压缩机和 / 或膨胀机装置 相关申请的交叉引用
本申请要求 2009 年 5 月 22 日提交的名称为 “压缩机和 / 或膨胀机装置” 的美国 临时专利申请序列 No.61/216,942 的优先权和权益， 该申请的全部公开内容通过参引的方 式并入本文。
技术领域 本发明整体上涉及用于气体比如空气的压缩和 / 或膨胀的系统、 装置及方法， 并 且具体地涉及一种包括允许从被压缩和 / 或膨胀的气体交换热和 / 或将热交换给该气体的 特征的装置。
背景技术 传统地， 发电厂的大小定为适应峰值电力需求。发电厂会在它们能够如何快速起 动和关闭方面受限制， 并且完全关闭发电厂通常不可行。电力输出限制与起动和关闭限制 的组合限制了电厂最佳地满足波动的电力需求的能力。 这些限制可能引致增大的温室气体 排放、 增大的总燃料消耗、 和 / 或潜在的更高的运行费用、 以及其他缺点。为电厂补充能量 存储系统可以产生存储电力以用于以后使用的能力， 这可以允许电厂以使这些缺点最小化 的方式完成波动的消费者需求。
能量存储系统可以改进发电厂的总运行费用、 可靠性、 和 / 或排放曲线。但是， 现 有的能量存储技术存在缺点。作为示例， 蓄电池、 飞轮、 电容器和燃料电池可以提供快速响 应时间并且可以有助于补偿临时断电， 但是具有有限的能量存储能力并且可能实施成本 高。安装其他更大容量的系统比如泵吸式水力系统需要特定的地质形成， 该地质形成不是 在所有位置处均可或得。
间歇式发电地点比如一些风力发电厂可能具有超过传输能力的容量。缺少合适 的能量存储系统， 这种间歇式发电地点可能不能以全容量进行操作。当发电地点能够以高 于可传输的速率产生能量时， 间歇式发电地点可以获益于大小能够定为存储能量的存储系 统。当由间歇地点产生的电力低于传输线路容量时所存储的能量可以通过传输线路释放。
压缩空气能量存储 (CAES) 系统是用于以压缩空气的形式存储能量的有限使用的 另一种已知类型的系统。 CAES 系统可以用于当电力需求为低时， 典型地在夜晚期间， 以压缩 空气的形式存储能量， 并且随后当需求为高时， 典型地在白天期间释放能量。 这种系统包括 压缩机， 该压缩机通常以恒定的速度进行操作以压缩用于存储的空气。与压缩机分离的涡 轮机和涡轮膨胀机典型地用于膨胀压缩空气以发电。但是， 涡轮机和涡轮膨胀机常常需要 压缩空气以较恒定的压力比如大约 35 个大气压提供。另外地或可选地， 压力高于 35 个大 气压的空气可能需要在涡轮机中膨胀之前被节流， 从而导致另外的损耗， 该损耗也减小系 统的效率和 / 或减小存储结构可以容纳的能量密度。另外， 为了增大通过涡轮机膨胀的每 单位空气产生的电能， 在这种系统中的压缩空气常常在膨胀之前通过燃烧化石燃料预加热 到升高的温度 ( 例如， 1,000℃ )， 这增大了存储能量的成本、 减小总效率、 并且产生与能量
存储相关联的排放。
用于将能量存储为压缩空气的已知 CAES 型系统具有多级压缩机， 该多级压缩机 可以包括冷却压缩机的级之间的空气的级间冷却器和 / 或在压缩之后冷却空气的级后冷 却器。但是， 在这种系统中， 为了使级间冷却器有效地工作， 在压缩的每个级期间在被冷却 之前空气仍然必须达到显著的温度， 这将引入系统的低效率。 由此， 需要提供具有改进的效 率的 CAES 型系统。 发明内容
本文描述了用于操作液压致动装置 / 系统的系统和方法。在一个实施例中， 系统 包括 ： 至少一个限定有内部区域的压力容器， 所述内部区域用于保持液体体积或气体体积 中的至少一种 ； 以及致动器， 所述致动器联接至所述压力容器并且与所述压力容器流体连 通。 所述致动器具有第一操作模式， 在所述第一操作模式下， 设置在所述压力容器内的液体 体积被移动以压缩气体并且使气体移动离开所述压力容器。 所述致动器能够具有第二操作 模式， 在所述第二操作模式下， 设置在所述压力容器内的液体体积被进入所述压力容器内 的膨胀气体移动。所述系统还能够包括热传递装置， 所述热传递装置构造为将热传递给由 所述压力容器保持的液体体积或气体体积中的至少一种或从该液体体积或气体体积中的 至少一种传递热。 附图说明 图 1 是根据实施例的空气压缩和膨胀能量系统的示意图 ；
图 2A 是根据一个实施例的空气压缩和膨胀能量系统的示意图， 其示出了压缩循 环期间的能量流 ；
图 2B 是根据一个实施例的空气压缩和膨胀能量系统的示意图， 其示出了膨胀循 环期间的能量流 ；
图 3A 示出了压缩机 / 膨胀机装置的一个实施例的单个级 ；
图 3B 是沿图 3A 的横截面 3B-3B 截取的一个分隔器的横截面图， 并且示出了在压 力容器的空气内的点与压力容器内的热通过其传递的表面之间的平均最小距离的图示 ；
图 4A- 图 4C 示出了可以增大压力容器内的热传递表面积的分隔器的各种构型的 横截面 ；
图 5A- 图 5C 示出了在根据一个实施例的压缩或膨胀循环的不同级中的空气 / 液 体界面 ；
图 6 示出了根据一个实施例的带有热交换器的容器， 所述热交换器可以用于将热 传递给压力容器的液体或从压力容器的液体传递热 ；
图 7A 示出了根据一个实施例的多级压缩机 / 膨胀机装置 ；
图 7B- 图 7E 示出了在压缩循环期间处于不同的级中的图 7A 的多级压缩机 / 膨胀 机装置 ；
图 7F- 图 7I 示出了在膨胀循环期间处于不同的级中的图 7A 的多级压缩机 / 膨胀 机装置 ；
图 8 示出了结合到风力涡轮机中的根据一个实施例的压缩空气存储系统 ；
图 9 示出了根据一个实施例的压缩机 / 膨胀机装置的示意横截面图， 所述压缩机 / 膨胀机装置构造为使得其可以结合到风力涡轮机的塔中 ； 以及
图 10 示出了在通过根据一个实施例的用于改变存储结构空气压力的压缩机 / 膨 胀机装置进行膨胀的期间在不同级处的压力水平的图表。 具体实施方式
本文公开了用于以改进的效率将能量存储为比如空气的压缩气体和 / 或从所存 储的压缩气体产生能量的系统和方法。 所述装置的多个方面可以涉及在空气的压缩期间和 在空气的膨胀期间在热力学和 / 或机械效率方面的改进。
空气压缩的能量流特征由各种能量流的组合构成， 包括 “做功能量流” 和 “热能量 流” 。熟悉本领域的技术人员将理解术语 “能量” 、 “做功” 、 “热量” 、 “温度” 、 “压力” 、 “体积” 和 “密度” 之间的区别。本讨论通过以这些术语的确切的热力学意义使用这些术语进行， 并 且不用于教导区别。
众所周知的气体压缩动力学是比如空气的气体当其被压缩时温度升高。 热量和温 度的热力学概念相互关连， 使得没有热量流出压缩气体的气体压缩过程导致最大的气体温 度升高。这种零热量流动过程称为 “绝热” 过程。相比之下， 如果热量以充分的速率流出压 缩气体， 则气体可以压缩而没有温度变化。这种恒定温度的过程称为 “等温” 压缩。 对于给定的气体体积减小， 绝热压缩过程导致最高的气体压力、 最高的气体温度、 和最高的做功消耗。相比之下， 对于相同的体积减小， 等温压缩过程导致最低的压力、 最低 的气体温度 ( 即， 与起始温度相同 )、 和最低的做功消耗。涉及中间水平的热量流动的过程 导致气体压力、 气体温度和做功消耗的中间值。 本领域的技术人员将认识到， 理想的等温空 气压缩过程是理论极限， 其在现实中仅能够通过结合较冷的散热器来实现 ； 尽管其是用于 空气压缩 / 膨胀讨论和分析的有用度量。
因为其可以影响压力、 温度和做功， 接近等温气体压缩过程的能力可以用于设计 能量存储装置。 用于压缩空气能量存储装置的基本目标是使被消耗以实现特定的气体存储 条件的做功最小化 ； 该存储条件由气体的密度、 温度、 压力和体积限定。当使气体压缩期间 消耗的功最小化是能量存储装置的基本目标的时候， 熟悉本领域的技术人员将认识到， 在 压缩期间和存储期间需要注意与热相关的能量流。此外， 熟悉机器设计领域的技术人员将 认识到， 需要注意与压力和温度相关的限制 ； 并且将认识到可能源自于更低温度和压力的 益处。熟悉热力学领域的技术人员将认识到， 与气体压缩相关的因素对于气体膨胀以相反 的方式相关， 并且由此适合于从膨胀的气体吸取能量。关于能量存储系统， 熟悉热力学和 机器设计领域的技术人员将认识到， 等温气体压缩过程单独不足以实现有用的能量存储系 统， 但是还将认识到能够得益于近等温过程出现。
在空气的压缩中实现特定的压力涉及到的做功可以通过在压缩过程期间从空气 中移除热而减小， 从而减小因温度的升高而导致的压力升高所需要的额外的功。 相似地， 当 空气膨胀到给定的压力时能够从压缩的空气得到的做功的量能够通过在膨胀过程期间防 止空气温度下降而连续添加热量而增大。
热量 ( 即， 热能 ) 可以在压缩期间从空气中移除。以该方式移除热量可以减小系 统可能设计以适应的最大温度。另外， 增大给定压力下的密度和从空气移除热量可以增大
能够存储在给定的空间体积中的空气质量， 并且减小用于增大在存储压力下的空气密度所 需的做功。应当理解的是， 给定的空气质量在处于更低的温度下时占据更小的空间。就此 而言， 向存储装置提供相对更冷的空气可以增大可由系统存储的总的空气质量。
热量还可以在进气冲程之前或期间被移除， 这实现了多个益处， 包括在压缩冲程 开始时的更高密度的空气、 以及潮湿空气的干燥。该动作还通过在进气冲程期间将空气暴 露给在先前的压缩冲程期间已经由液体冷却的热容结构来实现。另外， 入口上游的预冷却 器能够实现相似的或另外的益处。
另外， 在将空气排放到大气中之前的任一时间可以将热能添加回膨胀空气中以升 高或维持其温度。添加热量到压缩空气中将压力升高为高于其本来的压力。以该方式， 系 统能够利用来自存储装置中的更小的空气质量流输出相同或更大的功率。换言之， 对于相 同的质量流而言功率更大。
