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CN102498638A - 通过气体的快速等温膨胀和压缩来储存和再生能量的系统和方法 - Google Patents

通过气体的快速等温膨胀和压缩来储存和再生能量的系统和方法 Download PDF

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CN102498638A CN2010800236546A CN201080023654A CN102498638A CN 102498638 A CN102498638 A CN 102498638A CN 2010800236546 A CN2010800236546 A CN 2010800236546A CN 201080023654 A CN201080023654 A CN 201080023654A CN 102498638 A CN102498638 A CN 102498638A
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Abstract

本发明涉及用于在能量储存和再生系统(300)中空气快速地等温膨胀和等温压缩的系统和方法，其使用诸如蓄能器(316，317)和增强器(318，319)之类的开放大气液压气压缸组件，与回路的气体侧上的高压气体储罐连通，以及组合的液压马达/泵(330)，连接至回路的流体侧上的组合的发电机/马达(332)。该系统使用热传递子系统与至少一个汽缸组件或者容器连通，来热调节正膨胀或者压缩中的气体。

Description

通过气体的快速等温膨胀和压缩来储存和再生能量的系统和方法
关于联邦政府赞助的研究的声明
本发明是在NSF授予的IIP-0810590和IIP-0923633项目的政府资助下完成的。政府对本发明拥有某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求如下共同未决的美国专利申请的优先权：申请序列号12/639,703，申请日2009年12月16日，其是美国专利申请序列号为12/421,057，申请日为2009年4月9日，和序列号为12/481,235，申请日为2009年6月9日的部分连续申请；还要求下列美国临时专利申请的优先权：序列号61/166,448，申请日为2009年4月3日；61/184,166，申请日为2009年6月4日；61/223,564，申请日为2009年7月7日；61/227,222，申请日为2009年7月21日；和61/251,965，申请日为2009年10月15日，它们公开的内容通过引用在此整体被结合。
技术领域
本发明涉及使用压缩气体储存和再生电能的系统和方法，尤其涉及通过气体的快速等温膨胀和压缩提高该系统和方法的效率的系统和方法。
背景技术
随着世界对电能需求的增加，现有的电网负荷已经超过了其连续地满足这一需求的能力。在美国的某些地区，由于不能满足峰值需求，已经导致了由于系统过载造成的不受欢迎的限制用电和电力中断，以及非重要用户故意的″轮流灯火管制(rolling blackouts)″，以便应对过度需求。多数时候，高峰需电量出现在白天(和在某些季节，例如夏天)，此时，工商业使用大量电力以运行设备、加热器、空调、照明等等。因此，在夜间对电力的需要常常显著地降低，并且大多数地区的现有电网通常可毫无问题地处理这一负荷。
为了应对高峰需电量时电力缺乏，用户被要求在可能的情况下储存电力。电力公司常常使用可快速布置的燃气轮机来补充生产以满足要求。然而，这些设备要燃烧高价的燃料源，例如天然气，并且和燃煤系统及其他大型发电机相比，具有更高的生产成本。因此，补充能源会有经济上的的劣势，并且无论如何只能在发展中地区和经济性上提供部分解决方案。最明显的解决方案包括建设新的发电厂，但是这很昂贵并且带来环境的副作用。此外，因为大多数发电厂当进行相对连续的生产时才有高效率，在峰值和非峰值之间的需电量的差别常常导致在非峰荷期运行浪费，例如在户外地区的过度照明，因为电力是以非峰荷的较低的价格出售的。因此，有必要以这样的方式应对电力需求的波动，不需要建设新的电厂，并可在尖峰需电量的期间提供超额容量，来在发电设备上运行，或者在小规模的现场在电气用户的设备上运行(当电力网过载时，允许用户在尖峰需电量期间给自身提供附加电力)。
对输送所发的电力的均衡能力极度期望的另一个情形出现在具有间断发电循环的自给式发电系统中。一个实施例是位于远离电力连接处的太阳能电池板阵列。白天该阵列可以较好地发电几个小时，但是在光线不足或暗淡的其余时间内不能工作。
在所有情况下，快速地和应需地达到电力生产的平衡或更高功率的供应可以通过本地备用发电机来满足。然而，此类发电机通常是昂贵的，并且使用高价燃料，例如天然气或柴油，而且由于它们的固有噪声和辐射对环境也有损害。因此，非常希望有这样一种方法，当不需要时(例如在非峰荷时间)，允许储存能源，并且可以快速地把电力输送回用户。
已经获得多种方法来存储多余电力，以便稍后的输送。一种新的方法包括利用被驱动的飞轮，其通过马达旋转而抽取多余电力。当需要电力时，飞轮的惯性通过马达或另一连接的发电机获取，以将电力输送回电力网和/或用户。然而，飞轮设备的制造和安装花费高昂，并且需要定期进行昂贵的保养。
另一个储存电力的方法是利用电池。然而，许多大型电池使用铅电极和酸性电解液，并且这些元件对环境有危害。电池必须通常成排布设来存入真正的电力，而且单个的电池可能寿命相对较短(通常3-7年)。因此，为维护电池存储系统，大量笨重的、存在风险的电池组必须定期更换，而且这些旧的电池必须再循环利用，或者恰当地处理。
电能还可以储存在超级容器内。电容器通过电流来充电，以便存储电荷，在需要时可被快速地输出。适当的功率调节电路可用来将电力转换成适当的相位和频率的直流电。然而，存储实际的电力需要大规模的此类电容器。尽管较之电池，超级电容器对环境更无害和寿命较长，但其基本上更昂贵，而且由于固有的电介质的故障等等，仍然需要周期性置换。
另一个储存电能用于以后配电的方法是利用大规模的压缩空气的容器。背景如下，在洛桑工业大学的Sylvain Lemofouet-Gatsi撰写发表(2006年10月20日)的题为″基于空气和超级电容器的混合电力存储系统的调查和优化″论文(以下称″Lemofouet-Gatsi″)中，章节2.2.1展示并描述了一种称为压缩空气能量储存(CAES)系统，其公开的内容在此以引用方式被整体结合。如Lemofouet-Gatsi所述，CAES的原理得自常态燃气轮机循环(其中约略66％的生产电力用来压缩空气)分离成两个独立的阶段：压缩阶段和发电阶段，压缩阶段来自非峰荷期设备的低成本的电力用来将空气压缩进入地下盐洞内，发电阶段是在高峰需电量期间，来自储存在洞窟中的预压缩空气通过加热同流换热器被预热，然后与油或气体混合，并燃烧供给多级的膨胀涡轮来生产电力。压缩循环从燃烧循环的功能分离允许CAES工厂用同样数量的燃料相比简单循环的天然气发电厂多产生三倍电力。
Lemofouet-Gatsi还公开了，″CAES具有下列优点，无需大型昂贵的安装，并可用于长时间(一年以上)储存能量。它还具有快速起动时间(9至12分钟)，这使其适于电力网运行，并且温室气体的排放比通常的燃气发电厂的排放更低，这是由于降低了燃料消耗。CAES的主要缺点可能是依赖于地质构造，这实质上限制了这一存储方法的应用。此外，CAES发电厂不是零排放的，因为预压缩空气在膨胀前是通过化石燃料燃烧器加热的。而且，[CAES工厂]就其效率而论，是受限制的，由于压缩热通过内部冷却剂的损失必须通过燃料燃烧膨胀期间得到补偿。传统的CAES仍然依靠化石燃料的消耗，这一事实使得评估它的电力来回转换过程的效率，以及与传统的免燃料存储技术作比较都很困难。″
在以上描述的压缩空气能量储存方法中提出了许多变化，其中一些试图利用电力而非燃料来加热膨胀空气。其它的使用与热交换的储热器来尽可能地提取和再生同样多的热能，由此希望提高效率。还有些方法使用压缩气体驱动的活塞马达，马达既用作压缩机，又用作发电机，在循环的两端驱动。通常，由于在高压下，围绕密封部位有渗漏趋势，高压气体用于马达工质的使用会面临很多挑战，而且在急剧膨胀时，还会面临热量损耗。而热交换解决方案可以处理其中的一些问题，效率仍然要根据加热压缩气体的需要是否优先于从高压膨胀到大气压下来折衷。
已经认识到气体储存能量的高效介质。液体是不可压缩的，并高效地流过叶轮或其它运动部件，以转动发电机组。一种使用压缩气体来储存能量的能量储存方法—但是其使用如液压液之类的液体而非压缩气体来驱动发电机—是所谓的封闭大气液压气压系统(closed-airhydraulic-pneumatic system)。这样的系统采用一个或多个具有压缩气体充填的高压储罐(蓄能器)，高压储罐被活动的壁板或柔性囊膜与充填的液压液分隔开。液压液与双向叶轮(或其它液压马达/泵)相连，后者自身与组合电动机/发电机相连。叶轮的另一侧与液压液的低压容器相连。在储存阶段，电动机和叶轮克服压缩空气的压力推动来自低压的液压液容器的液压液进入高压储罐。由于不可压缩液体充满储罐，它迫使空气进入较小空间，从而压缩空气到更高的压力。在发电阶段期间，流体管路以反方向运行，并且叶轮被在压缩气体的压力下从高压储罐溢出的流体推动。
该封闭大气方法的优势在于，由于空气被密封在箱内，决不会从大气压力下压缩或膨胀至大气压力下。美国专利No.5,579,640显示并描述了一个封闭大气系统的实施例，其中披露的内容由此通过引用被完整地结合在此。封闭大气系统趋于较低的能量密度。也就是说，可能压缩的量由储罐空间的尺寸限制。此外，因为当流体被移除时，空气没有完全减压，仍然有系统中不能被处理的另外的能量。为获得合适的用于大型的能量储存的封闭大气系统，需要许多大的蓄能器储罐，这就提高了运行该系统的总成本，并且这么做需要更多土地。
另一个混合的液压气压能量储存方法是开放大气系统。在一示例性的开放大气系统中，压缩空气储存在大型的独立的高压储罐(或多个储罐)内。提供一对蓄能器，每一个都有流体侧，其通过一活动的活塞壁与气体侧隔开。一对(或更多对)的蓄能器的流体侧通过叶轮/发电机/马达的组合连接在一起。每一蓄能器的气压侧与高压空气储罐以及阀驱动的大气通风口相连。在空气容室侧发生膨胀的情形下，在一个蓄能器中的流体被驱动通过叶轮以产生电力，然后流过的流体接着流入第二蓄能器，此时第二蓄能器的气压侧通风至大气，从而使得流体聚集在第二蓄能器。在储存阶段，电能可直接用来经由压缩机再装填压力储罐，或蓄能器可反向运行以给压力储罐加压。美国专利No.6,145,311(简称′311专利)显示并描述了该开放大气构思的型式，其中披露的内容由此通过引用被完整地结合在此。该开放大气系统的设计的劣势可包括气体泄漏、复杂、费用，并且取决于预定的布置的可能的不适用。
另外，还有期望的方案能解决电力需求的波动、还有环境条件以及使用可再生能源。随着对可再生能源的需求增加，某些可再生能源的来源(例如，风和太阳)的间断的属性对电网是不断增加的负担。使用能量储存的一个关键因素在于应对通过可再生能源生产的电力的间断属性，更一般地，在于转换所产生的能源至高峰时的需要。
如上所讨论的，采用压缩空气的方式储能具有很长的历史。然而，上述将压缩空气形式的势能转换为电能的方法大多数利用涡轮来使空气膨胀，这是内在地绝热过程。随着气体膨胀，如果没有热能输入(绝热气体膨胀)，它会冷却下来，在涡轮中的气体膨胀也是如此。绝热的气体膨胀的优势是可快速发生，因此导致大量能量在短时间内释放。
然而，如果相对于热量流入气体中所需要花费的时间而言，气体膨胀缓慢发生，那么空气在膨胀时会保持相对固定的温度。在室温存储的高压气体(例如3000磅/平方英寸空气)在等温膨胀时，吸收大约二点五倍室温气体绝热膨胀的能量。因此，等温膨胀气体具有显著的能量优势。
根据先前的运行情况，某些压缩气体储能装置中，气体从高气压的大容量源，例如大型的地下洞穴处发生膨胀，然后被引入到多阶段燃气轮机。因为在运行的每一阶段都发生显著的膨胀，气体在每一阶段都得到冷却。为提高效率，气体与燃料混合，然后点火，将其预热到较高的温度，从而提高动力和气体的最后温度。然而，燃烧化石燃料(或施加另一能源，例如电加热)以补偿绝热膨胀的需要实质上排除了其它清洁、免排放储存能量和恢复过程的目的。
尽管提供引导热交换的子系统给液压缸/气压缸从技术上来说是可能的，但是，例如外夹套对于汽缸的厚壁不是特别地有效。内在化的热交换子系统容易想象可被直接安装在汽缸的空气一侧之内；然而，尺寸限制会降低此类换热器的效率，而且密封汽缸的任务，用附加的子系统安装在其内，就显得很重要了，利用传统的市场上可买到的元件就很困难或不可能。
因此，现有技术没有公开可用于能量储存和再生的快速等温压缩和膨胀气体的系统和方法，以及考虑了以对环境友好的方式利用传统的低成本的元件在其它方面的应用。
发明内容
在各个具体实施例中，本发明提供了储能装置系统，其基于开放大气液压气压布置，使用储罐内的高压气体，该气体小批量地从几百个大气压的高压膨胀至大气压力。本系统可以接近气体的等温膨胀和压缩的比率来设计尺寸和运行。本系统还可根据需要通过连接到另外的蓄能器电路和储罐中来扩展。按照本发明的系统和方法可允许高效的近等温高压缩和膨胀，从几百个大气压至一个大气压或从一个大气压至几百个大气压，以提供高得多的能量密度。
本发明的具体实施例通过提供用于能量储存和再生的系统克服了现有技术的劣势，其使用开放空气的液压气压蓄能器和增强器布置，该布置在至少一个线路上运行，所述线路组合了蓄能器和增强器，增强器与线路的气体侧上的高压气体储罐连通，，还包括连接至线路流体侧的发电机/马达组合的液压马达/泵组合。在一代表性的具体实施例中，膨胀/能量回收的方式，第一线路的蓄能器首先被充以来自容器的高压气体，然后容器与蓄能器的空气容室隔断。该气体使得蓄能器内的流体被驱动穿过马达/泵以产生电力。排出的流体被驱入相对的增强器内或者相对的第二线路的蓄能器内，后者的空气容室连通至大气。随着蓄能器内的气体膨胀到中等压力，流体被排尽，然后蓄能器内的中等压力气体被连接到增强器，增强器具有作用于较小面积的流体活塞上的较大面积的空气活塞。然后增强器内的流体在仍然高的流体压力下被驱动通过马达/泵，尽管增强器空气容室内为中等压力气体。来自马达/泵的流体被排入相对的第一蓄能器或者第二线路的增强器内，后者的空气容室随着对应的流体容室充满排出的流体可连通至大气。在压缩/能量储存阶段，该工序被反转过来，液压马达/泵被电力元件驱动，迫使流体进入增强器和蓄能器，以压缩气体并在高压下把它输送到储罐容器中。
这些系统的输出功率取决于气体可以多快速度等温膨胀。因此，以更快的速度等温膨胀/压缩气体的能力会带来系统的更大的输出功率。通过给这些系统增加热传递子系统，所述的系统的功率密度可以被显著地提高。
在一方面，本发明涉及用于气体的基本上等温膨胀和压缩的系统。该系统包括汽缸组件，其具有分级的气压侧和液压侧以及热传递子系统，两侧通过一活动的机械边界机构被隔开，该机械边界机构在二者之间传输能量，热传递子系统与汽缸组件的气压侧流体连通。可活动的机械边界机构例如可以在汽缸(例如，活塞)内滑动式移动、膨胀/收缩(例如气囊)、和/或通过线性转换器机械地连接液压侧和气压侧。
在一些具体实施例中，汽缸组件包括蓄能器或增强器中的至少一个。在一具体实施例中，热传递子系统还包括循环设备，与汽缸组件的气压侧流体连通，用于使流体循环流经热传递子系统和换热器。换热器包括与循环设备和汽缸组件的气压侧流体连通的第一侧和与基本上具有恒温的液体源流体连通的第二侧。循环设备从汽缸组件的气压侧流过换热器，然后回到汽缸组件的气压侧，形成循环。循环设备可以是正向位移泵，换热器可以是壳管式或板式换热器。
另外，本系统可包括至少一个温度传感器，其与汽缸组件的气压侧或者流出热传递子系统的流体中的至少一个通信，还包括一用于接收来自至少一个温度传感器的遥测数据的控制系统，以便至少部分地基于接收的遥测数据控制热传递子系统的操作。温度传感器可以通过直接温度测量(例如，热电偶或者热敏电阻)或者根据压力、位置和/或流量传感器的间接测量来进行。
在其它具体实施例中，热传递子系统包括流体循环设备和热传递流体容器。流体循环设备可以设置为将热传递流体从容器泵入汽缸组件的气压侧。在多个的具体实施例中，热传递子系统包括设置在汽缸组件的空气侧的喷洒机构，用于引入热传递流体。喷洒机构可以是喷头和/或喷杆。
在又一方面，本发明涉及分级能量转换系统，其使用热调节压缩流体来存储和再生电能。系统包括：具有第一容室和第二容室的汽缸组件，容室被设置在汽缸内的可滑动活塞分隔开；与汽缸组件相连的传动系统，其中传动系统配置成在膨胀阶段将势能转换为电能，在压缩阶段将电能转换为势能；以及热传递子系统，与汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个流体连通。
在系统的多个具体实施例中，汽缸组件可以是气压缸或者高压气压缸，与低压气压缸流体相连。进一步地，热传递子系统可以包括流体循环设备和热传递流体容器。在一具体实施例中，流体循环设备设置为将热传递流体从容器泵入汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个中。热传递子系统还可以包括换热器。换热器可以具有与流体循环设备和热传递流体容器流体连通的第一侧，以及与热传递流体的热传递流体源流体连通的第二侧。在一具体实施例中，流体循环设备使流体从热传递流体容器通过换热器和汽缸组件进行循环。热传递子系统还可以包括设置在汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个内的喷洒机构，用于引入热传递流体。喷洒机构可以是喷头、喷杆，或者其组合。在其他的具体实施例中，系统包括至少一个温度传感器，其与汽缸组件的容室的至少一个或者流出热传递子系统的流体通信。控制系统能被用于接收来自至少一个温度传感器的遥测数据，以便至少部分地基于接收的遥测数据控制热传递子系统的操作。
在一具体实施例中，传动系统包括通过可活动的机械边界机构与气压缸机械地连接的液压缸，机械边界机构在二者之间传递能量，还包括与液压缸流体连接的液压动力单元。液压动力单元可以配置成驱动电动机/发电机来再生电能，和/或被电动机/发电机驱动以贮存势能。本文中描述了其他的传动系统，其可以包括各种汽缸组件及其布置，以及用于在它们之间传递/转换能量的机械联动机构。
在又一方面，本发明涉及分级液压气压能量转换系统，其使用热调节的压缩流体，例如经历热交换的气体，来存储和再生电能。本系统包括第一和第二偶联汽缸组件。本系统包括至少一个具有多个分级的气压侧和至少一个液压侧，以及与至少一个气压侧流体连通的热传递子系统。该至少一个气压侧和该至少一个液压侧被至少一个在两者之间传递能量的、可活动的机械边界机构分隔开、。
在一具体实施例中，第一汽缸组件包括至少一个气压缸，第二汽缸组件包括至少一个液压缸，而且第一和第二汽缸组件通过该至少一个活动的机械边界机构机械地连接。在又一具体实施例中，第一汽缸组件包括在第一压力比下传递机械能的蓄能器，第二汽缸组件包括在第二压力比下传递机械能的增强器，其中第二压力比大于第一压力比。第一和第二汽缸组件可以通过流体连接。
在不同的具体实施例中，热传递子系统可以包括循环设备，其与至少一个气压侧流体连通，用于使流体循环流经热传递子系统和换热器。换热器可以包括与循环设备和该至少一个气压侧流体连通的第一侧以及与基本上具有恒定温度的液体源流体连通的第二侧。循环设备从至少一个气压侧流过换热器，然后回到该至少一个气压侧，形成循环。本系统还可以包括控制阀布置，用于在系统的至少一个空气的不同分级之间有选择地连接。
