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CN103930654A - 用于在压缩空气能量存储系统中高效两相传热的系统和方法 - Google Patents

用于在压缩空气能量存储系统中高效两相传热的系统和方法 Download PDF

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CN103930654A
CN103930654A CN201280035332.2A CN201280035332A CN103930654A CN 103930654 A CN103930654 A CN 103930654A CN 201280035332 A CN201280035332 A CN 201280035332A CN 103930654 A CN103930654 A CN 103930654A
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cylinder
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CN201280035332.2A
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B·保林格
J·贝塞特
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D·凯普夏尔
A·拉文
A·罗尔丁克
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Abstract

本发明涉及各种实施方式,泡沫被压缩以存储能量和/或被膨胀以恢复能量。

Description

用于在压缩空气能量存储系统中高效两相传热的系统和方法
相关申请
本申请要求于2011年5月17日提交的美国临时专利申请No.61/486,937、于2011年5月25日提交的美国临时专利申请No.61/489,762、于2011年7月29日提交的美国临时专利申请No.61/512,981、于2011年12月12日提交的美国临时专利申请No.61/569,528、于2012年2月22日提交的美国临时专利申请No.61/601,641以及于2012年4月4日提交的美国临时专利申请No.61/620,018的权益和优先权。由此,将上述每个申请的全部内容通过引用包含于此。
关于联邦赞助研究的声明
本发明是在由NSF颁发的IIP-0923633和由DOE颁发的DE-OE0000231的政府支持下进行的。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
在各种实施方式中,本发明涉及气体力学、水力学、发电和储能,并且尤其涉及利用气动缸、气动/液压缸、和/或液压缸来进行能量存储和恢复的系统和方法。
背景技术
以压缩气体的形式存储能量有着悠久的历史,并且所用部件经过良好测试并且可靠,还具有长的使用寿命。压缩气体或压缩空气能量存储(CAES)的一般原理是:生成的能量(例如电能)用于压缩气体(例如空气),由此将原始能量转换成压力势能;这种势能随后经由耦合至合适机构上的气体膨胀而以有用形式恢复(例如,转换回电力)。压缩气体能量存储的优点包括特定能源成本低、寿命长、维护成本低、能量密度可观和可靠性好。
如果气体主体所处的温度与其环境相同,并且相对于气体和其环境之间的热交换速率缓慢地发生膨胀,则气体将在其膨胀时保持大致恒定的温度。这种过程被称为“等温”膨胀。以给定温度存储的一定量高压气体的等温膨胀比“绝热膨胀”(即,膨胀时在气体和其环境之间不发生热交换--例如,由于膨胀发生地很快或处于隔热室中)时多恢复了大约三倍的功。气体也可以等温或绝热地被压缩。
压缩、存储和膨胀的理想等温储能周期将具有100%的热力学效率。理想绝热储能周期也将具有100%的热力学效率,但绝热的方法具有许多实际缺陷。这些缺陷包括在系统内产生较高的温度和压力极限,存储期间的热损失以及不能够在膨胀和压缩期间分别地利用环境的(例如废热发电的)热源和汇。在等温系统中,虽然解决了绝热方法中的难题,但随之而来的是增加热交换系统的成本。在这两种情况下,由于气体膨胀而产生的机械能通常在使用前必须被转换成电能。
利用近等温气体压缩和膨胀的以压缩气体形式存储能量的有效和新颖的设计已经在2009年4月9日提交的美国专利No.7,832,207('207专利)和2010年2月25日提交的美国专利No.7,874,155('155专利)中描述和示出,它们的全部内容通过引用包含于此。'207和'155专利公开了用于在分级气缸中等温地膨胀气体的系统和技术以及用于大压力范围以在需要时生成电能的增强器。气体膨胀产生的机械能可以用于驱动产生电力的液压泵/电机子系统。可以用在如'207和'155专利中公开的系统和方法中的用于液压气动压力增强的系统和技术在2010年9月10日提交的美国专利No.8,037,678('678专利)中描述和示出,它们的全部内容通过引用包含于此。
在'207和'155专利公开的系统中,在通过气缸中的气体膨胀从存储状态恢复能量的过程中,产生往复机械运动。这种往复运动可以通过多种技术转换成电力,这些技术例如在'678专利以及2011年2月14日提交的美国专利No.8,117,842('842专利)中公开,它们的全部内容通过引用包含于此。对本领域内熟知电动和气动机械的技术人员来说,这些系统存储能量(即,利用能量将气体压缩到存储库中)或产生能量(即,膨胀存储库中的气体以释放能量)的能力是显而易见的。
通过将热交换液体与气体混合而接近气体的等温膨胀和压缩的能量存储系统的功率密度(基于体积或质量)可以被限定为:系统可以转换到存储形式或从存储中提取的最大持续功率(千瓦,kW)除以系统的体积(m3)或质量(kg)。因此,能量存储系统的功率密度(无论基于体积或质量)可以具有kW/m3或kW/kg的单位。一般来说,功率密度较高的能量存储系统一般能够比功率密度较低的同类系统更经济地存储和恢复能量,即,其使用的系统的寿命期间的平均值将在每千瓦时需要更少的存储和恢复百分比
可以通过多种技术提高功率密度;一种技术是增加通过热交换液体和气体交换热能量的速率。实现热交换液体和气体之间的快速热交换的一种技术是将液体作为雾滴或液滴喷洒到气体中,与紧凑形状(例如单个圆柱体或球形)的相同体积的液体的表面积相比,这能够增加给定体积液体的表面积。然而,在许多应用中,甚至期望更快速的热交换,而越来越小的热交换液滴尺寸(即,用于增加热交换表面积)可能难以或不可能实现。因此,需要一种用于热交换流体和气体之间的更快速的热交换的系统和技术,气体在压缩气体能量存储和恢复系统中将被或正被压缩和/或膨胀。
发明内容
本发明的实施方式通过下述方式提升了使用液体和气体之间的热交换以在气缸中大致等温地(恒定温度)膨胀和压缩气体的能量存储和恢复系统的性能:将液体和气体混合以形成水基泡沫,这增加了液体的表面积并且有助于与气体的快速热交换,因而提供了功率密度。相比于气体与具有更紧凑形状(例如单个气缸)的液体接触或气体被分成多个具有更紧凑形状(例如,球状体,即使这些球状体非常小)的主体,当液体和气体混合为泡沫时,热量通常被更快速地交换。如上所述,在气体大致等温地膨胀和压缩的能量存储和恢复系统中,加速的热交换是有利的(例如,支持更高的系统功率密度)。本发明的实施方式允许泡沫的性质(例如气泡(即,“泡沫单元”)的大小、含气率)在系统操作期间改变,提供了在下文详述的各种优势。本文中,泡沫的含气率(也被称为“气体分数”)被定义为由气体占据的给定体积的泡沫的分数。
水基泡沫是两相系统(即,既包含气体又包含液体的系统),其中,大体积分数的气体被分散成连续液体基质中的气泡或单元(如在J.B.Winterburn和P.J.Martin,“Mechanisms of ultrasound foam interactions,”Asia-Pac.J.Chem.Eng.2009:4:184–190中讨论的,其全部内容通过引用包含于此)。这些气泡由通常通过混合表面活性剂(即,包括优先聚积在液气界面上的表面活性的、两亲分子,或实质上由其组成的物质)稳定的液膜包含。这些液膜通常在其交点处互连,在整个泡沫结构中形成连续的液相。具体泡沫的结构根据其液体含量而变化;泡沫可以相应地被分成两大类。“湿泡沫”实质上由大致球形的气泡(由厚液膜分离)组成。在湿泡沫中的完美球形的密闭的气泡的限制下,几何结构确定了泡沫中的含气率按体积算大约为0.74。含气率大于约0.74的泡沫为“干泡沫”,其中,多面体气体单元由薄液片(即,壁或隔膜)分离。发明的实施方式利用湿和/或干水基泡沫。
在本发明的实施方式中,气动压缩机-膨胀器气缸(本文称为“气缸”)通过可滑动布置的活塞被分成两个室,其中至少一个(本文称为“空气室”)可以包含气体或气液混合物(例如泡沫)。待膨胀或压缩的气体可以被引入到空气室中;液体(本文称为“热交换液体”)也可以被引入到空气室中。可以通过空气室内的流体或通过杆对活塞施加力,所述杆与气缸对齐、穿过气缸一端中的合适端口并且连接到气缸外部的机械设备(例如曲柄轴)。
在本发明的一种实施方式中,液体和气体在膨胀或压缩气体的气缸外部的腔室或容器中混合以形成泡沫(即,液体和气体“起泡”)。具体地,可以使用在搅动、喷洒或以其他方式积极改变时促进与空气(或另一种合适的气体)的起泡的液体。这种液体的一个实例是包含例如2%-5%的特定添加剂(例如表面活性剂)的水,这些添加剂中的一些在于2011年4月8日提交的序列号为13/082,808的美国专利申请('808申请)中描述,其全部内容通过引用包含于此。泡沫通过适当的机构(例如带阀的端口)通入到气缸的空气室中。无论何时气体和液体彼此接触,都会在它们之间发生热能的交换,但当起泡增加了气体和液体彼此接触的表面积时,这种热能的交换更加迅速地发生。在各种操作状态中,气缸的空气室可以不包含泡沫、部分地由泡沫填充或基本上由泡沫填充。
在本发明的各种实施方式中,液体和气体起泡的室或容器是用于高压(例如大约3000psi)气体的存储库。趋向于与泡沫分离的液体可以聚积在库的底部,并且可以通过喷头或其他泡沫生成机构再循环到库中,以在存储库内维持或再生成一定量的泡沫。
在本发明的各种实施方式中,处于期望温度(例如相较较冷或相对较热)的泡沫(或泡沫的分离液态组分)可以转入到容器中,以在其中存储有效能(exergy)。此处,系统的有效能(例如容器的流体内容物)是理想情况下使系统与环境实现热均匀而做的功的最大量。此处,以存储有效能为目的而存储相对较冷或相对较热的液体的容器被称为“热井”。
在本发明的各种实施方式中,液体和气体在专用设备(本文称为“混合室”)中气泡,该专用设备可以利用喷洒、排出、鼓泡、穿过填充床或固态泡沫的通路、起雾、悬浮液滴的喷洒和/或其他途径来产生泡沫。如本文所使用的,“鼓泡器(sparger)”是用于将泡沫(通常是液体含量较低的泡沫)和/或气体引入液体和/或泡沫(通常是液体含量较高的泡沫)中以与其生成泡沫的机构。
在某些实施方式的各种操作状态中,泡沫可以被导入容器或腔室(例如,位于在存储库和混合室之间或一个气缸的空气室和另一气缸的空气室之间连通的流体路径上)中以将泡沫的液态和气态组分分离。这样的容器或腔室在本文中被称为“分离器”。泡沫的部分分离或基本上完全分离可以发生在分离器、气缸、混合室、存储库和其他部件(例如管)中。在分离器或其他部件中从泡沫分离的液体可以穿过热交换器以改变其温度,或者以其他方式处理或加工,并且再次导入到系统的另一部分中的泡沫生成设备(例如混合室)中。
流体泡沫可以穿过一个或多个筛、粗筛或固体泡沫(它们在本文中都被称为“筛”)以控制泡沫质量(例如:气泡均匀度、平均气泡大小)。这样的筛可以被构造为允许在各种操作状态中改变气泡的大小:例如,大体上接触的两个穿孔板可以相对于彼此滑动,以允许穿过不同大小气泡的方式对齐或不对齐它们的穿孔。也可以利用声音振动(例如超声)刺激(例如在混合室中)流体泡沫以影响泡沫中单元(气泡)的大小和均匀度。
在各种操作状态中,气体或气液混合物可以从旁路绕过混合室。例如,当气体从存储器中膨胀时,阀和管道可以配置成使气体穿过混合室以起泡。然而,当气体被压缩到存储器中时,压缩气体或泡沫可以通过旁路(例如管道)路由,而不通过混合室。通过旁路路由气体一般将比路由通过混合室消散更少的能量,由此提升系统效率。
在本发明的各种实施方式中,除了在气缸外部生成泡沫之外或者作为对其的替代,可以通过经由例如喷头或其他泡沫生成设备将液体直接注入到气缸的空气室中而生成泡沫。
在本发明的各种实施方式中,可以在气缸的空气室中利用声音振动(例如超声)刺激泡沫以加速泡沫的气态和液态组分之间的热交换。声音振动可以通过各种机制(例如,设置在气泡或单元的液气交界面上的表面波,或者通过薄片和普拉特奥(Plateau)边界增加流量)加速泡沫的气态和液态组分之间的这种热交换。
本发明的各种实施方式可以包括下述部件中的一个或多个:混合室、分离器、旁路、筛、超声发生器、在不同压力范围内操作的两个或多个气缸的组件、以及其他部件。如其全部内容通过引用包含于此的美国专利No.7,802,426('426专利)中所述,经历压缩或膨胀的可压缩的流体(例如,气体或泡沫)可以连续地或分期地导入通过气缸外部的热交换子系统。热交换子系统将热量排到环境中(以冷却经历压缩的流体),或者从环境中吸收热量(以加热经历膨胀的流体)。同样,可以通过明智地选择这种热交换速率而接近等温过程。
一般来说,本文描述的系统可以在膨胀模式和相反的压缩模式中操作为具有高效率的全循环能量存储系统的一部分。例如,这些系统可以既操作成压缩机又操作成膨胀器,以压缩气体势能的方式存储电力并且从压缩气体的势能产生电力。可选地,这些系统可以独立地操作成压缩机或膨胀器。
本发明的实施方式通常用在利用压缩气体的能量存储系统中。在压缩气体能量存储系统中,以高压(例如大约3000psi)存储气体。该气体可以膨胀到具有第一隔室(或“室”)和第二隔室的气缸中,第一和第二隔室由可滑动地布置在气缸内的活塞(或另一边界机构)分离。轴可以耦接到活塞上并且延伸穿过气缸的第一隔室和/或第二隔室,并且超出气缸的端帽,而且,传输机构可以耦接到轴上以将轴的往复运动转换成旋转运动,如'678和'842专利中所述。此外,电动机/发电机可以耦接到传输机构上。可选地或此外,气缸的轴可以耦接到一个或多个直线发电机上,如'842专利中所述。
也如在'842专利中所述的那样,通过在给定时间内膨胀给定量的气体所产生的力的范围可以通过添加多个串联连接的气缸阶段而降低。即,由于来自高压库的气体在第一高压气缸的一个室中膨胀,来自第一气缸的另一室的气体被导向第二较低压气缸的膨胀室中。来自该第二气缸的较低压室的气体可以排出到环境中或者被导向以更低压操作的第三气缸的膨胀室中;该第三气缸可以类似地连接到第四气缸;依此类推。
该原理可以扩展到不止两个的气缸以适应具体的应用。例如,通过使第一高压气缸在例如大约3000psig和大约300psig之间操作并且使第二较大容积的、较低压气缸在例如大约300psig和大约30psig之间操作来实现用于给定范围的库压力的较小范围的输出力。当使用两个膨胀气缸时,各个气缸内的压力范围(进而各个气缸产生的力的范围)降低为相对于使用单个膨胀气缸的压力(或力)的范围的平方根,例如,从大约100:1至大约10:1(如'842专利中列举的)。此外,如'678专利中所述,N个适当大小的气缸可以将原始操作压力范围R降到R1/N。以这种方式级联的N个气缸的任意组(其中N≥2)在本文中被称为气缸组。
本发明的实施方式提出了使用正位移泵来有效地循环相对高压的液体,例如用于产生用于在气缸组件内进行大致等温的膨胀和压缩的液体喷雾和/或水基泡沫的液体,最终获得了整个能量存储和能量恢复过程的效率收益。这些正位移泵可以是管塞式泵、旋转正位移泵(例如螺杆泵、渐进式空腔泵)或其他类型的泵。如其全部内容通过引用包含于此的2011年1月19日提交的序列号为13/009,409的美国专利申请('409专利)中所公开的,可以利用下述泵来实现高压流体的有效循环:高入压、低差压泵,例如具有流体填充的室的往复、双重作用、正位移泵,该室具有将活塞一侧的流体与另一侧的流体分开的活塞或其他机构;或者利用螺杆泵、渐进式空腔泵或其他旋转正位移泵。
本发明的各种实施方式利用旋转正位移泵(例如螺杆泵)来使得能够高能效地将已经处于高压(例如,从大约1000磅每平方英寸表压[psig]至大约3000psig,或者更高)的流体泵到更高的压力(例如,比输入压力高大约50psig)。这种泵的有益应用包括但不限于:(1)将泡沫、起泡液或液体喷雾引入到存储加压气体的容器中,产生的泡沫或喷雾使得向或从气体转移热量;(2)高能效地将泡沫、起泡液或液体喷雾引入到包含加压气体的室,其中,泡沫、起泡液或喷雾使得气体能够在室内进行大致等温的膨胀或压缩。
本文中,螺杆泵是使用一个或多个螺杆以压缩流体的正位移泵;“正位移泵”是限制一定体积的流体并随后移动(位移)该流体,并在此过程中可能将其压缩;并且“螺杆”是沿其长度具有螺旋脊或螺纹的杆。通常,在螺杆泵中,螺杆与互补表面啮合,该互补表面由一个或多个配套部件(例如壳体、或一个或多个其他螺杆)以下述方式限定:一个或多个大致螺旋形的流体容积被限制在螺杆表面和互补表面之间。随着螺杆旋转,流体在螺杆的一端被通入,限制在大致螺旋形的容积中,沿着螺杆纵向移动,同时可能经历压缩,并且在螺杆的另一端被逐出或排出。在螺杆的螺距纵向变化的螺杆泵中,限制在螺杆和互补表面之间的流体容积随着其沿着螺杆纵向移动而被压缩。压缩流体的螺杆泵通常被称为螺杆压缩机。包括单螺杆、双螺杆和三螺杆泵的各种设计的螺杆泵和压缩机,以及这些泵和压缩机的性质和特点对足够熟悉压缩机和泵的原理的技术人员来说是公知的。本文中,术语“螺杆泵”通常指双螺杆型或三螺杆型的螺杆压缩机,但其他类型的螺杆泵或旋转正位移泵(包括但不限于:Wendelkolben泵、螺旋扭曲罗茨泵和离心螺杆泵)的使用也是可以考虑的并且在本发明的范围内。
对熟悉压缩机和泵的原理的技术人员来说显而易见的是:原则上,能够压缩流体的螺杆泵可以反向操作成膨胀器。在这种反向操作中,较高压力的流体在旋转螺杆的一端通入,限制在螺杆和互补表面之间的大致螺旋形容积中,并且随着所限制的容积膨胀而沿着旋转螺杆纵向地移动。该流体(其压力比通入时的压力更低)从螺杆的与通入流体的一端相对的一端排出。
本发明的实施方式还在压缩模式中通过预压缩机增加气缸组的进气室内的最小或起始压力。如其全部内容通过引用包含于此的2011年5月18日提交的美国专利No.8,104,274('274专利)中所公开的,在气缸组的进气室之前预压缩空气可以用于增加压缩气体能量存储系统的功率密度。此外,将气体以高于大气压的压力从气缸组排出可以增加功率密度。留在排出的超大气压力气体中的该势能中的至少一些可以在膨胀器设备中恢复。在通过预压缩机增加起始压力的各种实施方式中,预压缩机可以包括叶片式风机(例如径向离心式、轴式)或正位移式风机(例如叶式)或泵(例如螺杆泵),或实质上由其组成。在气缸组排出压力是超大气压力的各种实施方式中,膨胀器可以包括第二单向设备或与双向操作的预压缩机相同的设备,或者实质上由其组成。可以用作膨胀器的这些设备的实例包括叶片式膨胀器(例如径向离心式、轴式)和正位移式膨胀器(例如活塞式)和泵/电机(例如螺杆泵/电机)。
例如,当螺杆泵操作为预压缩机时,其做功以压缩穿过泵的流体。由泵外部的机构(例如电动机)提供这种能量。例如,当螺杆泵操作为膨胀器时,气体对泵和泵所连接到的任何机构(例如发电机)做功。此外,操作为压缩机的螺杆泵内(或者具有足够容量以避免在压缩之前完全破坏(即分离)泡沫的任意的其他预压缩机内)的气体的压缩可以通过在螺杆泵的入口处和/或之前和/或在螺杆泵自身内引入泡沫或起泡液而大致等温地进行,所述泡沫或起泡液在气体的压缩期间部分地或基本上填充螺杆泵内流体的限制螺旋形容积。起泡液可以在经历压缩之前与气体组合以产生气体的大致等温的压缩。类似地,操作为膨胀器的螺杆泵内(或者具有足够容量以避免在膨胀之前完全破坏泡沫的任意的其他膨胀器内)的气体的膨胀可以通过在螺杆泵的入口处和/或之前和/或在螺杆泵自身内引入适当量的泡沫或起泡液而大致等温的进行,所述泡沫或起泡液在气体的膨胀期间部分地或基本上填充螺杆泵内流体的限制螺旋形容积。热交换液体的液滴(例如,通过螺杆表面中或互补表面中的穿孔引入的)可以与泡沫组合,或者用来替代泡沫,从而在螺杆泵内使气体实现大致等温的压缩或膨胀。在用作预压缩机或后膨胀器的泵中,大致等温的操作可以增加能量存储系统的整体效率。
增加气缸组的进气室内的最小压力或起始压力降低了气缸组中出现的表压范围(并且由此降低了由气缸组施加的力的范围)。表压范围下降的程度与预压缩程度成正比。例如,对于具有大约为1pisg的非预压缩进气压力且大约为2500psig最大压力的系统来说,表压的范围大约为2500:1;对于其他相同的预压缩进气压力大约为5psig且最大压力大约为2500psig的系统来说,表压的范围是较大值的五分之一(即,大约500:1)。
此外,初始压力的进气室中的空气的质量在预压缩系统中比非预压缩系统增加了大约绝对压力的比值(例如,大约19.7psia/14.7psia,取决于压缩或膨胀的多变系数)。因此,如果单个压缩冲程在具有预压缩的系统中占用了与不具有预压缩的系统相同的时间,则在给定时间间隔内产生了更大质量的处于输出压力(例如大约2500psig)的压缩气体,这表示成比例地增加的存储能量。换言之,对于通过给定气缸的单次完整压缩而言,通过预压缩实现了较高的压缩功率。
对熟悉压缩机和泵的原理的技术人员来说显而易见的是:一些风机和泵(例如螺杆泵)可以反向操作成膨胀器。也就是说,例如,较高压力的流体在旋转螺杆的一端通入,限制在螺杆和互补表面之间的大致螺旋形容积中,并且随着所限制的容积膨胀而沿着旋转螺杆纵向地移动。该气体(其压力比通入时的压力低)从螺杆的与通入流体的一端相对的一端排出。操作为膨胀器的螺杆泵内的气体的膨胀可以通过在螺杆泵的入口处和/或之前和/或在螺杆泵自身内引入泡沫或起泡液而大致等温地进行,所述泡沫或起泡液在气体的膨胀期间部分地或基本上填充螺杆泵内流体的限制螺旋形容积。
对熟悉压缩机和泵的原理的技术人员显而易见的是:通过类似的推理,当系统操作为膨胀器而不是压缩机时,通过允许气缸组的出口压力明显高于大气压力而实现了较高的膨胀功率。此外,通过气体对其做功的设备(例如:螺杆泵膨胀器)而膨胀这种超大气压力出口气体允许出口气体的势能中的一些被转换成功。这种功的恢复增加了能量存储系统的整体效率。
一定量气体的每次压缩或膨胀(其中,这种压缩或膨胀在本文中被称为“气体过程”)一般是下述三种类型之一:(1)绝热,其中气体不与其环境交换热量,并且随后气体的温度上升或下降;(2)等温,其中,气体以维持恒定温度的方式与其环境交换热量;及(3)多变,其中,气体与其环境交换热量,但其温度不保持恒定。完美的绝热气体过程是不实际的,这是因为任何气体主体和其环境之间总会交换一些热量(理想的绝热器和反射器是不存在的);完美的等温气体过程也是不实际的,这是因为:要使热量在一定量的气体和其环境的一部分(例如液体主体)之间流动,在气体和其环境之间必须存在非零的温度差—例如,在压缩期间必须允许气体加热,从而使热量可以被导向液体。因此,真实世界中的气体过程通常是多变的,但它们可以是大致绝热或等温的过程。
理想气体定律指出,对于质量为m、压力为p、体积为V且温度为T的给定量的气体,pV=mRT,其中,R是气体常数(对于空气来说,R=287J/K·kg)。对于等温过程,T在整个过程中是常数,所以pV=C,其中C是某个常数。
对于多变过程,如熟悉热力学科学的技术人员显而易见的那样,在整个过程中,pVn=C,其中n(称为多变指数)是一般在1.0和1.6之间的某个常数。对于n=1,pVn=pV1=pV=C,即,过程是等温的。一般来说,n接近于1(例如1.05)的过程可以被视为大致等温的。
对于绝热过程,pVγ=C,其中γ(称为绝热系数)等于恒定压力CP下的气体热容量与恒定容积CV下的热容量的比值,即γ=CP/CV。实际中,γ取决于压力。对于空气,绝热系数γ通常在1.4和1.6之间。
本文中,我们将“大致等温”的气体过程定义为n≤1.1的气体过程。在本文所述的气缸内进行的气体过程优选地是n≤1.05的大致等温过程。本文中,无论何处发生在气缸组件或存储容器内的气体过程被描述为“等温”,该词都是术语“大致等温”的同义词。
给定量的气体的压缩或膨胀过程中做的功的大小大体上随着多变指数n变化。对于压缩来说,所做功的最小值是针对等温过程,而最大值是针对绝热过程,对于膨胀来说相反。因此,对于诸如通常发生在本文描述的压缩气体能量存储系统中的气体过程来说,绝热、等温和大致等温气体过程达到的最终温度具有足够大的差异从而对这些系统的操作性和效率产生实际影响。类似地,绝热、等温和大致等温气体过程的热效率具有足够大的差异从而对这些能量存储系统的整体效率产生实际影响。例如,对于将一定量的气体从初始温度20℃和初始压力0psig(大气压)压缩到最终压力180psig,对于等温过程,气体的最终温度T将是整20℃,对于绝热过程是大约295℃,对于多变指数n=1.1(n相比于n=1的等温情况增加10%)的多变压缩来说最终温度大约为95℃,并且对于多变指数n=1.05(n相比于n=1的等温情况增加5%)的多变压缩来说最终温度大约为60℃。在另一实例中,对于将1.6kg的气体从初始温度20℃和初始压力0psig(大气压)压缩到大约180psig的最终压力(包括将气体压缩进180psig的存储库),等温压缩需要大约355千焦的功,绝热压缩需要大约520千焦的功,并且多变指数n=1.045的多变压缩需要大约375千焦的功;即,多变压缩比等温过程多需要大约5%的功,并且绝热过程比等温过程多需要大约46%的功。
可以通过经验地将n代入到等式pVn=C中而估计发生在诸如本文描述的气缸组件中的气体过程的多变指数n,其中,气体例如在气缸内的压缩或膨胀期间的压力p和体积V均可以测量为从活塞位置开始的时间、已知设备尺寸和压力换能器测量值的函数。此外,通过理想气体定律,可以根据p和V估计气缸内的温度,以替代位于气缸内且与其流体内容物接触的换能器(例如,热电偶、电阻热检测器、热敏电阻)的直接测量值。在许多情况下,相比于温度换能器的较慢的点测量,通过体积和压力间接测量温度可能更快并且更能代表整个体积。因此,本文描述的温度测量和监测可以经由一个或多个换能器直接完成,或者如上所述的那样间接完成,并且“温度传感器”可以是这样的一个或多个换能器和/或一个或多个用于间接测量温度的传感器(例如:体积、压力和/或活塞-位置传感器)中的一个。
如果经过适当的设计,上文中描述的所有这些用于将压缩气体的势能转换成机械能和电能的方法可以反向操作以将电能存储为压缩气体中的势能。由于这种陈述的准确性将对足够熟悉电机、电动、气动原理以及热力学原理的任何人员来说是显而易见的,因而这些机构用于存储能量和从存储恢复能量的操作不会针对每个实施方式描述。然而,这种操作是可以考虑的并且在本发明的范围之内,而且可以在无需过度实验的情况下直截了当地实现。
本文描述的系统和/或利用基于泡沫的热交换、液-雾热交换和/或外部气体热交换的其他实施方式可以通过其热交换机构将热能抽取或递送到外部系统(未示出)以进行热电联产,如2010年1月20日提交的美国专利No.7,958,731('731专利)中所述的一样,其全部内容通过引用包含于此。
本文描述的压缩空气能量存储和恢复系统优选地是“开放空气”系统,即,从周围大气中吸入空气以压缩,并且在膨胀之后将空气排回到周围大气中的系统,而不是在密封的容器内压缩和膨胀所捕获体积的气体的系统(即“封闭空气”系统)。本文描述的系统一般以一个或多个气缸组件为特征,气缸组件用于通过气体的压缩和膨胀来存储和恢复能量。这些系统还包括:(i)库,用于在压缩之后存储压缩的气体并且提供压缩的气体用于其膨胀;以及(ii)排出口,用于在膨胀之后将膨胀的气体排出到大气中并且提供气体用于压缩。举例来说,存储库可以包括下述部件中的一种或多种或实质上由其组成:一个或多个压力容器(即,用于压缩气体的容器,其可以具有刚性外部,或者可以是不可膨胀的,其可以由各种合适的材料形成,例如金属或塑料,并且其可以符合或可以不符合用于压力容器的ASME规范)、管道(即,用于压缩气体的刚性容器,其也可以用作和/或被视为流体导管,长度远超其直径(例如大于100倍),并且不符合用于压力容器的ASME规范)或洞室(即,通常位于地下的自然形成的或人工开凿的腔洞)。相对于封闭空气系统,开放空气系统通常提供了出众的能量密度。