在一些实施例中， 提供了在压缩和 / 或膨胀期间促进更大的热传递的一个或多个 特征。这些特征可以包括但不限于较慢的压缩和 / 或膨胀循环、 对于给定的空气体积在空 气与相邻表面之间的较大的热传递面积、 和 / 或在热量通过其传递的装置中的空气与装置 的液体或结构之间的小的平均最小距离。 在一些实施例中， 系统包括可以用于在一个操作模式中压缩空气以用于存储在存 储结构中的压缩机 / 膨胀机装置。压缩空气可以在以后的时间通过相同的压缩机 / 膨胀机 装置在不同的操作模式中膨胀以释放能量。热量可以在压缩期间从空气中移除和 / 或在膨 胀期间添加至空气中以改进装置的效率。往返行程的热效率 ( 即， 与压缩一定量的空气并 且随后膨胀该相同量的空气以产生机械能并且排除机械的、 电的、 或其他寄生系统损失后 直接相关联的效率 ) 可以为 50％或更高、 60％或更高、 70％或更高、 80％或更高、 以及甚至 90％或更高。
在一些实施例中， 压缩机 / 膨胀机装置能够包括在压缩和 / 或膨胀循环的至少一 部分期间要至少部分地填充液体的一个或更多个压力容器。在操作的压缩模式下， 当装置 的致动器使液体从容器内移位以增大压力容器中可用于空气的体积时， 空气能够从大气被 吸入压力容器内或者从上游压缩机接收。 液体随后通过致动器被移动或泵吸到容器内以减 小压力容器中可用于空气的体积， 从而压缩空气和从其输送空气。 在操作的膨胀模式下， 加 压的空气可以由压力容器接收以使压力容器中的液体移位并且驱动致动器以从压缩气体 释放和传递能量。当压力容器中可用于空气的体积随后减小时， 已经膨胀的空气可以随后 从压力容器排放到大气中， 排放到下游压缩机 / 膨胀机装置或用于进一步膨胀的其他装置 中。
在一些实施例中， 热量可以从压缩在压力容器中的空气传递以减小实现给定密度 所需的功， 这可以增大压缩过程的效率。 在一些实施例中， 可以提供增大的热传递的装置包 括但不限于压缩和 / 或膨胀可能发生的较慢的操作速度。在一些实施例中， 完全的压缩或 膨胀循环可以足够慢以提供用于在空气与液体之间的热传递的另外的时间。 根据一些实施 例， 足够的热能可以被传递以近似于等温压缩和 / 或膨胀过程， 从而实现与其相关联的效 率。另外地或可选地， 更快的速度可允许在膨胀期间等温地或温度变化地实现更大的功率 水平， 这对于系统操作有时是期望的。
尽管认识到注意能量流对于设计有用的能量存储系统而言是基本的， 对于系统而
言实现有意义的能量流速率也是重要的。 能量流速率——意味着每单位时间的能量——也 称为 “功率” 。有意义的高功率水平的值对于本领域的技术人员应当是清楚的。但是， 应当 指出的是， 所描述的发明的关键方面是在压缩 / 膨胀空气与系统的处理液体之间可以实现 的热量流动速率。此外， 本发明实现的关键特征可以是其响应于较小的空气温度变化实现 的较高的热传递速率。
在一些实施例中， 热量可以通过在压力容器中的液体从被压缩和 / 或膨胀的空气 传递或传递给该空气。应理解的， 空气 / 液体界面可以在压力容器中的压缩和 / 或膨胀过 程期间运动和 / 或改变形状。该运动和 / 或形状改变可以向压缩机 / 膨胀机装置提供热传 递表面， 该热传递表面能够适应在压缩和 / 或膨胀期间热量通过其传递的压力容器的内区 域的变化的形状。在一些实施例中， 液体能够使在压缩之后留在压力容器中的空气体积几 乎消除或完全消除 ( 即， 零余隙体积 )。
一般而言， 当与空气进行比较时， 液体可以具有较高的热容， 使得当热量穿过其中 时液体可以维持相对恒定的温度， 从而使系统缓冲于明显的温度变化。在空气与液体或容 器自身的部件之间传递的热量可以通过与液体或容器的部件相接触的一个或多个热交换 器从压力容器移动或移动到压力容器。可以用于完成该目的的一种类型的热交换器是热 管， 如在本文中详细描述的那样。 空气和处理液体的热控制可以通过质量传递、 热传递或这 两者的任意组合来实现。
在一些实施例中， 分隔器可以定位在压力容器的体积内部以增大在压力容器的液 体和固体以及被压缩和 / 或膨胀的空气的热传递表面处的热传递面积。所构思的用于增 大热传递表面积的方法包括使用流体到固体和流体到流体。每一个分隔器可以定形为和 / 或可以定位为在压力容器内捕获空气体积或空气穴， 这样除了分隔器与空气之间的界面 ( 即， 空气 / 分隔器界面 ) 以外， 提供了一个或多个空气 / 液体界面。空气 / 液体界面和空 气 / 分隔器界面提供了在压缩和 / 或膨胀期间热量可以通过其传递的表面。分隔器可以构 造为使得热量通过其传递 ( 要么在空气 / 液体界面处直接传递要么通过空气 / 分隔器界面 的分隔器的部分间接地传递 ) 的液体的面积可以维持基本恒定， 即使朝向压缩循环的终点 也如此， 此时仅较小的空气体积保持在压力容器中。朝向压缩的终点维持用于热传递的大 的表面积可以在压缩期间提高效率， 这是由于缺少热移除的该部分的压缩过程典型地经受 温度的最大升高和对压缩效率的最大破坏。 将理解的是， 朝向压缩的终点， 可用于空气的体 积的递增的变化可能导致可用于空气的总体积的最大百分比变化， 并且由此可能与缺少热 移除的最大温度变化相关联。 类似的效果可以通过贯穿膨胀循环并且特别是在膨胀循环的 起点处维持用于从液体和 / 或分隔器到空气的热传递的较大面积来实现。
在一些实施例中， 提供用于将热量传递给空气 / 从空气传递热量的空气 / 液体界 面和空气 / 分隔器界面的分隔器可允许压力容器的结构部件 ( 例如， 外壳 ) 定形为和 / 或 定尺寸为用于最佳的结构限制和 / 或运输限制， 同时还增大用于与在压力容器内压缩或膨 胀的空气进行热传递的面积。根据一些实施例， 分隔器可以包括盘状或其他端部开口的形 状， 这些形状构造为当空气被压缩和 / 或膨胀时在压力容器内保持空气穴。分隔器可以布 置为具有开口， 所述开口在压力容器定向在其操作位置中以帮助保持与也在压力容器中的 液体相接触的空气穴时向下面对空气流动通道 ( 即， 朝向重力拉动的方向 )。
在一些实施例中， 在压力容器内保持空气穴的分隔器可以提供在空气体积内的点到与热量从其接收或传递的空气相接触的表面之间的减小的平均最小距离。 在一些实施例 中， 分隔器可以布置为盘状结构的叠置构型， 该叠置构型捕获形成为较薄层的空气穴， 并且 提供在空气穴的点到与空气相接触的表面之间的小的平均最小距离。就此而言， 减小平均 最小距离减小了热量通过到或从空气穴的传导或对流而必须行进的平均距离， 该空气穴可 具有比热量在压缩和 / 或膨胀期间可以通过其行进的材料——包括在压力容器中的液体或 压力容器自身的金属——高的热阻率。
在一些实施例中， 压缩机 / 膨胀机装置能够使系统在仅使用低等级的热源和 / 或 散热器 ( 例如， 热源的温度典型地在大约 10℃与 50℃之间以及其他范围内， 并且散热器典 型地在更低的温度范围内 ) 并且不需要与燃料——如在常规的压缩空气能量存储 (CAES) 系统中其可能用于在膨胀期间加热空气——相关联的能量输入的情况下实现等于或大于 与现有的 CAES 系统相关联的效率。消除或减小在膨胀时燃烧燃料以加热空气的需求可以 使压缩机 / 膨胀机装置能够操作而不会产生排放， 或者至少不会产生与以压缩气体存储和 释放能量直接相关联的排放。
如本文描述的压缩机 / 膨胀机装置能够构造为当以压缩模式进行操作时使得单 个致动器的运动导致在装置的第一压力容器中的空气的压缩并且还允许在共同级的第二 压力容器中的空气的同时接收， 其中该第二压力容器与第一压力容器协同地操作。以该方 式， 致动器可以是双动式装置。类似地， 当致动器在共同级的压力容器之间往复移动时， 可 以在第一和第二压力容器中交替地发生空气的膨胀和排放。另外地或可选地， 压缩机 / 膨 胀机装置可以串联地构造以形成多级装置， 而以改进的效率帮助实现更大的气体压力， 比 如在第一级之后高达 150psi 或更高、 在第二级之后高达 1,000psi 或更高、 和 / 或在第三级 之后高达 3,000psi 或更高。
如本文描述的压缩机 / 膨胀机装置还能够允许压缩和 / 或膨胀通过多级压缩机 / 膨胀机装置的不同级发生 ； 例如， 在膨胀期间， 在一个 ( 较小的容器 ) 中吸入而在另一个 ( 较大的容器 ) 中排放。作为示例， 装置可以包括上游压力容器 ( 例如， 第一级的第一压力 容器 ) 和下游压力容器 ( 例如， 第二级的第一压力容器 )， 其中空气可以同时被压缩。在下 游压力容器中发生的可用于空气的体积变化可以小于在上游压力容器中可用于空气的体 积变化。在压缩的起点处， 在上游压力容器和下游压力容器中的每一个中的可用于空气的 体积可以彼此流体连通。另外， 在下游压力容器中可用于空气的体积可以处于最小值而在 上游压力容器中可用于空气的体积处于最大值。 当在上游压力容器中可用于空气的体积减 小时， 空气的压缩可以在上游压力容器和下游压力容器的组合体积中发生。在上游压力容 器中可用于空气的体积的减小可以导致空气的压缩而不管在下游压力容器中可用于空气 的体积的增大， 这是因为在上游压力容器中可用于空气的体积的减小大于在下游压力容器 中可用于空气的体积的增大。
如上述， 压缩机 / 膨胀机装置的多个实施例可以以较低的速度进行操作， 这可以 导致用于装置的更低的操作温度。 在摩擦表面处的更低的温度和更慢的速度可以延长磨损 寿命和 / 或增大装置可靠性。
压缩机 / 膨胀机装置可以适应改变的输入功率水平， 如可能与具有取决于风力水 平的功率输出的风力发电厂相关联的那样。根据一些实施例， 压缩机 / 膨胀机装置可以是 正排量装置， 不同于在某些 CAES 系统中发现的离心压缩机， 其可以在大范围的速度或输出水平上有效地操作。