在又一具体实施例中，热传递子系统包括流体循环设备和热传递流体容器。流体循环设备设置为将热传递流体从容器泵入系统的该至少一个气压侧。在一具体实施例中，每一汽缸组件都具有气压侧，以及系统包括控制阀布置，用于有选择地将第一汽缸的气压侧和第二汽缸组件的气压侧连接至流体循环设备。系统还可以包括设置在至少一个气压侧的喷洒机构，用于引入热传递流体。
在又一方面，本发明涉及分级式液压空气能量转换系统，其使用热调节的压缩流体来存储和再生电能。系统包括至少一个具有气压侧和液压侧的汽缸组件，二者通过一在二者之间传输能量的机械的边界机构被隔开，边界机构在两侧，还包括压缩气体源，以及与汽缸组件的至少一个气压侧或者压缩气体源流体连通的热传递子系统。
这些以及其他目的，连同在此公开的本发明的优点和特征，都会通过阅读下文、附图及权利要求书，变得更加清晰。而且应该理解，此处描述的各个具体实施例不是互相排斥的，而是可以以各种组合和替换的方式存在的。
附图说明
在附图中，同样的附图标记在不同的视图中均指代相同的部件。而且，附图并不必按比例绘制，相反，重点在于图解说明本发明的原理。在下文中，本发明的各个具体实施例参照下列附图进行描述，其中：
图1是本发明的一个具体实施例的开放大气液压气压能量储存和再生系统的示意图；
图1A和1B是图1的系统的蓄能器和增强器元件的放大的示意图；
图2A-2Q是图1的系统的简化图示，示出了系统在压缩期间的各个运行阶段；
图3A-3M是图1的系统的简化图示，示出了系统在膨胀期间的各个运行阶段；
图4是本发明的一可选具体实施例中，开放大气液压气压能量储存和再生系统的示意图；
图5A-5N是图4的系统的示意图，示出了系统在膨胀期间的各个元件的循环；
图6是本发明的一个具体实施例在膨胀/能量回收循环和压缩/能量储存循环中的开放大气液压气压能量储存和再生系统的各个运行的状态的概括图；
图7A-7F是本发明的又一替换具体实施例的开放大气液压气压能量储存和再生系统的局部示意图，示出了系统在膨胀期间的各个运行阶段；
图8是表示图的系统的膨胀阶段的表格7A-7F；
图9是本发明的一个具体实施例，具有热传递子系统的开放大气液压气压能量储存和再生系统的示意图；
图9A是图9的系统的热传递子系统部分的放大的示意图；
图10是图9的系统在不同的工作参数下获得的热效率的图形表示；
图11是本发明的一个具体实施例的液压/气压缸组件的局部截面示意图，组件具有利于在汽缸的气压侧内等温膨胀的热传递子系统；
图12是本发明的一替换具体实施例的液压/气压增强器组件的局部截面示意图，组件具有利于在汽缸的气压侧内等温膨胀的热传递子系统；
图13是本发明的又一替换具体实施例的液压/气压缸组件的局部截面示意图，组件具有利于在汽缸的气压侧内等温膨胀的热传递子系统，其中汽缸是发电系统的一部分；
图14A是位于汽缸或者增强器的气压侧内的气体在给定的压强体积比下绝热膨胀所做的功的量的图示；
图14B是位于汽缸或者增强器的气压侧内的气体在给定的压强体积比下理想等温膨胀所做的功的量的图示；
图14C是位于汽缸或者增强器的气压侧内的气体在给定的压强体积比下接近等温膨胀所做的功的量的图示；
图15是本发明的一个具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图16是本发明的又一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图17是本发明的再一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图18是本发明的又一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图19是本发明的又一具体实施例中，用于加快传热至气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的系统和方法的示意图；
图20A和20B是本发明的又一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图21A-21C是本发明的又一具体实施例中，用于加快传热至气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的系统和方法的示意图；
图22A和22B是本发明的又一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图22C是用于图22A和22B中的系统和方法的汽缸组件的剖视示意图；
图22D是用于实施图22A和22B中的系统和方法的估计的喷水传热极限的图示；
图23A和23B是本发明的又一具体实施例中，用于对在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递的系统和方法的示意图；
图23C是用于图23A和23B中的系统和方法的汽缸组件的剖视示意图；
图23D是用于实施图23A和23B中的系统和方法的估计的喷水传热极限的图示；
图24A和24B是用于图22和23中的系统和方法的不同的喷水要求的图示；
图25是在此描述的本发明的上述任何具体实施例中的汽缸设计的部分截面的详细的平面方案图；汽缸用于对在本发明的一个具体实施例中的开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递；
图26是在此描述的本发明的上述任何具体实施例中的汽缸设计的部分截面的详细的平面方案图；汽缸用于对在本发明的一个具体实施例中的开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的气体加快热传递；
图27是压缩气体存储子系统的示意图，该子系统用于在本发明的一个具体实施例的储能系统中加热和冷却压缩气体的系统和方法；
图28是压缩气体存储子系统的示意图，该子系统用于用于本发明的一替换具体实施例的储能系统中加热和冷却压缩气体的系统和方法；
图29A和29B是本发明的一个具体实施例，具有热传递子系统的分级的液压空气能量转换系统的示意图；
图30A-30D是本发明的一替换具体实施例中，具有热传递子系统的分级的液压气压能量转换系统的示意图；以及
图31A-31C是本发明的又一替换具体实施例中，具有热传递子系统的分级的液压气压能量转换系统的示意图。
具体实施方式
在下文中，本发明的各个具体实施例一般地采用二级系统来描述，例如，单个蓄能器和单个增强器，具有两个蓄能器和两个增强器以及简化阀门布置的布置，或者与一个或多个液压缸连接的一个或多个气压缸。然而，应该理解，本发明可以包括任何数量的分级以及汽缸、蓄能器、增强器和阀门布置的和组合。而且，给出的任何尺寸的值仅仅是示例性的，因为本发明的系统是可缩放的并且可定制的，以适合具体的应用。而且，术语气压、气动、气体以及空气是可互换地使用的，以及术语液压的和水也是可互换地使用的。流体用来指气体和液体。
图1描述了本发明中开放大气液压气压能量储存和再生系统100的一个具体实施例，其处于中性状态(即，全部阀门关闭，且能量既不存储也不再生)。系统100包括一个或多个高压气体/空气储罐102a 102b、…102n。每一储罐102各自通过手控阀104a、104b、…104n并联连接至主气流线路108。阀门104不局限于手工操作，因为阀门可以是电力驱动、液压驱动或气压驱动，此处描述的全部阀门都可以如此。每一储罐102配有压力传感器112a、112b…112n和温度传感器114a、114b…114n。这些传感器112、114可以输出电信号，电信号可以由控制系统120通过适当的有线和无线的连接/通信被监控。进一步地，传感器112、114可以包括视觉指示器。
控制系统120可以是任何可接受的具有人机界面的控制装置，其在图4中得到更详细的描述。例如，控制系统120可以包括计算机(例如PC机型)，其执行计算机可读软件介质的形式的已存储的控制应用。控制应用接收来自以下将要描述的各个传感器的遥测数据，并且提供适当的反馈来控制阀门致动器、马达及其他需要的机电/电子设备。
系统100还包括气动阀106a、106b、106c、…106n，其控制主气流线路108和蓄能器116及增强器118的通信。如上所述、系统100可以包括蓄能器116和增强器118的任何数量和组合，以适合具体的应用。气动阀106也被连接到通风孔110，通风孔用于排放来自蓄能器116、增强器118和/或主气流线路108的空气/气体。
如图1A所示，蓄能器116包括被可移动的活塞136分隔开的空气容室140和流体容室138，活塞136具有适当的密封系统，密封系统利用密封环及本领域普通技术所熟知的其他元件(未显示)。可替换地，气囊式、隔膜式或者风箱式屏蔽物可用于分隔蓄能器116的空气容室140和流体容室138。活塞136响应于空气容室140和相对的流体容室138之间的压力差沿着蓄能器壳体移动。在该实施例中，液压液(或者另一液体，例如水)通过在流体容室138中的阴影部分而指示出来。蓄能器116还可以包括可选择的断流阀134，断流阀134可用于把蓄能器116隔离于系统100。阀门134可以被人工或者自动操作。
如图1B所示，增强器118包括被可移动的活塞组件142分隔开的空气容室144和流体容室146，活塞组件142具有适当的密封系统，密封系统利用密封环及本领域普通技术所熟知的其他元件。类似于蓄能器活塞136，增强器活塞142响应于空气容室144和相对的流体容室146之间的压力差沿着增强器壳体移动。
然而，增强器活塞组件142实际上是两个活塞：一个空气活塞142a，通过轴、杆或者其它连接装置143连接至相应的流体活塞142b。流体活塞142b与空气活塞142a共同移动，但是却直接作用于关联的增强器流体容室146。特别地，增强器118的空气容室的内径(和/或体积)(DAI)大于蓄能器116的空气容室的直径(DAA)。具体而言，增强器活塞142a的表面积大于蓄能器活塞136的表面积。增强器流体活塞的直径(DFI)与蓄能器活塞136(DFA)的直径大致相同。因此，通过这种方式，作用在增强器活塞142a上的较低的气压在联合的流体容室146上产生与作用于蓄能器活塞136上的较高的气压的相似的压强。因而，增强器空气容室144和增强器流体容室146的压强比大于蓄能器空气容室140和蓄能器流体容室138的压强比。在一个实施例中，蓄能器的压强比可以是1∶1，而增强器的压强比可以是10∶1。这些比值会根据使用的蓄能器和增强器的数量及具体的应用而变化。如此，如下文所述，系统100允许采用至少两级的气压以产生相似的等级的流体压力。同样地，在流体容室146中阴影部分指示液压液，增强器118还可以包括可选择的断流阀134，以把增强器118从系统100中隔离开来。
还如图1A和1B所示，蓄能器116和增强器118每一个都包括温度传感器122和压力传感器124，其与每一空气容室140、144和每一流体容室138、146连通。这些传感器类似于传感器112、114，并且输送传感器遥测数据至控制系统120，其反过来可以发送信号以控制阀门布置。而且，活塞136、142可以包括位置传感器148，其报告活塞136、142的当前位置至控制系统120。活塞136、142的位置和/或移动速度可用于确定气体和流体两者的相对压力和流量。
回头参见图1，系统100还包括液压阀128a、128b、128c、128d…128n，其控制蓄能器116和增强器118与液压马达130的流体连接的连通。液压阀128和气动阀106的具体的数量、型式和布置一起被称为控制阀布置。而且，阀门一般地指简单的二通阀(即，断流阀)；然而，阀门实质上可以是所需的任何构造，以通过特定的方式控制大气和/或流体的流量。在蓄能器116和阀门128a、128b之间的液压管路和在增强器118和阀门128c、128d之间的液压管路可以包括流量传感器126，其将信息中继至控制系统120。
马达/泵130可以是具有轴131(或者其它机械式联轴器)的活塞型式组件，其驱动电动机和发电机组件组合132和被电动机和发电机组件组合132驱动。马达/泵130还可以是诸如叶轮、叶片或者齿轮式组件。马达/发电机组件132与电力分配系统相互连接，并且可被控制系统120监控状态和输出/输入电平。
不同于例如图4和5的系统，图1中描述的系统的优点之一是，它在不增加元件的情况下即实现了大约两倍的功率输出，例如，3000-300psig范围。当在250-3000psig压力范围内膨胀或者压缩时，液压液在增强器118和蓄能器116之间的来回运转允许与具有两倍数量的增强器和蓄能器的系统相同的输出功率。而且，该系统布置可以在泵送方式(即，压缩阶段)时，一定程度上消除液压马达/泵的潜在的自动加注的问题。
图2A-2Q中，以简化的示意图方式，表示在压缩过程中，系统100的各个运行阶段，其中储罐102充有高压空气/气体(即、能量被存储)。而且，仅仅显示一个储罐102，而一些阀门和传感器为了清晰起见被略去。此外，所显示的压强仅仅作为参考，其会根据系统100的具体的工作参数而变化。
如图2A所示，系统100处于中性状态，其中气动阀106和液压阀128是关闭的。断流阀134在每一个运行阶段是打开的，以保持蓄能器116和增强器118与系统100连通。蓄能器流体容室138基本上是充满的，而增强器流体容室基本上是空的。储罐102通常在充电前，处在低气压(大约0psig)下，液压马达/泵130是静止的。
如图2B和2C所示，随着压缩阶段开始，气动阀106b打开，从而使得蓄能器空气容室140和增强器空气容室144之间流体连通，并且液压阀128a、128d打开，从而使得蓄能器流体容室138和增强器流体容室146之间经由液压马达/泵130流体连通。随着流体在压力下被驱动至增强器流体容室144，马达/发电机132(参见图1)开始驱动马达/泵130，在增强器118和蓄能器116之间的气压开始增加。压强或者机械能经由活塞142被传送入空气容室146。蓄能器空气容室140内的气压的增加施压于蓄能器116的流体容室138，从而提供增压液体至马达/泵130进口，这样可以消除自动加注的隐忧。
如图2D、2E和2F所示，马达/发电机132继续驱动马达/泵130，从而将液压液从蓄能器116传输至增强器118，这样反过来又继续给蓄能器和增强器空气容室140、146之间的大气增压。图2F描述压缩阶段的第一分级的完成。空气阀和液压阀106、128全部为闭合的。增强器118的流体容室144基本上是在高压(例如，大约3000psig)下充满液体的，而蓄能器流体容室138基本上是空的，并且维持在中等范围的压强(例如大约250psig)。蓄能器和增强器空气容室140、146的压强维持在中等范围的压强。
如图2G所示的是压缩阶段的第二分级的开始，其中液压阀128b、128c是打开的，而气动阀106全部闭合，从而推动增强器流体容室144处于高压下，与马达/泵130连通。保持在增强器空气容室146中的所有气体的压力会有助于驱动马达/泵130。一旦液压在蓄能器和增强器流体容室138、144(如图2H所示)之间进行平衡，马达/发电机会提取电力，以驱动马达/泵130，并且对蓄能器流体容室138加压。
如图2I和2J所示，马达/泵130继续对蓄能器流体容室138加压，这样反过来给蓄能器空气容室140加压。增强器流体容室146处于低气压下，而增强器空气容室144基本上处于大气压力下。一旦增强器空气容室144基本上达到大气压力，空气通风阀106c就打开。为了增强器的垂直定向，增强器活塞142可以提供必要的反向压力至马达/泵130，这样就会克服潜在的某些马达/泵的自动加注的问题。
如图2K所示，马达/泵130继续对蓄能器流体容室138和蓄能器空气容室140加压，直到系统100的蓄能器空气和流体容室处于高压中。增强器流体容室146处于低气压下，并且基本上是空的。增强器空气容室144基本上处于大气压力。图2K还描述了系统100中，当蓄能器空气容室140达到预定的高压时，控制阀布置中的转换。气动阀106a是打开的，使得高压气体进入储罐102。
图2L描述了一个压缩循环的第二分级的末尾，其中全部液压阀和气动阀128、106都是关闭的。系统100现在开始另一个压缩循环，其中系统100使液压液从蓄能器116往返于增强器118。
图2M描述了下一个压缩循环的开始。气动阀106是闭合的，而液压阀128a、128d是打开的。留存在蓄能器流体容室138中的任何气体的剩余压强开始驱动马达/泵130，从而消除了提取电力的需求。如图2N所示，并结合图2G的描述，一旦液压在蓄能器和增强器流体容室138、144之间的进行平衡，马达/发电机132会提取电力，以驱动马达/泵130，并且对增强器流体容室144加压。在该分级期间，蓄能器空气容室140的压强减小，而增强器空气容室146的压强增加。
如图2O所示，当蓄能器空气容室140和增强器空气容室146的气体压强相等时，气动阀106b打开，从而推动蓄能器空气容室140和增强器空气容室146流体连通。如图2P和2Q所示，马达/泵130继续从蓄能器流体容室138传输流体到增强器流体容室146，并且对增强器流体容室146加压。如上结合图2D-2F所述，工序继续，直到大体上流体全部被传输入增强器118中，增强器流体容室146处于高压下，增强器空气容室144处于中等范围压强下。系统100继续工序，如图2G-2K所示出和描述的，继续在储罐102内存储高压空气。系统100会根据需要执行多个压缩循环(即，在蓄能器116和增强器118之间往返驱动液压液)，以使储罐102内的空气达到要求的压强(即，完整的压缩阶段)。
图3A-3M中，以简化的示意图方式，表示在膨胀过程中，系统100的各个运行阶段，其中能量(即，存储的压缩气体)得到再生。图3A-3M使用的标识、标号和附图标记与图2A-2Q中所示的相同。应该注意，系统100被描述为用来压缩储罐102内的气体，可替换地，储罐102可以通过独立的压缩机组来填充(例如，初始进料)。
如图3A所示，系统100处于中性状态，其中气动阀106和液压阀128全部是关闭的。与压缩阶段相同，断流阀134是打开的，以保持蓄能器116和增强器118与系统100连通。蓄能器流体容室138基本上是充满的，而增强器流体容室146基本上是空的。储罐102处于高压(例如，3000psig)，而液压马达/泵130是静止的。
图3B描述了膨胀阶段的第一阶段，其中气动阀106a、106c是打开的。开启的气动阀106a连接高压储存槽102与蓄能器空气容室140流体连通，蓄能器空气容室140又依次施压于蓄能器流体容室138。开启的气动阀106c使增强器空气容室146通风至大气。液压阀128a、128d是打开的，以允许来自蓄能器流体容室138的流体流动来驱动马达/泵130，其依次驱动马达/发电机132，从而发电。发出的电力可以被直接输送给电力网或者储存起来，便于以后使用，例如在峰值期使用。
如图3C所示，一旦预定体积的压缩空气许可进入蓄能器空气容室140(例如，3000psig)，气动阀106a就关闭，以将储罐102与蓄能器空气容室140隔离。如图3C-3F所示，蓄能器空气容室140内的高压持续驱动液压液从蓄能器流体容室138通过马达/泵130，进而到增强器流体容室146，从而继续驱动马达/发电机132并发电。随着液压液被从蓄能器116转运至增强器118，蓄能器空气容室140的压强下降，并且增强器空气容室144内的气体通过气动阀106C排出。
图3G描述了膨胀阶段的第一分级的结束。一旦蓄能器空气容室140达到第二预定的中等压强(例如，大约300psig)，全部液压阀和气动阀128、106都关闭。蓄能器流体容室138、增强器流体容室146和增强器空气容室144内的压强都大约处于大气压力下。蓄能器空气容室140内的压强维持在预定的中等压强。
