用户和 局部发电机之间、 和 / 或能量存储和复原系统和局部能量源之间， 可以具有多个不同类型 的联动装置 6650( 包括但不限于物理的、 电气的、 通讯、 热学的和 / 或流体的 )。

    [2187] 图 69 示出了根据本发明实施例的压缩气体存储和复原系统的一个实施例的简化 框图。具体地， 压缩气体存储和复原系统 6901 包括被构造为与终端用户 6950 和仪表 6992 电连接的电机 / 发电机 (M/G)6904。

    [2188] 电机 / 发电机 (M/G)6904 通过物理连接装置 6921 和离合器 6922 与专用的压缩机 (C)6902 选择性的物理连通。 电机 / 发电机 (M/G)6904 还通过连接装置 6923 和离合器 6924 与专用的膨胀机 (E)6905 选择性的物理连通。

    [2189] 专用的压缩机 (C)6902 与进气口 6903 选择性地液体连通。 专用的压缩机的出气口 6947 通过逆流热交换器 6928 和单向阀 6909 与压缩气体存储单元 6932 选择性的通流体。

    [2190] 在某些实施例中， 压缩气体存储单元 6932 可以与热源选择性的连通。例如， 压缩 气体存储单元可以放置为与太阳热连通， 从而在白天吸收太阳能。 在某些实施例中， 存储单 元可以涂覆有促进热能吸收的材料， 例如深色涂料。

    [2191] 在某些实施例中， 压缩气体存储单元可以在诸如玻璃的光学透明屏障之后与太阳 热连通。屏障可以用于俘获来自太阳射线的红外线 (IR) 辐射， 从而进一步提高在白天对压 缩气体的加热。

    [2192] 专用膨胀机 (E) 的进气口 6949 通过逆流热交换器 6928 和单向阀 6911 与压缩气 体存储单元 6932 选择性的通流体。所述专用的膨胀机与出气口 6907 选择性的通流体。

    [2193] 如上所述， 在受控制的温度变化的条件下， 本发明的实施例利用与被引入液体进 行的热交换来实现有效的能量存储和恢复。在某些实施例中， 这些受控制的温度条件可以 引起接近等温的气体压缩或膨胀。

    [2194] 系统中现存的热能可以通过各种热连接装置传播。 根据本发明的实施例的热连接 装置可以包括一个或多个部件， 其被构造为以各种方式结合从而使热量可以从一个物理位 置传送到另一物理位置。 热连接装置的可能部件的例子包括但不限于液流导管、 气流导管、 热管、 热交换器、 环状热管以及热虹吸管。

    [2195] 例如， 专用的压缩机可以通过热连接装置 6961 与热沉 6962 选择性的热连通。此 热连接装置可以从压缩气体传送热量形式的热能。

    [2196] 专用的膨胀机可以通过热连接装置 6964 与热源 6988 选择性的热连通。此热连接 装置可以从膨胀气体传送的冷却形式的热能。

    [2197] 该专用的压缩机可以包括被构造为从压缩气体以热量形式传送热能的热连接装 置 6963。这种热量形式的热能可以通过开关 6984 选择性地流出系统， 或者通过热连接装 置 6982 流到终端用户。在某些实施例中， 热连接装置 6982 可以以压缩气体本身的形式传 送热量。 在某些实施例中， 热连接装置可以以液体形式传送热量， 该液体与压缩气体进行了热交换。 专用的膨胀机可以包括被构造为从膨胀气体以冷却形式传送热能的热连接装置 6973。这种冷却形式的热能可以通过开关 6981 选择性地流出系统， 或者通过热连接装置 6980 流到终端用户。 在某些实施例中， 热连接装置 6973 可以以膨胀气体本身的形式传送寒 冷。 在某些实施例中， 热连接装置可以以液体形式传送寒冷， 该液体与膨胀气体进行了热交 换。

    [2199] 在某些实施例中， 热连接装置 6980 和 6982 可以被构造为与在终端用户中的现 有的供热通风与空气调节 (HVAC) 系统通过接口结合。这种标准 HVAC 系统的例子包括但 不限于从以下制造商购买 ： AAON、 Addison ProductsCompany、 Allied Thermal Systems、 American Standard 、 Armstrong、 Bard、 Burnham 、 Carrier 、 Coleman、 Comfortmaker 、 Goodman、 Heil、 Lennox、 Nordyne、 Peake Industries Limited、 Rheem、 Trane 以 及 York International。

    [2200] 典型的住宅 HVAC 系统可以包括空调、 热泵、 组装式 (packaged) 燃气电器 (gas electric)、 组装式热泵、 组装式空调、 组装的 (packaged) 双燃料、 空气处理器和炉子。典型 的商用 HVAC 系统可以包括组装的户外装置， 包括利用 制冷剂的组装式屋顶装置、 利用 R-22 制冷剂的组装式屋顶装置和 100％ Dedicated 的户外空气装置。 室内的商用 HVAC 系统包括室内独立装置、 水源热泵以及组装式终端空调。

    [2201] 商用 HVAC 系统还可以是组装式分离系统的形式。例子包括分离系统 (6 至 130 吨 )、 分离系统 (1.5 至 5 吨 )、 冷凝器、 无管道系统、 炉子和盘管 (coil)。

    [2202] 冷却装置的例子包括但不限于风冷冷却装置、 水冷冷却装置、 非冷凝器冷却装置， 并且可以包括冷凝器和其他冷却装置组件。

    [2203] 空边设备可以包括但不限于空气处理器、 空气终端盘管、 风机盘管、 热 / 能量恢复 单元、 感应单元、 地板下空气分布系统和单元通风设备。 加热设备的例子包括但不限于锅炉 和炉子。

    [2204] 在许多实施例中， 热连接装置可以包括是液流回路的一部分的流体导管。在某些 实施例中， 通过直接或间接加热终端用户而被冷却 ( 或通过直接或间接冷却终端用户而被 加热 ) 的液体可以返回系统。

    [2205] 因此在某些实施例中， 从压缩机流出的被加热的液体在暴露于 re 热沉 ( 可以是需 要加热的终端用户 ) 之后可以循环回到压缩机。同样， 从膨胀机流出的被冷却的液体在暴 露于热源 ( 可以是需要冷却的终端用户 ) 之后可以循环回到膨胀机。在这两种情况中， 通 过一个或多个热交换器结构会发生热量传播。

    [2206] 在某些实施例中， 从膨胀机出来的冷却气体在暴露于热源 ( 需要冷却的终端用户 的形式 ) 之后可以循环返回压缩机。同样， 从压缩机出来的被加热气体在暴露于热沉 ( 需 要加热的终端用户的形式 ) 之后可以循环返回膨胀机。在这种情况中， 通过一个或多个热 交换器结构会发生热量传播。

    [2207] 此外， 热连接装置不需要包括单个部件。 利用各种类型的热交换器， 热能可以从流 过液体导管的液体传送到流过气体导管的气体 ( 反之亦然 )。这种热交换器可以位于各种 不同的位置， 范围从原始热交换地点到终端用户内。 在某些实施例中， 热连接装置的一个或 多个组件可以包括热管， 在所述热管中流体在气体和液体之间相变。

    [2198] 图 69A-D 是图示热连接装置可以与终端用户结合的各种方法的简化图。图 69A 示 出了一个实施例， 其中， 热连接装置 6957 运载冷的液体， 并且终端用户组件 6950 包括热交 换器 6951， 在所述热交换器 6951 中， 热连接装置中的冷被传送给空气。

    [2209] 在一些实施例中， 空气通过充气室 6952 移动， 然后进入通风管道联结 6953。在某 些实施例中， 空气直接从热交换器移动到所述联结。

    [2210] 然后， 冷空气进入按照一定的技术标准设计的供热通风与空气调节 (HVAC) 系统 6954。 在通过热交换器时被加温的液体经由连接装置 6955 排出到终端用户组件 6950 之外。 在某些实施例中， 此连接装置可以使被加温的液体循环返回系统。

    [2211] 本发明不限于图 69A 所示的特定实施例。例如， 在某些实施例中， 热量可以沿相反 方法流动。连接装置 6955 可以将热的液体运载到热交换器， 在充气室中加热气体。然后热 的空气通过空气管道联结运输到 HVAC 系统。在通过热交换器时被冷却的液体经由连接装 置 6957 排出到终端用户组件 6950 之外。

    [2212] 图 69B 示出另一实施例， 其中热连接装置 6957 运载冷的空气， 并且终端用户组件 6950 包括联结到上述 HVAC 系统 6954 的空气管道联结 6953， 和从 HVAC 系统 6954 到热连接 装置 6955 的空气管道连接 6956， 所述热连接装置 6955 运载从 HVAC 系统返回的温的空气。

    [2213] 或者， 热连接装置 6955 运载热空气并且终端用户组件 6950 包括连接到上述 HVAC 系统的空气管道联结和从 HVAC 系统到热连接装置 6957 的空气管道联结。 该连接装置 6957 运载从 HVAC 系统返回的冷却空气。

    [2214] 图 69C 示出了另一实施例， 其中， 热连接装置 6957 运载冷空气， 并且终端用户组件 6950 包括除湿器 6958 连接到与上述 HVAC 系统连接的空气管道联结 6953 以及从 HVAC 系统 到热连接装置 6955 的空气管道联结 6956。该连接装置 6955 从运载 HVAC 系统返回的温的 空气。

    [2215] 图 69D 示出又一实施例， 其中， 热连接装置 6957 运载冷的液体， 并且终端用户组件 6950 包括管道联结 6959。

    [2216] 管道联结连接到冷却器负荷 6999， 例如， 超市中的冰箱。 穿过冷却器负荷被加温的 液体穿过管道联结并且经由热连接装置 6955 排出到终端用户组件 6950 外。

    [2217] 如上所述， 本发明的实施例可以采用气体管道连接来进行热能交流。例如， 图 69A 的实施例的热交换器设备可以通过充气室将冷或热的空气经由空气管道连接传送到 HVAC 系统。在图 69B 的实施例中， 热连接装置可以被构造为经由空气管道连接将热或冷空气直 接传送到 HVAC 系统。 在图 69C 的实施例中， 热连接装置可以被构造为向除湿器供应冷空气， 该除湿器可以经由空气管道连接与 HVAC 系统连接。热连接装置可以被构造为从 HVAC 系统 经由空气管道连接接收热空气。

    [2218] 根据本发明的实施例的这种气体管道连接可以包括由以下管道连接组件中的一 个或多个形成的管道系统 ： 管道密封剂， 包括液体密封剂、 胶粘剂、 垫片、 胶带、 供热材料、 以 及胶粘剂和嵌入织物的结合物 ； 横向接缝加固物， 包括但不限于持久推力链 (drive slip)、 持久的 S 式成对角状物、 法兰接合加固物、 平焊法兰接缝加固物、 持久缝接合加固物、 以及 焊接法兰接缝加固物 ； 挠性管道连接器， 包括但不限于非金属管道夹具、 金属夹具、 套管 ( 包括辊口、 向外展开的、 楔形榫、 辊口圆锥形的、 辊口直的、 4” 套筒和套管 ( 导管最小尺 寸 2” )； 配件， 类型 re 1 ： 半径弯头， 类型 re 2 ： 具有叶片的方形狭道弯头， 类型 re 3 ： 具有叶片的弧形弯头， 类型 re 4 ： 没有叶片的方形狭道弯头， 类型 re 5 ： 双弧形弯头， 类型 re 6： 斜接弯头， 类型 re 7 ： 45°狭道、 45°垫片， 类型 re 8 ： 45°狭道、 半径垫片， 类型 re 9 ： 45°狭道、 90°垫片， 类型 re 10 ： 、 半径狭道、 90°垫片 )。

    [2219] 管道系统可以符合 HVAC 管道构造标准 (HVAC Duct ConstructionStandard) ： 美 国 金 属 散 热 与 空 气 调 节 承 包 商 协 会 (SMACNA， Sheet Metal andAir Conditioning Contractor′ s National Association) 的金属和挠性 (2005) 标准， 其全部内容通过引用 合并于此， 以用于所有用途。

    [2220] 根据本发明的实施例可以使用各种类型的管道系统， 以在从低压到 1000Pa 压强 的压强范围传送气体。在某些实施例中， 管道可以包括镀锌钢材。该管道可以包括形成为 质量满足 ASTM A525 的扣锁， ASTM A525 是用于钢片、 镀锌制品 ( 热浸镀锌的 )、 G90 镀锌制 品的规定。

    [2221] 在某些实施例中， 管道包括螺旋形、 圆形和扁平椭圆形的管道和设备。在某些 实施例中， 管道可包括螺旋圆形管道， 其可以被校准与制造商出版的尺寸公差标准一致。 350mm(14 英寸 ) 或更大的螺旋形管道形成有褶皱以加强度和硬度。 通过平接缝和沿螺旋形 接缝隔开的机械地形成的凹痕可以防止螺旋形接缝滑移。

    [2222] 在一些实施例中， 管道可以包括制造的带法兰的管道接头， 其例子包括但不限于 垫圈式的拉力环或加强的带法兰和垫圈式的拉力环。可接受的标准的例子包括但不限于 DUCTMATE、 NEXUS 和 McGiIl Airflow Flange/HoopConnector、 SPIRALMATE 或 OVALMATE。

    [2223] 可以使用各种密封剂。 某些类型的密封剂使用水基聚合物、 不可燃的、 高速管道密 封化合物。一些密封剂可以达到 NFPA90A 和 9OB 的要求。密封剂可以是抗油的。密封剂可 以是在 UL Class1 中列出的。

    [2224] 密封剂可以具有从 -7℃至 +93℃ (20F°至 +200° F) 的温度范围。密封剂的接受 的标准包括 DYN-O-SEAL(-40° F 至 +200° F)、 Foster 32-17 和 Foster 32-19。

    [2225] 可以使用各种胶布。一个例子是 PVC 处理的、 不可燃的、 稀疏的 ( 纱布 ) 玻璃纤维 胶布。该胶布可以是 UL 中列出的。

    [2226] 在 某 些 实 施 例 中， 胶 布 可 以 具 有 50mm(2 英 寸 ) 的 宽 度。 可 接 受 的 标 准 包 括 DURODYNE FT-2 和 HARDCAST FS-150。

    [2227] 可以用多种方法安装管道。可以根据 SMACNA 标准安装管道。

    [2228] 在某些实施例中可以使用压力构造。下表给出低压管道系统构造分级 ：

    [2229] 可以根据功能确定管道构造、 片的规格、 加固和支撑分级， 如下所述 ： ·从风扇的排放侧供应空气管道系统 ： 750Pa(3 单位 WG) 级 ； ·在风扇的进口侧返回空气管道系统 ： 250Pa(1 单位 WG) 级 ； ·在风扇的排放侧排出空气管道系统 ： 250Pa(1 单位 WG) 级 ； ·在风扇的进口侧排出空气管道系统 ： 500Pa(2 单位 WG) 级。 可以根据下表确定低压管道密封分级 ：

    [2236] 管道密封结构如下 ：

    [2238] ·从风扇的排放侧供应空气管道系统 ： 密封级 A ；

    [2239] ·在风扇的排放侧返回空气管道系统 ： 密封级 B ；

    [2240] ·在风扇的进口侧返回空气管道系统 ： 密封级 B ；

    [2241] ·在风扇的排放侧排出空气管道系统 ： 密封级 B ；

    [2242] ·在风扇的进口侧排出空气管道系统 ： 密封级 B。

    [2243] 根据本发明的实施例可以采用挠性管道。

    [2244] 这种挠性管道系统的适用标准包括但不限于以下最新版本 ：

    [2245] ·UL 181 ；

    [2246] ·美国国家防火协会 (NFPA)9OA 和 9OB ；

    [2247] ·SMACNA 的挠性管道安装标准。

    [2248] 根据本发明而采用的挠性管道的实施例的最大火焰蔓延额定值可以为 25 并且最 大冒烟指数为 50。

    [2249] 根据本发明而使用的挠性管道系统的实施例可以包括工厂制造的半刚性非绝热 铝制管道系统。挠性管道系统可以螺旋地缠绕并且与三重卷边接缝机械接合。管道系统之 间的接缝可以形成持续气密和防漏接头。管道系统可以是 UL Class 1 中列出的。

    [2250] 在某些实施例中， 挠性管道可以显示以下操作特性中的一个或多个 ：

    [2251] ·约为 2500Pa(10 单位 WG) 的最大正压强 ；

    [2252] ·约为 250Pa(1 单位 WG) 的最大负压强 ；

    [2237] ·约为 20.3m/s(4000ft/min) 的最大气体速率 ；

    [2254] ·约在 -50℃至 320℃ (-60° F 至 600° F) 之间的温度范围。

    [2255] 根据一些实施例， 可以使用绝热挠性管道系统。某些实施例可以包括工厂制造的 半刚性绝热铝制管道系统。 所述绝热挠性管道系统可以螺旋缠绕并与三重卷边接缝机械接 合。绝热挠性管道系统可以采用接缝来形成持续的气密和防漏接头。绝热挠性管道系统可 以是 UL Class 1 中列出的。绝热挠性管道系统可以制造为缠绕有 25mm(1 英寸 ) 玻璃纤维 绝缘材料， 该玻璃纤维绝缘材料被隔汽层 ( 聚乙烯套筒 ) 覆盖。

    [2256] 在某些实施例中， 绝热挠性管道系统可以显示以下性能特性中的一个或多个 ： 20

    [2257] ·不大于约 0.24Btu/h/ft F 的平均热量损失 / 增加 ；

    [2258] ·约为 2500Pa(10WG) 的最大正压强 ；

    [2259] ·约为 250Pa(1WG) 的最大负压强 ；

    [2260] ·约为 20.3m/s(4000ft/min) 的最大气体速率 ；

    [2261] ·约在 -40℃至 250℃之间的温度范围。

    [2262] 根据本发明的实施例的挠性管道系统可以安装有不大于约 3m(10ft) 长的挠性管 道馈送衬板出口。在某些实施例中， 密封化合物和 / 或胶带可以使用在金属片和挠性管道 之间的连接点处。利用金属片螺栓可以形成进一步的机械连接。挠性管道系统的各种实施 例可以具有这样的弯曲， 该弯曲的中轴的半径大于一个管道直径。

    [2263] 在某些实施例中， 可以利用被构造为运载液体的连接装置交流热能。例如， 图 69A 的实施例包括被构造为通过热交换器设备传送冷的和热的液体的热连接装置。图 69D 的实 施例使用被构造为经由液体管道连接将冷和 / 或热直接传送到冷却器负荷的热连接装置。

    [2264] 根据本发明的实施例的这种液体管道连接可以由下述一个或多个组件形成， 所述 组件包括但不限于 ： 诸如配件 ( 可以由铜、 黑管 (black pipe)、 黄铜、 镀锌钢材或 PVC 形成 ) 的管道密封物、 螺纹接套 ( 可以由铜、 黑管、 黄铜、 镀锌钢材或 PVC 形成 )、 无毂管接头、 管夹 和管架衬垫 (pipe hanger inserts)。

    [2265] 多种类型的钢管可以用做液体管道传输。 例子包括根据目录 40、 无缝的 NPS 2& 以 下、 根据目录 40 无缝或电阻焊 (ERW) 的 NPS 21/2-3、 以及根据目录 40、 ERW 的 NPS 4-8。适 用标准包括 ASTM A53 或 Al 35、 Grade B。

    [2266] 各种接头可以用于连接液体管道管。 螺纹接头的例子包括根据标准 ANSIB 1.20.1 利用锥管螺纹和特氟龙胶带或粉末状铅膏接合剂的 NPS 2& 以下、 或根据标准 ASME B 16.39 的具有黑可锻铸铁、 青铜面、 接地接头 (ground joint) 组合。还可以使用 NPS 2& 以 上的螺纹接头。

    [2267] 还可以使用焊接接头来连接输运的液体管。焊接接头的例子包括在标准 ANSI B16.11 下 利 用 承 插 焊 接 配 件 的 NPS 2& 以 下。NPS 21/2& 以 上 的 接 头 可 以 包 括 CSA W47.1-1983 下的凸面法兰、 ANSI B18.2.1、 B2.2.2 下的法兰螺栓 & 螺母、 以及法兰垫片 ； 垫 片可以是 ANSI B 16.21、 B 16.20、 A21.11 下厚度为 1.6mm(1/16 英寸 ) 的弹性片或其他适 合的材料。

    [2268] 槽形接头也可以连接连接液体管道管。 槽形接头的例子包括利用机械接头轧制或 切割成槽标准的 NPS 21/2& 以上， 与 EPDM 垫片刚性联结。接受的标准包括 Victaulic 和 Gruvlock。适用标准为 CSAB242-M1980。各 种 类 型 的 配 件 可 以 用 作 液 体 管 道， 所述液体管道预期将经历上至约 1035kPa(150psi) 的压强。在此压强范围的 NPS 2& 以下的螺纹配件包括螺纹可锻铸铁、 在 ANSI B 16.3 标准下的 Class 150， 以及在 ASME B 16.39 标准下的黑可锻铸铁、 青铜面、 接 地接头的组合。

    [2270] 焊接配件可以用作液体管道， 所述液体管道预期将经历上至约 1035kPa(150psi) 的压强， 所述焊接配件包括利用锻钢、 Class 150、 凸面管法兰、 焊接颈、 套装的或锻钢对接 焊型的 NPS 21/2& 以上 ； 壁厚匹配管道。接受的标准包括 Weldbend、 Tube Turns 和 Bonney Forge。适用标准为 ANSI B 16.5。

    [2271] 用作预期将经历上至约 1035kPa(150psi) 的压强的液体管道凹槽配件包括在标 准 ASTMA47-77 下利用可锻铸铁或在标准 ASTMA536-80 的球墨铸铁的 NPS 21/2& 以上。接 受的标准包括 Victaulic 和 Gruvlock。

    [2272] 各种类型的配件可以用作预期将经历上至约 2070kPa(300psi) 的压强的液体管 道。NPS 2& 以下的螺纹配件可以使用螺纹可锻铸铁， ANSI B 16.3 标准下的 Class 300。

    [2273] 焊接配件也可以用作预期将经历更高压强的液体管道。对于 NPS 2& 以下来说， 可以使用锻钢的焊接配件 Class 300， 接收标准为 ANSI 16.11 标准下的 Bonney Forge 和 Anvil(Grinnell)。也可以使用 MSS-SP-83 标准下的锻钢 Class300、 青铜面、 接地接头的组 合。

    [2274] 对于 NPS 21/2& 或以上来说， 可以使用锻钢、 Class 300、 凸面管法兰的焊接配件 和焊接颈或套装。也可以使用壁厚与管匹配的锻钢对接焊型。接受的标准包括 Weldbend、 Tube Turns 和 Bonney Forge。适用标准包括 ANSI B 16.5。

    [2275] 凹槽配件也可以在此压强范围内使用。 NPS 21/2& 以上可以使用标准 ASTM A47-77 下的可锻铸铁或可以使用标准 ASTM A536-80 下的球墨铸铁。接受的标准包括 Victaulic 和 Gruvlock。

    [2276] 焊接分支连接配件也可以在更高的压强范围内用于所有管道尺寸。 这些配件可以 是壁厚为管道的最小厚度的锻钢， 所述分支配件焊接到所述管道。接受的标准包括 Bonney Forge″ O-let″配件和 Anvil(Grinnell)″ Anvilet″配件。 所述配件符合 ANSI B31.1 标 准。

    [2277] 在用于加热和冷却的液体管道中可以使用多种阀门类型。闸阀可以用于上至约 1035kPa(150psi) 的压强。 对于 NPS 2& 以下来说， 阀门可以焊接有明杆、 具有青铜主体和有 螺纹的阀盖的 Class 150、 结实的闸板。接受的标准为 Kitz 44。

    [2278] 在此压力范围， 也可以使用螺纹闸阀， 其可以包括明杆、 具有青铜主体和有螺纹的 阀盖的 Class 150、 结实的闸板。 接受的标准为 Kitz 44。 NPS 2 和以下的螺纹阀门符合 MSS SP-80 和 / 或 ANSI/ASME B 16.34。

    [2279] 对于 NPS 21/2& 以上来说， 法兰闸阀可以用于此压强范围， 包括明杆、 具有平面 法兰的 Class 125、 铸铁主体、 青铜镶边、 结实的闸板、 螺栓阀盖、 OS&Y(Outside Screw and Yoke， 明杆支架 )。接受的标准为 Kitz 72。法兰闸阀符合 MSS SP-70 和 / 或 ANSI/ASME B 16.5 标准。

    [2280] 对于上至 2070kPa(300psi) 的压强来说， 可以使用球阀。对于 NPS 2& 以下， 可以 焊接球阀或在球阀上形成螺纹。焊接球阀可以包括至少 600psi WOG 两片青铜或黄铜主体、全流道镀铬青铜或不锈钢球、 PTFE 座和密封的防爆裂接缝。接受的标准为 Kitz59。螺纹球 阀可以包括至少 600psi WOG 两片青铜或黄铜主体、 全流道不锈钢球、 PTFE 座和密封的防爆 裂阀杆。接受的标准为 Kitz58。这种球阀符合 ANSI/ASME B16.34 标准。

    [2281] 对于 NPS 21/2 至 12 来说， 可以使用蝶阀。该蝶阀的例子是槽形的、 Class150 长颈设计的可锻铸铁或球墨铸铁体、 铝青铜阀瓣、 EPDM( 三元乙丙橡胶 )Grade“E” 衬垫， 93℃ (200° F) 的工作温度。 接受的标准为 Victaulic Series 300。 该阀门符合 ANSI/ASME B 16.34 或 ANSI/ASME B 16.5 标准。

    [2282] 对于上至 4100kPa(600psi) 的压强来说， 可以使用球阀。对于 NPS 2 至 4 来说， 球阀可以是开槽的、 具有 600psi WOG、 球墨铸铁阀体、 不锈钢球和阀杆、 标准端口、 指定的锁 闭阀、 TFE 座和封条。接受的标准包括 Victaulic Series721 和 Gruvlok。该球阀符合 MSS SP-70 或 ANSI/ASME B 16.5 标准。

    [2283] 对于上至约 1035kPa(150psi) 的压强来说， 可以使用旋启式止回阀。 NPS2& 以下可 以使用焊接的或形成螺纹的旋启式止回阀。焊接的旋启式止回阀可以是 Class 150、 Y 图案 青铜阀体、 青铜旋启式阀瓣、 一体式阀座、 拧入式阀帽， 接受的标准为 Kitz 30-。 螺纹的旋启 式止回阀可以是 Class 150、 Y 图案青铜阀体、 青铜旋启式阀瓣、 一体式阀座、 拧入式阀帽， 接受的标准为 Kitz 29。这种焊接或螺纹旋启式止回阀符合 MSS SP-80 和 / 或 ANSI/ASME B 16.34 标准。

    [2284] NPS 21/2 或以上可以使用 Class 125 的具有平面法兰、 铸铁阀体、 可再生青铜阀 座环、 青铜旋启式阀瓣的法兰旋启式止回阀。 接受的标准包括 Kitz 78。 这种法兰旋启式止 回阀符合 MSS SP-71 和 / 或 ANSI/ASME B 16.5。

    [2285] 来自根据本发明某些实施例的系统的热连接装置可以与制冷设备连通。 该制冷组 件符合加拿大标准协会 (CSA) 的标准 B52、 ARI、 ASME 和 ASHRAE 规范和在进行试验、 建立组 件等级时使用的标准。

    [2286] 制冷组件的例子是制冷管。其中使用卤素制冷剂， 管可以采用工厂清洁和密封的 无缝 ACR 铜。这种管符合 ASTM B280 标准。

    [2287] 配件是制冷组件的另一个例子。 对于配件来说， 可以使用长半径弯头和回弯管。 这 些配件可以由熟铜或锻造黄铜焊料类形成。所述配件符合 ASME B16.22 标准。

    [2288] 接头是制冷组件的再一个例子。某些实施例可以采用与铜配件连接的铜管。这种 接头的材料的例子包括但不限于符合 CSA B52 标准的 SIL-FOS-15 磷铜银合金。

    [2289] 某些实施例可以采用黄铜配件。这些配件可以包括 2500PSI 焊料， 符合 CSAB52 标 准。

    [2290] 在一些实施例中， 对设备或附件的连接可以用 95-5 焊料来实现， 并且符合 CSA B52 标准。

    [2291] 在某些实施例中可以使用挠性连接。 根据本发明的一些实施例可以使用包括无缝 挠性青铜管的挠性连接。本发明的一些实施例可以使用包括更大尺寸的青铜金属编织罩。 所述连接符合 CSA B52 标准。

    [2292] 根据某些实施例， 可以如下地安装制冷管。如果出现污垢、 锉屑或可见的湿气， 则 可以用吸收冷冻油的布擦拭每段制冷管。 除了在制造接头时之外， 管的末端可以保持密封。 保持最少的弯头和配件。运载气体的水平管沿流动方向向下分级 1 ∶ 240。管线每隔不超过 8 英尺被支撑并且被固定。