此外,本文描述的系统可以有利地用于利用和恢复可再生能量源,例如风和太阳能。例如,在气体压缩期间存储的能量可以源自例如风或太阳能的间歇可再生能量源,并且当间歇可再生能量源不起作用时(即,不产生可利用的能量或产生的能量处于标称之下的水平),可以通过气体的膨胀恢复能量。因此,举例来说,本文描述的系统可以连接到太阳能板或风力涡轮机上,从而存储通过这些系统产生的可再生能量。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种恢复能量的方法。具有第一泡沫膨胀比的第一泡沫被转移到第一气缸组件中,并且第一泡沫在第一气缸组件中膨胀,由此从中恢复能量。此后,第二泡沫转移到不同于第一气缸组件的第二气缸组件中。第二泡沫的第二泡沫膨胀比大于第一泡沫膨胀比。第二泡沫在第二气缸组件中膨胀,由此从中恢复能量。第一和第二气缸组件优选地是用于气体和/或泡沫的膨胀(以及可能的压缩)的单个动力单元的一些部分。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。膨胀的第二泡沫可以从第二气缸组件中排出。膨胀的第二泡沫中的至少气态部分可以排出到周围大气中。在膨胀第一泡沫之后,膨胀的第一泡沫可以从第一气缸组件中排出。第二泡沫可以包括膨胀的第一泡沫的至少一部分(例如气态部分或泡沫部分)或实质上由其组成。膨胀的第一泡沫可以排出到泡沫容器中,并且传热液体可以引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。在膨胀第一泡沫之后,膨胀的第一泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。分离可以包括机械分离(例如:通过一个或多个叶片、一个或多个剪切器、一个或多个挡板和/或一个或多个离心分离机)和/或施加超声能量,或实质上由它们组成。可以通过将传热液体引入到膨胀的第一泡沫的气态组分而形成第二泡沫。膨胀的第一泡沫的液态组分可以被存储(例如存储在存储库中)。第一泡沫的质量比可以大致等于第二泡沫的质量比。第一泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在膨胀第一泡沫之前改变。第二泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在膨胀第二泡沫之前改变。第一泡沫和/或第二泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等温地膨胀。可以通过混合传热液体和压缩气体而形成第一泡沫。可以通过控制传热液体到压缩气体中的转移速率来控制第一泡沫的含气率。可以感测第一气缸组件内的压力或温度,并且可以响应于感测的压力和/或温度来控制转移速率。膨胀第一泡沫和膨胀第二泡沫都可以驱动机械地耦接到第一和第二气缸组件上的曲柄轴。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种存储能量的方法。传热液体被分散到气体(例如,大致为大气压力的空气)中以形成具有第一泡沫膨胀比的第一泡沫。第一泡沫在第一气缸组件内被压缩。此后,第二泡沫被转移到不同于第一气缸组件的第二气缸组件中。第二泡沫的第二泡沫膨胀比小于第一泡沫膨胀比。第二泡沫在第二气缸组件内被压缩,并且压缩后的第二泡沫从第二气缸组件中排出。压缩的第二泡沫的至少气态组分可以被存储(例如存储在存储库中)。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。当在第一气缸组件内压缩第一泡沫之前,第一泡沫可以被转移至第一气缸组件。液态组分的至少一部分可以在存储气态组分之前从压缩的第二泡沫中分离。分离可以包括机械分离(例如,通过一个或多个叶片、一个或多个剪切器、一个或多个挡板和/或一个或多个离心分离机)和/或施加超声能量,或实质上由它们组成。压缩的第二泡沫的气态组分和液态组分均可以被存储(即,一起存储在相同的存储库中或分离地存储在不同的库中)。当在第一气缸组件内压缩第一泡沫之后,压缩的第一泡沫可以从第一气缸组件中排出。第二泡沫可以包括压缩的第一泡沫的至少一部分(例如气态部分或泡沫部分),或实质上由其组成。压缩的第一泡沫可以排出到泡沫容器(例如压力容器、管道或多支管)中。传热液体可以被引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。在压缩第一泡沫之后,压缩的第一泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。分离可以包括机械分离(例如,通过一个或多个叶片、一个或多个剪切器、一个或多个挡板和/或一个或多个离心分离机)和/或施加超声能量,或实质上由它们组成。可以通过将传热液体引入到压缩的第一泡沫的气态组分中来形成第二泡沫。引入到压缩的第一泡沫的气态组分中的传热液体可以包括分离的、压缩的第一泡沫的液态组分的至少一部分,或实质上由其组成。压缩的第一泡沫的液态组分可以被存储(例如存储在存储库中)。第一泡沫的质量比可以大致等于第二泡沫的质量比。第一泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在压缩第一泡沫之前改变。第二泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在压缩第二泡沫之前改变。第一泡沫和/或第二泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等温地压缩。可以通过控制传热液体分散到气体中的速率来控制第一泡沫的含气率。可以感测第一气缸组件内的压力或温度,并且可以响应于所感测的压力和/或温度来控制分散的速率。可以驱动曲柄轴以压缩第一泡沫和第二泡沫。曲柄轴可以机械地耦接到第一和第二气缸组件。形成第一泡沫可以包括将传热液体喷洒在筛上,或者实质上由其组成。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统。该系统包括气缸组件、存储库和混合室,该气缸组件用于通过压缩存储能量和/或通过膨胀恢复能量,该混合室用于(i)从存储库接收气体和传热液体,(ii)将气体与传热液体混合以形成泡沫,以及(iii)将泡沫转移到气缸组件中。混合室选择性地流体连接到气缸组件和存储库。混合室通过用于转移气体(可以额外地转移液体,但通常连接到存储库的基本由气体填充的区域)的第一导管和第二导管选择性地流体连接到存储库,该第二导管不同于第一导管,用于转移传热液体(可以额外地转移气体,但通常连接到存储库的基本由液体填充的区域)。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。混合室可以包括用于改变泡沫的至少一种特性(例如泡沫单元大小和/或泡沫单元大小均匀度)的机构。该机构可以包括筛和/或超声能量源,或实质上由其组成。泡沫生成机构可以耦接到混合室中的第一导管和/或第二导管。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由它们组成。该系统可包括第二气缸组件,该第二气缸组件在不同于气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量。用于将膨胀的气体排出到大气中的排出口可以选择性地流体连接到第二气缸组件。控制系统可以控制气缸组件和/或混合室以在气缸组件中进行大致等温的压缩和/或大致等温的膨胀。传感器可以检测气缸组件和/或混合室内的压力,并且控制系统可以响应于该传感器。控制系统可以响应于检测到的压力来控制传热液体进入混合室的流速。循环装置(例如变速泵)可以将传热液体转移到第二导管中。可移动边界机构可以将气缸组件分成两个室。曲柄轴可以机械地耦接到边界机构,并且可以将边界机构的往复运动转换成旋转运动。电动机/发电机可以耦接到曲柄轴。存储库可以包括压力容器、管道和/或洞室,或者实质上由其组成。
在另外的方面中,本发明的实施方式包括一种能量存储的方法。泡沫在气缸内被压缩到第一压力。压缩的泡沫被转移到存储库中,压缩的泡沫在其中至少部分地被分离成大致处于第一压力的气态和液态组分。液态组分的至少一部分从存储库中被移除并且以低于第一压力的第二压力存储。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。在存储第二压力的液态组分的至少一部分之前,可以通过降低其压力从液态组分的至少一部分中恢复能量。可以利用恢复的能量驱动曲柄轴。曲柄轴可以机械地耦接到气缸。在压缩泡沫之前,可以通过混合传热液体和气体而形成泡沫。泡沫可以形成在选择性地流体连接到气缸上的泡沫容器。泡沫容器可以包括压力容器、管道和/或分支管,或者实质上由其组成。形成泡沫可以包括将传热液体喷洒在筛上,或者实质上由其组成。在压缩泡沫之前,泡沫的平均单元大小或单元大小均匀度可以被改变。可以通过控制传热液体转移到气体中的速率来控制泡沫的含气率。可以感测气缸内的压力和/或温度,并且可以响应于此控制转移速率。存储的液态组分的至少一部分可以与气体混合以形成额外的泡沫,该额外的泡沫随后可以被压缩。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。泡沫可以大致等温地压缩。压缩泡沫可以包括驱动耦接到气缸的曲柄轴,或者实质上由其组成。压缩的泡沫可以由于重力而至少部分地分离。压缩的泡沫可以经由机械分离(例如通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量而至少部分地分离。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括用于通过压缩存储能量和/或通过膨胀恢复能量的第一和第二气缸组件。第二气缸组件的操作压力范围不同于第一气缸组件的操作压力范围。用于在其中进行中间存储或形成第一泡沫中的至少一者的第一泡沫容器选择性地流体连接到第一气缸组件。用于在其中进行中间存储或形成第二泡沫中的至少一者的第二泡沫容器选择性地流体连接到第一气缸组件和第二气缸组件。用于在其中进行中间存储或形成第三泡沫中的至少一者的第三泡沫容器选择性地流体连接到第二气缸组件。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。通向周围大气的排出口可以选择性地流体连接到第三泡沫容器。用于存储压缩的气体(例如,作为气体或作为泡沫的一部分)的存储库可以选择性地流体连接到第一泡沫容器。该系统可以包括再循环机构,该再循环机构用于将来自第一泡沫容器中的第一位置的泡沫和/或液体转移到第一泡沫容器中不同于第一位置的第二位置。第一泡沫容器可以包括压力容器、管道或分支管中的至少一者,或者实质上由其组成。第二泡沫容器可以包括压力容器、管道或分支管中的至少一者,或者实质上由其组成。第三泡沫容器可以包括压力容器、管道或分支管中的至少一者,或者实质上由其组成。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括泡沫生成机构、分支管以及选择性地流体连接到分支管的至少一个气缸组件(泡沫在其中膨胀和/或压缩),或实质上由它们组成。泡沫生成机构包括喷洒室、至少一个用于将液体分散到流动通过喷洒室的气体中的分散机构、以及流体耦接到至少一个分散机构的用于容纳液体的库,或者实质上由它们组成。分支管从喷洒室接收泡沫。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。循环机构(例如风扇)可以至少部分地形成通过喷洒室的气体流。另一循环机构(例如,诸如变速泵的泵)可以将液体从库循环到至少一个分散机构。用于至少在分支管内形成泡沫期间将气体从分支管排出的阀可以连接到分支管。筛(泡沫通过该筛从在喷洒室中分散的液体形成在分支管中)可以位于喷洒室和分支管之间。分离室可以选择性地流体连接到分支管。分离室可以在其中包括分离机构,用于将泡沫分离成气态和液态组分。分离室可以选择性地流体连接到库。分离机构可以包括超声能量源、叶片、剪切器、挡板、和/或离心分离机,或实质上由其组成。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括多个气缸对、用于生成第一压力范围内的低压泡沫的第一泡沫生成机构、以及第二泡沫生成机构,或实质上由它们组成,该第二泡沫生成机构不同于第一泡沫生成机构,用于生成第二压力范围内的高压泡沫。每个气缸对包括(i)用于在第一压力范围内进行膨胀和/或压缩的低压气缸,以及(ii)用于在不同于第一压力范围并且至少在中间压力处与第一压力范围重叠的第二压力范围内进行膨胀和/或压缩的高压气缸,或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。用于中间存储低压泡沫的分支管可以选择性地流体连接到(i)多个低压气缸和(ii)第一泡沫生成机构。用于中间存储高压泡沫的分支管可以选择性地流体连接到(i)多个高压气缸和(ii)第二泡沫生成机构。第一泡沫生成机构可以包括(i)至少一个用于将液体分散到气体中的分散机构和(ii)通过其从分散的液体形成泡沫的筛,或实质上由它们组成。第二泡沫生成机构可包括分散机构或实质上由其组成,该分散机构用于喷洒、鼓泡、起雾或搅拌液体中的至少一者。该系统可包括用于生成中间压力的泡沫的第三泡沫生成机构。用于中间存储中间压力泡沫的分支管可以选择性地流体连接到(i)多个低压气缸、(ii)多个高压气缸以及(iii)第三泡沫生成机构。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括用于压缩以存储能量和/或膨胀以恢复能量的气缸组件、用于将泡沫引入到气缸组件中的泡沫生成机构、用于将传热流体泵送到泡沫生成机构中的泵气缸、用于存储压缩气体的第一存储库以及用于存储传热流体的第二存储库,或者实质上由它们组成。气缸组件在其中包括第一可移动边界机构以及耦接到第一可移动边界机构的第一杆。泵气缸在其中包括第二可移动边界机构以及耦接到第二可移动边界机构的第二杆。第一存储库选择性地流体连接到气缸组件。第二存储库选择性地流体连接到泵气缸。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一存储库和第二存储库可以是相同的库或可以是不同(即,离散)的库。热交换子系统可以热调节传热流体,并且可以包括热交换器或实质上由其组成。第一和第二杆可以机械耦接到用于将第一和第二杆的往复运动与旋转运动互换的机构。该机构可以包括曲柄轴,或者实质上由其组成。曲柄轴可以以固定的相位关系维持第一和第二杆。泡沫生成机构可以位于气缸组件内,或者位于气缸组件的外部并且通过导管连接到其上。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。第一存储库可以以与第二存储库存储流体的压力不同的压力存储流体。
在另外的方面中,本发明的实施方式包括一种存储和恢复能量的方法。压缩气体从存储库被转移到选择性地流体连接到其上的混合室。在混合室中,形成了第一泡沫,该第一泡沫包括压缩气体和传热流体或实质上由它们组成。第一泡沫从混合室被转移到气缸中。第一泡沫在气缸中膨胀,以从中恢复能量。膨胀的第一泡沫从气缸中被移除。第二泡沫被引入到气缸中,并且在气缸中被压缩以在其中存储能量。压缩的第二泡沫的至少一部分被转移到存储库中,该转移绕过混合室。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在膨胀第一泡沫之前改变。将膨胀的第一泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的第一泡沫的气态组分排出到周围大气中,或者实质上由其组成。将膨胀的第一泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的第一泡沫转移到可能在其中进一步膨胀的第二气缸中,或者实质上由其组成。膨胀的第一泡沫可以被分离成气态组分和液态组分。膨胀的第一泡沫可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量而分离。膨胀的第一泡沫的液态组分可以被存储。第一泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。将压缩的第二泡沫的至少一部分转移到存储库中可以包括将压缩的第二泡沫的至少一部分的气态组分转移到存储库中,或者实质上由其组成。将压缩的第二泡沫的至少一部分转移到存储库中可以包括将压缩的第二泡沫的至少一部分的气态组分和液态组分都转移到存储库中,或者实质上由其组成。压缩的第二泡沫的所述至少一部分可以经由气缸和存储库之间的旁路连接而转移到存储库中。阀可以大体上防止压缩的第二泡沫在转移到存储库期间进入混合室。压缩的第二泡沫的第二部分可以经由混合室从气缸转移到存储库中。第一泡沫和/或第二泡沫大致等温地膨胀。气缸可以在其中包括活塞,并且第一泡沫在气缸中的膨胀可以驱动(i)机械耦接到活塞的机构和/或(ii)耦接到气缸的液压系统。第一泡沫的膨胀可以驱动该机构,并且该机构可以包括曲柄轴,或者实质上由其组成。形成第一泡沫可以包括将传热液体转移到混合室中,或者实质上由其组成。可以通过控制传热液体到混合室中的转移速率来控制第一泡沫的含气率。可以感测气缸和/或混合室内的压力和/或温度,并且可以响应于此来控制转移速率。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种恢复能量的方法。包括压缩气体和传热流体或者实质上由它们组成的第一泡沫形成在存储库中,并且被转移到气缸中。第一泡沫在气缸中膨胀以从中恢复能量,并且膨胀的第一泡沫从气缸中被移除。第二泡沫在气缸中被压缩以在其中存储能量,并且压缩的第二泡沫的至少一部分被存储在存储库中。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。形成第一泡沫可包括在存储库内经由泡沫生成机构混合传热流体和压缩的气体,或实质上由其组成。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。传热液体(例如基本上不起泡的传热液体)可以从存储库的区域循环到泡沫生成机构。传热液体可以在存储库的外部循环。第一泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在膨胀第一泡沫之前改变。将膨胀的第一泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的第一泡沫的气态组分排出到周围大气中,或者实质上由其组成。膨胀的第一泡沫可以被分离成气态组分和液态组分。膨胀的第一泡沫可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量而分离。膨胀的第一泡沫的液态组分可以被存储(例如存储在存储库中)。第一泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。将压缩的第二泡沫的至少一部分存储在存储库中包括存储压缩的第二泡沫的至少一部分的气态组分,或者实质上由其组成。将压缩的第二泡沫的至少一部分存储在存储库中可以包括存储压缩的第二泡沫的至少一部分的气态组分和液态组分,或者实质上由其组成。将膨胀的第一泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的第一泡沫转移到可能在其中进一步膨胀的第二气缸中,或者实质上由其组成。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等温地膨胀。气缸可以在其中包括活塞。第一泡沫在气缸中的膨胀可以驱动(i)机械耦接到活塞的机构(例如曲柄轴)和/或(ii)耦接到气缸的液压系统。
在另外的方面中,本发明的实施方式包括一种存储和恢复能量的方法。气体被转移到气缸中。将传热液体转移到气缸中以在其中与气体混合并且形成包括气体和传热液体或者实质上由它们组成的泡沫。在气缸内,泡沫被压缩以存储能量和/或被膨胀以恢复能量,并且压缩或膨胀的泡沫从气缸中被排出。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。气体可以从存储库转移到气缸中,并且传热液体可以从存储库转移到气缸中。气体和传热液体可以经由不同的入口转移到气缸中。泡沫可以被压缩,并且压缩的泡沫的至少一部分可以存储在存储库内。将压缩的泡沫的至少一部分存储在存储库中可以包括存储压缩的泡沫的气态组分,或者实质上由其组成。将压缩的泡沫的至少一部分存储在存储库中可以包括存储压缩的泡沫的气态组分和液态组分,或者实质上由其组成。可以通过控制传热液体转移到气缸中的速率来控制泡沫的含气率。可以感测气缸内的压力和/或温度,并且可以响应于此来控制转移速率。泡沫可以被膨胀,并且将膨胀的泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的泡沫的气态组分排出到周围大气中,或者实质上由其组成。泡沫可以被膨胀,并且将膨胀的泡沫从气缸中移除可以包括将膨胀的泡沫转移到可在其中进一步膨胀的第二气缸中,或者实质上由其组成。泡沫可以被膨胀,并且膨胀的泡沫可以被分离成气态组分和液态组分。膨胀的泡沫可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量而分离。泡沫可以被膨胀,并且可以存储膨胀的泡沫的液态组分。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。泡沫可以大致等温地膨胀或压缩。泡沫可以被膨胀,并且气缸可以在其中包括活塞。泡沫的膨胀可以驱动(i)机械耦接到活塞的机构(例如曲柄轴)和/或(ii)耦接到气缸的液压系统。
在另外的方面中,本发明的实施方式包括一种存储和恢复能量的方法。气体在多个离散的阶段中被压缩或膨胀,在不同的压力范围内执行各个阶段。在一个阶段中,在气体和引入到气体中的第一传热流体的离散液滴之间交换热量。在另一个阶段中,在气体和第二传热流体之间交换热量,气体和第二传热流体组合以形成泡沫。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。在该另一个阶段中,在压缩或膨胀之后,泡沫的至少一部分可以被分离成气态和液态组分。泡沫的至少一部分可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量而分离。气体可以被压缩,并且随后被存储在存储库中。气体可以被膨胀,并且随后排出到周围大气中。第一和第二传热流体可以包括相同的液体(例如水)。第二传热流体可以包括起泡添加剂。第一传热流体的离散液滴可以通过喷洒引入到气体中。第一传热流体的离散液滴和气体之间的热交换可以使得在该阶段中大致等温地进行膨胀或压缩。泡沫中气体和第二传热流体之间的热交换可以使得在该阶段中大致等温地进行膨胀或压缩。泡沫的膨胀或压缩可以在气缸内进行。可以通过在气缸内将气体与第二传热流体混合来生成泡沫。可以通过在气缸外将气体与第二传热流体混合来生成泡沫,并且随后可以将泡沫转移到气缸中。泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在泡沫进入气缸之前改变。气体可以被膨胀,并且气缸可以在其中包括活塞。气体在气缸中的膨胀可以驱动(i)机械耦接到活塞的机构(例如曲柄轴)和/或(ii)耦接到气缸的液压系统。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。形成泡沫可以包括将第二传热流体转移到气缸中,或者实质上由其组成。可以通过控制第二传热流体的转移速率来控制泡沫的含气率。可以感测至少一个阶段内的压力和/或温度,并且可以响应于此控制转移速率。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种存储和恢复能量的方法。在气缸内执行两个不同的过程,过程包括(i)压缩气体以存储能量,以及(ii)膨胀气体以恢复能量。在一个过程中,通过将第一传热流体的离散液滴引入气体中而与气体交换热量。在另一个过程中,通过将气体与第二传热流体混合以形成泡沫而与气体交换热量。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。在该另一个过程之后,泡沫的至少一部分可以被分离成气态和液态组分。可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量来执行分离。在气体压缩之后,其可以存储在存储库中。在气体膨胀之后,其可以排出到周围大气中。第一和第二传热流体可以包括相同的液体(例如水)。第二传热流体可以包括起泡添加剂。第一传热流体的离散液滴可以通过喷洒引入到气体中。第一传热流体的离散液滴和气体之间的热交换可以使得该过程大致等温。泡沫中气体和第二传热流体之间的热交换可以使得该过程大致等温。可以通过在气缸内将气体与第二传热流体混合来形成泡沫。可以通过在气缸外将气体与第二传热流体混合来形成泡沫,并且随后可以将泡沫转移到气缸中。泡沫的平均单元大小和/或单元大小的均匀度可以在泡沫进入气缸之前改变。气缸可以在其中包括活塞。气体在气缸中的膨胀可以驱动(i)机械耦接到活塞的机构(例如曲柄轴)或(ii)耦接到气缸的液压系统。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。可以通过控制第二传热流体转移到气体中的速率来控制泡沫的含气率。可以感测气体的压力和/或温度,并且可以响应于此来控制转移速率。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括通过压缩存储能量和/或通过膨胀恢复能量的气缸组件、存储库、混合室和旁路导管,或者实质上由它们组成。存储库选择性地流体连接到气缸组件。混合室选择性地流体连接到气缸组件和存储库,并且该混合室(i)从存储库接收气体,(ii)将气体与传热液体混合以形成泡沫,以及(iii)将泡沫转移到气缸组件中。旁路导管选择性地将气缸组件直接流体连接到存储库,并且将气体和/或泡沫从气缸组件转移到存储库中而不经过混合室。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。混合室可以通过(i)用于转移气体的第一导管和(ii)第二导管选择性地流体连接到存储库,该第二导管不同于第一导管并且用于转移传热液体。用于改变泡沫的至少一种特性(例如泡沫单元大小和/或泡沫单元大小均匀度)的机构可以位于混合室内。该机构可以包括筛和/或超声能量源或实质上由其组成。泡沫生成机构可以位于混合室内。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。该系统可包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩来存储能量或通过膨胀来恢复能量。用于将膨胀的气体排出到大气中的排出口可以选择性地流体连接到第二气缸组件。该系统可包括控制系统,用于控制气缸组件和/或混合室以在气缸组件中进行大致等温的压缩和/或大致等温的膨胀。该系统可包括传感器,用于检测气缸组件和/或混合室内的压力,并且控制系统可以响应于该传感器。控制系统可以响应于检测到的压力来控制传热液体进入混合室的流速。循环装置(例如,诸如变速泵的泵)可以将传热液体转移到混合室。可移动边界机构可以将气缸组件分成两个室。用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动的曲柄轴可以机械耦接到边界机构。电动机/发电机可以耦接到曲柄轴。存储库可以包括压力容器、管道和/或洞室,或者实质上由其组成。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括通过压缩来存储能量和/或通过膨胀来恢复能量的气缸组件、选择性地流体连接到气缸组件的存储库以及泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,其中,该泡沫生成机构用于在存储库内生成泡沫,该泡沫包括气体和传热液体或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。用于改变泡沫的至少一种特性(例如泡沫单元大小和/或泡沫单元大小均匀度)的机构可以位于存储库和气缸组件之间。该机构可以包括筛和/或超声能量源或实质上由其组成。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。该系统可包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩来存储能量或通过膨胀来恢复能量。用于将膨胀的气体排出到大气中的排出口可以选择性地流体连接到第二气缸组件。该系统可包括控制系统,用于控制气缸组件以在其中进行大致等温的压缩和/或大致等温的膨胀。该系统可包括传感器,用于检测气缸组件内的压力或温度,并且控制系统可以响应于该传感器。循环装置(例如,诸如变速泵的泵)可以将传热液体转移到泡沫生成机构。导管可以将存储库的底部区域与泡沫生成机构选择性地流体连接。导管可以延伸到存储库的外部。可移动边界机构可以将气缸组件分成两个室。用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动的曲柄轴可以机械耦接到边界机构。电动机/发电机可以耦接到曲柄轴。存储库可以包括压力容器、管道和/或洞室,或者实质上由其组成。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括通过压缩来存储能量和/或通过膨胀来恢复能量的气缸组件、存储库以及位于气缸组件内的泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,其中,该泡沫生成机构用于通过将传热液体引入到气缸组件内的气体中来生成泡沫。气缸组件通过(i)用于转移气体的第一导管和(ii)第二导管选择性地流体连接到存储库,该第二导管不同于第一导管并且用于将传热液体转移到泡沫生成机构。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。该系统可包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者。用于将膨胀的气体排出到大气中的排出口可以选择性地流体连接到第二气缸组件。该系统可包括控制系统,用于控制气缸组件以在其中进行大致等温的压缩和/或大致等温的膨胀。该系统可包括传感器,用于检测气缸组件内的压力或温度,并且控制系统可以响应于该传感器。控制系统可以响应于检测到的压力来控制传热液体通过泡沫生成机构的流速。循环装置(例如,诸如变速泵的泵)可以将传热液体转移到第二导管。可移动边界机构可以将气缸组件分成两个室。用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动的曲柄轴可以机械耦接到边界机构。电动机/发电机可以耦接到曲柄轴。存储库可以包括压力容器、管道和/或洞室,或者实质上由其组成。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括通过压缩来存储能量和/或通过膨胀来恢复能量的气缸组件、用于将第一传热液体的离散液滴引入到气缸组件中以在气体和第一传热液体的离散液滴之间进行热交换的喷洒机构、以及与喷洒机构分离的泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,其中,该泡沫生成机构用于在气缸组件内生成泡沫和/或将泡沫引入到气缸组件内,该泡沫包括气体和第二传热液体或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一和第二传热液体可以包括相同的液体(例如水)。第二传热液体可以包括起泡添加剂。喷洒机构可以包括喷头和/或喷杆或实质上由其组成。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。用于存储压缩的气体的存储库(例如,压力容器、管道和/或洞室)可以选择性地流体连接到气缸组件。用于将膨胀的气体排出到周围大气中的排出口可以选择性地流体连接到气缸组件。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括(i)多个气缸组件,每个气缸组件用于在不同的压力范围内通过压缩来存储能量和/或通过膨胀来恢复能量,(ii)选择性地流体连接到一个气缸组件的喷洒机构,用于将第一传热液体的离散液滴引入其中,以及(iii)选择性地流体连接到不同的一个气缸组件的泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,其中,该泡沫生成机构用于生成泡沫和/或将泡沫引入其中,该泡沫包括气体和第二传热液体或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一和第二传热液体可以包括相同的液体(例如水)。第二传热液体可以包括起泡添加剂。喷洒机构可以包括喷头和/或喷杆或实质上由其组成。泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。用于存储压缩的气体的存储库(例如,压力容器、管道和/或洞室)可以选择性地流体连接到气缸组件。用于将膨胀的气体排出到周围大气中的排出口可以选择性地流体连接到气缸组件。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量恢复的方法。泵气缸内的活塞被驱动以将传热液体从其中转移到泡沫生成机构。压缩的气体被转移到气缸组件或泡沫生成机构。经由泡沫生成机构(i)通过混合传热液体与压缩气体而形成泡沫,以及(ii)将泡沫引入到气缸组件中。在气缸组件内膨胀泡沫,该膨胀驱动气缸组件内的活塞。将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。压缩的气体可以从第一存储库中转移到气缸组件。传热液体可以从第二存储库中转移到泵气缸。第一和第二存储库可以是相同的库。膨胀的泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。液态组分可以转移到第一存储库。可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量来执行分离。