图3H描述了膨胀阶段的第二分级的起始。气动阀106b是打开的，以允许蓄能器空气容室140和增强器空气容室144之间流体连通。当阀门106b是打开的时候，预定压力会稍微降低，并且蓄能器空气容室140和增强器空气容室144之间连通。液压阀128b、128d是打开的，从而允许贮存在增强器内的液压液通过马达/泵130传送至蓄能器流体容室138，其依次驱动马达/发电机132并且发电。从蓄能器空气容室140传送到增强器空气容室144以驱动来自增强器流体容室146的流体进入到蓄能器流体容室138的空气的压强低于驱动流体从蓄能器流体容室138到增强器流体容室146的空气的压强。空气活塞142a和流体活塞142b之间的面积差别(例如，10∶1)使得低压力的空气能够传送高压力下的增强器流体容室146的流体。
如图3I-3K所示，蓄能器空气容室144内的高压持续驱动增强器液压液从流体容室146通过马达/泵130，进而到蓄能器流体容室138，从而继续驱动马达/发电机132并发电。随着液压液被从增强器118传送到蓄能器116，增强器空气容室144、增强器流体容室146、蓄能器空气容室140和蓄能器流体容室138内的压强降低。
图3L描述了膨胀循环的第二分级的末尾，其中基本上全部液压液已经转入蓄能器116，而全部阀门106、128都是关闭的。而且，蓄能器空气容室140、蓄能器流体容室138、增强器空气容室144和增强器流体容室146全部都处于低压力下。在一替代具体实施例中，液压液可以在两个增强器之间来回移动，以在低压(例如，大约0-250psig)范围内压缩和膨胀。利用第二增强器和适当的阀门以应用储存在低压下的能量可以生产额外的电力。利用第二增强器和适当的阀控制以应用储存在低压下的能量对于给定的存储体积可以允许从气体储罐中更深度的释放，储存和再生额外的能量。
图3M描述了另一个膨胀阶段的开始段，并结合图3B进行描述。系统100可以持续循环进行电力生产必需的膨胀阶段，或者直到全部储罐102中的全部压缩空气已经被排空。
图4是本发明的一个具体实施例的储能系统300的示意图，采用了开放大气液压气压原理。系统300由一个或多个高压气体/空气储罐302a、302b、…302n组成(该数量根据具体的应用可大幅度变化)。每一储罐302a、302b各自通过手控阀304a、304b、…304n并联连接至主气流线路308。每一储罐302a、302b都配有压力传感器312a、312b…312n和温度传感器314a、314b…314n，其可以被系统控制器350经由适当的连接(此处一般显示指示箭头″至控制″)为来监控。控制器350可以是任何可接受的具有人机界面的控制装置，其操作在下文中还有详细的描述。在一具体实施例中，控制器350包括计算机351(例如PC机型)，其执行计算机可读软件介质的形式的已存储的控制应用353。该控制应用353接收来自各个传感器的遥测数据，然后提供适当的反馈至控制阀致动器、马达及其他需要的机电/电子设备。适当的接口可用来转换来自传感器的数据，形成计算机控制器351(例如RS-232或者基于网络的互连)可读的形式。同样地，该接口转换计算机的控制信号，形成阀门及其他致动器可用的形式，以执行一个操作。这类接口的供应对于本领域普通的技术人员来说是清楚的。
主气流线路308从储罐302a、302b起经由(由控制器350)自动控制的二位阀307a、307b、307c和306a、306b和306c，被连接至一对多级(在本实施例中为两级)蓄能器/增强器线路(或者液压气压缸线路)(虚线框360、362)。本系统的一个具体实施例中，这些阀门被连接至各自的蓄能器316与317和增强器318与319。气动阀306a和307a还被连接至各自的大气通风孔310b和310a。特别地，阀门306c和307c沿着主气流线路308分别和蓄能器316与317之间共同的气流线路390、391相连接。气动阀306b和307b连接在相应的蓄能器316与317和增强器318与319之间。气动阀306a、307a沿着增强器318和319以及大气通风孔310b和310a之间的公用线路390、391相连接。
因此来自储罐302的空气有选择地与每一蓄能器和增强器的空气容室侧连通(附图中表示为用于蓄能器316的空气容室340、用于蓄能器317的空气容室341、用于增强器318的空气容室344以及用于增强器319的空气容室345)。空气温度传感器322和压力传感器324与每一空气容室341、344、345、322连通，并且输送传感器遥测数据至控制器350。
每一蓄能器316、317的空气容室340、341被活动的活塞336、337密闭，活塞336、337具有使用密封环及其他本领域普通技术人员熟知的元件的适当的的密封系统。活塞336、337响应于空气容室340、341和相对的流体容室338、339之间的压强差，在蓄能器壳体的相对侧上各自沿着蓄能器壳体移动。在该实施例中，液压液(或者另一液体，例如水)通过在流体容室中的阴影体积而表示出来。同样地，相应的增强器318、319的空气容室344、345被移动的活塞组件342、343封闭。然而，增强器空气活塞342a、343a被轴、杆或者其它件连接至相应的流体活塞342b、343b。流体活塞342b、343b与空气活塞342a、343a一同移动，但是直接作用在关联的增强器流体容室346、347内。显著的是，在相同的回路360、362中，增强器318、319的空气容室的内径(和/或体积)(DAI)大于蓄能器316、317的空气容室的直径(DAA)。特别地，增强器活塞342a、343a的表面积大于蓄能器活塞336、337的表面积。每一增强器流体活塞的直径(DFI)与每一蓄能器的直径(DFA)大致相同。因此，在这种方式下，作用在增强器活塞上的较低的气压在关联的流体容室上产生与作用于蓄能器活塞上的较高的气压相似的压强。如此，如下文所述，系统考虑采用至少两级的气压以产生相似等级的流体压力。
在一个实施例中，假定蓄能器中的初始的气压处于200个大气(ATM)(3000PSI-高气压)，在完全膨胀后具有20ATM(300PSI)的最后的中等压强，然后增强器中的初始气压是20ATM(具有1.5-2ATM(25-30PSI)的最后压强)，那么增强器中的气体活塞的面积大约是蓄能器中的活塞的面积的10倍(或者3.16倍的半径)。然而，初始高气压的、中等压强和最后的低压的精确的数值是会大幅变化的，在某种程度上取决于系统部件的操作规程、系统的规模和产量要求。因此，蓄能器和增强器的相对尺寸是可调的，以适合具体的应用。
每一流体容室338、339、346、347与适当的温度传感器322和压力传感器324相互连接，每一传感器输送遥测数据至控制器350。而且，每一与流体容室互连的流体线可以备有流量传感器326，其导引数据至控制器350。活塞336、337、342和343可以包括位置传感器348，其报告它们的当前位置给控制器350。活塞的位置可用于确定气体和流体两者的相对压力和流量。每一流体连接从流体容室338、339、346、347连通至一对平行地、自动控制的阀。如图所示，流体容室338(蓄能器316)连通至阀门对328c和328d；流体容室339(蓄能器317)连通至阀门对329a和329b；流体容室346(增强器318)连通至阀门对328a和328b；以及流体容室347(增强器319)连通至阀门对329c和329d。从每一容室328b、328d、329a和329c有一阀门连通至液压马达/泵330的一连接侧372。该马达/泵330可以是具有轴331(或者其它机械式联轴器)的活塞型式(或者其它适宜的型式，包括叶片、叶轮和齿轮)组件，其驱动和被电动机/发电机组件的组合332驱动。马达/发电机组件332与电力分配系统相互连接，并且可以被控制器350监控状态和输出/输入电平。液压马达/泵330的另一个连接侧374连通至每一阀门对328a、328c、329b和329d中的第二阀门。通过有选择地触发每一阀门对中的阀门，流体在液压马达/泵330的两侧372、374之间连通。替换地，一部分或者全部阀门对可以被替换为一个或多个三位四通阀或者其它阀门组合，以适合具体的应用。
回路360、362的数量可以根据需要增加。通过附加回路，按照回路360、362的元件的同样的方式，可以将储罐302和液压马达/泵330的每一侧372、374互连。一般地，回路的数量应该为偶数，这样一个回路作为流体驱动器，而另一个回路作为接收来自激励回路的流体的容器。
可选的蓄能器366连通至液压马达/泵330的至少一侧(例如进口端372)。可选择的蓄能器366例如可以是封闭大气型式蓄能器，其具有独立的流体侧368和预加压的气压侧370。如下所述，蓄能器366作为流体电容器，来处理流体流过马达/泵330的瞬态。在另一个具体实施例中，第二个可选的蓄能器或者其它低压容器371处于与马达/泵330的出口侧374流体连通位置，并且还可以包括流体侧371和预加压侧369。上述可选择的蓄能器可被用于此处描述的任何系统。
在描述了图4中的开放大气液压气压储能系统300的一个实施例的一般配置后，现在结合图5A-5N来描述系统300在能量回收阶段的过程中的示例性的功能。为了说明这一操作的目的，图5A-5N中的系统300的图示已经被简化，省略了控制器350和相互连接的阀门、传感器等等。应该理解，所描述的步骤在控制器350基于应用353形成的规则的控制和监控下。
图5A是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300的初始物理状态，其中第一回路的蓄能器316充满了来自高压气体储罐302的高压气体。通过系统300在液压马达/泵330输入的功率的循环，或者通过独立的高压空气泵376，储罐302已经被填充至全压。因为空气储罐302可以通过反向运转再生循环得到填充，该气泵376是可选择的。该储罐302在该具体实施例中可以被填充至200ATM(3000psi)或更多的压强下。总的说来，储罐302的总体体积是大幅变化的，在某种程度上根据要被储存的能量的数值确定。
在图5A中，储能的恢复由控制器350发起。为此，气动阀307c是打开的，使得一股高压空气流入蓄能器316的空气容室340。注意在所描述的压缩气体流或者流体流之处，连接被表示为虚线。压力的等级由与容室340连通的传感器324报告。压强维持阀门307c要求的等级上。该压强使得活塞336偏向(箭头800)流体容室338，从而在不可压缩流体中产生相当的压强。此时，阀门329c和329d防止流体运动溢出流体容室338。
图5B是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5A的状态之后的物理状态，其中阀门打开，使得流体从第一回路的蓄能器316流至液压马达/泵330，以由此发电。如图5B所示，气动阀307c保持开启。当空气容室340中达到预定压力的时候，流体阀329c由控制器打开，使得流体流向(箭头801)液压马达/泵330(其在恢复阶段以马达的方式运行)的进口端372。在发电方式下，马达330的行程驱动电动机/发电机332，提供电力给设备或者电力网，如术语″能量输出″所示。为了吸收从液压马达/泵330的出口侧374流入(箭头803)的流体，流体阀328c由控制器350控制对流体容室339开放，以引导流体至相对的蓄能器317。为了在蓄能器317的能量已经转入到马达/泵330后，允许流体填充蓄能器317，空气容室341由开启的空气通风阀306a、306b通风。这允许容室341内的任何空气经由通风孔310b，随着活塞337响应于流体的进入产生的运动(箭头805)，排入到大气中。
图5C是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5B的状态之后的物理状态，其中第一回路的蓄能器316引导流体至液压马达/泵330，而第二回路的蓄能器317接收马达/泵330排出的流体，此时空气容室341内的气体通风至大气。如图5C所示，允许预定数量的气体从高压储罐302流至蓄能器316，此刻控制器350就关闭气动阀307c。其它阀门保持开启，以便流体可继续通过马达/泵330被蓄能器316驱动。
图5D是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5C的状态之后的物理状态，其中第一回路的蓄能器316继续引导流体至液压马达/泵330，而第二回路的蓄能器317继续接收马达/泵330排出的流体，此时空气容室341内的气体通风至大气。如图5D所示，该运行继续下去，其中基于由储罐302充入的蓄能器空气容室340的气压，蓄压器活塞136驱动其他的流体(箭头800)通过马达/泵330。流体使得相对的蓄能器的活塞337移动(箭头805)，通过通风孔310b置换空气。
图5E是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5D的状态之后的物理状态，其中第一回路的蓄能器316几乎排空了流体容室338内的流体，并且空气容室340内的气体从高气压膨胀到差不多中等压强。如图5E所示，蓄能器316的空气容室340内的气体填充继续驱动流体(箭头800、801)通过马达/泵330，而通过通风孔310b置换空气。在能量回收循环的这一阶段，气体从高气压膨胀到中等压强。于是，流体从高压变动到中等压强。通过适当地给定蓄能器的尺寸，膨胀率可被控制。
这是传热的主要的参数中的一部分。为了最高效率，膨胀应该基本上保持等温。也就是来自环境的热量补充了膨胀带来的热损失。通常，等温压缩和膨胀对保持往返系统的高效率是至关重要的，尤其在压缩气体长期储存的时候。在此处描述的系统的各个具体实施例中，可以通过蓄能器和/或增强器的壁进行传热，或者传热机理作用于膨胀或压缩气体以从环境或其它源中吸收热或者散发热到环境或其它源中。传热的速率取决于蓄能器/增强器的热性质和特征，其可用于确定热时间常数。如果蓄能器/增强器中的气体的压缩相对于热时间常数发生缓慢，那么气体压缩产生的热会通过蓄能器/增强器壁传递至周围介质，并且气体会保持在大致恒温。类似地，如果蓄能器/增强器中的气体的膨胀相对于热时间常数发生缓慢，那么气体膨胀吸收的热会通过蓄能器/增强器壁从周围介质传递给气体，并且气体会保持在大致恒温。如果在压缩和膨胀两者期间，气体保持相对恒定的温度，那么在压缩期间从气体传递给周围介质的热能量会等于在膨胀期间从周围介质经由热传递给气体再生的热能量。这一性质由图4中的Q和箭头来表示。应该注意到，可以采用多个机构来保持等温膨胀/压缩。在一个实施例中，蓄能器可被浸在水浴中，或者水/流体可围绕蓄能器和增强器流动。替换地，蓄能器可被热/凉的盘管围绕，或者热空气流可被吹过蓄能器/增强器。然而，任何允许大量流体往返于蓄能器传热的方法均可被采用。
图5F是图4的能量储存和再生系统的示意图，系统300紧随图5E的状态之后的物理状态，其中第一回路的蓄能器316已经排出了流体容室338中的流体，而空气容室340中的气体已经从高气压膨胀到中等压强，并且在第一回路和第二回路上的阀门都已经暂时地关闭，但是可选择的蓄能器366输送流体通过马达/泵330，以保持循环之间的电动机/发电机332运行。如图5F所示，蓄能器316的活塞336已经驱动全部流体流出流体容室338，此时在空气容室340中的气体已经完全膨胀(至20ATM的中等压强，在该实施例中)。流体阀329c和328c被控制器350关闭。实际上，阀门的开启和关闭是仔细地定时的，以便马达/泵330保持流体通过。然而，在可选择的实施方式中，来自可选择的蓄能器(图4中的366)的增压液体流710可接受流体压力的短暂的中断，其被引导通过马达/泵330，在低压下流到第二个可选择的蓄能器(图4中的367)，作为排出的流体流720。在一具体实施例中，排气流可被引导至简单的低压容器，其用来回填第一蓄能器366。替换地，排气流可被引导至低压的第二个可选择的蓄能器(图4中的367)，其随后被过剩的电力(驱动压缩机)而加压，或者当它充满液体时，被来自储罐302的空气压力加压。替换地，其中系统300中可并联使用大量的蓄能器/增强器回路(例如，三个或更多)，它们的膨胀循环可以交错，这样每次只有一个回路是关闭的，允许来自另一个回路的流体基本上连续。
图5G是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5F的状态之后的物理状态，其中气动阀307b、306a是开启的，以允许来自第一回路的蓄能器316的空气容室340的中等气压气体流入第一回路的增强器318的空气容室344，而来自第一回路的增强器318的流体被引导通过马达/泵330，并且排出的液体填充第二回路的增强器319的流体容室347，增强器319的空气容室345通风至大气。如图5G所示，气动阀307b是打开的，而储罐出口阀307c保持闭合。因此，蓄能器316的空气容室340的容积连接至增强器318的空气容室344。蓄能器的气压已经降低至中等压力级，大大低于从储罐302的初始进料。因此，空气流过(箭头810)阀门307b，流至增强器318的空气容室344。这就驱动空气活塞342a(箭头830)。因为接触空气的活塞342a的面积大于蓄能器316中的活塞336的面积，较低的气压在增强器318的较小面积的、相连接的液体活塞342b上仍然产生基本上相等的较高的流体压力。从而流体容室346中的流体在压力下流过开启的流体阀329a(箭头840)，并且流入马达/泵330的进口端372。来自电动泵330的流出液体被引导流过(箭头850)此刻开启的流体阀328a，流至相对的增强器319。液体进入增强器319的流体容室347，偏压(箭头860)液体活塞343b(以及互连的气体活塞343a)。增强器319的空气容室345中的任何气体被排过此刻开启的通风阀门306a，经由通风孔310b排至大气。蓄能器316中的中等级别气压被引导(箭头820)至增强器318，其活塞342a使用相连的较小直径的液体活塞342b驱动来自容室346的流体。再生分级的这一阶段保持适度地高流体压力，尽管处于较低的气压，从而保证马达/泵330在预定的流体压力的范围内继续运行，这是保持给定马达的最佳运行效率所希望的。值得注意的是，该具体实施例的多分级回路有效地限制了传输给马达/泵330的液压液运行压力的范围高于预定的等级，尽管在由高压储罐充气的膨胀气体内有较宽的压力范围。
图5H是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统紧随图5G的状态之后的物理状态，其中第一回路的增强器318基于来自第一回路的蓄能器316的中等压强气体，引导流体至液压马达/泵330，而第二回路的增强器319接收马达/泵330排出的流体，此时空气容室345内的气体通风至大气。如图5H所示，增强器318中的气体继续从中等压强膨胀到低压。反之，连接的空气活塞和液体活塞342a和342b之间的尺寸差别各自地使得流体压力在高压和中等压强之间交替变换。如此，马达/泵的运行效率被保持。
图5I是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统紧随图5H的状态之后的物理状态，其中第一回路的增强器318已经几乎排空了流体容室346内的流体，并且其空气容室344内的气体从第一回路的蓄能器316处释放出来后，已经从中等压强膨胀到接近低压。结合图5H所讨论的，增强器318中的气体继续从中等压强膨胀到低压。同样地，连接的空气活塞和液体活塞342a和342b之间的尺寸差别各自地使得流体压力在高压和中等压强之间交替变换，以保持马达/泵的运行效率。
图5J是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5I的状态之后的物理状态，其中第一回路的增强器318已经实质上排空了流体容室346内的流体，并且其空气容室344内的气体从第一回路的蓄能器316处释放出来后，已经从中等压强膨胀到低压。如图5J所示，增强器的活塞342到达完全的行程，而流体容室346中的液体被完全从高压强驱动到中等压强。同样地，相对的增强器的流体容室347已经充满了来自马达/泵330的出口侧374的流体。