    [2293] 在适当的地方可以提供膨胀旋启式接头、 导管和支架。 当与制冷管接触时， 导管和 支架可以是镀铜的。

    [2294] 支架可以适当地固定到建筑结构。 振动消除器可以是与制冷管相同的 “Anaconda” 尺寸。

    [2295] 液体管线过滤器干燥机和窥视镜可以是 “Sporlan” 尺寸并且容量适于制冷管和负 载并且与制造商的建议一致。吸入管线 P 型存水弯可以设置在每个蒸发器的底部以及水平 每 50 英尺和竖直每 20 英尺。螺线管阀应该是 “Sporlan” 尺寸以适合容量并且电磁线圈电 压应该与控制系统协调。当安装多个线路时， 管道可以分布为至少 6 个以用于膨胀和收缩。

    [2296] 在管道和夹具之间可以使用 “HYDRAZORB” 或 “CUSH-A-CLAMP” 橡胶孔环来防止线 路磨损。大于 1.7 米 (5 英尺 ) 的竖直升管 (riser) 存在于吸入线路中， 所述生管可以与下 一水平部分的顶部连接。螺栓和法兰接头仅限于不可用于铜焊模式的装备连接。干燥的氮 气在渗出连接时可以流入管道中。可以利用在 620℃ (1148° F) 或更低的温度熔化的合金 将挠性管道减震器和接头连接器钎焊在密封的不漏气压缩机上。

    [2297] 可以设置两个抽空配件。一个可以在吸入管线中的吸入管线过滤器的入口侧， 一 个可以位于液体管线中的过滤器干燥机的出口侧。 液体管线中的连接可以装有阀门以用作 填充阀。连接应该至少为 1/4 英寸。根据最新版本的 CSAB52 卸压。

    [2298] 可以如下地进行泄漏和压强试验。泄漏试验可以在排空系统之前进行。试验 遵 循 最 新 版 本 的 CSAB52， 在 高 压 侧 采 用 2070kPa(300psi) 的 标 准 压 强， 在低压侧采用 1050kPa(150psi) 的压强。干燥的氮气可以用于增加压强。设备可以被构造为用干燥的氮 气现场测试高压侧和低压侧的压强。可以利用肥皂溶液或诸如 “SNOOP” 的专用检漏工具或 荧光追踪器检测泄漏。

    [2299] 返回图 69， 各种类型的传感器可以位于整个系统的各个位置， 所述传感器包括湿 度 (H) 传感器、 体积 (V) 传感器、 温度 (T) 传感器和压力 (P) 传感器， 以及诸如阀门状态传 感器的其他传感器 (S)。这些传感器可以与中央控制器 6996 电通信。

    [2300] 具体地， 系统 6901 的各种元件与中央控制器或处理器 6996 通信， 中央控制器或处 理器 6996 通信进而与计算机可读存储介质 6994 电通信。基于存储在计算机读存储介质 6994 中的计算机编码形式的指令， 可以操作控制器或处理器 6996 以控制系统 6901 的各种 元件。这种控制可以基于从系统中的各种传感器接收的数据、 根据该数据计算的值、 和/或 通过控制器或处理器 6996 从包共处一处的作源 (co-situated source)( 诸如终端用户或 如下讨论的共处一处的能量发电机 ) 的各种源或从诸如网络或智能电网的外部源接收的 信息。

    [2301] 现在描述压缩气体能量存储和复原系统的操作。 如前所述， 在某些作用中， 系统提 供对终端用户的温度控制， 例如以空调和 / 或加热的方式。这种冷却或加热通过设置在终 端用户和专用的压缩机和专用的膨胀机之间的热连接装置来完成。

    [2302] 具体地， 存储在存储单元中的压缩气体可以通过单向阀 6911 流入专用的膨胀机。 根据基本热力学原理， 在所述膨胀机中进行膨胀的压缩气体倾向于经历温度降低。来自该 气体膨胀过程的热能流可以通过热连接装置 6980 和开关 6981 用于冷却终端用户。

    [2303] 具体地， 通过在近等温的条件下进行气体膨胀可以提高热力学冷却效率， 这使得温度变化最小化并且减少热能损失。在某些实施例中， 可以利用膨胀气体和存在于膨胀气 体中的液体 ( 诸如水或油 ) 之间的热交换获得这种近等温条件。具体地， 液体的相对高的 热容量以及液滴提供的大表面积， 使得热量从液体有效地传送到膨胀气体。在从膨胀的气 雾中分离之后， 通过向膨胀气体传送热量而冷却的液体可以继而通过热连接装置流到终端 用户以执行冷却功能。

    [2304] 尽管图 69 示出和表示的特定实施例集中讨论了来自膨胀气体的能量的存储和恢 复， 但是本发明不必须如此。根据本发明的替换实施例可以利用位于仪表后和终端用户在 一起的其它形式的能量存储系统， 如同以上结合发电层中的定位所描述的。

    [2305] 图 69 示出的压缩气体能量存储和复原系统的实施例在某些方面与图 28 的制冷设 备的实施例不同。例如， 图 28 的制冷设备与在单个压缩机 / 膨胀机单元中的压缩机和膨胀 机联结在一起。

    [2306] 此外， 示出了图 28 的制冷设备， 但是没有给出用于存储已被压缩的气体的结构的 规定。然而， 如结合图 28 所讨论的， 在 A 位置可以容易地修改该设备以包括气体存储单元。

    [2307] 图 28 所示的制冷设备还缺少单独的产生能量的能力。然而， 在替换实施例中， 压 缩机膨胀机单元的膨胀机元件可以容易地被设置为与发动机物理连接以发电。 这种发电方 式的有用之处在于 ： 1) 存储用于稍后使用的压缩气体的能力是现有的， 和 / 或在于 2) 膨胀 机与外部热源热量连通以增大其能量输出的大小。

    [2308] 尽管它们不同， 但是可以知道， 图 28 的制冷系统和图 69 的能量存储和复原系统利 用相同的原理进行运作。具体地， 都利用从膨胀的气 / 液混合物分离的液体执行温度控制 功能。

    [2309] 上面的图 28-32 关注产生降温的气体膨胀的效应。然而本发明不限于此应用， 并 且其它实施例可以提供热效应。

    [2310] 根据基本热力学原理， 在压缩机中压缩的气体倾向于温度增加。 因此， 以与上述汽 雾制冷类似的方法， 通过暴露于压缩气体而被加热的注入液体可以通过开关 6981 和热连 接装置 6980 被分离并流动以加热终端用户。

    [2311] 尽管上述讨论集中在用于温度控制的压缩气体能量存储和复原系统的使用， 但是 本发明的实施方式不限于此应用。具体地， 在专用膨胀机中的气体膨胀产生能够用于提供 能量的物理功。

    [2312] 因此， 返回图 69， 专用膨胀机 6905 可以包括与热连接装置 6923 物理连接的可移动 件。

    [2313] 结合图 69 的实施例， 图 50B 的专用膨胀机的细节图示出了气体的膨胀可以驱动可 移动件、 向诸如图 69 的连接装置 6923 的连接装置输出物理能量。可以用多种方法利用这 种机械、 液压或气动形式的物理能量。

    [2314] 例如， 输出到连接装置 6923 的能量可以传输到第二连接装置 6921 以驱动位于专 用压缩机 6902 中的第二可移动件。以此方式， 启动第二可移动件压缩气体并使气体流入存 储单元可以用于补充膨胀可用的压缩气体的供应。 尽管图 69 的特定实施例示出了单独和有区别的连接装置 6921 和 6923， 但是本发 明不必须如此。在某些实施例中， 连接装置 6921 和 6923 可以是相同的结构， 例如在作为可 移动件的往复活塞之间的共用曲柄轴。 这种构造有助于膨胀机和压缩机元件之间的有效的

    [2315] 能量传输， 以向存储单元提供压缩气体。

    [2316] 在某些操作模式中， 来自被膨胀机驱动的连接装置 6923 的能量基本保持在系统 中。具体地， 从压缩气体中复原的能量可以用于冷却和 / 或补充压缩气体的供应。因此， 没 有净电能从电动机 / 发电机输出。

    [2317] 然而， 其它操作任务需要压缩气体能量存储系统来用作电源。因此， 在某些应用 ( 包括但不限于 UPS、 峰值负载抑制、 请求响应和可再生均衡 ) 中， 压缩气体存储系统可以绕 过仪表向终端用户直接供应能量。在一个或多个这种供电应用的中， 压缩气体能量存储系 统可以包括额外的组件， 诸如能量电子模块和短期能量存储器 ( 例如以电池形式 )， 这些额 外的组件可以在不干扰终端用户的情况下用稳定的方式从压缩空气中提取能量。

    [2318] 在其它应用中， 系统可以通过仪表向电网送回能量。例如， 在分布式发电 (DG， distributed generation) 构造中， 电网被构造为通过仪表收回能量。以此方式， 由压缩气 体的膨胀驱动的发电机输出的电力可以反馈给电网， 并且能量存储系统的操作者为此能量 供应付酬。

    [2319] 这种方案在峰值需求时尤其有利， 此时从 DG 分配回网络的能量可以满足额外的 负载。这种方案还可以使网络具有弹力， 从而响应由于诸如自然灾害或恐怖袭击等事件导 致的较宽范围的网络的故障， 可以从 DG 形成输电网的临时局部工作台。

    [2320] 系统 6901 的各种元件与中央控制器或处理器 6996 连通， 中央控制器或处理器 6996 转而与计算机可读存储介质 6994 电连通。 基于存储在计算机可读存储介质 6994 中的 计算机代码形式的指令， 可以操作控制器或处理器 6996 来控制系统 6901 的各种元件。这 种控制可以基于从系统中的各种传感器接收的数据、 从该数据计算出的值、 和 / 或控制器 或处理器 6996 从包括共存的源 ( 诸如终端用户或以下讨论的共处一处的发电机 ) 的各种 源或从诸如互联网或智能电网的外部源接收的信息。

    [2321] 在某些实施例中， 系统的控制器可以被构造为基于从终端用户接收的指令开始操 作。 例如， 当终端用户已接受来自电力网络的操作者的请求作为指令响应时， 终端用户可以 转而向控制器传达信号， 表示存储系统的提供所需的电能来满足指令响应周期的需求。

    [2322] 在另一个例子中， 压缩气体存储和复原系统可以从终端用户或从外部源 ( 诸如互 联网 ) 接收信号， 该信号表示温度条件的实际或即将发生的变化。作为响应， 控制器可以指 示系统以更高的冷却效果进行操作。

    [2323] 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统可以将信号传输到终端用户。例 如， 当压缩气体的可用供应耗尽时， 能量存储系统可以向终端用户发出消息， 告知终端用户 需要通过电网从网络获得另外的能量， 从而保持其温度。

    [2324] 通过使能量存储系统位于仪表后可以实现的潜在益处是形成受控制的监管。 作为 用电层的一部分， 能量存储系统与网络的接触相对简单和有限。 具体地， 系统应该通过单个 界面 ( 仪表 ) 与网络相互作用， 在网络计量连接时， 基于消耗和平均输出的图案可以估算通 过那个界面的能量流的大小和方向。 根据本发明的实施例的位于仪表之后的压缩气体能量 存储和复原系统可以因此被认为是类似于普通的家用电器， 并且不经过电力网络的诸如用 发电层、 输电层和配电层的其它层的规则支配元件。

    [2325] 能量存储系统与终端用户处于同一位置可以进一步提高两个实体之间的协调动 作。具体地， 压缩气体能量存储系统 6640a 和处于同一位置的终端用户之间的通讯连接本质上上局域的， 因此比宽范围的通讯网络潜在更快并且更可靠。

    [2326] 在各种能量供应作用中的任何一种中， ( 即 UPS、 峰值负载抑制、 指令响应、 可再生 均衡 )， 能量存储系统和终端用户之间的这种靠近有助于终端用户对网络供应的电力消耗 与终端用户对存储系统供应的电力消耗之间的无缝转换。

    [2327] 图 69 示出的实施例可以包括概要地示出的一个或多个可选特征。例如， 在某些实 施例中， 膨胀机的出气口可以与压缩机的进气口通流体。这种实施例提供的闭合的流体回 路 6985 可以提供许多潜在益处。一个是气体保存， 由此可以使用可促进热交换的具有较高 热容量的外来气体 ( 诸如氦气或高密度气体 )。

    [2328] 图 69 的实施例的另一可选特征是， 在膨胀机 6905 和外部热源 6987 之间的可能热 连接装置 6986， 外部热源 6987 可以是例如太阳或附近的设备或工业过程发出的热量， 或者 是结合图 70 在下面讨论的局部能量源。具体地， 来自这种外部热源的热能可以被获得用来 提高从压缩气体的膨胀中恢复能量的效率。美国临时专利申请 No.61/294,396 详细描述了 根据本发明的压缩气体存储和复原系统及额外热源的使用， 其全部内容通过引用合并于此 以用于所有用途。

    [2329] 在某些实施例中， 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统的操作可以与日循 环的温度状态相配合。现在提供这种操作的例子。

    [2330] 再次参照图 69， 在此例子中， 终端用户包括处于白天和夜晚温差相对大的气候中 的大办公楼。在夜晚和周末期间， 办公楼主要是空闲的并且向电力网络提供最低限度的负 载、 消耗一些能量来保持最低限度的温度。

    [2331] 然而在工作日的 7AM 和 7PM 之间， 办公楼被工作人员占据并且对电力网络构成大 的负载， 其大量组件被需要被冷却。由于其他用户的需求， 此阶段的电价高。此外， 为电力 供应而收取办公楼的费用可以基于使用的历史峰值。

    [2332] 因此， 为了减少电力费用， 办公楼可以在其仪表后包括根据本发明的压缩气体能 量存储和复原系统。这种系统用于温度控制和电力供应作用。

    [2333] 例如， 不在峰值的时侯， 系统可以消耗来自网络的能量， 来操作压缩机将压缩气体 存储在存储单元中。此压缩产生的热量可以用于加热， 由此消除办公楼从电力网络获取能 量以用于此目的的需求。

    [2334] 然而， 可能更大的经济意义是， 在能量不那么贵的非峰值时刻系统消耗电力以存 储能量。随后可恢复此存储的能量以减少 ( 甚至消除 ) 峰值需求时刻办公楼所占的负载。

    [2335] 具体地， 在峰值需求时刻， 能量存储和复原系统可以使压缩气体从存储单元流到 膨胀机。基于至少两个原因， 这种操作会减少办公楼在电力网络上的负载。

    [2336] 第一， 在白天， 当办公楼内的温度高时， 气体膨胀可以提供冷却效应。通过气体膨 胀的这种冷却可以消除从网络中取出以控制办公楼温度的负载部分。

    [2337] 第二， 除了消除一些负载之外， 气体膨胀所产生的能量还可以有利地将负载的时 序转换到低需求周期， 进一步减少费用。 存储的能量已在低能量价格时从电力网络中获得。 可从随后的恢复中获得的能量可以那个低价获得， 从而降低能量的实际成本。

    [2338] 此外， 在白天可从自然中获得的太阳能易于用来提高冷却效果和 / 或增加从存储 的压缩空气供应的能量。 例如， 压缩气体存储单元可以被放置为与太阳热连通。 来自太阳的 热能可以加热存储单元中的气体， 增加存储在其中的能量以及气体膨胀时可复原的能量。单独地或与对存储气体加热相结合， 来自太阳的能量可以用于加热注入膨胀气体 的液体。具体地， 可以传送热能以加热在气 / 液混合物的膨胀之后分离的液体， 如上所述， 该液体通过在近等温条件下将其热量传递给膨胀气体而被冷却。 用于在能量恢复的典型时 刻加热气体和液体的日光的自然可用性适于根据日循环操作压缩气体能量存储和复原系 统。

    [2340] 根据本发明的实施例的能量存储给予的负载减少和负载转移可以通过将现有负 载降低到历史峰值以下进一步减少费用。具体地， 消除或减少包括大多数以前峰值负载的 冷却费用可以保证现有负载不超过那些峰值， 由此避免罚款或附加费。

    [2341] 总之， 配合日循环的能量存储系统的操作可以在至少两个单独的基础上提供减少 的费用。 第一， 由于与通过膨胀而恢复能量相关的冷却与日间的温暖一致， 并且与通过压缩 而存储能量相关的加热与夜间的冷却一致， 因此恢复能量存储和恢复可以消除与温度控制 相关的一些负载。

    [2342] 第二， 能量存储和恢复可以将在电力网络上的负载从相对贵的能量峰值周期转移 到能量相对便宜的非峰值周期。在减少对电力消耗收取的高额费用方面， 并且鉴于特定用 户需求的历史峰值时期收取的费用， 可以理解这种负载转移。

    [2343] 在某些情况下， 压缩气体能量存储和复原系统可以由系统控制器配置以同时执行 压缩和配置。在此操作模式中， 被压缩的全部或一部分气体可以立即膨胀， 以提供冷却和 / 或能量。

    [2344] 多种条件可以促进这种操作模式。 例如， 存储的压缩气体可能接近耗尽， 但是仍需 要温度控制。在另一例子中， 需要不间断的能量供应来削减最大负载或满足合同关系的条 款以提供能量 ( 即， 即使压缩气体供应已耗尽也提供能量 )。在另一例子中， 可从所述电网 中获得的能量的费用低， 在成本效益的基础上调节能量存储。

    [2345] 在此包括同时压缩和膨胀的模式中的操作还可以提供某些效能。具体地， 如上结 合图 28 描述的， 通过热交换器的来自或流到存储单元平行气体流使得这些气体流之间的 热能可以传输。

    [2346] 如图 71 所示出的表总结了系统操作的不同模式。

    [2347] 返回图 66， 在某些实施例中， 能量存储系统和终端用户可以用本地能量源共存于 同一仪表后。 这种本地能量源的可能的例子包括与终端用户的天然气供应通流体的屋顶 PV 阵列、 太阳能热系统、 风力涡轮或气体微型涡轮。

    [2348] 因此， 图 70 示出了根据本发明的实施例的压缩气体存储和复原系统 7001 的一个 实施例的简化框图， 其在仪表后与终端用户 7050 和本地能量源 7070 共处一处。在图 70 的实施例中， 专用压缩机 (C)7002、 专用膨胀机 (E)7005、 专用电机 (M)7004 和专用发电机 (G)7003 都通过多节点齿轮系统互相选择性地物理连通。

    [2349] 这种齿轮系统的一个实施例是在美国非临时专利申请 No.12/730,549 中描述的 行星齿轮系统， 并且上面已结合图 33A-33AA 进行了描述。具体地， 多节点齿轮系统 7099 提 供与三个可转动连接装置 ( 例如， 连接装置 3341、 3362 和 3368) 的机械连通。 这些连接装置 中的每个都可以与系统的各种其它元件物理连通， 所述其它元件可以是例如本地能量源， 诸如风力涡轮、 发电机、 电机、 电机 / 发电机、 压缩机、 膨胀机或压缩机 / 膨胀机。

    [2350] 多节点齿轮系统 7099 允许所有连接装置以减少或增加的方式同时移动。例如当风吹时， 来自涡轮连接装置的能量被分配用来驱动到发电机的连接装置和到压缩机的连接 装置。 在另一例子中， 当风吹且能量需求高时， 行星齿轮系统允许风力涡轮连接装置的输出 与膨胀机连接装置的输出结合， 以驱动到发电机的连接装置。

    [2351] 此外， 行星齿轮系统还被构造为允许部分连接装置的移动。例如， 当阻止轴 3368 转动时， 图 33A-33AA 的特定实施例的轴 3341 的转动可以引起轴 3362 的转动， 反之亦然。 同样， 轴 3341 的转动可以仅引起轴 3368 转动， 反之亦然， 或者轴 3362 的转动可以仅引起轴 3368 转动， 反之亦然。此构造使得机械能可以仅在系统的两个元件之间选择性传播， 例如， 当风力涡轮静止并且它需要基于电机的输出操作压缩机时。

    [2352] 本发明的某些实施例， 有利地使用诸如行星齿轮系统的多节点齿轮系统， 以使系 统的不同元件之间可以传输机械能。 具体地， 这种行星齿轮系统可以提供灵活性， 以在图 72 所描述的各种操作模式中调节连接装置之间的不同相对运动。

    [2353] 返回图 70， 尽管图中示出了多节点齿轮系统， 但是本发明不必须如此。 在替换实施 例中， 系统的各种元件可以通过单独的物理连接装置或者通过与部分其它元件共享的物理 连接装置互相物理连通。

    [2354] 图 70 示出通过连接装置 7080 与多节点齿轮选择性物理连通的本地能量源。此构 造使得来自本地能量源和来自膨胀机的物理能量结合， 以产生更大量的电能。此构造还使 得本地能量源和膨胀机单独利用现有的资产 ( 同一发电机结构 )， 以产生电能。

    [2355] 图 70 还示出了本地发电机可以通过点连接装置 7082 与终端用户或仪表电连通。 如同对于 PV 阵列的情况， 当这种本地能量源直接输出电能时， 可以利用此连接装置。

    [2356] 图 70 还示出了本地发电机可以分别通过热连接装置 7072 和 7074 与终端用户和 / 或膨胀机热连通。例如， 如同在对于太阳能热量系统和燃烧气体微型涡轮机的情形， 当这 种本地能量源直接输出热能形式的能量时， 可以采用此连接装置。

    [2357] 通过多节点齿轮和 / 或其它形式的物理的、 热的、 流体的和电的连接装置提供的 灵活性使得系统可以按图 72 的表中所总结的模式操作系统。

    [2358] 图 70 中的压缩气体能量存储和复原系统和本地能量源的位置使得系统具有起多 种可能的作用的能力。 在一种作用中， 与一个或多个本地能量源 ( 诸如屋顶太阳能 (PV 和 / 或热太阳能 ) 或风力涡轮 ) 结合的能量存储系统， 可能满足终端用户的所有能量需求。这 将使得终端用户可以完全脱离电网进行操作， 如安全和 / 或经济原因所需的。

    [2359] 另一作用是均衡通过诸如风力涡轮、 PV 阵列或太阳能热量系统的可再生能源输出 的间歇能量。例如， 在 DG 方案中， 本地替换能源的所有者可以与网络操作者订立合同， 以反 过来向电网提供电能。 然而诸如阳光和风的某些自然资源间歇特性使得难以达到合同的义 务来持续提供能量。

    [2360] 然而， 根据本发明的压缩气体的能量存储和复原系统的共处一处可使本地能量源 的所有者定期地提供能量。具体地， 必要时可以恢复系统存储的压缩气体形式的能量以弥 补由于诸如风或太阳的自然资源暂时缺乏而产生的输出缺口。来自该系统的能量因此可 以用于均衡本地替换能量源输出的能量， 从而使得仪表最终输出到电力网络的电力基本不 变。 能够自我补充的具有大于每天其自身的半天的容量的压缩气体能量存储和复原系统可 以在长期缺乏自然资源的情况下产生均衡。

    [2361] 如在图 70 的实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统和本地能量源的位置可以提供某些益处。一个这种潜在益处是通过允许多个有效操作所给出的成本优点。

    [2362] 例如， 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统的压缩机元件可以通过连 接装置和齿轮与本地能量源的移动件物理连通。因此在实施例中， 屋顶风力涡轮的旋转 叶片可以通过机械的、 液压的或气动的连接装置与压缩气体能量存储系统的压缩机物理连 接。 这种连接装置所提供的直接物理连通使得能量在本地源和压缩机元件之间更有效地传 输， 由此避免与将能量转换为诸如电能的中间形式相关的损失。 以此方式， 可以获得操作风 力涡轮或气体微型涡轮所产生的物理功， 以存储压缩气体， 用于稍后恢复以起到温度调节 和供电作用。

    [2363] 此外， 压缩气体能量存储和复原系统和本地能量源的共处一处可以使其它形式的 能量流有效地流通。例如， 能量存储气体的某些实施例可以通过热连接装置与共处一处的 能量源热连通。 因此， 在一些实施例中， 利用从热能的本地源传递的热可以提高压缩气体能 量存储系统的压缩气体的膨胀效率。在图 70 中， 热能的本地源一般性地指定有的附图标记 7079。美国临时专利 No.61/294,396 讨论了利用来自另一源的热量的压缩气体能量存储和 复原系统的操作， 其全部内容通过引用合并于此以用于所有用途。

    [2364] 在某些情况下， 本地能量源还可以是诸如屋顶 PV 和 / 或热太阳能系统的发电机、 微型涡轮、 柴油发电机或其他本地能量源。 以此方式， 来自这种能量源的热能起到杠杆作用 以提高共处的能量存储系统的腔室中的气体膨胀。

    [2365] 将能量存储和复原系统和发电设施放置在一起还可以使在这些单位之间流通的 液体通过液体连接装置连通。例如， 当能量存储系统与微型涡轮放置一处时， 流体连接装 置使系统存储的压缩气体直接流到这种微型涡轮中进行燃烧， 由此提高微型涡轮的操作效 率。类似地， 热太阳能系统加热的液体可以与用于传输热量以使压缩气体膨胀的液体相同 或与用于传输热量以使压缩气体膨胀的液体热连通。

    [2366] 能量存储系统与发电设施共处一处可以实现的另一可能的益处是， 均衡现有设备 的能力。例如， 诸如柴油发电机或微型涡轮的现有的本地能量源可以已经包括用于将机械 能转换为电能的发电机。 根据本发明的压缩气体能量存储和复原系统的实施例可以利用同 一发电机组件将气体膨胀引起的运动转换为电能。类似地， 压缩气体能量存储和复原系统 可以利用终端用户的现有的和网络 ( 仪表 ) 的接口来将电能传送到电力网络， 例如在净值 计量和 / 或分布式发电方案。

    [2367] 返回图 70， 系统 7001 的各种元件与中央控制器或处理器 7096 连通， 中央控制器或 处理器 7096 继而与计算机可读存储介质 7094 电连通。中央控制器或处理器 7096 还与一 个或多个内部或外部信息源连通。内部信息源的例子包括各种系统传感器。外部信息源的 例子包括但不限于智能电网、 互联网或 LAN。

    [2368] 如上所述， 基于存储在计算机可读存储介质 7094 上的计算机代码形式的指令， 可 以操作控制器或处理器 7096 以控制系统 7001 的各种元件。这种控制可以基于从系统中的 各种传感器接收的数据、 从该数据计算出的值、 和 / 或控制器或处理器 7096 从诸如共处一 处的终端用户或外部源的源接收的信息。

    [2369] 根据本发明的实施例， 气体压缩和 / 或膨胀系统可以被构造为响应从一个或多个 诸如智能电网的外部源接收的数据进行操作。基于外部信息， 处理器的控制器或处理器可 以用特定的方法调整系统元件的操作。 这种可被接收的外部信息的例子包括但不限于电的现价、 电的未来预期价格、 电能需求的当前状态、 电能需求的未来状态、 气象条件以及关于 电力网络的状态的信息， 包括超负荷和可能断电的发生。

    [2370] 如下面将要讨论的， 根据本发明的实施例的压缩气体能量存储和复原系统的操作 可以基于控制器或处理器接收的信息。 在某些环境下， 基于接收到的信息， 系统的操作可以 停止。例如， 当接收的信息表示用电需求高时， 控制器可以停止系统压缩空气的操作， 从而 减小电网的负载。

    [2371] 或者， 系统控制器或处理器接收的能量引起系统开始操作。 例如， 系统的实施例可 以起不间断电源 (UPS) 的作用， 从而在断电会产生有害结果诸如工业加工 ( 例如半导体制 造设施 )、 交通节点 ( 例如海港、 机场或电力火车系统 )、 医疗保健 ( 医院 ) 或数据存储 ( 服 务器农场 ) 的某些应用中被构造为持续提供能量。因此接收到表示即将来临的来自电网的 能量降低 ( 限制用电 ) 或丧失 ( 电力中断 )， 或甚至这种事故的风险的信息， 会引起处理器 或控制器指示压缩气体能量存储和复原系统进行操作从而以不间断的方式提供必要的电 力。

    [2372] 在某些环境下， 提供给控制器或处理器的信息可以确定压缩气体能量存储和复原 系统的操作的特定模式， 例如压缩模式、 膨胀模式或压缩和膨胀的结合模式。在某些环境 下， 控制器接收的信息可以表示电能的降低的价格， 引起能量存储和复原系统在压缩模式 操作， 从而以低成本存储电能。

    [2373] 此外， 压缩气体能量存储和复原系统通常在能量存储 / 恢复效率和在给定时间段 存储 / 产生的能量之间的某些平衡下进行操作。例如， 设备被设计为基于压缩气体按特定 的体积增量膨胀以最大效率产生能量。气体体积其他增量的膨胀会导致更大的能量输出， 但是降低效率。类似地， 气体体积的压缩增加到超出特定范围会导致转换为用于存储的压 缩气体形式的能量的转换效率更小。