压缩机 / 膨胀机装置还可以允许对于存储结构的改变的压缩空气压力水平而言 的恒定的功率输出。阀、 传感器和 / 或其他控制装置可以结合到压缩机 / 膨胀机装置内， 以 控制进入到装置中用于膨胀的空气质量而不管在存储结构中的压力水平。就此而言， 装置 产生的能量的大小可保持相对恒定。另外地或可选地， 当期望时并且当存储结构的压力水 平容许时， 进入到压缩机 / 膨胀机装置中的空气质量可以增大 / 减小， 使得可以产生另外的 / 减小的功率。 压缩 / 膨胀的速率能够通过吸入的空气的量或冲程的速度或这两者来改变。
压缩机 / 膨胀机装置可以模块化构造以允许多个装置一起定尺寸而相对容易地 用于不同的应用。根据一些实施例， 单独的压缩机 / 膨胀机装置可以定尺寸用于 1.0 兆瓦 与 5.0 兆瓦之间的功率范围， 尽管其他的尺寸是可能的。在压缩机之前使用线路内的预压 缩机也可以被采用以提供初始的空气压缩。多个压缩机 / 膨胀机装置可以并联地操作以提 供更大的功率容量。作为示例， 根据一个实施例， 一百五十个 2.0 兆瓦的装置可以并联地操 作以提供 300 兆瓦的设施。若需要， 少于一百五十个压缩机 / 膨胀机装置的完全使用可以 进行操作而剩余的装置保持怠速以提供在改变的功率水平下的有效的系统操作。 另外地或 可选地， 多个压缩机 / 膨胀机装置的设施可以以小于所安装的规划装置的完全使用开始操 作， 以允许系统在系统完全构建完毕之前至少部分地操作。 图 1 是能量系统 100 的实施例的示意图， 其中压缩机 / 膨胀机装置可以用于存储 能量和释放先前已被存储的能量。如图 1 中所示， 包括多个风力涡轮机 104 的风力发电厂 102 可以用于收获风能并将风能转变为用于输送给电机 / 交流发电机 110 的电能。应当理 解的是， 该系统可以与除风力发电厂以外的其他电源一起使用， 比如， 例如与电网或太阳能 电源一起使用。电机 / 交流发电机 110 驱动连接至压缩机 / 膨胀机装置 120 上的致动器 112。
能量能够以压缩的形式存储在系统 100 内， 并且随后膨胀用于在以后的时间段使 用。 为了存储由风力发电厂 102 产生的能量， 致动器 112 使用液压泵 ( 图 1 中未示出 ) 以导 致在压缩机 / 膨胀机 120 的压力容器 ( 图 1 中未示出 ) 中的液体移动或移位以增大在压力 容器内用于接收空气的可用体积。致动器 112 随后通过导致压力容器中的液体移动或移位 以减小在压力容器中用于空气的可用体积来压缩空气。 在该过程期间， 热量从空气中移除。 在压缩期间， 空气被输送到压缩机 / 膨胀机装置 120 的下游级并且最后以升高的压力输送 到压缩空气存储结构 122( 本文也称为 “洞室” ) 中。在后续的时间， 例如当电网上存在较高 的电力需求时， 或者当能量价格高时， 压缩空气可以从存储结构 122 释放并且通过压缩机 / 膨胀机装置 120 进行膨胀。压缩空气的膨胀驱动致动器 112， 该致动器 112 又驱动电机 / 交 流发电机 110 以产生电力用于输送给电网 124。在较低温度 ( 例如， 在例如大约 10℃与大 约 50℃之间 ) 的热量可以在膨胀期间添加到空气中以增大在膨胀过程期间产生的电力。
图 2A 是通过与图 1 的系统 100 相似的多级系统 200 的能量流动的示意图， 其处于 空气被压缩用于存储时的一个示例操作条件下。如上述， 电机 / 交流发电机 210 驱动致动 器 212， 该致动器 212 能够使用液压泵 ( 图 2A 中未示出 ) 以使压缩机 / 膨胀机 220 的压力 容器 ( 图 2A 中未示出 ) 中的液体能够移动或移位以增大在压力容器内用于接收空气的可 用体积。致动器 212 随后通过导致压力容器中的液体移动或移位以减小在压力容器中用于 空气的可用体积来压缩空气。
热能在压缩期间经由在多级压缩机 / 膨胀机装置 220 的一个或多个压力容器 ( 未 示出 ) 中的液体移除， 以将被压缩的空气维持在较恒定的温度下。热能经由热交换器从液 体和压缩机 / 膨胀机装置 220 传递给散热器。在另一构型中， 热能留在液体中， 并且液体从 压缩腔直接排出到散热器中， 在该散热器中液体排放其热量， 并且随后回到压力容器中。 根 据一个实施例， 空气在传输到处于大约 3,000psi 压力下的存储结构 222 之前可以在第一 级、 第二级和第三级中的每一个处实现大约例如 150psi、 1,000psi 和 3,000psi 的压力。在 被供应到压缩机 / 膨胀机装置 220 并且初始地压缩和冷却之后， 空气的温度保持相对恒定， 比如例如在大约 5℃、 10℃、 20℃、 30℃或其他可能期望的温度， 直到排放到存储结构 222 中 为止。如果存储结构 222 自然地处于较高 ( 或较低 ) 温度下， 则存储在存储结构 220 中的 空气可以通过传导、 对流和 / 或辐射热传递自然地加热 ( 或冷却 )。 例如， 在一些情况下， 存 储结构可以是地下结构， 比如用于存储压缩空气的构建在盐丘或盐床层中的盐洞室、 或地 上存储罐或容器。在另一实施例中， 地上存储结构能够被涂黑并且设计为便于吸收太阳能 辐射以用于加热。在另一实施例中， 地下存储特征能够利用地热。应当理解的是， 图 2A 示 出了用于系统的一个实施例的一个操作条件， 并且存在其他操作条件并且也构思出其他系 统实施例。 图 2B 是当空气从存储结构被释放用于产生能量时， 在一个操作条件下通过图 2 的 系统 200 的能量流的图示。在一个示例操作条件下， 在存储结构 222 中的空气能够处于大 约 3,000psi， 并且能够通过压缩机 / 膨胀机装置的第三级、 第二级和第一级分别膨胀至大 约 1,000psi、 150psi 和 0psi 的规定压力。热量可以分别在第三级、 第二级和第一级中的每 一级处在膨胀期间添加到空气中以在整个膨胀过程期间将空气温度保持在基本恒定的温 度， 比如在大约 35℃或其他温度。 应当理解的是， 在膨胀期间空气的总的温度变化可以通过 在压力容器的较小体积中膨胀并且与较大的热传递表面相接触的较大量的空气进行限制。 压缩机 / 膨胀机装置 220 产生机械动力， 该机械动力通过致动器 212 的一个或多个液压泵 / 电机转变， 并且电机 / 交流发电机 210 用于产生电力。应当理解的是， 能够可选地使用除 液压致动器以外的致动器。
图 3A 示出了压缩空气存储系统 300 的一部分， 其包括压缩机 / 膨胀机装置 320 和 致动器 312。压缩机 / 膨胀机装置 320 示出了压缩空气存储系统的单个级。压缩机 / 膨胀 机装置 320 包括第一压力容器 324 和第二压力容器 326。第一和第二压力容器 324、 326 各 自分别通过导管或壳体 328 和 330 流体联接到致动器 312 上。致动器 312 能够包括水泵， 该水泵包括液压驱动活塞 332。活塞 332 设置在壳体或存贮器 340 内并且能够通过一个或 多个液压泵 ( 图 3A 中未示出 ) 驱动以朝向和远离第一压力容器 324 的导管 328 移动， 以交 替地减小和随后增大第一压力容器 324 的内部空气体积 ( 等同但相反地增大和减小第二压 力容器 326 中的空气体积 )。第一和第二压力容器 324、 326 中的每一个均至少部分地填充 液体， 比如水， 该液体当在压缩模式中操作时通过致动器 312 移动以交替地压缩和驱动来 自第一和第二压力容器 324、 326 中的每一个的体积中的空气， 或者当在膨胀模式中操作时 通过接收在第一和第二压力容器 324、 326 中的任一个中的压缩空气移动。
压缩机 / 膨胀机装置 320 还能够包括分隔器 334， 该分隔器 334 能够设置在第一和 第二压力容器 324、 326 内。分隔器 334 能够增大压力容器内的与空气直接或间接接触的总 面积， 这能够改进热传递。分隔器 334 能够提供与被压缩的空气和被膨胀的空气的增大的
热传递面积 ( 通过空气 / 液体界面面积或空气 / 分隔器界面 )， 同时允许压力容器的外部结 构和整体的形状和尺寸对于其他考虑优化， 比如压力限制和 / 或运输尺寸限制。应当理解 的是， 分隔器可以在每个压缩事件期间加热或冷却， 并且水或液体在每个压缩或膨胀事件 期间将分隔器再充热回到水的温度， 从而允许分隔器作为可再充热的热容器。还应当理解 的是， 分隔器能够具有由诸如像水、 丙烷或其他制冷剂之类的制冷剂的流体占据的内部空 间， 并且制冷剂能够在压缩 / 膨胀腔的外部循环到散热器 / 热源。
在该实施例中， 分隔器 334 在第一和第二压力容器 324 和 326 内布置为叠置构型。 每个分隔器 334 能够构造为保持空气穴。在一个示例性实施例中， 分隔器 334 中的每一个 能够包括上壁、 向下延伸的侧壁、 以及开口底部， 其中该侧壁可以在形状和基本在尺寸方面 遵循压力容器的内壁。如例如在图 4A- 图 4C 中所示， 如在下面更详细描述的， 可以使用分 隔器的各种形状。当压力容器定向用于操作时， 每一个分隔器 334 的开口底部面对共同的、 基本向下的方向。应当理解的是， 尽管附图示出了分隔器在尺寸和形状方面遵循压力容器 324、 326 的内部， 并且通常定形为彼此相似， 但是其他构型也是可能的并且被构想， 包括如 下实施例 ： 其包括宽度上明显小于压力容器的内部和 / 或定形和定尺寸为不同于彼此的分 隔器， 以及其他构型。 能够使用没有面对任一特定的方向或不含空气穴的一些分隔器。 这种 分隔器可以构造为使热量必须穿过空气行进以抵达分隔器的距离最小化， 比如 1/8 英寸的 最大距离， 以及其他距离。 这种构型可以包括平行分隔器、 波纹状分隔器、 交叉分隔器、 弯曲 分隔器、 由同心环形成的分隔器、 由压制金属和 / 或冲压轧制金属或板金属制成的分隔器、 以及许多其他形状和构型， 其中的一些是或可以常规地使用在各种热传递装置中。能够使 用分隔器的各种其他形状和构型， 比如， 例如在名称为 “用于优化液压致动系统的效率的系 统及方法” 的美国临时申请 No.61/290,107 中示出和描述的分隔器， 该申请的全部公开内容 通过参引的方式并入本文。