图5K是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5J的状态之后的物理状态，其中第一回路的增强器318已经排空了流体容室346内的流体，并且其空气容室344内的气体已经膨胀到低压，并且为准备转换到第二回路的膨胀循环，在第一回路和第二回路上的阀门都已经暂时地关闭，第二回路的蓄能器和增强器流体容室339、347此刻都充满液体。此时，可选择的蓄能器366可以在循环之间传送液体通过马达/泵330，以保持马达/发电机332的运行。如图5K所示，位于回路362的蓄能器316和增强器318之间的气动阀307b是关闭的。至此，再生分级的上述阶段，始于图5A的充气通过两个分级已经完全膨胀，并有着相对平缓的、等温膨胀特性，而马达/泵330在所希望的运行压力范围内已经接收了液体流。与气动阀307b一致，流体阀329a和328a(和出口气阀307a)都暂时地闭合。上述的可选择的蓄能器366和/或其它互连的空气/液压蓄能器/增强器回路可以保持预定的液体流通过马达/泵330，而相关的回路360、362的阀门都暂时地闭合。此时，如图4所示，可选择的蓄能器和容器366、367可以提供增压液体的连续流710通过马达/泵330，并流入容器或者低压蓄能器(排出液体流720)。在先前的充气气体中的整个的压强被系统300使用。
图5L是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5K的状态之后的物理状态，其中第二回路的蓄能器317充满来自高压储罐302的高压气体作为对第二回路作为膨胀回路时的转换部分，而第一回路接收排出的液体并通风至大气，同时可选择的蓄能器366输送液体通过马达/泵330，以在循环之间保持马达/发电机的运行。如图5L所示，循环继续一新的充气，来自储罐302的高气压(略低的)气体被传输至相对的蓄能器317。如图所示，气动阀306c此刻被控制器350打开，允许充气，较高气压的气体流入(箭头815)蓄能器317的空气容室341，这样在空气容室341中构建对应的高气压充气。
图5M是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5L的状态之后的物理状态，其中阀门打开，允许液体从第二回路的蓄能器317流至液压马达/泵330，并由此发电，同时第一回路的蓄能器316接收马达/泵330排出的流体，蓄能器316的空气容室340通风至大气。如图5M所示，气动阀306c关闭，而在回路360、362的液压侧的流体阀328d和329d是开启的，从而允许蓄能器活塞337在充气的空气容室341的压力下产生移动(箭头816)。这引导在高压下的液体通过马达/泵330的进口端372(箭头817)，然后通过出口374。此刻，排出的液体被引导(箭头818)至蓄能器316的流体容室338。气动阀307a和307b已经打开，允许在蓄能器316的空气容室340中的低压空气经由通风孔310a排出(箭头819)至大气。如此，蓄能器316的活塞336能够无阻力地移动(箭头821)，以容纳来自马达/泵的出口374的液体。
图5N是图4的能量储存和再生系统的示意图，示出了系统300紧随图5M的状态之后的物理状态，其中第二回路362的蓄能器317继续引导液体至液压马达/泵330，同时第一回路的蓄能器继续接收马达/泵330排出的液体，此时空气容室340内的气体通风至大气，循环最后引导中等压强空气至第二回路的增强器319，以驱除在其中的液体。如图5N所示，蓄能器317中的高压气体充气在空气容室341内更充分地膨胀(箭头816)。最后，空气容室341中的充气被完全膨胀。然后，空气容室341中的中等压强充气经由开启的气动阀306b被连接至增强器319，这用来自出口374的用过的流体填充相对的增强器318。该工序重复，直到预定的能量获得再生，或者储罐302内的压强降低到预定等级。
很明显，结合图4和5A-5N的描述，系统300可以反向运行，在泵模式下通过发电机/马达332发电驱动马达/泵330来压缩储罐302内的气体。在这种情况下，以上描述的工序按相反的顺序发生，驱动流体使得在空气系统的两分级内的压缩依次进行。也就是说，空气在被从外界环境抽吸到增强器之后，首先被压缩到中等压强。然后该中等压强空气被引导到蓄能器的空气容室，在那里液体随后强制压缩空气至高气压。然后高压空气被强制进入储罐302。该压缩/能量储存分级和以上描述的膨胀/能量回收分级都可参见如图6所示的总体系统状态图进行讨论。
注意到，在上述系统100、300(一个或多个分级)中，压缩和膨胀循环是根据在储罐302中有气体存在来判定的，其当前压强处于中等压强级以上(例如，高于20ATM)。例如，系统300中，当储罐302中的当前压强降低到低于中等压强级(例如，根据储罐传感器312、314检测的等级)时，阀门可由控制器配置来只使用增强器进行压缩和膨胀。也就是说，较低的气压适于在增强器上使用大面积的气体活塞，而较高的压力则适于使用蓄能器316、317的较小面积的活塞。
在讨论状态图之前，应该注意到，本发明描述的系统的优点之一是其不同于现有技术的各个系统，该系统可以使用通常市场上买得到的元件来实施。在具有例如10至500kW的电力输出功率的一系统的实施例中，高压储罐可以使用标准钢或复合圆柱形压力容器(例如压缩的天然气5500-psi钢筒)制得。蓄能器可以使用具有活动的活塞的标准钢或复合压力缸(例如，一个四英寸内径的活塞式蓄能器)。具有类似于示例性的蓄能器性能的增强器(增压器/倍增器)可以制得(例如，一个十四英寸升压直径和四英寸内径的单一作用的增压器，可从美国俄亥俄州的克利夫兰市的Parker-Hannifin获得)。液压马达/泵可以是标准的高效率的轴向活塞，径向活塞，或者基于齿轮的液压马达/泵，而且联合的发电机也能从许多工业供应商处购买获得。具有规定的特性的阀门、线路和配件也是在市场上买得到的。
讨论了系统的各个具体实施例中的示例性的物理顺序之后，以下系统300在膨胀/能量回收模式和压缩/能量储存模式两者中的运行状态的更一般的讨论。现在参见图6。
具体地，图6详细总结了状态图600，其可以被控制应用353使用，来基于能量循环(再生/膨胀或者储存/压缩)，根据各压强、温度、活塞位置和/或流量传感器报告的状态，操纵系统的阀门和马达/发电机。基本状态1(610)是一系统状态，其中全部阀门都关闭，而系统对气体既不压缩也不膨胀。第一蓄能器和增强器(例如，316、318)充满着最大量的液压液，而第二蓄能器和增强器1(例如，317、319)充满着最大量的空气，空气可处于或没有处于大于大气的压强下。相当于基本状态1的物理系统的状态如图5A所示。反之，图6的基本状态2(620)是一系统状态，其中全部阀门都关闭，而系统对气体既不压缩也不膨胀。第二蓄能器和增强器充满着最大量的液压液，而第一蓄能器和增强器充满着最大量的空气，空气可处于或没有处于大于大气的压强下。相当于基本状态2的物理系统的状态如图5K所示。
进一步如图6所示，基本状态1和基本状态2每一个都连接至一个表示为单分级的压缩630的状态。该总的状态代表一系列的系统状态，其中气体被压缩以存储能量，这发生于当储罐302中的压强小于中等压强级时。气体被(例如，从外界环境)允许进入增强器(318或319，取决于当前的基本状态)，然后由驱动液压液加压进入增强器中。当增强器中的气体的压强达到储罐302中的压强时，气体被允许进入储罐302。该工序对于另一个增强器重复进行，并且系统返回到初始的基本状态(610或620)。
如图6所示的双分级的压缩632代表一系列的系统状态，其中当储罐302中的压强大于中等压强级时，气体在双分级中被压缩以存入能量。压缩的第一分级在增强器(318或319)中发生，其中气体在近乎大气压下(例如，从外界环境)被导入后，加压到中等压强。压缩的第二分级在蓄能器(316或317)中发生，其中气体被压缩到储罐302中的压强，然后被允许流入储罐302。紧随两级压缩后，系统从当前的基本状态返回到另一个基本状态，如图中的交叉过程箭头634所表示的。
如图6所示的单分级的膨胀640代表一系列的系统状态，其中当储罐302中的压强小于中等压强级时，气体膨胀以再生储存的能量。来自储罐302中的一定量气体被允许直接流入增强器(318或319)。该气体然后在增强器中膨胀，推动液压液通过液压马达/泵330并进入第二增强器，在那里排出的液体移动活塞，同时气体侧对大气(或另一个低压环境)开放。然后该单分级的膨胀过程对于第二增强器重复进行，此后，系统返回到初始的基本状态(610或620)。
同样地，如图6所示的双分级的膨胀642代表一系列的系统状态，其中当储罐中的压强大于中等压强级时，气体分两级膨胀，以再生储存的能量。一定量的气体从储罐302被容许进入蓄能器(316或317)中，其中气体膨胀到中等压强，推动液压液通过液压马达/泵330并进入第二蓄能器。然后气体被容许进入对应的增强器(318或319)中，其中气体膨胀到接近大气压强，推动液压液通过液压马达/泵330并进入第二增强器。系列状态包括两级膨胀，其如前面描述的图5A-5N所示。两级膨胀之后，系统返回到另一个基本状态(610或620)，如交叉过程箭头644所示。
显然，以上描述的储存和再生能量的系统效率很高，因为它允许气体在一个循环的逐渐膨胀，这有助于保持等温特性。该系统通过系统部件提供允许更平缓的热传递的两个或更多独立分级中的压缩/膨胀，由此独特地处理了气体在高气压到接近大气(以及伴随的热传导)之间的大膨胀和压缩。因此要求很少的外界能量(可燃气体，等等)来运转系统，使得系统对环境更友好，利用市场上买得到的元件就能够实施，并且可任意规模来满足各种能量储存/再生的需要。然而，通过结合如图9所示的热传递子系统，上面描述的系统的效率有可能进一步提高。
图7A-7F描述了对开放大气分级液压气压系统进行循环的的膨胀/压缩的替代的系统/方法的主系统，其中系统400包括至少三个蓄能器416a、416b、416c，至少一个增强器418和两个马达/泵430a、430b。为了清楚起见，压缩气体储罐、阀门、传感器等等未示出。图7A-7F示出了蓄能器416、增强器418和马达/泵430在各个膨胀的分级(分级101-106)期间的运行。在分级106完成后，系统400返回到分级101。
如图所示，标识D、F、AI和F2指示蓄能器或增强器是被驱动(D)或填充(F)，其他的蓄能器中的标记，AI指示蓄能器至增强器—蓄能器气压侧连接至增强器气压侧并驱动增强器气压侧，而F2指示以两倍的标准填充的速率填充。
如图7A所示，该平面布置包括三个相同尺寸的液压气压蓄能器416a、416b、416c，一个容量大约为蓄能器容量的1/3的具有液压侧446的增强器418，和两个液压马达/泵430a、430b。
图7A代表分级或时间情况101，其中蓄能器416a正被来自压力容器的高压气体驱动。在一定数量的压缩气体被吸入(根据当前的容器压强)后，阀门将闭合，压力容器和高压气体的断开将持续以在蓄能器416a内膨胀，如图7B和7C所示(即分级102和103)。蓄能器416b没有液压液，它的空气容室440b没有承压，并且通风至大气。蓄能器416a中的气体膨胀，驱动液压液流出蓄能器，从而驱动液压马达430a，且马达430a的输出用液压液回填蓄能器416b。在如图101所示的时间点，蓄能器416c的状态处于气体已经膨胀了两个单位的时间，并且持续驱动马达430b，同时填充增强器418。类似于蓄能器416b，增强器418没有液压液，它的空气容室444没有承压，并且通风至大气。
延伸至时间情况102，如图7B所示，蓄能器416a的空气容室440a继续膨胀，从而推动液体流出流体容室438a，并且驱动电动机/泵430a并填充蓄能器416b。此时蓄能器416c没有液压液，但是保持中等压强。蓄能器416c的空气容室440c此时被连接到增强器418的空气容室444。增强器418此时充满液压液，蓄能器416c中的中等压强气体驱动增强器418，其提供了中等压强气体到高压液体的增强。高压液体驱动马达泵430b，马达/泵430b的输出也经由适当的阀门被连接至蓄能器416b并填充蓄能器416b。因此，蓄能器416b以两倍正常速率被填充，当单个膨胀液压气压装置蓄能器或增强器)提供液体用于填充时为正常速率。
在时间情况103，如图7C所示，系统400已经返回了类似于分级101的状态，但是不同的蓄能器在相同的分级。蓄能器416b此时充满液压液并正被来自压力容器的高压气体驱动。在一定数量的压缩气体被吸入(根据当前的容器压强)后，阀门将闭合，压力容器断开连接。高压气体会继续在蓄能器416b中膨胀，如分级104和105所示。蓄能器416c没有液压液，它的空气容室440c没有承压，并且通风至大气。蓄能器416b中的气体膨胀，驱动液压液流出蓄能器，驱动液压马达//泵430b，伴随着马达的输出功率用液压液经由适当的阀门回填蓄能器416c。在如103所示的时间点，蓄能器416a的状态处于气体已经膨胀了两个单位的时间，并且持续驱动马达/泵430a，同时填充增强器418。类似于蓄能器416c，增强器418再次没有液压液，它的空气容室444没有承压，并且通风至大气。
延伸至时间情况104，如图7D所示，蓄能器416b的空气容室440b继续膨胀，从而推动液体流出流体容室438b，并且驱动电动机/泵430a并填充蓄能器416c。此时蓄能器416a没有液压液，但是保持中等压强。蓄能器416a的空气容室440a此时被连接到增强器418的空气容室444。增强器418此时充满液压液，蓄能器416a中的中等压强气体驱动增强器418，提供了中等压强气体到高压液体的增强。高压液体驱动马达泵430b，马达/泵430b的输出也经由适当的阀门被连接至并填充蓄能器416c。因此，蓄能器416c以两倍正常速率被填充，当单个膨胀液压气压装置(蓄能器或增强器)提供液体用于填充时为正常速率。
在时间情况105，如图7E所示，系统400已经返回了类似于分级103的状态，但是具有在相同分级的不同的蓄能器。蓄能器416c此时充满液压液并正被来自压力容器的高压气体驱动。在一定数量的压缩气体被吸入(根据当前的容器压强)后，阀门将闭合，断开与压力容器的连接。高压气体会继续在蓄能器416c中膨胀。蓄能器416a没有液压液，它的空气容室440a没有承压，并且通风至大气。蓄能器416c中的气体膨胀驱动液压液流出蓄能器，驱动液压马达/泵430b，伴随着马达的输出用液压液经由适当的阀门回填增强器418。在如105所示的时间点，蓄能器416b的状态处于气体已经膨胀了两个单位的时间，并且持续驱动马达/泵430a，同时利用液压液经由适当的阀门填充蓄能器416a。类似于蓄能器416a，增强器418再次没有液压液，它的空气容室444没有承压，并且通风至大气。
延伸至时间情况106，如图7F所示，蓄能器416b的空气容室440c继续膨胀，从而推动液体流出流体容室438c，并且驱动电动机/泵430b并填充蓄能器416a。此时蓄能器416b没有液压液，但是保持中等压强。蓄能器416b的空气容室440b此时被连接到增强器418的空气容室444。增强器418此时充满液压液，蓄能器416b中的中等压强气体驱动增强器418，其提供了中等压强气体到高压液体的增强。高压液体驱动马达/泵430a，马达/泵430a的输出也经由适当的阀门被连接至并填充蓄能器416a。因此，蓄能器416a以两倍正常速率被填充，当单个膨胀液压气压装置(蓄能器或增强器)提供液体用于填充时为正常速率。紧随如106所示的状态之后，系统返回到如101所示的状态，并且循环持续。
图8是示出了上面描述的膨胀方案的表格，其示出了图7A-7F中的三个蓄能器，一个增强器系统。应该注意到，贯穿循环，两个液压气压装置(两个蓄能器或一个增强器加上一个蓄能器)总是膨胀的，而两个马达总是被驱动的，但这是在膨胀中的不同的点，如此，总体电力保持相对恒定。
图9总体描述了分级的液压空气能量转换系统，其使用热调节压缩液体储存和再生电能，并结合了本发明的各个具体实施例，例如图1、4和7中的描述。如图9所示，系统900包括五个高压气体/空气储罐902a-902e。储罐902a和902b及储罐902c和902d各自地通过手控阀904a、904b和904c、904d并行相连。储罐902e也包括手控的断流阀904e。储罐902经由气压的二通阀(即，截流阀)906a、906b、906c相连至主气流线路908。储罐输出线路包括压力传感器912a、912b、912c。线路/储罐902还可以包括温度传感器。各个传感器可以被系统控制器960经由适当的连接监控，结合如上所述的图1和4。主气流线路908经由自动控制的气压的断流阀907a、907b被连接至一对多分级(在实施例中为两分级)蓄能器回路。这些阀门907a、907b被连接到相应的蓄能器916和917。蓄能器916、917的空气容室940、941经由自动控制的气压的断流阀907c、907d被连接至增强器918、919的空气容室944、945。气压的断流阀907e、907f也被连接至气流线路，该气流线路连接各自的蓄能器和增强器空气容室并连接至相应的大气通风孔910a、910b。该配置允许来自各个储罐902的空气被有选择地导引到蓄能器空气容室944、945中之一。而且，各个气流线路和空气容室可以包括压力传感器和温度传感器922、924，其输送探测的遥测数据至控制器960。
系统900也包括两个热传递子系统950，其与蓄能器和增强器916-919的空气容室940、941、944、945、以及提供改善的气体等温膨胀和等温压缩的高压储罐902流体连通。热传递子系统950的一个原理图更详细地如图9A所示。每一个热传递子系统950包括循环设备952，至少一个换热器954和气动阀956。一个循环设备952，两个换热器954以及两个气动阀956如图9和9A所示，然而，循环设备952、换热器954以及阀门956的数量和型号都可以变化以适合具体的应用。热传递子系统950的各个元件和操作在在下文更详细描述。在一具体实施例中，一般地，循环设备952是能够在高达3000PSI或更大的压强下运行的正向活塞泵，两个换热器954是壳内管式(亦称管壳式)换热器954，也能够在高达3000PSI或更大的压强下运行。换热器954是以并联连接的方式示出的，虽然它们还可以串联的方式连接。各换热器954可以具有相同的或不同的热交换面积。例如，当换热器954并联连接、第一换热器954A具有传热面积X、并且第二换热器954B具有传热面积2X时，控制阀配置可用于有选择地引导气体流向换热器954中的一个或两个，以获得不同的传热面积(例如，X、2X或3X)，并由此获得不同的热效率。
系统950的基本操作结合图9A进行描述。如图所示，系统950包括循环设备952，其例如可以被与其机械地连接的电动机953驱动。其它驱动循环设备的类型和装置也可构建，而且在本发明的范围内。例如，循环设备952可以是蓄能器、止回阀和致动器的组合。循环设备952经由三通二位气动阀956B与每一空气容室940、944流体连通，根据阀门956B的位置抽吸来自空气容室940、944任一的气体。循环设备952使气体从空气容室940、944到换热器954循环。
如图9A所示，两个换热器954通过一系列的气压断流阀907G-907J并联连接，断流阀可以调节气体至换热器954A、换热器954B或两者的气体流量。还包括旁通气压断流阀907K，其可用于旁通换热器954(即，热传递子系统950可以没有循环气体通过任一换热器)。在工作时，气体流过换热器954的第一侧，而恒温流体源流过换热器954的第二侧。流体源被控制以保持气体处于室温。例如，当气体在压缩期间温度增加时，气体可以被引导通过换热器954，而流体源(处于环境温度或者更冷的温度)反向流过换热器954，以带走气体的热量。换热器954的气体输出经由三通二位气动阀956A与每一空气容室940、944流体连通，根据阀门956A的位置，其将热调节气体返回到任一空气容室940、944。气动阀956用来控制气体正被热调节的液压缸。