    [2374] 在某些环境下， 根据本发明的系统的实施例可以在优化的效率的条件下操作。例 如， 当电网表示正常价格和 / 或正常电能需求时， 控制器可以指示系统的组件进行操作， 从 而以最大效率压缩或膨胀气体。

    [2375] 或者， 基于从电网或从诸如互联网的其它源接收的信息， 控制器或处理器可以指 示系统在偏离最大效率的条件下进行操作。因此， 当智能电网显示相对低的电价 ( 例如不 在工作日的 7AM-5PM 之间的峰值需求时刻 ) 时， 处理器或控制器可以指示以计算为在低价 时消耗更大量的能量用于能量存储的方式压缩气体。

    [2376] 根据某些实施例， 可以从外部源不间断地获得与能量存储和复原系统的操作相关 的信息。在此环境中， 计算机可读存储介质中的代码可以指示系统处理器或控制器有主动 地监控外部源， 以检测信息可用性或信息的变化， 然后指示系统的元件相应地进行操作。

    [2377] 在一些实施例中， 相关信息可以从外部源有效地传送到能量存储和复原系统的控 制器。这种有效传送的一个例子是需求响应系统的请求。

    [2378] 具体地， 在某些实施例中， 存储系统的处理器或控制器可以从电网的操作者接收 在峰值期间内减少需求的主动请求， 作为需求响应系统的一部分。 因此， 控制器或处理器可 以指示系统的操作以输出足够的能量来补偿终端用户在电网上的减少的负载， 作为这种需 求响应系统的一部分。

    [2379] 当接收的信息表示相对低的电价 ( 诸如在午夜 ) 时， 处理器或控制器可以指示以计算为消耗更大量的电能的方式压缩气体， 例如， 当价格低时， 以大体积增量压缩气体。在 这种情况中， 与这种压缩的低效相关的额外成本可以被可用于进行压缩的能量的低成本来 抵消。

    [2380] 除了当前需求之外的因素可以影响能量买卖的条款。例如， 控制器或处理器在确 定设备的操作条件时可以考虑未来的电力需求或未来价格。

    [2381] 因此， 在能量的未来价格预期会特别高的一定环境下， 控制器或处理器可以以特 定的方式操作系统。其一个例子可以是热波， 在这种情况中基于气象预报的需求预期达到 峰值时。 考虑到这种预期， 控制器或处理器可以指示系统为未来的条件做准备， 例如通过进 行操作以在需求的预期峰值之前压缩额外的气体 - 可能以减小的效率。

    [2382] 可能影响系统操作的其它因素包括电力网络操作者和终端用户之间的合同条款。 这种条款包括在特定时间段内需要的最大负载 ( 和 / 或在分布式发电方案中的最小电力输 出 ) 以及增加的或基于等级的奖金、 罚款和能量输出或消耗的收益增殖率。这些合同条款 的一致和分歧可以是通过控制器或处理器指示能量存储和复原系统的重要因素。

    [2383] 因此在某些实施例中， 控制器或处理器在操作设备时可以考虑这些合同条款。例 如， 终端用户和电网操作者之间的合同会建立用户在特定时间段可以从互联网获得的最大 负载。 因此， 当此基线量有被超过的危险时， 控制器或处理器可以指示系统在更高的能量输 出和更低的效率条件下进行操作， 以保证满足合同义务。

    [2384] 可能影响系统操作的另一类信息是对于电网的预期可获得的能量源。例如， 当接 收的信息显示在已知向网络提供能量的太阳能电池场的位置未来出现阴天的预报时， 设备 的处理器或控制器指示系统在压缩模式低效率进行操作， 以在预期的稍后较高的能量价格 之前存储大量压缩气体。

    [2385] 系统控制器或处理器可以考虑的又一类信息是其它能量源的潜在可获得性。例 如， 图 70 的系统被构造为从多个源接收不同形式的能量。具体地， 系统可以从电网自身或 者从诸如光伏电池的屋顶阵列的本地能量源的操作接收电能形式的能量。 系统可以从本地 源接收物理形式的 ( 诸如机械的、 液压的或气动的 ) 能量， 例如， 位于近处的风力涡轮或微 型涡轮。系统可以从例如热太阳能设备的本地源接收热量形式的能量。

    [2386] 因此当从本地发电机接收关于有利的风力条件的信息时， 由于可直接从风力涡轮 迅速获得能量， 因此控制器或处理器可以指示系统以压缩模式操作， 以存储压缩气体。 当风 减弱时， 存储在此压缩气体中的能量稍后可以通过在膨胀模式操作而被恢复， 从而直接为 终端用户输出能量或通过网络向电网输出能量， 或者向两者输出能量。当来自有利的太阳 条件的能量为气体的压缩提供能量时也存在相似的情况。

    [2387] 在某些环境下， 有利的太阳条件可以使系统在膨胀模式操作。 例如， 有利的太阳条 件允许来自热太阳能设备的热量传输， 以提高从膨胀气体输出的能量或提高从膨胀气体恢 复能量的效率。

    [2388] 在某些实施例中， 本地能量源可以是不可再生的， 诸如天然气馈送微型涡轮。因 此， 当存储单元中的压缩气体供应被先前的膨胀活动耗尽并且还需要能量时， 控制器可以 指示发电机从本地微型涡轮的操作中产生能量， 该本地微型涡轮消耗来自能量源而不是电 网 ( 即， 天然气分配网络 ) 的能量。

    [2389] 能量存储系统的控制器或处理器可用的再一类信息包括电力网的超负荷状况。 因此， 当接收到显示难以 ( 或预期未来难以 ) 通过某些本地区域的电网传输能量时， 处理器或 控制器可以相应地指示系统进行操作。

    [2390] 例如， 在电网超负荷信息的预期时间之前， 控制器或处理器可以配置系统存储通 过特定的电网节点传输的能量。 稍后， 可以指示系统在膨胀模式操作， 以在节点的未超负荷 侧输出此能量， 从而满足需求。

    [2391] 系统控制器或处理器接收的信息可以采用几种形式。在一些实施例中， 控制 器可以从电力网络直接接收信息， 例如依照美国国家标准技术研究院 (NIST， National Institute for Standards and Technology) 研发的智能电网协作标准。下面的文件通过 引用合并于此以用于所有用途， 包括 ： 2010 年 1 月的 “NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards， Release 1.0*” ， 以及 “SmartGrid ： Enabler of the New Energy Economy” ， 电力咨询委员会 (Electricity Advisory Committee)(2008 年 12 月 )。预期可以通过这种智能电网获得的信息包括但不限于， 电力的当前价格、 电力的预 期未来价格、 测量的包括消耗的历史峰值的能量消耗或输出到电力网络的能量的读数、 电 网超负荷的指示、 电网掉电或电网断电。

    [2392] 控制器和处理器还可以基于除了从智能电网直接获得的信息之外的信息配置系 统。 例如， 根据一些实施例， 控制器可以通过互联网接收可以影响系统操作的其它类型的信 息， 包括但不限于天气预报、 或电力的未来长期价格、 或诸如用于产生电力的煤或油的长期 价格预期。 基于这种信息， 控制器或处理器还可以控制系统的操作或不操作、 系统的操作模 式、 和 / 或在给定时间段内效率与消耗或输出的能量之间的平衡。

    [2393] 另一可能的信息来源是示出特定的用户从电力网络消耗的当前和历史的电能的 仪表。 例如， 在某些实施例中， 压缩气体能量存储和复原系统可以与诸如工业中心的大的能 量消耗者终端用户共处一处。基于从该位置的电子仪表接收到的信息， 控制器或处理器可 以配置系统以某一方式进行操作。这种信息的一个例子是终端用户的历史峰值负载数据。

    [2394] 终端用户的预期能量需求是可以用作控制能量存储和复原系统的基础的信息的 另一个例子。 例如， 当工业设施预期以提高的或降低的容量进行操作时， 可以利用该信息来 确定系统的操作。

    [2395] 除了来自外部源的信息之外， 控制器和处理器还接收系统内部的信息。这种内部 信息可以包括来自在系统中被配置为测量物理参数的传感器的数据， 所述数据包括但不限 于阀门状态、 温度、 压强、 体积、 湿度、 液体和气体的流速以及系统中的可移动件 ( 诸如叶 片、 泵、 活塞和与活塞连接的轴 ) 的速度和转矩。可提供给控制器和处理器的内部信息的其 它例子包括但不限于通过诸如泵或叶片的电机的操作而消耗的能量。

    [2396] 广义上说， 控制器或处理器可以调整系统元件的功能， 以确定系统究竟是否在操 作。这种元素的一个例子是压缩气体存储单元和压缩机 / 膨胀机之间的阀门。此阀门的关 闭可以防止系统在压缩状态使气体流入存储单元的操作。 此阀门的关闭还可以防止系统在 膨胀模式使存储单元中用于能量恢复的气体流出的操作。因此， 当存储容器中的压强显示 压缩气体接近耗尽时， 控制器或处理器可以使系统停止操作直到在经济有利的条件下允许 补充气体供应的条件。

    [2397] 当系统操作时， 控制器或处理器可以调整系统元件以确定操作模式。这种系统元 件的例子是诸如三位阀的阀门。这种阀门的状态可以由控制器调整， 从而以与特定的操作模式相对应的方式控制系统中的液体或气体流。因此， 当存储容器中的压强显示压缩气体 接近耗尽时， 控制器或处理器可以指示系统在压缩模式操作， 以补充气体供应。

    [2398] 控制器和处理器还可以调整系统元件以确定操作模式在特定的操作模式中。例 如， 压缩机 / 膨胀机的操作效率可以依赖于压缩的或膨胀的气体的体积增量。

    [2399] 控制器对系统元件的操作调整可以基于除了输出电能或效率之外或替代输出电 能或效率的注意事项。例如， 在一些应用中， 所述系统可以起温度控制的作用， 提供加热或 冷却能力形式的可传递的量。 在这种情况下， 控制器可以控制系统操作参数， 诸如在一个或 多个级中注入或不引入液体、 在一个或多个级中的液体引入条件、 一个或多个级的压缩或 膨胀率以及其它参数， 从而确定从可用于这种温度控制的系统输出的气体和 / 或液体的最 终温度。

    [2400] 成本是系统操作的这种考虑的另一个例子。例如， 当条件允许压缩但是从电力网 络可获得的能量的价格相对高时， 控制器可以指示通过控制器启动阀门以用较小的体积增 量压缩气体。在另一个例子中， 当条件允许膨胀但是供应到电力网络的能量的价格相对低 时， 控制器可以指示通过控制器操作阀门以用较小的体积增量膨胀气体。

    [2401] 用于压缩气体的存储的可用容量是在系统操作中可以考虑的另一个因素。例如， 当存储单元接近它的容量时， 可以调整阀门时序从而以较小的体积增量进行压缩。在其它 情况下， 当存储单元接近排空时， 可以调整阀门时序从而以较小的体积增量进行膨胀。

    [2402] 控制器在操作系统元件时的再一个可能的考虑是多级设备的各个级之间的活动 的协调。因此， 在包括多级的实施例中， 控制器可以操作某些系统元件， 从而使那些级之间 有效地协调。

    [2403] 一个例子是压缩 / 膨胀腔的进气阀或出气阀的启动时序， 这可以由控制器调整， 以横跨多个级有效地操作。 为级之间的液体流动负责的阀门的启动时序是由系统控制器调 整的操作参数的另一个例子。

    [2404] 此外， 在一些实施例中， 某些系统中的各个级可以通过中间结构互相通流体， 所述 中间结构包括但不限于压力元件 ( 例如， 图 4 的实施例中 )、 热交换器 ( 例如图 10 的实施例 中 )、 阀门 / 阀门网络 ( 例如， 图 58B-C 的实施例中 )、 气体容器、 气 / 液分离器、 和 / 或贮液 器。在这种实施例中， 为了协调系统的操作， 系统控制器可以调整元件， 所述元件控制材料 流入和 / 或流出这种中间结构。在某些情况中， 控制在多个级中循环移动的部件的相对相 位以最小化这些级之间的阀门经受的压强差是有利的。

    [2405] 在某些实施例中， 在温暖的大气空气和膨胀腔 ( 或与其热连通的热交换器 ) 之间 的热能的传输会通过凝结而引起形成液态水。这种液态水可用于某些用途 ( 例如饮用或灌 溉 )， 因此可以提供系统可以传送的另一种材料。液态水还可以从脱盐过程中获得， 该脱盐 过程是利用根据本发明的系统的实施例获得的能量来执行的。

    [2406] 因此， 在某些实施例中， 处理器或控制器可以被构造为基于系统要传送的液态水 的量调整系统操作。可传递物的其它形式的例子包括但不限于电能、 压缩气体流、 二氧化 碳、 冷却能力和加热能力。

    [2407] 1、 一种方法， 包括 ： 使压缩气体从存储单元通过逆流热交换器流到膨胀腔 ； 引入液体喷雾以与在所述膨胀腔中膨胀的气体进行热交换 ；通过连接装置驱动发电机， 所述连接装置通过在所述膨胀腔中响应气体膨胀的器 件的移动而被启动 ；

    [2411] 使电能从所述发电机流到电力网络的终端用户， 所述终端用户和发电机及膨胀腔 位于仪表后 ；

    [2412] 在气体膨胀后， 从所述气体中分离液体 ； 以及

    [2413] 使分离的液体流动以冷却所述终端用户。

    [2414] 2、 如权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述喷雾包括液态水， 所述膨胀气体包括空 气。

    [2415] 3、 如权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述器件包括活塞， 所述连接装置包括机械连 接装置。

    [2416] 4、 如权利要求 1 所述的方法， 在工作日的 7AM 和 7PM 之间执行。

    [2417] 5、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括用来自本地能量源的物理能量驱动所述 发电机， 所述本地能量源也位于所述仪表后。

    [2418] 6、 如权利要求 5 所述的方法， 其中， 所述本地能量源包括涡轮机， 所述物理能量包 括轴的转动。

    [2419] 7、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括使膨胀气体与本地能量源热连通。

    [2420] 8、 如权利要求 7 所述的方法， 其中， 所述本地能量源包括太阳能热设备。

    [2421] 9、 如权利要求 1 所述的方法， 进一步包括 ：

    [2422] 引入第二液体喷雾以与在压缩腔中压缩的额外的气体进行热交换 ；

    [2423] 从被压缩的额外气体中分离第二液体 ； 以及

    [2424] 使所述压缩的额外气体通过所述逆流热交换器流到所述存储单元， 同时压缩气体 从所述存储单元流到所述膨胀腔。

    [2425] 10、 如权利要求 9 所述的方法， 进一步包括 ：

    [2426] 通过由电机驱动的第二器件的移动在所述压缩腔中压缩所述额外的气体。

    [2427] 11、 如权利要求 10 所述的方法， 其中， 所述电机至少部分地由也位于所述仪表后 的本地源供能。

    [2428] 12、 如权利要求 11 所述的方法， 其中， 所述电机由来自包括光伏阵列的所述本地 能量源的电能驱动。

    [2429] 13、 如权利要求 11 所述的方法， 其中， 所述电机由来自所述本地能量源的物理能 量驱动。

    [2430] 14、 如权利要求 1 所述的方法， 其中， 响应控制器发出的指令， 所述压缩气体从所 述存储单元流出。

    [2431] 15、 如权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述控制器基于从所述电力网络接收的信 息发出指令。

    [2432] 16、 如权利要求 15 所述的方法， 其中， 所述信息包括需求响应请求。

    [2433] 17、 如权利要求 15 所述的方法， 其中， 所述信息显示通过上述仪表的电力供应中 断。

    [2434] 18、 如权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述控制器基于从所述终端用户接收的信 息发出指令。19、 如权利要求 18 所述的方法， 其中， 所述信息包括所述终端用户的温度。 20、 如权利要求 18 所述的方法， 其中， 所述信息包括所述终端用户增加的电能需求。 21、 如权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述控制器基于从也位于所述仪表后的本 地能量源接收的信息发出指令。

    [2438] 22、 如权利要求 18 所述的方法， 所述信息包括来自所述本地能量源的能量的可获 得性。

    [2439] 23、 一种设备， 包括 ：

    [2440] 具有出口的压缩腔， 所述压缩腔通过第一液体分离器和逆流热交换器与压缩气体 存储单元选择性通流体 ；

    [2441] 第一液体喷雾器， 与所述压缩腔通流体 ；

    [2442] 第一可移动件， 放置在所述压缩腔中并且与电机物理连接 ；

    [2443] 具有入口的膨胀腔， 所述膨胀腔通过上述逆流热交换器与所述压缩气体存储单元 选择性通流体 ；

    [2444] 第二液体喷雾器， 与所述膨胀腔通流体 ；

    [2445] 第二液体分离器， 与所述膨胀腔的出口通流体 ；

    [2446] 第二可移动件， 位于所述膨胀腔中并且与发电机物理连接 ； 以及

    [2447] 热连接装置， 在所述第二液体分离器和终端用户之间， 所述终端用户和所述电机 及所述发电机位于仪表后。

    [2448] 24、 如权利要求 23 所述的设备， 其中， 所述发电机包括电机 / 发电机。

    [2449] 25、 如权利要求 24 所述的设备， 其中， 所述第一可移动件和所述第二可移动件通 过公用的连接装置与所述电机 / 发电机物理连接。

    [2450] 26、 如权利要求 23 所述的设备， 其中， 所述第一可移动件通过机械连接装置与所 述电机物理连接， 所述第二可移动件通过所述机械连接装置与所述发电机物理连接。

    [2451] 27、 如权利要求 26 所述的设备， 其中， 所述机械连接装置包括转轴。

    [2452] 28、 如权利要求 26 所述的设备， 其中， 所述机械连接装置包括行星齿轮机构。

    [2453] 29、 如权利要求 28 所述的设备， 其中， 所述行星齿轮机构进一步与位于所述仪表 后的本地能量源机械连通。

    [2454] 30、 如权利要求 23 所述的设备， 其中， 所述电机与本地能量源电连通。

    [2455] 31、 如权利要求 23 所述的设备， 其中， 所述第一可移动件包括固体活塞， 所述第二 可移动件包括第二固体活塞。

    [2456] 32、 如权利要求 23 所述的设备， 进一步包括控制器， 所述控制器与信息源和所述 电机或所述膨胀腔的气体流入阀电连通。

    [2457] 33、 一种系统， 包括

    [2458] 发电机， 与终端用户一起放置在电力供应网络的仪表后 ；

    [2459] 压缩气体存储单元， 与腔室选择性通流体 ；

    [2437] 器件， 放置在所述腔室中并且被配置为在所述腔室中响应气体膨胀而移动， 所述 器件与所述发电机选择性物理连接 ；

    [2461] 出气口， 通过液体分离器与气体腔室通流体 ；

    [2460] 喷雾器， 选择性地被配置为将来自所述液体分离器的液体注入所述气体腔室 ；

    [2463] 液体连接装置， 在所述液体分离器和所述喷雾器之间 ； 以及

    [2464] 热连接装置， 在所述液体分离器和所述终端用户之间。

    [2465] 34、 如权利要求 33 所述的系统， 其中， 所述热连接装置被构造为使来自所述液体 分离器的液体选择性地与热源热连通。

    [2466] 35、 如权利要求 33 所述的系统， 进一步包括 ：

    [2467] 电机， 与所述终端用户一起位于所述电力供应网络的所述仪表后， 所述电机与所 述器件选择性物理连接， 以在所述腔室中压缩气体。

    [2468] 第二液体分离器， 放置在所述腔室和所述压缩气体存储单元之间， 所述喷雾器选 择性地被配置为将来自所述第二液体分离器的液体注入所述气体腔室 ； 以及

    [2469] 第二热连接装置， 在所述第二液体分离器和所述终端用户之间。

    [2470] 36、 如权利要求 35 所述的系统， 其中， 所述第二热连接装置被构造为选择性地使 来自所述第二液体分离器的液体与热沉热连通。

    [2471] 37、 如权利要求 35 所述的系统， 进一步包括 ：

    [2472] 本地能量源， 与所述终端用户一起位于所述电力供应网络的所述仪表后 ； 以及

    [2473] 连接装置， 包括 ：

    [2474] 在所述本地能量源和所述电机之间的物理连接装置，

    [2475] 在所述本地能量源和所述电机之间的电连接装置， 或

    [2476] 在所述本地能量源和来自液体分离器的由所述喷雾器喷射的液体之间的热连接 装置。

    [2477] 38、 如权利要求 37 所述的系统， 其中， 所述器件、 所述电机、 所述发电机和所述连 接装置与公用的齿轮装置物理连接。

    [2478] 39、 如权利要求 35 所述的系统， 其中， 所述电机和所述发电机包括电机 / 发电机。

    [2479] 虽然上述实施例涉及在电力网的发电层或用电层内布置压缩气体系统， 但是本发 明不限于这个作用。压缩气体系统的实施例可以是位于网络的输电层或配电层内， 这落入 本发明的范围内。

    [2480] 因此， 图 66 示出了位于输电层内的压缩气体能量存储系统 6690 的实施例。系统 6690 通过一个或多个联接装置 6661 与输电配电站 6665 连通。在一些实施例中， 能量存储 系统通过一个或多个电气联接装置可以与输电层的变压器连通。

    [2481] 系统 6690 在电力网的输电层内的位置使得它可能执行多种功能。例如， 由于规 章、 环境和安全考虑， 增加或甚至升级电网的配电层和特别是输电层的设施的成本可能相 对较高。

    [2482] 因此， 根据本发明的能量存储系统的一些实施例可以集成到输电层中， 以延缓或 甚至避免升级输电线。例如， 可以将能量存储系统布置在最接近高峰期间使用率高的输电 线的输电配电站处。在这个作用中， 能量存储系统可以使得输电时间避开该峰值时间。

    [2483] 在一些实施例中， 在输电层中 ( 或在如下所述的配电层中 ) 使用的压缩气体能量 存储系统可以是物理便携式。 例如， 这种系统可以位于平板卡车、 牵引拖车、 或集装箱中， 并 且移动到最接近输电层或配电层中适当的预计会用电密集的点。

    [2484] 由于通过输电设施运送大量电能， 因此能量存储系统的该实施例可能需要具有高容量来存储电能。 此外， 存储系统处于每天都缓解用电密集的情形下， 它的容量必须能满足 多个小时的需要， 并且能够在一天时间内恢复。

    [2485] 虽然可以按照小时或分钟顺序描述在相对长的时段期间输电层的密集， 但是可能 在短得多的时段出现不同形式的输电密集。 例如， 在不确定因素下基于设备可靠性的考虑， 可能对输电设施强制执行一些操作限制。

    [2486] 因此， 除了输电线的实际容量以外， 这些限制可能会限制短期输电容量。因此， 包 含在输电层中的能量存储和复原系统的另一可能的作用是短时引入电能， 由此有效地放宽 输电可靠性方面的限制。 可以将这样的能量存储系统配置为根据临时通知将电能输入输电 网中的重要位置达 1 秒到大约 15 分钟或更长。

    [2487] 包含在输电层中的能量存储和复原系统的另一个可能的作用是支持可变能量的 可再生源， 该可变能量提供有限的输电接入。 例如， 可能在仅仅由现有的相对低容量的高压 输电线供电的偏远的地域发现了大风。

    [2488] 然而， 将根据本发明的能量存储和复原系统的实施例并入， 可能使得这些现有的 输电线能够运送由该发电设施产生的电能。例如， 存储系统可以工作为存储由所述发电设 施输出的一些或全部电能， 使得延缓输电， 直到在输电层中的现有容量可使用。

    [2489] 这样延缓输电可以防止浪费否则不能被输出到网络的电能。此外， 通过存储系统 实现的输电延缓可以使得在使相应的输电联接全部升级以应付它们的最大输出容量之前， 能够将可再生发电设施投入服务中。

    [2490] 能量存储和复原系统的另一个可能的作用是提供对输电线的电压支持。具体地， 电压支持包括将电能注入到网络中， 或从网络接收电能， 以便使电压保持在一定容限内。

    [2491] 例如， 无功功率 (VAR) 是可能从几个源产生的一种形式的网络上的电能， 最普通 的是存在一个或多个感应发电机。无功功率不能被终端用户直接使用， 但是必须由电网的 经营者提供， 以便将电压和功率的稳定性保持在规定范围内。

    [2492] 为管理无功功率而提供电压控制一般包括以亚秒响应时间注入电能。因此， 传统 上电压控制由诸如电容器组、 静态 VAR 补偿器 (SVC， static VARcompensator)、 或同步调相 器 (condensor) 之类的器件提供。这些器件用作提供电容性电抗， 注入无功功率， 以提升局 部电压水平。

    [2493] 因此， 可以在传输层中包含根据本发明的能量存储系统的一些实施例， 以将无功 功率提供到网络的重要位置上， 由此解放发电设施， 以提供可以最终被终端用户使用的有 功功率。由于这种电压支持通常要求以小于 1 秒的响应时间供电， 因此根据本发明的存储 系统的实施例可以联结有电容器组或能够在所要求的响应时间期间供电的其它快速响应 结构。

    [2494] 也可以将根据本发明的能量存储和复原系统包含在电网的配电层中。 在一个作用 中， 这种能量存储和复原系统可以用于减小配电站的峰值负荷， 和执行后备功能。

    [2495] 如以上图 66 所示， 配电变电所战略性地位于配电层中， 以将电能输送给终端用 户。 随着人口的增长， 这些配电站全面经受大的负荷， 并且通常在峰值负荷时经受更大的增 长。 配电变电所的设计受到需要满足高峰用电需求的限制， 因此负荷的增长可能要求 比不增长的负荷通常所要求的更频繁地升级或更换配电站。 因此， 在一些实施例中， 压缩空

    [2496] 气能量存储和复原系统可以位于配电层中， 以减少这些峰值负荷， 由此延缓进行昂贵的配 电变电所的升级或更换的需要。

    [2497] 因此， 图 66 示出了位于配电层中的压缩气体能量存储系统的实施例。具体地， 压 缩气体系统 6680a 通过一个或更多个联接装置 6667 与主级配电层的配电站 6630a 连通。 压缩气体系统 6680b 通过一个或更多个联接装置 6669 与次级配电层的配电站 6630b 连通。 在一些实施例中， 压缩气体系统可以通过电联接装置与配电层的变压器连通。在一些实施 例中， 发电机配置为输出的电压与配电层的电压匹配， 所述系统可以直接与配电层电连通。

    [2498] 例如， 位于配电层中的存储系统的实施例可以配置为在非峰值时间存储电能。在 峰值时间， 存储系统会将电能注入到配电层中。这种在重要点注入电能可以减小一个或多 个配电变电所经受的峰值负荷。由于配电站的历史峰值负荷将不会增加， 因此可以延缓升 级配电变电所的需要。

    [2499] 通过根据本发明的存储系统的实施例提供的峰值负荷的减小还可以节省其它成 本。例如， 减小峰值负荷可以相应地减小配电站的元件的疲劳， 由此提高它们长期的可靠 性。

    [2500] 存储系统在减小配电层的配电站的高峰水平中所起的作用可以确定这些存储系 统的特性。例如， 可能要求为了备份主级配电站而布置的存储系统输出与其在配电网中的 位置相当的相对高的电压。

    [2501] 另外， 由于存储系统仅仅需要减小峰值负荷， 而不是承担全部负荷， 因此这种系统 的存储容量与其它作用相比可能较小。 系统的存储容量也可以通过其与非常高需求的次数 对应的相对不频繁的操作来确定。

    [2502] 代替或除了布置在主级配电层中以外， 根据本发明的压缩空气存储系统的实施例 可以位于次级配电层中。在这个作用中， 所述存储系统会提供类似的延缓设备升级的类似 的益处， 和减少设备磨损。

    [2503] 此外， 将能量存储系统布置在次级配电层中可以提供其它可能的益处。 例如， 这种 存储系统可以在灯火管制、 轮流停电或全部停电的情况下向消费者提供后备能源。这种公 共能源供应的分散特性还可以增强电网的安全性， 避免由一些网络节点的故障而引起的全 部停电。

    [2504] 将能量存储布置在配电层中还可以促进 “孤岛效应 (islanding)” ， 其中在较大网 络故障后， 可以将输电网的小部分作为 “孤岛” 独立供电， 然后最终联接到一起， 如同重建了 较大的输电网。这种 “孤岛效应” 技术可以降低输电网的损坏， 和减少用户完全没有电的时 间量。

    [2505] 包含在次级配电层中的能量存储系统还可以用于使从位于终端用户处的多个分 布式发电 (DG) 装置到电网上的输出平衡， 该例子包括屋顶太阳能 (PV 和 / 或热太阳能 ) 或 风能。 在这个作用中， 能量存储系统的成本负担可以分配给社区的多个用户， 而不是一个用 户。

    [2506] 在次级配电层中的提供的能量存储和复原系统作为社区能源供应的一部分还可 以通过减小配电损失而提高效率。这是因为所述存储位于靠近负荷的位置， 减少了传输距 离和因此发生的损失。