如图 3A 中所示， 歧管 336 能够中心地延伸穿过分隔器 334 的叠层， 并且使每一个 分隔器 334 流体联接至压力容器 324、 326 的入口 / 出口端口 338。在其他实施例中， 歧管可 以包括多个管和 / 或可以设置为周缘地围绕分隔器的叠层或在其他位置中。空气可以通过 端口 338 进入和 / 或离开压力容器 324、 326， 并且能够提供用于与每个分隔器 334 相关联的 空气穴之间的流体联通的导管。 在其他实施例中， 比如在不保持空气穴的那些分隔器中， 可 以不包括歧管。
图 3A 的实施例是能够在空气压缩和存储系统内使用的压力容器和致动器的布置 的一个示例。应当理解的是， 其他布置也是可能的并被构思。作为示例， 尽管致动器示出为 包括竖直定向的单个双动作活塞， 但是其他实施例可以包括带有致动器的壳体， 该致动器 包括水平定向的活塞和 / 或多个并联和 / 或串联操作的液压活塞以移动在压力容器内的液 体。 根据一些实施例， 致动器可以完全缺少活塞， 并且替代地包括将液体移动到压力容器内 和离开压力容器的泵。根据一些实施例， 另外地或可选地， 能够并联使用多个泵和 / 或活塞 以将液体移动到压力容器内和离开压力容器。 而且， 根据其他实施例， 致动器比如液压活塞 可以具有与系统的电机 / 交流发电机直接的机械连接， 因为系统的实施例并不限于图中所 示的那些。
图 3A 的实施例中的分隔器 334 能够在压缩和 / 或膨胀期间依据分隔器的数量和 / 或分隔器的表面积在多个点处增大与空气接触的热交换表面的面积， 包括空气 / 液体界面面积和空气 / 分隔器界面面积。 从空气和 / 或液体到分隔器的热交换也受分隔器的质量、 它 们的热容、 和 / 或它们的热导率影响。应理解， 缺少分隔器的空气 / 液体界面可以等于压力 容器的内部的水平横截面面积。图 3A 的实施例中的每一个分隔器提供了尺寸上基本等于 压力容器的横截面面积的空气 / 液体界面和 / 或空气 / 分隔器界面。就此而言， 在膨胀或 压缩的任意给定时间， 空气 / 液体界面和 / 或空气 / 分隔器界面的总面积可以以基本等于 在压力容器中的分隔器的数目和 / 或分隔器的表面积的倍数增大。另外， 每一个分隔器均 可以提供尺寸上也基本等于压力容器的横截面面积的空气 / 分隔器界面。就此而言， 与每 个分隔器相关联的空气穴可以基本由液体包围， 要么与液体直接接要么与液体通过分隔器 的表面间接接触， 以增大用于与液体和空气的热传递的可用面积。 根据一些实施例， 在压缩 和 / 或膨胀期间的特定时间， 分隔器的数目和 / 或分隔器增大空气 / 液体界面和 / 或空气 / 分隔器界面的总面积的倍数可以为 5 或更高、 10 或更高、 20 或更高、 30 或更高、 40 或更高、 或者甚至 50 或更高。在其他实施例中， 分隔器将更紧密的堆积， 并且可以间隔开使得在全 部或部分压力容器中， 分隔器彼此分离开不超过 1 英寸、 1/2 英寸、 1/4 英寸、 1/8 英寸、 1/16 英寸、 或者一些其他数字。
另外地或可选地， 图 3A 的实施例中的分隔器可以基本贯穿压缩和 / 或膨胀循环将 总的热传递表面积维持在高水平下。分隔器可以一起布置为朝向压力容器的顶部更接近， 以适应在朝向压缩事件的终点和在膨胀事件的起点处的增大的热负载。应理解， 在压缩和 / 或膨胀过程期间用于热传递的可用总面积可以包括贯穿整个压缩和 / 或膨胀循环期间与 空气接触的液体和分隔器的表面积。即， 用于热传递的总表面积可以包括与空气 ( 液体或 分隔器的任一个的面积 ) 直接接触的面积随着压缩和 / 或膨胀循环的时间的积分。就此而 言， 将分隔器构造为贯穿压缩和 / 或膨胀循环期间维持增大的热传递表面积可以增大用于 热传递的可用总面积， 当考虑为在完整的压缩 / 膨胀循环期间的时间积分时， 以远大于设 置在压力容器中的分隔器的数目的倍数增大。
设置在压力容器内部的分隔器可以另外地或可选地减小在待被压缩或膨胀的空 气的点与压力容器内部的热量通过其传递的热传导表面 ( 空气 / 液体界面或空气 / 分隔器 界面 ) 之间的平均最小距离。分隔器还可以被织构、 成穴、 冲压、 涂覆、 锯齿化、 切割、 弯曲、 以其他材料的涂层或层覆盖、 或者另外地处理以增大或减小它们的表面积， 增大或减小它 们保持湿润或保持水的能力， 增大或减小空气或水中的湍流， 全部用于促进更有效的热传 递同时使不可逆的能量损失最小化。图 3B 示出了包括空气穴 344 的分隔器 334 的横截面 图， 以及热量通过其传递的表面。如所示， 穴 344 可以是在分隔器 334 的下面或在分隔器 334 内的较薄的空气层。在穴 344 内的任意点不比分隔器自身的高度 H 的一半更远离分隔 器 344 的上壁 346( 即， 空气 / 分隔器界面 ) 或在分隔器 334 中的液体 ( 即， 空气 / 液体界 面 348)。就此而言， 热量在以传导进行传递时将仅需要最多行进等于分隔器的高度 H 的一 半的距离， 以抵达空气 / 液体界面或空气 / 分隔器界面中的一个。类似地， 当以对流模式传 递时， 空气分子可以仅需要最多行进等于分隔器的高度 H 的一半的距离， 以抵达空气 / 液体 界面或空气 / 分隔器界面中的一个用于热传递的发生。
使压力容器中的空气与热量通过其传递或传递到其内的表面之间的距离最小化 可以明显地改进将热传递到被压缩和 / 或膨胀的空气中和 / 或从该空气传递热。
在压缩 / 膨胀装置中的热量通过其传递的介质中， 空气典型地具有最低的热导率。作为示例， 空气具有大约 0.024 瓦特 / 米 - 开尔文的热导率， 而水具有比空气的热导率 大一个数量级的热导率 (0.58 瓦特 / 米 - 开尔文 )， 并且钢具有比空气的热导率大大约三个 数量级的热导率 ( 对于 1％碳钢为 43 瓦特 / 米 - 开尔文 )。减小热量通过空气行进的距离 主要通过减小沿着热传递路径的最阻热元件的距离来减小热传递的最大瓶颈。
分隔器可以定形为与图 3A 的实施例中所示的不同和 / 或可以以不同的布置包装 在压力容器内。图 3A 和图 3B 的分隔器向下面对 ( 并且定形为基本类似于反转的盘 )， 以便 在其中形成并且捕获空气穴。
应理解， 其他形状是可能的， 比如如图 4A 中所示的具有拱形上壁的分隔器， 如图 4B 中所示的具有展开侧壁 ( 向内或向外展开 ) 的分隔器， 或者具有其他形状的分隔器， 因为 实施例并不限于图中所示的那些。另外地或可选地， 尽管图 3A 和图 3B 的分隔器定尺寸为 占据基本等于压力容器的横截面面积的面积， 但是更小的分隔器也是可能的。
在图 4A 和图 4B 的示出实施例中， 分隔器 434 设置在压力容器 426 内。分隔器 434 包括拱形上壁 446， 并且一个或多个通道 450 可以设置在由分隔器 434 产生的每个穴与歧管 436 之间， 以使空气和 / 或液体能够通过其间。还构想的是， 在分隔器 434 与歧管 436 之间 的流体连通可以通过不同的装置设置， 比如通过设置在压力容器外部的歧管和 / 或在压力 容器内设置为偏心的歧管。
图 4B 示出了包括设置在压力容器 526 内的分隔器 534 的实施例。分隔器 534 包 括上壁 546， 并且一个或多个通道 550 可以设置在由分隔器 534 产生的每个穴与歧管 536 之 间， 以使空气和 / 或液体能够通过其间。分隔器 534 还包括向外展开的侧壁 552。
分隔器可以构造为生成湍流的空气 / 液体界面以进一步增大在分隔器的空气与 液体之间或在分隔器的空气与分隔器自身的表面之间的热交换。作为示例， 根据一些实施 例， 湍流器可以定位在分隔器的内部上， 以便当在压缩和 / 或膨胀模式期间空气 / 液体界面 向上或向下移动时搅动液体， 从而有效地增大空气 / 液体界面面积并且促进到空气中和 / 或从空气的对流热传递。 根据其他实施例， 比如图 4C 中所示， 分隔器 634 示出为设置在压力 容器 626 内， 并且包括一组传热翅片 654， 这些翅片 654 可以结合到分隔器 634 的表面上以 促进在分隔器的的空气穴与分隔器的表面 ( 例如， 上壁 646) 之间的热传递。但是要理解， 不是所有实施例都包括湍流器或翅片组， 因为各种实施例并不限于本文所示或明确描述的 那些。
如上述， 当多个分隔器用于限定空气 / 液体界面时， 压力容器的尺寸和形状可以 对于除空气 / 液体界面面积以外的考虑而优化。作为示例， 根据一些实施例， 分隔器可以 使空气 / 液体界面的总面积能够被最大化， 同时压力容器的总尺寸设计为具有在特定距离 之下的最大外部尺寸 ( 即， 压力容器的最大长度、 宽度和高度 )， 这可以在压力容器被包装 用于单独地或在 ISO 标准运输集装箱中运输时证实为有用。另外地或可选地， 压力容器可 以定形为提供最佳的结构整体性， 从而具有圆筒形的、 球形 / 圆筒形的、 或者其他的形状。 根据一些实施例， 带有圆形的顶部和底部结构的圆筒形压力容器的最大尺寸可以为大约 6 米， 同时具有大约 140 平方米的总的空气 / 液体表面积、 大约 2.5 平方米的最大尺寸和大约 40 平方米的总的空气 / 液体表面积、 或者大约 2 米的最大尺寸和大约 10 平方米的总的空气 / 液体表面积。