第二存储库可以是单独的,并且与第一存储库不同。第一存储库内的存储压力可以高于第二存储库内的存储压力(例如,其可以大约为大气压力)。膨胀的泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。液态组分可以转移到第二存储库。可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量来执行分离。在传热液体进入泡沫生成机构之前,传热液体可以被热调节(即,加热或冷却)。泡沫生成机构可以位于气缸组件内。泡沫生成机构可以位于气缸组件外并且通过导管连接到其上。泵气缸和气缸组件内的活塞可以同时地被驱动。膨胀的泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量来执行分离。将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出可以包括将膨胀的泡沫的气态部分排出到周围大气中,或者实质上由其组成。将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出可以包括将膨胀的泡沫或其气态部分转移到第二气缸组件中以进一步膨胀,或者实质上由其组成。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。可以通过控制传热液体转移到泡沫生成机构中的速率来控制泡沫的含气率。可以感测气缸和/或泡沫生成机构内的压力和/或温度,并且可以响应于此控制转移速率。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储的方法。泵气缸内的活塞被驱动以将传热液体从其中转移到泡沫生成机构。气体被转移到气缸组件或泡沫生成机构。经由泡沫生成机构(i)通过混合传热液体与压缩气体来形成泡沫,以及(ii)将泡沫引入到气缸组件中。驱动气缸组件内的活塞以压缩气缸组件内的泡沫。将压缩的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。将压缩的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出可以包括将压缩的泡沫转移到第一存储库中,或者实质上由其组成。将压缩的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出可以包括将压缩的泡沫的气态组分转移到第一存储库中,或者实质上由其组成。将压缩的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出可以包括将压缩的泡沫的液态组分转移到第二存储库中,或者实质上由其组成。第一和第二存储库可以是相同的库。第二存储库可以是单独的,并且与第一存储库不同。第一存储库内的存储压力可以高于第二存储库内的存储压力(例如,其可以大约为大气压力)。在传热液体进入泡沫生成机构之前,传热液体可以被热调节(即,加热或冷却)。泡沫生成机构可以位于气缸组件内。泡沫生成机构可以位于气缸组件外并且通过导管连接到其上。泵气缸和气缸组件内的活塞可以同时地被驱动。压缩的泡沫的至少一部分可被分离成气态和液态组分。可以经由机械分离(例如,通过叶片、剪切器、挡板和/或离心分离机)和/或施加超声能量来执行分离。气体可以从环境大气被转移到气缸组件或泡沫生成机构。在气体在第二气缸组件内压缩之后,气体可以从第二气缸组件转移到气缸组件或泡沫生成机构中。泡沫的泡沫质量比可以选自1至4的范围。可以通过控制传热液体转移到泡沫生成机构中的速率来控制泡沫的含气率。可以感测气缸和/或泡沫生成机构内的压力和/或温度,并且可以响应于此控制转移速率。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括第一气缸组件和第二气缸组件或者实质上由它们组成,该第一气缸组件用于压缩以存储能量或膨胀以恢复能量中的至少一者,该第二气缸组件用于压缩以存储能量或膨胀以恢复能量中的至少一者。第一气缸组件包括:(i)第一气缸,(ii)至少部分地位于第一气缸内的第一泵机构,用于从第一气缸循环传热流体,以及(iii)第一泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,该第一泡沫生成机构用于将传热流体与气体混合以形成泡沫,并且将泡沫引入到第一气缸内。第二气缸组件包括:(i)第二气缸,(ii)至少部分地位于第二气缸内并且选择性地流体连接到第一泡沫生成机构的第二泵机构,用于从第二气缸循环传热流体,以及(iii)第二泡沫生成机构,或者实质上由它们组成,该第二泡沫生成机构用于将传热流体与气体混合以形成泡沫,并且将泡沫引入到第二气缸内,第二泡沫生成机构选择性地流体连接到第一泵机构。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一泵机构可以包括第一活塞、第一活塞杆和第一中空管或者实质上由它们组成,该第一活塞位于第一气缸内并且将第一气缸分成两个隔室,该第一活塞杆包括第一腔并且耦接到第一活塞,该第一中空管至少部分地位于第一腔内并且延伸穿过第一气缸的至少一部分。第一中空管和第一活塞杆之间的相对运动可以使传热流体循环进或循环出第一腔。第二泵机构可以包括第二活塞、第二活塞杆和第二中空管,该第二活塞位于第二气缸内并且将第二气缸分成两个隔室,该第二活塞杆包括第二腔并且耦接到第二活塞,该第二中空管至少部分地位于第二腔内并且延伸穿过第二气缸的至少一部分。第二中空管和第二活塞杆之间的相对运动可以使传热流体循环进或循环出第二腔。第一和第二活塞杆可以机械地耦接到共有的曲柄轴上。第一热交换子系统可以热调节循环到第一泡沫生成机构的传热流体。第一热交换子系统可以包括热交换器,或者实质上由其组成。第一热交换子系统可以流体连接到第一泡沫生成机构和第二泵机构。第二热交换子系统可以热调节循环到第二泡沫生成机构的传热流体。第二热交换子系统可以包括热交换器,或者实质上由其组成。第二热交换子系统可以流体连接到第二泡沫生成机构和第一泵机构。用于存储气体和/或传热流体的第一存储库可以选择性地流体连接到第一和第二气缸组件。用于存储气体和/或传热流体的第二存储库可以选择性地流体连接到第一和第二气缸组件。第一存储库的存储压力可以高于第二存储库的存储压力(其可以大约为大气压力)。第一和/或第二存储库可以选择性地流体连接到第一和/或第二泵机构。第一泡沫生成机构可以位于第一气缸内。第一泡沫生成机构可以位于第一气缸外并且通过导管连接到其上。第二泡沫生成机构可以位于第二气缸内。第二泡沫生成机构可以位于第二气缸外并且通过导管连接到其上。第一泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。第二泡沫生成机构可以包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源和/或鼓泡器,或实质上由其组成。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种利用能量恢复系统的能量恢复方法,该能量恢复系统包括:(i)第一气缸组件,该第一气缸组件包括第一气缸、第一泵机构和第一泡沫生成机构,以及(ii)第二气缸组件,该第二气缸组件包括第二气缸、第二泵机构和第二泡沫生成机构。利用第一气缸组件执行膨胀冲程,并且利用第二气缸组件执行排气冲程。膨胀冲程包括:(i)将传热流体与气体在第一泡沫生成机构中混合以形成泡沫,(ii)在第一气缸内膨胀泡沫,以及(iii)将传热流体引入到第一泵机构中,或实质上由它们组成。该排气冲程包括:(i)将泡沫或其气态组分从第二气缸中排出,以及(ii)利用第二泵机构将传热流体泵送到第一泡沫生成机构,或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。排气冲程可以包括在传热流体进入第一泡沫生成机构之前热调节(例如加热)利用第二泵机构泵送的传热流体。可以利用第二气缸组件执行膨胀冲程,并且可以利用第一气缸组件执行排气冲程。膨胀冲程可以包括:(i)将传热流体与气体在第二泡沫生成机构中混合以形成第二泡沫,(ii)在第二气缸内膨胀第二泡沫,以及(iii)将传热流体引入到第二泵机构中,或实质上由它们组成。排气冲程可以包括:(i)将泡沫或其气态组分从第一气缸中排出,以及(ii)利用第一泵机构将传热流体泵送到第二泡沫生成机构,或者实质上由它们组成。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种利用能量恢复系统的能量存储方法,该能量恢复系统包括:(i)第一气缸组件,该第一气缸组件包括第一气缸、第一泵机构和第一泡沫生成机构,以及(ii)第二气缸组件,或者实质上由它们组成,该第二气缸组件包括第二气缸、第二泵机构和第二泡沫生成机构。利用第一气缸组件执行压缩冲程。压缩冲程包括:(i)在第一气缸内压缩第一泡沫生成机构生成的泡沫,以及(ii)利用第一泵机构将传热流体泵送到第二泡沫生成机构,或者实质上由它们组成。利用第二气缸组件执行压缩冲程。压缩冲程包括:(i)在第二气缸内压缩第二泡沫生成机构生成的泡沫,以及(ii)利用第二泵机构将传热流体泵送到第一泡沫生成机构,或者实质上由它们组成。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。可以利用第一气缸组件执行进气冲程。进气冲程可以包括:(i)在第一气缸内接收气体,以及(ii)将传热流体引入到第一泵机构中,或者实质上由它们组成。可以利用第二气缸组件执行进气冲程。进气冲程可以包括:(i)在第二气缸内接收气体,以及(ii)将传热流体引入到第二泵机构中,或者实质上由它们组成。第一气缸组件的压缩冲程可以包括在传热流体进入第二泡沫生成机构之前热调节(例如冷却)利用第一泵机构泵送的传热流体。第二气缸组件的压缩冲程可以包括在传热流体进入第一泡沫生成机构之前热调节(例如冷却)利用第二泵机构泵送的传热流体。
在另外的方面中,本发明的实施方式包括一种用于高效的电力需求响应的系统。该系统包括以下部分或实质上由它们组成:(i)第一能量存储系统,用于响应于高达第一电力需求水平的需求提供电力,(ii)连接到第一能量存储系统的第二能量存储系统,用于响应于高于第一电力需求水平的需求提供电力,以及(iii)热交换子系统,用于热调节第一和/或第二能量存储系统的至少一部分,由此增加第一和第二能量存储系统的总体效率。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。第一能量存储系统可以包括电池、飞轮和/或超级电容器,或者实质上由它们组成。第二能量存储系统可以包括压缩气体能量存储系统或者实质上由其组成,该压缩气体能量存储系统通过膨胀压缩的气体(例如,以泡沫的形式)来供应电力。第一第二能量存储系统可以并联连接到电网上。第一电力需求水平可以大约为500kW。热交换子系统可以从第一能量存储系统中恢复热能,从而在第二能量存储系统中热调节:(i)用于热调节经历膨胀和/或压缩的气体或用于与气体混合以形成泡沫的传热流体,(ii)经历膨胀和/或压缩的气体或泡沫,和/或(iii)在膨胀之前存储在存储库中的气体或泡沫。热交换子系统可以包括与第一能量存储系统关联的第一热交换器以及与第二能量存储系统关联的第二热交换器或者实质上由它们组成,该第二热交换器(i)与第一热交换器分离并且(ii)能够选择性地流体连接到第一热交换器。第一热交换器可以流体连接到第一散热器和/或第一热井,并且第二热交换器可以流体连接到第二散热器和/或第二热井。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种输送电力的方法。检测随时间变化的电力需求水平。当电力需求水平小于或等于阈值水平时从第一能量存储系统供应电力。当电力需求水平大于阈值水平时从第二能量存储系统供应电力。第一和/或第二能量存储系统的至少一部分被热调节(即,加热或冷却),由此增加第一和第二能量存储系统的总体效率。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。可以仅当电力需求水平小于或等于阈值水平时,才从第一能量存储系统供应电力。可以仅当电力需求大于阈值水平时才从第二能量存储系统供应电力。热调节可以包括从第一能量存储系统恢复热能以及利用恢复的热能热调节第二能量存储系统的至少一部分,或者实质上由它们组成。热调节第二能量存储系统的至少一部分可以包括热调节:(i)用于热调节经历膨胀和/或压缩的气体或用于与气体混合以形成泡沫的传热流体,(ii)经历膨胀和/或压缩的气体或泡沫,和/或(iii)在膨胀之前存储在压缩气体库中的气体或泡沫,或者实质上由它们组成。可以通过公用总线从第一和第二能量存储系统供应电力。从第二能量存储系统供应电力可以包括膨胀气体和/或泡沫以从中恢复能量,或者实质上由其组成。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩。在压缩之前和/或期间,将传热液体从热井引入到气体中,该传热液体在压缩期间从气体吸收热能。将传热液体的至少一部分转移回到热井以在其中存储热能。此后,气体在动力单元中被膨胀。在膨胀之前和/或期间,来自热井的传热液体被引入到气体中,该气体在膨胀期间从传热液体吸收热能。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。传热液体可以通过将其喷洒到气体中而引入到气体中。将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。在将传热液体的至少一部分转移回到热井中之前,泡沫的至少一部分可以被分离成气体和传热液体。在压缩之前和/或期间引入传热液体可以使得压缩大致等温地进行。在膨胀之前和/或期间引入传热液体可以使得膨胀大致等温地进行。由动力单元产生的废热能量可以存储在热井中。可以在热井和周围环境之间交换热能。当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,可以在热井和周围环境之间交换热能。在压缩之前和/或期间引入到气体中的传热液体的温度可以低于环境温度。在膨胀之前和/或期间引入到气体中的传热液体的温度可以高于环境温度。可以在压缩之后存储压缩的气体,并且存储的压缩气体可以在膨胀期间膨胀。存储压缩的气体可以包括以升高的温度存储传热流体。存储的传热流体可以转移到热井中,由此在其中存储热能。在膨胀之后,膨胀的气体可以排出到大气中。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,其被配置为与用于在其中容纳传热流体的热井一起使用。该系统包括下述部件或者实质上由它们组成:(i)包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量;(ii)用于在压缩和/或膨胀之前和/期间将传热液体引入到气体中的机构,该机构被配置用于选择性地流体连接到热井;(iii)用于选择性地将引入到气体中的传热液体转移回到热井中的导管;以及(iv)热连接到动力单元和热井的废热热交换系统,其用于将来自动力单元的废热能量转移到热井中。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。该系统可包括环境热交换系统,其被配置为热连接到热井和周围环境。该系统可包括控制系统,该控制系统用于(i)感测动力单元的操作状态,和(ii)仅当动力单元既未膨胀气体也未压缩气体时,操作环境热交换系统。用于存储压缩气体的库可以选择性地流体连接到动力单元。该库可以被配置为选择性地流体连接到热井,从而使得传热液体能够在它们之间流动。用于将膨胀的气体排出到大气中的排出口可以选择性地流体连接到动力单元。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩和/或膨胀。在压缩和/或膨胀之前和/或期间,(i)从热井中以第一温度撤回传热液体,(ii)热调节传热液体,由此使其达到不同于第一温度的第二温度,以及(iii)将热调节过的传热液体引入到气体中以与其交换热量。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。气体和热调节过的传热液体之间的热交换可以使得压缩和/或膨胀大致等温地进行。将热调节过的传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。将热调节过的传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。在压缩和/或膨胀之后,泡沫的至少一部分可被分离成气体和传热液体。热调节传热液体可以包括在传热液体和第二热井之间传输热能或者实质上由其组成,该第二热井与该热井分离,并且未流体连接到该热井。由动力单元产生的废热能量可以存储在第二热井中。可以在第二热井和周围环境之间交换热能。当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,可以在第二热井和周围环境之间交换热能。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,其包括下述部件或实质上由它们组成:(i)包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量;(ii)用于在压缩和/或膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中的机构;(iii)选择性地流体连接到该机构的热井,该热井用于在其中容纳传热液体;(iv)连接在热井和动力单元之间的热交换器,该热交换器用于热调节从热井流向动力单元的传热液体;以及(v)与热交换器关联且与热井分离的第二热井,该第二热井用于存储来自传热流体的热能和/或将热能供应给传热流体。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。导管可以将引入到气体中的传热液体转移回到热井中。用于将废热能量从动力单元转移到第二热井的废热热交换系统可以热连接到动力单元和第二热井。环境热交换系统可以热连接到第二热井和周围环境。热交换器可以位于第二热井内。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩或膨胀。在压缩和/或膨胀之前和/或期间,(i)从第一热井中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到不同于第一温度的第二温度。第二温度的传热液体被转移到第二热井中,该第二热井与第一热井分离并且未流体连接到第一热井。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。气体和传热液体之间的热交换可以使得压缩和/或膨胀大致等温地进行。将传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。在将传热液体转移到第二热井中之前,泡沫的至少一部分可以被分离成气体和传热液体。由动力单元产生的废热能量可以存储在第二热井中。可以在周围环境与第一热井和/或第二热井之间交换热能。当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,可以与周围环境交换热能。
在一个方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,该系统包括:(i)包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量;(ii)用于在压缩和/或膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中的机构;(iii)选择性地流体连接到该机构的(a)第一热井,该第一热井用于在其中容纳第一温度的传热液体,以及(b)第二热井,该第二热井与第一热井分离,用于在其中容纳第二温度的传热液体,第二温度不同于第一湿度。该系统还包括控制系统,用于(i)在压缩之前和/或期间,将传热液体(a)从第一热井路由到气体中,和(b)从动力单元路由到第二热井中,以及(ii)在膨胀之前和/或期间,将传热液体(a)从第二热井路由到气体中,和(b)从动力单元路由到第一热井中。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。用于将废热能量从动力单元转移到第二热井的废热热交换系统可以热连接到动力单元和第二热井。环境热交换系统可以热连接到第一热井和周围环境。环境热交换系统可以热连接到第二热井和周围环境。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩和/或膨胀。在压缩和/或膨胀之前和/或期间,(i)从库中以第一温度撤回传热液体,(ii)热调节传热液体,由此使其达到不同于第一温度的第二温度,以及(iii)将热调节过的传热液体引入到气体中以与其交换热量。热调节传热液体包括在传热液体和从具有第三温度的第一热井流向第二热井的储热液体之间交换热能或实质上由其组成,该第二热井(i)与第一热井分离,并且(ii)具有不同于第三温度的第四温度。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。传热液体和储热液体可以在传热液体的热调节期间不混合。气体和热调节过的传热液体之间的热交换可以使得压缩和/或膨胀大致等温地进行。将热调节过的传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。将热调节过的传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热流体和气体或者实质上由它们组成。在压缩和/或膨胀之后,泡沫的至少一部分可被分离成气体和传热液体。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种能量存储和恢复系统,其包括下述部件或实质上由它们组成:(i)包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量;(ii)用于在压缩和/或膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中的机构;(iii)选择性地流体连接到该机构的库,该库用于在其中容纳传热液体;(iv)连接在库和动力单元之间的热交换器,该热交换器用于热调节从库流向动力单元的传热液体;以及(v)与热交换器关联且不与库流体连接的(a)第一热井,该第一热井用于容纳第一温度的储热液体,和(b)第二热井,该第二热井用于容纳不同于第一温度的第二温度的储热液体,储热液体在第一和第二热井之间的流动热调节传热流体。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。导管可以将引入到气体中的传热液体转移回到库中。用于将废热能量从动力单元转移到第二热井的废热热交换系统可以热连接到动力单元和第二热井。环境热交换系统可以热连接到第一热井和周围环境。环境热交换系统可以热连接到第二热井和周围环境。
在另一方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩。在压缩之前和/或期间,(i)从液体库中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到高于第一温度的第二温度。第二温度的传热液体和压缩的气体都转移到压缩气体存储器。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。气体和传热液体之间的热交换可以使得压缩大致等温地进行。将传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。将第二温度的传热液体和压缩的气体都转移到压缩气体存储器可以包括将泡沫转移到压缩气体存储器或实质上由其组成。
该方法可包括:(i)将压缩的气体从压缩气体存储器转移到动力单元;(ii)在动力单元中膨胀压缩的气体;以及(iii)在膨胀之前和/或期间,(a)从压缩气体存储器中以第三温度撤回传热液体,以及(b)将传热液体引入到气体中以与其进行热量交换,热交换使得传热液体达到低于第三温度的第四温度;以及(iv)将传热液体转移到液体库。气体和传热液体之间的热交换可以使得膨胀大致等温地进行。在膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。在膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。在将传热液体转移到液体库之前,泡沫的至少一部分可以被分离成气体和传热液体。由动力单元产生的废热能量可以存储在压缩气体存储器中。可以在周围环境和压缩气体存储器之间交换热能。当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,可以与周围环境交换热能。
在又一方面,本发明的实施方式包括一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量和/或膨胀气体以恢复能量的气缸组件。气体在动力单元中被压缩。在压缩之前和/或期间,(i)从第一热井中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到高于第一温度的第二温度。压缩的气体被转移到压缩气体存储器。将第二温度的传热液体转移到压缩气体存储器和/或第二热井,该第二热井与第一热井分离。
该方法可包括:(i)将压缩的气体从压缩气体存储器转移到动力单元;(ii)在动力单元中膨胀压缩的气体;以及(iii)在膨胀之前和/或期间,(a)从压缩气体存储器或第二热井的至少一个中撤回传热液体,以及(b)将传热液体引入到气体中以与其交换热量;以及(iv)将传热液体转移到第一热井。
本发明的实施方式以多种不同组合中的任意一种的方式结合了下述中的一项或多项。在动力单元中膨胀压缩的气体可以包括在跨越不同压力范围的第一阶段和第二阶段中膨胀压缩的气体,或者实质上由其组成。在第一阶段中,在膨胀之前和/或期间,传热液体可以从压缩气体存储器中撤回。在第二阶段中,在膨胀之前和/或期间,传热液体可以从第二热井中撤回。气体和传热液体在膨胀之前和/或期间之间的热交换可以使得膨胀大致等温地进行。在膨胀之前和/或期间将传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。在将传热液体转移到第一热井中之前,泡沫的至少一部分可以被分离成气体和传热液体。在动力单元中压缩气体可以包括在跨越不同压力范围的第一阶段和第二阶段中压缩气体,或者实质上由其组成。在第一阶段中,在压缩之后和/或期间,传热液体可以被转移到压缩气体存储器。在第二阶段中,在压缩之后和/或期间,传热液体可以被转移到第二热井。在压缩之前和/或期间气体和传热液体之间的热交换可以使得压缩大致等温地进行。在压缩之前和/或期间将传热液体引入到气体中可以包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中,或者实质上由其组成。在压缩之前和/或期间将传热液体引入到气体中可以形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体或者实质上由它们组成。在将第二温度的传热液体转移到压缩气体存储器和/或与第一热井分离的第二热井之前,泡沫的至少一部分可以被分离成气体和传热液体。由动力单元产生的废热能量可以被存储在第二热井中。可以在周围环境与第一热井和/或第二热井之间交换热能。当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,可以与周围环境交换热能。
参考下述说明书、附图和权利要求,本发明的这些和其他目的以及优势和特征将变得更加显而易见。此外,应该理解,本文描述的各种实施方式的特征并不互相排斥,而是可以以各种组合和排列存在。注意到,如本文所使用的,术语“管”、“管道”和类似术语指一个或多个用于在两点之间承载气体或液体的导管。因此,单数术语在适当的时候应该被认为包括多个平行管道。本文中,除非另有说明,术语“液体”和“水”可互换地指任何大体上或实质上不可压缩的液体,术语“气体”和“空气”可以互换使用,并且术语“流体”可以指液体、气体或者液体和气体的混合物(例如泡沫)。如本文所使用的,除非另有说明,术语“大约”和“大致”指±10%,并且在一些实施方式中指±5%。“阀”是用于控制流体路径或库之间的流体连通或者用于选择性地进入控制或排出的任意机构或部件。术语“气缸”指横截面均匀但不一定为圆形的腔室,其可包含可滑动地布置的活塞或将腔室一侧的流体与另一侧的流体分开的其他机构,防止流体从腔室的一侧移动到另一侧,同时允许来自腔室一侧的力/压力传递给下一侧或者传递给腔室外部的机构。腔室两端中的至少一端可以由端帽(本文中也被称为“头”)封闭。如本文所利用的,“端帽”不一定是与气缸的剩余部分不同或可分离的部件,其可以指气缸本身的端部。杆、阀和其他设备可以穿过端帽。“气缸组件”可以是一个普通的气缸或包括多个气缸,并且可以或可以不具有额外的相关联的部件(例如气缸之间的机械联接)。如'678和'842专利中所述,气缸的轴可以液压地或机械地耦接到机械负载(例如,液压电机/泵或曲柄轴),该机械负载进而耦接到电负载(例如,连接到电子电器和/或直接连接到电网或其他负载的旋转或直线电动机/发电机)。如本文所使用的,热交换流体的“热调节”不包括热交换流体由于与气体交互而导致的温度的任何变化,其中热交换流体与气体交换热能;而是,这种热调节一般指热交换流体通过其他装置(例如外部热交换器)而发生的温度变化。在本文中,术语“热交换”和“传热”一般可以互换地使用。除非另有说明,如果电机/泵在系统操作期间仅用作电机或泵而不是二者,则本文描述的电机/泵不需要被配置成既用作电机又用作泵。本文描述的气体膨胀可以在没有燃烧的情况下进行(例如,相对于内燃机的运行)。
附图说明
在附图中,相似的附图标记一般在所有的不同视图中指相同的部件。以本领域内熟知气动缸和液压缸的技术人员所理解的方式在横截面视图中示出了气缸、杆和其他部件。同样地,附图并不一定按比例绘制,重点大体上在于示出本发明的原理。在下述说明书中,参考附图描述了本发明的各种实施方式,附图中:
图1是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的示意图;
图2是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图3是根据本发明各种实施方式的压缩空气能量存储和恢复系统的主要部件的示意图;
图4是根据本发明各种实施方式的多气缸压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图5是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有用于在气缸外部生成泡沫的装置;
图6是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有用于在气缸外部生成泡沫的装置并提供了泡沫生成装置的旁路;
图7是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有用于在气缸外部的容器中生成泡沫的装置;