    [2507] 电压支持代表了位于配电层的根据本发明的能量存储系统的另一个可能的作用。这种电压支持功能在以上结合输电层讨论过。

    [2508] 压缩空气能量存储和复原系统的一些实施例可以提供特别是与配电层有关的电 压支持。 例如， 压缩气体能量存储系统可以用于在沿着次级配电层的点提高电压水平， 该次 级配电层延伸宽广的区域以向乡村地域提供服务。

    [2509] 压缩空气能量存储和复原系统的实施例可能适用于其它局限性的作用。例如， 耗 电量大的一些设施可以延伸过宽广的地域并且可以不使用公共电表 ( 如上所述， 由此使它 们不同于单个终端用户 )。这种设施的例子可以包括诸如机场、 港口和铁路线的运输中心。

    [2510] 在邻近这些设施的配电层中提供能量存储系统可以用于减少它们在峰值时间的 需求。 此外， 在这些配电层的能量存储系统的使用还可以有利于安全， 确保在自然灾害或恐 怖袭击发生时供应到这些重要设施的电能的完整性。

    [2511] 如以上详细指出的， 根据本发明的系统的各个实施例涉及压缩气体能量存储系 统， 基于由控制器或处理器接收的信息控制其操作。 在一些实施例中， 由控制器接收的信息 可以用作为决策基础， 以确定系统运行或停止运行。 在一些实施例中， 所述信息可以用于确 定系统以压缩模式或以膨胀模式运行。在一些实施例中， 控制器接收的信息可以被进一步 用于确定能量存储或回收期间系统运行效率与电能消耗或输出的关系。 由控制器接收的信 息可以包括但不限于输电网上的电能的当前价格， 输电网上的预计电能的未来价格， 指导 购买或向输电网销售电能的合同条款， 从其它源向输电网供应能量的级别， 气象信息， 和/ 或系统或共处一处的 (co-situated) 设施的计量历史。

    [2512] 1. 一种方法， 包括 ：

    [2513] 使压缩空气能量存储和复原系统的控制器从外部源接收信息 ； 以及

    [2514] 响应于信息的接收， 使所述控制器调节系统元件， 以确定从以下选择的至少一个 系统特征，

    [2515] 操作所述系统或不操作所述系统，

    [2516] 以压缩模式或膨胀模式操作所述系统，

    [2517] 通过气体压缩的能量存储的效率或通过气体膨胀的能量复原的效率，

    [2518] 所述系统消耗的电量， 或

    [2519] 所述系统产生的可传送材料的量。

    [2520] 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述外部信息包括输电网上电能的当前价 格或未来价格。

    [2521] 3. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 电能的所述当前价格或电能的所述未来价 格从所述输电网接收。

    [2522] 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述外部信息包括指导购买或向输电网销 售电能的合同条款。

    [2523] 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述元件包括可驱动来以压缩模式或膨胀 模式使空气流过所述系统的阀。

    [2524] 6. 根据权利要求 5 所述的方法， 其中， 所述阀包括三通阀， 所述三通阀构造为在第 一路径以压缩模式或在第二路径以膨胀模式使空气流过所述系统。

    [2525] 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中 ： 所述元件包括可驱动以使得腔室中压缩或膨胀空气量增加的阀 ； 并且调节所述阀的驱动时间以便控制所增加的量的幅度。

    [2528] 8. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中，

    [2529] 所述元件包括阀， 该阀可驱动以使得在所述腔室中受到压缩或膨胀的空气量从腔 室排放 ； 并且

    [2530] 调节所述阀的驱动时间以便在排气时控制所述腔室中的剩余的压力。

    [2531] 9. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 调节所述元件以改变所述系统的气体压缩 或膨胀效率。

    [2532] 10. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 调节所述元件以改变所述系统压缩空气所 消耗的电能的量。

    [2533] 11. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 调节所述元件以改变在所压缩的空气膨胀 时所述系统输出的电能的量。

    [2534] 12. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述可传送材料包括电能、 水、 或压缩的二 氧化碳气体。

    [2535] 13. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述控制器基于从所述系统内部接收的其 它内部信息调节所述元件。

    [2536] 14. 根据权利要求 13 所述的方法， 其中， 所述其它内部信息包括在压缩空气存储 单元中的压力。

    [2537] 15. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述能量存储和复原系统包括多个级别， 并且将所述元件调节为协调所述多个级别中的两个之间的协作。

    [2538] 16. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述能量存储和复原系统包括多个级别， 并且将所述元件调节为确定被使用的级别数。

    [2539] 17. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中 ：

    [2540] 所述能量存储和复原系统与输电网连通 ； 并且所述信息包括，

    [2541] 从所述输电网的操作者的需求响应，

    [2542] 来自所述输电网的由所述系统消耗的电能的历史高峰，

    [2543] 所述输电网上的负荷的显示，

    [2544] 从所述输电网可获得的减少的电能的显示， 或者

    [2545] 输电网上的用电密集的显示。

    [2546] 18. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中 ：

    [2547] 所述能量存储和复原系统通过与共处一处的设施共用的仪表与输电网连通 ； 并且

    [2548] 所述信息包括在所述仪表处的从所述输电网消耗的电能的历史高峰。

    [2549] 19. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中 ：

    [2550] 所述能量存储和复原系统与具有可变输出的替代能源共处一处 ； 并且

    [2551] 所述信息包括所述替代能源的输出。

    [2552] 20. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中所述信息包括气象信息。

    [2553] 21. 一种装置， 包括 ：

    [2554] 控制器， 所述控制器与压缩气体能量存储和复原系统的元件电子连通， 所述控制 器还与外部信息源电子连通 ； 以及

    [2555] 计算机可读存储介质， 所述计算机可读存储介质上存储有设置为指示控制器响应从所述外部信息源接收的信息来调节所述元件的代码， 该代码设置为调节所述元件， 以确 定从以下选择的至少一个系统特征，

    [2556] 操作所述系统或不操作所述系统，

    [2557] 以压缩模式或膨胀模式操作所述系统，

    [2558] 通过气体压缩的能量存储的效率或通过气体膨胀的能量复原的效率，

    [2559] 所述系统消耗的电量， 或

    [2560] 所述系统产生的可传送材料的量。

    [2561] 22. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 所述元件包括可驱动来以压缩模式或膨 胀模式使气体流过所述系统的阀。

    [2562] 23. 根据权利要求 22 所述的方法， 其中， 所述阀包括三通阀， 所述三通阀构造为在 第一路径以压缩模式或在第二路径以膨胀模式使气体流过所述系统。

    [2563] 24. 根据权利要求 23 所述的装置， 其中 ：

    [2564] 所述元件包括可驱动以使得可腔室中压缩或膨胀气体量增加的阀 ； 并且

    [2565] 调节所述阀的驱动时间以便控制所增加的量的幅度。

    [2566] 25. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器来调 节所述元件， 以改变所述系统的气体压缩或膨胀的效率。

    [2567] 26. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器来调 节所述元件， 以改变所述系统压缩气体所消耗的电量。

    [2568] 27. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器来调 节所述元件， 以改变在所压缩的气体膨胀时所述系统输出的电量。

    [2569] 28. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器来改 变所述可传送材料的量， 所述可传送材料包括电能、 水、 或压缩的二氧化碳气体。

    [2570] 29. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 进一步将所述控制器设置为基于从所述 系统内部接收的其它内部信息来调节所述元件。

    [2571] 30. 根据权利要求 29 所述的装置， 其中， 所述其它内部信息包括压缩气体存储单 元中的压力。

    [2572] 31. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 所述能量存储和复原系统包括多个级别， 并且将所述元件被调节为协调所述多个级别中的两个级别之间的操作。

    [2573] 32. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 所述能量存储和复原系统包括多个级别， 并且将所述元件被调节为确定被使用的级别数。

    [2574] 33. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器基于 接收的所述信息来调节所述元件， 所述信息包括输电网上电能的当前价格或未来价格。

    [2575] 34. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述控制器设置为从输电网接收所述 信息。

    [2576] 35. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中， 将所述代码设置为指示所述控制器基于 接收的指导销售或从输电网购买电能的合同条款， 来调节所述元件。

    [2577] 36. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中 ： 所述能量存储和复原系统与输电网连通 ； 并且所述信息包括， 来自所述输电网的操作者的需求响应，来自所述输电网的由所述系统消耗的电能的历史峰值，

    [2581] 关于所述输电网上的负荷的指示，

    [2582] 关于从所述输电网可获得的减少的电能的指示， 或者

    [2583] 关于输电网上的用电密集的指示。

    [2584] 37. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中 ：

    [2585] 所述能量存储和复原系统通过与共处一处的设施共用的仪表与输电网连通 ； 并且

    [2586] 所述信息包括在所述仪表处的所述输电网消耗的电能的历史峰值。

    [2587] 38. 根据权利要求 21 所述的装置， 其中 ：

    [2588] 所述能量存储和复原系统与具有可变输出的替代能源共处一处 ； 并且

    [2589] 所述信息包括所述替代能源的输出。

    [2590] 39. 根据权利要求 38 所述的装置， 其中所述信息包括气象信息。

    [2591] 本发明的实施例涉及采用气雾循环冷却的系统和方法。

    [2592] 蒸汽压缩空调简单、 高效、 便宜和有效。遗憾的是， 使用标准制冷剂可能释放烈性 的温室气体。根据本发明的实施例可以达到或超过蒸汽压缩系统的效率， 同时利用被称为 气雾制冷循环的新颖的热动力循环消除 GHG( 温室气体 ) 排放。

    [2593] 根据本发明的实施例可以使用在一些方面与斯特林循环相似的循环， 斯特林循环 使用用于传递热的气体的等温压缩和膨胀。 根据一些方法， 可以将细的、 浓稠的液体喷雾直 接注入到压缩和膨胀气体中。 具有很高热容量和界面表面面积的这种喷雾可以在工作气体 与热和冷的大气热交换器之间迅速夺取 (capture) 和传递热量。液 - 气气雾的一个选择是 水和空气 ( 气体的另一个选择是氦气 )， 使用水和空气使得没有 GHG 排放。

    [2594] 气体制冷循环常规上用于飞机， 这是因为与常规的蒸汽压缩设备 ( 见 Nag， P.， “Engineering Thermodynamics， ” Tata-McGraw Hill， 2nd Ed.， 1995) 相比， 它们的重量轻。 气体制冷循环具有低 COP(Coefficient of Performance， 性能系数 )， 这是因为在这些系统 中执行绝热压缩或膨胀， 并且因此不适合常规的制冷单元。

    [2595] 获得更多关注的技术是斯特林循环冷却器。目前， 在商业上可以得到小容量斯特 林循环制冷系统。 这些系统可能的缺点在于难以对制冷负荷中大的变化进行设计。 另外， 斯 特林电冰箱从启动到希望的温度可能花费较长时间， 并且具体的功率低， 这导致系统的尺 寸大 ( 见 Organ， A， J.“ ，Regenerator and theStirling Engine， ” Mechanical Engineering Publications， UK.)

    [2596] 理论上， 运行理想的斯特林循环的空调能够实现 FOA(Area of Interest 1a， 相关 区域 1a) 中提出的目标。然而， 实际上， 至今没有造出甚至能相当接近理想的斯特林循环的 ‘斯特林’ 空调， 理想的斯特林循环要求在膨胀和压缩过程期间极其有效和迅速地将热传递 到气体， 和从气体传递热。无法实现这点使得现有的斯特林循环系统的压缩和膨胀过程近 乎绝热， 导致严重的热力损失和有限的功率密度。

    [2597] 因此， 本发明的实施例可以使用气雾制冷循环。这样的实施例使得能够近乎等温 地 ( 也就是， 仅仅有小的温差 ) 压缩和膨胀气体。 这可以通过使细的、 浓稠的、 高热容量的液 体喷雾进入压缩和膨胀气体而实现。喷雾的热容量远高于气体的热容量， 从而可能使得在 另外的情况中压缩期间显著的温度升高 ( 和膨胀期间显著的温度下降 ) 减少到仅仅几度。

    [2598] 因此， 可以生产运行这种气雾制冷循环的高效的空调。图 73 表示根据一些实施例的简化视图。该系统包括监控器 7301、 往复运动的活 塞压缩机 7302、 和膨胀机 7303、 热和冷侧的空气冷却的液体热交换器 7304 和 7305、 两个泵 7306 和 7307、 两个气 - 液分离器 7308 和 7309、 止回阀 7310 和 7311 和电磁阀 7312 到 7315、 以及逆流式热交换器 7316。

    [2600] 气雾循环的实施例的细节如下 ：

    [2601] 1、 冷的气体 ( 在～ 55° F) 在往复运动的膨胀机 7303 中膨胀， 将热从混在该冷的 气体中的液体喷雾中引出。两者使膨胀机的温度停留在～ 45° F。将提取的工重新投入压 缩机 7302 和泵 7306 和 7307。

    [2602] 2、 ( 通过分离器 7309) 使冷却气雾中的液体与气体分离， 将该液体汇集为液体流， 并且运送到热交换器 7305， 将进入的空气流冷却到～ 55° F， 然后循环返回以再次被喷入 膨胀气体中。

    [2603] 3、 使不含冷的液体的气体穿过逆流式热交换器 7316， 使不含暖的液体的气流反向 流动。以常压加热冷却气体， 以便比环境温度 ( ～ 105° F) 略高。

    [2604] 4、 将暖的液体喷入暖的气体中， 然后 ( 在压缩机 7302 中 ) 被压缩。所述压缩机部 分由膨胀机驱动， 部分由电机 7301 驱动。将压缩的热量引入气雾。两者使得压缩机处于～ 115° F。

    [2605] 5、 ( 通过分离器 7308) 使暖的液体与气体分离， 将该液体汇集为流， 并且运送到热 交换器 7304， 通过使热量排放到周围环境该暖的液体被冷却， 然后被循环利用以再次被喷 入压缩气体中。

    [2606] 6、 使不含暖的液体的气体穿过逆流式热交换器 7316， 使不含冷的液体的气流反向 流动。以常压冷却暖的气体， 以便比空调排气温度略低 ( 到～ 45° F)。流入膨胀机中的气 体混有冷的液体， 继续所述循环。

    [2607] 如在常规的制冷循环中， 我们设计的压缩机压缩气体 ( 空气或氦气 )， 加热该气 体， 并且通过热交换器使热量排放到周围空气中。 然而， 在根据本发明的循环的一些实施例 中， 可以没有体相 (bulk phase) 变化 ； 温度变化几乎全部是由于显热的 (sensible heat) 传递。此外， 压缩的热量几乎全部被喷入压缩汽缸的水滴吸收。加热后的水滴在压缩冲程 结束时从汽缸排出， 然后与压缩空气分离。加热后的液体被泵入热交换器， 以便排出热量。

    [2608] 循环的膨胀方面是压缩方面的镜像。 然而注意， 气体的膨胀驱动活塞， 活塞继而驱 动与驱动压缩机的轴相同的轴。这与标准节流阀相比提高了效率， 在标准节流阀的情景中 气体自由膨胀的能量发生损失。

    [2609] 与内燃机相似， 往复运动的活塞装置使得能够直接喷雾到工作中的压缩 / 膨胀腔 中。基于涡轮机的压缩机可能缺少使得将液滴与气体均匀混合的合适的几何形状。

    [2610] 对于目标规格 ( 在相对湿度 60％， 建筑温度为 75° F， 在相对湿度 100％， 排放温 度为 55° F， 环境温度为 95° F)， 如果可以控制很多附加损失， 则可以以合理的成本获得超 过 4 的制冷系数 (COP)。如果电机和驱动的效率一起是 95％， 则压缩机和膨胀机装置工作 工作一个来回的效率可以超过 79％。 如果可以将压缩、 膨胀、 和横跨热交换器的温度变化保 持在大约 10° F， 并且如果使用高质量的机械部件， 则可以获得这种级别的效率。

    [2611] 相反， 在相似的操作条件下， 常规的绝热压缩机和膨胀机的 ΔT 可以超过 100 度。 根据本发明的实施例的近等温技术可以获得理想的冷却效率。根据本发明的实施例可以利用液体喷雾系统。具体地， 在压缩冲程过程中保持固 定的小的温度上升 ( 和在膨胀冲程的过程中保持小的温度下降 ) 的能力可以有助于提供系 统效率。 液体喷雾在压缩期间可以吸收热量和在膨胀期间增加热量。 液体的最佳选择是水， 因为它的热容高。为了获得需要的热传递率， 喷雾可能很浓。也就是， 水的容积率可以至少 是 0.25％。另外， 气 - 水气雾可以被均匀地分布在压缩和膨胀腔中， 从而避免热点或冷点 (spot)。

    [2613] 可以利用计算流体动力学 (CFD) 工具设计喷嘴和喷雾歧管， 和模拟它们的性能， 然后利用激光成像和粒子成像测速 (PIV) 制造和测试喷嘴。

    [2614] 喷雾系统的实施例是经汽缸盖直接将水注入压缩汽缸和膨胀汽缸。 挑战是使喷雾 系统最小化而足以放入具有大约一升汽缸容积的汽缸盖中。

    [2615] 本发明的实施例可以将压缩机装置和膨胀机装置相结合。原则上， 这一应用可以 使用各种各种压缩机和膨胀机技术。

    [2616] 在实践中， 在操作期间对注入高密度的水雾的要求确定了这一方面。可以使用往 复运动的活塞装置。 这些途径可以提供最佳几何形状、 最大灵活性、 和大于足够的速度和机 械效率。

    [2617] 通过改进现有的压缩机可以设计出往复运动装置。 定制的汽缸盖可以容纳喷雾系 统。可以将该装置制造为耐水的， 这可以包括彻底使用特殊材料和涂层。例子包括用于外 露表面的镍聚合物和 DLC( 类金刚石碳 ) 涂层、 石墨填充的 PTFE 活塞环、 铜喷嘴、 和不锈钢 阀部件。

    [2618] 根据本发明的实施例可以使用逆流式热交换器。 逆流式热交换器的性能可以决定 能否提供期望的系统效率。 可以利用在热交换器的每一端的流入空气流和流出空气流之间 的低的 ΔT( 大约 10° F)， 同时能够耐受 120psi 或更高的内部压力。

    [2619] 第二， 当使热气流冷却时， 在逆流式热交换器中可能发生结露。 当热气离开在逆流 式热交换器前面的分离器时， 它可能饱含水气。 通过热交换器后的压力下降可能较小， 因而 空气中的一些水分可能在热交换器中凝结。由于水在这个系统中的闭环中保持高压， 所以 可以回收凝结物并且再次被注入系统。

    [2620] 为逆流式热交换器建模涉及在高压时的湿度特性值。现有软件提供高达 27 巴压 强的湿空气的热力学特性。使用湿度算法以便给通过也发生凝结的冷冻水旋管 (coil) 的 湿空气建模。

    [2621] 如果使用的工作气体是空气， 则它可以在被压缩后存储在适当的压力容器中， 而 不是立即流到膨胀机中。这使得当使用便宜的电作为功率时， 可以给系统整夜充电。随后 ( 通常是需要打开空调并且电费贵的第二天 )， 可以提供冷却 ( 不会有任何进一步的耗电 )。

    [2622] 根据本发明的实施例可以具有 “开放式” 设计。也就是， 可以从环境将空气引入压 缩机， 和从膨胀机将空气排放到环境中。

    [2623] 根据本发明的实施例可以开发能够提供既经济又不使用温室气体的 COP 是 4 的空 调系统。 ( 在适当的分析和模拟完成后 ) 可以单独制造和测试一些部件 ( 例如， 近等温的压 缩机和膨胀机和逆流式热交换器 )， 然后将它们集成到系统中。 按照以下可以进行热力学建模。这种设备的应用如高性能空调系统。可以在冷冻 水旋管 ( 热交换器冷的一侧 ) 发生潜在冷却和显热冷却。因此， 准确的性能建模可以包括

    [2624] 在空气一侧的湿度处理。

    [2625] 虽然会以一套设计参数来测量性能， 但是在非设计条件下的工作对于评估季节性 性能是重要的。利用热力学 / 湿度模型可以进行参数研究， 以便在各种室内和室外环境条 件下模拟系统性能。

    [2626] 各个实施例可能的其它应用包括用该系统协助加热家用热水， 和 / 或用作热泵， 这可以利用稳恒态热力学建模来进行研究。 这些另外种类的应用可能采用额外的或者与原 来设计规定的不同的热交换器。如果使用来自热的一侧的一些或所有的热量加热家用热 水， 并且如果将所述系统用作为空气 - 空气热泵， 则也可以进行热力学模拟， 以确定系统性 能的效果。

    [2627] 可以按照如下进行部件建模。使现有的热交换器用于本申请可能存在两个问题。 首先在所有的主要热交换器中使用高压。可能需要将管壁厚度增加到通常使用的值以上， 以对于遇到的高压提供足够的安全性。

    [2628] 其次， 当热气流被冷却时， 在逆流式热交换器中会发生凝露。 当热气离开在逆流式 热交换器前面的分离器时， 它几乎饱含水气。 预计通过热交换器后的压力下降得不多， 因此 空气中的一些水气会在热交换器的内部凝结。由于所有的水在这个系统的闭环中保持高 压， 所以需要回收凝结物并且再次注入到系统中。

    [2629] 为逆流式热交换器建模需要在高压时的湿度特性值。现有软件提供高达 27 巴压 强的湿空气的热力学特性。 使用常规的湿度算法以便给通过也发生凝结的冷冻水旋管的湿 空气建模。 预计应用常规的热传递和流体力学原理和模型， 而无需对系统内的湿空气和水， 以及系统外的湿空气中的水进行修改。

    [2630] 可以按照如下设计部件。可以从部件建模的结果确定热交换器的设计要求。该设 计可以包括对于三个主要热交换器、 两个气流之间的逆流式热交换器和热水与冰冻水旋管 中的每个的一组规范。该规范可以包括热传递功能、 流速、 压力等级和压力下降、 最大尺寸 和重量。紧凑设计要求可能带来额外的挑战。

    [2631] 可以按照如下进行数据收集和系统设计。 可以使用能胜任高压环境的合适的传感 器， 以及用于采集数据的软件和硬件， 来测试该系统。

    [2632] 测试设施可以包括两个环境腔， 它们能够保持使进入系统中的热交换器的冷热两 侧的空气保持稳定的气温和湿度条件。在冷的一侧收集数据的主要部分， 以便确定系统的 冷却负荷。可以获得热交换器的空气和水两侧的传热率。在水的一侧的测量可能比湿空气 一侧的测量更准确。还可以获得准确的功率测量， 以确定系统 C.O.P。

    [2633] 用于测试热交换器的设计的设施可以如下。可以有两个单独的测量系统。一个用 于测试逆流式热交换器。

    [2634] 在该设施中， 在预计将气 / 液分离器留在压缩机 / 膨胀机的高温侧和低温侧的状 况下， 提供湿空气。可以测量流入和流出热交换器的两侧的湿空气的温度、 压力、 湿度值和 流速。另外， 还可以监控凝结物的温度和流速。

    [2635] 可以在设施中测试热水和冷水旋管， 该设施能够提供已知的空气流速并且可以在 隧道中加热和加湿空气。所述设施可以测试冷水旋管， 其中需要加热和加湿空气。当需要 从空气流消除热时， 利用建筑冷水， 可以设计测试热水旋管的冷却功能。 通常在这种设施中 进行的这些测试的空气流速比在 ASHRAE 过滤器测试中所要求的低。因此， 可以规定新的气流喷嘴， 它测量的范围比现有的喷嘴小， 以便使流速测量准确。在两个设施中都安装仪器， 并且将仪器与自动数据采集系统连接。可以进行系统性能验证测试。

    [2636] 利用近等温的压缩和膨胀已经对该系统进行了新颖的循环的热力学分析和支持 技术的研发。这项工作致力于使用相似的技术产生便宜的、 有效的能量存储系统。

    [2637] 已经研究了以质量流和液滴尺寸将液体引入压缩腔和膨胀腔的喷雾嘴和控制系 统。利用粒子速度成像和 CFD 分析， 可以描述这些喷雾系统。

    [2638] 图 29 示出了提供非常均匀的液滴分布， 适于高压缩率的用于空心圆锥喷嘴的速 度场。图 30 是扇形喷嘴的 CFD 模拟， 该扇形喷嘴提供了高质量流， 并且可以容易地以多种 形式设置， 以均匀地将喷雾混入工作气体。

    [2639] 图 74 是压缩率为 32 的两个压缩循环的质量加权平均温度的曲线。为了比较， 绘 出了没有喷雾的平均温度。图 74A 是从以最高压缩率 32 进行的气体压缩的 CFD 模拟的上 止点 (top dead center) 处的温度 ( 单位 K) 的伪彩表示。每个冲程注入的水量大约是所 述容积的 0.6％。

    [2640] 研发进展 ：

    [2641] 过去没有积极地从事利用压缩气体进行空气调节的一个理由是常规的 ( 绝热 ) 压 缩 / 膨胀循环的热效率很低。例如， 将空气从 1atm 绝热压缩到 200atm， 再膨胀回到 1atm 的 往返效率是大约 30％。 另外， 随着气体被压缩 / 膨胀， 气体温度的改变将压缩率限制到大约 3.5， 需要多个级的压缩或膨胀循环， 由此更降低了效率。

    [2642] 为了演示这个系统的性能， 我们计划将空气压缩到 atm， 同时通过将水滴喷入压缩 机来将温度变化 ΔT 保持在 20℃以下。我们将压力标准设定为获得大约 25Wh/ 升的能量 密度， 这对系统的实际应用来说足够高。通过 90％的目标往返热力学效率来设定 ΔT 的标 准， 如以下所讨论的 ：

    [2643] 系统的热力学效率

    [2644] 图 75 示出用于能量存储系统的热力学循环的实施例。在过程 1-2′期间， 用 LSE 研制的使用喷水专利技术的等温压缩机， 将空气压缩到大约 200atm 的高压。现有的实验 数据表明可以在等温压缩中使用高达 30 的压缩率 ( 参见 Coney et.al.， “Development of a reciprocating compressor using water injection toachieve quasi-isothermal compression” ， Int.compressor Eng.Conf.， July 16-19， 2002)， 而常规的绝热压缩机仅能 获得大约 3.5 的压缩率。归功于大的等温压缩率， 仅仅通过两个级就可以获得高压 ( 超过 200atm)。该压缩能量被存储在罐中一共几分钟或甚至几小时。在大型的几个兆瓦电能系 统中， 这种能量可能被存储几小时。 在此时段， 存储在罐中的空气将会失去一些热量并且回 到大气温度， 而体积不变。当需要存储的能量时， 压缩后的空气沿着过程 2-3 被膨胀， 这也 使用喷水技术以便在等温条件下使空气膨胀。

    [2645] 热力学分析 ：

    [2646] 这部分将演示示出该系统的可行性的基本的热力学计算。 注入系统的水量应该足 以保持温度基本不变。关系式 TdS ＝ dH-VdP 可以给出能量传递。对于几百微米大小的水 滴， 传热率非常快， 导致空气和水滴快速获得热平衡。 以下部分讨论的所研发的喷淋专利技 术清楚地显示通过应用相对小百分比的总能量， 容易得到小滴量。 因此， 假设空气和水处于 同一温度。因此， 有 dH ＝ CpadT+mwCpwdT， 其中 mw 是每单元空气质量的水的质量。Cpa 和 Cpw 分别是空气和水的热容量。现在可以写成 (Cpa+mwCpw)dT/T ＝ RdP/P。合并以上等式得到以下 关系

    [2647] 其中 n ＝ (1-R/(Cpa+mwCpw))-1。压缩过程期间做的功 可以将能量存储系统的效率定义可以示出为 为

    [2648] 图 76A 中示出效率与水的体积比率之间的关系图表。图 76A 示出当压缩过程中不 同大小的液滴喷入汽缸中时， ( 在 20Hz， 压缩比是 14.1 时 ) 往返的能量存储循环的理想的 热力学效率。

    [2650] 图 76A 示出了为了获得 90％的理想的往返的热力学效率， 需要将最大 2.5％的水 的体积以 100μm 液滴的形式喷入压缩机。如图 76A 所示， 喷淋所述量的水将压缩 / 膨胀过 程中的升温 / 降温限制到大约 ΔT ＝ 20K。

    [2651] 图 76B 示出了排放的空气的温度随着水的体积比率的增加的变化。图 76B 示出了 作为 1atm 的水的初始体积比率的函数， 在以 20Hz、 14.1 的压缩率进行压缩的过程中， 空气 温度的增加 (ΔT)。