如上述， 能够通过压力容器内的液体 ( 例如， 水 ) 从压缩和 / 或膨胀的空气传递热和 / 或将热传递给该空气。 空气 / 液体界面和 / 或空气 / 分隔器界面 ( 例如， 部分地由上述 分隔器提供 ) 可以在压缩和 / 或膨胀过程期间在压力容器中运动和 / 或改变形状。该运动 和 / 或形状改变可以向压缩机 / 膨胀机装置提供热传递表面， 该热传递表面能够适应在压 缩和 / 或膨胀期间热量通过其传递的压力容器的内部区域的形状改变。在一些实施例中， 液体能够在压缩之后使保持在压力容器中的空气的体积几乎消除或完全消除 ( 即， 零余隙 体积 )。
图 5A- 图 5C 示出了在压缩和膨胀的不同级处与分隔器 734 相关联的空气 / 液体 界面。在压缩循环的起点， 如图 5A 中所示， 空气穴出现在分隔器 734 的内部， 而空气 / 液体 界面 748 正好在分隔器的侧壁 752 的下边缘的上方。当另外的液体被引入压力容器的体积 内时， 随着该另外的液体朝向分隔器上壁 746 驱动空气 / 液体界面 748 并且压缩在压力容 器 726 的体积内的空气， 空气 / 液体界面 748 向上移动。如图 5B 中所示， 该过程持续直到 空气 / 液体界面 748 最终抵达分隔器 734 与歧管 736 之间的通道 750， 并且液体开始进入歧 管 736 自身内为止。最后， 接近压缩循环的终点， 如图 5C 中所示， 空气 / 液体界面 748 可以 与分隔器 734 的上壁 746 接触， 并且几乎或完全填充歧管 736。
根据一些实施例， 分隔器的空气 / 液体界面的面积可以由于在分隔器的侧壁之间 的基本恒定的横截面面积而保持基本恒定， 至少直到空气 / 液体界面到达上壁的顶部为 止， 尽管当空气 / 液体界面在空气穴内移动更高时可能由于在暴露给空气这侧的壁的面积 的展开和 / 或减小而在空气 / 液体界面面积中存在一些微小变化。贯穿压缩过程的较恒定 的、 较高的空气 / 液体界面面积可以有助于贯穿压缩过程的促进从空气的热传递。
根据一些实施例， 压缩机 / 膨胀机装置中可以包括特征以在歧管与压力容器的分 隔器下面的空气穴之间平衡空气和 / 或液体的流动。流动可以被平衡， 使得压力容器的每 个分隔器的空气 / 液体界面， 或者压力容器的分隔器的一些部分可以在分隔器内同步地移 动， 比如同时到达分隔器的上壁。就此而言， 贯穿压缩和 / 或膨胀过程， 可以在每一个分隔 器中维持用于在空气 / 液体界面处的空气与在空气 / 分隔器界面处的空气之间的热传递的 面积。在一些实施例中， 在每个分隔器与歧管之间的端口可以不同地定尺寸以实现平衡的 流动。 另外地和 / 或可选地， 在歧管与分隔器之间的端口可以包括阀以提供平衡的流动。 端 口和 / 或阀可以构造为解决在压力容器中由重力引致的压力梯度。例如， 靠近压力容器的 底部的端口可以定尺寸为小于靠近压力容器的顶部的端口， 以适应在压力容器的底部处所 期望的较高的压力。
在膨胀模式期间， 空气 / 液体界面在压力容器的分隔器中主要沿与压缩期间相反 的方向移动。例如， 膨胀过程可以始于包括歧管和分隔器的完全或基本填满液体的压力容 器。如图 5C 中所示， 迫压到压力容器的端口内的空气可以使液体向下移动通过歧管， 最后 穿过通道并且进入每一个分隔器内， 从而在其中生成空气穴和空气 / 液体界面。如图 5B 中 所示， 当空气继续膨胀到体积内时， 每个分隔器的空气 / 液体界面可以更向下移动， 从而如 图 5A 中所示地最后到达正好在分隔器的下边缘的上方的水平。正好经过分隔器侧壁的下 端部下面的任意空气 / 液体界面可以使空气在压力容器的内壁与分隔器的外壁之间经过。 该空气可以最终到达压力容器的顶部， 并且通过靠近压力容器的顶部的通道或通过用于该 目的而包括在内的另一机构再进入歧管内。在另一实施例中， 迫压到压力容器的端口内的 空气可以使液体向下移动经过分隔器， 而不会产生空气穴。 在该构型中， 压力容器仅保持一个空气穴， 并且空气体积在膨胀过程期间变大直到膨胀冲程完成为止。
与压缩相似， 贯穿膨胀过程， 整个空气 / 液体界面面积可以保持基本恒定， 至少在 远离每个分隔器的上表面移动之后和在空气 / 液体界面移动到任一分隔器的下边缘下面 之前。在其他构型中， 空气 / 分隔器界面将通过膨胀过程而线性地或几何地增大。
在压力容器中使用液体来压缩和移位空气可以提供若干益处。根据一些实施例， 液体可以作为水活塞， 该水活塞在用于压缩空气和从压力容器中移位空气时遵循压力容器 的形状。 根据一些实施例， 水活塞可以基本占据压力容器的整个体积， 由此消除任意的余隙 体积。使用水作为正排量机构还提供了热量管理机构， 由此服务于多个目的。另外地和 / 或可选地， 在一些实施例中， 当液体冷凝而离开被压缩的空气时， 可能将过多的液体引入到 压力容器中。冷凝的液体可以与存留在压力容器中的液体组合而没有负面效果。根据一些 实施例， 可能的是足够的液体可以冷凝， 以在压缩机 / 膨胀机装置的操作循环期间的某些 时刻使总的液体体积超过在压力容器中的可用体积。在这种情形下， 过多的液体可以与被 压缩和移位的空气一起通过端口或通过用于该目的而包括的另一机构离开压力容器， 而没 有负面效果。过多的液体可以通过湿气捕获或者通过本领域的技术人员已知的装置移除。 使用中间存贮器将在压缩期间沉积到压力容器内的任何液体移除并且以最小损失保持在 保持罐中。在膨胀期间， 液体能够被气化， 由此从压力容器中移除液体。保持在保持罐中的 液体能够在膨胀期间被再喷射， 以便将系统中的总的液体体积维持恒定。以该方式， 压缩 / 膨胀系统不会消耗任何液体。
使用水作为正排量机构还提供接近零摩擦的活塞密封， 以及零泄漏的活塞密封， 这减小了由于摩擦的能量损失， 减小由于密封磨损的维护和低效率， 消除了更换活塞密封 的需求， 从而改进装置和过程的可靠性。其还消除如下需求 ： 润滑在气缸上的活塞或维护、 维修和更换润滑剂或其过滤器和 / 或过滤系统， 或者冷却润滑剂， 并且避免与泵吸、 过滤和 冷却润滑剂相关联的能量损失。
根据一些实施例， 在压力容器内的液体还可以与热交换器组合地动作， 以从被压 缩的空气传递热量到外部环境 ( 或者从外部环境传递热量到被膨胀的空气 )。 作为示例， 图 6 示出了延伸穿过压力容器 826 的壁以接触液体和外部环境的热交换器 854。如所示， 热交 换器可以包括环形阵列的热管， 尽管可以另外地或可选地使用其他类型的热交换器。如将 理解的是， 热管与制冷剂一起使用， 该制冷剂在管的接收热量的一个端部处蒸发， 并且在管 的移除热量的另一端部处大约在与接收热量的一端相同的温度下， 或者在小温度范围内比 如大约 4℃的温度范围内冷凝。将理解的是， 图 6 示出了仅一个热管的布置， 该布置可以用 于将热量传递给压力容器的液体或从该液体传递热量， 并且也可以存在其他的布置， 比如 包括设置在致动器壳体中的热管或其他类型的热交换器或者与压力容器流体连通的其他 部件的布置。 根据另一实施例， 热管可以设置为与分隔器直接接触， 该分隔器中的一些可以 捕获在压力容器内的空气穴。还将理解的是， 任意热源或散热器可以在压力容器的外部环 境中使用以从其提供或接收热量， 因为系统的实施例并不限于热源或散热器的任一布置。
使用液体作为在压缩和 / 或膨胀期间供热量穿过的介质可以允许连续冷却过程。 即， 在压缩期间液体可以从被压缩的空气接收热量， 并且当空气被压缩和当空气由压力容 器接收用于以后的压缩时将该热量连续地传送到外部环境中。相似地， 当压缩机 / 膨胀机 装置在膨胀期间以膨胀模式操作时并且当膨胀空气从压力容器离开时， 可以添加热量。根据一些实施例， 在压缩机 / 膨胀机装置中的液体可以包括水， 尽管可以另外地 或可选地使用其他液体。 如将理解的是， 水可以自然地冷凝而离开由系统压缩的空气， 并且 就此而言， 可以与液体结合而没有负面影响。另外， 当在膨胀机 / 压缩机装置的实施例中使 用时， 水可以在膨胀期间蒸发到空气中而不具有负面影响。 但是， 可以附加于或替代于水地 使用其他类型的液体。这种液体的一些示例可以包括添加剂或配制为防止冷冻的所有液 体， 比如乙二醇、 防止蒸发的液体比如丙三醇、 防止腐蚀的液体、 控制粘性的液体、 控制热导 率的液体、 控制润滑性的液体、 防止生物试剂生长的液体、 附于压力容器的表面上的液体、 增强系统中的阀的操作的液体、 处理任意矿物 ( 比如来自盐洞的盐 ) 堆积的液体、 和 / 或防 止起泡沫的液体。