图8是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有用于在气缸内部生成泡沫的装置;
图9是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有两个气缸和用于在气缸外部生成和分离泡沫的装置;
图10是根据本发明各种实施方式的等温气体膨胀中的液滴喷雾的能量性能的实验数据的图;
图11是根据本发明各种实施方式的等温气体膨胀中的泡沫的能量性能的实验数据的图;
图12是根据本发明各种实施方式的等温气体压缩中的液滴喷雾的能量性能的实验数据的图;
图13是根据本发明各种实施方式的等温气体压缩中的泡沫的能量性能的实验数据的图;
图14是根据本发明各种实施方式的为在压缩循环期间将起泡液引入气缸的两种方法而计算的喷洒压力的图;
图15是根据本发明各种实施方式的为在热交换泡沫质量比和最终压缩压力的范围内的压缩而计算的最终液体温度的图;
图16是根据本发明各种实施方式的针对热交换泡沫质量比的范围而计算的所需额外存储空间的图;
图17是根据本发明各种实施方式的利用泡沫的气体膨胀压缩的等温效率的实验数据的图,其与利用非起泡喷雾的类似压缩的等温效率相比较;
图18是根据本发明各种实施方式的气缸组件的示意图,该气缸组件具有两个气缸和用于生成和分离三种不同的质量比的泡沫的装置;
图19是根据本发明各种实施方式的生成具有相对较低的质量比的泡沫的装置的示意图;
图20是根据本发明各种实施方式的生成和分离具有相对较高的质量比的泡沫的装置的示意图;
图21是根据本发明各种实施方式的生成具有相对较低的质量比的泡沫的装置的示意图;
图22是根据本发明各种实施方式的生成具有中间质量比的泡沫的装置的示意图;
图23是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图24A和24B是根据本发明各种实施方式的额外用作液体泵的气动缸的各种部件的示意图;
图25是根据本发明各种实施方式的利用额外用作液体泵的两个气动缸的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图26是根据本发明各种实施方式的气缸头中的两个提升阀的示意图;
图27是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图28是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图以及示出系统内选定的时间和温度关系的图;
图29是根据本发明各种实施方式的压缩气体能量存储系统的各种部件的示意图;
图30是根据本发明各种实施方式的具有外部热交换器的压缩气体存储容器的示意图;
图31是根据本发明各种实施方式的具有内部热交换的压缩气体存储容器的示意图;
图32是根据本发明各种实施方式的压缩气体存储容器的示意图,其中,压缩气体存储容器由环绕其循环的流体加热或冷却;
图33是根据本发明各种实施方式的压缩气体存储容器的示意图,其中,压缩气体存储容器由环绕其循环的液体加热或冷却;
图34是根据本发明各种实施方式的存储压缩气体和热交换液体的、具有外部热交换的洞室的示意图;
图35是根据本发明各种实施方式的能量存储和恢复系统的各种部件的示意图,示出了在系统中的膨胀之前和/或期间,来自发电厂的废热被用于加热所存储的压缩气体的应用;
图36和37是结合了气缸组件和一个或多个根据本发明各种实施方式的膨胀器、压缩机或膨胀器/压缩机的能量存储和恢复系统的示意图;
图38是根据本发明各种实施方式的用于在其中形成泡沫的增压泵的示意图;
图39-44是根据本发明各种实施方式的各种系统的示意图,这些系统包括用于膨胀和/或压缩气体的气缸组件以及一个或多个热井;
图45和46是根据本发明各种实施方式的能量存储和恢复系统的各种部件的示意图,其中,高功率、短时的能量存储设备与压缩气体能量存储系统并联连接;
图47是示例性24小时期间内的电力供应和需求的示意图;
图48是根据本发明各种实施方式的组合的高功率、短时的能量存储设备和压缩气体能量存储系统对图47的24小时期间的电力供应和需求的响应的示意图;
图49是根据本发明各种实施方式的组合的高功率、短时的能量存储设备和压缩气体能量存储系统在图47的24小时期间的充电状态的示意图;以及
图50是根据本发明各种实施方式的示例性电力生成和消耗网络或电网的概念图。
具体实施方式
图1示出了可作为用于存储和释放能量的较大系统(未示出)的一部分的示例性系统100。后续附图将阐述本发明的实施方式在这种系统中的应用。图1中示出的系统100以组件101为特征,该组件101用于压缩和膨胀气体。膨胀/压缩组件101可以包括下述设备或基本上由下述设备组成:一个或多个独立的用于膨胀或压缩气体的设备(例如,涡轮机或气缸组件,其中每个可以包括可移动边界机构)或这些设备的分级系列,以及图1中未明确示出的辅助设备(例如,阀)。
电动机/发电机102(例如旋转或直线电机)与膨胀/压缩组件101之间形成物理连接(例如,通过液压泵、活塞轴或机械曲柄轴)。电动机/发电机102可以电连接至图1中未明确示出的电能的源和/或汇(例如,配电网或者诸如一个或多个风力涡轮机或太阳能电池的可再生能源)。
膨胀/压缩组件101可以与热交换子系统104流体连通,该热交换子系统104改变从膨胀/压缩组件101提取的流体(即,气体、液体或气液混合物,例如泡沫)的温度和/或压力,并且在改变流体的温度和/或压力之后,将其至少一部分返回到膨胀/压缩组件101中。热交换子系统104可以包括泵、阀和其他设备(在图1中未明确示出)以辅助其热交换功能,并且将将流体转移到膨胀/压缩组件101中,或将流体从膨胀/压缩组件101中转移出来。经过适当的操作,热交换子系统104使得膨胀/压缩组件101内的气体能够进行大致等温的压缩和/或膨胀。
具有控制阀108的管道106连接到膨胀/压缩组件101上,该控制阀108控制组件101和存储库112(例如,一个或多个压力容器、管道和/或洞室)之间的流体(例如气体)的流动。存储库112可以与热交换子系统114流体连通,该热交换子系统114改变从存储库112中移除的流体的温度和/或压力,并且在流体的温度和/或压力改变之后,将其返回到存储库112中。具有控制阀118的第二管道116可以与膨胀/压缩组件101流体连通并且与排出口120流体连通,该排出口与气体主体以相对较低的压力(例如环境大气)相通。
控制系统122从膨胀/压缩组件101、存储库112和系统100的其他部件以及系统100外的源接收信息输入。这些信息输入可以包括下述各项或基本上由下述各项组成:压力、温度和/或系统101的部件的性质的其他遥测测量值。这些信息输入(在此处一般由字母T表示)通过无线或有线的方式传输给控制系统122。这种传输在图1中由点线124、126表示。
控制系统122可以选择性地控制阀108和118以使得组件101中的气体能够进行大致等温的压缩和/或膨胀。控制信号(在此处一般由字母C表示)通过无线或有线的方式传输给阀108和118。这种传输在图1中由短划线128、130表示。控制系统122也可以控制热交换组件104、114以及图1中未明确示出的其他部件的运行。出于这些目的的控制和遥测信号的传输在图1中未明确示出。
控制系统122可以是任何可接受的具有人机界面的控制设备。例如,控制系统122可以包括执行以计算机可读软件介质形式存储的控制应用的计算机(例如PC类型)。更一般地,控制系统122可以实现为软件、硬件或其一些组合。例如,控制系统122可以实施在一个或多个计算机上,例如具有CPU板的PC,该CPU板包含一个或多个处理器,例如由加州圣塔克莱拉的英特尔公司制造的Pentium、Core、Atom或Celeron系列处理器,由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器,和/或由加州塞涅维尔的超微半导体公司(AMD)制造的ATHLON系列处理器。处理器也可以包括主存储器单元,用于存储与上文描述的方法相关的程序和/或数据。存储器可以包括驻留在常用硬件上的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或闪存,其中,常用硬件例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑设备(PLD)或只读存储设备(ROM)。在一些实施方式中,可以利用外部RAM和/或ROM(例如光盘、磁盘或其他存储设备)提供程序。
对于控制器122的功能由软件提供的实施方式而言,可以以多种高级语言中的任意一种写入程序,高级语言例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、LISP、PERL、BASIC或任意合适的编程语言。此外,可以以定向到驻留在目标设备上的微处理器的汇编语言和/或机器语言来实施软件。
如上所述,控制系统122可以从监测系统100运行的各个方面的传感器接收遥测,并且可以为控制阀致动器、阀、电机和其他机电/电子设备提供信号。控制系统122可以经由有线或无线通信与这些传感器和/或系统100的其他部件(以及本文描述的其他实施方式)进行通信。适宜的接口可以用于将来自传感器的数据转换成控制系统122可读的形式(例如RS-232或基于网络的互连线)。类似地,接口将计算机的控制信号转换成阀和其他致动器可用于执行操作的形式。提供这些接口以及适当的控制编程对本领域技术人员来说是清楚的,并且可以在未进行过多实验的情况下提供。
可以操作系统100以压缩通向排出口120的气体并且将由此压缩的气体存储在库112中。例如,在操作的初始状态中,阀108关闭而阀118打开,允许一定量的气体进入膨胀/压缩组件101。当已经允许了期望量的气体进入组件101时,阀118可以关闭。随后,使用未在图1中明确示出的源(例如电网)提供的能量的电动机/发电机102为膨胀/压缩组件101提供机械动力,使得组件101内的气体能够被压缩。
在气体在组件101内的压缩期间,流体(即气体、液体或气液混合物)可以在组件101和热交换组件104之间循环。热交换组件104可以以使得气体在组件101内进行大致等温压缩的方式操作。在气体在组件101内压缩期间或之后,阀108可以打开以使得高压流体(例如压缩气体或液体和压缩气体的混合物)流向库112。热交换组件114可以在任何时候以改变库112内流体的温度和/或压力的方式操作。
系统100还可以操作成以将能量递送给电动机/发电机102的方式在膨胀/压缩组件101中使来自库112的压缩气体膨胀,这对于所有熟知气动机、液压机和电机的技术人员来说是显而易见的。
图2示出了示例性系统200,该系统200具有与库222(即图1中的112)连通的气缸组件201(即,图1中的组件101的实施方式)和通向大气的排出口223(图1中的120)。在图2所示的示例性系统200中,气缸组件201包含可滑动地置于其中的活塞202。在一些实施方式中,活塞202由将气缸组件201分成多个室的不同边界机构替代,或者完全没有活塞202,而气缸组件201是“液体活塞”。举例来说,气缸组件201可以分成两个气动室或一个气动室和一个液压室。活塞202连接至杆204,杆204可以包含钻在中部的流体通路,而流体出口212从活塞202延伸。例如,杆204还附接到未示出的机械负载(例如曲柄轴或液压系统)。气缸组件201与热交换子系统224液体连通,该热交换子系统224包括循环泵214和喷洒机构210或实质上由它们组成,从而使得能够进行气体的大致等温的压缩/膨胀。通过泵214循环的传热流体可以穿过热交换器203(例如,管壳式或平行板式热交换器)。喷洒机构210可以包括一个或多个喷洒头(例如,位于气缸组件201的一端)和/或喷洒杆(例如,沿着气缸组件201的中心轴的至少一部分延伸)或实质上由它们组成。在其他实施方式中,喷洒机构210被省略,并且形成泡沫(而不是液滴的雾状物)以在气缸组件201内的气体的压缩和膨胀期间辅助液体和气体之间的热交换。可以通过下述方法生成泡沫:在气缸组件201外部的机构(未示出,在下文中更详细地描述)中使气体与热交换液体形成泡沫,随后将产生的泡沫注入到气缸组件201中。可选地或此外,可以通过将热交换液体经由泡沫生成机构(例如,喷头、旋转叶片、一个或多个喷嘴)注入到气缸组件201中而在气缸组件201内生成泡沫,其部分地或完全地填充气缸组件201的气动室。在一些实施方式中,液滴和泡沫可以同时和/或顺序地被引入到气缸组件201中。各种实施方式可以包括用于控制泡沫特点(例如泡的大小)和破裂、分离和/或再生成泡沫的机构(图2中未示出)。
系统200还包括与存储库222和气缸组件201连通的第一控制阀220(图1中的108),以及与排出口223和气缸组件201连通的第二控制阀221(图1中的118)。控制系统226(图1中的122)可以基于来自气缸组件201和/或存储库222的各种系统输入(例如压力、温度、活塞位置和/或流体状态)来控制例如阀222和阀221的操作。传热流体(由泵214循环的液体)通过管道213进入。管道213可以(a)连接至低压流体源(例如,连接到排出口223的压力下的流体库(未示出)或热井242);(b)连接至高压源(例如库222的压力下的流体库(未示出));(c)选择性地在压缩过程中连接(利用未示出的阀布置)到低压,而在膨胀过程期间连接至高压;(d)通过连接件212连接至气缸201中的变压流体208;或(e)这些选项的某种组合。
在初始状态中,气缸组件201可以包含气体206(例如,经由阀221和排出口223引入到气缸组件201中的空气)和传热流体208(举例来说,其可包括水或其他合适的液体或实质上由它们组成)。当气体206进入气缸组件201时,活塞202被操作将气体206压缩至加压(例如大约3000psi)。传热流体(不一定与传热流体208的主体相同)从管道213流向泵214。泵214可以将热交换流体的压力升高至比气缸组件201内的压力稍高的压力(例如,高至大约3015psig),如'409申请中所述的那样。可选地或结合地,本发明的实施方式通过仅使相对低压的流体经过热交换器或流体库而将热量(即热能量)补充到气缸组件201中的高压气体中或将热量从其中移除,如2011年8月17日提交的序列号为13/211,440的美国专利申请('440申请)中详述的那样,其全部内容通过引用包含于此。
随后通过管道216送出传热流体,传热流体可以穿过热交换器203(其在此处温度被改变),并且随后通过管道218到达喷洒机构210。由此循环的传热流体可以包括液体或泡沫或实质上由液体或泡沫组成。如所示,喷洒机构210可以置于气缸组件201内;位于存储容器222或排出口223中;或位于围绕气缸组件的管道或分支管中,例如管道218或将气缸组件连接到存储容器222或排出口223的管道。喷洒机构210可以在压缩期间在排出口223或连接管道中操作,并且单独的喷洒机构可以在膨胀期间在存储容器222或连接管道中操作。来自喷洒机构210(和/或任何额外的喷洒机构)的传热喷雾211和/或来自气缸组件101内部或外部的机构的泡沫使得气缸组件201内的气体206能够进行大致等温的压缩。
在一些实施方式中,热交换器203被配置成调节低压(例如,比气缸组件201中的压缩或膨胀冲程的最大压力低的压力)的传热流体,并且传热流体在冲程之间或仅在冲程的一些部分期间被热调节,如'440申请中所详述的。本发明的实施方式被配置为通过使用例如配置用于气缸组件内部的(例如至少部分地位于其活塞杆内)非弯曲物和/或泵(例如潜孔泵、轴流泵或其他直列式泵)的管或吸管来使传热流体循环,而不需要使用在操作期间弯曲的软管,如2011年9月16日提交的序列号为13/234,239的美国专利申请('239申请)中所述,其全部内容通过引用包含于此。
在压缩冲程的结束或接近结束时,控制系统226打开阀220以允许压缩气体206进入存储库222中。阀220和221的操作可以由对控制系统226的各种输入控制,这些输入例如气缸组件201中的活塞位置,存储容器222中的压力、气缸组件201中的压力和/或气缸组件201中的温度。
如上所述,控制系统226可以执行大致等温的操作,即,通过对压缩和/或膨胀的速率进行控制(例如,将气体引入气缸组件201和将气体排出气缸组件201)的气缸组件201中的气体的膨胀和/或压缩,和/或热交换子系统响应于感测条件的操作。例如,响应于温度偏差,控制系统226可以通过发出控制信号而对位于气缸组件201中或位于其上的一个或多个传感器(用于测量气缸组件201内的气体和/或热交换流体的温度)做出响应,控制信号操作一个或多个上述的系统部件来实时补偿所感测的温度偏差。例如,响应于气缸组件201内的温度增加,控制系统226可以发出命令以增加热交换流体208的喷雾211的流速。
此外,本发明的实施方式可以应用于气缸组件201(或其腔室)与第二气缸的气动室(例如,如图4所示)流体连通的系统中。第二气缸进而可以类似地与第三气缸连通,依此类推。可以以这种方式连接任意数量的气缸。这些气缸可以并联或串联的方式连接,其中,压缩和膨胀分多阶段完成。
热交换器203的流体回路可以填充有水、冷却液混合物、水基泡沫或任意其他可接受的热交换介质。在替代实施方式中,诸如空气或冷却剂的气体被用作热交换介质。一般来说,流体以闭环或开环的方式通过导管通向这种流体的大型库。开环的一个实例是从中引出环境水并将排出的水递送到不同位置(例如河的下游)的井或水体。在闭环实施方式中,冷却塔可以通过空气使水循环,以返回到热交换器中。同样地,水可以通过浸没或掩埋的连续管道匝,其中,发生反向热交换以在流体流返回到热交换器中进行下一循环之前将其还原到环境温度。
在各种实施方式中,通过将热交换器203的外部热交换侧的流体入口238和流体出口240连接到设施(例如火电厂、利用废热的工业过程、热泵和/或需要空间加热或冷却的建筑物)来调节(即,预热和/或预冷)热交换流体或使用热交换流体来用于加热或冷却需求,如'731专利中所述的。可选地,如图2所示,热交换器203的外部热交换侧可以连接至热井242。热井242可以包括大型水库(其作为与系统一起使用的恒温热流源)或实质上由其组成。可选地,如上所述,水库可以经由包含在设施中的另一热交换器热连接到来自工业过程或类似物的废热。这允许热交换流体从/向连接的过程获取或排出热量(取决于配置),从而后续用作能量存储/转换系统中的加热/冷却介质。可选地,热井242可以包括储能介质的两个或多个主体,例如热水热井或冷水热井,它们通常维持在相反的能量状态以相对于热井242包括储能介质的单个主体的系统而言增加系统200的有效能。除了水之外的存储介质可以用在热井242中;温度变化、相的变化或二者的变化可以被热井242的存储介质利用来存储和释放能量。至大气、地面和/或环境的其他部分的热或流体连接(未示出)也可以包括在系统200中,允许质量、热能、或二者添加到热井242中或从热井242中移除。此外,如图2所示,热交换子系统224不会直接与热井242互换流体,但在其他实施方式中,流体直接在热交换子系统224和热井242之间传输,而没有热交换器使流体之间保持分离。
图3是示例性系统300的主要部件的示意图,该系统300使用气动缸302来有效地将机械能转换(即存储)成压缩气体的势能,并且在另一操作模式中,将压缩气体的势能有效地转换(即恢复)成机械功。气动缸302可以包含可滑动地布置的活塞304,该活塞304将气缸302的内部分成了远端室306和近端室308。具有相关管道312和双向阀316的一个或多个端口(未示出)使得来自高压存储库320的气体能够根据需要进入室306。具有相关管道322和双向阀324的一个或多个端口(未示出)使得来自室306的气体能够根据需要经由排出口326排出到环境大气中。在可选实施方式中,排出口326由额外的低压气动缸(或气缸的气动室)替代。一个或多个端口(未示出)使得室308的内部能够随时与环境大气自由地连通。在替代实施方式中,气缸302起双重作用,并且配备有室308(类似于室306)以在各种操作状态中通入或排出流体。杆330的远端耦接到活塞304。杆330可以连接到曲柄轴、液压缸或其他机构以将线性机械运动转换成有用功,如'679和'842专利中所述的那样。
在能量恢复或膨胀的操作模式中,存储库320填充有高压空气(或其他气体)332以及一定量的传热流体334。传热流体334可以是水基泡沫或当喷洒或以其他方式施加时趋向于形成泡沫的液体。水基泡沫的液体组分或趋向于形成泡沫的液体可以包括具有2%-5%的某些添加剂的水,或实质上由其组成;这些添加剂也可以提供下述功能:防腐蚀、防磨损(润滑)、抗生物生成(抗生素)、冰点修正(防冻结)和/或改善表面张力。添加剂可以包括润滑液的微乳液,例如,矿物油、诸如乙二醇的试剂的溶液(例如丙二醇)或可溶合成物(例如乙醇胺)。这些添加剂用于降低液体表面张力并在喷洒时导致大量泡沫。可商购的流体可以以大约5%的水溶液使用,例如部分由矿物油的微乳液组成的Mecagreen127(可商购于密歇根州的Condat公司)以及部分由可溶乙醇胺组成的Quintolubric807-WP(可商购于宾夕法尼亚州的Quaker化学公司)。可以以更高的浓度(例如50%的水溶液)使用其他添加剂,包括部分由丙二醇组成的Cryo-tek100/Al(可商购于新泽西州的Hercules化学公司)。还可以进一步改良这些流体以增强喷洒时的泡沫并且当处于库中时加快消泡。
传热流体334可以经由高入口压力、低能耗的泵336(诸如在'731专利中所述)在存储库320内循环。在各种实施方式中,流体334可以经由管道338从存储库320的底部移除,经由泵336循环通过热交换器340,并且经由管道342和喷头344(或其他合适的机构)被引回(例如喷洒)到存储库320的顶部。库320中由于移除或添加气体(例如经由管道312)而导致的压力的任何变化一般会导致库320中的气体332的温度的变化。通过在整个存储库气体332中喷洒流体334和/或使流体334成泡沫,可以经由与传热流体334之间的热交换而将热量添加到气体332或将热量从气体332移除。通过将传热流体334循环通过热交换器340,流体334和气体332的温度可以大体上保持恒定(即,等温)。处于近环境压力中的逆流热交换流体346可以从近环境温度的热井(未示出)或热能的源(例如废热源)或汇(例如冷水源)开始循环,如下文更详细描述的那样。
在本发明的各种实施方式中,库320包含未分离或部分分离成其气态或液态组分的水基泡沫。在这些实施方式中,泵336可以循环泡沫本身或泡沫的分离的液态组分或二者,并且流体至库320的再循环可以包括通过未在图3中示出的装置再次生成泡沫。
在能量恢复或膨胀操作模式中,当活塞304靠近或处于其冲程的顶部时(即,气缸302的“上止点”),一定量的气体可以经由阀316和管道312引入到气缸302的上部室306中。随后,活塞304及其杆330将向下移动(气缸302可以被任意定向,但在该示例性实施方式中被示为垂直定向)。热交换流体334可以经由可选的泵350(可选地,可以将压力降引入管线312中,从而不需要泵350)通过管道352和换向阀354同时地被引入到室306中。这种热交换流体334可以经由一个或多个喷嘴356以生成泡沫360的方式喷洒到室306中。(在一些实施方式中,泡沫360被直接以泡沫形式引入到室306中)。泡沫360可以完全地填充整个室306,但如图3所示,仅出于示例性的目的,泡沫360仅部分地填充室306。本文中,术语“泡沫”指(a)单纯的泡沫或(b)泡沫和处于其他的非起泡状态的热交换液体(例如液滴)的各种混合物中的任何一种。此外,一些非起泡液体(未示出)可以在室306的底部积聚;就本文所提及的室306内的泡沫360来说,其大体上包括任何这种液体。
系统300配备有压力传感器、活塞位置传感器和/或温度传感器(未示出)并经由控制系统362来控制。在活塞304的预定位置处,一定量的气体332和传热流体334已经通入到室306中,并且阀316和阀354关闭。(阀316和354可以同时或不同时关闭,因为每个阀都具有基于期望流体量的控制值)。随后,室306中的气体经历自由膨胀,继续向下驱动活塞304。在该膨胀期间,在没有泡沫360的情况下,气体将趋于使温度大幅下降。在泡沫360大量地或完全地填充室的情况下,室306中的气体的温度和传热流体360的温度经由热交换趋向于彼此接近。泡沫360的液态组分(例如具有一种或多种添加剂的水)的热容量可以远高于气体(例如空气)的热容量,从而即使在多次气体膨胀(例如,从250psig至接近大气压力,或者在其他实施方式中从3000psig至250psig)中,气体和液体的温度不会大幅改变(即,大致等温)。
当活塞304到达其冲程的端部(下止点)时,室306内的气体将会膨胀到预定低压(例如,接近大气压)。随后,阀324将打开,允许来自室306的气体排出,无论是通过管道322和排出口326排向大气(如此处所示),或者是在其他实施方式中经由管道322排向膨胀过程中的下一阶段(例如单独的气缸中的室)。在活塞经历向上(即,返回)冲程时,阀324保持打开,使室306排空。泡沫360的一部分或实质上全部泡沫也被迫经由管道322流出室306。分离器(未示出)或诸如重力分离的其他手段被用于恢复传热流体,优选地消泡后的传热流体(即,作为具有或不具有添加剂的简单液体),还被用于经由管道366将传热流体导入存储库364中。
当活塞304再次到达冲程顶部时,过程重复,而气体332和传热流体334经由阀316和354从容器320通入。如果库320需要额外的传热流体,则额外的传热流体可以经由管道367和可选的泵/电机368从库364被泵回到库320中。在一种操作模式中,泵368也可以用于连续地再填充库320,从而库320中的压力大体上保持为恒定。即,随着气体从库320中移除,添加传热流体334以在库320中维持恒定的压力。在其他实施方式中,泵368未被使用或被间歇地使用,库320中的压力继续在能量恢复过程期间降低(即,涉及从库320中移除气体),并且控制系统360相应地改变阀316和354的定时,从而当活塞304到达其冲程端部时,达到大致相同的端部压力。能量恢复过程可以继续,直到存储库320几乎没有加压气体332,此时,能量存储过程可以用于利用加压气体332再次装填存储库320。在其他实施方式中,基于操作人员要求来改变能量恢复和能量存储过程。
在能量存储或能量压缩操作模式中,存储库320通常至少部分地耗尽高压气体332,而存储库320通常也包含一定量的传热流体334。库364处于低压(例如,大气压力或用作气缸302的压缩阶段的进气压力的一些其他低压)并且包含一定量的传热流体370。
传热流体370可以经由低能耗泵372在库364内循环。在各种实施方式中,流体370可以通过管道367从库364的底部移除,经由泵372循环通过热交换器374,并且经由管道376和喷头378(或其他合适的机构)被引回(例如喷洒)到库364的顶部。通过在整个库气体380中喷洒流体370,可以经由传热流体370而将热量添加到气体或将热量从气体移除。通过将传热流体370循环通过热交换器374,流体370和气体380的温度可以保持接近恒定(即,等温)。处于近环境压力中的逆流热交换流体382可以从近环境温度的热井(未示出)或热能的源(例如废热源)或汇(例如冷水源)开始循环。在一个实施方式中,逆流热交换流体382处于高温以增加膨胀期间的能量恢复,和/或逆流热交换流体382处于低温以降低压缩期间的能量消耗。
在能量存储或压缩操作模式中,当活塞304靠近气缸302的上止点时,一定量的低压气体经由阀324和管道322引入到气缸302的上部室306中。低压气体可以来自环境大气(例如,可以经由如本文所述的排出口326通入)或可以来自诸如先前压缩阶段的加压气体源。在进气冲程期间,活塞304及其杆330将向下移动,吸取气体。热交换流体370可以经由可选的泵384(可选地,可以将压力降引入管线386中,从而不需要泵384)通过管道386和换向阀388同时地被引入到室306中。这种热交换流体370可以经由一个或多个喷嘴390以生成泡沫360的方式被引入(例如,喷洒到)室306中。在进气冲程结束之前,这种泡沫360可以部分或完全地填充室306;仅出于示意的目的,泡沫360在图3中被示为仅部分地填充室306。在进气冲程结束时,活塞304到达冲程结束位置(下止点),并且室306由从低压(例如大气压)空气和热交换液体生成的泡沫360填充。
在冲程结束时,利用处于冲程结束位置的活塞304,阀324关闭。阀388也关闭,不一定和阀324同时关闭,但在预定量的传热流体370通入以形成泡沫之后,阀388才关闭。传热流体370的量可以基于待压缩的空气量、压缩比率和/或传热流体的热容量。然后,活塞304和杆330经由机械手段(例如,液压流体、液压缸、机械曲柄轴)被向上驱动以压缩室306内的气体。
在该压缩期间,在没有泡沫360的情况下,室306中的气体将趋于使温度大幅上升。在泡沫360至少部分地填充室的情况下,室306中的气体的温度和泡沫360的液态组分的温度经由热交换趋向于平衡。泡沫360的流体组分(例如具有一种或多种添加剂的水)的热容量可以远高于气体(例如空气)的热容量,从而即使在多次气体压缩(例如,从接近大气压力至250psig,或者在其他实施方式中从250psig至3,000psig)中,气体和流体的温度不会大幅改变,甚至接近等温。
室306中的气体(包括泡沫360的气态组分或实质上由其组成)被压缩至适当的压力,例如大致等于存储库320内的压力的压力,此时阀316打开。随后,泡沫360(包括其气态组分以及液态组分)利用活塞304和杆330的继续向上移动经由阀316和管道312转移到存储库320中。
当活塞304再次到达冲程顶部时,过程重复,而低压气体和传热流体370从排出口326和库364经由阀324和388通入。如果库364需要额外的传热流体,则额外的传热流体可以从库320经由管道367和可选的泵/电机368返回到库364中。恢复自电机368的动力可以用于辅助驱动机械机构以驱动活塞304和杆330,或者可以经由电动机/发电机(未示出)转换成电力。在一种操作模式中,电机368可以在库320被气体填充时以下述方式连续地运行:使库320中的压力保持为大体上恒定。即,随着气体添加到库320中,从库320中移除传热流体334以在库320中维持大体上恒定的压力。在其他实施方式中,电机368未被使用或被间歇地使用;在能量存储过程期间,库320中的压力继续增加,并且控制系统362相应地改变阀316和388的定时,从而当活塞304到达冲程底部时,在室306内达到期望的结束压力(例如大气压)。能量存储过程可以继续,直到存储库320充满压力为最大存储压力(例如3000psig)的加压气体332,此后,系统准备就绪以执行能量恢复过程。在各种实施方式中,当存储库320仅部分地充满加压气体332(不论压力为最大储存压力还是大气压力和最大存储压力之间的一些存储压力中间值)时,系统可以开始能量恢复过程。在其他实施方式中,基于操作人员需求来改变能量恢复和能量存储过程。
图4示出了示例性系统400,其具有下述特征:至少两个气缸组件402、406(即,图1中的组件101的实施方式;例如,图2中的气缸组件201)以及与各个气缸组件402、406相关联的传热子系统404、408(例如图2中的子系统224)。此外,系统包括热井410(例如,图2中的热井242),其可以与传热子系统404、408中的一个或两个相关联,如虚线所示。
组件402选择性地与存储库412(例如,图1中的112、图2中的222)流体连通,该存储库412能够以相对高压(例如大约3000psig)保持流体。组件406选择性地与组件402和/或组件402和406之间的可选的额外气缸组件流体连通,如省略号422所示。组件406与大气排出口420(例如,图1中的120、图2中的223)选择性地流体连通。