各个元件的选择会根据具体的应用，例如结合液体流量、热传递要求和位置。而且，气动阀可以被电子地、液压地、气压地或人工地操作。而且，热传递子系统950可以包括至少一个温度传感器922，其结合控制器960控制各个阀门907、956的操作，由此控制热传递子系统950的操作。在一个示例性的具体实施例中，热传递子系统被用于如上所示和所述的分级的液压气压的能量转换系统，其中两个换热器串联连接。热传递子系统的操作结合一个具有4英寸内径的1.5加仑容量的活塞式蓄能器的操作来进行描述。在一个实施例中，系统在气体10秒内从2900PSI膨胀到350PSI的过程中能够产生1-1.5kW的电力。两个壳内管式热交换设备(可以从美国威斯康星州Oconomowoc的Sentry设备公司中获得)，一个具有0.11m2的热交换面积，另一个具有0.22m2的热交换面积，都与蓄能器的空气容室流体连通。除了换热器的布置，系统类似于图9A所示，并且可用断流阀来控制热交换反向流，由此提供不作热交换、与单个换热器(即，具有0.11m2或0.22m2的热交换面积)热交换或与两个换热器(即，具有0.33m2的热交换面积)进行热交换。
在900、950的操作期间，高压空气从蓄能器916中被吸取，并被循环设备952循环流过换热器954。具体地，一旦蓄能器916充满液压液并且活塞处于汽缸的顶端，气体循环/换热器子回路和蓄能器的气压侧的剩余空间就充满着3,000PSI的空气。如果需要，断流阀907G-907J用来选择哪一个换热器(如果有的话)供使用。一旦这一点完成，循环设备952打开，如同换热器的逆向流动。其他的热传递子系统结合图11-23在下文描述。
在蓄能器916中的气体膨胀期间，如图9A所示，三向阀956被致动，并且气体膨胀。在蓄能器916的气体侧的压力和温度传感器/探测器在膨胀期间被监控，位于热传递子系统950中的温度传感器/探测器也是如此。当总的液力能量输出与理论的能量输出相比，即可确定气体膨胀的热力效率，理论的能量输出可以已经通过让已知体积的气体以理想等温膨胀方式来获得。
总体输出量和热效率可通过调节液压液流动速率和换热器面积来控制。图10描述了系统900、950的示例性的具体实施例中的输出功率、热效率和换热器表面积之间的关系。如图10所示，在输出功率和效率之间有一平衡(trade-off)。通过增加热交换面积(例如，通过给热传递子系统950增加热交换器)，可在输出功率范围内获得更高的热效率。对于该示例性的具体实施例，当使用两个换热器954用于1.0kW的平均功率输出时，可以获得超过90％的热效率。增加气体通过换热器的循环速率还会提供额外的效率。根据上述，通过成本和尺寸与输出功率和效率的均衡，元件的选择和尺寸可达到最优化系统设计。
系统900的基本操作和配置基本上类似于系统100和300；然而，如本文中描述的，在液压阀的布置之间存在差别。回头参见图9，对于基本的分级的液压气压的能量转换系统900的其余描述，每一蓄能器916、917的空气容室940、941被活动的活塞936、937密闭，活塞936、937具有使用密封环和本领域普通技术人员熟知的其他元件的适当的密封系统。活塞936、937响应于空气容室940、941和分别位于蓄能器壳体的相对侧上的相对的流体容室938、939之间的压强差沿着蓄能器壳体移动。同样地，相应的增强器918、919的空气容室944、945也被移动的活塞组件942、943封闭。然而，活塞组件942、943包括空气活塞，其通过轴、杆或其它连接件被连接至相应的流体活塞，它们连接在一起移动。活塞直径之间的差别允许作用在空气活塞上的较低的气压在联合的流体容室上产生与作用于蓄能器活塞上的较高的气压的相似的压强。如此，并如前文所述，系统允许采用至少两级的气压以产生相似等级的流体压力。
蓄能器流体容室938、939经由液压阀928a被相互连接至液压马达/泵布置930。液压马达/泵布置930包括第一端口931和第二端口933。布置930还包括几个可选择的阀门，包括常开的断流阀925、卸压阀927，和可进一步控制马达/泵布置930的操作的三个止回阀929。例如，止回阀929a、929b引导流体从马达/泵的流出口端口流至在较低的压强下的端口931、933。而且，阀门925、929c防止马达/泵在膨胀循环期间发生突然停机。
液压阀928a显示为三位四通定向阀，其是电致动的，并弹簧回程至中心关闭位置，其中在未致动的状态，没有流体能够通过阀门928a。定向阀928a控制从蓄能器流体容室938、939到马达/泵布置930的第一端口931或第二端口933之一的流体流动。该布置允许来自蓄能器流体容室938、939之一的流体驱动马达/泵930顺时针方向或反时针方向通过单个阀门。
增强器流体容室946、947经由液压阀928b也被相互连接至液压马达/泵布置930。液压阀928b也是三位四通定向阀，其是电力致动的，并且是弹簧回程至中心关闭位置，其中在未致动的状态，没有流体能够通过阀门928b。定向阀928b控制从增强器流体容室946、947到马达/泵布置930的第一端口931或第二端口933之一的流体流动。该布置允许来自增强器流体容室946、947之一的流体驱动马达/泵930顺时针方向或反时针方向通过单个阀门。
马达/泵930可连接的至发电机/马达，后者驱动并被马达/泵930驱动。如前面描述的具体实施例所讨论的，发电机/马达组件可与电力分配系统相互连接，并可被控制器960监控状态和输出/输入电平。
而且，流体线路和流体容室可包括压强、温度或流量传感器和/或指示器922、924，其输送检测的遥测数据至控制器960和/或提供操作状态的可见信号。而且，活塞936、937、942、943可包括位置传感器948，其报告它们的当前位置给控制器960。活塞的位置可用于确定气体和流体两者的相对压力和流量。
图11是本发明的一个简化的具体实施例中等温膨胀液压/气动系统的说明性的实施例。系统包括汽缸1101，其含空气容室或″气压侧″1102和流体容室或″液压侧″1104，两者被活动的(双箭头1140)活塞1103或其它隔离气体与流体的力/压强传递挡板分隔开。汽缸1101可以是传统的、市场上买得到的元件，其被改变成接收如下所述的附加的端口。如以下将进一步详细描述的，此处描述的任何具体实施例都可以实施为上面描述的能量储存和再生系统的液压和气动回路中的蓄能器或增强器(例如，蓄能器316、增强器318)。汽缸1101包括主空气端口1105，其可以经由阀门1106关闭，并与气动回路或任何其它空气源/存储系统连接。汽缸1101还包括一主流体端口1107，其可被阀门1108关闭。流体端口与以上所述的存储系统的液压回路中的流体源或任何其它流体容器连接。
现在参照热传递子系统1150，汽缸1101具有一个或多个气体循环输出端口1110，其经由管道1111连接至气体循环器1152。注意，此处使用的术语″管道″、″管子″等等应该指一个或多个导管，其被设计以在两点之间传送气体或其他的流体。由此，在适当的时候，单数的术语应该考虑包括多个平行的导管。气体循环器1152可以是传统的或定制的低压的气动泵、风扇或用于循环气体的任何其它装置。气体循环器1152应该被密封并定速以在气体容室1102内的压强下操作。因此，气体循环器1152创建了上至管道1111的预定的空气流量(箭头1130)，并通过管道。气体循环器1152可以是被来自电力源的电力提供动力或被另一个驱动机构，例如液压马达，供以动力。循环器1152的集流速度和开/闭功能可以被作用于循环器1152的电源上的控制器1160控制。控制器1160可以是基于软件和/或硬件的系统，其执行此处描述的热交换程序。气体循环器1152的输出端经由管道1114连接至换热器1154的输入端1115。
本说明性的具体实施例中的换热器1154可以是任何可接受的设计，其允许能量被高效地传送至压力管道中的高压气体流，以及从压力管道中的高压气体流传送至另一个集流(流体)内。热交换率部分地基于气体和流体的相对流速、气体和流体之间的交换表面积和它们之间的分界面的热传导率。特别地，气体流在热交换器1154内被流体逆向流1117(箭头1126)加热，其在室温下进入热交换器1154的流体输入端1118，并在等于或近似等于管道1114中的气体的温度下排出热交换器1154的流体出口1119。换热器1154的气体出口1120处的气体流处于室温或近似室温下，并经由管道1121通过一个或多个气体循环输入端1122返回至空气容室1102。用″室温″表示周围环境的温度，或者系统可以获得有效性能的其他期望温度。在循环输入端1122处再次进入汽缸的空气容室1102的室温气体与气体容室1102内的气体混合，从而给气体容室1102中的流体带来接近室温的温度。
控制器1160例如根据容纳在气体容室1102内的气体的优势温度来管理热交换率，其使用常规设计的温度传感器1113B，该温度传感器1113B与容室1102内的气体热交流。传感器1113B可以设置在沿着汽缸的任何位置，包括换热器气体输入端1110处，或者与其邻近处的位置。控制器1160从汽缸检测器上得到数值T，并与由位于系统环境内某处的检测器1113C得来的室温数值(TA)进行比较。当T大于TA时，热传递子系统1150被导向(通过供以循环器1152动力)移动气体通过其中，移动速率可部分根据温差决定(从而交换不会溢出或达不到要求的设置)。附加传感器可位于热交换子系统内多个的位置，以提供能被更复杂的控制算法使用的额外的遥测数据。例如，从换热器输出气体的温度(TO)可被设置在出口1122的上游的检测器1113A测量。
换热器的流体管路可充满水、冷却剂混合物和/或任何可接受的传热介质。在替换的具体实施例中，气体，例如空气或冷却剂，能被用作传热介质。一般说来，流体由导管引导至在闭合的或开口的回路中有流体的大型的容器中。一个开口回路的实施例是一口井或一个贮水池，环境的水从其中抽出，并且排出的水被传输到不同的位置，例如河流的下游。在一闭合回路的具体实施例中，冷却塔可以使水循环通过空气以返回到换热器。同样地，水可以穿过浸入式或掩埋式连续管道的盘管，其中产生反向热交换以使流体流在返回换热器进行另一循环之前，返回至环境。
还应该清楚，本发明的等温操作在两个方向上热动力学地做功。虽然气体在膨胀期间由流体加热至室温，但是由于通过压缩可以建立相当的内部热能，气体还可以在压缩期间被换热器冷却至室温。因此，换热器元件应该被设计以应对将要遇到的输入气体和排出流体的温度范围。而且，因为换热器处于液压/气压缸的外部，它可设置在任何便利的位置，并可根据输送高效率的热交换的需要确定尺寸。而且它可通过易于安装在现有的、市场上买得到的液压/气压缸的底端的直通接头或端口接附于汽缸。
现在参照图12，其详细示出了本发明的一个简化的具体实施例中等温膨胀液压/气动系统的第二个说明性的实施例。在该具体实施例中，热传递子系统1250与上面描述的热传递子系统950、1150相似或相同。其中使用了同样的元件，因此它们在此处被给出了同样的附图标记。在该具体实施例中的说明性的系统包括″增强器″，其由包含空气容室1202和流体容室1204的汽缸组件1201组成，两者被活塞组件1203分离开。该布置中的活塞组件1203由较大直径/面积的气动活塞构件1210构成，其由轴1212连接至较小直径/面积的液压活塞1214。对应的空气容室1202的横截面因此比流体容室1204的大，并被活动的(双箭头1220)活塞组件1203隔离开。活塞组件1203的相对尺寸在汽缸1201的每一侧引起压差响应。也就是说，根据每一活塞构件1210、1214的相对表面积，气体容室1202内的压强可相对于流体容室内的压强以某一预定的比率降低。
如以前讨论的，此处描述的任何具体实施例可由在上面描述的能量储存和再生系统的液压和气动回路中的蓄能器或增强器来实施。例如，在前面描述的系统中，增强器汽缸1201可连同图11的汽缸1101一起用作一个分级。为与那些系统或另一应用有接口，汽缸1201可包括主空气端口1205，其可经由阀门1206关闭，还包括主流体端口1207，其可由阀门1208关闭。
现在参照热传递子系统1250，增强器汽缸1201还具有一个或多个气体循环输出端口1210，其经由管道1211连接至气体循环器1252。再次，气体循环器1252可以是用于循环气体的传统的或定制的低压差的气动泵、风扇或任何其它装置。气体循环器1252应该被密封并定速以在气体容室1202内的压强下工作。因此，气体循环器1252创建了上至管道1211的预定的气体流(箭头1230)，并通过管道。气体循环器1252可以是被来自电力源的电力提供动力或被另一个驱动机构，例如液压马达，供以动力。循环器1252的集流速度和开/闭功能可以被作用于循环器1252的电源上的控制器1260控制。控制器1160可以是基于软件和/或硬件的系统，其执行此处描述的热交换程序。气体循环器1252的输出端经由管道1214连接至换热器1254的输入端1215。
再次，气体流在换热器1254内被流体逆向流1217(箭头1226)加热，其在室温下进入热交换器1254的流体输入端1218，并在等于或近似等于管道1214中的气体的温度下排出热交换器1254的流体出口1219。换热器1254的气体出口1220处的气体流处于室温或近似室温下，并经由管道1221通过一个或多个气体循环输入端1222返回至空气容室1202。用″室温″表示周围环境的温度，或者系统可以获得有效性能的其他期望温度。在循环输入端1222处再次进入汽缸的空气容室1202的室温气体与气体容室1202内的气体混合，从而给气体容室1202中的流体带来接近室温的温度。再次，当热传递子系统1250与图12的增强器连接时，其可特别设定尺寸和配置以适应增强器的空气容室1202的性能，该性能可与如图11所示的具体实施例中的汽缸的空气容室1102的性能有热动力学上的不同。不过，可以认识到，在两个具体实施例中的换热器的基本结构与功能是大概相似的。同样地，控制器1260可适合于应对增强器汽缸的性能曲线。因而，容室传感器1213B、环境传感器1213C和交换器输出传感器1213A的温度读数与图11中的传感器1113是相似的。在该具体实施例中明确地构想了多种可替换采用的传感器设置。
现在参考图13，其示出了与势能回路1370组合在一起的图11中示出和描述的汽缸1101和热传递子系统1150。该具体实施例说明了汽缸1101做功的能力。前述的增强器1201可同样地被安排以如图13所示的方式做功。总之，随着气体容室1102中的加压气体膨胀，气体在所示的活塞组件1103上(或在图12的具体实施例中的活塞组件1203上)做功，活塞组件对流体容室1104(或流体容室1204)中的流体做功，从而推动流体流出流体容室1104(1204)。被推出流体容室1104(1204)的流体经管道1371流至常规设计的液压马达1372，使得液压马达1372驱动轴1373。轴1373驱动电动机/发电机1374，发出电力。流入液压马达1372的流体流出马达后，流入流体容器1375。通过这种方式，由空气容室1102(1202)内的气体膨胀释放的能量被转变为电能。气体可来源于如上所述的高压储罐阵列中。当然，气体容室1102(1202)中的热传递子系统在膨胀过程中以上面描述的方式保持室温。
按类似方式，电能可用于压缩气体，从而储能。提供给电动机/发电机1374的电能驱动轴1373，接着，其反过来驱动液压马达1372。此举推动流体从流体容器1375流入管道1371，并进一步流入汽缸1101的流体容室1104(1204)。随着流体进入流体容室1104(1204)，它在活塞组件1103上做功，从而活塞组件对气体容室1102(1202)中的气体做功，也就是说，压缩气体。热传递子系统1150可用于散发压缩产生的热量，并通过由控制器1160(1260)对传感器1113(1213)的适当读取，然后调节循环器1152(1252)的节流，保持温度处于室温或接近室温。
现在参考图14A、14B和14C，其各自示出了汽缸或增强器绝热地、等温地或者接近等温地膨胀气体时的做功能力。首先参考图14A，如果气体容室中的气体从初压502和初始体积504足够快速地膨胀，以致实际上没有热量输入至气体，则气体按照绝热曲线506a绝热膨胀，直到气体达到大气压强508和绝热的最终体积510a。由该绝热膨胀所做的功为阴影面积512a。明显地，曲线的一小部分变成阴影，显示所做的功较小，以及能量转移的效率低。
反之，如图14B所示，如果气体容室中的气体从初压502和初始体积504足够缓慢膨胀，以致全部的热量传递入气体，则气体会保持恒温，并会按照等温曲线506b等温膨胀，直到气体达到大气压强508和等温的最终体积510b。由该等温膨胀所做的功为阴影面积512b。由等温膨胀506b获得的功512b明显地大于由绝热膨胀506a获得的功512a。实际气体膨胀可介于等温和绝热之间。
本发明的热传递子系统950、1150、1250意图构建至少接近或近乎理想的图14C的图表所示的等温膨胀。气体容室中的气体从初压502和初始体积504按照实际膨胀曲线506c膨胀，直到气体达到大气压强508和实际的最终容积510c。由该膨胀所做的实际功为阴影面积512c。如果实际的膨胀506c为接近等温，那么所做的实际功512c会近似相等于等温的功512b(当与图14B中的面积比较时)。实际功512c与理想的等温功512b的比值为膨胀的热效率，如图10的Y轴所绘出的。
系统的输出功率等于由气体膨胀完成的功除以气体膨胀所花费的时间。为了增加输出功率，需要降低膨胀时间。随着膨胀时间的减少，传递至气体的热量将降低，膨胀会更接近绝热，并且输出的实际功会更少，也就是说，更接近绝热的功输出量。在此处描述的本发明中，至气体的热传递通过增加表面积以及气体通过热交换的表面积的速率来增加，通过该表面积，在初级空气容室外部，但与之流体连通的回路中，可发生热传递。该配置增加了传入/传出气体的热量，并允许功输出量保持恒定和近似等于等温的功输出量，即使当膨胀时间减少时，从而产生更大的输出功率。而且，此处描述的系统和方法能够利用市场上买得到的元件，因为它们设置在外部，故可为适宜的尺寸，并设置于系统占地空间内的任何便利的地方。
应该清楚，对于那些普通的技术人员来说，换热器的设计和泵的流速可基于由每一汽缸在给定的膨胀循环或压缩循环期间吸收的或产生的热量的数值的实验计算来进行，从而提供适宜的交换表面积和液体流量以满足热传递的需要。同样地，在测量需要的热传递并给出适宜的表面积和流速之后，可通过实验方法至少部分地推导出适当尺寸的换热器。
图15是用于在开放大气分级液压气压系统中加快至气体膨胀(或者被压缩)的热传递的系统和方法的示意图。前面描述的系统和方法通过用一系列的窄长的基于活塞的蓄能器1517来代替单一的液压气压蓄能器，可以被修改以改进热传递。这些基于活塞的蓄能器的气压侧和液压侧都被在端部连接在一起(例如，通过与系杆固定就位的机械的金属块1521)，以模仿具有一个空气输入端/输出端1532和一个液压液输入端/输出端1532的单个蓄能器。成组的基于活塞的蓄能器1517被封装入壳体1523中(例如，类似于壳体换热器中的管道)，其可以包含能够在空气膨胀或压缩期间循环流过成组的蓄能器1517的流体(例如，水)，以加快热传递。整个组和壳体配置形成改变的蓄能器1516。流体输入端1527和流体输出端1529可以从壳体1523流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