一个实施例可以使用相变材料直接作为压力腔中的压缩 / 膨胀介质。这样， 液体 不但提供空气通过其压缩的表面， 而且作为热传递机构。经历相变 ( 到气相或固相或从气 相或固相 ) 的液体保持在恒定的温度下。这能够获益于通过直接的方法在压力容器内保持 等温的膨胀或压缩温度， 而不需要热交换装置。热传递通过空气与相变液体之间的直接接 触发生。该热传递机构能够以对于技术人员明显的多种技术实施， 包括使空气与喷射或雾 化的工作流体 ( 比如水 ) 相接触， 使用在合适的温度下沸腾并且其气相能够在压缩之后和 在存储之前与空气容易分离 ( 例如， 通过冷凝 ) 的工作流体， 和 / 或使用在合适的温度下冷 冻 ( 例如， 通过在工作流体为液体和其固相的混合物比如水冰混合浆液的条件下操作该系 统 ) 的工作流体。 根据一些示例性实施例， 压缩机 / 膨胀机装置可以串联地布置以生成多级压缩机 / 膨胀机装置。图 7A- 图 7I 示出了包括三个级的多级压缩机 / 膨胀机装置的示例。第一 级、 第二级和第三级中的每一个包括与致动器流体连通连接的一对压力容器， 这对压力容 器与关于图 3A 所述的压力容器相似。在其他构型中， 在每一级中能够设有一个、 三个、 四个 或更多个压力容器。具体地， 用于第一级的致动器包括设置在第一压力容器 926 与第二压 力容器 928 之间的壳体或导管 940， 用于第二级的致动器包括设置在第一压力容器 926’ 与 第二压力容器 928’ 之间的壳体 940’ ， 而用于第三级的致动器 940” 包括设置在第一压力容 器 926” 与第二压力容器 928” 之间的壳体 940” 。活塞 932、 932’ 、 932” 分别可移动地设置在 壳体 940、 壳体 940’ 和壳体 940” 内。如例如在图 7B- 图 7I 中所示， 多个分隔器 934 设置在 第一级的第一压力容器 926 和第二压力容器 928 中的每一个内， 多个分隔器 934’ 设置在第 二级的第一压力容器 926’ 和第二压力容器 928’ 中的每一个内， 而多个分隔器 934” 设置在 第三级的第一压力容器 926” 和第二压力容器 928” 中的每一个内。
第一级的第一和第二压力容器 926 和 928 分别各包括第一阀 956， 该第一阀 956 打 开以允许从环境中接收空气。这些阀以及下面参照的那些可以主动地控制、 被动地控制或 者可以是主动或被动的端口。第一级的第一和第二压力容器 926、 928 中的每一个还通过导 管 958、 960 与第二级的压力容器 (926’ 、 928’ ) 流体联接， 该导管 958、 960 可以包括一个或 多个第二阀 962 以有选择地打开和闭合在对应的压力容器的体积之间的流体连通。第二级 的压力容器 926’ 、 928’ 还通过导管 964、 966 与第三级的压力容器 926” 、 928” 流体联接并且 包括有选择地打开和闭合它们之间的流体连通的一个或多个第三阀 968、 968’ 。第四阀 970 另外地布置在第三级处的压力容器 926” 、 928” 的端口的下游， 以控制在第三级与存储机构 ( 未示出 ) 之间的空气通道， 其中加压的空气送到该存储机构中或从该存储机构送出。 将理
解的是， 尽管本文描述为三级压缩机 / 膨胀机装置， 但是更少的或另外的压力容器和 / 或阀 能够被包括以生成压缩 / 膨胀的更少的或另外的级。
根据一个示例性实施例， 与图 7A 中所示相似构造的， 第一级可以构造为提供大约 10.14 ∶ 1 的压缩比， 第二级具有大约 5.5 ∶ 1 的压缩比， 而第三级具有大约 3.3 ∶ 1 的压 缩比。这种压缩比可以适于构造为将空气从大约大气压的起始压力压缩到大约 184 个大气 压的压力并且将空气从 184 个大气压膨胀到大约大气压的压力的系统。根据一个实施例， 以该方式构造的压缩机 / 膨胀机装置可以具有大约 2 兆瓦的额定功率。在另一实施例中， 多个级可以具有大约为 5、 6、 7 或一些其他数字的大致相等的压力比。在另一实施例中， 诸 如螺杆压缩机和 / 或膨胀机、 离心压缩机和 / 或膨胀机、 风箱压缩机和 / 或膨胀机、 活塞压 缩机和 / 或膨胀机、 或者其他压缩机和 / 或膨胀机或者过程之类的单独的压缩和 / 或膨胀 装置或过程可以向第一级、 第二级、 第三级或一些级的组合提供 2 ∶ 1、 3 ∶ 1、 4 ∶ 1、 5 ∶ 1、 6 ∶ 1 或一些其他数字的压力比的压缩和 / 或膨胀。
在图 7A 的实施例中， 压缩循环可以始于用于使第一级的致动器的活塞 932 远离第 一级的第一压力容器 926 移动， 以增大在第一级的第一压力容器 926 的内部可用于空气的 体积， 正如由图 7B 表示的那样。该运动可以将水拉出第一压力容器 926 的分隔器 934， 从 而生成将周围空气吸入第一压力容器 926 内且进入每一个分隔器 934 中的穴内的负压力， 从而生成热量可通过其传递的另外的空气 / 液体界面和空气 / 分隔器界面。在另一实施例 中， 该运动可以将水拉出第一压力容器 926 的分隔器 934， 从而生成将周围空气吸入第一压 力容器 926 内且通过或经过分隔器 934 的负压力， 从而生成热量可通过其传递的另外的空 气 / 液体界面和空气 / 分隔器界面。如图 7C 中所示， 当活塞 932 到达该冲程的终点时， 在 大气与第一压力容器 926 之间的第一阀 956 关闭而在第一级与第二级之间的第二阀 962 打 开。如图 7D 中所示， 当活塞 932 朝向第一压力容器 926 返回时开始压缩冲程， 从而减小在 第一级的第一压力容器 926 和第二级的第一压力容器 926’ 的组合体积中可用于空气的体 积， 从而将空气朝向第二级的第一压力容器 926’ 压缩和移位。就此而言， 空气的压缩可以 通过不同级的压力容器发生。如图 7E 中所示， 当第一级的活塞 932 靠近其朝向第一压力容 器 926 的冲程的终点时， 第二级的活塞 932’ 靠近其远离第二级的第一压力容器 926’ 的冲程 的终点， 并且第一级的第一压力容器 926 与第二级的第一压力容器 926’ 之间的第二阀 956 关闭。在压缩机 / 膨胀机装置的第二级与第三级之间的操作镜像于在第一级与第二级之间 的上述操作。 但是， 在第三级与存储结构之间的操作可以不同， 不同之处在于通向存储结构 的阀 ( 例如阀 970) 可以在第三级处的压力超过在存储结构中的空气压力时而非在第三级 的活塞开始其压缩冲程时打开。
上述压缩循环不同于现有的正排量压缩循环， 不同之处在于压力容器中的压缩包 括多级而非单级的压力容器的空气体积。相比之下， 现有技术的压缩机典型地压缩在单个 压缩腔 ( 即压力容器 ) 中的空气。 将理解的是， 其他实施例能够利用在共同的级中或者在多 个级之间分布的任意数目的压力容器实施， 因为各种实施例并不限于本文所述的那些。另 外， 在压缩通过不同级的压力容器发生的实施例中， 任一级的体积比可以通过调节不同级 之间的阀正时而进行修改。
图 7F- 图 7I 中图示了在与图 7A 相似构造的实施例中的膨胀循环。如图 7F 中所 示， 膨胀始于将空气从存储结构 ( 未示出 ) 膨胀到第三级的第一压力容器 926” 内。该膨胀空气移动液体以驱动第三致动器 ( 例如， 活塞 932” ) 远离第三级的第一压力容器 926” 。如 图 7G 中所示， 该过程在通向第二级的第一压力容器 926’ 的第三阀 968’ 关闭的情况下继续。 如图 7H 中所示， 当第三活塞 932” 靠近远离第三级的第一压力容器 926” 的行程的终点时， 第四阀 970 关闭与洞室 ( 例如， 存储结构 ) 的流体连通。如图 7I 中所示， 第三阀 968’ 随后 打开以使空气能够膨胀到第二级的第一压力容器 926’ 内， 从而驱动第二致动器 ( 例如， 活 塞 932’ )。在压缩机 / 膨胀机装置的第三级与第二级之间的操作， 以及随后在第二级与第 一级之间的操作镜像于在存储结构与第三级之间的上述操作。
压缩机 / 膨胀机装置可以模块化安装， 从而允许系统构造为用于大范围的能量存 储需求。作为示例， 压缩机 / 膨胀机装置比如图 7A 的装置可以定尺寸为存储和产生 1.0 兆 瓦到 5.0 兆瓦的功率， 尽管将理解的是， 其他实施例可以包括更高或更低的额定功率。根据 一些实施例， 多个压缩机 / 膨胀机装置可以安装到一起并且并联地操作， 用于具有更高能 量存储功率需求的设施， 例如高达 300 兆瓦或更高。包括并联布置的多个压缩机 / 膨胀机 装置的设施可以通过关闭压缩机 / 膨胀机装置的一部分或者通过以低于他们的全功率容 量来操作压缩机 / 膨胀机装置中的一些或全部而以低于满容量进行操作， 这可以促进高效 的系统操作。包括并联布置的多个压缩机 / 膨胀机装置的设施可以以高于满额定容量操作 一段持续时间以满足特定的操作需求， 比如当电力价格为低或负时压缩空气， 或者当电力 价格为高时膨胀空气。这些操作可能因增大压缩冲程的速度、 通过控制系统中的阀特别是 在存储容器与第三级之间的阀的正时来增大在第三级中从存储容器吸入的空气的质量而 受到影响。另外地或可选地， 包括多个压缩机 / 膨胀机装置的设施可以模块化构造， 以在所 有的压缩机 / 膨胀机被安装好之前或者在一个或多个压缩机 / 膨胀机被关闭用于维护、 修 理、 更换或其他原因期间允许系统操作。另外地或可选地， 包括多个压缩机 / 膨胀机的设施 可以模块化构造为允许构造比项目的额定功率所需更多的压缩机 / 膨胀机 ( 备用 )， 从而使 备用压缩机 / 膨胀机能够在各种压缩机 / 膨胀机单元因维护、 修理、 更换或其他原因而正被 关闭时取代或关闭之后不久取代， 由此维持发电厂的较高的额定功率。
压缩机 / 膨胀机装置的实施例能够适应大范围的操作功率水平。如将理解的是， 可能期望的是以变化的速度存储或释放能量， 特别是当要存储的能量接收自不太可能预测 的来源时， 比如风力发电厂。本文描述的压缩机 / 膨胀机装置能够作为正排量装置， 从而意 味着总装置在每个循环期间吸入相同的空气体积， 尽管每一级将该初始体积压缩到不同的 值。这种正排量装置可以通过压缩 ( 或膨胀 ) 具有相同体积的不同的空气质量而以不同的 功率水平进行操作， 这不同于在 CAES 系统中典型使用的离心压缩机， 该离心压缩机主要在 较窄范围内的功率水平下有效地操作。另外地或可选地， 具有并联操作的多个压缩机 / 膨 胀机的设施可以仅启动所安装的压缩机 / 膨胀机装置的一部分以适应不同的操作功率水 平。