    [2652] 在水体积比率是 2.5％下， 当喷了 100μm 的液滴时， 排放的空气温度的增加小于 20 度。相反， 当不用水时， 温度增加超过 1000K。

    [2653] 空气和水滴之间的热交换的规模

    [2654] 对于目前的压缩机系统， 可以假设 Pr 大约为 0.7， 并且基于理论上和实验上计算 的注入速度， 可以发现 Re 大约为 100。因此， Nu ＝ hdp/k ＝ 7.33。假设液滴平均为 100 微 米， 并且空气传导率是 k ＝ 0.027W/m/K， 则传热系数 ‘h’ 是 2000W/m2/K。球形水滴和空气之 间的热传递可以写成 maCpadTa/dt ＝ hAp(Ta-Tw)， 其中 ma 是围绕一个液滴的空气的质量。Ta 和 Tw 是分别是空气和水滴的温度。Ap 是液滴的表面积。从以上注入水的质量的计算， 得到

    [2649] ma ＝ 0.5md， 其中 md 是液滴质量。与该传热过程关联的时间大小是对于 100 微米的液滴计算出的时间大约是 1 毫秒。这比压缩过程 ( 压缩机以大约 1200RPM 的转动速度工 作 ) 的时间大小显著加快。

    [2655] 等温压缩机的 CFD 分析 ：

    [2656] 已经进行了等温压缩机在压缩率是 9 时的计算流体动力学 (CFD) 分析。除了动态 重新网格化 (re-meshing) 以外， 使用了复杂的多相流体模拟模型来模拟空气和水相位之 间复杂的相互作用。解决了用于两相的单独的能量、 动量和容积守恒方程。

    [2657] 图 77 示出了在立即要打开排气阀之前， 在靠近汽缸盖子的位置处的上止点的温 度 (K)。在该模拟中， 观察到由于水滴溅泼、 滑动和粘贴效应， 水沿着壁显著聚集。一般地， 在水体积比率高的地方温度低， 在存在低水体积比率的中心位置温度高。图 78 示出了在有喷水和没有喷水时的温度变化。图 78 示出了在有喷水和没有喷 水时， 汽缸中质量 - 平均空气温度 (K) 与曲柄转动之间的关系的 CFD 预计。

    [2659] 在没有喷水时 ， 气体的平均温度会上升大约 270K， 而当存在以每秒 0.4 升 ( 每个 冲程 20cc) 喷淋的 200μm 液滴时， 温度仅上升大约 25K。 这些结果确认了理论分析， 并且清 楚地显示了所提出方法的有效性。

    [2660] 其它损失 ：

    [2661] 除了热效率低 ( 这通过等温压缩 / 膨胀循环被显著改善 ) 以外， 还有导致效率降 低的其它损失。已经确定了这些来源， 并且在这里总结。

    [2662] 电机和电子元件损失 ： 估计大约为 5％。可以用更高的成本购买效率更高的元件。

    [2663] 阀门损失 ： 估计大约 2.7％。 穿过阀的流和压力下降的关系是， 靠近阀门的 计算出大约为 1.25kJ/kg。 以 计算出大约 然后分别计算气相和液相的损失 ： 以由于已知空气和水的流速， 因此可以计算出压力下降为 空气和水的通常速度是在 10m/s 的范围内 空气的 KJ/kg 为单位的空气流损失是 空气的 KJ/kg 为单位的水 (water) 流造成的阀损失是为 3.75kJ/kg， 这大约是产生的 456kJ/kg 总能量的 1.1％。

    [2664] 摩擦和泄漏损失 ： 这些损失主要由于汽缸内的活塞运动， 和压缩空气通过活塞环 的泄漏。摩擦和泄漏损失的总和估计为每个活塞环为 4psi。

    [2665] 喷雾损失 ： 估计大约 0.16％。基于施加到喷嘴 (nozzle) 上的压力增量和穿过喷 嘴的流速来估计该能量损失。利用 (ΔPnozzleQwatermr/ρwater)/(RTln(P2/P1) 估计损失百分比。

    [2666] 喷雾系统 ：

    [2667] 为了满足由上述分析设定的喷雾标准， 可以设计以相对低的压力增量 ( ＜ 50psi) 和相对高的流速 ( ～ 100cc/s) 工作并且以相对短的破裂长度产生小液滴 ( ＜ 100 微米 ) 的喷雾系统。喷嘴可以在汽缸中产生相对均匀的喷雾， 应该以 ( 相对于汽缸盖 ) 平缓的角 度喷雾， 并且应该引入小的或零的死容积 (deadvolume)。则喷嘴还应该容易制造， 和消除 / 减少空化效应。

    [2668] 将喷嘴设计得小到足以装配到我们的汽缸中， 并且简单到足以可靠和便宜地被复 制。喷嘴的研发在继续。一些主要试验和数字测试如下。

    [2669] 图 30 和 79-82b 示出我们测试的一些喷嘴设计的 CFD 模拟。图 79 示出二维的喷 淋破裂的多相流体模拟。图 30 示出从有专利权的一个 LSE 喷嘴中喷出的水雾的 CFD 模拟。 图 80 示出从研发的锥形喷嘴喷出的水雾的 CFD 模拟。

    [2670] 通过 CFD 模拟， 我们能够预测喷嘴的内部流动结构和预测形成的薄层的发散角 度。我们还能够获得对破裂长度和破裂机制的大致估计。然后， 我们用获得的信息以及科 学文献中公布的半经验关系来预测破裂长度和液滴大小的更准确的值。

    [2671] 图 81a 示出使用颗粒图像速度学 (PIV) 系统拍摄的液滴的试验照片， 该照片示出 液体薄层的破裂和雾化。液滴大小分布的测量也在图 81b 中绘出。

    [2672] 试验设定包括双腔 Nd ： Yag 激光 (Solo III-15， New Wave Research)， 该 Yag 激光 能够以波长为 532nm 的两个相继的 50mJ 4ns 激光脉冲照射视场。该设定使得我们能够测 量液滴速度的空间分布。成本分析 ：

    [2674] 假定在 20Hz(1200RPM， 两个功率冲程 ) 下工作， 空气从 200atm 气罐到 1atm 的膨胀 效率是 90％， 利用以下关系式， 我们系统的功率评级估计在 7.75kW/ 升排量 ：

    [2675] 我们使用货车柴油机作为模型来估计我们提出的压缩机 / 膨胀机 ( 大规模生产 ) 的资本成本。这在直觉上是合理的， 因为柴油机的压力值与我们系统的压力值相似 ( ～ 200atm)。 2400RPM、 4 冲程的柴油机 ( 与我们系统的功率冲程相同 ) 的功率评级估计为大约 16kW/ 升排量， 这利用下式得到 ：

    [2677] P 柴油机＝ 1/2BMEP×V×f

    [2678] 假定 100hp( ～ 75kW) 货车柴油机的成本大约是 $6000， 则我们的压缩机 / 膨胀机 的大规模生产的资本成本是大约 $165/kW。下表总结了资本成本估计， 包括其它项的成本 ：

    [2676] COP

    [2681] 在目标条件下， 很多在售的空调单元以 3.5 的 COP 运行。我们系统的目标是 4.25 的 COP。我们的分析总结如下。

    [2682] 图 32A 是功率流图， 示出了流过整个循环的一个实施例的功和热量。各功率值被 归一化到从电网流入的电功率。首先， 1kw 的电功率通过效率为 97％的马达驱动器进行处 理， 接着由效率为 95％的马达进行处理。 通过马达轴进行处理， 马达轴因摩擦损失其功率的 0.5％。该轴驱动压缩机。所述压缩机有几个降低效率的源 ： 喷雾、 泄漏、 机械的和热。

    [2680] 对于水与氦气 10 ∶ 1 的质量比， 喷雾损失只占通过系统循环的功的 1％。往复式 压缩机或膨胀机的机械和泄漏损失通常为 95％左右。 然而， 摩擦损失集中在阀门致动器、 喷 口摩擦和管道损失以及活塞环。这些摩擦损失并不随压强的增加而线性地增加， 而阀门 / 管道损失对于氦气等轻气体来说是低的。可以在内压为 25 巴、 压强比为 2.71 下工作。可 以将这些机械效率总体上维持在 95.6％以上。

    [2684] 在图 32A 的实施例中也示出了热效率。分析了压缩机和膨胀机的动态热性能， 得 出分析范围、 数值结果、 和一些小规模的试验结果。由于气体在低温下， 膨胀做功比压缩做 功少。只要气体和液体的温度差保持在 5° F 以下， 则根据我们的分析和计算结果可得到，

    [2683] 对于所示的温度， 膨胀效率为 92.7％， 压缩效率为 98％。

    [2685] 尺寸

    [2686] 对于在 1200RPM 和 150psi 下运行的一吨的系统， 我们需要 1hp 的电机、 两个总排 量为 350cc 往复式活塞、 以及界面表面积约为 15 平方米的扇冷式热交换器。使这些部件符 合希望的形状因子 (1.5’ ×1’ ×9” ) 可能有难度但是可行。

    [2687] 寿命

    [2688] 可以合理地预计本设计中的部件在目标规定的 14 年的工作中不进行维修或很 少进行维修 - 在其它相似的系统中也一样。影响寿命的因素包括在压缩机和膨胀机汽 缸中使用水， 因为水对于许多金属是有腐蚀性的。耐水材料同时也是寿命长的材料对 于轴封 (sliding seals)、 阀门座 (valve seats)、 磨损面 (wear surfaces) 以及紧固件 (fasteners) 是有益的。 根据本发明的设计可以使用铝部件、 镍 - 聚合物涂层、 和 PTFT 滑动 部件。

    [2689] 成本

    [2690] 为了达到每吨 $1000 的目标， 可以完成近等温压缩和膨胀汽缸的成本工程。350cc 排量的往复式空气压缩机泵零售价约为 $370。利用特制的阀， 以及喷嘴、 泵、 和空气 - 水分 离器， 根据本发明的实施例可以既作为压缩机又作为膨胀机工作。如果可以将这些部件的 总成本保持在 $500， 则留大约 $150 用于一个 hp 电机， 每 $100 用于三个热交换器， 和 $50 用 于外壳和控制。

    [2691] 扩展性

    [2692] 由于我们的设计是基于简单的往复运动的活塞的机制， 因此它可以在从大约 100 瓦到 10MW 的范围内被任意调节。更大的单元会具有更低的每吨成本。

    [2693] 可以展示近等温压缩到大约 8 个大气压的情况。我们预计可以包括以下各个阶 段：

    [2694] 1. 展示在低压 ( 大约 10 个大气压 ) 下的近等温空气压缩和膨胀， 这合起来使得能 够进行低密度能量存储。

    [2695] 2. 展示在高压 ( 大约 200 个大气压 ) 下的近等温空气压缩和膨胀。这使得能够具 有很普遍适用的能量存储。

    [2696] 3. 展示包括开放式储能器 (open accumulator) 的集成系统， 以提高效率和利用 复合气罐来降低成本。

    [2697] 4. 研发特别为以上第 3 项展示的技术而设计的能实现成本效益高的特制的发动 机组和部件。

    [2698] 5. 制造用于以上第 4 项中研发的部件的工具， 和建立试生产设施。

    [2699] 6. 建立试验性的能量存储单元的初始运行， 并且将它们设置在测试设施中。

    [2700] 7. 用于大规模生产的工具

    [2701] 上述前三个阶段是这里提出的， 并且大致对应于项目的第 1、 2 和 3 年。如果达到 项目的目标， 则技术性能会完全准备好用于商业研发 ： 该项目可提交的最终样机能够从电 网接收电， 将电无限期地存储在完全能符合适用的安全规程的气罐中， 然后将所存储的电 交付到电网标准。这是很多现有的能量存储应用需要的基本性能 ( 即， 建筑的轮换需求和 频率规定 )。第 4 阶段是具体商业化所采取的第一个步骤。这主要是重点在成本和质量工程的 制造工程阶段。我们预计第一个产品在 100kW 级别 - 我们在这里的样机的级别。这种系统 会有很多工业级的应用 ( 建筑的轮换需求、 备用电源、 在配电站的 “孤岛效应” 、 用于大型光 伏方阵的存储器等 )。

    [2703] 将第一个产品投入市场所需的投资主要支付加工成本、 试生产库存、 试验性测试、 小规模生产的加工升级、 最初的生产库存。期望在开始大规模生产之前已经有一些确定的 购买订单， 这有利于收到用于库存和财务的传统融资。加工和试生产的最可能的资金来源 会是风险资本投资。这和加工小型引擎的成本 ( 大约 $25M 到 $50) 是相当的。

    [2704] 虽然以上实施例已经描述了通过喷淋液滴引入用于热交换的液体， 但是本发明不 限于此方法。 根据一些实施例， 通过例如利用起泡机或喷淋器使通过液体的气体起泡， 可以 在一个或多个阶段引入液体。这样利用起泡引入液体可能特别适合高压， 在那里可能难以 实现带来均匀的热交换的液滴和气体之间的均匀的相互作用。

    [2705] 并且虽然前面描述的实施例已经讨论了利用使制冷剂保持为气相的循环进行冷 却， 但是本发明也不限于此方法。根据本发明的一些实施例的冷却会采用冷却剂的相位不 会从液体变为气体然后再变回来的循环。

    [2706] 例如， 图 82 示出了根据本发明的冷却系统的可选实施例的高度简化的视图。系统 8200 利用设置为相位从液体变为气体然后回到液体的材料作为制冷剂。如以下描述的， 由 制冷剂的相位变化用于吸收和去除热量以在蒸发器 8202 中制冷， 然后将所吸收的热释放 到冷凝器 8204 中。

    [2707] 循环制冷剂作为气体进入压缩机 (C)8206 中， 在那里它被压缩而达到高压。根据 本发明的实施例， 在该压缩过程中， 通过经由泵 8212 和热交换器 8214 与贮液器 8210 液体 连通的喷淋器 8208( 或起泡机 ) 可以将低温液体引入到气体中。该引入的液体用作执行与 压缩气体的热交换， 降低气体的温度变化和提高热力学效率， 如以上所详细描述的。

    [2708] 引入的液体与制冷剂本身可能相同或可能不同。 在本文件的其它地方提供了根据 本发明的不同实施例适合引入的液体的列表。

    [2709] 在压缩后， 利用液体 - 气体分离器 8216， 将引入的液体与压缩气体分离， 这可以是 上述任何特殊设计。然后使该分离后的液体流到贮液器 8210 中。

    [2710] 然后使该分离后的压缩气体流到冷凝器 8204 中， 在那里该气体通过暴露到热沉 8220 中而与该热沉 8220 交换热并且被冷却， 由此变为液相。 来自冷凝液体的热由该热沉带 走。

    [2711] 然后冷凝的液体制冷剂流过节流阀 (TV)8232， 在那里它经历了压力快速下降。该 压力下降使得一部分液体制冷剂蒸发， 导致气体和液体混合。该蒸发使得气体 / 液体混合 物的温度降到希望的冷却温度以下。

    [2712] 然后将冷的气体 / 液体混合物运送到蒸发器 8202。 来自使用者 8230( 这里简化为 住所 ) 的热 ( 通常以空气形式 ) 与该气体 / 液体混合物相互作用。来自使用者的空气的热 蒸发了冷的制冷剂混合物的液体成分， 并且因而被冷却。

    [2713] 最后， 来自蒸发器的制冷剂气体流回到压缩机中， 并且重新开始循环。

    [2714] 图 82 所示的在制冷循环中的压缩过程中引入液体进行热交换， 通过更接近等温 地进行压缩而更有效地用于进行压缩。该提高的效率极大地提高了 COP( 性能系数 )。本发明的实施例涉及呈现一个或多个理想特性的压缩气体能量存储系统。该 系统可以是有效的 ( 一次往返 80 ％ )、 成本效益高的 ( 系统成本＜ $100kWh)， 快速进行 (rampable) 的 ( ＜ 10 分钟 ) 能量存储明确代表了转换技术。特定的实施例可以使用喷水 来促进在高压下压缩和膨胀过程中的热传递。

    [2716] 根据本发明的实施例的有效的、 成本效益高的能量存储技术使用压缩空气作为存 储介质。与现有的压缩空气能量存储技术 (CAES) 不同的、 可以设置在任何地方的本发明的 实施例是高效的， 并且不需要矿物燃料来工作。

    [2717] 根据本发明的实施例提供了几乎等温地压缩和膨胀空气的能力。 等温工作极大地 提高了效率， 但是以前证实了难以实现， 特别是在高能量密度下实现这样的高效率。本发 明的实施例将喷水直接注入压缩或膨胀空气。这吸收了压缩产生的热， 减少了需要做的功 ( 并且在膨胀过程中增加热， 增加了提取的功 )。接近恒定的运行温度使得能够在更高压缩 比和更高速度下运行， 降低了成本 ； 并且这消除了在膨胀过程中燃烧矿物燃料的需要。

    [2718] 虽然概念上简单， 但是喷水促进的热传递表现了极大的工程难度 - 特别是在高压 下。根据本发明的实施例可以将热以比在科学文献中曾经报告的速率高 10 倍的速率传递 到压缩腔外面 ( 以及进入膨胀腔 )。

    [2719] 根据本发明的实施例涉及使用压缩空气作为存储介质的实用规模的能量存储。 我 们提出的技术可以设置在任何地方， 其高度有效， 并且不需要矿物燃料来运行。

    [2720] 根据本发明的实施例的重点在于能够近等温地压缩和膨胀空气。 等温压缩极大地 提高了效率， 但是它被证实难以实现， 特别是在高功率密度下。 根据本发明的实施例的一种 方法是将水滴直接喷入压缩腔或膨胀腔， 以利于热交换。

    [2721] 为了以商业级别展示该技术， 利用了几项工作。可以使用分析和建模来深化和延 伸系统中发生的热力学、 力学、 声学和液压过程的数学模型。

    [2722] 也可以给喷水的流体动力学建模。 例子包括穿过喷嘴的流动、 液滴破裂、 与汽缸壁 的碰撞、 以及和空气一起的两相流动。

    [2723] 压缩机的研发可以进行如下。可以将 100kW 级别的气体压缩机修改为作为膨胀机 反向工作， 并且集成了利于热传递的喷水器。单个级可以是在低压 (300psi) 下的原型， 然 后增加第二级以达到 3000psi 或更高。可以将用于第二级的预混合腔室和定制的阀门设计 为使得在高压下水的体积比率高。

    [2724] 现有的电网级的能量存储技术

    [2725] 当今电网能量存储由两项技术主导， 抽水和压缩空气 (CAES)。这些技术通过两种 流体 ： 空气和水的运输或压缩来工作。空气和水总是特别便宜。难的是制造出能有效地、 成 规模地和灵活地使用它们的系统。

    [2726] 根据本发明的实施例涉及使用压缩空气作为存储介质的能量存储技术。 研究报告 已经得出结论， 压缩空气为成本效益高的电网级的能量存储提供最佳机会 - 并且恐怕是满 足由 FOA 规定的激进的成本目标 ( ＜ $100/kWh) 的仅有的切实可行的道路。

    [2727] 现有的压缩空气能量存储 (CAES) 使用电动机操作的压缩涡轮机来压缩空气。在 至今实现的系统中， 压缩空气存储在地下的盐丘直到需要它时。 在输送功率的过程中， 用压 缩空气操作膨胀涡轮机。

    [2728] 然而， 因为在膨胀过程中空气变冷了很多， 所以限制了能够获得的能量， 天然气在进入膨胀涡轮机前被燃烧以便加热气流。 这实质上是在压缩和膨胀之间具有时延工作的天 然气燃气轮机。

    [2729] 虽然两个 CAES 系统运转着， 但是由于花费和效率方面的考虑， 和需要燃烧矿物燃 料来工作， 它们没有被证实为成为受欢迎的技术。

    [2730] 近等温压缩空气能量存储

    [2731] 正在进行的几个项目提出了解决现有的 CAES 系统的缺点。目的是研发出专门从 空气膨胀提供功率而无需补充燃烧化学燃料的技术。

    [2732] 这个新的压缩空气技术使用近等温 ( 而不是绝热 ) 压缩和膨胀。这是热力学的基 本结果 ( 见以下初步结果部分 )， 这个结果是如果在压缩冲程过程中去掉在压缩过程中产 生的热， 则需要压缩空气的功减少。 相似地， 如果在膨胀过程中增加热， 则将产生更多功率。

    [2733] 如果在运行过程中保持温度恒定， 则能量存储的效率理论上可以达到 100％。 事实 上， 有很多可能发生损失的来源 - 摩擦、 压力下降、 电 - 机械转换损失等。无论如何， 可以达 到往返一次的效率是接近 80％。

    [2734] 有几个方法实现近等温性能， 在压缩过程中将热传递到压缩腔外， 而在膨胀过程 中添加热。通过很慢地运行可以完成， 从而有时间使热通过整个腔室的壁传导。该系统可 能难以形成规模， 并且可能运行缓慢， 限制了系统功率密度 ( 并且因此增加了其成本 )。

    [2735] 或者， 可以将热交换器集成到压缩腔中， Lemofouet， S.， 的 “EnergyAutonomy and Efficiency through Hydro-Pneumatic Storage” 已经使用了这个方法

    [2736] (http://www.petitsdejeunersvaud.ch/fileadmin/user_upload/Petits_ dejeuners ？ EnAirys_Powertech_20081121.pdf)。

    [2737] 用于近等温空气压缩和膨胀的喷水装置

    [2738] 根据本发明的实施例还可以采取不同的方法。具体地， 在压缩和膨胀过程中将具 有高热容的液体 ( 诸如水 ) 喷到空气中。 因为每单位体积的水可以比空气吸收多得多的热， 所以少量水就足够使过程保持近等温。并且因为水雾提供很大的热交换面积， 所以可以很 快地传递大量热。

    [2739] 根 据 本 发 明 的 实 施 例 的 该 液 体 注 入 会 使 得 能 够 在 高 RPM(revolutions perminute， 每分钟转数 ) 下运行压缩机 / 膨胀机装置。系统运行越快， 对于特定的系统成 本， 它能提供更多功率。

    [2740] 为了充分利用喷水的热传递性能的优点， 机械部件应该能够高速运行。 然而， 以前 公知的近等温空气压缩技术使用液压汽缸和液压电机 / 泵来提供功率。使用液压， 虽然原 型简单， 但是显著地限制了运行速度。 这里从益处方面来说， 例如使用根据本发明的实施例 的往复运动的活塞和曲柄轴的机械系统可以比液压系统运行得快得多。

    [2741] 然而， 利于热交换的喷水的问题在高压下变得更困难， 而高压可能对获得高效率 和小的空气存储空间很重要。因此， 本发明的实施例可以使用比至今已经在科学文献中报 告的更高的水对空气的体积比率， 以便在 200 个大气压的目标压力下保持近等温压缩。这 可能涉及设计特殊喷嘴、 阀门和喷水岐管， 以达到喷淋密度和均匀性。

    [2742] 根据本发明的实施例可以使用往复运动的机械活塞， 更像是汽车发动机。采用曲 柄轴、 轴承和润滑系统的机械活塞设计可能比液压设计更难以制造。然而， 对于本申请， 在 相同的排量下， 根据本发明的实施例可以获得液压的运行速度的 10 倍。因此这个系统相对于成本可以提供多得多的功率 ； 这就是空气压缩机和汽车发动机使用往复运动的活塞而不 是液压的原因。往复装置增加的复杂性减弱了喷水的热传递性能的全部优点。

    [2743] 根据本发明的实施例可以涉及有效的能量存储系统， 该系统能够快速启动 (ramp) ( 例如 1 分钟或更短 ) 并且提供大于 20kW 的功率至少 1 小时。样机系统是商用的往复运动 的压缩机， 它被修改为在最高达到 200 个大气压的压力下近等温运行。常规的压缩机通常 在低压 ( 大约 3.5 个大气压 ) 下运行。

    [2744] 压缩机 / 膨胀机

    [2745] 为了对整个空气压缩 / 膨胀过程建立热力学模型 (LSE)， 可以将在以下的初步结 果部分中描述的当前的模型修改为包括水蒸发、 持续喷淋、 边界层， 和湍流混合物的效果。 发现了系统行为的闭合形式的边界， 然后可以使用多种数值方法来确定特定构造和运行状 况的详细值。

    [2746] 为了利用计算流体动力学 (CFD) 给在高压下的具有移动活塞的汽缸中的喷水行 为建模， 利用 CFD 可以建模新的喷嘴设计 ( 例如， 如以下初步结果部分描述的 )， 以改善喷淋 密度和均匀性。已经证实 CFD 分析在确定寻求最有成效的设计手段方面是有用的。

    [2747] 可以在缸径 / 冲程比和关注的压力的范围中建模汽缸模型中的喷嘴歧管。在高压 (100 个大气压或更高 ) 下的喷淋系统的模型可以具有特殊值以反映要达到的高喷淋密度。

    [2748] 可以运行 CFD 模型的单独集合以模拟进出阀门的流。优化阀门流可以改善容量效 率。 阀门设计中的另一个考虑是确保在预混合腔中喷入到空气流中的水滴在该混合物穿过 阀门孔时保持混有空气。

    [2749] 一些建模显示活塞运动和溅射效应可能相关。这可以进一步研究， 特别是在高压 下。上述建模可以利用例如 ANSYS 流化软件包执行。

    [2750] 正在研发能够在 200 个大气压以上建立高度均匀的水的体积比率接近 10％的喷 淋系统。高压汽缸的缸径小， 从而用于低压汽缸的直接注入设计 ( 喷嘴直接向汽缸喷淋 ) 似乎不实用 - 没有空间给所需数量的喷嘴。

    [2751] 可以使用汽缸的上游的预混合腔。在该混合腔中， 产生水与空气的合适的体积比 率， 然后穿过进入阀进到汽缸。可以使用 CFD 来设计有效的腔室几何形状和喷嘴分布。

    [2752] 正在研发能够使得浓稠的空气 - 水气雾穿过的高流量系数阀门。如上所述， 困难 的是将浓稠的空气 - 水滴混合物从预混合腔移到汽缸中， 同时保持液滴悬浮。

    [2753] 阀门可以有各种几何形状。一种是具有大的汽缸孔的回转阀， 它不需要流体改变 方向。第二种几何形状在汽缸壁中采用一个开口或一组开口， 如可以在很多两冲程发动机 中找到的。

    [2754] 在第二种设置中， 活塞在运动时自己打开和关闭阀门。一个困难是开口的几何形 状要使得它适用于压缩 ( 开口可以恰好位于在下止点处的活塞上端的上面 ) 和膨胀 ( 开口 可以位于上止点附近 )。

    [2755] 一些实施例可以使用液体水来管理汽缸的死容积 (dead volume)。近等温压缩和 膨胀使得能够达到高压缩比， 而没有大的温度变化， 大的温度变化会使该比值无法实现。 然 而， 高压缩或膨胀比可能难以达到， 除非死容积 ( 当活塞处于上止点时仍未被占用的汽缸 容积 ) 太大。在常规的气体压缩机中， 例如， 死容积是 25％， 压缩比被限制到 4。

    [2756] 根据本发明的实施例压缩比可以高达 20 或更高。这可以利用认真设计的活塞 /汽缸 / 阀门组件和 / 或通过使用水填充相当部分的死容积来达到。

    [2757] 采取后者， 在运行过程中仅仅在汽缸中保持适当体积的水的方法可能难以实现。 解决这个问题可能涉及对阀门设计和基于反馈的控制的建模和试验。

    [2758] 本发明的实施例寻求在空气压缩机 / 膨胀机中应用最佳控制的喷水。压缩机 / 膨 胀机的性能 ( 功率效率 ) 可以取决于喷水的时机和喷水量。

    [2759] 通常， 喷水越多， 越能够使压缩 / 膨胀等温。然而， 喷水也有代价 ( 例如， 压力下 降 )。

    [2760] 因此， 确定最少的喷水量同时满足使过程等温的要求的方案可能是有用的。可能 不容易得到能提供足够准确性以便确定最佳时机和量的解析模型。可以采用学习控制方 法， 在该方法中通过反复试验， 可以获得最佳控制方案。正式地， 该方法称为自优化控制或 极值寻找法。

    [2761] 本发明的实施例可以将喷淋系统、 阀门、 死容积管理系统和喷淋控制最优化集成 为具有高压缩比的单缸压缩机 / 膨胀机。单缸压缩机可以构造为作为在 10 到 20 个或更高 的大气压下具有可控制的 ΔT 的压缩机或膨胀机运行。系统性能可以被描述和与解析模型 比较。

    [2762] 一些实施例可以采用能够大于 100 个大气压力的多级压缩机。在一些实施例中， 压缩机 / 膨胀机可以构造为用两个汽缸工作。根据一些实施例， 喷水系统可以使用第二级 的高压以泵送喷水通过低压汽缸的喷嘴。 热交换器系统可以构造为支持汽缸和管理喷淋系 统以在两个级都保持相等的 ΔT。

    [2763] 初步结果

    [2764] 近等温压缩和膨胀

    [2765] 空气是便宜的存储介质。快速热传递使得能够有有效的能量存储。细小地、 密集 地和均匀地喷淋的水会使得热传递比以前尝试的任何方法更好。

    [2766] 水比空气具有更大的体积热容 ( 多于 320Ox)。 所以即使小体积的水以喷雾悬浮在 压缩空气中， 也可以吸收大量的压缩热， 并且又给膨胀提供热， 而温度没有显著变化。