系统400可以经由组件406和402分阶段地(stagewise)将大气压力下的空气(经由排出口420进入系统400)压缩成用于存储在库412中的高压。系统400也可以经由组件402和406分阶段地将库412中的空气从高压膨胀至低压(例如大约5psig),以通过排出口420排出到大气中。
如2011年4月6日提交的序列号为13/080,914的美国专利申请('914申请)中所描述的(其全部内容通过引用包含于此),在一组用于在高压(例如大约3000psig)和低压(例如大约5psig)之间膨胀和压缩气体的N个气缸组件中,该系统可以包含处于高压极限和低压之间的N-1个压力中间值的气体。本文中,每个这样的中间值压力被称为“中间压力”。在示例性系统400中,N=2且N-1=1,从而在系统400中有一个中间压力(例如,在膨胀时大约为250psig)。在系统的各种操作状态中,中间压力可以出现在串联连接的气缸组(例如组件402和406的气缸)的任意一个室中,还可以出现在与这些室流体连通的任何阀、管道和其他设备中。在示例性系统400中,中间压力(此处用“中间压力P1”表示)主要出现在组件402和406之间的阀、管道和其他设备中。
组件402是高压组件:即,组件402可以从库412通入高压气体以将气体膨胀至用于转移给组件402的中间压力P1,和/或组件402可以从组件406通入中间压力P1的气体以将气体压缩至用于转移给库412的高压。组件406是低压组件:即,组件406可以从组件402通入中间压力P1的气体以将气体膨胀至用于转移给排出口420的低压,和/或组件406可以从排出口420通入低压气体以将气体压缩至用于转移给组件402的中间压力P1。
在系统400中,延伸的气缸组件402经由中间压力组件414与延伸的气缸组件406连通。此处,“中间压力组件”包括设置成与气体通过或进入其中的阀、管道、室和其他部件流体连通的气体库,或实质上由其组成。库中的气体大约处于将提供特定中间压力组件的中间压力。库足够大以使得中间压力气体的体积大致等于与库流体连通的阀、管道、室和其他部件内的体积,气体可以进入或离开库,而不会大幅度改变其压力。此外,中间压力组件可以提供脉动阻尼、额外的传热能力、流体分离和/或容纳一个或多个传热子系统(例如子系统408和/或408的部分或全部)。如'914申请中所述,中间压力组件可以大幅降低使用气动缸组件的系统(例如图4中的系统400)的不同部件中的死区的量。死区的减少能够增加整个系统的效率。
可选地或结合地,绕过中间压力组件414的管道和阀(图4中未示出)可以使得流体直接在组件402和组件406之间通过。阀416、418、424和426控制组件402、406、412和414之间的流体通路。
控制系统428(例如,图1中的122、图2中的226、图3中的362)可以基于来自组件402和406、中间压力组件414、存储库412、热井410、传热子系统404、408和/或环境周边系统420的各种系统输入(例如,压力、温度、活塞位置和/或流体状态)对例如控制系统400的所有阀的操作进行控制。
对于足够熟悉气动机器领域的人员来说显而易见的是,可以设计出类似于系统400但不同之处在于结合了一个、两个或更多个中间压力延伸的气缸组件的系统,而不需要额外的过度实验。同时还显而易见的是,本文中涉及系统400的所有标记可以应用到这种N气缸系统中,而不需要大幅修订,如省略号标记422所示。尽管在本文中未进一步讨论,但这样的N气缸系统是容易设想的并且在本发明的范围之内。如'678专利中所示和所描述的,N个适当大小的气缸(其中N≥2)可以将原始(单气缸)操作流体压力范围R降至R1/N,并且,与作用在单气缸系统中的力的范围相比,还相应地降低作用在N气缸系统中的每个气缸上的力的范围。'678专利中列出的这种优势以及其他优势可以在N气缸系统中实现。此外,多个相同的气缸可以并联添加并附接到与气缸组件402、406共有或分离的驱动机构(未示出),如省略号标记432、436所示,使得可以实现更高的功率和空气流动速率。
图5是系统500的部件的示意图,系统500用于利用根据本发明实施方式的气动缸502(以部分横截面示出)实现用于能量存储和恢复的气体的大致等温的压缩和膨胀。气缸502通常包含可滑动地布置的活塞504,该活塞504将气缸502分成两个室506、508。库510包含高压(例如3000psi)的气体;库510也可包含一定量的热交换液体512。热交换液体512可以包含添加剂,该添加剂增大了液体产生泡沫的倾向(例如,通过降低液体512的表面张力)。添加剂可以包括表面活性剂(例如磺酸盐)、润滑液的微乳液,润滑液例如矿物油、诸如乙二醇的试剂溶液(例如丙二醇)或可溶合成物(例如乙醇胺)。可以添加诸如磺酸盐的起泡剂(例如,诸如可商购于伊利诺斯州的Stepan公司的Bio-Soft D-40的直链烷基苯磺酸盐),或者可以使用可商购的起泡浓缩液,例如消防泡沫浓缩液(例如,可商购于德克萨斯州ChemGuard公司的含氟表面活性剂产品)。这些添加剂用于降低水的液体表面张力并在喷洒时导致大量泡沫。可商购的流体可以以大约5%的水溶液使用,例如部分由矿物油的微乳液组成的Mecagreen127(可商购于密歇根州的Condat公司)以及部分由可溶乙醇胺组成的Quintolubric807-WP(可商购于宾夕法尼亚州的Quaker化学公司)。可以以更高的浓度(例如50%的水溶液)使用其他添加剂,包括部分由丙二醇组成的Cryo-tek100/Al(可商购于新泽西州的Hercules化学公司)。还可以进一步改良这些流体以增强喷洒时的起泡并且当处于库中时加快消泡。
泵514和管道516可以将热交换液体运输到本文称之为“混合室”的设备518。来自库510的气体也可以(经由管道520)运输到混合室518。在混合室518内,泡沫生成机构522将来自库510的气体和由管道516传输的液体组合,以在混合室518内形成一定级别(即,气泡大小差异、平均气泡大小、含气率)的泡沫524,本文称之为泡沫A。
混合室518可以包含筛526或其他机构(例如超声源)来使泡沫结构发生改变或均质化。举例来说,筛526可以位于混合室518的出口处或其附近。已经穿过筛526的泡沫可以具有与泡沫A不同的气泡尺寸和其他特点,在本文中称为之气泡B(528)。在其他实施方式中,筛526被省略,从而泡沫A在没有刻意改变的情况下被传输到室506中。
混合室518的出口经由管道530连接到气缸502中的端口,该端口上装有阀532(例如,提升阀),该阀允许流体从管道530进入气缸502的上部室(空气室)506。阀(未示出)可以控制来自库510的、通过管道520至混合室518的气体以及来自混合室518、通过管道528至气缸502的上部室506的气体的流动。另一阀534(例如提升阀)允许上部室506与系统500的其他部件连通,其他部件例如额外的分离器设备(未示出)、另一气缸的上部室(未示出)或至环境大气的排出口(未示出)。
库510的容积可以相对于混合室518和气缸502的容积较大(例如,至少大约大四倍)。泡沫A和泡沫B优选地是在系统500的常规循环操作的所有时间尺度或部分时间尺度上静态稳定的泡沫:例如,对于120RPM的系统(即,每转0.5秒),泡沫可以在5.5秒之后或在比旋转时间大约大五倍的时间之后基本保持不变(例如少于10%的析液)。
在存储在库510中的气体膨胀以释放能量的程序的初始操作状态中,阀532打开,阀534关闭,而活塞504接近气缸502的上止点(即,朝着气缸502的顶部)。来自库510的气体被允许流过管道520至混合室518,而来自库510的液体通过泵514被泵入混合室518中。由此传输到混合室518的气体和液体通过泡沫生成机构522组合以形成泡沫A(524),该泡沫A部分或绝大部分地填充混合室518的主要腔室。离开混合室518的泡沫A穿过筛526,由此变为泡沫B。压力与存储在库510中的气体的压力大致相同的泡沫B穿过阀532进入室506。在室506中,泡沫B对活塞504施加力,该活塞可以通过杆536与气缸502外部的机构(例如,未示出的发电机)连通,该杆536连接到活塞504并且可以滑动地穿过气缸502的下端帽。
随着活塞504和杆536向下移动,室506中的泡沫的气态组分膨胀。在活塞504的向下运动的某一点上,气体流从库510进入混合室518并且随后(作为泡沫B的气态组分)进入室506的过程可以通过阀(未示出)的适当操作而结束。随着室506中的泡沫的气态组分的膨胀,根据理想气体定律,其将趋向于(除非向其转移热量)温度降低;然而,如果室506中的泡沫的液态组分的温度比室506中的泡沫的气态组分的温度高,则热量将趋向于从液态组分转移至气态组分。因此,随着气态组分膨胀,室506中的泡沫的气态组分的温度将趋向于保持恒定(大致等温)。
当活塞504接近气缸502的下止点时(即,已经向下移动到大约其运动极限),阀532可以关闭,而阀534可以打开,允许室506中膨胀的气体从气缸502通到系统500的一些其他部件中,例如排出口或用于进一步膨胀的另一气缸的室中。
在一些实施方式中,泵514是变速泵,即,其可以操作成以较低速率或较快速率将液体512从库510转移到泡沫生成机构522中,并且可以对来自控制系统(未示出)的信号做出响应。如果泵514将液体512转移至泡沫机构522的速率相对于气体通过管道520从库510传输到机构522的速率增加了,则由机构522产生的泡沫的含气率可以降低。如果机构522生成的泡沫(泡沫A)具有相对较低的含气率,则传输至室506的泡沫(泡沫B)一般也将趋向于具有相对较低的含气率。当泡沫的含气率较低时,更多的泡沫由液体组成,因而在泡沫的气态和液态组分达到彼此之间的热平衡(即,相对温度不再改变)之前,可以在气态组分和泡沫的液态组分之间交换更多的热量。当处于相对较高的密度(例如,环境温度、高压)的气体从库510转移到室506中时,生成具有较低含气率的泡沫可能是有利的,从而使得泡沫的液态成分与泡沫的气态成分交换相对较大量的热能。
本文中后续附图中所示的所有泵也可以是变速泵,并且可以基于来自控制系统的信号被控制。来自控制系统的信号可以基于来自压缩和/或膨胀的一个或多个先前循环的系统性能(例如,气体温度和/或压力、循环时间,等)测量值。
本发明的实施方式增加了系统500的效率,该系统500用于通过使给定量的热交换液体512的表面积大幅增加(相应地使在气缸502内经历膨胀或压缩的液体512和气体之间的传热更快)利用压缩气体来存储和恢复能量,其能量投入比增加液体表面积的替代方法(例如,将液体512转换为喷雾)所需的能量要小。
在其他实施方式中,库510是分离器,而不是如图5所示的高压存储库。在这些实施方式中,提供了未在图5中示出的管道、阀和其他部件,以允许分离器与高压气体存储库和混合室518流体连通。将参考图9描述和示出这种类型的布置。
图6是系统600的部件的示意图,系统600用于利用根据本发明实施方式的气动缸604(以部分横截面示出)实现用于能量存储和恢复的气体的大致等温的压缩和膨胀。系统600类似于图5中的系统500,除了系统600包括旁路管道638以外。此外,图6中明确示出了两个阀640、642。旁路管道638可以如下使用:(1)当气体从存储库610中释放时,与混合室618中的热交换液体612混合,并且传输至气缸604的室606(将在其中膨胀),阀640将关闭而阀642打开;(2)当气体已经在气缸604的室606中被压缩并且将被传输至库610中以进行存储时,阀640将打开而阀642关闭。穿过阀640和旁路管道638的流体所遇到的阻力将比穿过阀642和筛626并围绕泡沫生成机构622的流体所遇到的阻力更小。在其他实施方式中,省去了阀624,允许流体利用混合室618呈现的较高阻力而通过旁路管道638,并且阀640是止回阀,当气体在膨胀模式中释放时,该止回阀防止流体流动。流体从室606经由较低阻力路径(即,旁路管道638)至库610的流动的方向将趋向于导致在这种流动期间的较小的摩擦损失,由此使系统600的效率较高。
在其他实施方式中,库610是分离器,而不是如图6所示的高压存储库。在这些实施方式中,提供了未在图6中示出的管道、阀和其他部件,以允许分离器与高压气体存储库以及混合室618和旁路管道638流体连通。
图7是系统700的部件的示意图,系统700用于利用根据本发明实施方式的气动缸702(以部分横截面示出)实现用于能量存储和恢复的气体的大致等温的压缩和膨胀。系统700类似于图5中的系统500,除了系统700省去了混合室518,取而代之的是在存储库710内生成泡沫。在系统700中,泵714将热交换液体712循环至库710内的泡沫生成机构722(例如,一个或多个喷嘴)。库710可以通过泵714和机构722部分地或完全地由初始或原始性质的泡沫(泡沫A(724))填充。库710可以经由管道720与气缸702中的阀控端口744流体连通。阀(未示出)可以控制管道720中的流体的流动。图7中示为位于管道720内但可位于库710和气缸702的室706之间的流体流路径上的任何位置的可选的筛726(或其他合适的机构,例如超声源)用于将泡沫A(724)改变为泡沫B(728),调节诸如气泡尺寸变化和平均气泡尺寸的性质。
在其他实施方式中,库710是分离器,而不是如图7所示的高压存储库。在这些实施方式中,将提供了未在图7中示出的管道、阀和其他部件,以允许分离器与高压气体存储库和气缸702流体连通。在其他实施方式中,类似于图6所示的旁路管道被添加到系统700中,以允许流体从气缸702通入到库710中,而不会通过筛726。
图8是系统800的部件的示意图,系统800用于利用根据本发明实施方式的气动缸802(以部分横截面示出)实现用于能量存储和恢复的气体的大致等温的压缩和膨胀。系统800类似于图5中的系统500,除了系统800省去了混合室518,取而代之的是在气缸802的空气室806内生成泡沫。在系统800中,泵814将热交换液体812循环至位于室806内或与室806(例如通过端口)连通的泡沫生成机构822(例如,注入气缸中和/或注射到允许空气穿过的筛上的一个或多个喷嘴)。室806可以通过泵814和机构822(并且利用从库810经由管道820穿过端口844供应的气体)由泡沫部分地或基本上完全地填充。库810可以经由管道820与气缸802中的阀控端口844流体连通。阀(未示出)可以控制管道820中的流体的流动。
图9是系统的部件的示意图,系统用于利用根据本发明实施方式的两个气动缸阶段902、904(以部分横截面示出)实现用于能量存储和恢复的气体的大致等温的压缩和膨胀。高压气缸902可以与第一分离器906和/或第二分离器908流体连通;低压气缸902可以与第二分离器908和/或第三分离器910流体连通。第一分离器906可以与高压气体存储库(未示出)流体连通。第三分离器910可以与允许空气与环境交换的排出口(未示出)流体连通。在第一分离器906和高压气缸902之间、或在高压气缸902和第二分离器908之间、或在第二分离器908和低压气缸904之间、或在低压气缸904和第三分离器910之间传递的流体可以通过混合室912、914、916、918或旁路管道920、922、924、926。用于控制高压库、排出口、气缸902、904、混合室912、914、916、918和旁路管道920、922、924、926之间的流体连通的布置可以包括阀、管道和图9中未示出的其他部件。在各种实施方式中,旁路管道920、922、924、926和/或图9中未示出的额外旁路管道可以允许流体绕过分离器906、908、910。
在存储的气体的膨胀期间,气体可以首先在高压气缸902中部分地膨胀,允许其潜在的弹性能量中的一些由气缸902外部的机构(未示出)恢复,并且随后,在低压气缸904中进一步膨胀,允许其潜在的弹性能量的剩余部分中的大部分或基本上全部被恢复。在为存储而压缩气体期间,气体可以在低压气缸904中部分地被压缩,随后在高压气缸902中进一步被压缩。
系统900包括类似于图5和/或图6所示的布置,用于利用泡沫实现气体的大致等温的压缩和膨胀,从而辅助气体和热交换液体之间的热交换。
三个分离器中的每一个(例如,第一分离器906)可包含隔板(例如隔板928)或其他内部机构,以支持流体泡沫分解或分离成其气态和液态组分。可以在分离器中使用支持泡沫分解的其他技术(未示出),例如:喷洒到泡沫中,或机械地剪切泡沫。分离的液体930、932、934可以通过泵936、938、940、942传输至混合室912、914、916、918(它们优选地具有构成一体的筛)以用于形成新鲜泡沫。
阀944、946、948、950、952、954、956、958可以通过混合室912、914、916、918或旁路管道920、922、924、926用于分离器906、908、910和气缸902、904之间的直接液体传递。在气缸902、904中,阀964、966、968和970(例如提升阀)控制流体的入口和出口。优选地,泵936、938、940、942仅当泡沫将在其各自的混合室912、914、916、918中生成时才运行。
一般而言,待传输到气缸902、904的空气室960、962(在其中膨胀或压缩)的气体经过混合室,从而与热交换液体起泡沫,使得能够在以大致等温过程为目的的膨胀或压缩期间在液体和气体之间发生热交换。
在存储在高压库(未示出)中的气体在系统900中膨胀以释放能量的程序的初始操作状态中,高压气缸902的活塞972可以大致处于上止点,低压气缸904的活塞974可以处于下止点(尽管相对活塞位置972和974可以任意分阶段),并且低压气缸904的上部室962完全地或部分地由低压泡沫填充;在膨胀模式中,可选的旁路阀944和952关闭,而可选的旁路阀948和956打开,允许流动通过混合室912和916以及可选的阀946和954,但通过关闭可选的阀950和958而使流动绕过混合室914和918。高压的气体被允许从高压库中流出,穿过分离器906并且进入混合室912,气体在混合室912中与热交换液体930组合以形成泡沫。在可选地通过混合室912内的筛之后,这种泡沫流动通过阀946和阀964,进入高压气缸902的室960中,泡沫部分地或大部分地填充该室960。在室960中,泡沫对活塞972施加力,该活塞972可以与气缸902外部的机构连通。
随着活塞972向下移动,室960中的泡沫的气态组分膨胀。在活塞972的向下运动的某一点上,气体流从存储库经由分离器906进入混合室912并且随后(作为泡沫的气态组分)进入室960的过程可以通过阀964的关闭而结束。如在图5中的系统500的气缸中膨胀泡沫一样,随着气态组分膨胀,室960内的泡沫的气态组分的温度将趋向于保持恒定(大致等温)。
低压气缸904的活塞974可以与上述的活塞972的向下运动同时从下止点向上移动,通过旁路阀956和管道926将室962内的低压泡沫逐入到分离器910中。在分离器910中,泡沫的液态组分作为液体934的主体沉降和聚积。从室962传递到分离器910的泡沫的气态组分随后离开分离器至外部排出口(未示出)并且被释放到环境中。还可以包括用于加快泡沫沉降至分离的液体和气体的时间和用于将液体从排出的空气中移除的额外机构(未示出)。简言之,高压气缸902可以执行进气冲程,而低压气缸904执行排气冲程。
当高压气缸902的活塞972到达气缸902的下止点并且活塞974到达低压气缸904的上止点时,高压气缸902的室960包含中间压力的气体(例如,300psi)。随后,阀966可以打开,而高压气缸902的活塞972可以开始向上移动,并且阀968可以打开,而低压气缸904的活塞974可以开始向下移动。同时,泵940运行,将热交换液体932传输至混合室916中以形成泡沫。在这些条件下,中间压力的气体从高压气缸902的室960流动通过旁路管道922并且进入分离器908中。由于气缸902和904不需要是异相的,因此在异相方案中,中间压力的气体从分离器908流动通过混合室916,并且(与热交换液体形成成泡沫)进入低压气缸904的室962中,由此其对向下移动的活塞974做功。简言之,高压气缸902可以执行排气冲程,而低压气缸904执行进气冲程。
对足够熟知气动和液压机领域的技术人员来说显而易见的是:上述的一系列操作可以循环地重复,以大致等温的方式膨胀存储的任意期望量的气体。还显而易见的是,系统900可以假定一系列的操作状态来等温压缩通入排出口的气体,并且将压缩的气体递送到高压存储库中,并且该系列的状态也可以循环地重复,将任意期望量的气体压缩以进行存储。这些操作(以及结合图9描述的那些操作)可以通过更多的气缸来进行;多个气缸或可以并行地膨胀或压缩气体,或者三个或更多个阶段(一个或多个气缸中的每一个)可以用于连续地膨胀或压缩气体。
一般来说,在压缩和膨胀期间,系统900可以操作成使得从气缸排出的流体将流经旁路管920、922、924、926,并且由气缸带入的流体将流经混合室912、914、916、918,从而泡沫可以通入到空气室960、962中。此外,混合室912、914、916、918内部的筛(或其他适当的泡沫改变机构)和泵936、938、940、942可以以使系统900的效率最优化(例如,处于最小压降的连续流)的方式操作。混合室可以用于细雾滴喷雾,而不是一些或所有混合室中的泡沫混合,例如,低压室918可以用于使室内的空气中的小液滴(例如,100微米的平均直径或更小)的雾悬浮,由此其他室912、914、916可以用于生成水基泡沫的悬浮液。混合室912、914、916、918中的一些或全部可以由如图8所示的至气缸中的直接注入替代。直接注入泡沫生成器(例如图8中的822)中的一些或全部可以由诸如喷嘴阵列的直接注入喷雾生成器替代,举例来说,低压气缸904中的直接注入机构(未示出)可以用于使小液滴(例如100微米的平均直径或更小)的雾悬浮,由此高压气缸902中的直接注入机构(未示出)可以用于生成水基泡沫。气缸902和/或904可以具有两个直接注入机构,一个用于压缩,一个用于膨胀,并且这样的一个机构可以用于喷雾,一个用于泡沫生成。
图10是利用不具有起泡添加剂的自来水喷雾的气体膨胀过程的等温效率的实验数据的图。图10中绘制的所有膨胀都始于3000psig,而结束于250psig,并且发生在内部直径为8英寸、冲程长度为52英寸的10加仑气缸中。每个符号(即,圆形、三角形或方形)描绘了结合有气缸的能量转换系统的单次运行的等温效率。图10中描绘了三种不同输出功率(37kW、50kW和70kW)时的膨胀。垂直轴对应于膨胀的等温效率,即,在单次实际膨胀期间提取的能量与理论上可通过等温膨胀从给定量气体中提取的能量之比的分数。温度降低的膨胀产生的能量一般比理想等温膨胀少,因此使得等温效率低于100%。例如,在同一压力范围内的绝热膨胀将产生理想等温膨胀的能量的大约50%,因此,具有大约50%的等温效率。
在其等温效率在图10中绘出的膨胀中,在膨胀起始时,热交换喷洒开始,并且在膨胀气体到达预定阈值压力或“喷洒终止压力”时停止。图10的水平轴对应于这种喷洒终止压力。由于起始气体压力对于图10中的所有膨胀都一样,因而在稍后的时间中趋向于在气缸中达到较低的压力;因此,对于每个输出功率水平而言,较低的喷洒终止压力(水平轴向左)通常对应于较长的喷洒周期(喷洒时间增加)。
如图10所示,并且由标记为“增加喷洒时间”的箭头突出表示的那样,对于这种实验设置并且利用不含起泡添加剂的自来水作为热交换喷洒液体而言,效率有明显的随着喷洒终止压力而下降(即,随着喷洒时间而增加)的趋势。在不限制本发明的范围的情况下,这种趋势的原因据信为:仅当液体和气体以大表面积彼此接触时,气缸内的热交换液体和气体之间的传热才以显著的速率发生。对于非泡沫喷雾来说,仅当生成喷雾且液滴落入气体中时,液体和气体才以大表面积接触。在停止生成喷雾之后,热交换很快大幅减慢。因此,在整个膨胀期间或在膨胀的大部分期间喷洒允许更接近于等温膨胀,因此允许更高的等温效率。
图11是利用按体积算含2.5%的起泡添加剂(在该示例性实验中,至少部分地包括乙醇胺)的自来水的喷雾的气体膨胀过程的等温效率的实验数据图。该图的轴与上文中图10中描述的相同。图11中描绘了两种不同输出功率(50kW和70kW)时的膨胀。
如图11所示,并且如标记为“增加喷洒时间”的箭头突出表示的那样,至少对于这种实验设置并且利用含2.5%的起泡添加剂的自来水作为热交换喷雾液体而言,效率有轻微的(如果有的话)随着喷洒终止压力而增加(即,随着喷洒时间而降低)的趋势。此外,利用起泡热交换喷洒获得的等温效率趋向于高于利用非起泡喷洒所获得的等温效率(图10)。在不限制本发明的范围的情况下,这种趋势的物理基础据信为:对于起泡喷洒来说,液体和气体不仅仅在主动生成喷雾时以大表面积接触,而是只要最终的液气混合物基本上作为泡沫存留在气缸内,液体和气体就以大表面积接触。因此,在停止生成喷雾之后,可以继续显著的热交换。对于用在实验(其结果在图11中绘出)中的2.5%的水和添加剂的混合物而言,在喷雾出现之后,气缸内的膨胀室的全部容积很快(即,只占膨胀冲程时间的小部分)由泡沫填充。较长的喷洒时间(较低的喷洒终止压力)可以与较低的等温效率有关,这是因为它们消耗了额外的能量,而产生相对较少的额外传热。因此,在涉及图11中绘出的数据的实验条件下,在最短喷洒期间实现了最高效率的循环。特别地,在图11所示的条件下实现的最高效率(大约97%)高于在图10所示的条件(即,利用非起泡喷雾)下实现的最高效率(大约95.6%)。利用较大或较小浓度的一种或多种起泡添加剂(例如,除了用在该示例性实施方式中的添加剂之外的添加剂),可以观察到其他趋势:例如,在添加剂浓度极低时,起泡可能很轻微以致于不会产生在2.5%浓度时观察到的效果,在此种情况下,可以获得与图10更相似的数据。
图12是利用不具有起泡添加剂的自来水喷雾的气体压缩过程的等温效率的实验数据的图。图12中绘制的所有压缩都始于250psig,而结束于3,000psig,并且发生在内部直径为8英寸、冲程长度为52英寸的10加仑气缸中。每个符号(即,菱形、方形或三角形)描绘了能量转换系统的单次运行的等温效率。图12中描绘了三种不同输出功率(37kW、50kW和70kW)时的压缩。垂直轴对应于压缩的等温效率,即,通过等温压缩将给定量的气体压缩至特定体积(从给定的起始压力和体积)所需的能量与将相同量气体压缩至相同体积的实际测得能量之比的分数。温度增加的压缩需要的能量一般比理想等温压缩多,因此使得等温效率低于100%。例如,将10加仑250psig的气体绝热压缩成2加仑的体积通常需要理想等温压缩成相同体积所需能量的大约170%,因此,等温效率大约为60%(即,100/170)。
在其等温效率在图12中绘出的压缩中,在压缩起始时,热交换喷洒开始,并且在某个预定阈值压力或“喷洒终止压力”时停止。图12的水平轴表示这种喷洒终止压力。由于起始和终止气体压力对于图12中的所有膨胀都一样,因而在较早的时间中在气缸中达到较低的压力;因此,较低的喷洒终止压力(水平轴向左)对应于较短的喷洒周期(喷洒时间降低)。
如图12绘出的数据所示,并且由标记为“增加喷洒时间”的箭头突出表示的那样,利用不具有起泡添加剂的自来水作为热交换喷洒液体,效率趋向于随喷洒终止压力而增加(即,随着喷洒时间而增加),直至大约2000psi的喷洒压力。在不限制本发明的范围的情况下,这种趋势的物理基础据信为:仅当液体和气体以大表面积接触时,气缸内的热交换液体和气体之间的传热才以显著的速率发生。对于非泡沫喷洒来说,仅当生成喷雾且其液滴落入气体中时,液体和气体通常才以大表面积接触。因此,在停止生成喷雾之后不久,显著的热交换停止。在整个压缩期间喷洒(或者,对于图12中绘出的压缩而言,在压缩的大部分期间喷洒)允许更接近于等温压缩,因此允许更高的等温效率。
图13是利用按体积算含2.5%的起泡添加剂(即,用于生成图11的数据的相同起泡添加剂)的自来水的喷雾的气体压缩过程的等温效率的实验数据图。该图的轴与上文中图10、11和12中描述的相同。图13中描绘了两种不同输出功率(50kW和70kW)时的压缩。
如图13绘出的数据所示,并且由标记为“增加喷洒时间”的箭头突出表示的那样,在该实验系统中利用2.5%的起泡添加剂的自来水作为热交换喷洒液体,等温压缩效率大致独立于喷洒终止压力。在不限制本发明的范围的情况下,这种独立的物理基础据信为:对于起泡喷雾来说,液体和气体不仅仅在正在生成喷雾时以大表面积接触,而是只要液气混合物以泡沫的形式存留在气缸内,液体和气体就以大表面积接触。因此,在停止生成喷雾之后,继续显著的热交换。对于用在实验(其结果在图13中绘出)中的2.5%的混合物而言,在喷洒开始之后,气缸内的膨胀室的全部容积很快(即,只占冲程的一小部分)由泡沫填充。在图13所示的实验条件下,在最短和最长喷洒周期的情况下实现最高效率的循环。特别地,在图13所示的条件下实现的最高效率(超过98%)高于在图12所示的条件(非起泡喷雾)下实现的最高效率(大约96%)。利用较大或较小浓度的一种或多种起泡添加剂,可以观察到其他趋势:例如,在浓度(或其他添加剂的其他浓度)极低时,起泡可能很轻微以致于不会产生在2.5%浓度时观察到的效果,在此种情况下,可以获得与图12更相似的数据。
通过使用起泡喷雾液体以及利用相对较短的喷洒时间来实现高等温效率具有下述优点:致力于喷洒生成的附加(parasitic)能量相对于更加长的喷洒周期而降低。在压缩期间,与压缩的后续部分中的压力相比,喷洒的短的初始周期通常必须克服被喷洒的气缸室中的低气体压力,这也节省了喷洒能量。在膨胀期间,当比室中的气体温度高的水总体被喷洒以实现等温膨胀时,气体处于初始压力时的喷雾仅需要用于该初始压力下的水(例如,图3中的存储库320中的水)的小的压力增加,并且因此仅需要低的泵功率;而如果水从该初始压力(例如,存储库压力)喷洒到低得多的气缸压力,则在喷洒过程中,在流体节流中可能损失能量。产生泡沫的添加剂可以同时地产生一种或多种其他好处,例如增加润滑或防止腐蚀。
高能效地生成泡沫的其他考量是:(1)为了最小化跨压差液体循环中的能量损失,泡沫是应该在进入用于压缩或膨胀的气动缸的空气室之前(此处被称为“预起泡”或“端口注入”方法)生成,还是应该直接进入气动缸的空气室(此外被称为“即时起泡(foam-during)”或“直接注入”方法);以及(2)泡沫的液气质量比应该为多少才能最优化热交换、泵能量和其他效率考量。图5、6、7中所示的示例性系统是预起泡系统;图8中所示的示例性系统是即时起泡系统。
图14是在生成泡沫或起泡液或将其注入气动缸的空气室的过程中所计算的能量消耗作为时间的函数并将预起泡方法与即时起泡方法相比较的示意图。通过液压基本原理,起泡能量Wfoam(即,在使用机械搅拌诱发泡沫的情况下,通过迫使起泡液通过将液体和气体混合以形成泡沫的设备而产生给定量的泡沫所需的能量)由泡沫液体Vliquid乘以泡沫液体在其通过起泡设备过程时经历的压力变化ΔPfoaming来确定:Wfoam=Vliquid×ΔPfoaming。其中,Vliquid和ΔPfoaming随着时间变化,在给定时间间隔内的总起泡能量Wfoam由Vliquid×ΔPfoaming在此间隔内的积分给出:Wfoam=∫Vliquid×ΔPfoamingdt(其中,积分范围未明确指出)。如果Vliquid为常数并且ΔPfoaming随时间变化,则Wfoam=Vliquid×∫ΔPfoamingdt。对于给定量的气体的给定气液质量比来说,Vliquid是固定的;因此,为了最小化Wfoam,平均ΔPfoaming必须被最小化。
一般而言,对于即时起泡(即,直接注入)方法而言,ΔPfoaming在气缸组件内的整个活塞冲程中发生变化,这是由于ΔPfoaming由起泡液的源压力和起泡液注入其中的气体的压力之间的差值给出。起泡液的源压力一般大致是恒定的,而在气缸组件内经历压缩或膨胀的气体的压力大幅改变。因此,例如在压缩冲程期间在气缸组件内的泡沫的形成使得起泡液进入到气缸组件的空气室的过程经受越来越大的压差(ΔPfoaming增大)。