压缩机 / 膨胀机装置可以以较低的速度操作， 这可以提供改进的热传递， 改进的 能量消耗和 / 或产生， 改进的耐用性， 减小的熵损失， 通过阀、 管道和端口的减小的压降， 减 小的压缩机 / 膨胀机的热循环， 和 / 或改进的可靠性。根据一些实施例， 压缩机 / 膨胀机装 置的压缩或膨胀循环可以允许改进的热传递， 这可以允许装置在膨胀和 / 或压缩期间实现 近等温行为。 另外， 当与更高速度的机器进行比较时， 与改进的热传递相关联的更低温度和 在压缩机 / 膨胀机装置中的接合处及滑动接触处的更小摩擦可以提供改进的耐用性和可靠性。 压缩机 / 膨胀机装置的各种实施例的更低的操作速度和 / 或增大的热传递容量能 够通过较低的温度差与外部环境发生热传递。根据一些实施例， 压缩机 / 膨胀机装置可以 以近等温压缩 / 膨胀过程进行操作， 同时与外部环境通过低至 50℃、 低至 25℃或甚至低至 5℃的温度差交换热量。
根据一些实施例， 低等级的热源和 / 或散热器可以用于在膨胀 / 压缩模式期间将 热量提供给压缩机 / 膨胀机和从压缩机 / 膨胀机接收热量。就此而言， 系统能够操作而不 燃烧化石燃料， 比如用于在膨胀时加热空气。但是， 将理解的是， 系统的该实施例也可以与 确实燃烧化石燃料的发电厂或其他系统一起进行操作。一些实施例可以使用地热能、 太阳 能、 和其他能量输入， 使用水、 盐水、 沙砾、 水和沙砾、 盐水和沙砾、 以及其他散热器和热源作 为热源和 / 或散热器， 从而获益于存在于地表下面 4 米到 10 米处的基本恒定的地温以及与 使用为存储结构时的地下洞室相关联的基本恒定的温度。 另外， 根据一些实施例， 压缩可以 在空气温度较低时的夜晚发生， 并且可以提供热量被移除的环境， 而膨胀在温度较高时的 白天发生， 并且可以提供在膨胀过程中使用的热源。
根据一些实施例， 利用压缩机 / 膨胀机装置的系统可以具有模块化构造。作为示 例， 图 8 示出了直接结合到风力涡轮机 1014 的结构内的压缩机 / 膨胀机装置 1020 的一个实 施例。风力涡轮机 1004 包括通过变速箱 1076 连接至且驱动低速液压泵 1074 的转子 1072。 变速箱 1076 可以是机械变速箱、 液压变速箱、 或者可以包括其他类型的变速箱。导管 1078 将液压泵 1074 的液压流体输出连接至液压电机 1080， 该液压电机 1080 机械地连接至发电 机 1082。导管 1078 还将液压泵 1074 的液压流体输出连接至压缩机 / 膨胀机装置 1020 的 一个或多个致动器， 该压缩机 / 膨胀机装置 1020 可以定位在风力涡轮机 1014 的塔 1016 中。 变速箱 1076、 液压泵 1074、 液压电机 1080 和发电机 1082 中的每一个均示出为定位在风力 涡轮机 1014 的吊舱 1018 中， 但是在其他实施例中能够定位在其他位置。根据系统操作的 一个模式， 一个或多个阀 1084 可以控制液压流体从液压泵 1074 到液压电机 1080 和 / 或压 缩机 / 膨胀机装置 1020 的流动。风力涡轮机 1014 还包括可以位于风力涡轮机 1014 的塔 的部分中的存储结构 1086 和 / 或在支承风力涡轮机 1014 的基部 1088 中的存储结构 1022。 就此而言， 风力涡轮机可以提供自含的能量存储和回收系统， 这可以证实为对于离岸应用 而言有益。
图 8 的系统可以以不同的模式进行操作。在第一操作模式下， 风能可以仅被引导 至风力涡轮机 1014 的发电机 1082 中。在该模式下， 一个或多个阀 1084 可以定位成使得液 压动力没有传到压缩机 / 膨胀机装置 1020， 使得与驱动转子 1072 的风力相关联的任意动力 通过变速箱 1076、 液压泵 1074、 液压电机 1080、 以及发电机 1082 转变为电力。在第二操作 模式下， 风能可以专用于驱动压缩机 / 膨胀机装置 1020 以将能量存储为压缩空气。在该模 式下， 一个或多个阀 1084 可以定位成使得液压动力从液压泵 1074 仅被引导至压缩机 / 膨 胀机装置 1020。阀 1084 还可以定位成使得来自液压泵 1074 的液压流体传送至压缩机 / 膨 胀机装置 1020 以及液压电机 1080 和发电机 1082 的组合， 使得风能可以同时用于压缩空气 和生成电力。当期望的是释放存储在系统中的能量时， 在又一操作模式下压缩空气可以被 释放用于通过压缩机 / 膨胀机装置 1020 进行膨胀。从压缩机 / 膨胀机装置 1020 输出的加 压的液压流体可以通过液压电机 1080 驱动发电机 1082 以生成电能。这可以要么当存在足
够的风力时发生以辅助正被转子 1072 驱动的液压泵 1074， 要么当使转子 1072 转动的风力 不足时发生以作为加压的液压流体的单个源。
根据一些实施例， 结合到风力涡轮机的结构中的系统可以与风力涡轮机自身共用 部件， 从而实现另外的和 / 或可选的效率。作为示例， 压缩机 / 膨胀机装置可以利用通常专 用于风力涡轮机的控制软件或者另外地与风力涡轮机共享控制软件和 / 或硬件。压缩机 / 膨胀机装置和风力涡轮机可以共用发电机、 变速箱、 液压泵、 阀、 和 / 或液压电机以减小使 用在系统中的部件的成本和数量。
图 9 示出了压缩机 / 膨胀机装置 1120 的一个实施例的示意截面图， 该压缩机 / 膨 胀机装置 1120 可以证实为适于封装在风力涡轮机的塔内。如所示， 第一和第二压力容器 1126 和 1128 相对于彼此垂直地定位。第一压力容器 1126 包括分隔器 1134 和歧管 1136， 而第二压力容器 1128 包括分隔器 1134’ 和歧管 1136’ 。第一和第二压力容器 1126、 1128 通 过液压致动器 112 和壳体 1140 相连， 该壳体 1140 直径比压力容器 1126、 1128 中的每一个 宽。液压致动活塞 1132 设置在壳体 1140 内。壳体 1140 相对于压力容器 1126、 1128 的更 大宽度可以减小由液体在给定的操作速度下前行的距离以及由此减小前行的速度。 减小的 液体速度又可以减小在压缩机 / 膨胀机装置 1120 内的液体泵吸阻力以有助于提高压缩机 / 膨胀机装置 1120 的操作效率。
根据一些实施例， 当处于用于改变存储结构空气压力水平的膨胀模式下时， 压缩 机 / 膨胀机装置可以以基本恒定的输出功率进行操作。图 10 是示出了通过根据一个实施 例的压缩机 / 膨胀机装置的三个级中的每一级的空气压力对于两个存储结构压力水平的 关系图表。如所示， 贯穿膨胀机装置的空气压力可以在初始膨胀之后遵循相似但偏移的曲 线， 以产生用于在 100 巴与 180 巴之间的存储结构空气压力的相似的功率值， 由图 10 中的 虚线表示。但是， 应当理解的是， 可以可选地采用其他压力范围。传感器、 阀、 控制器和其他 装置可以用于控制从存储结构进入压缩机 / 膨胀机装置的空气质量以完成该目的。在一个 实施例中， 最终的排放压力可以高于周围空气压力。
在另一实施例中， 阀和泵定尺寸为在膨胀期间比在压缩期间容纳更大的和可调节 的空气体积， 从而容许空气在从最低的存储压力膨胀的期间产生完全额定功率。根据该实 施例设计的容器 / 泵系统将仅在从最低设计的存储压力膨胀的期间被完全利用。另外， 根 据该实施例设计的容器 / 泵系统将总是在压缩期间被部分利用。在另一实施例中， 最终的 排放压力可以接近周围空气压力。
在另一实施例中， 再生热交换技术能够用于在压缩期间从空气吸取热能 ( 例如， 经由工作流体和 / 或分隔器 ) 并且在膨胀期间将热能引入空气内 ( 再次地， 例如， 经由工作 流体和 / 或分隔器 )。能够使用对于技术人员明显的多种技术中的任一种来实施该功能。 例如， 再生热交换系统能够包括热交换器， 该热交换器与压缩机 / 膨胀机装置 ( 例如， 其使 合适的热工作流体通过热交换器循环， 其另一侧直接暴露给压缩机 / 膨胀机装置中的空气 或工作流体， 或者经由分隔器或其他中间热传递结构间接地暴露 ) 和热能存储器 ( 例如， 用 于热工作流体的绝缘的存储罐 ) 热连通。在压缩期间， 再生热交换系统能够操作以使热工 作流体循环， 以从空气吸取热能和将热能引入存储器中。相反地， 在膨胀期间， 再生热交换 系统能够操作以使热工作流体循环， 以从存储器吸收热能并且将热能引入空气内。
从被压缩的空气移除热量和 / 或向被膨胀的空气添加热量可以有助于使在这些过程期间在空气中发生的温度变化最小化， 并且如本文所述， 可以有助于系统实现等温的 过程条件， 或者可接受地近等温的过程条件以经济上最优。例如， 如本文使用的， “等温” 或 “近等温” 能够意味着热传递过程的特征在于大约 1.1 或更小的多变指数， 并且优选地大约 1.05 或更小的多变指数。 根据一个实施例， 贯穿压缩和 / 或膨胀过程， 空气在压缩机 / 膨胀 机装置中经历小于大约 1.6℃或更小的温度变化 ( 对应于 1.023 的多变指数 )。但是， 应当 理解的是， 系统还可以以实施与大于 1.1 的多变指数相对应的压缩 / 膨胀过程的构型进行 操作。例如， 操作系统以实现 1.05 的多变指数所需的设备和 / 或操作费用可能超过在实施 操作实现大于 1.1 的多变指数的系统时的热低效的费用。由此， 可能期望的是实施系统以 在更高的多变指数下进行操作。
压缩机膨胀机装置的实施例可以构造为快速地达到操作速度和 / 或功率水平以 向发电设施提供辅助服务， 包括但不限于黑启动服务、 热备用服务、 电压支援服务、 和/或 频率调节服务。