    [2767] 详细的解析和数值热力学分析 ( 见以下 ) 产生解析的热力性能的上边界和下边 界。数值模拟验证了这些边界。

    [2768] 利用各种方法可以实现空气的有效膨胀。虽然水喷雾的注入可以改善热传递， 但 是现有的空气电动机导致相当大的 “自由” 膨胀， 该膨胀浪费了存储的能量而没有做任何有 用功。

    [2769] 因此， 本发明的一些实施例可以采用能重新获得效率的 “控制脉冲” 阀门定时方 案。该阀门定时方案会在膨胀过程开始时打开阀门达特定时间， 然后关闭阀门。这会允许 进入足够的空气， 从而当膨胀完成时， 内部压力与较低级的压力或大气压相等， 并且提取了 全部可获得的能量。

    [2770] 为了演示 ： (a)‘受控脉冲’ 阀门方案会避免由于自由膨胀导致的低效率， (b) 可以 有近等温压缩和膨胀， 并且使得能够有有效的能量存储， 利用液态活塞概念建立小型样机。 通过液压机液体而不是活塞排放空气， 而不是试图将液体喷入空气中。驱动器、 控制器板、 和压强元件是自制的。利用电磁阀、 液压马达、 和用于液压机液体的一加仑植物油， 制造出 空气发动机， 它展现了热力学效率为 88％的理想的等温系统。找到整个该系统的组成、 成本和附加损失， 并且尽可能消除这些损失。例如， 认识 到液态活塞或其它液压系统会努力达到高能量密度、 低成本和高效率。高能量密度需要高 的 RPM， 但是移动得很快的液体的动量和摩擦可能使得难以建立稳定的、 坚固的和有效的系 统。与使这么多的液体来回移动相关的液体摩擦， 会使效率明显下降 - 根据一些估计， 在每 个方向上下降多于 5％。

    [2772] 另外， 在压缩和膨胀过程中压力会变化， 使得液压马达 / 泵持续离开其最大效率 点。基于可获得的效率曲线， 效率在每个方向上可能再下降大于 5％。

    [2773] 因此， 利用机械方法进行压缩和膨胀可能有利， 例如， 利用汽缸中的往复运动的活 塞。

    [2774] 喷水可能缓解传统的技术问题， 冷却所有表面， 降低滑动部件上的磨损。例如， 领 先的制造商制造出压缩比不超过 3.5 的压缩机 ： 因为产生的高温会使材料受到的应力太 大。通过使用喷水可以避免这种限制。

    [2775] 另外， 水会接近汽缸盖和阀门组件的难以到达的缝隙， 占去 ‘死容积’ ， 该 ‘死容积’ 降低压缩机和发动机的容积效率和压缩比。例如， 通过传统的往复运动技术， 会采取 4 个级 将一个大气压下的空气压缩到 200 个大气压。根据本发明的实施例可以在两个级实现该空 气压缩。

    [2776] 另一个可以进行的改进是变频驱动的代价和低效率。 可以使用具有负载控制的同 步电动发电机来代替， 用于压缩机 / 膨胀机上来控制阀门脉冲长度。这样的方法可以用一 些效率来实时地换取功率的提高或降低。

    [2777] 在一些实施例中， 喷淋系统可以满足以下性能标准 ： 它可能以相对短的破裂长度， 相对低的压力增量 ( ＜ 50psi)， 和相对高的流速 ( 大约 100cc/s) 产生小液滴 ( ＜ 100 微 米 )。喷淋系统可以在汽缸中产生相对均匀的喷雾。喷嘴设计可以引入小的或为零的死容 积， 相对容易制造， 并且消除 / 减少空化效应。

    [2778] 已知喷嘴可以喷淋水流而只需要低的压力增量。 已知其它喷嘴设计能在高的压力 增量下喷淋非常细的薄雾。然而， 看起来已知的喷嘴不能够符合希望的参数。

    [2779] 因此， 根据本发明的实施例可以采用新颖的喷嘴设计。图 79 示出了来自二维 CFD 模拟的喷射破裂模型。红色区域代表液体， 蓝色区域代表空气。

    [2780] 图 80 示出从喷嘴设计发出的喷水的 CFD 模拟。 红色表示全部液体， 蓝色表示空气。 图 80 示出从 LSE 研制的锥形喷嘴发出的喷水的 CFD 模拟。红色表示液体喷雾， 蓝色表示空 气。图 81a 示出来自喷嘴实施例的液体薄片破裂和雾化。图 81b 示出喷嘴实施例的液滴大 小分布。

    [2781] 根据本发明实施例的喷嘴设计可以表现希望的特征。喷嘴设计可以使水滴雾化 到小于 100 微米， 而压力只下降 50psi， 并且具有高流速 (100cc/s) 和短的破裂长度 ( 大约 1 英寸 )， 该喷嘴设计小到足以安装到我们的汽缸中， 并且简单到足以容易和便宜地重复制 造。

    [2782] 喷嘴模型与压缩 / 膨胀汽缸和阀门模型的集成产生了整个压缩 / 膨胀过程的完全 的 CFD 模型。它已经用于给通过表面上的水的薄层溅射到壁上的水滴建模， 随着活塞移动 和阀门打开和关闭， 网孔动态地变形， 并且将紧靠在一起的液滴的效应的模型合并， 占用它 可用的特别高的体积比率。用压缩比为 9 的排量和仅仅 20 秒的冲程模拟的系统显示了没有喷水的气体的平 均温度会从 300K 上升到 570K。相反， 存在每秒 0.4 升 ( 每个冲程 20cc) 的 200 微米液滴的 喷雾时， 温度上升。

    [2784] 图 83 显示了有溅射和无溅射模型时， CFD 模拟的汽缸中质量 - 平均空气温度 (K) 与曲柄轴转动的关系曲线。图 77 显示了上述排气阀马上打开前的温度 (K)。

    [2785] 分三部分继续分析热力学。首先， 计算压缩或膨胀过程的热行为， 此时水与空气 处于理想的热平衡， 可忽略混合物和环境之间的热传递， 并且温度足够低， 从而饱和气压也 低， 所以可以忽略相变。该过程与绝热压缩或膨胀过程相似， 环境和混合物之间没有热交 换。然而， 与空气密切热接触的水的存在增加了每摩尔空气的 “有效” 热容。

    [2786] 在理想气体的绝热压缩或膨胀中， 该过程遵守 ： γ

    [2787] pV ＝常数， 其中 ：

    [2788] 其中 ： cp 和 cv 是在常数压力和容积下的摩尔热容， 并且其中 R 是摩尔气体常数。 另外， 由于 pV ＝ nRT， 因而温度由以下给出 ：

    [2792] 这对于空气和水的混合物的压缩或膨胀是正确的， 除了 γ 由以下替换 ： 其中 ：cv 有效的是每摩尔气体在常数体积下气体和液体的总热容。

    [2795] 由于喷水随着 cv 有效的的增加而成比例地增加， 并且 γ 有效的也很接近。因此， 通过以 上给定温度的表达式， 整个过程的温度接近常数。

    [2796] 热力学分析的第二部分延用以上分析结果， 它依据的事实是液滴和空气不会立即 达到热平衡。首先， 确定了在该过程中输入或输出的最大轴功率的等式。这使得能够找到 在该过程中曾经达到的水和空气之间的最大温度差的等式。

    [2797] 这继而使得能够建立定界 (bounding) 过程， 该过程可以示出稍微高估了压缩或 膨胀过程中温度的变化。该定界过程也稍微高估了需要用于压缩的功， 并且稍微低估了膨 胀过程中所做的功。假设空气和水继续处于热平衡， 它们已经被从达到它们的最大温度差 的初始状态被加热或冷却。

    [2798] 然后该过程作为上述平衡过程继续下去。这些值取决于其它值， 但是可以用代数 解决。该工作给了我们对于在压缩和膨胀过程期间达到的 ΔT 的解析边界和扩展规则， 以 及热力学效率的下边界。

    [2799] 与其它能量存储系统相比， 根据本发明的系统的实施例可以提供一些理想的特 性。例如， 不像电池， 空气压缩机的循环寿命是无限期的。 压缩空气能量存储 (CAES) 系统的成本是两个成本的和 ： 压缩 / 膨胀装置的成本 ( 每 kW 的成本， 因为该装置产生功率 )， 和空气存储系统的成本 ( 每 kWh 的成本， 因为它存 储能量 )。本发明的实施例的目标成本可以是 $400/kW 和 $80/kWh 安装成本 ( 假定不能用

    [2800] 地下存储 )。对于具有 12 小时存储的系统， 可以认为成本是 $113/kWh。然而， 具有 26 小时 存储的系统 ( 在阿拉巴马 CAES 电站的 Macintosh 的存储时段 ) 只花费 $95/kWh。

    [2801] 往复运动的发动机是成熟的技术。货车柴油发动机通常花费大约 $100/kW。对于 该花费 ( 假设可比较的功率密度 )， 可以包括电动机发电机、 功率电子和其它部件。对于大 规模生产， 非常可能实现满足 $400/kW 的目标。

    [2802] 能够以 200 个大气压存储空气的常规的钢罐的成本大约是 $125/kWh( 包括阀门 )。 应该在这上面加入歧管、 连接软管、 外壳、 量规和连接器的成本。 另外， 考虑到从压缩空气提 供功率时任何效率的降低， 需要额外的容量。如果单向效率是 90％， 则大约 1.1kWh 的存储 容量可以提供 1.0kWh。对于现有技术成本大概是 $150/kWh。

    [2803] 如果将罐子制成 16 米长， 而不是它们通常的 1.6 米， 则可以降低旋转 (spinning) 该罐子关闭， 以及阀门和软管的成本。另一个可能的方法是始于天然气管线管道或套管管 道。

    [2804] 通过增加更多存储罐可以无限期地延长额定功率下的运行时间。 可以增加足够多 的罐子以便运行至少 1 小时 ( 也就是， 总存储大约为 100kWh)。

    [2805] 根据本发明的实施例还可以提供长的循环寿命。 由于压缩空气能量存储系统是机 械的， 而不是电化学的， 其性能不像电池那样变差。如果维护适当， 空气压缩机可以持续运 行 30 年 (11,000 昼夜循环 )。

    [2806] 根据本发明的实施例还可以提供高的往返效率。常规的 CAES 系统的效率仅仅大 于 50 ％。理论上等温系统的往返效率可以是 80 ％。更实际的正常运行下的目标可以是 75％。如果可以使用低级热 ( 例如废热 )， 则可以达到 90％或以上的效率。

    [2807] 由于损失压缩热， 所以当前的 CAES 系统的效率受到限制。近等温运行的热效率接 近 100％。

    [2808] 然而， 可以使多个附加损失最小。 这样的附加损失的例子包括但不限于 ： 体积损失 ( 在进气冲程期间用空气填充汽缸和在排气冲程期间使汽缸排空 ) ； 电动机 / 发电机效率 ； 用于将水喷入汽缸中的功率 ； 热交换器风扇和摩擦。例如， 对于体积效率， 应该保持适当体 积的水充满汽缸中的大部分死体积。

    [2809] 关于保压 (dwell) 时间， 从填充模式变为排放模式主要是切换几个阀门的状态。 发动机在同一方向上连续转动。这差不多应该瞬时发生。

    [2810] 关于规模， 在一个实施例中， 该系统可以是当所有四个汽缸都参与时以大约 1MW 运行。开始可以以 100kW 运行， 但是一旦达到基本目标就可以按比例增大。

    [2811] 与按比例增大有关的一个潜在的技术挑战包括在高压下有效运行 ： 理想的是大于 3000psi， 以降低存储占用的空间和成本。目标是在该压力下保持足够高的水的体积比率。

    [2812] 根据本发明的实施例提供的另一个潜在的益处是降低内部损失。具体地， 现有的 CAES 系统在地下存储压缩空气。 根据使用的地质类型， 损失可能很大。 为了实用目的， 用钢 罐或复合罐的地上存储， 存储任意长的时间的能量损失是零。

    [2813] 关于安全性， 可以使机械部件和压力容器完全符合适当的建造规格。 此外， 在很多 实施例中， 该系统不使用有毒物质， 而只有空气和水。

    [2814] 本发明的实施例可以延续使用 30 年以上， 这是典型的重型往复运动的气体压缩 机的寿命。如同任何发动机， 需要日常维护。需要定期更换活塞环、 密封垫、 过滤器、 和润滑油。 汽缸中使用的水提供了腐蚀源。 诸如 DLC、 镍 / 聚合物和其它材料的特定涂层可以 提供长期抗腐蚀。

    [2816] 如前面所述， 存储单元中驻留的压缩空气除了用于能量存储以外还有其它用途。 例如， 如上所述， 在一些实施例中， 压缩空气可以执行物理支撑功能， 压缩空气施加的力用 于保持膨胀结构的形状和完整性。 该膨胀结构的例子包括但不限于建筑元素， 诸如支柱、 墙 壁和屋顶， 和 / 或漂浮部件， 诸如浮筒、 浮标、 驳船、 或船身。

    [2817] 还如以上所述， 构造为存储压缩空气的可充气的支撑部件的结构可以被设计为 最大可能地吸取压缩空气提供的膨胀力的优点。一个该结构的例子由 Mauro Pedretti 在″ ″， European Congress on ComputationalMethods in Applied Sciences and Engineering(ECCOMAS 2004) 中描述， 通过引用将其内容包含于此用于所有 目的。 描述了利用低压空气来稳定压缩部件防止弯曲的轻型结构设计。

    [2818] 该方法可以使得能够包括或布置额外的压缩部件以抵抗来自其它方向的负荷。 在 一些实施例中， 可以围绕膨胀部件螺旋形地布置纤维， 并使用端盖。 该构造提供了对内部压 力的阻力、 对膨胀弯曲模式的阻力、 和 / 或来自压缩膨胀部件的力的分配、 和将力分配到压 缩膨胀部件。

    [2819] 在一些实施例中， 可以基于压缩气体存储单元提供物理支撑的作用而至少部分地 选择其形状、 材料组成、 和 / 或位置。在一些实施例中， 压缩空气提供的额外的稳定力可以 使得能够放宽一些支撑部件的特定公差。

    [2820] 例如， 重新回到构造为压缩空气存储单元的风力涡轮机支撑结构的例子， 压缩空 气施加的力能使得塔的壁较薄。这继而可以具有降低该结构的总重量和成本的累积效应， 这是因为该塔的材料的相当比例的部分是专门支撑塔本身， 而不是承受风力涡轮机的负 荷。

    [2821] 膨胀支撑结构的设计还可以考虑潜在的故障模式。例如， 风力涡轮机支撑塔的总 长度的大部分专用于提供足够的力来对抗旋转叶片的转矩。 万一出现可能导致压缩空气损 失的问题， 涡轮机的转动可以快速停止， 由此缓解该支撑结构对抗该转矩的需要。当然， 即 使在未膨胀状态， 也可能需要支撑塔提供足够的力来承受涡轮机的重量， 和抵抗未转动的 涡轮机提供的对主风向的曳力。

    [2822] 本发明的一些实施例涉及液体喷嘴， 该液体喷嘴可以将液体喷入到压缩或膨胀腔 中的气体中。 根据一些实施例， 通过选择性地和精确地从单个部件去除材料， 形成与窄扇形 输出窄槽液体连通的升速区域来形成液体喷嘴。 一些实施例的液体喷嘴可以限定在两个或 多个相互匹配接合的部件的相面对表面中的凹陷之间。 通过在相对表面的装配前在相对表 面提供开口， 该多部件实施例可以利于， 例如， 通过加工精确限定内部形状。

    [2823] 图 89 示出了限定根据本发明实施例的液体喷射喷雾器的空间的简化的剖视图。 空间 8902 包括纵深区域 8904， 该纵深区域 8904 具有与例如歧管或液体流动阀的液体的增 压源 8906 液体连通的进口 8904a。 纵深区域 8904 可以是具有圆形截面的汽缸， 或者是具有 其它形状的截面的改进的汽缸的形式。

    [2815] 纵深区域 8904 的第二端 8904b 向着具有不同深度的加速区域 8908 打开， 其将构 造为接收喷入的液体的空间 ( 腔室 )8910 截短。浅的扇形槽区域 8912 从纵深区域 8904 的

    [2824] 第二端 8904b 通过加速区域 8908 延伸到达出口 8912a， 该出口 8912a 向着液体被喷入的空 间 8910( 例如， 气体压缩 / 膨胀腔 ) 打开。在图 89 所示的特定实施例中， 扇形槽区域的边 形成了相互之间的夹角为 120°， 虽然本发明不要求该角度或任何其它特定角度关系。

    [2825] 图 89 的箭头示出了液体流过空间的路径的一般性表示。被加压的液体以相对笔 直的流动路径进入进口 8904a 到达圆柱形区域。然后， 由于流动的液体受到区域 8912 的减 小的截面面积的限制而使其速度增加， 最后随着被加压的液体流过扇形槽区域 8912 而被 沿着扇形轨道射入。区域 8908 的形状用于改变液体的速度矢量以便基本与区域 8908 和 8912 之间的界限垂直。

    [2826] 在一些实施例中， 限定液体喷嘴的空间可以由例如金属的单件材料形成。图 90A 示出了由单件材料制造的一个实施例的进口侧的简化的端部视图。图 90B 示出了沿着图 90A 的线 90B-90B′剖切的简化的剖视图。图 90C 示出了从喷嘴的出口侧的简化的端部视 图。

    [2827] 图 90A 的喷嘴 9000 的实施例包括构造为接收进入喷嘴的液体流的第一进口部 9002。在一些实施例中， 通过利用具有直径为 D 的钻头或端铣刀加工材料块而可以容易地 形成该第一进口部。

    [2828] 第一进口部 9002 继而与中间部 9004 连通， 该中间部 9004 与参考图 89 描述的纵 深部分对应。中间部向着可以是半球形的方向改变部 9006 和加速部 9008 打开。

    [2829] 在一些实施例中， 通过利用具有直径 D′的圆头端铣刀插入进口侧并且停在靠近 到达材料块的出口侧的位置来加工材料块， 可以容易地同时形成中间部和方向改变部。

    [2830] 最后， 中间部 9004 和方向改变部 9006 通过窄槽区域 9008 与出口液体连通。通过 从出口侧加工金属材料块， 可以容易地形成窄槽区域 9008。 在一些实施例中， 利用具有半径 为 r 且厚度为 t 的刀片的开槽锯可以制造窄槽区域。

    [2831] 根据本发明的实施例不限于图 90A-90C 所示的特定形状。例如， 虽然示出窄槽部 以平行于由部分 9002 和 9004 限定的纵向轴 A 的角度延伸， 但是这不是必要的。

    [2832] 图 91A-91E 示出了可选实施例的不同的简化图， 其中所述窄槽垂直于进口部和中 间部的轴形成。图 91A 示出了从进口看的简化的端部视图。图 91B 示出了沿着图 91A 的线 91B-91B′剖切的简化的剖视图。图 91C 示出了图 91A 的相对端的简化图。图 91D 示出了 从出口看的侧视图。图 91E 示出了另一侧视图。

    [2833] 具体地， 图 91A-91E 的可选实施例的特征是通过铣削材料块 9150 而形成喷嘴， 该 喷嘴的形状包括窄的头部 9152 和宽的主体部 9154。 主体部包括进口空间 9156 的全部和中 间空间 9158 的一部分。头部包括中间空间 9158 的剩余部分和方向改变空间 9160 和窄出 口槽 9162。

    [2834] 通过利用上述参考图 90A-90C 描述的铣削技术而形成进口空间和中间空间， 可以 制造图 91A-91E 的喷嘴设计。通过铣削露出头部的一侧可以形成所述窄槽， 例如， 还是利用 图 91D 所示的厚度为 t 的开窄槽锯。虽然图中示出了所述窄槽切过中间空间 9158 的直径， 但这不是必要的， 可以将所述窄槽切得更浅或更深。

    [2835] 虽然该特定实施例示出了将所述窄槽以相对于轴 A 以 90°角切割， 但是这不是必 要的。在一些实施例中， 出口窄槽的角度可以以 90°以外的角度倾斜。这可以在形成窄槽 时通过确定部件相对于工具的方向来实现。图 92A-92E 示出了可选实施例的不同的简化图， 其中所述窄槽相对于进口部和中 间部的轴以一定角度形成。图 92A 示出了从进口看的简化的端部视图。图 92B 示出了沿着 图 92A 的线 92B-92B′剖切的简化的剖视图。图 92C 示出了图 92A 的相对端的简化图。图 92D 示出了从出口看的侧视图。图 92E 示出了另一侧视图。

    [2837] 具体地， 图 92A-92E 的可选实施例的特征是通过铣削材料块 9280 而形成喷嘴， 该 喷嘴的形状包括靠近加速部 9284 的倾斜的肩部表面 9282。

    [2838] 通过利用上述参考图 92A-92C 描述的铣削技术而形成进口空间和中间空间， 可以 制造图 92A-92E 的喷嘴设计。通过以垂直于所述倾斜表面的角度铣削该表面， 可以形成所 述窄槽， 例如， 利用开槽锯加工工具。 可以用于形成所述窄槽的另一个加工技术是放电加工 (EDM)。 借助相对于进口空间的轴的倾斜表面的方位， 加工出的窄槽也会相对于进口空间形 成一定角度。

    [2839] 虽然以上实施例已经描述了从单个部件形成的喷嘴结构， 但是本发明不限于该结 构。在可选实施例中， 形成液体喷嘴的空间的一部分或多部份可以由装配板的相对表面上 的凹陷限定。图 93 是一个这样的板 9300 的透视图， 该板 9300 示出了限定凹陷 9304 的端 面 9302， 该凹陷 9304 形成喷雾器结构的一半， 该喷雾器结构包括具有出口 9306a 的平缓的 梯形槽凹陷 9306。

    [2840] 图 93A 示出了图 93 的板的对应的俯视图。图 93B 示出了图 93 的板的对应的侧视 图。

    [2841] 图 93 和 93B 还示出了存在于板的侧面中的孔 9307。这些孔可以用于利用螺栓或 其它结构将板物理地固定到歧管或其它液体源上。

    [2842] 图 93-93B 还示出了从端面 9302 延伸的凸起 9308。 这些凸起构造为与存在于第二 板中的对应的开口接合， 由此使得板能够被对齐装配， 以便限定喷雾器。

    [2843] 具体地， 图 94 是构造为与第一板装配的第二板的实施例的透视图。图 94 示出了 板 9400 的表面 9402， 板 9400 限定半圆柱形凹陷 9404， 半圆柱形凹陷 9404 限定平坦的开口 和形成喷雾器结构的另一半。端面 9402 还包括孔 9410， 该孔 9410 的大小为接收第二板的 表面的对应的凸起。在所述板的侧面中的孔 9407 可以利用螺栓或类似结构用于将所述板 物理地固定到歧管或其它液体源上。

    [2844] 图 95 示出了从构造为接收来自喷雾器的液体的腔室的方向看的组装的喷雾器结 构的实施例的视图。图 95 示出了装配在一起的板 9300 和 9400， 只有梯形槽部分的开口被 显示为狭长的孔 9500。

    [2845] 图 96 示出了从流到诸如歧管的喷雾器的液体增压源看的图 95 的组装的喷雾器结 构的实施例的视图。图 96 示出了装配在一起的板 9300 和 9400， 向着圆柱形凹陷的平坦的 开口被显示为圆 9600。

    [2846] 根据本发明的一些实施例的喷嘴通过产生扇形喷雾可能提供益处。例如， 在一些 实施例中， 可以将液体注入腔室以有效地与气体进行热交换。 在热力学有效的情况下， 这种 液体 - 气体热交换在实现气体压缩或压缩气体的膨胀方面有用。

    [2847] 具体地， 交换的热量取决于液体暴露到气体的表面积。在扇形区域上提供特定体 积的注入液体， 产生薄如液体流的液体薄片， 最终分裂为单个液滴。 产生均匀分布在大的体 积中的小尺寸的液滴可能是理想的。 较小尺寸的液滴进而表现出更大的表面积和增强的热交换特性。

    [2848] 利用常规的喷嘴设计， 在喷雾的边缘存在的液体可能相对于扇形喷雾的中心处的 液滴倾向于使液滴相结合成更大尺寸。 该位于边缘的更大液滴的存在令人不希望地减少了 可用于与气体进行热交换的液体的表面积。这会降低液体 - 气体热交换的效率。

    [2849] 然而， 使用根据如上所述的本发明的实施例的喷嘴设计可能导致在扇形喷雾的边 缘处的大液滴更少。具体地， 图 97 示出了来自方向改变区域 ( 半球形区域 ) 的边缘的液体 必须在窄槽的有限容量中穿越更长的距离。 与来自方向改变区域的中心的液体穿越的通过 该窄槽的较短的路径 X 相比， 通过该窄槽的较长的流动路径 X′应该使得扇形喷雾的边缘 处的液体具有更低的流速， 相对于喷雾的中心处的液体的体积， 喷雾的边缘处存在的液体 的体积减小。如图 98 所示， 该降低流速的效果应该进而在液体薄片破裂前降低其厚度， 并 且因此降低在喷雾边缘处的液滴的大小和数量。

    [2850] 由根据本发明的喷雾结构的一些实施例提供的一个可能的益处是容易制造。 具体 地， 形成喷雾器的凹陷被限定在装配在一起的相对表面之间。 在板装配前， 它们各自的表面 露出并因此容易被设计者和加工工具利用， 利于制造具有理想形状的凹陷。

    [2851] 根据本发明的一些实施例的多个部件的构造还利于制造利用多个喷雾器的更复 杂的装置。具体地， 在组装板之前接触板的表面， 使得在同一表面中彼此邻近形成多个凹 陷。随后将所述板与也具有多个凹陷的一个板或更多个板装配， 使得能够形成具有多个喷 雾器的结构。

    [2852] 此外， 板的表面中的凹陷的形状可以相对简单并且容易以适当的精度形成。 例如， 一些加工工具可以使得能够制造具有 100 微米、 50 微米、 或者甚至 25 微米或更小的特征的 形状。具有如此精确的小尺寸规模的喷嘴的制造允许精细控制液体流过该装置。

    [2853] 在一些如图 93-93B 示出的实施例中， 一个板可以具有带有平坦开口的表面， 该平 坦开口限定半圆柱形凹陷， 并具有半球形端部。 利用具有适当轮廓的加工工具， 可以容易地 以高精度和低尺寸公差形成该形状。

    [2854] 形成在另一个板的相对表面上的凹陷的形状可以更复杂一些， 还包括与球形或其 它形状的方向改变部接触的浅的梯形槽部分。 然而， 利用常规的铣削技术， 也可以容易地以 高精度和低尺寸公差形成即使这样更复杂的形状组合。

    [2855] 图 89-96 只示出了喷雾结构的特定实施例， 并且不应该被视为限制本发明。可选 实施例可以采用与图中示出的尺寸不同的特定的相对尺寸， 并且属于本发明的范围。

    [2856] 根据本发明的喷雾器的另一个实施例可以由形状与以上所示的和描述的特定实 施例不同的凹陷形成。例如， 梯形凹陷的侧面之间的相对角度不限于 120°， 而可以根据特 定应用更大或更小， 导致具有不同角度的液体的扇形喷雾。增大角度可能缩短破裂长度和 影响液滴大小。

    [2857] 根据可选实施例， 凹陷可以有其它构造。 例如， 虽然以上实施例示出的窄槽的走向 使得以垂直或平行于进口的内径轴的角度喷射液体， 但是它不是本发明必要的。

    [2858] 图 99A-D 示出了根据本发明的可选实施例的喷嘴结构 9900， 其中， 具有出口 9902a 的窄槽部 9902 被定向为相对于由接合的板 9904 和 9906 的侧面 9904a 和 9906a 限定的平 面具有仅仅 15°夹角。这一目标的实现是由于通过在其上形成形状不是三角形的板或部 件， 从而它们的接合端面 9904b 和 9906b 与所述板的各自的侧面 9904a、 9904b 不垂直。因此， 在图 99A-D 所示的特定实施例中， 在三角形板 9906 中形成限定平坦开口 9910 的部分球形凹陷 9908， 在具有与该三角形板匹配的表面的板 9904 中形成限定非平坦 开口 9914 的凹陷 9912。

    [2860] 图 99A-D 还示出了进液开口 9915， 以及到孔 9916 的开口， 该孔可以容纳用于将板 固定到一起的螺钉或螺栓。

    [2861] 图 99A-D 的特定实施例与前面的多个部件的实施例的不同在于， 各个板中的凹陷 的形状彼此不十分对称。也就是， 板 9906 中的凹陷 9908 限定了部分球形部分， 而板 9904 中的凹陷 9912 限定了圆柱形的沟道， 该沟道从进口 9915 通向不平坦开口和窄槽。然而， 同 样， 这些凹陷的形状相对简单， 并且在组装前用铣削技术而容易形成在单独的板上。