图15还显示了变更的增强器1518。该增强器的功能相同于前面描述的那些；然而，通过增加一组窄长的低压差的基于活塞的蓄能器1519，在空气膨胀(或被压缩)之间的热交换被加快。这组蓄能器1519允许加快热量传递至空气中。来自基于活塞的成组的蓄能器1519的液压液为低压(等于膨胀空气的压强)。压强在液压-流体至液压-流体的增强器(增压器)1520中被加强，由此模仿上面描述的空气至液压流体增强器的作用，但没有增加在膨胀/压缩期间热交换的表面积。类似于变更的蓄能器1516，这组基于活塞的蓄能器1519被装入壳体1525中，并连同增压器一起，模仿具有一个空气输入端/输出端1531和一个液压液输入端/输出端1533的单个增强器。壳体1525可以包含能够在空气膨胀或压缩期间循环流过成组蓄能器1519的流体(例如，水)，以加快热传递。流体输入端1526和流体输出端1528可以从壳体1525流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
图16是用于在开放大气分级液压气压系统中加快至气体膨胀(或者被压缩)的传热的一替换的系统和方法的示意图。在这一装置中，图15中描述的系统被变更，以减少成本，以及随着窄长的基于活塞的蓄能器的直径进一步降低，活塞摩擦带来的潜在的问题。在该具体实施例中，使用一系列的窄长的填充流体(例如水)的管道(例如更少活塞的蓄能器)1617来代替图15中的许多的基于活塞的蓄能器1517。这样，成本被实质上降低，因为管道不再需要被打磨至高精度的直径，也不再需要被拉直用于活塞行程。类似于图15中的描述，这些成组的填充流体的管道1617在端部被连接在一起，来模仿具有一个空气输入端/输出端1630和一个液压液输入端/输出端1632的单个管道(更少活塞的蓄能器)。管束1617被装入壳体1623中，其可以包含在低压下的流体(例如，水)，其在空气膨胀或压缩期间可以循环流过管束1617，以加快热传递。整个组和壳体配置形成变更的蓄能器1616。输入端1627和输出端1629可以从壳体1623流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。而且，通往液压液的基于活塞的蓄能器1622的流体(例如，水)可用于传递蓄能器1616中的流体(水)的压强至液压液，而不必担心液压液中的空气。
如图16所示的也是一变更的增强器1618。增强器1618的功能相同于前面描述的那些；然而，通过增加一组窄长的低压管道(更少活塞的蓄能器)1619，在空气膨胀(或被压缩)之间的热交换可被加快。这组蓄能器1619用来加快热量传递至空气中。来自这组基于活塞的蓄能器1619的液压液为低压(等于膨胀空气的压强)。压强在液压-流体至液压-流体的增强器(增压器)1620中被加强，由此模仿上面描述的空气至液压流体增强器的作用，但没有增加在膨胀/压缩期间热交换的表面积，并且与图15中描述的增强器1518比较起来，具有降低的成本和摩擦。类似于变更的蓄能器1616，这组基于活塞的蓄能器1619被装入壳体1625中，并连同增压器1620一起，模仿具有一个空气输入端/输出端1631和一个液压液输入端/输出端1633的单个增强器。壳体1625可以包含能够在空气膨胀或压缩期间循环流过成组蓄能器1619的流体(例如，水)，以加快热传递。流体输入端1626和流体输出端1628可以从壳体1625流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
图17是用于在开放大气分级液压气压系统中加快对气体膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，图11中的系统被变更，以消除死区空气空间，并通过使用液-液换热器潜在地改进热传递。如图11所示，空气循环器1152连通至气压液压缸1101的空气空间。空气循环器系统的一个可能的缺点是会出现一些″死区空气空间″，并且由于有一些空气膨胀没有有用功被提取，可降低能量效能。
类似于如图11所示的汽缸1101，汽缸1701包括主空气端口1705，其可经由阀门关闭，并与气动回路或任何其它空气源/存储系统相连接。汽缸1701还包括一主流体端口1707，其可被阀门关闭。流体端口与以上所述的存储系统的液压回路中的流体源或任何其它流体容器连接。
如图17所示，水循环器1752附接于液压气压缸(蓄能器或增强器)1701的气压侧。充足的流体(例如，水)被增加给气压侧1702，这样当活塞1701充分地运行至顶部时(例如，液压侧1704充满液压液)，没有死区空间出现(例如，热传递子系统1750(即，循环器1752和换热器1754)充满流体)。进一步地，充足的额外液体在气压侧1702中出现，这样当活塞充分地运行至底部时(例如，液压侧1704没有液压液)，液体可被抽取出汽缸1701的底部。随着汽缸1701中的气体被膨胀(或被压缩)，在液体循环器1752作用下，液体循环通过液-液换热器1754，其可以是具有输入端1722和输出端1724的壳管式型式，从壳体的输出端1724流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。在循环器1752作用下循环的液体(处于类似于膨胀气体的压强)在通过换热器1754后，被喷射回气压侧1702，因此增加了液体和膨胀空气之间的热交换。总的说来，该方法允许将死区空间的体积充满不可压缩液体，因此换热器体积可很大，并且它可安放于任何便利的地方。通过移除全部换热器，储能系统的整体效率可被增加。同样地，因为液-液换热器倾向于比空气至液体热交换器有更高效率，热传递可被改进。应该注意到，在该具体的配置中，液压气压缸1701可被水平地定位，以便汇集在汽缸1701的纵长底座上的液体被连续地吸入循环器1752。
图18是用于加快气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，图11中的系统再次被变更，以消除死区空气空间，并通过使用液-液换热器，以结合图17描述的类似的方式潜在地改进热传递。并且，汽缸1801可包括一主空气端口1805，其可被阀门关闭，并且与气动回路或任何其它空气源/存储系统相连接，还包括一主液流端口1807，其可被阀门关闭，并且与上面描述的存储系统的液压回路中的流体源或任何其它流体库相连接。
然而，图18所示的热传递子系统包括连接于液压气压缸(蓄能器或增强器)1801的活塞的空心杆1803，这样液体可被喷射贯穿汽缸1801的气压侧1802的全部体积，从而相较于图17增加了液体和膨胀空气之间的热交换，其中液体只从端盖处喷射出来。杆1803连接于汽缸1801的气压侧1802，并且穿过密封件1811，这样在充压箱或容器1813(例如，具有连接于汽缸1801的端盖的金属管道)中的液体可被泵至比汽缸1801中的气体略高的压强。
随着汽缸1801中的气体被膨胀(或被压缩)，在液体循环器1852作用下，液体循环通过液-液换热器1854，其可以是具有输入端1822和输出端1824的壳管式型式，从壳体的输出端1824流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。替换地，可使用液体至空气换热器。在循环器1852作用下，液体循环通过换热器1854，然后通过杆1803喷射进入汽缸1801的气压侧1802，杆1803沿着它的长度方向布有钻孔。总的说来，该装置允许将死区空间的体积充满不可压缩液体，因此换热器体积可很大，并且它可安放于任何地方。同样地，因为液-液换热器倾向于比空气至液体热交换器有更高效率，热传递可被改进。通过增加喷射杆1803，相较于图17所示的装置，液体可被喷射整个气体容积，增加热传递。
图19是用于加快气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，系统被设置为可消除死区空气空间，并通过使用液-液换热器，以按结合图18描述的类似方式潜在地改进热传递。然而，如图19所示，热传递子系统1950包括独立的容纳有液体(例如，水)的压力储罐或容器1958，空气膨胀就发生在其中。随着气体在容器1958内膨胀(或被压缩)，液体被推压入至液压液汽缸1901中。容器1958和汽缸1901内的液体(例如，水)经由循环器1952也被循环通过换热器1954，并且喷射进入容器1958中，该容器1958允许空气膨胀(或被压缩)和液体之间的热交换。总的说来，该具体实施例允许将死区空间的体积充满不可压缩液体，因此换热器体积可很大，并且它可安放于任何地方。同样地，因为液-液换热器倾向于比空气至液体热交换器有更高效率，热传递可被改进。通过增加独立的更大的液体容器1958，相较于图17所示的装置，液体可被喷射至整个气体容积，增加热传递。
图20A和20B是用于加快气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，系统被设置为可消除死区空气空间，并使用与结合图11所述的类型相似的热传递子系统。类似于如图11所示的汽缸1101，汽缸2001包括主空气端口2005，其可经由阀门关闭，并与气动回路或任何其它空气源/存储系统相连接。汽缸2001还包括一主流体端口2007，其可被阀门关闭。该流体端口与以上所述的存储系统的液压回路中的流体源或任何其它流体容器连接。而且，随着汽缸2001中的气体被膨胀(或被压缩)，在循环器2052作用下，气体循环通过空气-液体换热器2054，后者可以具有输入端2022和输出端2024的壳管式型式，从壳体的输出端2024流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
如图20A所示，充足数量的液体(例如，水)被增加给汽缸2001的气压侧2002，这样当活塞充分地运行至顶部时(例如，液压侧2004充满液压液)，没有死区空间出现(例如，热传递子系统2050(即，循环器2052和换热器2054)充满液体)。循环器2052必须能够使液体(例如，水)和空气都循环。在膨胀的第一部分期间，液体和空气的混合物通过换热器2054循环。然而，因为汽缸2001被垂直地安装，重力会趋向于清空循环器2052的液体，并且如图20B所示，在膨胀循环的剩余期间，大部分空气会被循环。总的说来，该装置允许将死区空间的体积充满不可压缩液体，因此换热器体积可很大，并且它可安放于任何地方。
图21A-21C是用于加快传热至气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，系统被设置为可消除死区空气空间，并使用与结合图11所述的类型相似的热传递子系统。另外，该装置使用辅助蓄能器2110来从最初注入到空气循环器2152和换热器2154中的液体中储存和再生能量。类似于如图11所示的汽缸1101，汽缸2101包括主空气端口2105，其可经由阀门关闭，并与气动回路或任何其它空气源/存储系统相连接。汽缸2101还包括一主流体端口2107a，其可被阀门关闭。该流体端口2107a与以上所述的存储系统的液压回路中的流体源或任何其它流体容器连接。辅助蓄能器2110还包括流体端口2107b，其可被阀门关闭和被连接至流体源。而且，随着汽缸2101中的气体被膨胀(或被压缩)，在循环器2152作用下，气体循环通过空气-液体换热器2154，后者可是具有输入端2122和输出端2124的壳管式型式，从壳体的输出端2124流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
进一步地，与图所20A和20B示的装置相反，循环器2152使几乎全部空气，而非液体循环。如图21A所示，充足的液体(例如，水)被增加给汽缸2101的气压侧2102，这样当活塞充分地运行至顶部时(例如，液压侧2104充满液压液)，不会出现死区空间(例如，热传递子系统2150(即，循环器2152和换热器2154)中充满液体)。在膨胀的第一部分期间，液体被驱逐出循环器2152和换热器2154，如图21B所示，通过辅助蓄能器2110，并用来产生电力。当辅助蓄能器2110没有了液体并且充满压缩气体时，如图21C所示，阀门关闭，并且如上图11结合所述，膨胀和空气循环连续进行。总的说来，该方法允许将死区空间的体积充满不可压缩液体，因此换热器体积可很大，并且它可安放于任何地方。同样地，当空气循环器2152和换热器2154充以压缩气体时，有用功被提取出来，这样整体效率就增加了。
图22A和22B是用于加快气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，水被向下喷射进入垂直地定位的液压气压缸(蓄能器或增强器)2201，其液压侧2203通过一活动的活塞2204与气压侧2202隔开。图22A描述了汽缸2201与热传递子系统2250流体连通，处于压缩空气膨胀的循环之前的状态。应该注意到，如图22A所示，当活塞2204充分地运行至顶部时，汽缸2201的气压侧2202完全充满液体，没留下空气空间，(循环器2252和换热器2254也充满液体)。
储存在压力容器中的压缩气体未示出，但由2220表示，其经由阀门2221通过空气端口2205被吸入汽缸2201。随着压缩气体膨胀进入汽缸2201，液压液在压力下被压出，通过流体端口2207进入余下的由2211表示液压系统(例如液压马达，如图1和4所示并描述的)。在膨胀(或压缩)期间，热交换液体(例如，水)被例如泵2252的循环器从容器2230中吸取通过液-液换热器2254，其可为具有输入端1822和输出端2224的壳管式型式，从壳体的输出端2224流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
如图22B所示，(在类似于膨胀气体的压强下)被泵2252循环的液体(例如，水)，经由喷头2260被喷射(如喷射管路2262所示)进入汽缸2201的气压侧2202。总的说来，该方法允许在使用泵和液-液换热器时，实现喷射液体(例如，水)和膨胀(或压缩)中的空气之间的热交换的高效率的装置。应该注意到，在该具体的配置中，液压气压缸2201被垂直地定位，这样热交换液体在重力下往下落。在循环的末端，汽缸2201被重置，并在该工序中，被加到气压侧2202的热交换液体经由泵2252被移除，从而再装填容器2230和准备汽缸2201用于连续的循环。
图22C结合喷头2260更详细地描述了汽缸2201。在该设计中，喷头2260的使用非常像在垂直地定位的汽缸中的淋浴喷头。在具体实施例中示出了喷管2261在喷头2260的表面上被均匀分布；然而，喷管的具体的配置和尺寸可变化以适合具体的应用。由于喷头2260的喷管2261在整个端盖面积上被均匀分布，全部空气容积(气压侧2202)暴露于喷水器2262。如前面描述的，热传递子系统在略高于气压的压强下经由端口2271循环/注入水进入气压侧2202，然后在环境压力下在返回行程的末端将水移出。
如前面讨论的，喷射的具体的工作参数会变化以适合具体的应用。至于具体的压强范围、喷射方位和喷射性能、传热性能可通过模型来估计。假设示例性的具体实施例使用8″直径、10加仑的汽缸，空气在3000psi下膨胀到300psi，可计算出用于获得充足的热传递以保持等温膨胀所必需的不同的液滴大小和喷射特性的喷水器流量。图22D表示在300和3000psi下，计算的每摄氏度下单位流速(GPM)的喷射液体和空气之间热传递功率(kW)的差别。带有X标记的线条示出了喷射分解为多个液滴的方式下(方式1)的相对热传递。该计算假定热传递的保守数值，并且没有液滴的再循环，但是提供了方式1下的热传递的保守的估算。无标记的线条示出了另一方式(方式2)的相对热传递，其中喷射在汽缸的长度内保持为连贯的射流。该计算假定热传递的保守数值，并且在冲击后没有再循环，但是提供了方式2下热传递的保守的估算。考虑到实际的喷射可能处于喷射和纯液滴形式之间，两个方式提供了在预期的实验结果中保守的上界和固定的下界。假如每加仑每分钟(GPM)每℃下0.1kW的需求，对给定的流速，2mm以下尺寸的液滴提供足够的热传递，而0.1mm以下尺寸的射流提供足够的热传递。
一般地，图22D表示在不同压力下使用喷头(参见图22C)和垂直地定位的10加仑、8″直径的汽缸所获得的热传导功率水平(kW)，其以所需的流速和液体喷射与空气间温度差的每一摄氏度来归一化。数量越大，表示液体喷射和空气之间的热传递效率越高(在某个温差下更多热传递至给定的流量)。图表还示出了为提供特定直径的射流所要求的孔的相对数量。为使喷头中需要的喷射孔的数量减到最少，要求喷射分解成液滴。使用喷头和流体动力学的简化假设，喷射分解成液滴相对于连贯射流可进行理论上的估计。一般说来，在较高的气压和较高的流量下(即，沿喷管有较高的压降)，分解更显著地发生。在高压下的分解可根据实验的具体的喷管、几何结构流体和气压来研究。
一般地，0.2至2.0mm尺寸的喷嘴适于高压空气汽缸(3000至300psi)。每一喷管0.2至1.0升/分钟的流量在该范围内可足够提供介质来完成喷射分解成为液滴，使用机械地或激光钻孔的圆柱形的喷管形状。例如，具有0.9mm孔径的250个喷管的喷头在25gpm下运行，预计在10加仑汽缸内，提供超过50kW的热传递给3000至300psi的膨胀(或被压缩)中的空气。实施如此喷射热传递的泵送功率小于热传递功率的1％。有关利用喷射技术的热传递子系统的更多的具体的和示例性的详细解释结合图24A和24B进行讨论。
图23A和23B是用于加快气体在开放大气分级液压气压系统中膨胀(或者被压缩)的传热的另一个替换的系统和方法的示意图。在该装置中，水被放射地喷射进入任意地定位的汽缸2301。汽缸2301的方位对液体的喷射并不重要，其在图23A和23B中显示为水平定位。液压气压缸(蓄能器或增强器)2301具有液压侧2303，其由活动的活塞2304与气压侧2302隔开。图23A描述了汽缸2301与热传递子系统2350流体连通，处于压缩空气膨胀的循环之前的状态。应该注意到，当活塞2304如图23A所示充分地缩回时(即，液压侧2303充满液体)，汽缸2301中的气压侧2302没有空气空间(例如，循环器2352和换热器2354中充满液体)。
储存在压力容器中的压缩气体未示出，但由2320表示，其经由阀门2321通过空气端口2305被吸入汽缸2301。随着压缩气体膨胀进入汽缸2301，液压液在压力下被压出，通过流体端口2307进入余下的由2311表示的液压系统(例如液压马达，如图1和4所示并描述的)。在膨胀(或压缩)期间，热交换液体(例如，水)被例如泵2352的循环器从容器2330中吸取通过液-液换热器2354，其可为具有输入端2322和输出端2324的壳管式装置，从壳体的输出端2324流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。如图23B所示，(在类似于膨胀气体的压强下)被泵2352循环的液体(例如，水)，经由喷杆2360被喷射(如喷射管路2362所示)进入汽缸2301的气压侧2302。如图该实施例所示的喷杆2360固定在具有空心活塞杆2308的汽缸2301的中心，活塞杆2308将热交换液体(例如，水)与液压侧2303分离。随着活动的活塞2304被移动(例如，在图23B中向左侧)，将液压液从汽缸2301中压出，空心活塞杆2308伸出汽缸2301，暴露出更多的喷杆2360，这样全部气压侧2302暴露于如喷射线路2362所示的热交换喷射。总的说来，该方法允许在使用泵和液-液换热器时，实现喷射液体(例如，水)和膨胀(或压缩)中的空气之间的热交换的高效率的装置。应该注意到，在该具体的配置中，液压气压缸可以任何方式被定位，并且不依赖靠重力下落的热交换液体。在循环的末端，汽缸2301被重置，并在该工序中，被加到气压侧2302的热交换液体经由泵2352被移除，从而再装填容器2330和准备汽缸2301用于连续的循环。