在图14的图中,垂直轴“差分喷洒压力”对应于ΔPfoaming,并且水平轴对应于时间。在描绘ΔPfoaming对时间关系曲线下方的面积是∫ΔPfoamingdt。因此,由于Wfoam=Vliquid×∫ΔPfoamingdt,如果Vliquid被假设为恒定,则给定气体膨胀或压缩过程的起泡能量Wfoam将与该过程中ΔPfoaming对时间曲线下方的面积成正比。
图14中实线表示一定量气体在大约0psig开始的即时起泡(即,直接注入)压缩的ΔPfoaming。随着气缸组件的空气室的压力增加,ΔPfoaming增加(在图中的上升曲线)。如果在压缩完成之后,在一段时期内泡沫继续形成,则ΔPfoaming将在该段时期内大致恒定(图中从大约0.8单位时间至1.0单位时间的实曲线的平坦部分)。图14的图中实线之下的面积为∫ΔPfoamingdt;因此,通过Wfoam=Vliquid×∫ΔPfoamingdt,该示例性压缩过程的起泡能量Wfoam与实线之下的面积成比例。
类似地,图14中虚线表示一定量气体在大约0psig开始的预起泡(即,端口注入)压缩的ΔPfoaming。压缩过程的气体的量以及其他特征与图中实线表示的压缩相同。在预起泡过程中,随着待压缩的气体被通入到气缸组件的空气室中,泡沫以低压生成。在预起泡过程的整个泡沫生成(图中的水平虚线)过程中,ΔPfoaming很低并且恒定。显然,图中虚线之下的面积(即,∫ΔPfoamingdt,其等于该示例性预起泡压缩过程的起泡能量Wfoam)小于图中实线之下的面积。因此,与可比较的即时起泡压缩过程相比,预起泡压缩过程的起泡能量Wfoam较小。
对于泡沫在气缸组件外部的泡沫生成器(例如,如图5所示的)中形成的预起泡过程来说,生成的泡沫必须通过阀(例如提升阀)进入气缸组件的空气室中。无论是在压缩期间还是在膨胀期间,通过阀进入气缸组件的通路将为泡沫带来一定的压降,由此造成一定的能量损失。然而,控制流体从气缸组件的空气室进入或离开的阀(例如提升阀)两端的压降将一般低于泡沫生成设备两端的压降。因此,一般而言,与即时起泡过程相比,预起泡过程将实现更低的能量损失,并且由此实现较高的效率。
此外,对于即时喷洒过程来说,不管是压缩还是膨胀,泡沫的生成必须发生在这样的时间段或时间间隔:其持续时间和时机由气缸组件的动作来确定。对于预喷洒过程来说,可以连续地生成或再生成泡沫(例如,在大型泡沫生成器或连接到泡沫生成器的库中生成),而不仅仅在气缸组件的每次压缩或膨胀冲程期间才生成。与更快速的起泡相比,在较长时间期间内进行泡沫生成可能进一步降低ΔPfoaming,从而能够进一步提高效率。
图15中的图描绘了经历一定范围内的泡沫质量比的一组示例性压缩过程和经历一组示例性压缩过程的泡沫的液态组分的计算得出的温度变化。图15的图的垂直轴对应于经历压缩的泡沫的液态组分的温度变化,图的水平轴对应于经历压缩的泡沫的质量比,即,每单位体积泡沫的液体质量mw与每单位体积泡沫的气体的质量ma之间的比率。(质量比mw/ma不随着压力变化,除了由于气态组分的一些部分可能溶解到液态组分中或从液态组分中蒸发,由此改变ma,或者由于液态组分的一些部分可能蒸发到气态组分中或从气态组分中凝结出来,由此改变mw。图15中示例性图忽略了溶解气体和液态组分的汽液相变化的影响,这是因为这些影响相对较小。)
当包括可压缩气体和大致不可压缩的液体,或大体上由它们组成的泡沫被压缩时,泡沫的体积的变化是由于气态组分的压缩。如前所述,经过压缩的气体趋向于变热。经过压缩的泡沫的气态组分的温度上升会导致热量转移到泡沫的液态组分中。质量比mw/ma越大,可用于吸收每质量单位的气体的热能的液体质量越大,并且对于泡沫压力的给定整体变化来说,液体的温度T的最终变化越小。液体的最终T大体上是初始泡沫温度、泡沫的气态和液态组分的传热系数、气体和液体的热容量、泡沫质量比、泡沫起始压力和泡沫最终压力的函数。在图15的图中,仅有质量比和泡沫最终压力发生变化。
经历压缩的各种假想泡沫的液态组分的温度变化(ΔT)在图15中的图中由一系列曲线表示。示出了低压气缸(LP)和第二阶段高压气缸(HP)的压缩。对于LP气缸来说,压缩以大约0psig的压力开始(对于第一压缩阶段),并且以大约180psig(示出和标记为TLP)的压力结束。对于后续的高压第二压缩阶段来说,示出了三种情形:(1)从180psig至850psig的第一高压(THP(P=850psi))的压缩,(2)从180psig至3000psig的第一高压(THP(P=3000psi))的压缩,以及(3)第一种情形和第二种情形的平均水平。为清楚起见,液体被假设成在假想压缩所遇到的任何压力和温度条件下都不会沸腾或冻结。图的第一(较低的)实线表示LP压缩在一定范围内的质量比mw/ma中的最终温度;点线表示泡沫压缩至850psig之后的最终液体温度;虚线表示泡沫压缩至3000psig之后的最终液体温度并且,虚线和点线之间的实线表示850psig和3000psig的平均值的最终温度。
图15中的所有四条曲线都具有大致双曲线的特性,随着mw/ma接近于零而达到绝热条件,随着mw/ma接近于无限大而达到0。对于足够熟悉热力学、液体和混合相系统的原理的技术人员来说显而易见的是:由于将会遇到的温度极限,低mw/ma(接近0)是不期望的。高温度可能导致液体沸腾(例如,当液体与泡沫分离并且其压力降低时),从而破坏表面活性剂的化合物,或者导致其他不期望的效应。类似地,大的mw/ma(接近无限大)需要泵出较大比例的未存储压力势能的液体;此外,随着mw/ma增加,会不再能够保持“泡沫”,而是产生一定量的其中存在气泡的液体。在过高mw/ma的其他缺陷中,活塞将仅能够实现这种混合物的轻微压缩。在工作流体(例如两相混合物)不是可被大幅压缩的情况下,压缩气体能量存储系统的高效运行一般是不可行的,因此,图15的图支持下述结论:当用在压缩气体能量存储系统中时,具有适当质量比mw/ma(例如在mw/ma=2附近)的泡沫可能是最高效的。例如,这样的质量比包括1-4的质量比,更优选地,1.5-3的质量比。
在压缩气体能量存储系统中使用两种流体相(例如,泡沫中的液体和气体)可能需要存储液体和压缩气体(要么混合成泡沫,要么分离成液体、泡沫和气体成分),尽管只有压缩气体存储明显的压力势能。液体的存储会构成能量存储系统的额外或寄生成本;如果存储了过量的热交换液体,则可能降低能量存储系统的成本效益。对于大量压缩气体的存储而言,存储成本甚至可能占系统总成本的大部分,在这种情况下,存储大量液体的成本可能过高。图16的图示出了作为气体存储体积的分数的额外的液体体积(即,液体与气体存储在压力存储库中的两相系统的额外存储体积相对于仅气体的存储库中的存储库体积),该分数作为最高压力为3000psig的压缩气体能量存储系统的泡沫质量比的函数。质量比为0时,没有液体存储。质量比为5时,必须存储比气体体积多大约1.2倍的液体体积。质量比大约为2时,必须存储的液体的体积为必须存储的气体量的大约一半。类似于图15,图16支持下述结论:在2附近的质量比有可能支持高效的、节约成本的压缩气体能量存储系统的运行。
图17是在大约3000psig和大约250psig之间的快速气体膨胀期间维持大致等温的气体循环时,将水基泡沫和液滴喷雾的能量性能相比的实验数据图。示出了发生在高压测试站中的等温气体膨胀的数据。图中的每个符号代表单次等温膨胀。在这些实验中通过四种方法来实现液体和气体之间的热交换:(1)在压缩期间将水液滴喷洒到气体中(实心圆),(2)在膨胀之前将水液滴喷洒到气体中(实心三角形),(3)在膨胀期间将水基泡沫喷洒到气体中(空心圆)以及(4)在膨胀之前将水基泡沫喷洒到气体中(空心三角形),这种方法也被称为“泡沫预喷洒”。
图17中的垂直轴是等温效率,即,由膨胀气体做的功除以理想等温膨胀所期望做的功。图17中的水平轴是相对喷洒功,即产生液滴或泡沫(例如,通过迫使液体通过喷头)的喷雾所需要的功除以膨胀期间气体做的总功。例如,在给定的膨胀实验中,如果等温膨胀气体做了300kJ的功,并且产生在该膨胀期间生成的泡沫所需的功为3kJ,则该实验的相对喷洒功为0.01(3kJ除以300kJ)。期望较低的相对喷洒功,因为它增加了整体系统效率;喷洒功大体上是等温能量存储和恢复系统的寄生负载。喷洒泵功与喷洒量和压降的积有关,并且喷洒泵功是迫使流体通过(例如)管道和喷嘴以生成高质量喷雾或水基泡沫所需要的功,这种高质量喷雾或水基泡沫通过最大化液体和气体之间的表面积和接近程度促进了喷雾的液体与膨胀或压缩气体之间的快速传热。
在图17中通过将数字与绘制的实验点关联而指明了泡沫预喷洒实验(空心三角形)的第三实验变量。各个预喷洒点旁边的数字指明了该实验的泡沫质量比。此处,泡沫质量比被限定为在给定体积的水基泡沫中液体质量与气体质量的比率。例如,如果一立方米的给定泡沫包含2kg的液体和1kg的气体,则该泡沫的质量比为2.0(2kg除以1kg)。可以为图中所有点指出质量比,但为简便起见,仅示出了泡沫预喷洒的质量比。
图17的图支持关于用于在等温压缩气体能量存储和生成系统中传热的泡沫的使用的若干说法。首先,与水喷雾技术相比,在类似的一组实验条件下,利用泡沫预喷洒可以实现较高的等温效率(例如,等温效率提高大约2-5个百分点)。(图15中的图也支持这种说法。)其次,多数泡沫预喷洒实验具有低相对喷洒功和高等温效率:注意到,集结在相对喷洒功0.02附近的泡沫预喷洒实验点和集结在0.92和0.95之间的等温效率的集群。第三,在大多数情况下,通过相对低的质量比(1.8-5.5)利用泡沫预喷洒实现相对高的等温效率(大约0.94);同样地,注意到相对喷洒功0.2附近、等温效率0.92-0.95的集群。
泡沫包含大液气表面接触面积,有助于两相(液相和气相)之间的传热。与基于非泡沫的技术(例如,液滴喷雾)相比,在等温气体膨胀或压缩期间使用泡沫来传热提供了众多优势。这些优势包括下述各项:(1)对于给定的液气表面接触面积(以及相应的传热率),通常可以利用比喷雾明显少的能量来生成泡沫。(2)可以有利地添加到热交换液体中的抗腐蚀和/或其他试剂可能具有固有的表面活性剂(起泡)属性。因此,可以利用仅包含一些添加剂(或仅一种)的热交换液体实现许多优势(包括用于传热的起泡)。(3)液滴趋向于使气体快速下沉(如雨般落下,rain out),而泡沫可以相对持久,这取决于表面活性剂或负责起泡行为的其他物质的性质。因此,不像液滴,无论气体正在气缸室内经历膨胀或压缩时,还是在气体转移到室中之前和/或同时,泡沫都可以注入到气体中。因此,例如与将喷头置于气缸中以生成液滴喷雾相比,泡沫生成可以位于气缸的外部。在气缸外部生成泡沫具有若干优势,包括增加气缸内部容积并且放宽泡沫生成机构的尺寸限制。将泡沫生成置于气缸的外部也使得能够进行连续或间歇的泡沫生成,不一定与气缸的操作同步,而气缸内的泡沫或喷雾生成趋向于与气缸的操作同步。在将气体通入气缸室期间或之前,可以将一定量的起泡液添加到一定量的气体中,利用泡沫基本上填充气缸室。随着气体在气缸室中膨胀或压缩,泡沫被相应地膨胀或压缩,在整个膨胀或压缩期间继续基本上填充气缸室。本文中,我们假定使用相对于气缸冲程时间持久的泡沫,即,不随着给定系统中的压缩和膨胀的时间尺度而明显消耗的泡沫。通过使得气相和液相之间的传热发生在整个膨胀或压缩期间,在整个膨胀或压缩期间的泡沫持久性有助于等温性。(4)在结果示于图17中的实验中,仅泡沫实验同时实现了高等温效率、低相对喷洒功和低质量比:具有最高等温效率(大约0.935)的喷雾液滴实验的质量比在10之上(图中未示出),相对喷洒功在大约0.035-0.095之间,而许多泡沫预喷洒实验具有相当的或较高的等温效率,相对喷洒功小于0.035,并且质量比为3.6-5.5。一般而言,与图17的图中示出的一系列实验中调查的其他方法相比,泡沫预喷洒利用较低的质量比实现了较高的等温效率和较低的相对喷洒功。较低的质量是有利的,这是因为对于给定的等温效率和给定的起始压力(在膨胀中)或终止压力(在压缩中),在给定容积的气缸中,与较高质量比相比,较低的质量比允许在单次循环中压缩或膨胀更多的气体,因为气缸室中存在更少的不可压缩液体和更多的气体。每个气缸循环中处理更多的气体提高了整个系统的功率密度。较低质量比的额外优势如下所述:在将流体注入到气缸室或将流体从气缸室逐出的过程中,通过阀出现压降,同时伴随有系统效率低下。对于通过阀的给定流速,压降大约与穿过阀的流体的质量密度成比例。对于质量比较低的泡沫来说,泡沫的平均质量密度也较低。因此,对于质量比较低的泡沫来说,在使泡沫流入或流出气缸期间的节流损失也较低。
在泡沫的膨胀或压缩期间,质量比在密闭气缸内保持为大体上恒定。泡沫中的气泡趋向于在膨胀期间变大而在压缩期间收缩,但是,除了溶解产生的效应或气体的溶解及液态组分的汽液相变化引起的效应,液态和气态组分的质量大体上保持固定。
图18是系统1800的示意图,该系统1800可以是未另外示出的用于能量存储和生成的较大系统的一部分。系统1800具有两个气缸1802和1804以及用于生成和分离具有三种不同膨胀比的泡沫1812、1814、1816的装置1806、1808、1810。本文中,泡沫的“膨胀比”是给定量的泡沫总体积除以该体积泡沫的液态组分的体积。例如,如果1立方米的泡沫包含0.1立方米的液体,则泡沫的膨胀比为10.0(1立方米除以0.1立方米)。不像质量比,随着泡沫被膨胀或压缩,膨胀比不容易保持恒定。而且,膨胀比趋向于随着泡沫被压缩而降低,并随着泡沫被膨胀而增加。
每个泡沫生成装置1806、1808、1810具有泡沫容器(分别是1818、1820和1822)以及再循环泵(分别是1824、1826和1828)。气缸1802运行在相对高的压力范围内(例如在大约300psig和大约3000psig之间),并且气缸1804运行在相对低的压力范围内(例如,在大约300psig和大约0psig之间)。每个泡沫容器1818、1820和1822可以包括分离的通过管线连接到气缸(或其一部分)的压力容器(如图18所示)和/或连接到气缸(或其一部分)的分支管。
当系统1800运行为膨胀器时,来自存储器(未示出)的气体可以以高压通入高压泡沫容器1818中。在此处,气体与热交换液体结合以形成具有期望质量比的水基泡沫(或增加已经存在的泡沫)。泡沫可以在转移到气缸1802之前聚积在高压泡沫容器1818中、随着其被生成而通入到高压气缸1802中,或者两者皆可。用于将气体与热交换液体结合以形成水基泡沫的机构未在图18中示出;后续附图中将描述示例性的机构。高压泡沫容器1818中由于泡沫破裂而聚积的液体可以通过泵1824再循环到容器1818中。在其他实施方式中,泵1824可以倒置,并且空气或靠近容器1818顶部的密度较小的泡沫可以泵入到容器1818的底部以再次生成泡沫(例如,鼓泡过程)。当系统1800运行为膨胀器时,来自高压容器1818的高压泡沫被通入到气缸1802的上部室1830中。泡沫在室1830中膨胀,保持恒定的质量比,但增加其膨胀比(例如,通过大约5和大约15之间的因子)。在室1830中的气体膨胀到中间压力(例如大约300psig)之后,通过活塞1832的返回冲程将泡沫从室1830中推出。离开室1830的泡沫通入到泡沫容器1820中。在泡沫容器1820中,可以通过合适的机构(例如包括再循环泵1826的机构)重新组成泡沫。泡沫可以在转移到气缸1804之前聚积在中间压力容器1820中,随着其被生成/维持而通入到气缸1804中,或者两者皆可。中间压力泡沫容器1820包含并且生成系统1800的中间压力泡沫(例如,大约300psig)。
来自中间压力泡沫容器1820的泡沫通入到低压气缸1804的上部室1834中。泡沫在室1834中膨胀,在膨胀期间保持恒定的质量比,但增加其膨胀比(例如,通过大约10-大约15的因子)。在室1834中的气体膨胀到低压压力(例如大约5psig)之后,通过活塞1836的返回冲程将泡沫从室1834中推出。离开室1830的泡沫通入到低压泡沫容器1822中。在低压泡沫容器1822中,泡沫被分离成其液态组分和气态组分,从而低压气体可以通过排出口1838基本上排出,而系统1800不会损失热交换液体。
当系统1800运行为压缩机时,来自环境的气体可以以低压(例如大气压力)通入到低压泡沫容器1822中。在此处,气体与热交换液体结合以形成具有期望质量比的水基泡沫。泡沫可以在转移到气缸1804之前聚积在低压泡沫容器1822中,随着其被生成而通入到低压气缸1804中,或者两者皆可。低压泡沫容器1822中由于泡沫破裂而聚积的液体可以通过泵1828再循环到容器1822中。当系统1800运行为压缩机时,来自容器1822的低压泡沫被通入到气缸1804的上部室1834中。泡沫在室1834中被压缩,保持恒定的质量比但降低其膨胀比。在室1834中的气体压缩到中间压力(例如大约300psig)之后,泡沫从室1834中排出。离开室1834的泡沫通入到中间压力泡沫容器1820中。在泡沫容器1820中,可以通过合适的机构(例如包括再循环泵1826的机构)重新组成泡沫。泡沫可以在转移到气缸1802之前聚积在中间压力容器1820中,随着其被生成/维持而通入到气缸1802中,或者两者皆可。
来自中间压力泡沫容器1820的泡沫通入到高压气缸1802的上部室1830中。泡沫在室1830中被压缩,在压缩期间保持恒定的质量比但降低其膨胀比。在室1830中的气体压缩至高压(例如大约3000psig)期间或之后,泡沫离开室1830并且经由高压泡沫容器1818通入到高压存储器(图18中未示出)中。在高压泡沫容器1818中,泡沫可以被分离成其液态组分和气态组分,从而高压气体可以基本上转移到高压存储器中,而系统1800不会损失热交换液体。可选地或结合地,泡沫可以从容器1818通入到高压存储器中,并在其中存储为水基泡沫、分离成其液态和气态组分或经历部分的这种分离。
气缸1802和1804以及泡沫生成装置1806、1808、1810可以将流体循环通过图18中未示出的热交换子系统,和/或可以与图18中未示出的单个或多个热井连通。
图19是示例性系统1900的示意图,该系统1900包括用于生成低压(例如大约为大气压力)泡沫的装置,该低压泡沫具有对应于适当液气质量比(例如2:1)的高膨胀比(例如400:1)。系统1900包括三个用于气体的等温膨胀和压缩的双气缸子系统(1902、1904、1906),以从垂直朝向的气缸布置的上方观察的横截面将它们示出。三个双气缸子系统的示例性系统1900中的描述是示例性的:其他数量的子系统(其中每个子系统包括一个、三个或更多个气缸)也是可以考虑的并且在本发明的范围之内。每个双气缸系统1902、1904和1906包括高压气缸(1908、1910和1912)和低压气缸(1914、1916和1918),或者实质上由它们组成。用于生成泡沫的装置可以包括喷洒室1920、筛1922、将泡沫(在图19中典型地示出,在本文其他地方由点示出)引导至低压气缸1914、1916和1918中的的分支管1924、风扇1926以及可选的排出口和球阀1928,其功能将在下文中描述。在装置生成泡沫期间,低压(例如大约为大气压力)的空气通过入口1930被通入到喷洒室1920中。通过风扇1926(或其他合适的机构)朝着筛1922加速空气。通过泵1934将来自库1932、泡沫容器或其他源的流体泵入到一个或多个喷头1936(或其他合适的分散机构),喷头位于由风扇1930加速的气流中。来自喷头1936的喷雾1938被导向筛1922(例如,金属筛、网、固体泡沫材料)。穿过筛1922,空气和喷雾1938结合以形成水基泡沫1940。泡沫1940可以经由合适的阀和管道(未示出)导入低压气缸1914、1916和1918的室中。
在分支管1924初始不包含泡沫的运行启动模式中,气体可以在泡沫生成期间导出阀1928(而不是进入低压气缸1914、1916和1918中),直到分支管1924大体上或完全地由泡沫1940填充,此时,阀1928可以关闭,并且泡沫1940可以导入到低压气缸1914、1916和1918中。在各种实施方式中,阀1928可以连接到排出口(未示出),具有允许进入的任何液体返回到流体库1932的连接件,和/或可以连接回到入口1930。
图19中示出的泡沫生成装置(包括喷洒室1920、筛1922和分支管1924)的生成能力的大小可以对应于装置将泡沫供应到的一个或多个气缸的平均泡沫进入流量,或对应于峰值泡沫进入流量。本文中,泡沫生成器的生成能力是其每单位时间能够产生的泡沫的体积(m3/秒)。来自库或泡沫预生成主体的快速泡沫流可能伴有使流动泡沫部分地或完全地破裂的剪切力;以足够速率生成泡沫可以减轻这种剪切力。其他泡沫生成器(本文示出的以及本文未示出的实施方式中的)的大小也可以设计成适应峰值流速和缓解由于剪切力而导致的泡沫分离。
图20是示例性系统2000的示意图,该系统2000包括用于生成和分离低压(例如大约为大气压力)水基泡沫的装置,该低压泡沫具有对应于适当液气质量比(例如2:1)的高膨胀比(例如400:1)。系统2000包括三个用于气体的等温膨胀和压缩的双气缸子系统(2002、2004、2006),以从垂直朝向的气缸布置的上方观察的横截面将它们示出。三个双气缸子系统的示例性系统2000中的描述是示例性的:其他数量的子系统(其中每个子系统包括一个、三个或更多个气缸)也是可以考虑的并且在本发明的范围之内。
每个双气缸系统2002、2004和2006包括高压气缸(2008、2010和2012)和低压气缸(2014、2016和2018)。用于生成泡沫的装置包括三个室:喷洒室2020;将泡沫导入低压气缸2014、2016和2018的分支管2022;以及分离室2024。喷洒室2020通过筛2024与分支管2022分开,并且可以包含风扇2026、一个或多个喷头2028以及能够阻挡或允许气体通入喷洒室2020的百叶窗或翼片2030。百叶窗2030可以用作空气止回阀,防止分支管2022上所示箭头的相反方向的回流。分支管2022通过百叶窗或翼片2032与分离室2024分开,该百叶窗或翼片2032能够阻挡或允许将气体和/或泡沫2034从分支管2022通入到分离室2024中。分离室2024包含泡沫破裂机构2036,其将泡沫2034分离成气态组分和液态组分2038。在图20中,泡沫破裂机构2036是旋转搅拌器;用于使泡沫破裂的其他方法和机构(例如,其他形式的机械搅拌、筛、过滤器、超声)也是可以考虑的并且在本发明的范围内。分离室2024内的液体2038通过管道2040传输到库2042中,然后其可以通过泵2044经由管道2046泵送到喷头2028中以再循环到新鲜的泡沫2034中。大气排出口或开口2048允许在生成泡沫2034期间将低压气体通入到喷洒室2020中,以及在泡沫2034破裂期间将低压气体从分离室2024排出。在将气体通入到喷洒室2020期间,可选的清洁过滤器2050防止颗粒和/或大气空气中的其他污染物通入到喷洒室2020中。在将气体从分离室2024排出期间,可选的凝聚式过滤器2052将余下的液体从泡沫、水滴和蒸汽中移除,确保了几乎没有液体通过排出口2048。在各种其他实施方式中,可以提供分离的排出口以将气体通入或将气体排出系统2000。同样地,在各种其他实施方式中,过滤器2050、2052可以位于图20中示出的装置的外部(例如,位于导向到其他各种实施方式中的分离排出口的管道中)。
在系统2000运行为压缩机期间(例如,为了将能量存储为压缩空气的压力势能),空气通过排出口2048被通入,穿过过滤器2050,并且由风扇2026朝着喷头2028和筛2024加速。液体通过喷头2028被泵入。(可选地,风扇2026可以省略,并且可以经由气缸活塞运动生成空气流。)与空气混合的喷雾2054击打筛2024。通过使混合空气和液体穿过筛2024而生成具有相对高膨胀比的泡沫2034。分支管2022将泡沫2034导入低压气缸2014、2016和2018,通过合适的阀(图20中未示出)将泡沫2034通入到这些低压气缸中。低压气缸2014、2016和2018内的泡沫2034随后被压缩至中间压力(例如大约300psig),此后,泡沫被转移至高压气缸2008、2010和2012,并且可能进入或通过图20中未示出的其他装置。此外,风扇2026、喷雾2054和筛2024生成的泡沫流的量可以超出气缸2014、2016和2018需要的流量(例如,通过将流量限制为气缸需要的入口流量的峰值),从而可以生成过量的泡沫。可以通过运转穿过百叶窗2032、泡沫破裂机构2036和分离室2024重新循环该过量泡沫。
在系统2000运行为膨胀器期间(例如,为了从压缩空气的压力势能中生成能量),百叶窗2030通常将关闭以防止通过泡沫生成装置2024、2028、2026的回流。在气缸对2002、2004和2006中的空气膨胀之后,低压(例如,瞬时大约5psig,此后大约为大气压力)的泡沫2034离开低压气缸2014、2016和2018,穿过分支管2022并且进入分离室2024。在分离室2024中,低压泡沫2034碰撞泡沫破裂机构2036并且被分离成其气态和液态组分2038。这种分离可以不是完全的,但泡沫膨胀比最小应该大大降低(例如,从膨胀比为400:1的泡沫降为膨胀比为2:1的泡沫和空气)。液体2038(或低膨胀比泡沫)被传输到库2042,并且气态组分穿过凝聚式过滤器2052并通过排出口2048排出。
图21是示例性系统2100的示意图,该系统2100包括用于生成高压(例如750-3000psig)泡沫的装置,该高压泡沫具有对应于适当液气质量比(例如2:1)的低膨胀比(例如8:1至2:1)。系统2100包括三个用于气体的等温膨胀和压缩的双气缸子系统(2102、2104、2106),以从垂直朝向的气缸布置的上方观察的横截面将它们示出。三个双气缸子系统的示例性系统2100中的描述是示例性的:其他数量的子系统(其中每个子系统包括一个、三个或更多个气缸)也是可以考虑的并且在本发明的范围之内。每个双气缸系统2102、2104和2106包括高压气缸(2108、2110和2112)和低压气缸(2114、2116和2118)。用于生成泡沫的装置包括喷洒室2120、可选的排出口和球阀2122以及分支管2124,或者实质上由它们组成,其中,分支管2124将水基泡沫2126导入到高压气缸2108、2110和2112中。泵2128将液体(或可选地空气或液体和空气)从库或其他源2130泵到喷洒室2120中的一个或多个喷洒头或其他合适的分散机构(未示出)。高压的空气通过管道2132被导向喷洒室2120。将高压空气通过喷洒室使得空气与喷雾2134混合,形成泡沫2126。在高压时和低膨胀比的泡沫生成是稳健的(robust),并且泡沫可以在具有或不具有下述条件时生成:(i)使用筛(例如图12中所示的筛1224)和/或(ii)迫使的空气流(例如,泡沫可以在没有气缸2108、2110、2112的活塞运动和/或风扇的情况下生成)。喷雾2134可以全部是液体,全部是空气,或者是液体和空气的混合物,并且喷雾2134可以水平地、垂直向上地、垂直向下地或根据喷洒室2120内的其他布置喷洒。在其他实施方式中,高压和低膨胀比的泡沫可以通过液体和空气的机械搅拌来生成,例如,通过使用嵌入到喷洒室2120中的旋转叶轮。泡沫2126可以经由合适的阀和管道(未示出)导入高压气缸2108、2110和2112的室中。库2130可以是与用于高压空气(管道2132处)的源相同的装置,可能仅通过管道的位置来分离(例如,2132连接到存储库的顶部,而2130位于库的底部,从而大多数高压空气被导向通过2132,并且大多数高压液体被导向通过泵2128)。流动通过2132的流体可以大部分是泡沫,室2120可以仅用于更新、均质、改变水基泡沫的膨胀比,或者以其他方式提炼水基泡沫。
在分支管2124初始不包含泡沫的启动操作模式中,气体可以在泡沫生成期间导出阀2122(而不是进入高压气缸2108、2110和2112中),直到分支管2124大体上或完全地由泡沫2126填充,此时,阀2122可以关闭,并且泡沫2126可以导入到高压气缸2108、2110和2112中。导出阀2122的高压气体或泡沫可以重新循环回到存储库2130中,进入管道2132、喷洒室2120中,或者以其他方式再循环。泵(未示出)可以用于通过阀2122将流体从管道2132抽取出来,并且随后将流体返回到再循环回路中的库2130、管道2132或喷洒室2120中。
图22是示例性系统2200的示意图,该系统2200包括用于生成中间压力(例如200-300psig)泡沫的装置,该泡沫具有对应于适当液气质量比(例如2:1)的中等膨胀比(例如36:1至28:1)。系统2200包括三个用于气体的等温膨胀和压缩的双气缸子系统(2202、2204、2206),以从垂直朝向的气缸布置的上方观察的横截面将它们示出。三个双气缸子系统的示例性系统2200中的描述是示例性的:其他数量的子系统(其中每个子系统包括一个、三个或更多个气缸)也是可以考虑的并且在本发明的范围之内。每个双气缸系统2202、2204和2206包括高压气缸(2208、2210和2212)和低压气缸(2214、2216和2218)。用于生成泡沫的装置包括组合的喷洒室和分支管2220,或实质上由其组成,泡沫2222在其中生成或再生成,并且将泡沫2222从高压气缸2208、2210和2212导向低压气缸2214、2216和2218(在膨胀期间),或者从低压气缸2214、2216和2218导向高压气缸2208、2210和2212(在压缩期间)。
在膨胀或压缩期间,中间压力的具有中等膨胀比的泡沫进入室/分支管2220。泵2224抽取流体(例如,空气、泡沫或在室/分支管2220中从泡沫中分离的液体)并且通过喷嘴或喷头2226(或其他合适的分散机构)将流体注回到室/分支管2220中。注入的流体2228以足够稳定的水基泡沫2222的形式占用室/分支管2220中的空间,水基泡沫2222可经由合适的阀或管道(未示出)导向高压气缸2208、2210和2212或低压气缸2214、2216和2218的室中。未示出的额外部件可以用于辅助泡沫生成,例如筛、网或固体泡沫。
各种实施方式利用高效的泵方案来循环泡沫或可以起泡的热交换液体。图23示出了压缩或膨胀气体的示例性系统2300。该系统2300利用气动缸2304,该气动缸2304包括可滑动布置的活塞2306,该活塞将气缸2304的内部分成远端室2308和近端室2310。具有相关管道2312和双向阀2314的一个或多个端口(未示出)使得来自高压存储库2316的气体能够根据要求与室2308进行交换。高压存储库可以用作分离器,其中,泡沫的液态组分可以与泡沫的气态组分分离。在替代实施方式中,可以使用不同的分离器(未示出)部件来分离液体和气体,并且该不同的分离器部件可以包含辅助分离和泡沫破裂的元件,包括:挡板、机械剪切元件、网、超声剪切元件和/或其他这样的元件。气缸2304的空气室的端帽中的一个或多个端口(未示出)与相关联的管道2318和双向阀2320一起使得来自室2308的流体能够根据需要经由排出口2322通入或排入到环境大气中。在未示出的替代实施方式中,排出口2322由一个或多个额外的气动缸替代。一个或多个端口(未示出)使得气动缸2304的下部室2310的的内部能够随时与环境大气自由地连通。在替代实施方式中,气缸2304起双重作用,并且类似于室2308,室2310用于在各种运行状态下与高压或低压库和/或额外的气缸交换流体。
杆2324的远端(即,对于图23中的气缸2304的示例性垂直朝向来说的上端)耦接到活塞2306。杆2324的远端(下端)可以连接到一些机构,例如一个或多个液压缸或曲柄轴(未示出),以使线性机械动力和旋转机械动力互换。