    [2862] 虽然上述喷嘴实施例限定在彼此匹配的两个板的相对面之间， 但是本发明不限于 该特定方法。 通过将第一部件插入第二部件， 从而被插入的部件的对应的表面限定喷嘴， 因 而可以产生根据本发明的另外的实施例。

    [2863] 例如， 图 100A-J 示出了喷嘴设计 10000 的可选实施例的各个视图， 通过将第一部 件 10002 插到第二部件 10004 中的开口 10003 内而形成该喷嘴设计 10000。 利用装配到第一 部件中的通孔 10008 和第二部件中的通孔 10010 的螺栓 10006， 将两个部件 10002 和 10004 固定到一起。螺栓 10006 包括端部件 10006a。垫圈 10005 安装在第二部件 10004 的表面 10004b 上， 第一部件 10002 安装在垫圈上。

    [2864] 如图 100H 的剖视图所示， 要喷淋的液体流用所示的箭头表示。该液体流过第二部 件 10004 中的孔 10021( 这里是 12 个 )。

    [2865] 如箭头所示， 流动的液体然后在区域 10007 中改变方向。区域 10007 因此与喷嘴 设计的该实施例的方向改变部对应。

    [2866] 然后该液体流过通道 10009， 该通道 10009 限定在由第一部件和第二部件各自提 供的相对表面 10002a 和 10004a 之间。因为通道 10009 比通道 10021 对进入的流体提供更 小的截面积， 所以液体加速了。

    [2867] 另外， 各个表面 10002a 和 10004a 以不同角度相互倾斜 ( 表面 10002a 以 15°角倾 斜， 表面 10004a 以 30°角倾斜 )。如图 100J 所示， 该几何形状设置为提供和液体流过的通 道 10009 的截面面积基本相同的截面。具体地， 形成加速部的通道 10009 的进口 10009a 的 截面面积 A 基本与形成该通道 10009 的出口的间隙 10020 的截面面积 A′相等 ( 或甚至大 一些 )。

    [2868] 基于喷嘴的加速部的进口和出口的相对截面面积， 图 100A-J 的实施例的构造可 以降低液体经历的压力下降的幅度。因此， 图 100A-J 的实施例的构造可以理想地减少出现 空化， 同时引入速度矢量分布来建立从喷嘴喷出的液体的空心锥薄片。

    [2869] 然后增压的流体最终通过窄的间隙 10020 从通道 10009 和喷嘴排出。 这里图 100H 没有按照比例绘制， 并且为了说明目的放大了间隙 10020 的宽度。

    [2870] 图 100A-J 所示的喷嘴设计的实施例的性能的一个可能的益处在于它产生空心锥 模式的喷雾。该模式提供的缺少边缘的特性可以产生比扇形喷雾分布得更均匀的液滴大 小。另外， 空心锥喷雾模式使液体分布到更大的体积中。

    [2871] 图 100A-J 所示的喷嘴示出的几何形状利于产生用于热交换的期望大小的液滴。 具体地， 在本实施例中喷嘴的间隙 10020 是 25μm。 通过垫圈 10005 的厚度至少可以部分地确定该间隙 10020。

    [2872] 在图 100A-J 的设计中， 与间隙 10020 的出口侧相邻的第二部件 10004 的表面是凹 陷的。该凹陷有助于避免附壁效应引起的液体喷雾偏差。根据一些实施例， 第一 ( 插入 ) 部件的侧面可以凹陷或倾斜， 以便避免附壁效应。 在其他实施例中， 可以依赖附壁效应来转 变或改变流向。

    [2873] 在 50psig 的 水 压 下 用 秒 表 和 刻 度 量 筒 测 量 出 的 体 积 流 速 是 0.41Gal/ 分 钟 (25.93ml/s)。下表表示了在两种压力下通过图 100A-J 的喷嘴的流动液体的结果的简要总 结。

    [2874] 该表包括液滴大小的两种测量。量 D32( 还被称为索特平均直径或 SMD) 以假想液 滴对喷雾量化， 该假想液滴的直径表示所测量的液滴的体积和表面积的平均比。

    [2876] 量 DV50 给出了 50％的液滴小于它的液滴直径。量 DV90 给出了 90％的液滴小于 它的液滴直径。

    [2877] 对于从 1.94″的视场 ( 包括第 4 次和第 3 次 ) 进行的测量， 不识别小液滴。因此， 液滴大小的统计可能不能反映所有液滴。

    [2878] 如图 101A-C 所示， 建立了用于评估喷嘴性能的试验设置。在 50 和 100PSIG 的水 压下进行了测试。

    [2879] 因为图 100A-J 的喷嘴呈现了高流速， 所以当喷嘴喷雾时， 水压发生 8 到 10PSI 之 间的下降。因此， 喷嘴经受的实际水压可以大约是 42-50PSIG 和 90-100PSIG。

    [2880] 因为喷嘴的两个内表面呈现不同的角度 (30° 和 15° )， 所以在测试前不知道 出口处的水薄片 (water sheet) 的角度。如图 101C 所示， 在安装中使用相对于喷嘴表面

    [2875] 22.5°的平均角度。

    [2881] 从测量计算出的水薄片和喷嘴表面之间的角度是 30°。这表示水薄片沿着 30° 表面。

    [2882] 图 101A 示出视场 (FOV) 坐标。除了典型的测量平面 (z ＝ 0) 以外， 在不同的 z 位 置已经进行了更多次的测量， 如图 101B 所示。这用于确定喷淋层的厚度和喷淋角度。

    [2883] 图 102-112B 示出了在 100PSIG 水压下， 通过图 100A-J 的喷嘴的喷淋。图 102 示 出了从两个瞬时影像的全局流结构。这两个图像不是同一时间拍摄的。白线表示破裂长度 是 1.15″。

    [2884] 以下表示出了用 300 瞬时速度场从第 1 次和第 4 次得到的平均速度。

    [2885] 图 103 示出了从第 1 次和第 4 次测量的平均速度。图 104 示出了从第 1 次和第 4 次测量的 RMS 速度矢量。

    [2887] 现在讨论从第 1 次测量得到的液滴大小。破裂长度是 1.15″， 视场是 1.94″。由 于直到第 1 次测量的 FOV 的 2/3 时， 喷水才破裂， 因此仅仅从 x ＝ -1.64″到 -2.24″进行 液滴大小分析。

    [2888] 图 105 示出了从第 1 次测量得到的被识别的液滴的一个瞬时图像。仅仅示出了一 些液滴。其余的液滴要么太小无法识别要么模糊。

    [2889] 因为无法识别小液滴， 所以液滴大小统计不完全准确。 然而， 在下表中示出了的这 些液滴大小统计以给出大液滴分布的概念。

    [2886] 液滴数 D10(μm) D32(μm) DV10(μm) 100630 119.2 155.2 96.7191102365458 A CN 102365479说DV50(μm) DV90(μm) RMS(μm)明书164.3 281.4 42.6189/205 页图 106 示出了第 1 次测量的液滴大小的柱状图。

    [2892] 现在讨论从第 4 次测量得到的液滴大小。图 107 示出了从第 4 次测量得到的被识 别的液滴的一个瞬时图像。 仅仅识别了一些液滴。 其余的液滴要么太小无法识别要么模糊。

    [2893] 同样， 因为无法识别小液滴， 所以影响了液滴大小统计的整体的准确性。然而， 在 下表中示出了的这些液滴大小统计的目的是给出大液滴分布的概念。

    [2891] 液滴数 D10(μm) D32(μm) DV10(μm) DV50(μm) DV90(μm) RMS(μm)

    [2895] 244616 110.8 161.4 91.1 160.5 497.0 40.3图 108 示出了液滴大小的对应的柱状图。

    [2896] 现在讨论从第 5-15 次测量和第 25-27 次测量得到的液滴大小。图 109A 示出了第 12 次测量 (z ＝ 7mm) 的被识别的液滴的一个瞬时图像， 图 109B 示出了第 14 次测量 (z ＝ 9mm) 的被识别的液滴的一个瞬时图像。仅仅识别出一些液滴， 其余的液滴要么太小无法识 别要么模糊。

    [2897] 图 110A 示出了第 12 次测量的液滴大小的柱状图。图 110B 示出了第 14 次测量的 液滴大小的柱状图。

    [2898] 下表示出了第 5-15 次测量和 25-27 次测量的液滴大小的统计。

    [2899] 图 111A 示出了沿着第 5-15 次测量和 25-27 次测量的 z 轴的液滴大小的分布。图 11B 示出了相对于薄片角度的相同的数据。

    [2901] 图 112A 示出了在第 5-15 次测量和 25-27 次测量的每个 z 位置处被识别的液滴数。 图 11B 示出了相对于薄片角度的相同的数据。

    [2902] 图 112A-B 示出 D32 线保持增加直到 z ＝ 7mm( 薄片角度为 27.7° )， 然后在 z ＝ 8-10mm( 薄片角度为 27.7° -30° ) 保持稳定。 因此由液滴大小限定的薄片厚度大于 20mm。

    [2903] 图 112A-B 还示出了在 4mm( 薄片角度为 25.5° ) 的被识别的液滴数的峰值， 并且 得到的所限定的薄片厚度会大于 10mm。 即使液滴数从 z ＝ 4-10mm 增加得少， 该层也是重要 的， 这是因为大的液滴大小包含更多水。

    [2904] 图 113-123B 示出了在 50PSIG 水压下， 通过图 100A-J 的喷嘴的喷淋结果。图 113 示出了从两个瞬时影像的整体流结构。两个图像不是同一时间拍摄的。白线表示破裂长度 是 1.4″。

    [2905] 以下表示出了用 300 瞬时速度场从第 2 次和第 3 次测量得到的平均速度。

    [2900] 第 2 次测量的速度场可能不够精确， 这是因为流动太平滑而不适合 PIV 分析。在 图 114 和 115 中分别示出了来自第 2 次和第 3 次测量的平均和 RMS 速度矢量场。

    [2908] 第 2 次测量的视场是 1.94″， 破裂长度是 1.4″。由于直到第 2 次测量的视场的 2/3 时， 其喷水才破裂， 因此仅仅从 x ＝ -1.64″到 -2.24″进行液滴大小分析。

    [2909] 图 116 示出了从第 2 次测量得到的被识别的液滴的一个瞬时图像。 如以前指出的， 仅仅识别了一些液滴。其余的液滴要么太小无法识别要么模糊。

    [2910] 无法识别的小液滴可能影响液滴大小统计的精度。然而， 示出这些统计的目的是 提供大液滴分布的一些概念。

    [2911] 下表示出了来自第 2 次测量的液滴大小的统计 ：

    [2907] 液滴数 D10(μm) D32(μm) DV10(μm) DV50(μm) DV90(μm) RMS(μm)

    [2913] 84843 128.6 180.9 106.4 195.8 358.0 52.8图 117 示出了液滴大小的对应的柱状图。

    [2914] 图 118 示出了从第 3 次测量得到的被识别的液滴的一个瞬时图像。 同样， 仅仅识别 了一些液滴， 其余的液滴要么太小无法识别要么模糊。虽然这影响液滴大小的统计， 然而， 在下表中示出的这些统计提供了大液滴分布的概念。

    [2915] 194102365458 A CN 102365479说液滴数 D10(μm) D32(μm) DV10(μm) DV50(μm) DV90(μm) RMS(μm)明书219604 117.2 167.9 96.5 174.9 495.5 45.2192/205 页图 119 示出了来自第 3 次测量的液滴大小的对应的柱状图。

    [2917] 图 120 示出了从第 20 次测量得到的被识别的液滴的一个瞬时图像。仅仅识别了 一些液滴。其余的液滴要么太小无法识别要么模糊。

    [2918] 下表示出了第 16 次到第 20 次测量的液滴大小的统计。

    [2916] 测试 序号 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Z (mm) 0 2 4 6 8 10 10 8 4 薄片 角度 22.5 24.0 25.5 27.0 28.5 30.0 30.0 28.5 25.5 30990 45744 50251 50169 51067 49241 50406 49721 44984 液滴数 D10 (μm) 64.7 62.1 64.3 66.1 66.8 67.5 65.5 65.6 62.9 D32 (μm) 123.1 120.8 126.5 127.2 127.9 129.4 123.5 123.5 118.3 DV10 (μm) 62.6 63.3 69.6 72.9 74.7 75.9 71.4 69.6 61.8 DV50 (μm) 154.6 151.1 155.1 153.6 151.8 153.7 148.4 149.3 146.9 DV90 (μm) 248.9 243.8 251.1 241.6 241.3 241.3 228.6 229.6 232.0 RMS (μm) 39.3 38.9 41.4 42.5 43.1 43.6 41.5 41.1 38.3

    [2920] 图 121 示出了来自第 20 次测量的液滴大小的对应的柱状图。

    [2922] 图 122A 以 mm 为单位绘制了第 16 到 21 次测量和第 22 到 24 次测量的沿着 z 轴的 液滴大小的分布。图 122B 绘制了相对于薄片角度的该液滴大小分布数据。

    [2923] 图 123A 示出了在第 16 到 24 次测量的每个 z 位置处被识别的液滴数。图 123B 示 出了相对于薄片角度的相同的数据。

    [2924] 线 D32 和识别的液滴数都在 z ＝ 4mm( 薄片角度为 25.5) 处达到平坦的渐近线。 从 而薄片厚度也大于 20mm。

    [2921] 与在 100psig 的水压下观察的结果相比， 在 x 方向上移动 (shift) 的最后三次测 量与没移动的不同。这表明低水压 (50psig) 的情况可能导致一个或更多个小锥角、 空间中 相对更均匀的液滴大小、 和更大的液滴大小。

    [2926] 图 100A-J 所示的喷嘴结构提供的一个可能的益处是缺少突出到汽缸中的特征。 具体地， 因为窄槽的开口与腔室的壁水平， 因此不需要在汽缸内提供额外的死容积来容纳 喷嘴。更低的死容积利于产生高压缩比或膨胀比。

    [2927] 图 100A-J 所示的喷嘴结构的一个可能的优点是容易制造。具体地， 在接合所述板 之前， 容易将所述板的相对表面中出现的限定喷嘴的一对凹陷精确地加工出甚至复杂的形 状。

    [2928] 如上所述， 根据本发明的喷雾器的实施例可以特别适用于将液滴喷入被加压的气 体中。 在一些实施例中， 该被加压的气体可能经过压缩， 或可能经过膨胀。 在一些实施例中， 喷雾器可以构造为将液体喷入被加压的气体中， 用于执行热交换的目的。

    [2929] 根据本发明的实施例可以适合将液体水滴喷入被加压的气体中。在一些实施例 中， 气体可以是空气。

    [2930] 根据本发明的喷雾器的实施例可以适用于将液体喷入腔室内的压缩空气中， 压缩 和 / 或膨胀在该腔室中进行。该腔室的一个例子是容纳诸如固体活塞的往复运动部件的汽 缸。另一个例子是容纳诸如螺杆的可移动部件的腔室。可能与根据本发明的喷雾器的实施 例一起使用的装置的一个其它例子包括但不限于涡轮机、 多叶片吹风机、 叶片式压缩机、 内 齿轮油泵和准涡轮机。

    [2931] 根据本发明的喷雾器的实施例可以构造为通过液体阀结构接收加压的液体流。 适 用于使加压液体流到喷雾器结构的该液体阀结构的例子包括但不限于螺线管致动阀、 滑 阀、 提升阀、 或针形阀。液体流阀可以由机械、 磁、 电磁、 气动、 或水力来致动。

    [2932] 在一些实施例中， 喷雾器结构可以构造为通过歧管结构接收加压的液体流。在一 些实施例中， 喷雾器结构可以构造为通过单独的管道从阀接收加压的液体流， 该管道的一 部分可以与其它喷雾器共用。

    [2933] 在一些实施例中， 可以将连接喷雾器结构和液体流阀的管道制造得尽可能短。该 构造可以有利于减少由于当阀门关闭时的除气作用造成的管道中形成泡沫的潜在的问题。 由于液体以被加压的形式供应到阀门， 因而发生除气作用， 而接收流过喷雾器的液体的腔 室中的压力低。

    [2934] 在一些实施例中， 可以相对于第二喷雾器布置根据本发明低实施例的喷雾器结 构， 该第二喷雾器也与同一腔室液体连通。在一些实施例中， 喷雾器的大小可以相同， 但是 它们可以以特定方式相对于其它喷雾器定向。

    [2935] 例如， 在图 100A-J 的实施例中， 插入件包括相对于所述插入件的顶部的平面以 15°倾斜的表面， 该表面可以与压缩和 / 或碰撞腔的壁相同。在一些实施例中， 两个或更多 个喷雾器可以使它们的出口槽以一致的方式相对于特定方向定位。根据本实施例， 该方向 可以被以下因素影响 ： 诸如气体进入阀相对于喷雾器的位置， 和 / 或腔室内可移动部件的 移动方向。 至今已经描述的本发明的实施例涉及用于注入液体喷雾以与压缩空气执行热交 换的喷雾器结构。 然而， 可以理解所述喷雾器结构不限于使用在任何特定应用中， 并且只要

    [2936] 在将液体引入到气体中的地方就可以采用。

    [2937] 以下权利要求涉及喷嘴的实施例。

    [2938] 1. 一种液体喷雾喷嘴， 包括 ：

    [2939] 第一部件 ；

    [2940] 第二部件 ； 以及

    [2941] 固定件， 所述固定件构造为将所述第一部件固定到所述第二部件上， 以便在所述 第一部件与所述第二部件之间限定空间， 所述空间包括 ：

    [2942] 方向改变部分， 所述方向改变部分构造为改变从液体源接收的液体的方向， 以及 使液体流到具有第一截面面积的方向改变部分的出口 ；

    [2943] 速度增加部， 所述速度增加部构造为通过具有第二截面面积的入口， 接收来自所 述方向改变部的出口的液体， 所述速度增加部构造为使从所述速度增加部的进口流入的液 体的速度增加， 以及

    [2944] 出口， 所述出口与所述速度增加部液体连通， 并且具有第三截面面积，

    [2945] 其中， 所述第二截面面积比所述第一截面面积小得多， 并且与所述第三截面面积 的大小大致相等， 或稍微大于所述第三截面面积。

    [2946] 2. 根据权利要求 1 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述第一部件构造为被插入所述 第二部件的开口中。

    [2947] 3. 根据权利要求 2 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述开口的周边大致是圆形。

    [2948] 4. 根据权利要求 2 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述固定件包括螺栓。

    [2949] 5. 根据权利要求 4 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述螺栓由容纳在锁紧螺母的螺 纹中。

    [2950] 6. 根据权利要求 4 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述螺栓由容纳在述第一部件中 的螺纹。

    [2951] 7. 根据权利要求 2 所述的液体喷雾喷嘴， 还包括布置在所述第一部件和所述第二 部件之间的隔离件。

    [2952] 8. 根据权利要求 7 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述固定件包括螺栓并且隔离件 包括垫圈。

    [2953] 9. 根据权利要求 2 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 最靠近所述出口的第二部件的上 表面的第一区域限定了凹陷。

    [2954] 10. 根据权利要求 9 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 当所述第一部件插入所述第二部 件后， 所述第一部件的上表面与位于所述第一区域的外面的所述第二部件的上表面的第二 区域水平。

    [2955] 11. 根据权利要求 1 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 流出所述出口的液体呈现的索特 平均直径在大约 10-50um。

    [2956] 12. 根据权利要求 1 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 流出所述出口的液体呈现的流速 在大约每秒 0.01 和 20 升之间。 13. 根据权利要求 1 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 速度增加部的轴相对于所述第一 部件的上表面和所述第二部件的上表面非垂直地倾斜。

    [2958] 1. 一种方法， 包括 ：

    [2957] 通过在第一部件和第二部件之间限定的空间， 使液体从液体源流向容纳可移动部 件的腔室， 所述空间包括，

    [2960] 方向改变部分， 所述方向改变部分构造为改变从液体源接收的液体的方向， 以及 使液体流到方向改变部分的具有第一截面面积的出口 ；

    [2961] 速度增加部， 所述速度增加部构造为通过具有第二截面面积的入口， 接收来自所 述方向改变部分的出口的液体， 所述速度增加部构造为使从所述速度增加部的进口流入的 液体的速度增加， 以及

    [2962] 出口， 所述出口与所述速度增加部和所述腔室液体连通， 所述出口具有第三截面 面积，

    [2963] 其中， 所述第二截面面积比所述第一截面面积小得多， 并且与所述第三截面面积 的大小大致相等， 或稍微大于所述第三截面面积。

    [2964] 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 在所述腔室中的压缩气体的膨胀过程中， 所 述液体通过所述空间流到所述腔室。

    [2965] 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 在所述腔室中通过所述可移动部件压缩气 体的过程中， 所述液体通过所述空间流到所述腔室。

    [2966] 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 在气体流入所述腔室的过程中， 所述液体通 过所述空间流到所述腔室。

    [2967] 5. 根据权利要求 1 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述第一部件插在所述第二部件 到开口中。

    [2968] 6. 根据权利要求 5 所述的液体喷雾喷嘴， 其中， 所述方向改变部分、 加速部、 以及 所述出口包括环形形状。

    [2969] 本发明所述的实施例不限于相对于可移动件的运动方向以任何特定方向注入液 体， 也不限于一个气流进入的方向。例如， 图 50A-B 的具体实施例具有这样的特点， 液体喷 雾器被置于汽缸的相对的端壁上， 而阀门结构被置于所述汽缸的侧壁上。

    [2970] 在这些实施例的配置中， 由于所述喷雾器的位置的缘故， 液体可以以平行于活塞 运动的方向注入所述腔中。这样的取向可以促进气体和注入液体之间的相互作用， 以形成 具有希望特性的液 - 气混合物。

    [2971] 在这些实施例中， 液体注入的方向不必基本上与通过位于所述腔的侧壁上的气流 阀的气体的进气方向一致。这样的取向可以促进气体和注入液体之间的相互作用， 以形成 具有希望特性的液 - 气混合物。

    [2972] 图 51 的具体实施例示出， 喷雾器被置于所述汽缸的相对的侧壁上， 而阀门结构被 置于其它的侧壁上。因此， 液体注入的方向不必基本上平行于流入腔中的气体的方向 ( 在 压缩或膨胀模式中 )， 或平行于腔内活塞的运动方向。 这种液体注入方向与进气气流方向或 活塞运动方向之间的不一致可以促进气 - 液混合和具有希望特性的液 - 气混合物的形成。

    [2973] 然而， 在其它实施例中， 液体可以以与气流进入腔中的方向基本上相对应的方向 注入腔中。这种液体注入的取向可以促进具有希望特性的液 - 气混合物的形成。

    [2974] 例如， 尽管图 50A-B 和图 51 中的实施例示出了低压端和高压端阀门被置于与液体 喷雾器的位置不同的腔壁上， 但这并不是本发明所要求的。图 124 示出了其它的实施例， 其 中， 喷雾器 12438 与阀门 12412 和 12422 被置于腔 12408 的同一侧壁 12408b 上。在图 124 的实施例中， 在泵 12434 和喷雾器 12438 之间提供三通阀 12436， 以便根 据工作模式有选择性地将液流导向与低压端阀门 12412 相邻的位于腔侧壁上的特定喷雾 器， 或导向与高压端阀门 12422 相邻的位于腔侧壁上的喷雾器。这样的阀门也可以配置为 阻挡在任何方向上通过该阀门的流， 从而在不引入液体时使液体循环系统与腔内的压强变 化脱离。

    [2976] 图 124 中的实施例可以提供这样的优点， 即无论在压缩模式还是在膨胀模式中， 喷雾器的取向可以设置为以基本上与气流进入腔中的方向相对应的方向注入液滴。 这种液 体注入方向和气流方向之间的一致性可以促进具有希望特性的液 - 气混合物的形成。

    [2977] 图 124 中的实施例可以提供这样的优点， 即喷雾器的取向可以设置为， 在压缩或 膨胀期间， 以与所述可移动件在腔内的移动方向基本上不平行的方向注入液滴。这种液体 注入方向和活塞运动方向之间的不一致性可以促进具有希望特性的液 - 气混合物的形成。

    [2978] 尽管图 124 中的实施例示出了喷雾器位于在各个阀门上方的腔侧壁上， 但这种特 殊的配置并非本发明所要求的， 各种变型是可能的。例如， 图 124A 示出了从腔内部看的侧 壁 12450 的视图， 示出了包括阀板 12454 的阀门 12452。图 124A 示出了多个喷雾器 12456， 这些喷雾器环绕所述阀门并且配置为以多个轨迹向进入气体流注入液体。

    [2979] 在某些实施例中， 喷雾器可以配置为以与气体通过阀门的流动方向基本平行的方 向注入液体。在其它实施例中， 一个或多个喷雾器可以配置为以基本上不与通过阀门的气 流方向平行的方向注入液体。在这种实施例中， 喷雾器的出口彼此之间可以以一致的方式 或不一致的方式对齐。

    [2980] 尽管上述实施例示出了喷雾器被置于压缩腔或膨胀腔的单个壁或相对的壁上， 但 本发明不限于这些配置。例如， 图 125 示出了另一个实施例， 其中， 喷雾器既被置于所述腔 的端壁上， 也被置于所述腔的相邻侧壁上。在某些实施例中， 通过提供液体总管 12570 可以 便于实现这种配置， 其中， 液体总管 12570 环绕腔 12508 的各个侧面延伸， 并且喷雾器都与 该液体总管是液体连通的。图 125 只绘出了一个截面， 因此， 在某些实施例中， 所述液体总 管也可以延伸出纸面， 以允许与位于其它腔壁上的喷雾器通液体。

    [2981] 图 126 示出了另一个实施例， 其中， 喷雾器 12638 和每个阀门 12612 和 12622 位于 腔 12608 的同一 ( 端 ) 壁 12608a 上。喷雾器相对于所述阀门的这种取向潜在地允许在压 缩和膨胀期间利用同一喷雾器引入液体。 这就可以不需要为压缩和膨胀设计并安置单独的 喷雾器， 并且也能够避免引入额外的复杂的阀门和导管以便将液体引导到压缩或膨胀所独 有的各组喷雾器中。

    [2982] 尽管图 126 的具体实施例示出了喷雾器被置于阀门之间， 但这不是必须的。在其 它的实施例中， 喷雾器也可以以图 124A 所示的类似方式环绕在阀门周围。

    [2983] 如图 126 所示， 可以将阀门 12636 置于喷雾器和泵之间， 以便将流体循环系统与不 引入液体时所述腔中所发生的压强变化隔开。

    [2984] 图 126 中的实施例可以提供的优点在于， 喷雾器的取向使得注入液滴的方向与气 流流入腔中的方向基本对应。 液体注入方向和气流方向之间的这种一致性可以促进具有希 望特性的液气混合物的形成。

    [2985] 图 126 中的实施例还可以提供的优点在于， 喷雾器的取向使得注入液滴的方向与 压缩或膨胀期间所述腔内可移动部件的移动方向基本对应。 液体注入方向和活塞移动方向之间的这种一致性也可以促进具有希望特性的液气混合物的形成。

    [2986] 尽管图 126 中的实施例可以提供某些潜在的益处， 但它在所述腔的端壁上较小的 区域内设置了许多元件 ( 阀门、 阀门致动器、 多个喷雾器以及液体导管 )。这种小空间内元 件的聚集会影响设备的设计、 制造、 监查和 / 或维修。

    [2987] 然而， 通常是喷雾器相对于气体进给阀门的取向在确定所述液气混合物的特性时 是重要的。具体说， 在压缩 / 膨胀过程期间， 液体被注入进给气体 (inletgas) 中以进行热 交换。因为压缩或膨胀可以与进给气体流动同时进行， 所以会希望将喷雾器放置得能促进 进入气体与液体喷雾之间的快速相互作用。

    [2988] 相反， 液体喷雾器相对于出口阀门的取向不太重要。 这是因为， 出口阀门只是用来 在压缩或膨胀期间热能交换已经完成时排出所述液气混合物。

    [2989] 因此， 在本发明的某些实施例中， 可以通过相对于压缩和 / 或膨胀模式中专用来 调节进入腔中的气流的单个阀门取向的喷雾器来引入液体。图 127 示出了一个这种实施例 的简化示意图， 其中， 进给阀门 12712 被设置在腔 12708 的端壁 12708a 上。

    [2990] 在图 127 的实施例中， 多个喷雾器 12738 也被置于端壁 12708a 上， 环绕进给阀门 12712。 这些喷雾器与公共的液体总管 12770 通流体， 而液体总管 12770 则配置为从泵 12734 接收液体。出口阀门 12722 被设置在腔的侧壁 12708b 上。