应当理解的是， 尽管本文所述的主要用于与风力涡轮机和 / 或风力发电厂一起使 用， 但是压缩机 / 膨胀机装置的实施例可以与各种发电设施一起使用， 包括但不限于太阳 能发电厂、 燃煤发电厂、 燃气发电厂、 核电厂、 地热发电厂、 生物能发电厂和 / 或水力发电厂 等。在一个实施例中， 来自太阳能发电厂的热能可以通过本文描述的装置和过程而非通过 或附加于更常规的蒸汽涡轮机或有机 Rankine 循环涡轮机、 或其他热机使用作为热源的部 分或全部， 以当使压缩空气膨胀时提高发电的效率。从太阳能发电厂的热能到电能的转变 效率通过该系统可以为 70％、 80％和更高。 尽管本文描述了用于在压缩或膨胀空气中使用的压缩机 / 膨胀机装置的实施例， 但是应当理解的是， 压缩机 / 膨胀机装置可以用于压缩和 / 或膨胀任何其他气体物质， 比如 但不限于二氧化碳、 天然气、 氧气、 氮气、 丁烷、 丙烷和其他气体。还应当理解的是， 压缩机 / 膨胀机装置的实施例在本文描述为用于与水或液体， 以及任何其他也可以用作热传递和 / 或压力传递介质的液体状物质， 包括其他类型的冷却剂一起使用。
由此已经描述了本发明的至少一个实施例的若干方面， 应当理解的是， 各种变化、 修改和改进对于本领域的技术人员而言将容易发生。这些变化、 改变和改进旨在作为本公 开的一部分， 并且旨在落在本发明的范围内。因此， 前述描述和附图仅作为示例。
在一些实施例中， 如本文描述的装置包括空气可以在其中被压缩和 / 或膨胀的至 少一个压力容器。所述至少一个压力容器至少部分地填充液体并且有时填充空气。所述 至少一个压力容器联接至致动器， 该致动器移动体积中的液体以压缩压力容器中的空气， 或者致动器通过在压力容器内膨胀的空气移动以驱动致动器。压力容器包括保持空气和 / 或贯穿压力容器设置的多个分隔器以生成用于到 / 从空气、 分隔器和液体的热传导的较大 面积。当与缺少分隔器的类似构造的容器进行比较时， 分隔器可以明显减小空气与液体或 结构之间的热路径的总长度。当与缺少分隔器的类似构造的容器进行比较时， 分隔器可以 明显增大空气 / 液体界面的总面积。另外， 贯穿压缩或膨胀循环和朝向压缩或膨胀循环的 终点， 分隔器可以提供面积保持基本恒定的空气 / 液体界面和 / 或空气 / 分隔器界面和 / 或液体 / 分隔器界面， 否则在压缩或膨胀循环的终点缺少热传递的空气温度变化可能为最 大。在一些实施例中， 分隔器可以布置为叠置构型， 其中每个分隔器与歧管流体连通， 该歧 管又与压力容器的端口流体连通。
在一些实施例中， 如本文描述的装置能够压缩和 / 或膨胀空气并且包括串联布置 的两个或更多个级， 其中每一级包括第一压力容器和第二压力容器以及联接到第一压力容 器和第二压力容器中的每一个上的致动器。 第一压力容器和第二压力容器中的每一个的体 积至少部分地填充液体， 该液体通过致动器在对应的压力容器内移动， 以交替地压缩空气 和使空气能够在对应体积的未被液体占据的一部分中膨胀。 致动器在第一压力容器与第二 压力容器之间移动， 使得第一压力容器和第二压力容器中的每一个彼此异相地动作。所述 装置的两个或更多个级中的每一级的致动器相对于任一紧接的上游和 / 或下游级的致动 器异相地移动。 根据一些实施例， 分隔器可以包括在压力容器中的每一个中， 以增大用于向 被压缩和 / 或膨胀的空气传递热量和从该空气传递热量的可用面积。
在一些实施例中， 如本文描述的装置能够等温地和 / 或近等温地压缩和 / 或膨胀 空气。装置包括至少部分填充液体的压力容器。压力容器连接至致动器， 该致动器可以移 动在压力容器中的液体以压缩其中的空气， 或者当空气在压力容器中膨胀时该致动器可以 由移位的液体移动。液体与空气在一个或多个空气 / 液体界面和空气 / 分隔器界面和液体 / 分隔器界面处相接触， 通过这些界面， 热量从被压缩的空气传递和 / 或传递到膨胀的空气 中。 压力容器还包括热交换器， 比如一个或多个热管， 该热交换器在液体与装置的外部环境 之间传递热量。热量可以从被压缩的空气移出和 / 或移动到膨胀的空气中以实现等温或近 等温的压缩和 / 或膨胀过程。较全面的热传递表面积 ( 即， 空气 / 液体界面和空气 / 分隔 器界面和液体 / 分隔器界面 ) 和 / 或较慢的循环速度 ( 例如， 对于单个压缩或膨胀循环为 6 秒 ) 可以有助于装置实现等温或近等温的压缩和 / 或膨胀。
在一些实施例中， 如本文描述的多个装置均能够通过压缩空气用于存储来存储能 量， 并且随后通过相同的多个装置释放压缩空气用于膨胀和产生能量。多个装置中的每一 个定尺寸为 ( 例如， 小于 2 兆瓦的容量或小于 1.2 兆瓦的容量 ) 使得典型的设施——其具 有为单个装置的功率存储容量的 5 倍、 10 倍、 20 倍、 50 倍、 100 倍或 150 倍、 或者甚至更大的 功率存储需求——可以利用任意期望数目的装置， 例如达到 5 个装置， 达到 10 个装置， 达到 20 个装置， 达到 50 个装置， 达到 100 个装置， 达到 150 个装置， 或者甚至更大数目的装置， 以 满足在特定设施中的功率存储需求。具有多个装置可以提供一个或多个益处， 包括但不限 于以与小于设施的全功率存储容量相关联的速率来容易地存储和 / 或释放能量的能力、 从 使用中移除单个装置或多组装置用于维护或修理而不会明显影响总设施的操作的能力、 和 / 或以大的体积构建单个装置的能力， 从而实现规模的经济并且便利于装置的运输和安装。
在一些实施例中， 如本文描述的装置能够压缩空气用于将能量存储为存储结构中 的压缩空气。存储结构可以以改变的压力水平保持空气。装置还以改变的压力水平从存储 结构接收空气， 并且膨胀空气以从其释放能量用于产生电能。 根据一些实施例， 装置是正排 量压缩机和 / 或膨胀机， 其可以以膨胀模式操作以膨胀空气， 该空气在向上改变到高达 250 个大气压或更高的压力水平被接收。根据一些实施例， 装置可以包括串联布置的多个级用 于空气的压缩和 / 或膨胀。
在一些实施例中， 如本文描述的装置能够压缩空气用于将能量存储为存储结构中 的压缩空气， 并且当需要时能够膨胀从存储结构接收的加压空气以产生电能。空气可以以 改变的压力水平存储在存储结构中。装置包括压力容器和致动器， 致动器以基本恒定的体 积排量使液体移动通过装置。装置包括阀和控制器， 该控制器可以被编程以控制由用于膨胀的装置接收的空气质量， 而不管空气被保持在存储结构中的压力。
在一些实施例中， 如本文描述的装置能够压缩空气用于将能量存储为压缩空气， 并且当需要时膨胀该压缩空气以产生能量。该装置可以结合到风力涡轮机的结构内， 比如 在吊舱或在塔结构中。根据一些实施例， 风力涡轮机和该装置可以共享部件以减小总的系 统成本和 / 或减小总的系统尺寸， 这可以证实为对于离岸应用特别有用。作为示例， 风力涡 轮机与装置之间可以共享控制软件和 / 或硬件。另外地或可选地， 发电机可以通过液压电 机和泵联接到风力涡轮机的转子上， 并且可以在风力充足时由风力涡轮机驱动， 而当风力 不足时当压缩空气时由装置驱动。
在一些实施例中， 如本文描述的装置包括空气可以在其中被压缩的上游压力容器 和下游压力容器。 上游压力容器和下游压力容器中的每一个至少部分地填充液体并且有时 填充空气。 在下游压力容器中用于空气的最大可用体积小于在上游压力容器中用于空气的 最大可用体积。 上游压力容器联接到上游致动器上， 而下游压力容器联接到下游致动器上。 上游致动器和下游致动器中的每一个移动在对应的压力容器的内部体积中的液体， 以交替 地增大和减小在对应的压力容器中用于空气的可用体积。 导管在上游压力容器与下游压力 容器之间延伸， 并且包括阀， 该阀可以有选择地打开以提供在上游压力容器与下游压力容 器之间的流体连通。 空气的压缩始于阀打开以提供在上游压力容器与下游压力容器之间的 流体连通。 在压缩的起点， 在上游压力容器中用于空气的可用体积为最大值， 而在下游压力 容器中用于空气的可用体积为最小值。 上游致动器随后移动在上游压力容器中的液体以压 缩在上游压力容器中用于空气的可用体积中的、 导管中的、 以及在下游压力容器中用于空 气的可用体积中的空气。同时， 下游致动器移动在下游压力容器中的液体以增大在下游压 力容器中可用于空气的体积。 当在上游压力容器中可用于空气的体积的减小量大于在下游 压力容器中可用于空气的体积的增大量时， 空气在上游压力容器中的可用于空气的体积、 导管、 和在下游压力容器中的可用于空气的体积中的每一个中被压缩。
尽管以上已经描述了本发明的各种实施例， 但是应当理解的是， 它们已经仅作为 示例而非限制性地提出。尽管上述方法及步骤指示以特定的顺序发生的特定事件， 但是从 本公开受益的本领域的技术人员将认识到特定步骤的顺序可以被改变并且这些改变是符 合本发明的变型。另外， 当可能时， 某些步骤可以以并联过程同时执行， 以及如上述按序地 执行。 已经具体示出和描述了多个实施例， 但是应当理解的是， 可以进行各种形式和细节上 的变化。
例如， 尽管各种实施例已经描述为具有特定的特征和 / 或部件的组合， 但是具有 来自本文描述的实施例中的任一个的任意特征和 / 或部件的任意组合或子组合的其他实 施例是可能的。不同部件的特定构型也能够改变。例如， 不同部件的尺寸和具体形状能够 不同于所示的实施例， 同时仍然提供如本文描述的功能。
压缩机 / 膨胀机单元可以在项目中模块化布置， 并且它们可以布置在建筑物的外 部或内部。 在建筑物中， 它们可以布置为具有中央通道的构型， 其中多个单元在通道的任一 侧上彼此相邻。压缩机 / 膨胀机单元可以与如下中的一些或全部彼此互连 ： 电、 水、 液压流 体、 空气、 润滑油、 热水、 冷水、 和其他公共服务。可以设有用于压缩机 / 膨胀机的热水和 / 或冷水的分离的存储器和 / 或源。