在能量恢复或膨胀的操作模式中,存储库2316填充有高压流体2326以及一定量的传热流体2328。流体2326可以实质上或主要地由气体或泡沫组成。热交换流体2328可以是当以一些其他方式喷洒或起作用时趋向于起泡的液体。示出为处于容器2316底部的热交换流体2328的聚积可以实质上或主要地由液体或泡沫组成。当活塞2306靠近或处于其冲程的顶部(即,气缸2304的“上止点”)时,一定量的气体可以经由阀2314和管道2312开始引入到气缸2304的上部室2308中。随后,活塞2306及其杆2324将向下移动(气缸2304可以是任意朝向,但在该示例性实施方式中被示为垂直朝向)。热交换流体2328可以经由一个或多个喷头2330注入到室2308中。图23中所示的喷头2330仅仅是示例性的;其他设备(例如,一个或多个喷嘴或旋转叶片)可以用于将热交换流体引入到空气室2308中。在图23中所示的实施方式中,可以通过经由机构(例如喷头2330)注入流体而在气缸2304内生成或再次生成泡沫;在各种其他实施方式中,泡沫在气缸2304的外部生成(通过图23中未示出的机构)。热交换流体(液体或泡沫)可以部分地或完全地填充室2308。流体2332(液体或泡沫)可以聚积在活塞2306的上表面上。
系统2300配备有压力传感器、活塞位置传感器和/或温度传感器(未示出)并经由控制系统(未示出)来控制。系统2300还具有泵气缸2334,用于将加压热交换流体供应给喷头2330。泵气缸2334包含可滑动地布置的活塞2336,该活塞2336将气缸2334的内部分成了上部室2338和下部室2340。热交换流体可以部分地或完全地填充泵气缸2334的上部室2338。一个或多个端口(未示出)与相关管道2342和双向阀2344使得来自低压库2348的流体2346能够根据需要与室2338进行交换。库可以用作泡沫库和/或作为将泡沫的液态组分与泡沫的气态组分相分离的分离器。一个或多个端口(未示出)使得泵气缸2334的下部室2340的的内部能够随时与环境大气自由地连通。活塞2336耦接至杆2350。气动缸2304的杆2324和泵气缸2334的杆2350可以接合到单个机械设备(未示出),例如曲柄轴,该机械设备以固定的相位关系保持杆(例如,只要杆2324到达其最大向下位移,则杆2350可以到达其最大向上位移)。泵气缸2334可以任意朝向,但在该示例性实施方式中示为垂直朝向。
低压库2348中的热交换流体2346可以与高压存储器2316中的热交换流体2328、气动缸2304中聚积的流体2332以及泵气缸2334的上部室2338内的流体混合和/或交换。即,为清楚起见,所有的这些流体主体在图23中都被单独地标记,但在系统2300的运行过程中,它们可以彼此混合或互换,以及与管道、阀以及系统2300中的其他部件中的任何热交换流体混合或互换。优选地,在图23中,两个库2316、2348中聚积的热交换流体2328、2346包括未起泡(但是能够起泡)的热交换液体,或实质上由其组成。
下文描述了系统2300的两种操作方法(即,“开环方法”和“闭环方法”)。本文中描述的这两种方法是示例性的,并非详尽的方法,系统2300可以根据这两种方法来操作。同样地,本文描述的这两种操作方法中不同步骤的相对定时或相位是示例性的:相对定时或相位的其他方式也是可以考虑的并且在本发明的范围内。
本文描述的系统2300的这两种操作方法(即闭环方法和开环方法)中的每一种都具有压缩模式和膨胀模式,在压缩模式中,气体被压缩以存储能量,而在膨胀模式中,气体膨胀以释放能量。
开环操作方法:压缩模式
在系统2300的一种操作模式(本文称为“开环压缩”操作方法)的初始状态中,活塞2306处于气动缸2304的上止点,并且活塞2336处于泵气缸2334的上止点。阀2314、2346和2352关闭,并且阀2320和2344打开。活塞2306和活塞2336向下移动,将一定量的低压气体通入到气动缸2304的室2308中,并且将一定量的热交换流体2346(优选地液体)从低压库2348通入到泵气缸2334的室2338中。活塞2306向下运动到其运动的最下端极限(即,“下止点”位置)和利用气体填充室2308构成了气缸2304的“进气冲程”。活塞2336向下运动到其运动的最下端极限(即,“下止点”位置)和利用热交换流体填充室2338构成了泵气缸2334的“进气冲程”。
随后,阀2320和2344可以关闭,而阀2346打开,并且活塞2306和2336可以在其各自的气缸中开始向上冲程。活塞2306的向上运动趋向于压缩气动缸2304的室2308内的流体,并且活塞2336的向下运动趋向于将流体从泵气缸2334的室2338中排出。从泵气缸2334的室2338逐出的流体通过阀2346和可选的可以改变流体温度的热交换器2354。随后,流体通过喷头2330进入气缸2304的室2308中,形成喷雾2356。流体2356作为泡沫进入室2308,或者通过与室2308内的气体混合而形成泡沫。流体2356可以部分地或完全地填充室2308,并且可以在活塞2306的顶部形成聚积的流体2332。聚积的流体2332可以包括泡沫或从室2308内的泡沫分离的液体,或者实质上由其组成。
在活塞2306的向上(压缩)冲程的预定点处,阀2314可以打开,允许加压流体流动通过管道2312进入高压存储器2316中,该加压流体可能包括热交换流体2332(例如,作为泡沫的液态组分)。通过活塞2306从室2308中逐出的热交换流体2332可以形成高压存储器2316内的聚积的流体2328,或者添加到其中。聚积的流体2328可以包括从库2316中的泡沫分离的热交换液体,或者实质上由其组成。
活塞2306向上运动至其运动极限(上止点)以及加压气体和流体被逐入存储器2316组成了气动缸2304的“压缩冲程”。系统2300的开环操作方法中的完整压缩冲程需要热交换流体(优选地液体)2346的连续地流出低压库2348、通过泵气缸2334的室2338、通过可选的热交换器2354、进入气动缸2304的室2308并且进入高压存储器2316的单向或“开环”通路。在如上所述的开环压缩模式中,在系统2300中的一个或多个连续的循环期间,热交换液体2328可以聚积在高压存储器2316中。
如上所述的用于闭环操作方法的压缩模式的操作的顺序是示例性的,并且可以在该实施方式以及其他实施方式中改变。下文所述的用于其他模式和操作方法的操作的顺序也是示例性的,并且可以在其他实施方式中改变。
开环操作方法:膨胀模式
在系统2300的另一种操作模式(本文称为“开环膨胀”操作模式)的初始状态中,活塞2306处于气动缸2304的上止点,并且活塞2336处于泵气缸2334的下止点。泵气缸2334的室2338填充有热交换流体(优选地为液体)。阀2320、2344和2352关闭,并且阀2314和2346打开。活塞2306向下移动,将一定量的高压气体通入到气动缸2304的室2308中。同时,泵气缸2334的活塞2336向上移动。来自室2338的热交换流体通过阀2346、可选的热交换器2354和喷头2330,进入气动缸的室2308。在一些后续的预定点处,阀2314可以关闭,而活塞2306继续其向下运动,并且活塞2336继续其向上运动。
在从存储器2316将高压气体(或泡沫)引入室2308期间或之后的活塞2306从气动缸2304的上止点至下止点的运动在本文中被称为气动缸2304的“膨胀冲程”。活塞2336从泵气缸2334的下止点至上止点的运动在本文中被称为泵气缸2334的“泵送冲程”。气动缸2304的膨胀冲程和泵气缸2334的泵送冲程以及本文描述的这种和其他实施方式中的其他气缸冲程可以具有相等的持续时间,并且可以同时开始和结束,或者这些冲程可以具有不同的持续时间,并且在不同时间开始和结束。
在完成膨胀冲程和泵送冲程之后,阀2314和2346可以关闭,而阀2320和2352打开。随后,气动缸的活塞2306从下止点移动到上止点,而室2308内的流体被逐出。优选地,逐出的流体包括泡沫或实质上由泡沫组成,并且进入容器2348中,流体在此处被分成其气态和液态组分,从而其气态组分可以通过排出口2322排出,并且其液态组分2332可以在低压库2348中聚积为液体2346。活塞2306从下止点向上运动至上止点以及低压气体和液体从室2308中被逐出组成了气动缸2304的“排气冲程”。同时,气缸2334执行进气冲程,即,活塞2336从上止点移动到下止点,并且室2336填充有来自高压存储器2316的热交换流体(优选地为液体)2328。
系统2300的开环操作方法中气缸2304的膨胀冲程需要热交换流体2328的连续地流出高压存储器2316、通过泵气缸2334的室2338、通过可选的热交换器2354、进入气动缸2304的室2308并且进入低压库2348的单向或“开环”通路。在开环膨胀模式中,在系统2300的一个或多个连续的循环期间,热交换流体2328被从高压存储器2316中移除,并且在低压库2348中聚积为液体2346。系统2300在开环压缩模式中的一段操作时期将趋向于使得热交换液体在高压存储器2316中形成聚积物2328;系统2300在开环膨胀模式中的后续操作时期将趋向于从高压存储器2316中移除热交换液体的聚积物2328并将其返回到低压库2348中。
闭环操作方法:压缩模式
在系统2300的另一种操作模式(本文称为“闭环压缩”操作方法)的初始状态中,活塞2306处于气动缸2304的上止点,并且活塞2336处于泵气缸2334的上止点。阀2314、2344和2346关闭,并且阀2320和2352打开。活塞2306和活塞2336向下移动,将一定量的低压流体(气体或泡沫)通入到气动缸2304的室2308中,并且将一定量的热交换流体(优选地液体)2328从高压存储器2316通入到泵气缸2334的室2338中。气动缸2304执行进气冲程,并且泵气缸2334执行进气冲程。
随后,阀2320和2352可以关闭,而阀2346打开,并且活塞2306和2336可以在其各自的气缸中开始向上冲程。活塞2306的向上运动趋向于压缩气动缸2304的室2308内的流体,并且活塞2336的向下运动趋向于将流体从泵气缸2334的室2338中排出。从泵气缸2334的室2338逐出的流体通过阀2346和可选的可以改变流体温度的热交换器2354。随后,流体通过喷头2330进入气缸2304的室2308中。流体可以利用泡沫部分地或完全地填充室2308。流体的聚积物2332可以形成在活塞2306的顶部。在活塞2306的向上(压缩)冲程的预定点处,阀2314可以打开,允许加压气体和/或泡沫流动通过管道2312进入高压存储器2316中。通过活塞2306从室2308中逐出的热交换流体2332可以形成高压存储器2316内的聚积的流体2328。聚积的流体2328可以包括泡沫或从库2316内的泡沫分离的液体,或者实质上由其组成。
活塞2306向上运动至其运动极限(上止点)以及加压流体被逐入存储器2316组成了气动缸2304的“压缩冲程”。系统2300的闭环操作方法中的压缩冲程需要热交换流体(优选地为液体)2328的连续地流出气动缸2304的室2308、进入高压存储器2316、进入泵气缸2334的室2338、通过可选的热交换器2354并且进入气动缸2304的室2308的循环或闭环通路。
闭环操作方法:膨胀模式
在系统2300的另一种操作模式(本文称为“闭环膨胀”操作模式)的初始状态中,活塞2306处于气动缸2304的上止点,并且活塞2336处于泵气缸2334的下止点。泵气缸2334的室2338填充有热交换流体。阀2320、2344和2352关闭,并且阀2314和2346打开。活塞2306向下移动,将一定量的高压气体(或泡沫)通入到气动缸的室2308中。同时,活塞2336向上移动。来自室2338的热交换流体(优选地液体)通过阀2346、可选的热交换器2354和喷头2330,进入气动缸的室2308。在一些后续的预定点处,阀2314可以关闭,而活塞2306继续其向下运动,并且活塞2336继续其向上运动。气动缸2304执行膨胀冲程,并且泵气缸2334执行泵送冲程。
在完成气缸2304的膨胀冲程和泵气缸2334的泵送冲程之后,阀2314和2346可以关闭,而阀2320和2352打开。随后,气动缸2304的活塞2306从下止点移动到上止点,而室2308内的低压流体通过管道2318被逐出。优选地,逐出的流体包括泡沫或实质上由泡沫组成,并且进入容器2348中,流体在此处被分离成其气态和液态组分,从而其气态组分可以通过排出口2322排出,并且其液态组分2332可以在低压库2348中聚积为液体2346。气动缸2304执行排气冲程。同时,泵气缸2334执行进气冲程。
系统2300的闭环操作方法中的膨胀冲程需要热交换流体2332的连续地流出气动缸2304的室2308、进入低压库2348、通过泵气缸2334的室2338、通过可选的热交换器2354并且进入气动缸2304的室2308的循环或“闭环”通路。
各种其他实施方式利用气动缸,该气动缸也可以用作泵以高效地在能量存储系统中循环热交换流体(例如,泡沫或起泡液)。图24A和24B描述了压缩或膨胀气体并且同时用作液体泵的气动缸2400。图24A示出了气缸2400的一种操作状态;图24B示出了气缸2400的另一种操作状态。
气缸2400包含可滑动地布置的活塞2406,该活塞2406将气缸2400的内部分成了远端(上部)室2408和近端(下部)室2410。一个或多个端口(未示出)与相关管道2412和双向阀2414、2416使得上部室2408能够与(a)高压流体存储库(未示出,但由字母“HP”表示)或(b)低压流体库(未示出,但由字母“LP”表示)流体连通。LP库可以包含低压液体,并且其气态部分可以通过排出口(未示出)与环境大气自由地连通。一个或多个端口(未示出)使第一气缸的下部室2410与低压气体(例如环境大气)形成连续的流体连通。气缸2400结合有横截面可以是圆柱形的管2418,并且在其上端连接到气缸2400的上部端帽。管2418是中空的并且可以填充有热交换液体。活塞2406连接到杆2422,该杆2422包含钻在中心的空洞或腔2420,本文中称之为杆腔2420,其可以填充有热交换液体。管2418在其近(下)端是开放的,并且足够长,从而管2418内的腔与杆腔2420形成恒定的流体连通(例如,即使当活塞2406处于下止点时)。垫片2424允许管2418随着杆2422和活塞2406的移动而在杆2422内伸缩,并且防止上部室2408与管2418及杆2422的连通腔之间的流体连通。如图24A所示,当活塞2406和杆2422向上移动时,管2418和杆2422内的连通腔的总容积下降,趋向于对连通腔内的流体加压并且将其从连通腔中通过管2418排出。如图24B所示,当活塞2406和杆2422向下移动时,管2418和杆2422内的连通腔的总容积将增加,趋向于降低连通腔内的流体压力和/或允许流体通过管2418进入连通腔中。通过将泵集成到气缸的杆,可以通过排除分离的或额外的曲柄弯程或其他机械驱动连接而实现较高的效率。
图25示出了使用图24A和24B描述的那种类型的两个气缸来压缩和/或膨胀气体的系统2500。不像图23中的系统2300,系统2500不使用离散或分离的水泵(例如,图23中的泵气缸2334)以有效地循环热交换液体。
系统2500使用两个气缸2402、2404(下文中称为第一气缸和第二气缸),这两个气缸2402、2404都类似于图24A和24B中示出的气缸2400。第二气缸2404包含可滑动地布置的活塞2426,该活塞2426将第二气缸2404的内部分成了远端(上部)室2428和近端(下部)室2430。一个或多个端口(未示出)与相关管道2432和双向阀2434、2436使得上部室2428能够与下述部件流体连通:(a)高压流体存储库(未示出,但由字母“HP”表示),优选地与第一气缸2402可以通过阀2414连接到其上的库相同,或(b)低压流体库(未示出,但由字母“LP”表示),优选地与第一气缸2402可以通过阀2416连接到其上的库相同。LP库可以包含低压液体,并且其气态部分可以通过排出口(未示出)与环境大气自由地连通。一个或多个端口(未示出)使下部室2430与低压气体(例如环境大气)形成连续的流体连通。
类似于气缸2402,气缸2404也结合有横截面可以是圆柱形的中空管2438,并且中空管2438在其上端连接到气缸2404的远端端帽。管2438的内部可以填充有热交换液体。活塞2426连接到杆2442,该杆2442包含中心钻孔的杆腔2440,其可以填充有热交换液体。管2438在其下端是开放的,并且管2438内的腔与杆腔2440流体连通。垫片2443允许管2438随着杆2442和活塞2426的移动而在杆2442内伸缩,并且防止管上部室2428与管2438及杆2442的连通腔之间的流体连通。当活塞2426和杆2442向上移动时,管2438和杆2442内的连通腔的总容积将降低,趋向于对其中的流体加压。
第一气缸2402中的管2418的上端连接到双向阀2444、2446、2448。阀2444可以使管2418的内部与高压存储库(HP)流体连通;阀2446可以使管2418的内部与低压库(LP)流体连通;并且阀2448可以允许流体从管2418的内部通过可选的热交换器2450,并且由此流动到第二气缸2404的室2428内的喷头2452。通过喷头2452递送的起泡液2454进入室2428中。图25中所示的喷头2452、2464仅仅是示例性的:其他设备(例如旋转叶片)可以用于将热交换流体引入到空气室2408、2428中。在图25中所示的实施方式中,可以通过将流体注入通过合适的机构(例如喷头2452、2464)而在气缸2402、2404内生成或再次生成泡沫;在各种其他实施方式中,通过图25中未示出的机构在气缸2402、2404的外部生成泡沫(如本文在别处所述的)。
类似地,气缸2404中的管2438的上端连接到双向阀2456、2458、2460。阀2456可以使管2438的内部与高压存储库(HP)流体连通,该库优选地与管2418经由阀2444与之连通的库相同;阀2458可以使管2438的内部与低压库(LP)流体连通,该库优选地与管2418经由阀2446与之连通的库相同;并且阀2460可以允许流体从管2438的内部通过可选的热交换器2462,并且由此流动到气缸2402的室2408内的喷头2464。穿过喷头2464的液体进入室2408中,优选地在室2408中形成泡沫。
阀2444、2456允许与HP存储器的热交换液体可在重力的影响下在其中下沉(例如与泡沫分离)的那部分流体连通,并且因此趋向于控制液体的通路,而不是气体或泡沫的通路。
系统2500配备有压力传感器、活塞位置传感器和/或温度传感器(未示出),并经由控制系统(未示出)来控制。杆2422、2442的近端(下端)可以连接到机构,例如一个或多个液压缸或共有的曲柄轴(未示出),以使线性机械动力和旋转机械动力互换,如'678和'842专利中所述。
系统2500可以以下述方式运行:第一气缸2402的杆2422内的腔2420在气体在室2428中的膨胀或压缩期间用作将热交换流体驱动到第二气缸2404的室2428中的泵,第二气缸2404的杆2442内的腔2440在气体在室2408中膨胀或压缩期间用作将热交换液体驱动到第一气缸2402的室2408中的泵。通过这种方法,不需要使用循环热交换液体的离散或单独的泵。
类似于图23中的系统2300,系统2500可以根据至少两种操作方法来操作,即,“开环方法”和“闭环方法”。这两种操作方法是示例性的,并非详尽的方法,系统2500可以根据这两种方法来操作。系统2500的这两种操作方法(即,闭环方法和开环方法)中的每一种都具有压缩模式和膨胀模式,在压缩模式中,气体被压缩以存储能量,而在膨胀模式中,气体膨胀以释放能量。
开环操作方法:膨胀模式
在系统2500的一种操作模式(本文称之为“开环膨胀”操作方法)中,第二气缸2404执行膨胀冲程,而第一气缸2402执行排气冲程并且将起泡热交换液体喷洒到第二气缸2404中:随后,这两个气缸可以反向作用,并且在系统2500期望的气体膨胀期间内可以交替进气和膨胀冲程。
在开环膨胀操作方法的初始操作状态中,第一气缸2402的活塞2406处于下止点,而第二气缸2404的活塞2426处于上止点。阀2416、2448、2458和2434打开,而所有其他阀关闭。在活塞2406执行向上(排气)冲程时,阀2416允许低压空气离开第一气缸2402的室2408;阀2448允许热交换液体从第一气缸2402的杆腔2420流动通过可选的热交换器2450,并且通过第二气缸2404的喷头2452,优选地在其中形成泡沫2454;阀2458允许来自低压(LP)库的热交换流体进入第二气缸2404的杆腔2440;并且阀2434允许来自高压存储器的气体进入第二气缸2404的上部室2428。在该初始操作状态中,液体聚积物2466可以出现在活塞2406的顶部,并且活塞2426顶部的液体聚积物2468是轻微的或不存在。在这种初始操作状态之后,泡沫2454可以使得气体能够在室2428内等温膨胀,并且可以在活塞2426顶部形成流体聚积物2468。
在第二气缸2404的膨胀冲程中的预定点处,阀2434可以关闭,防止更多的高压气体通入到上部室2428中。已经通入到室2428中的气体将继续膨胀,并且活塞2426及其关联的杆2442向下移动,直到它们到达下止点。同时,活塞2406及其关联的杆2422移动到上止点,执行排气冲程。在排气冲程的较后部分期间,第一气缸2402的活塞2406的顶部上的任何液体聚积物2466将被逐入到LP库中。
通过打开阀2414、2460、2436和2446并且关闭其他所有阀,系统2500随后可以处于类似于上述的开环膨胀操作方法中的初始操作状态的操作状态,除了两个气缸的角色颠倒:即,第一气缸2402准备用于执行膨胀冲程,而第二气缸2404准备用于执行排气冲程。第一气缸2402膨胀气体的膨胀循环可以与第二气缸2404膨胀气体的膨胀循环无限交替(受限于HP存储器的容量)。
当第二气缸2404执行膨胀冲程时,低压热交换流体通过阀2458填充第二气缸2404的杆腔2440。同时,第一气缸2402的杆腔2420中的热交换流体被加压,并且通过阀2448被逐出。因此,第一气缸2402在其排气冲程期间用作随着第二气缸2404执行膨胀冲程而将热交换液体供应给第二气缸2404的泵。类似地,当第二气缸2404执行排气冲程而第一气缸2402执行并发的膨胀冲程时,第二气缸2404用作将热交换液体供应给第一气缸2402的泵。
开环操作方法:压缩模式
在系统2500的另一操作模式(本文称之为“开环压缩”操作方法)中,两个气缸2402、2404执行并发的压缩冲程,同时将热交换流体注入到彼此的上部室2408、2428中。随后,这两个气缸执行并发的气体进气冲程,同时利用热交换液体再次填充其杆腔2420、2440。
在开环压缩模式的初始操作状态中,活塞2406、2426都处于其各自的气缸2402、2404中的下止点,而活塞2406、2426顶部的任何液体聚积物2466、2468是轻微的或者没有。阀2448和2460打开,而所有其他阀关闭。气缸的上部室2408、2428包含低压气体。活塞2406、2426及其关联的杆2422、2442开始向上移动,趋向于对气缸2402、2404的上部室2408、2428中的流体进行加压。从杆腔2420、2440中逐出的热交换液体通过管2418、2438,阀2448、2460,可选的热交换器2450、2462以及喷头2464、2452,将流体(优选地作为泡沫,例如泡沫2454)注入室2408、2428中。这种泡沫使得气体能够在室2408、2428内进行等温膨胀,并且可以在活塞2406、2426的顶部形成流体(泡沫和/或液体)聚积物2466、2468。在活塞2406、2426的并发压缩冲程中的预定点处,阀2414、2434可以打开,允许加压流体(气体或泡沫)流入高压(HP)存储器(未示出)。通过活塞2406、2426从室2408、2428中逐出的热交换流体2466、2468可以使得流体(例如分离的液体)的聚积物在HP存储器内形成。
在两个气缸2402、2404执行的并发压缩冲程期间,活塞2406、2426向上移动,直到活塞2406、2426处于其各自气缸2402、2404的上止点。在之后的操作状态中,阀2416、2446、2458和2436打开,其他所有阀关闭,并且活塞2406、2426及其关联的杆2422、2442向下移动,直到它们到达其各自气缸2402、2404的下止点,利用低压气体填充上部室2408、2428,并且利用来自低压(LP)库的低压热交换液体填充杆腔2420、2440,由此将系统准备好以用于另一并发的压缩冲程。
系统2500的开环操作方法中的压缩冲程需要热交换流体的连续地流出LP库,进入气缸2402、2404的杆腔2420、2440,通过喷头2464、2452进入气缸2402、2404的上部室2408、2428,并且由此进入HP存储器的单向或“开环”通路。在开环压缩模式中,在系统2500的一个或多个相继的循环期间,热交换液体由此从LP库中移除并且在HP存储器中聚积。系统2500在开环压缩模式中的一段操作时期(例如,多个这种循环)将趋向于使热交换液体聚积在HP存储器中;系统2500在开环膨胀模式中的后续操作时期将趋向于从HP存储器中移除热交换液体的聚积物并将其返回到LP库中。
对足够熟悉液压机械领域的任何人员来说显而易见的是,系统2500也可以根据具有膨胀和压缩模式的闭环方法来操作。这样的操作方法将(i)在每个压缩期间使聚积的热交换液体2466、2468转移到HP存储器中,并且从HP存储器,而不是从LP库,再次填充气缸2402、2404的杆腔2420、2440;和/或(ii)在每个膨胀期间使聚积的热交换液体2466、2468转移到LP库中,并且从LP库,而不是从HP存储器,再次填充气缸2402、2404的杆腔2420、2440。
与利用离散或单独的泵来循环热交换流体相比,用于气体膨胀/压缩和热交换流体泵送的气缸2402、2404的使用可以增加系统的效率和可靠性,这是因为降低了能量存储和恢复系统中的机构的数量。
当流体(例如泡沫)将通过阀进入或离开气动缸的空气室时,如前所述,期望的是:阀两端的压降最小化,从而由于通过阀而造成的能量损失可以被最小化。此外,如果将穿过阀的流体是泡沫,则可能有利的是最小化作用在泡沫上的剪切力,从而防止泡沫被分离成其液态和气态组分,或者防止泡沫中的气泡的大小被意外改变。此外,在液相以及气相出现在气动缸的空气室的情况下(例如在使用泡沫用于液体和气体之间热交换的气缸中),期望的是,止回阀被动地打开以防止气缸中的超压损坏部件(即,水封事件)。利用水封保护而使得泡沫能够高效、低剪切地流动的阀设计在2011年11月30提交的美国专利申请No.13/307,163('163申请)中描述,其全部内容通过引用包含于此,并且,这些阀设计可以用在本发明的实施方式中。
图26是气动缸头2600的示意图,其包括'163申请中描述的类型的两个阀2602、2604,即高侧阀2602以及低侧阀2604。高侧阀2602是拉开阀,其被动地控制打开以减缓气缸空气室内的超压(即,水封)。低侧阀2604是推开阀,当气缸内的压力比气缸外低时(例如在进气冲程期间),其被动地控制打开。阀2602和2604可以设计用于快速动作并且具有高扬程(即,在打开位置时,具有允许在阀构件和阀座之间流动的大区域),从而最小化阀两端的压降(由此最小化能量损失)。高扬程也降低了流入或流出气缸的空气室的泡沫上的剪切力,保存了泡沫完整性。
图27是结合了本发明的各种实施方式的示例性压缩空气能量存储系统2700的一些部分的示意图。系统2700包括:在某中间压力(例如大约200psig)和某高压(例如大约3000psig)之间膨胀和压缩气体的高压气动缸组件2702(在图27中标记为HP);在某低压(例如大约0psig)和某中间压力(例如大约200psig)之间膨胀和压缩气体的低压气动缸组件2704;中间压力容器2706(在图27中被标记为MPV),其通常包含系统的中间压力的流体(例如,气体、热交换液体、泡沫或分离的气体和液体);存储库2708或互相连通的一组存储库(例如,额定用于存储或输送高压气体的管道的密封长度),其能够存储高压和轻度升高的温度(例如50℃)的流体,并且因此能够用作压力势能和热量的存储器;存储容器/喷洒库2710(例如箱),其能够以相对低温(例如20℃)保持适当量的热交换液体。喷洒库2710优选地包括用于将低压泡沫分离成液态和气态组分并且将气态组分排出到大气中(由虚线箭头2712表示)的机构。在图27中,虚线箭头表示通过合适管道的气体双向移动,而实线箭头表示通过合适管道的液体双向移动;虚线和实线箭头对(2714、2716、2718、2720)表示系统2700的各种部件之间的气体和液体的移动。喷洒库2710可以将液体和气体(例如,作为液体和气体的分离流或作为水基泡沫的单个流)与低压气缸2704交换,低压气缸2704可以将液体和气体与中间压力容器2706交换,中间压力容器2706可以将液体和气体与高压气缸2702交换,并且高压气缸2702可以将液体和气体与高压存储器2708交换。
在图27中,高压气缸2702、中间压力容器2706和低压容器2704是“动力单元”的一些部分,即,将热能和压力势能与机械功和电能互相转换的能量存储系统2700的子系统。在来自高压存储器2708中的温暖高压流体的热能和压力势能被转换成电能的操作模式中,一定量的流体从高压存储器2708被转移到高压气缸2702中。流体通常包括温度和压力大致相同的气体和液体,或者实质上由它们组成。气体和液体可以在通入高压气缸2702之前结合到泡沫中,或者可以在气缸2702内起泡。气缸2702将其内容物(例如大体上或完全地填充气缸2702的空气室的泡沫)从原始高压(例如大约3000psig)膨胀到中间压力(例如200psig)。由于泡沫的气态组分随着气缸2702膨胀,从而对气缸2702内的移动活塞做功,气态组分趋向于冷却;然而,由于在泡沫的气态和液态组分之间出现温度差,热量从液态组分流向气态组分。温度差越大,热量从液体至气体的流动将趋向于更快。因此,液体和气体在气缸2702中的水基泡沫结构中的混合将趋向于允许泡沫的气态组分的大致等温的膨胀,有效地将通入气缸2702中的液体中的热量的一部分转换成机械功。
当气缸2702的内容物达到系统2700的中间压力时,中间压力的液体和气体(例如,作为泡沫)被转移(箭头2718)到中间压力容器2706中。中间压力容器存储液体和气体,并且可以包括用于再次生成泡沫或用于将泡沫分离成其气态和液态组分的供应物。无论何时中间压力容器2706包含足够量的中间压力气体,一定量的气体从中间压力容器2706转移到低压气缸2704中。气体与来自中间压力容器2706的热交换液体混合以形成基本上或完全地填充低压气缸2704的空气室的泡沫。由于在高压气缸2702中,只跨越不同的压力范围,低压气缸2704内的气体膨胀,对随着气缸2704一起移动的活塞做功,如同泡沫的液态组分趋向于使得气体的膨胀大致等温一样。在低压气缸2704中的气体膨胀之后,气缸2704内的液体和气体处于相对较低的温度和大致为大气压的压力,并且随后转移(箭头2714)到喷洒库和泡沫分离器2710。泡沫的低压气态组分被排出到大气(箭头2712),并且保留泡沫的低压液态组分。如果当系统2700将以能量生成模式操作时,保留的液体比系统2700周围(环境)温度低,则喷洒库2710中的液体构成了有效能的存储(潜在功),如同在高压存储器2708中存储热的液体一样。存储库2708和2710可以绝热以减缓随着其内容物朝着周围环境的温度变热或变冷而出现的有效能损失。图27中示出的压缩和/或膨胀阶段的数量(即,2个阶段)是示例性的。可以添加额外的膨胀和压缩阶段以及中间压力容器以进一步分割压力范围(例如,3个压缩/膨胀阶段-0至80psig,80psig至500psig以及500至3000psig,而中间压力容器大约为80psig和500psig)。