    [2991] 通过仔细设计喷雾器及其相对于进给阀门的位置， 可以将液体引入腔中以产生具 有希望特性 ( 诸如液滴尺寸、 液滴分布的均匀性、 液体体积分数、 温度和压强 ) 的液气混合 物。并且由于在压缩和膨胀模式中使用同一阀门放入气体， 因此在每种情形中都可以产生 具有希望特性的液气混合物。

    [2992] 引入液体时的条件在压缩情形中与在膨胀情形中可以不同。 例如， 在压缩期间， 所 述液体将被引入具有较低压强的气流中。在膨胀期间， 所述液体将被引入具有较高压强的 压缩气流中。

    [2993] 因此， 在图 127 的实施例中， 可以控制某些部件的工作参数以产生具有希望特性 的液气混合物。可以改变的参数的一个例子是所述液体被引入腔中的速度。这个速度参 数可以受到许多变量 ( 诸如泵速、 和 / 或喷雾器尺寸、 和 / 或通向喷雾器的导管的特性， 诸 如口径、 长度、 转弯的数目和程度 ) 的影响。在某些实施例中， 喷雾器可以包括喷口尺寸可 以调节以控制液体速度的喷嘴。在某些实施例中， 所述通向喷雾器的导管的特性可以改变 ( 例如， 通过阀门启动改变液流路径 )。

    [2994] 在某些实施例中， 可以改变所述液体的压强。这可以通过例如改变泵的工作特性 ( 例如泵速 ) 来实现。 在某些实施例中， 通过操作阀门以引起压强积累并使积累的压强通过 液流高速喷射而周期性地释放， 可以改变液体的压强。

    [2995] 液滴的尺寸也可以影响其与不同压强下的气流的相互作用。例如， 尺寸较大的液 滴能够在气体的压缩的体积内穿透得更深。 因此， 在某些实施例中， 喷雾器可以设计为在压 缩情形和在膨胀情形中产生不同的液滴尺寸。

    [2996] 图 127 的实施例还可以提供的优点在于， 喷雾器可以取向为注入液滴的方向与气 流流入腔中的方向基本对应。 这些喷雾器也取向为注入液滴的方向与压缩或膨胀期间所述 腔内可移动部件的移动方向基本对应。

    [2997] 液体注入方向、 气流方向以及活塞运动方向之间的这种一致性可以促进具有希望特性的液气混合物的形成。然而， 本发明的实施例不限于液流相对于气流或活塞运动在任 何具体的方向上。

    [2998] 因此， 图 128 示出了另一个实施例， 其中， 进给阀门 12812 被置于腔 12808 的侧壁 12808a 上， 而喷雾器 12838 被置于该腔的端壁 12808b 上。在这个实施例中， 液体注入的轨 迹与气体进入腔中的方向基本上不对应。 这个实施例可以促进具有希望特性的液气混合物 的形成。

    [2999] 图 129 示出了又一个实施例， 其中， 喷雾器 12938 被置于多个腔壁上， 相对于气体 流入方向和活塞移动方向具有不同的取向。 使用环绕压缩腔或膨胀腔的多个壁延伸的液体 总管 12970 可以便于实现这种配置。图 129 只绘出了一个截面， 因此， 在某些实施例中， 所 述液体总管也可以延伸出纸面， 以允许与位于所述腔的其它壁上的喷雾器流体连通。

    [3000] 本发明的实施例不限于图 100A-J 所示的具体的液体喷嘴注入设计。例如， 图 80 示出了插入头具有方形金字塔形状的另一种类型的喷嘴的液雾轮廓， 尽管本发明不限于具 有这种形状或具有任何特定数目侧面的插入头。

    [3001] 图 133A-G 示出了喷嘴设计的另一个实施例。在这个喷嘴设计中， 第一零件 13302 插入第二零件 13304 的开口 13303 内。使用螺栓 13310 插入所述第二零件的开口 13308 将 这两个零件固定起来。利用扁螺母 13306 将螺栓 13310 的后部固定在第二零件 13304 的背 面。

    [3002] 垫片 13305 被置于第二零件 13304 的表面 13304b 上。第一零件 13302 被置于所 述垫片上。

    [3003] 如图 133F 的剖面图所示， 要被喷射的液流用所示的箭头表示。该液体流过第二零 件 13304 上的喷口 13321( 这里， 数量为 12)。

    [3004] 然后， 该液体流过通道 13309， 通道 13309 限定在所述第一和第二零件各自提供的 相对的面 13302a 和 13304a 之间。由于通道 13309 为流入的液体提供了较小的截面积， 所 以， 该液体的速度就提高了。

    [3005] 另外， 各个面 13302a 和 13304a 相对于彼此以不同的角度倾斜 ( 面 13302a 以 15° 的角度倾斜， 而面 13304a 以 30°的角度倾斜 )。类似于图 100A-J 中的喷嘴实施例， 这个 几何形状被布置为当液体流过通道 13309 时具有基本上相同的截面积， 从而减小了空化 (cavitation) 的发生率， 同时引起速度矢量分布以使液体从所述喷嘴中出来时产生空心锥 形液膜。

    [3006] 然后， 受到压力的流动液体最终从通道 13309 出来， 通过狭窄的间隙 13320 从喷嘴 出来。这里， 图 133F 没有按比例来画， 为了说明起见， 间隙 13320 的宽度被夸大了。

    [3007] 图 133A-G 所示的喷嘴呈现出一种有利于产生进行热交换的具有希望尺寸的液滴 的几何形状。具体说， 在本实施例中， 所述喷嘴的间隙 13320 为 25μm。该间隙 13320 至少 部分地可以由垫片 13305 的厚度来确定。

    [3008] 在图 133A-G 的设计中， 第二零件 13304 的与间隙 13320 的出口端邻近的表面具有 第一凹陷 13330 和第二凹陷 13340。 这些凹陷有助于避免由 Coanda 效应引起的液雾路径的 偏离。

    [3009] 图 133A-G 中的喷嘴设计实施例可以提供某些可能的益处。例如， 所述第二零件中 凹陷的精心使用以及在构建所述第一零件时的材料厚度能使所述第一零件的上表面与所述第二零件的上表面齐平。这就防止了所述第一零件突入所述腔中， 减少了死体积。

    [3010] 图 133A-G 中的喷嘴实施例的另一个可能的益处是， 能够在振动和液体流动的情 形下将所述第一和第二零件固定在一起。具体说， 这两个零件通过螺栓固定在一起， 所述 螺栓再通过扁螺母固定在所述第二零件上， 这样防止所述螺栓在喷嘴的工作条件下发生松 动。

    [3011] 本发明所述的喷嘴设计不限于上面所描述的具体实施例。例如， 尽管图 100A-J 和 图 133A-G 示出了这样一种喷嘴， 其中该喷嘴具有第二零件， 第二零件上具有一系列 (12 个 ) 孔， 孔轴的取向垂直于所述第二零件的表面， 但这并不是发明所要求的。

    [3012] 根据其它的实施例， 所述孔轴可以有不同的取向， 例如， 相对于表面的法向偏离一 致的角度。这种配置可以使流出喷嘴的液体打旋。这种打旋的液流能够呈现有益的特性， 包括但不限于破碎长度 (break-up length) 减小。

    [3013] 此外， 具体喷嘴的工作特性可以由元件之间的相对尺寸的差异来确定。例如， 图 134A 示出了在喷嘴 13406 的两个零件 13402 和 13404 之间形成的间隙区域 13400 的放大 图。

    [3014] 液体以近似与零件 13402 和 13404 的末端之间所形成的平面垂直的角度流出所述 喷嘴。因此， 改变这些零件的相对长度能够影响喷射角度。

    [3015] 图 134B 示出了另一个实施例， 其中第一零件 13402 的长度 L 相对于图 134A 中的 实施例较短。与图 134 中的实施例相比， 这个尺寸的变化使得液流相对于所述喷嘴的表面 的角度 A 相应地增加。

    [3016] 图 134C 示出了另一个实施例， 其中第一零件 13402 的长度 L 相对于图 134A 中的 实施例较长。与图 134 中的实施例相比， 这个尺寸的变化使得液流相对于所述喷嘴的表面 的角度 A 相应地减小。

    [3017] 本发明所述的喷嘴的实施例可以呈现出特殊的性能特性。 一个性能特性是液滴尺 寸。

    [3018] 液滴尺寸可以使用 DV50、 索特平均直径 (Sauter mean diameter， 也称作 SMD、 D32、 d32 或 D[3， 2]) 或其它措施来测量。本发明所述的喷嘴的实施例可以产生 SMD 在约 10-200 微米的范围内的液滴。 本发明所述的喷嘴的实施例所产生的液滴尺寸的例子包括但不限于 SMD 约为 200 微米、 150 微米、 100 微米、 50 微米、 25 微米和 10 微米的例子。

    [3019] 本发明的实施例所述的液体喷嘴的另一个性能特性为流速。 本发明的实施例可以 产生的流速在约每秒 20 到 0.01 升之间。本发明所述的喷嘴的实施例的流速的例子为每秒 20、 10、 5、 2、 1、 0.5、 0.25、 0.1、 0.05、 0.02 和 0.01 升。

    [3020] 破 碎 长 度 (breakup length)、 喷 雾 图 案 (spray pattern)、 喷 雾 锥 角 (spray coneangle)、 扇面角 (fan angle)、 到表面的角度 (angle to surface)( 对于扇形喷射 )、 液 滴空间分布 (droplet spatial distribution)

    [3021] 本发明的实施例所述的液雾喷嘴的另一个性能特性为破碎长度。 本发明所述的喷 嘴的实施例所输出的液体可以呈现出在约 1-100mm 之间的破碎长度。本发明所述的喷嘴喷 出的液体的破碎长度的例子包括 100、 50、 25、 10、 5、 2 和 1mm。

    [3022] 本发明所述的喷嘴的实施例可以产生不同类型的喷射图案。 本发明所述的喷嘴实 施例可以产生的喷射图案的例子包括但不限于空心锥、 实心锥、 柱流、 单扇形以及多扇形。本发明所述的喷嘴的实施例可以产生约 20° -180°的喷射锥角。这种喷射锥角 的例子包括但不限于 20°、 22.5°、 25°、 30°、 45°、 60°、 90°、 120°、 150°以及 180°。

    [3024] 本发明所述的喷嘴的实施例可以产生约 20° -360° 的喷射扇面角。这种扇面 角的例子包括但不限于 20°、 22.5°、 25°、 30°、 45°、 60°、 90° 120°、 150°、 180°、 225°、 270°、 300°、 330° 或 360°。本发明的实施例可能会产生的到表面的扇形喷射 角 (fan spray angles to surface) 的例子包括但不限于 90°、 80°、 60°、 45°、 30°、 22.5°、 20°、 15°、 10°、 5°或 0°。

    [3025] 液滴空间分布代表了本发明的实施例所述的液雾喷嘴的另一个性能特性。 测量液 滴空间分布的一个方法是， 测量薄片的角度或包含了偏离所述薄片的大多数液滴的锥体横 截面。在本发明的实施例所述的喷嘴设计中， 这个角度可以在 0° -90°之间。本发明的 实施例可能会产生的这个角度的例子包括但不限于 0°、 1°、 2°、 5°、 7.5°、 10°、 15°、 20°、 25°、 30°、 45°、 60°、 75°或 90°。

    [3026] 根据本发明的某些实施例， 控制引入腔中以进行热交换的液体数量是重要的。理 想的数量会依赖于一些因素， 包括气体的和液体的热容、 以及压缩或膨胀期间希望的温度 变化。

    [3027] 要引入的液体的量也会依赖于所述喷嘴所形成的液滴的尺寸。 要引入的液体数量 的一个测量为腔中所有液滴的总表面积与气体摩尔数之比。 这个比值的单位为平方米每摩 尔， 该值可以介于约 1 到 250 或更大之间。适合用于本发明的实施例中的这个比值的例子 包括 1、 2、 5、 10、 15、 25、 30、 50、 100、 125、 150、 200 或 250。

    [3028] 某些喷嘴设计便于各个喷嘴的制造。 某些喷嘴设计也可以将多个喷嘴放置在给定 的表面中， 彼此靠近， 这样能够增加性能。

    [3029] 例如， 图 130A 示出了在汽缸的同一壁上的若干喷嘴 13010 的喷雾轨迹。在某些区 域 13012， 来自两个或多个喷嘴的液雾彼此重叠。 这样的重叠潜在地使得液体喷射液滴会彼 此碰撞， 由此进一步将其破碎成更小的尺寸以进行热交换。

    [3030] 多个喷嘴的制造和放置上的灵活性可以使性能有额外的增强。例如， 在某些实施 例中， 喷射结构的形体轴 (dimensional axis) 相对于活塞移动方向和 / 或气体流入方向的 取向相对于其它喷射结构可以是一致的或不一致的。

    [3031] 因此， 在某些实施例中， 各喷射结构的形体轴可以以一致的方式偏离气流方向， 使 得它们结合起来就可以引起诸如打旋等巨效应。在其它的实施例中， 喷射结构的形体轴相 对于某个方向可以不一致地取向， 这种取向方式通过计算得到， 可以提高气体和液滴之间 的相互作用。这种相互作用能够增强所产生的混合物的均匀性， 以及所述混合物中的气体 和液体之间的热交换的特性。

    [3032] 在某些实施例中， 可以有意地设置一个或多个喷嘴的取向， 以便使一部分喷雾撞 到腔壁上。这种碰撞可以用来额外地使喷液在短距离内破碎成更小的液滴。

    [3033] 图 130B 示出了设计来使喷液破碎成更小尺寸的液滴的另一种方法。在本实施例 中， 喷嘴 13020 被设计来产生扇面喷雾， 该扇面喷雾撞击腔壁。来自换能器 13024 的声波能 量或超声波能量 13022 也撞击所述腔壁， 引起它们振动。 所述振动改变了液体撞击的有效位置和角度， 因此改变了液体从振动壁反射的位 置和角度。 该反射反过来用来进一步将给定体积的液雾分布到更大的面积上， 由此， 将其破

    [3034] 碎成更小的液滴， 以便有效地进行热交换。

    [3035] 本发明不限于图 130B 所示的具体实施例。具体说， 尽管该图示出了超声波换能器 被置于腔外， 但该超声波换能器也可以被置于腔内， 或与所述外部放置结合起来。

    [3036] 另外， 尽管本实施例描述了液体撞击在由声波或超声波换能器间接赋予能量的表 面上， 但这不是必须的。 根据某些实施例， 液体可以直接与声波或超声波换能器的表面进行 相互作用。一些类型的换能器为压电式的、 电磁式的以及磁致伸缩式的。

    [3037] 喷雾器配置来引入液体的方向不必垂直于形成有喷嘴的腔壁。例如， 在图 100A-J 的实施例中， 出口狭缝相对于腔壁的法向倾斜大的角度。

    [3038] 喷雾器的形体轴可以倾向或偏离 ( 在压缩或膨胀中 ) 进给气体流入腔中的方向。 压缩或膨胀中引入液体期间， 所述液体的引入方向也可以倾向或偏离活塞的移动方向。

    [3039] 所述喷雾器的这种倾斜可以用来有效地增加注入液体在其撞到活塞头或一些其 它固体表面之前的路径。 这样的较长路径为液体破碎成各个具有希望的有利于进行有效热 交换的小尺寸 ( 因而大的表面积 ) 的液滴提供了更多的时间。如果活塞冲程的总长度相对 于被喷射液体的破碎长度来说较短， 那么在设计中， 这样做是很重要的。

    [3040] 前面的实施例将腔描述为由壁限定的简化内空间。 然而， 在一些实施例中， 所述腔 的内部可以呈现出更复杂的轮廓。

    [3041] 例如， 图 131 示出了压缩或膨胀腔的一个实施例的简化剖视图， 其中所述腔容纳 有双作用活塞， 该活塞包括活塞头 13106a 和活塞杆 13106b。所述活塞头界定了两个腔 13108 和 13109， 这两个腔分别通过阀门开口 13111 和 13123 以及阀门开口 13112 和 13122 与外部导管流体连通。

    [3042] 图 131 用虚线示出了所述活塞头在两个极限位置 13130 和 13132 的位置。在这些 位置中， 所述活塞头覆盖了应该流过气体的阀门开口的一部分。

    [3043] 图 131 也示出了腔的端壁 13108a 和 13109a 包括与所述阀门开口邻近的各个凹进 部 13108b 和 13109b。这些凹进所提供的内部空间 13108c 和 13109c 在它们部分地被处于 位置 13130 和 13132 的活塞阻塞时可以通过所述阀门开口容纳气流。

    [3044] 因此， 在某些实施例中， 所述液体喷雾器相对于内部腔空间可以取特殊取向， 以便 改善具有希望特性的液气混合物的形成。例如， 在图 131 所示的实施例中， 喷雾器 13138 可 以在端壁上取特殊的取向， 从而将液滴引入空间 13108c 和 13109c， 该空间在通过所述阀门 开口进给的气流的预期路径中。

    [3045] 尽管图 131 中的具体实施例示出了一个具有特殊内部轮廓的腔， 但本发明不限于 液体注入这种或其它类型的腔。例如， 图 132 示出了另一种容纳有双作用活塞的腔的剖视 图。

    [3046] 在图 132 所示的实施例中， 活塞头 13206a 呈现出凸形， 而腔的相应端壁则呈现出 凹形。因此， 图 132 示出了被置于所述端壁上的喷雾器 13238 将液体注入被限定在所述凸 活塞头和凹壁之间的空间中。

    [3047] 图 131 和 132 中的具体实施例示出了将液体注入具有可在水平方向移动的可移动 件的腔中。 因此， 本发明的实施例不限于液体沿着任何特殊方向注入， 液体可以被注入活塞 移动方向在水平方向或垂直方向的腔中。

    [3048] 在某些实施例中， 液体的直接注入可以考虑气体压缩或膨胀过程期间发生的变化条件。这种变化条件的一个例子为温度。

    [3049] 具体说， 在压缩冲程中， 气体加热并不以恒定的速度发生。相反， 在所述冲程的末 尾随着压强增至较高的水平， 加热增强。因此， 为了实现近等温条件下的压缩， 在压缩冲程 的末尾附近要求有更大量的热交换， 以便将温度维持在某个范围内。这个更大量的热交换 反过来要求在所述冲程的末尾附近引入额外体积的液体， 这可以利用液体引入设备的特殊 配置来实现。

    [3050] 引入液体的有效体积可以用各种方法进行控制， 这些方法可以单独使用也可以联 合使用。例如， 喷雾器的尺寸可以较小或较大和 / 或数量较少或较多， 由此减少注入液体的 数量。 此外， 或者， 与这些因素相结合， 喷雾器可以接收以慢速或快速流动的液体， 使得液体 以较低或较高的流速注入。

    [3051] 另外或者与上述因素相结合， 所述喷雾器可以被配置来产生尺寸不同的液滴。这 种尺寸不同的液滴可以提供较少或较多的表面积以进行热交换， 因此， 表示较小的有效体 积。

    [3052] 尽管上面的描述集中在压缩冲程中发生的温度变化， 但其它条件也可以变化。例 如， 变化条件的另一个例子是压强。 具体说， 在压缩过程的初始阶段， 气体的压强较低， 允许 水滴在气体中穿透和混合。相反， 在所述压缩冲程的末尾， 所述气体的压强高很多。这个变 化的压强条件可以用来排斥液体， 妨碍液滴与气体之间的相互作用， 因为所述气体压强和 / 或密度对注入液体的冲击产生抵抗。

    [3053] 具体设备的设计可以考虑这个效应。例如， 被压缩在腔的 BDC 位置的空气应该具 有最低压强， 这就有利于气体和注入液体之间的相互作用和混合。因此， 在本实施例中， 在 此位置处的喷雾器可以配置为利用上述一种或多种方法注入最大有效体积的液体。

    [3054] 尽管上述例子集中在压缩冲程期间发生的温度和压强变化， 但体积代表了变化条 件的另一个例子。具体说， 在所述压缩过程的初始阶段， 所述气体分布在大体积中， 为喷雾 器的布置提供了更大的空间以与气体相互作用。 相反， 在压缩冲程的末尾， 气体被限制在小 得多的体积中， 这就减少了喷雾器可注入液体的空间。 重复一遍， 可以使用上述一个或多个 液体引入因素在腔中的合适的位置处提供用于热交换的有效液体体积。

    [3055] 利用了本发明的实施例所述的液体引入的设备设计应该考虑液体注入的时序。 例 如， 尽管液体注入可以发生在压缩冲程的开始， 但根据某些实施例， 液体注入也可以发生在 活塞的前一个冲程期间空气流入腔中之时。

    [3056] 这种方法可以改变液体注入系统的希望配置。例如， 一个考虑可以是喷雾器相对 于进入气体的取向， 而不是其沿着活塞冲程方向的各个位置。在进给阀门的附近配置来注 入有效大体积的这种喷雾器的分布能够改善气液混合， 因为液滴与压缩之前流入的充满腔 的气体相互作用。 当然， 在某些实施例中， 即使在所述腔中充满了气体之后以及在压缩中活 塞朝着 TDC 移动时， 液体也能够继续被直接注入。

    [3057] 液体注入系统的其它配置可以适合于膨胀情形。 尽管冲程中活塞的位置与温度和 压强之间的关系与压缩中的相同， 但这些条件在时间的相反方向上是变化的。 另外， 压强和 温度的具体值在膨胀和压缩期间可以是不同的。 因此， 注入系统的相对配置可以不同， 以便 在膨胀中在气体和注入液体之间实现最佳热交换。

    [3058] 到此为止所描述的具体实施例只是为了说明而提供， 本发明不应该限于这些实施例。 例如， 尽管上述许多腔使用了两个或多个气口向腔中流入气体或从腔中流出气体， 但本 发明并不要求这一点。

    [3059] 根据其它实施例， 压缩和 / 或膨胀腔可以具有单个气口以用来在压缩和 / 或膨胀 模式中向腔中流入气体或从腔中流出气体。 流过所述气口的气体可以通过单个阀门进行调 节， 该阀门打开以放入气体， 关闭， 然后打开以使腔中流出 ( 压缩的或膨胀的 ) 气体。

    [3060] 所述单个气口可以通过三通阀门或阀门网络与高压或低压端的合适的导管连通， 以便使压缩气体或膨胀气体有合适的流动路径。 只具有单个气口以及相应的气流阀门的这 种配置的使用可以简化所述装置的结构并实质性地减少成本。

    [3061] 尽管上述某些实施例利用了穿过腔壁的液体注入， 但本发明并不要求这一点。在 其它实施例中， 液体可以通过所述可移动部件来引入， 例如利用实心活塞头、 活塞杆和 / 或 隔膜上的孔来引入。

    [3062] 下面的权利要求涉及膨胀。

    [3063] 1. 一种方法包括 ：

    [3064] 提供一个腔， 在该腔中设有可移动部件 ；

    [3065] 通过气口向所述腔中流入压缩气体 ；

    [3066] 向所述腔中引入液体 ；

    [3067] 在所述液体存在的情况下， 在所述液体不燃烧的情况下， 使所述压缩气体膨胀以 移动所述可移动部件 ； 以及

    [3068] 从与所述可移动部件有物理连接的联动装置产生功率。

    [3069] 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 引入所述液体包括喷射所述液体的液滴。

    [3070] 2a. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述液滴的总表面积与所述腔中气体的摩 2 2 尔数之比介于约 1m /mol-250m /mol 之间。

    [3071] 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 引入所述液体包括使所述压缩气体形成气 泡穿过所述液体。

    [3072] 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述功率由所述可移动部件的移动所旋转 的轴的转动来产生。

    [3073] 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述物理连接不包括液压连接或气动连接。

    [3074] 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述物理连接包括机械连接、 磁学连接、 电 磁连接和 / 或静电连接。

    [3075] 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述可移动部件包括实心活塞或螺旋。

    [3076] 8. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述联动装置包括曲柄轴。

    [3077] 9. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体沿着不是与所述压缩气体流入所 述腔中的方向基本平行的方向被引入。

    [3078] 10. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体沿着不是与所述可移动部件移动 的方向基本平行的方向被引入所述腔中。

    [3079] 11. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过界定所述气口的所述腔的壁 被引入。

    [3080] 12. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过管线被引入。

    [3081] 13. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过阀门被引入。14. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括 ：

    [3083] 从所述腔流出气液混合物 ； 以及

    [3084] 从所述气液混合物中分离至少一部分所述液体。

    [3085] 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述气液混合物从所述腔中而不是通过 所述气口流出。

    [3086] 16. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体在所述压缩气体流入所述腔中期 间被引入。

    [3087] 17. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体在所述压缩气体膨胀期间被引 入。

    [3088] 18. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 产生功率包括产生电。

    [3089] 19. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 产生功率包括产生机械功率。

    [3090] 20. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括通过与所述腔的热连接冷却最终用户。

    [3091] 下面的权利要求涉及压缩。

    [3092] 1. 一种方法包括 ：

    [3093] 提供一个腔， 在该腔中设有可移动部件 ；

    [3094] 通过气口向所述腔中流入气体 ；

    [3095] 向所述腔中引入液体 ；

    [3096] 在所述液体存在的情况下， 通过与联动装置物理连接的可移动部件的移动压缩所 述气体 ； 以及

    [3097] 从所述腔中流出所述压缩气体。

    [3098] 2. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 引入所述液体包括喷射所述液体的液滴。

    [3099] 2a. 根据权利要求 2 所述的方法， 其中， 所述液滴的总表面积与所述腔中气体的摩 2 2 尔数之比介于约 1m /mol-250m /mol 之间。

    [3100] 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 引入所述液体包括使所述压缩气体形成气 泡穿过所述液体。

    [3101] 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中所述可移动部件通过轴的转动来移动。

    [3102] 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述物理连接不包括液压连接或气动连接。

    [3103] 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述物理连接包括机械连接、 磁学连接、 电 磁连接和 / 或静电连接。

    [3104] 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述可移动部件包括实心活塞或螺旋。

    [3105] 8. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述联动装置包括曲柄轴。

    [3106] 9. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体沿着不是与所述压缩气体流入所 述腔中的方向基本平行的方向被引入。

    [3107] 10. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体沿着不是与所述可移动部件移动 的方向基本平行的方向被引入所述腔中。

    [3108] 11. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过界定所述气口的所述腔的壁 被引入。

    [3109] 12. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过管线被引入。

    [3110] 13. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体通过阀门被引入。14. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括 ：

    [3112] 从所述腔流出气液混合物 ； 以及

    [3113] 从所述气液混合物中分离至少一部分所述液体。

    [3114] 15. 根据权利要求 14 所述的方法， 其中， 所述气液混合物从所述腔中而不是通过 所述气口流出。

    [3115] 16. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体在所述气体流入所述腔中期间被 引入。

    [3116] 17. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体在所述气体的压缩期间被引入。

    [3117] 18. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 所述液体在所述气体流入所述腔中期间以 及在所述气体的压缩期间被引入。

    [3118] 19. 根据权利要求 1 所述的方法， 还包括通过与所述腔的热连接对最终用户进行 加热。

    [3119] 下面是设备权利要求。

    [3120] 1. 一种设备包括 ：

    [3121] 第一腔， 具有被可移动地设置在该第一腔中的第一件 ；

    [3122] 第一部件， 设置为向所述第一腔中引入液体 ；

    [3123] 联动装置， 与所述第一件物理连接以压缩所述第一腔中的气体 ；

    [3124] 第二腔， 具有被可移动地设置在该第二腔中的第二件 ；

    [3125] 第二部件， 配置为向所述第二腔中引入液体 ；

    [3126] 逆流式热交换器， 设置为接收 ：

    [3127] 由所述第一可移动件在所述第一腔中压缩的气体的流， 以及

    [3128] 在所述第二腔中膨胀的气体的流 ； 以及

    [3129] 热导管， 位于所述第二腔和最终用户之间。

    [3130] 2. 根据权利要求 1 所述的设备， 还包括压缩气体存储单元， 设置为从所述逆流式 热交换器接收压缩气体流， 以及设置为使所存储的压缩气体流到所述第二腔中。

    [3131] 3. 根据权利要求 1 所述的设备， 其中， 所述第二可移动件与所述联动装置物理连 接。

    [3132] 4. 根据权利要求 3 所述的设备， 其中， 所述第二腔与热源热连通。

    [3133] 5. 根据权利要求 4 所述的设备， 其中， 所述第二可移动件与发电机机械连接。

    [3134] 6. 根据权利要求 1 所述的设备， 其中， 所述第二可移动件与发电机机械连接。

    [3135] 7. 根据权利要求 6 所述的设备， 其中， 所述第二可移动件通过所述联动装置与所 述发电机物理连接。

    [3136] 8. 根据权利要求 7 所述的设备， 其中， 所述联动装置包括转动轴。

    [3137] 9. 根据权利要求 7 所述的设备， 其中， 所述联动装置包括多节点齿轮系统。

    [3138] 10. 根据权利要求 7 所述的设备， 其中， 所述第一部件和 / 或所述第二部件从喷雾 器或喷头中选取。