图23C结合喷杆2360更详细地描述了汽缸2301。在该设计中，喷杆2360(例如，具有许多孔的中空不锈钢管)用来引导水在汽缸2301的整个空气空间(气压侧2302)内向外径向地喷射。在具体实施例中示出了喷管2361沿着喷头2360的长度上均匀分布；然而，喷管的具体的配置和尺寸可变化以适合具体的应用。水可在压力下从气压侧2302的底部被连续地移除，或者可在环境压力下在返回行程的末端被移除。该配置使用中心开孔的活塞杆的常规用途(例如，用于位置传感器)。如前面描述的，热传递子系统2350在略高于气压的压强下经由端口2371循环/注入水进入气压侧2302，然后在环境压力下在返回行程的末端将水移出。
如前面讨论的，喷射的具体的工作参数会变化以适合具体的应用。至于具体的压强范围、喷射方位和喷射性能、传热性能可通过模型来估计。再次，假设示例性的具体实施例使用8″直径、10加仑的汽缸，空气从3000psi膨胀到300psi，可计算用于获得充足的热传递以保持等温膨胀所必需的不同的液滴大小和喷射特性的喷水器流量。图23D表示在300和3000psi下，计算的每摄氏度下单位流速(GPM)的喷射液体和空气之间热传递功率(kW)的差别。带有X标记的线条示出了方式1的相对热传递，其中喷射分解为液滴。该计算假定热传递的保守数值，并且没有微量的再循环，但是提供了方式1下的热传递的保守的估算。无标记的线条示出了方式2的相对热传递，其中喷射在汽缸的长度内保持为连贯的射流。该计算假定热传递的保守数值，并且在冲击后没有再循环，但是提供了方式2下热传递的保守的估算。考虑到实际的喷射可能处于喷射和纯液滴形式之间，两个方式提供了在预期的实验结果中保守的上界和固定的下界。假如每加仑每分钟(GPM)每℃下0.1kW的需求，对给定的流速，2mm以下尺寸的液滴提供足够的热传递，而0.1mm以下尺寸的射流提供足够的热传递。
一般地，图23D表示在不同压力下使用喷杆(参见图23C)和水平地定位的10加仑、8″直径的汽缸所获得的热传导功率水平(kW)，其以所需的流速和液体喷射与空气间温度差的每一摄氏度来归一化。数量越大，表示液体喷射和空气之间的热传递效率越高(在某个温差下更多热传递至给定的流速)。图表还示出了为提供特定直径的射流所要求的孔的相对数量。为使喷杆中需要的喷射孔的数量减到最少，要求喷射分解成液滴。使用喷头和流体动力学的简化假设，喷射分解成液滴与连贯喷流的关系可进行理论上的估计。一般说来，在较高的气压和较高的流速下(即，沿喷管有较高的压降)，分解更显著地发生。在高压下的分解可根据实验的具体的喷管、几何结构流体和气压来研究。
正如以上结合喷头配置的讨论，0.2至2.0mm尺寸的喷嘴适于高压空气汽缸(3000至300psi)。每一喷管0.2至1.0升/分钟的流量在该范围内可足够提供介质来完成喷射分解成为液滴，使用机械地或激光钻孔的圆柱形的喷管形状。有关利用喷射技术的热传递子系统的更多的具体的和示例性的详细解释结合图24A和24B进行讨论。
一般地，对显示于图22和23中的该布置，可使用市场可获得的压力容器来实施液体喷射热传递，例如气压和液压/气压缸，至多进行微小的修改。同样地，换热器可由市场上可获得的高压元件构造，从而降低整个系统的成本和复杂度。因为主要的换热器面积位于液压/气压容器的外部，并且死区空间的体积充满实质上不可压缩液体，所以换热器体积可很大，并且它可安放于任何便利的地方。而且，换热器可以普通管道配件接附于容器。
喷射热传递子系统的基本设计准则是将主要涉及液体喷射泵送功率所使用的操作的能量(即，寄生损失)减到最少，却使热传导最大化。虽然实际的传热性能由实验决定，但理论分析指示对于给定的泵送功率和水的流量，会存在最大热传递的面积。因为液体喷射和周围空气之间的热传递取决于表面积，此处讨论的分析使用上述讨论的两个喷射方式：1)小水滴热传递和2)射流热传递。
在方式1中，喷射分解为液滴，提供了较大的总表面积。方式1可被视为对于一组给定的其他假定下的表面积亦即热传递的上限。在方式2中，喷射保持为相干喷流或者射流，因此对于给定体积的水提供了少得多的表面积。方式2可被视为对于一组给定的其他假定下的表面积亦即热传递的下限。
对于方式1，其中对于一组给定的条件，喷射分解成液滴，如图24A所示，它可以表明，小于2mm尺寸的液滴可提供对于可接受的低流速的足够的传热性能(例如，＜10GPM℃/kW)。图24A表示在不同的压强下液体喷射液滴和空气之间每一摄氏温度的温差下获得一千瓦的热传递所需要的流量。数量越低，表示液体喷射液滴和空气之间的热传递效率越高(在某个温差下用于给定的热传递的量的更低的流速)。对图24A所示出的一系列给定条件，直径低于大约2mm的液滴是期望的。图24B是图24A的图的放大部分，代表所示出的一组给定的条件，低于大约0.5毫米的液滴直径对于给定流速不再提供额外的热传递益处。
随着液滴尺寸继续变得更小，最后液滴的终端速度变得足够小，以致液滴落下太慢，不能覆盖全部的汽缸容积(例如，＜100微米)。因此，对于此处示出的给定的条件组，液滴尺寸大约0.1和2.0mm之间可被认为对于热传递最佳化且使泵送功率最小化是优选的，泵送功率随着流速的增加而增加。对于方式2可进行类似的分析，其中液体喷射保持为相干喷流。需要较高的流速和/或较小直径的射流来提供类似的传热性能。
图25是汽缸设计的详细示意图，其用于前面描述的任何使用压缩空气用于能量储存和再生的开放大气分级液压气压系统。具体地，图25中以部分截面描述的汽缸2501包括类似于结合图22描述的喷头配置2560，其中水是向下喷射进入立式汽缸。如图所示，垂直地定位的液压气压缸2501具有液压侧2503，由活动的活塞2504与气压侧2502隔开。汽缸2501还包括两个端盖(例如，机制钢挡块)2563、2565，其安装在打磨的圆柱形的管道2561的任一端部，典型地经由系杆或者其它众所周知的机械装置连接。活塞2504可滑动地设置在管道2561中，并经由密封件2567与其密封配合。端盖2565被加工有单个或多个端口2585，其允许液压液的流动。端盖2563被加工有单个或多个端口2586，其可允许空气和/或热交换流体进入。所示的端口2585、2586具有螺纹连接；然而，其它类型的端口/连接(例如，法兰)是可采用的，并且在本发明的范围内。
还示出了可选择的活塞杆2570，其可接附于活动的活塞2504，从而允许经由位移换能器2574进行位置测量，和根据需要经由外部缓冲器2575产生活塞阻尼。活塞杆2570通过带有杆密封2572的机械加工孔，移动进出液压侧2503。在该图示中的喷头2560嵌入在端盖2563内，并且经由例如暗藏的保持紧固件2573连接于热交换液体(例如，水)端口2571。其它机械固定装置可采用并且在本发明的范围内。
图26是汽缸设计的详细示意图，其用于前面描述的任何使用压缩空气用于能量储存和再生的开放大气分级液压气压系统。具体地，图26中以部分截面描述的汽缸2601包括类似于结合图23描述的喷杆配置2660，其中水是经由一安装好的喷杆径向地喷射进入任意地定位的汽缸。如图所示，任意地定位的液压气压缸2601包括液压侧2603，其由活动的活塞2604与气压侧2602隔开。汽缸2601包括两个端盖(例如，机制钢挡块)2663、2565，其安装在打磨的圆柱形的管道2661的任一端部，典型地经由系杆或者其它众所周知的机械装置连接。活塞2604可滑动地设置在管道2661中，并经由密封件2667与其密封配合。端盖2665被加工有单个或多个端口2685，其允许液压液的流动。端盖2663被加工有单个或多个端口2686，其可允许空气和/或热交换流体进入。所示的端口2685、2686具有螺纹连接；然而，其它类型的端口/连接(例如，法兰)是可采用的，并且在本发明的范围内。
空心活塞杆2608连接于活动的活塞2604，并且在喷杆2660上滑动，喷杆2660被固定到汽缸2601上并与其共轴取向。喷杆2660延伸穿过活塞2604中的机械加工孔2669。活塞2604配置成沿着喷杆2660的长度自由地移动。随着活动的活塞2604向端盖2665移动，空心活塞杆2608延伸出汽缸2601，暴露出更多喷杆2660，这样全部气压侧2602暴露于热交换喷射(例如，参见图23B)。在该图示中的喷杆2660连接于端盖2663，并且与热交换液体端口2671流体连通。如图26所示，端口2671与端盖2663机械地连接并与之密封；然而，端口2671还可以是加工在端盖2663中的螺纹连接。空心活塞杆2608还允许经由位移换能器2674的位置测量和经由外部缓冲器2675的活塞阻尼。如图26所示，活塞杆2608通过带有活塞杆密封2672的机械加工孔，移动进出液压侧2603。
应该注意到，上述结合图9-13和15-23讨论的热传递子系统，还可以用于与高压气体存储系统(例如，储罐902)连用，以热调节储存在其中的压缩空气，如图27和28所示。一般地，这些系统按与上面描述的相同的方式布置和运行。
图27描述热传递子系统2750的使用，其结合气体贮藏系统2701用于此处描述的压缩气体储能系统，以在膨胀前和膨胀期间加快例如至压缩气体的热能传递。来自压力容器(2702a-2702d)的压缩空气使用气泵2752作为循环器流过循环换热器2754。气泵2752以小的足以循环的气压差运行，但是位于能经得起高压的壳体内。气泵2752使高压空气循环通过换热器2754，而没有实质上增加它的压强(例如，对于3000psi空气增加50psi)。这样，储存的压缩空气可通过开启阀门2704而阀门2706关闭被预热(或者预冷却)，而通过关闭阀门2704并开启阀门2706在膨胀期间加热或在压缩期间冷却。换热器2754可被设计为任何类型的标准换热器；此处示出为壳内管式换热器，其具有高压空气进口端和出口端2721a和2721b，以及低压壳体水口2722a和2722b。
图28描述热传递子系统2850的使用，其结合气体贮藏系统2801用于此处描述的压缩气体储能系统，以在膨胀前和膨胀期间加快例如至压缩气体的热能传递。在该具体实施例中，至压力容器中(2802a-2802b)储存的压缩气体的热能传输和来自其的热能传输利用使用水泵2852和换热器285的水循环方式被加快。水泵2852以小的足以循环和喷射的气压差运行，但是位于能经得起高压的壳体内。水泵2852使高气压水循环通过换热器2854，并喷射水进入压力容器2802，而没有实质上增加它的压强(例如对于3000psi储存的压缩空气内的循环和喷射增加100psi)。这样，储存的压缩空气可利用水循环和喷射方法被预加热(或者预冷却)，该方法还允许对压力容器2802的主动的水监控。
当阀门2806打开时，系统的喷射热交换在膨胀之前可发生作为预热或者在压缩之前可发生作为预冷却。换热器2854可被设计为任何类型的标准换热器；此处示出为壳内管式换热器，其具有高压进水口端和出口端2821a和2821b，以及低气压壳体水口2822a和2822b。由于液-液换热器趋向于比空气至液体热交换器有更高的效率，使用液-液换热器使得换热器尺寸可被降低和/或热传递可能得到改进。压力容器2802内的热交换通过主动液体(例如，水)喷射进入压力容器2802被加快。
如图28所示，穿孔的喷杆2811a、2811b被安装在每一压力容器2802a、2802b内。水泵2852将水压力增加到容器压强以上，这样水被主动地循环和喷射出杆2811a和2811b，如箭头2812a、2812b所示。喷射通过压力容器2802的体积后，水沉积到容器2802(参照2813a、2813b)的底部，然后被清除出排水端口2814a、2814b。水可循环通过作为闭合式水循环和喷射系统的一部分的换热器2854。
可替换的用于能量储存和再生的系统和方法结合图29-31进行描述。这些系统和方法类似于上面描述的能量储存和再生系统，但是使用不同的气压和液压自由活塞汽缸(通过机械边界机构彼此机械连接)，而非使用单个气压液压缸，例如增强器。这些系统允许热传递子系统调节膨胀(或者压缩)的气体，以从液压回路中分离。而且，通过机械地连接一个或多个气压缸和/或一个或多个液压缸，以便增加(或者共享)汽缸产生的(或者作用于汽缸的)推力，液压范围可以变窄，以使得液压马达/泵的操作效率更高。
结合图29-31描述的系统和方法一般地按照在两个或更多个汽缸之间传递机械能的原理运行，其利用机械边界机构来机械连接汽缸组件，并将单缸组件产生的线性运动转化至另一个汽缸组件。在一具体实施例中，第一汽缸组件的线性运动是由汽缸的一个容室中的气体膨胀并在汽缸内移动活塞引起的。由于第二汽缸组件中的线性运动驱动流体流出汽缸至液压马达，第二汽缸组件中的转化的线性运动被转变为液压马达的旋转运动。通过利用旋转发电机，旋转运动被转变为电力。
使用汽缸组件的压缩气体储能系统的基本操作结合图29-31描述如下：气体膨胀进入圆柱形的容室(即，气压缸组件)，其包含将容室一侧的气体与另一侧隔离开来的活塞或者其它机构，从而防止气体从一个容室移动到另一个容室，但允许推力/压力从一个容室传至另一个。连接于活塞并从其延伸的轴与尺寸适当的机械边界机构连接，该机械边界机构传力至也被活塞分成两个容室的液压缸的轴。在一具体实施例中，液压缸的活塞的有效面积小于气动活塞的面积，从而产生与活塞面积差成比例的增强的压强(即，液压缸中经受压缩的容室中的压强与气压缸中经受膨胀的容室中的压强比值)。在液压缸中加压的液压液可用于转动液压马达/泵(固定位移式或者可调位移式)，其轴可固定至旋转电动机/发电机的轴，以便产生电力。例如上面描述的热传递子系统可与这些压缩气体储能系统结合，来尽可能接近等温膨胀/压缩气体，以获得最高效率。
图29A和29B是一个系统的示意图，其用于使用压缩气体以操纵连接至单个双作用液压缸的两个串联连接的双作用气压缸，以驱动液压马达/发电机来产生电力(即气体膨胀)。如果马达/发电机是作为马达而非作为发电机运行，相同的机构可使用电力来产生加压的储存气体(即，气体压缩)。图29A描述了操作的第一阶段的系统，而图29B描述了操作的第二阶段的系统，其中气压缸的高压端和低压端是相反的，并且液压马达的轴的运行方向是相反的，如下文更详细的讨论。
一般地，气体的膨胀在多个阶段发生，使用低压和高压气压缸。例如，如图29A所示的两个气压缸的情形，高压气体在高压气压缸中膨胀，从最大压强(例如，3000PSI)膨胀到某中等压强(例如，300PSI)；然后该中等压强气体在单独的低压缸中进一步膨胀(例如，300PSI至30PSI)。这两分级连接至共同的机械边界机构，该机械边界机构传力至液压缸的轴。当两个气动活塞的每一个都达到它的活动范围的极限时，阀门或其它机构可被调节，来引导较高的压强气体至汽缸的两容室中，以及从汽缸的两容室中通风较低的压强气体，以便在相反方向上产生活塞运动。在该型式的往复式装置中，没有回缩行程或被动的行程，即，行程在双向都是供以动力的。
被气压缸驱动的液压缸的容室可被阀门或其它机构类似地调节，来产生返回行程期间的液压操纵。而且，可布设止回阀或其它机构，以便不管液压缸的哪个容室产生增压液体，液压马达/泵以相同的旋转被该流体驱动。在这样的系统中，当活塞运动反向时，转动液压马达/泵和电动机/发电机不反转它们的旋转方向，这样通过增加短期的能量存储装置，例如飞轮，由此得到的系统可用来连续地发电(即，在活塞反转期间不会中断)。
如图29A所示，系统2900包括第一气压缸2901，其被活塞2904分成两个容室2902、2903。汽缸2901在该说明性的具体实施例中以水平定位的方式示出，但其可任意地定位，其有一个或多个气体循环端口2905，它们通过管道2906和阀门2907、2908连接至压缩容器或存储系统2909。气压缸2901经由管道2910、2911和阀门2912、2913连接至第二气压缸2914，该第二气压缸2914在比第一气压缸低的压强下运行。两个汽缸2901、2914都是往复式，并串联(气动地)和并联(机械地)连接。两个汽缸2901、2914的串联连接指的是气体从高压汽缸2901的较低压强的容室被引导至低压汽缸2914的较高压强的容室。
来自容器2909的压缩空气驱动往复式高压汽缸2901的活塞2904。来自高压汽缸2901的较低的压强侧2903的中等压强气体被通过阀门2912输送至低压汽缸2914的较高压强的容室2915。气体从较低的压强汽缸2914的较低压强容室2916被通过阀门2917输送至通风孔2918。该布置的功能是降低汽缸联合运行的压强范围。
两个汽缸2901、2914的活塞轴2920、2919共同地沿箭头2922指示的方向移动机械边界机构2921。机械边界机构还与液压缸2924的活塞轴2923连接。由机械连接机构2921推动的液压缸2924的活塞2925压缩容室2926中的液压液。该受压的液压液通过管道2927被输送至止回阀2928的布置，该止回阀允许流体沿一个方向(由箭头所示)流过液压马达/泵(固定位移式或者可调位移式)，液压马达/泵的轴驱动电动机/发电机。为方便起见，液压泵/马达和电动机/发电机的组合显示为单个液压动力单元2929。处于较低压强的液压液被从液压马达/泵2929的输出端通过液压循环孔2931引导至液压缸2924的较低压强容室2930。
现在参照图29B，其描述了图29A的系统2900的第二操作状态，其中阀门2907、2913和2932是打开的，而阀门2908、2912和2917是关闭的。在该状态中，气体从高气压容器2909通过阀门2907进入高压气压缸2901的容室2903。较低压强气体经由阀门2913被从另一个容室2902排放至较低压强气压缸2914的容室2916。两个汽缸的活塞轴2920、2919共同地沿箭头2922指示的方向移动机械边界机构2921。机械边界机构2921将轴2919、2920的运动传递至液压缸2924的活塞轴2923。由机械边界机构2921推动的液压缸2924的活塞2925压缩容室2930中的液压液。该受压的液压液被通过管道2933输送至止回阀2928和液压动力单元2929的前述的布置。处于较低压强的液压液从液压马达/泵2929的输出端通过液压循环孔2935被引导至液压缸2924的较低压强容室2926。
如图29A和29B所示，液压缸2924的两个容室的工作容积差别在于轴2923的体积。由此带来的在如图29A和29B所示的两个行程方向期间从汽缸2924排出的流体体积的不平衡可由泵(未示出)或延伸通过汽缸2924的两个容室2926、2930的全部长度的轴2923来修正，这样两个工作容积相等。
如前面讨论的，此处描述的各个能量储存和再生系统的效率通过使用热传递子系统可被增加。因此，如图29A和29B所示的系统2900包括类似于上面描述的热传递子系统2950。一般地，热传递子系统2950包括流体循环器2952和换热器2954。子系统2950还包括两个方向控制阀2956、2958，它们经由汽缸2901、2914上的标识为A和B的空气端口对，有选择地将子系统2950连接至一个或多个气压缸2901、2914的一个或多个容室。典型地，端口A和B位于气压缸的端部/端盖上。例如，阀门2956、2958可被定位以使子系统2950在容室2903内的气体膨胀期间与容室2903流体连通，以便热调节在容室2903中膨胀的气体。气体可被前面描述的任何方法热调节，例如来自所选择的容室的气体可通过换热器循环。可替换地，热交换液体可循环流过所选择的空气容室，并且任何前面描述的用于热交换的喷射配置都可被使用。在膨胀(或压缩)期间，热交换液体(例如，水)可被循环器2954从容器中(未示出，但类似于上面针对图22的描述)吸取，循环通过液-液型式的换热器2954，该换热器可为具有输入端2960和输出端2962的壳管式型式，从壳体的输出端2962流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
图30A-30D描述了图29的系统的替换具体实施例，其被变更为有单个气压缸和两个液压缸。通过使用两个或多个液压缸可获得减小范围的液体压强，从而增加马达/泵和马达/发电机的效率。这两个汽缸连接至前述的机械的边界机构，用于与气压缸进行力传递。两个液压缸的容室连接于阀门、线路及其他机构，从而任一液压缸经过适当的调节，当它的轴被移动时可设置成没有阻力(即，不压缩流体)。
图30A描述了处在操作的一个阶段中的系统，其中两个液压活塞d都在压缩液压液。该配置的效果将减小传输至液压马达的液压范围，这是因为气压缸中压缩空气产生的力随膨胀而降低，并且储存在容器中的气体的压强降低。图30B描述了处在操作的一个阶段中的系统，其中只一个液压缸在压缩液压液。图30C描述了处在操作的一个阶段中的系统，其中液压缸的高压侧和低压侧连同轴的方向一起颠倒，并且只有较小内径的液压缸在压缩液压液。图30D描述了类似于图30C的处于操作的一个阶段中的系统，但是有两个液压缸在压缩液压液。
如图30A所示的系统3000类似于上面描述的系统2900，包括单个往复式气压缸3001和两个往复式液压缸3024a、3024b，其中一个液压缸3024a具有比另一个液压缸3024b更大的内径。在所示的操作状态中，来自容器3009的压缩空气进入气压缸3001的一个容室3002，并驱动滑动设置在气压缸3001内的活塞3005。来自气压缸3001的另一个容室3003的低压气体被通过阀门3007输送至通风孔3008。从设置在气压缸3001内的活塞3005伸出的轴3019沿箭头3022指示的方向移动机械连接的机械边界机构3021。机械边界机构3021还被连接到往复式液压缸3024a、3024b的活塞轴3023a、3023b。
在所示的当前操作状态，阀门3014a和3014b允许流体流至液压动力单元3029。来自两个汽缸3024a、3024b的加压液体经由管道3015被引导至止回阀3028和与马达/发电机连接的液压泵/马达的布置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端被引导至液压缸3024a、3024b的较低压强容室3016a、3016b。两个液压缸3024a、3024b的高压室3026a、3026b中的流体处于单一压强下，而且低压室3016a、3016b中的流体也处于单一压强下。事实上，两个汽缸3024a、3024b像单个汽缸那样工作，其活塞面积是两个汽缸的活塞面积的和，并且对于来自气动活塞3001的给定驱动力，其工作压强成比例地低于任一液压缸单独运行的工作压强。
现在参照图30B，其示出了图30A的系统3000的另一个运行状态。气压缸3001的动作和所有活塞的运动方向与图30A中的相同。在所示的运行状态中，以前关闭的阀门3033开启，以允许流体在较大的内径液压缸3024a的两个容室3016a、3026a之间自由地流动，从而在其活塞3025a的行程中出现最小抵抗力。来自较小内径的汽缸3024b的加压液体经由管道3015被引导至止回阀3028以及液压动力单元3029的前述的配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端被引导至较小内径液压缸3024b的较低压强容室3016b。事实上，在给定的力下，具有较小的活塞面积的液压缸3024b的工作提供了比如图30A所示的状态更高的液压，在图30A的状态中两个液压缸3024a、3024b以较大的有效活塞面积工作。通过阀门致动使一个液压缸停运，可获得较窄的液压范围。
现在参照图30C，其示出了图30A和30B的系统3000的另一个运行状态。在所示的操作状态中，来自容器3009的压缩空气进入气压缸3001的容室3003，驱动其活塞3005。来自气压缸3001的另一侧3002的低压气体被通过阀门3035输送至通风孔3008。作用在液压缸3024a、3024b的活塞3023a、3023b上的机械边界机构3021的动作方向与图30B所示的方向相反，如箭头3022所示。
在图30A中，阀门3014a、3014b是打开的，并允许流体流至液压动力单元3029。来自两个液压缸3024a、3024b的加压液体经由管道3015被引导至止回阀3028和液压动力单元3029的前述配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端被引导至液压缸3024a、3024b的较低压强容室3026a、3026b。两个液压缸3024a、3024b的高压室3016a、3016b中的流体处于单一压强下，而且低压室3026a、3026b中的流体也处于单一压强下。事实上，两个液压缸3024a、3024b像单个液压缸那样工作，其活塞面积是两个液压缸的活塞面积的和，并且对于来自气动活塞3001的给定驱动力，其工作压强成比例地低于任一液压缸3024a、3024b单独运行的工作压强。
现在参照图30D，其示出了图30A-30C的系统3000的另一个运行状态。气压缸3001的动作和所有运动活塞的运动方向与图30C中的相同。在所示的运行状态中，以前关闭的阀门3033开启，以允许流体在较大的内径液压缸3024a的两个容室3026a、3016a之间自由地流动，从而在其活塞3025a的行程中出现最小抵抗力。来自较小内径的汽缸3024b的加压液体经由管道3015被引导至止回阀3028和液压动力单元3029的前述的配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端被引导至较小内径液压缸3024b的较低压强容室3026b。事实上，在给定的力下，具有较小的活塞面积的液压缸3024b的工作提供了比如图30C所示的状态更高的液压，在图30C的状态中两个液压缸以较大的有效活塞面积工作。通过阀门致动使一个液压缸停运，可获得较窄的液压范围。
可以给汽缸3024b增加额外的阀门，这样它可被停运，以提供另一有效的液压活塞面积(考虑到3024a和3024b不是相同直径的汽缸)，从而在给定的气压范围内，一定程度上进一步降低液压液的范围。同样地，可以增加额外的液压缸和阀门布置以对于给定的气压范围，实质上进一步降低液压液范围。
上面描述的其中有两个或更多个液压缸由单个气压缸驱动的示例性的系统3000的操作如下。假定一定量高压气体已经被引入该汽缸的一个容室，随着气体开始膨胀，移动活塞，力通过活塞轴和机械边界机构被传递至两个液压缸的活塞轴。在膨胀阶段期间的任一点，液体压强将等于力除以作用的液压活塞面积。在行程开始时，当气压缸中的气体刚开始膨胀时，它产生最大的力；该力(忽略摩擦损失)作用在液压缸的联合的总活塞面积上，产生某一液压输出压强HPmax。
随着气压缸中的气体继续膨胀，它施加的力减少。因此，活动汽缸的压缩室中产生的压强降低。在该过程中的某一个点，连接于液压缸中的一个的阀门及其他机构被调节，以便在它的两个容室之间的流体可自由地流动，并因此使得活塞行程中没有阻力(再次忽略摩擦损失)。气压缸产生的力所驱动的有效活塞面积因此减少，从两个液压缸的活塞的面积减至一个液压缸的活塞的面积。随着面积的减小，对于给定的力，输出的液体压强增大。如果仔细地选择该转换点，液体输出压强在转换后立即回到HPmax。例如，在使用两个相同的液压缸时，转换压强会在位于一半压强点处。
随着气压缸中的气体继续膨胀，液压缸产生的压强减小。当气压缸达到它的行程的终点时，产生的推力处于最低点，即是液体输出压强的最低点HPmin。对于适当选择的液压缸活塞面积的比值，使用两个液压缸获得的液体压强范围HR＝HPmax/HPmin将等于单个气压缸获得的范围HR的平方根。该结论的证明如下。
对于从高压HPmax至低压HPmin的给定的输出液体压强范围HR1，即HR1＝HPmax/HPmin，将其分成两个等量的压强范围HR2。第一个范围从HPmax降至某一中等压强HPI，且第二个范围从HPI降至HPmin。因此，HR2＝HPmax/HPI＝HPI/HPmin。由此比例等式，HPI＝(HPmax/HPmin)1/2。在HR2＝HPmax/HP1中代入HPI，我们得到HR2＝HPmax/(HPmax/HPmin)1/2(HPmaxHPmin)1/2＝HR1 1/2。
因为HPmax是由两个液压缸的合并的活塞面积(HA1+HA2)决定的(对于由气压缸产生的给定的最大力)，而HP1由选择何时停用第二汽缸(即，随着推力下降，处于何等级的力)和单个运行的汽缸的面积HA1共同地决定，所以可以选择转换推力点和HA1，以便产生期望的中间输出压强。类似地，可以证明，通过适当的汽缸尺寸和转换点的选择，增加第三汽缸/分级会降低运行压强为立方根，等等。通常，N个适当尺寸的汽缸可降低原来的运行压强范围HR1至HR1 1/N。
而且，对于使用多个气压缸的系统(即，将空气膨胀分成多个分级)，液体压强范围可进一步地降低。对于给定的膨胀，对于M个适当尺寸的气压缸(即，气压空气分级)，单个行程的原来的气压运行压强范围PR1可减小为PR1 1/M。因为对于给定的液压缸配置，每一行程中输出液压范围与气压运行压强范围直接成正比，同时合并M个气压缸与N个液压缸可实现压强范围减小到1/(N×M)次幂。
此外，如图30A-30D所示的系统3000还可以包括类似于上面描述的的热传递子系统3050。一般地，热传递子系统3050包括流体循环器3052和换热器3054。子系统3050还包括两个方向控制阀3056、3058，其经由汽缸3001上的标识为A和B的空气端口对，有选择地将子系统3050连接至气压缸3001的一个或多个容室。例如，阀门3056、3058被定位以使子系统3050在容室3003内的气体膨胀期间与容室3003流体连通，以便热调节在容室3003中膨胀的气体。气体可通过任何前面描述的方法被热调节。例如，在膨胀(或压缩)期间，热交换液体(例如，水)被循环器3054从容器中(未示出，但类似于上面结合图22的描述)吸取，循环通过液-液型式的换热器3054，该换热器可为具有输入端3060和输出端3062的壳管式型式，从壳体的输出端3062流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
图31A-31C描述了图30的系统的替换具体实施例，其中两个并列的液压缸已经替代为两个伸缩的液压缸。图31A描述了处在操作的一阶段中的系统，其中只有内部的、较小内径液压缸在压缩液压液。该配置的效果将减小传输至液压马达的液压范围，这是因为气压缸中压缩空气产生的力随膨胀而降低，并且储存在容器中的气体的压强降低。图31B描述了处在操作的一阶段中的系统，其中内部汽缸活塞已经在行程方向上移到它的极限，并且不再压缩液压液，而外部的、较大内径的汽缸正压缩液压液，而完全延伸的内侧的汽缸像大内径汽缸的活塞那样工作。图31C描述了处在操作的一阶段中的系统，其中汽缸和马达的运动的方向反向，并且只有内侧的较小内径汽缸在压缩液压液。
图31A所示的系统3100类似于上面描述的那些，包括单个往复式气压缸3101和两个往复式液压汽缸3124a、3124b，其中一个汽缸3124b是伸缩地设置在另一个汽缸3124a的内部。在所示的操作状态中，来自容器3109的压缩空气进入气压缸3101的一个容室3102，并驱动滑动设置在气压缸3101内的活塞3105。来自气压缸3101的另一个容室3103的低压气体被通过阀门3107输送至通风孔3108。从设置在气压缸3101内的活塞3105伸出的轴3119沿箭头3122指示的方向移动机械连接的机械边界机构3121。机械边界机构3121还被连接到伸缩地布置的往复式液压缸3124a、3124b的活塞轴3123。
在所示的运行状态中，整个较小内径汽缸3124b作为较大的内径液压缸3124a的大的活塞3125a的轴3123。活塞3125a和较小内径汽缸3124b(即，大的内径液压缸3124a的轴)沿着箭头3122指示的方向被机械边界机构3121移动。来自大的内径汽缸3124a的较高的压强容室3126a的压缩的液压液通过阀门3120，至止回阀3128和液压动力单元3129的配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端经由阀门3118，被引导至液压缸3124a的较低压强容室3116a。在这一运行状态中，较小内径汽缸3124b的活塞3125b保持与其静止，并且没有液体流入或流出它的任何一个容室3116b、3126b。
现在参照图31B，其示出了图31A的系统3100的另一个运行状态。气压缸3101的动作和活塞的运动方向与图31A中的相同。在图31B中，活塞3125a和较小内径汽缸3124b(即，较大的内径液压缸3124a的轴)已经移到它的活动范围的末端，并停止相对于大的内径汽缸3124a移动。现在阀门开启，这样较小内径汽缸3124b的活塞3125b动作。来自较小内径汽缸3124b的较高的压强容室3126b的加压液体通过阀门3133，被引导至回阀3128和液压动力单元3129的前述的配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端经由阀门3135，被引导至较小内径液压缸3124b的较低压强容室3116b。如此，在液压侧的有效活塞面积在空气膨胀期间被改变，从而对于给定的气压范围，缩减了液体压强范围。
现在参照图31C，其示出了图31A和31B的系统3100的另一个运行状态。气压缸3101的动作和活塞的运动方向与图31A中所示的相反。因为在图31A中，只有较大的内径液压缸3124a被激活。较小内径汽缸3124b的活塞3124b保持与其静止，并且没有液体流入或流出它的任何一个容室3116b、3126b。来自大的内径汽缸3124a的较高的压强容室3116a的压缩的液压液通过阀门3118，至止回阀3128和液压动力单元3129的前述的配置，从而产生电力。处于较低压强的液压液从液压马达/泵的输出端经由阀门3120，被引导至大的内径液压缸3124a的较低压强容室3126a。
进一步地，在系统3100的另一运行状态中，活塞3125a和较小内径液压缸3124b(即，大的内径液压缸3124a的轴)已经沿着图31C中指示的方向移动到它们尽可能远的地方。然后，如图31B所示，但在行程的相反方向上，较小内径液压缸3124b成为驱动马达/发电机3129的激活的汽缸。
还应该清楚，以串联(气压和/或液压)和并联或(机械地)伸缩的方式增加在逐步降低的压强下运行的汽缸的原理可运用至气压侧、液压侧或两者都可的两个或更多个汽缸上。
此外，如图31A-31C所示的系统3100还可以包括类似于上面描述的的热传递子系统3150。一般地，热传递子系统3150包括流体循环器3152和换热器3154。子系统3150还包括两个方向控制阀3156、3158，其经由汽缸3101上的标识为A和B的空气端口对，有选择地将子系统3150连接至气压缸3101的一个或多个容室。例如，阀门3156、3158可被定位以使子系统3150在容室3103内的气体膨胀期间与容室3103流体连通，以便热调节在容室3103中膨胀的气体。气体可通过任何前面描述的方法被热调节。例如，在膨胀(或压缩)期间，热交换液体(例如，水)被循环器3154从容器中(未示出，但类似于上面结合图22的描述)吸取，循环通过液-液型式的换热器3154，该换热器可为具有输入端3160和输出端3162的壳管式型式，从壳体的输出端3162流向环境换热器或流向过程热源、冷水源或其它外部热交换介质源。
在描述完本发明的一些具体实施例后，对于本领域普通技术人员来说，可能使用其它结合此处公开的构思的实施方式，那是显而易见的，没有脱离本发明的精神和范围。所描述的具体实施例应该从整体上被认为只是作为说明性的和非限制性的实例。
下面为权利要求。

Claims (20)

1.一种使用热调节的压缩流体来储存和再生电能的分级能量转换系统，该系统包括：
具有第一容室和第二容室的汽缸组件，容室被设置在汽缸内的可滑动活塞分隔开；
与汽缸组件相连的传动系统，其中该传动系统配置成在膨胀阶段将势能转换为电能，以及在压缩阶段将电能转换为势能；以及
热传递子系统，与汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个流体连通。
2.如权利要求1所述的系统，其中的汽缸组件包括气压缸。
3.如权利要求1所述的系统，其中热传递子系统还包括：
流体循环设备；以及
热传递流体容器，其中流体循环设备被设置为将热传递流体从容器泵入汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个中。
4.如权利要求3所述的系统，还包括设置在汽缸组件的第一容室或者第二容室的至少一个内的喷射机构，用于引入热传递流体。
5.如权利要求4所述的系统，其中喷射机构为喷头或喷杆中的至少一个。
6.如权利要求3所述的系统，其中热传递子系统还包括换热器，换热器包括：
与流体循环设备和热传递流体容器流体连通的第一侧；和
与热传递流体源流体连通的第二侧，其中流体循环设备使流体循环，从热传递流体容器通过换热器，然后流至汽缸组件。
7.如权利要求2所述的系统，其中传动系统包括：
通过活动的机械边界机构机械地连接至气压缸的液压缸，机械边界机构在气压缸和液压缸之间传递能量；以及
流体地连接至液压缸的液压动力单元，其配置成驱动电动机/发电机来再生电能，并且被电动机/发电机驱动来贮存势能。
8.如权利要求1所述的系统，其中汽缸组件包括与低压气压缸流体地连接的高压气压缸。
9.如权利要求3所述的系统，还包括至少一个温度传感器，其与汽缸组件的至少一个容室连通，或者与热传递子系统流出的流体连通。
10.如权利要求9所述的系统，还包括控制系统，用于接收来自该至少一个温度传感器的遥测数据，以便至少部分基于接收的遥测数据控制热传递子系统的操作。
11.一种使用热调节的压缩流体来储存和再生电能的分级液压气压能量转换系统，该系统包括第一和第二连接的汽缸组件，其中：
系统包括至少一个含有多个分级的气压侧和至少一个液压侧，所述的至少一个气压侧和所述的至少一个液压侧被至少一个活动的机械边界机构分隔开，机械边界机构在两者之间传递能量；以及
与所述的至少一个气压侧流体连通的热传递子系统。
12.如权利要求11所述的系统，其中第一汽缸组件包括至少一个气压缸，第二汽缸组件包括至少一个液压缸，而且第一和第二汽缸组件通过所述的至少一个活动的机械边界机构机械地连接。
13.如权利要求11所述的系统，其中第一汽缸组件包括在第一压力比下传递机械能的蓄能器，第二汽缸组件包括在大于第一压力比的第二压力比下传递机械能的增强器。
14.如权利要求13所述的系统，其中第一汽缸组件和第二汽缸组件是通过流体连接的。
15.如权利要求11所述的系统，其中热传递子系统还包括：
与所述的至少一个气压侧流体连通的循环设备，用于使流体循环通过所述的热传递子系统；并且
换热器包括：
与循环设备和所述至少一个气压侧流体连通的第一侧；和
与基本上恒温的液体源流体连通的第二侧，
其中所述的循环设备使流体循环，从所述至少一个气压侧经由所述的换热器，然后回到所述的至少一个气压侧。
16.如权利要求15所述的系统，还包括控制阀配置，用于系统的所述至少一个气压侧的分级之间有选择地连接。
17.如权利要求11所述的系统，其中热传递子系统还包括：
流体循环设备；以及
热传递流体容器，
其中流体循环设备被设置为将热传递流体从容器泵入系统的所述至少一个气压侧内。
18.如权利要求17所述的系统，其中每一汽缸组件都具有一气压侧，并且还包括控制阀配置，用于有选择地将第一汽缸组件的气压侧和第二汽缸组件的气压侧连接至流体循环设备。
19.如权利要求17所述的系统，还包括设置在所述至少一个气压侧的喷射机构，用于引入热传递流体。
20.一种使用热调节的压缩流体来储存和再生电能的分级液压气压能量转换系统，该系统包括：
至少一个汽缸组件，其包括由活动的机械边界机构分隔的气压侧和液压侧，机械边界机构在两者之间传递能量；
压缩气体源；以及
与至少一个汽缸组件的气压侧或者所述的压缩气体源流体连通的热传递子系统。
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