类似地,系统2700可以通过通入大气空气(箭头2712)并将其顺序地压缩在气缸2704和2702中而存储能量。图28示出了已经在图27中示出的系统2700的一些部分的示意图,并且附有时间-温度图2800以部分地描述假定的两阶段压缩的各阶段。从图2800的一些部分汇聚到系统2700的示意图的一些部分的细线对指明了图2800的哪些部分表示系统2700的哪些部分的温度变化。在图2800中,虚线表示气体温度,而实线表示热交换液体的温度。
图2800始于时间T=0,此时,压缩冲程在低压气缸2704中开始。气缸包含泡沫,其气态和液态组分处于相同的低压(大约为大气压)和相同的相对较低的温度(大约25℃)。从T=0毫秒(ms)至大约T=290ms,泡沫在气缸2704中被压缩。气体温度的升高由虚曲线2804表示。随着气体的温度升高,热量被转移到泡沫的液态组分(其温度由实曲线2806表示)。曲线2804清楚地示出了气体的温度不是恒定的,即,气体的压缩不是纯等温的;然而,与气体进行绝热压缩的情况下的温度变化相比,其大体上或大致是等温的。在绝热情况下,气体的温度将不止上升至大约55℃,而是上升至大约295℃。因此,气缸2704中的气体所经历的压缩过程可以合理地被称为“大致等温”,多变系数小于n=1.05,并且相比于绝热情况实现了显著的效率增益。这些增益不与完美等温压缩(将需要无限时间)实现的增益一样大。
实线2806和虚线2805(分别为液体和气体温度)之间的差异表示损失的有效能,这种损失的有效能不能在后续膨胀期间恢复。当过程时间常数(在这种情况下,压缩发生时间大约为290ms)大大低于传热时间常数时,实现了这种损失的有效能的最小化。传热时间常数部分地取决于压缩或膨胀气体和液体的表面积和接近程度。小的液滴或泡沫基质最小化这种表面积。一般来说,与泡沫单元的基质相比,球形液滴将具有较小的表面积;因此,泡沫基质将导致较低的传热时间常数,较少的损失有效能以及更有效率的能量存储系统。
图28中的图2800示出了压缩在大约T=290ms时停止,这是由于气体和液体混合物被转移到中间压力容器。气体迅速地接近液体的温度,如虚曲线2804从大约T=290ms至大约T=300ms的急剧下降所示。气缸2704中的泡沫(以及任何分离的液体)随后包含在中间压力容器2706中。泡沫可以在中间压力容器中以大致恒定的压力和温度(取决于中间压力容器的尺寸,其尺寸可能足够大以防止LP或HP气缸的单次进气或排气期间的压力大幅波动)再次生成并被转移到HP气缸2702中。到大约T=700ms时,HP气缸2702的空气室大体上或完全地由泡沫填充,并且压缩冲程开始。类似于LP气缸2704中的压缩,泡沫的气态组分的温度上升,如虚曲线2810(与绝热压缩的情况相比,这种温度上升明显变缓)所示,泡沫的液态组分的温度也上升,如实曲线2812所示,并且泡沫的气态和液态组分的温度在压缩停止之后很快均衡,如虚曲线2810从大约T=950ms至大约T=1000ms的急剧下降所示。实线2812和虚线2810(分别为液体和气体温度)之间的差异表示损失的有效能,这种损失的有效能不能在后续膨胀期间恢复。此后,HP气缸2702的液体和气体内容物存储在高压存储器和热井2708中,保持在大致恒定的温度和压力下,如实曲线2814所示。
因此,系统2700利用在气体的膨胀和压缩期间与气体起泡的热交换液体作为有效能存储介质,并且使得气体能够进行快速的、大致等温的膨胀和压缩。此外,来自各种外部源(例如,太阳能热、来自火电厂的废热)的热量可以转移到库2708的流体中。由此添加到库2708的流体中的热量可以部分地实现为气缸2702和2704中的有用功,并且由此作为系统2700的电力输出。在另一种实施方式中,额外的热量可以以低品位热(来自诸如电厂的源)的形式转移到存储器2708的流体中,否则这种低品位热将以热电的形式在环境被消耗,这样进一步增加或维持了在后续膨胀过程中可使用的能量。此外,来自这种低品位热源(未示出)的热能可以在膨胀期间经由热交换器(未示出)转移到中间压力容器2706中以增加可恢复的能量。
图29是结合了本发明实施方式的示例性的压缩空气能量存储系统2900的一些部分的示意图,其在某些方面类似于图27和28的系统2700。系统2900包括:在某中间压力(例如大约200psig)和某高压(例如大约3000psig)之间膨胀和压缩气体的高压气动缸组件2902(在图29中标记为HP);在某低压(例如大约0psig)和某中间压力(例如大约200psig)之间膨胀和压缩气体的低压气动缸组件2904;中间压力容器2906(在图29中被标记为MPV),其通常包含系统的中间压力的流体(例如,气体、热交换液体、泡沫或分离的气体和液体);存储库2908或互相连通的一组存储容器(例如,额定用于存储或输送高压气体的管道的密封长度),能够存储高压和升高的温度(例如50℃)的流体,并且因此能够用作压力势能和热能的存储器;存储容器/喷洒库2910(例如箱),其能够以相对低温(例如20℃)保持适当量的热交换液体。喷洒库2910优选地包括用于将低压泡沫分离成液态和气态组分并且将气体排出到大气中(由虚线箭头2912表示)的机构。在图29中,虚线箭头表示气体通过适当的管道的双向移动,而实线箭头表示液体通过适当的管道的双向移动。
系统2900还包括高压分离容器2922,其包含用于将泡沫(例如高压泡沫)分成液态和气态组分的一个或多个机构。存储库2908、2910和2926可以绝热以减缓随着其内容物朝着周围环境的温度变热或变冷而出现的有效能损失。喷洒库2910可以将液体和气体(例如,作为液体和气体的分离流或作为水基泡沫的单个流)与低压气缸2904交换,低压气缸2904可以将液体和气体与中间压力容器2906交换,中间压力容器2906可以将液体和气体与高压气缸2902交换,高压气缸2702可以将气体与高压存储器2908交换,并且(经由泵/电机2924)将液体与低压热井2926(例如,绝热的大气压力箱)交换。
与系统2700类似,系统2900可以以压缩(能量存储)或膨胀(能量生成)模式操作。在系统2900的压缩操作模式期间,如上文中关于系统2700所述的一样,气体通过低压气缸2904、中间压力容器2906和高压容器2902分阶段压缩。在HP气缸2902中的压缩之后,来自高压气缸2902的液体和气体(部分地或大体上处于泡沫的形式)被导向分离容器2922,泡沫的液态和气态组分在其中被适当的机构(例如,挡板、重力、旋转叶片、超声、离心和/或其他这种机构)分离。泡沫的分离的气态组分从分离容器2922被导向存储容器2908;分离的热交换液体组分以相对高的压力(例如3000psig)和高温度(例如50℃)通过泵/电机2924从分离容器2922被导向低压存储容器2926(例如箱),该低压存储容器能够将适当量的热交换液体保持在升高的温度和低压之下。热交换液体的压力在通过泵/电机2924从分离容器2922通往存储容器2926的过程中降低,将泵/电机作为电机驱动,由此生成有用的能量(在将液体压缩至较高压力的过程中,恢复这部分使用的能量)。在替代实施方式中,高压存储库2908可以既用作气体存储器又用作液体/气体分离器,其中,在通过重力排出水基泡沫的液体部分之后,液体从气体存储库的低点被移走。在该实施方式中,分离容器2922不是与库2908分离的元件。在一种实施方式中,存储库2908是具有大水平表面积的水平管道段,其有助于水基泡沫的相对快速地重力排出。
在系统2900的能量生成(膨胀)操作模式中,来自容器2926的低压的且可能为升温的热交换液体通过泵/电机2924被导入。以泵模式运行的泵/电机2924将液体的压力提高到足以允许液体与来自存储库2908的高压(例如大约3000psig)气体组合为泡沫的水平。泡沫可以形成在库2908中,形成在容器2922中,形成在不同于容器2922且位于高压气缸2902外部的机构中,或者形成在高压气缸2902的内部。HP气缸2902、中间压力容器2906和低压容器2904中的气体的分阶段膨胀随后如上文所述系统2700那样进行。
因此,系统2900利用在气体的膨胀和压缩期间与气体起泡的热交换液体作为有效能存储介质,并且使得气体能够进行快速的、大致等温的膨胀和压缩。不像系统2700,系统2900不使用单个容器(或互连的容器组)来存储高压气体和热交换液体。这具有高压存储器所需的容积较小的优势;在系统2900的热侧需要的存储总容积(即,容器2926中的热液体和容器2908中的热的高压气体的存储)大约与系统2700的相同,但由于容器2926是低压的,因而其每单位容积成本可能比高压容器2908的更低。
此外,来自各种外部源(例如,太阳能热、火电厂的废热)的热量可以相对容易地(与将热量转移至高压存储器2700或2908的内容物中相比)转移到热井2926中的液体中,这是由于在这种热收获中不需要用于承受高压的热交换机构。由此添加到热井2926中的热能可以部分地实现为气缸2902和2904中的有用功,并且由此作为系统2900的热电联产电力输出。较低的总存储成本和/或热电联产可以充分补偿在压缩模式中将高压液体从分离容器2922转移到热井2926中的低压所导致的能量损失以及在膨胀模式期间将低压液体从热井2926泵到高压以与HP气缸2902中的气体起泡所导致的能量损失。
在利用存储高压气体的固定容积的存储库的压缩气体能量存储系统的生成模式中,气体从高压存储库中被逐步地、连续地或分批地排出,从而其势能可以部分地实现为机械能和电能。在高压存储器的这种逐步排气过程中,存储器内的气体的压力和温度将趋向于以大致绝热的方式降低。对熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,这种大致绝热的压力和温度降低将使得可恢复能量由于较低的可用压力而产生损失和/或由于温度混合导致有效能损失。类似地,在压缩气体能量存储系统的存储模式中,气体被逐步地、连续地或分批地递送到高压存储库中,从而其势能可以被存储。在气体到高压存储器的这种逐步递送期间,存储器内的气体的压力和温度将趋向于以大体上绝热的方式增加,而相应增加的功用于压缩至较高的压力和/或混合由于温度不匹配造成的有效能损失。
为了在从高压存储器排气期间或将气体递送至高压存储器期间防止有效能损失,期望的是在高压存储器中经历压缩或膨胀的气体与热交换液体之间维持热交换。高压存储器中气体和液体之间的热交换可以通过部分地或基本上地利用泡沫填充高压存储器来实现,其中,泡沫的液态组分是热交换液体。泡沫的液态组分将趋向于将热量传给泡沫的气态组分,或者趋向于从气态组分中吸收热量,从而使得在系统的存储或生成操作模式期间能够在高压存储器内大致等温地进行压力升高或降低。泡沫的液态组分的温度或泡沫混合物的温度可以进一步由高压存储器外部的热交换机构(热交换器)改变,从环境中溢出热量或者从环境或一些热电联产源中获取热量。泡沫或分离的液体均可以通过高压存储器外部的热交换器循环。在其他实施方式中,热交换机构(例如翅片管)可以设置在高压存储器内部,从而外部的热交换流体(例如环境空气)可以循环到高压存储器中,且不会与其中的内容物混合,而不是高压的内容物循环到外部的热交换器。利用存储在仅存储气体的高压存储器中的压缩气体进行热交换的技术在于2011年4月27日提交的序列号为13/094,960的美国专利申请('960申请)中描述,其全部内容通过引用包含于此。当过程时间常数大大低于传热时间常数时,实现了这种损失的有效能的最小化。一般来说,存储库内的压缩或膨胀以比气缸和动力单元内慢得多的时间常数发生。例如,在存储库中将气体从750psig压缩至3000psig可能需要大约一小时。传热时间常数部分地取决于压缩或膨胀气体和液体的表面积和接近程度。小的液滴或泡沫基质最大化这种表面积。一般来说,与泡沫单元的基质相比,球形液滴将具有较小的表面积;因此,泡沫基质将导致较低的传热时间常数,较少的损失有效能以及更有效率的能量存储系统。对于存储库热交换来说,较小量的泡沫或者低质量或间歇的喷洒或循环可能足以实现期望的传热时间常数(例如,大体上将时间常数降低1小时)。
图30是示例性机构的示意图,该机构用于在气体从存储器排出或将气体递送到存储器期间循环来自高压存储器的流体以在存储器中实现大致等温的压力变化,或者用于通过使用热交换器将能量从热电联产源或其他源添加到存储器内的气体中。利用操作为循环器的泵3006将来自库(3002a-3002d)的流体循环通过热交换器3004。循环的流体可以是气体或热交换液体,或者是既包括气体又包括液体的泡沫。利用足够用于循环的小压力变化来操作泵3006,但泵3006位于能够承受高压的壳体内,如'409申请中详述的那样。泵3006将高压流体循环通过热交换器3004,而不会大幅增加其压力(例如,3000psi的空气增加50psi)。随后,流体可以通过在库3002a-3002d内生成泡沫或其他两相混合物(例如液滴喷雾)的机构再次注入到库3002a-3002d中。以这种方式,可以通过打开阀3008并关闭阀3010并且在膨胀期间(从库3002a-3002d中释放气体)加热或者在压缩期间(将气体递送至库3002a-3002d)通过关闭阀3008并打开阀3010而冷却来控制存储的压缩气体的温度(例如,上升、下降、保持为大体上恒定或保持为大体上等于内部液体温度)。当打开时,阀3010使子系统3000与诸如图27中的系统2700的能量存储系统流体连通。热交换器3004可以是任何类型的标准热交换器设计;图30中示出的是具有高压空气入口和出口端口3012、3014以及低压壳端口3016和3018(其可以连接到外部加热或冷却源)的管壳式热交换器。
在其他实施方式中,泡沫从库3002a-3002d循环通过热交换器3004。在各种实施方式中,循环通过热交换器3004的外部回路的流体可以是气体、液体或泡沫。在图30中以水平位置示出了库3002a-3002d,但其他朝向也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。
图31是示例性替代压缩空气存储库子系统3100的示意图,该子系统3100用于加热和冷却能量存储系统中的压缩气体,从而在膨胀或压缩之前和/或在膨胀或压缩期间加快向压缩空气的以及从压缩空气的热量转移。如所示,至存储库3102、3104中存储的流体的传热和从存储库3102、3104中存储的流体的传热通过利用泵3106的液体循环而加速。利用足够用于循环和喷洒(和/或泡沫生成)的小压力变化来操作液体泵3106,但泵位于能够承受高压的壳体内;即,其将高压水(或其他合适的传热流体)循环通过热交换器3108,并且将液体引入到存储库3102和3104中,而不会大幅增加其压力(例如,对于存储的3000psig的压缩气体内的循环和喷洒来说增加50psi)。在其他实施方式中,热交换器可以被省略或绕过。热交换器3108可以是任何类型的标准热交换器设计;图中示出的是具有高压液体入口和出口端口3112、3114以及低压壳液体端口3116和3118的管壳式热交换器。壳端口3116和3118可以允许与第二热交换器、热井或其他一些流体主体连通。
通过液体(例如水)至容器3102、3104中的主动喷洒或起泡来加快存储库3102、3104中的热交换。此处,“喷洒”指通过机械地作用在液体上以将液体分成液滴的机构(例如,小孔、设计的喷嘴、将喷雾导向冲击针或板的机构)的任意液体通路。“起泡”指通过将液体与气体混合以形成泡沫的机构的任意液体通路;这种机构包括液体被导向产生超声或由超声作用的表面的设计,该表面以产生分裂或起泡的方式震动液体。所有的这些机构都是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。图31的示例性系统示出了作为喷洒/起泡机构的多个穿孔杆(喷洒杆)。如图31所示,穿孔杆3120和3122可以安装在存储库3102和3104的内部。穿孔杆3120、3122可以沿着存储库3102、3104的顶部布置或者位于其顶部,沿着存储库的中间部分布置(如图31所示),和/或沿着存储库的底部布置(例如鼓泡式布置)。杆3120、3122可以延伸穿过存储库3102、3104的长度的一部分或全部。泵3106将液体压力增加到库压力之上,从而液体主动地循环,并且从杆3120、3122喷洒/起泡,如箭头3124和3126所示。随着喷洒和/或起泡到存储库3102和3104中,存储库3102、3104中的气体内的液体的液滴或泡沫基质出现,使得在液体和气体之间能够进行有效的传热。泡沫可以部分地或大体上填充存储库3102、3104。随着时间流逝,泡沫将趋向于分离,在存储库3102、3104的底部产生液体聚积物3128、3130。因此,液体聚积物可以通过端口3132、3134以及相关的管道3136移除。管道3136将液体返回至热交换器3108,液体3128、3130通过该热交换器3108循环为闭环水循环和喷洒/起泡系统的一部分。当打开时,阀3110使子系统3100与诸如图27中的系统2700的能量存储系统流体连通。
在各种其他实施方式中,泡沫或气体从存储库3102、3104循环通过热交换器3108。在各种实施方式中,循环通过热交换器3108的外部回路的流体可以是气体、液体或泡沫。端口3132、3134可以位于存储库3102、3104的顶部或侧部,例如用于拉动气体(例如在鼓泡布置中)或泡沫,而不是优先拉动分离的液体。在图31中以水平位置示出了存储库3102、3104及其内部的喷洒机构3120、3122,但其他朝向也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。在图31中示出了两个存储库3102、3104,但其他数量的存储库(例如管道和天然或人工的腔洞)也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。
图32是替代压缩空气存储库子系统3200的示意图,该子系统3200用于加热和冷却能量存储系统中的压缩气体,从而在膨胀或压缩之前和/或在膨胀或压缩期间加快向压缩空气的热量转移以及从压缩空气的热量转移。转移到和/或来自存储库3202中存储的压缩气体的热量通过利用外壳3204和空气循环风扇3206的流体循环而加快。存储库3202也可以包括热交换液体,其可以与存储库3202中的气体分离或混合以形成部分地或完全地填充存储库3202的泡沫。未结合在泡沫中的分离的液体、泡沫和气体可以在存储库3202中以及在本文描述的其他所有高压存储库中共存。在子系统3200中,流体(例如空气)通过进气开口(例如排出口)3208进入外壳3204。流体可以处于不同于存储库3202中的压缩气体的温度。存储库3202的布置允许流体在它们周围或在它们之间实质上循环。如果通过排出口3208进入的流体的温度低于存储库3202内的流体温度,则在存储库3202周围和之间的流体循环从存储库3202获得热能;类似地,如果循环流体的温度比存储库3202内的流体的温度高,则存储库3202从通过排出口3208进入的流体获得热能。已经在存储库3202周围和之间循环的流体通常通过排气设备(例如泵、风扇)3206从外壳3204被牵拉,排气设备在图32中被示例性地表示为风扇。通过设备3206排出的气体可以局限于一个或多个导管(未示出),通过热交换系统循环以改变其温度,并且通过导管返回到排出口3208。外壳3204的外部可以是绝热的。进入进气开口3208的流体可被加热或冷却,并且由此改变存储库3202及其内部的内容物的温度。这种加热的源可以是来自诸如热电厂或工业过程的源的废热,并且可以是诸如太阳加热或火力加热元件的直接源。
阀和管道(未示出)可以使存储库3202的内容物与诸如图27中的系统2700的能量存储系统流体连通。在图32中以水平位置示出了存储库3202,但其他朝向也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。在图32中示出了六个存储库3202,但其他数量的存储库以及其他类型的气体存储器也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。
图33是另一压缩空气存储库子系统3300的示意图,该子系统3300用于与加热和冷却能量存储系统中的压缩气体一起使用,从而在膨胀或压缩之前和/或在膨胀或压缩期间加快向压缩空气的热量转移以及从压缩空气的热量转移。转移到或来自存储库3302中存储的压缩气体的热能通过一种或多种流体(例如,水、水基泡沫)在外壳3304中循环并且利用管道3306、3308分别地将流体通入外壳3304或将流体从外壳3304移除而加快。存储库3302也可以包括热交换液体,其可以与存储库3302中的气体分离或混合以形成部分地或完全地填充存储库3302的泡沫。在图33所示的示例性子系统3300中,外壳3304中的流体水平3310由紧密间隔的垂直线表示。流体通过管道3306进入外壳3304中。流体可以处于不同于存储库3302中的流体的温度。存储库3302的布置优选地允许水(或其他流体)在它们周围或在它们之间实质上循环。如果通过管道3306进入的流体的温度低于存储库3302内的流体温度,则在存储库3302周围和之间的流体循环从存储库3202获得热能;类似地,如果通过管道3306进入的流体的温度比存储库3302内的流体的温度高,则存储库3302从流体获得热能。在存储库3302周围和之间循环的流体通过管道3308从外壳中移除。通过管道3308移除的流体可以通过热交换系统(图33中未示出)循环以改变其温度,并且通过管道3306返回到外壳3304中。
阀和管道(未示出)可以使存储库3302的内容物与诸如图27中的系统2700的能量存储系统流体连通。在图33中以水平位置示出了存储库3302,但其他朝向也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。在图33中示出了六个存储库3302,但其他数量的存储库也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。
图34示出了另一压缩空气存储库子系统3400,该子系统3400用于加热和冷却能量存储系统中的压缩气体,从而在膨胀或压缩之前和/或在膨胀或压缩期间加快向压缩气体的热量转移以及从压缩气体的热量转移。转移至和来自诸如洞室3402(例如,自然发生的或人为制造的洞室,其可以位于地下)的加压库中存储的压缩气体的热能通过利用液体泵3404和热交换器3406的液体循环而加快。洞室3402也可以包括热交换液体,其可以与洞室3402中的气体分离或混合以形成部分地或完全地填充洞室3402的泡沫。液体或泡沫3420可以在洞室3402的底部积聚。利用足够用于循环和喷洒和喷雾/泡沫生成的小压力变化来操作泵3404,但泵位于能够承受高压的壳体内;泵3404将高压流体循环通过热交换器3406,并且随后进入喷雾/泡沫生成机构3408,在洞室3402内形成起泡喷雾3410,而不会大幅增加流体的压力(例如,对于存储的3000psi的压缩气体内的循环和喷洒来说增加50psi)。以这种方式,存储的压缩气体可以利用流体循环和喷洒/起泡方法来预加热(或预冷却),这些方法也可以允许存储洞室3402的主动液体监测。两相热交换可以在膨胀之前进行预加热和/或在压缩之前进行预冷却。循环可以在没有热交换器3406的情况下完成,并且用于在膨胀或压缩期间将热交换液体和气体保持在大体上相同的温度。泵3404可以浸入到液体或泡沫3420中,或位于液体或泡沫3420的外部。热交换器3406可以是任何标准热交换器设计;图中示出的是具有高压液体入口和出口端口3412、3414以及低压壳液体端口3416和3418的管壳式热交换器。壳端口3416和3418可以允许与第二热交换器、热井或某些其他流体主体进行连通。
存储洞室3402内的热交换通过液体(例如,具有一种或多种起泡添加剂的水)在洞室3402中的主动喷洒和泡沫生成3410而加快。图34中示出的是一个或多个穿孔喷头3408安装在存储洞室3402内的方案。泵3404将流体压力增加到洞室压力之上,从而流体主动地循环并且从喷头3408喷出。泡沫可以部分地或完全地填充洞室3402的容积。由于泡沫分离,液体和/或泡沫3420可以在洞室3402的底部积聚并且通过管道3422移除。管道3422将液体和/或泡沫3420返回至泵3404和热交换器3406,液体和/或泡沫通过该泵3404和热交换器3406循环为闭环流体循环和泡沫生成和/或泡沫再生成系统的一部分。一个或多个阀和管道(未示出)可以使洞室3402与诸如图27中的系统2700的能量存储系统流体连通。
如果洞室3402具有足够的大小,则大部分质量的液体和/或泡沫3420可以被允许聚积在洞室3402的底部。在这种情况下,这种质量的液体和/或泡沫3420可以相对缓慢地与同样包含在洞室3402内的空气交换热量,并且可以用于热量库。
在图34中示出了垂直洞室形和喷头式的内部泡沫生成机构3408,但其他朝向和喷雾或泡沫生成机构(例如喷杆、多个喷嘴)也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。喷头3408可以位于洞室的底部以允许空气喷射到聚积的液体和/或泡沫3420中,从而在洞室3402内形成或再次生成泡沫。图34中示出了单个洞室3402,但其他数量的洞室以及包括洞室和其他形式的气体存储器(例如压力容器和/或管道)的存储库也是可以考虑的,并且在本发明的范围之内。
图35是根据本发明各种实施方式的能量存储和恢复系统的各种部件的视图。所示系统包括设施3500或实质上由其组成,其中,热能可以用于恢复、从周围环境中提取、需要使用和/或可以移除以冷却。示例性设施3500包括:基于矿物燃料的电厂(例如煤、天然气);基于其他热引擎的电厂,例如核能、太阳热和地热;具有废热的工业过程;热泵,热源和散热器;需要空间加热或冷却的建筑物;以及环保冷却水的源。在图35中,出于示例性的目的,示出了发电厂3502,其多余热能可以通过标准热交换单元3504恢复。从发电厂3502生成的电力3506可以用于像操作人员确定的那样(例如,当市场的电力需求较低时)驱动压缩气体能量存储系统3508,以压缩气体的形式将能量存储在存储库3510中。能量可以额外地存储为冷却至环境温度之下或加热到环境温度之上的液体的热能或有效能,并且这些液体可以位于包含压缩气体(例如,与之混合而作为泡沫)的相同容器内,或者与气体分离并且存储在分离的容器中。当需要更多的电力时,这种存储的能量在压缩气体能量存储系统3508中经历膨胀(例如,分阶段的膨胀)以生成供使用的电力(例如,电网输送3512)。从发电厂3502恢复的热能可以用在压缩气体存储库3510(或其他加压存储器)的热交换子系统中以在膨胀之前或期间和/或在中间压力容器的膨胀/压缩阶段之间预先加热存储的压缩气体和/或加热热交换流体和气体,增加给定体积的加压气体所做的功并且提高系统效率和/或性能。同样地,但未在本文中示出,通过热交换利用寒冷环境、接地回路、水回路或其他低温库冷却的水可以用在热交换子系统中以在进一步压缩之前和期间预先冷却和/或继续冷却压缩气体,提升系统效率和/或性能。在所有的这些实例中,系统的性能和/或价值可以显著提高。
图36示出了根据本发明各种实施方式的示例性系统3600,其在预定压力范围内大致等温地压缩或膨胀气体。系统3600包括气缸3602,该气缸3602包含将气缸3602的内部分成气体填充室(也称为空气室或气动室)3606和液体填充的(即液压)室3608的移动活塞3604(或其他合适的分界机构)。可选地,室3608可以是气体填充的,和/或空气室3606可以包含气体、液体和泡沫中的一种或多种。集成的热交换机构通常出现在室3606和/或3608中,如'155专利中所述和/或如图2所示。在图36所示的实施方式中,喷头3610将流体的喷雾3612注入到气缸3602的上部室3606中。这种喷雾3612可以包括水基泡沫(包括气体和热交换液体)或与空气室3606中的气体混合以形成水基泡沫的液体,或实质上由其组成。泡沫3614部分地或完全地填充空气室2606;也可以出现泡沫3614的部分分离,允许液体聚积在活塞3604的顶部。具有阀3622和3632的端口3620和3630允许气体如所期望的那样通入室3606或从室3606排出。一个或多个端口(未示出)与相关联的管道和阀(未示出)允许流体如所期望的那样通入室3608或从室3608排出。
在空气膨胀期间,室3606中的气体膨胀,对活塞3604做功。随着室3606中的气体膨胀,其温度趋向于降低,而热能从室3606内的传热液体(例如,部分地或完全地填充室3606的泡沫的液态组分)转移到气体。热能从室3606中的液体到气体的转移增加了膨胀气体对活塞3604所做的功。随着室3606中的气体膨胀,其温度趋向于降低,而热能从室3606内的传热液体(例如,部分地或完全地填充室3606的泡沫的液态组分)转移到气体。热能从室3606中的液体到气体的转移增加了膨胀气体对活塞3604所做的功。
在空气压缩期间,活塞3604向上移动并且由此压缩室3606中的气体。随着室3606中的气体被压缩,其温度趋向于升高,而热能从气体转移到室3606内的传热液体(例如,部分地或完全地填充室3606的泡沫的液态组分)。热能从气体到室3606中的液体的转移降低了活塞3604必须对膨胀气体做的功。热能从室3606中的气体至液体的转移降低了活塞3604为了压缩气体而对室3606中的气体所做的功。
为了使气缸3602准备用于压缩,低压气体从点3634通过阀3632和端口3630在向下冲程中通入到上部室3606中,该向下冲程始于靠近或位于气缸3602顶部的活塞3604。在通入室3606之前、期间或之后,气体可以与液体混合以形成泡沫。在本发明的各种实施方式中,点3634处的入口压力通过鼓风机(例如叶式的)或泵/压缩机(例如螺杆泵)3642升高到大气压力之上,该鼓风机或泵/压缩机将大气压力或接近大气压力的气体通过入口/排出口3640抽入。通过泵/压缩机3642的压缩可以主要是绝热的;可选地,泵/压缩机3642可以包括例如螺杆泵,其允许将热交换泡沫和/或液滴引入到在螺杆泵3642中经历压缩和/或膨胀的空气中,使得空气能够在螺杆泵3642内进行大致等温的压缩和/或膨胀。随后泡沫可以通过螺杆泵3642泵到室3606中。此外,如图36所示,螺杆泵3642可以是双向膨胀器/压缩机;因此,下文中对“压缩机3642”和“膨胀器3642”的引用可以指单个双向螺杆泵单元。压缩机3642的出口可以在点3634处连接到处于预定最小系统压力(即,由压缩机3642使能的超大气压力,其用作气缸3602的入口压力)或其附近的低压容器3650,从而低压容器3650可以提供缓冲,使得压缩机3642可以以接近恒定的功率连续地运行。低压容器3650可以包含集成的热交换,如上文和'155专利中所述。在准备压缩的向下(进气)冲程的底部或其附近,其中,活塞3604处于气缸3602的底部或其附近,并且室3606通过压缩机3642和阀3632的动作以预定压力的气体(和/或泡沫)填充,阀3632关闭。随后是向上压缩冲程。在预定高压时,该高压可以等于点3624的压力(例如,诸如库222的高压存储库中或多阶段系统中的高压气缸中的压力),阀3622打开,将室3606通过端口3620连接到点3624。加压气体和/或泡沫随后通过阀3622被推向点3624,直到活塞3604靠近或处于气缸3606的顶部,此时,阀3622关闭,并且过程重复另一进气冲程。
与缺少压缩机3642,但在其他方面与系统3600相同的系统相比,系统3600中压缩机3642的存在使得更多量(质量)的气体能够在气缸3602内的活塞3604的单次向上冲程中被压缩。利用压缩机3642在单次冲程中所做的压缩功比不利用压缩机3642的情况高,并且更多的气体被压缩到点3624。
如上文所述,通过压缩机3642的主要绝热的压缩以及气缸3602中的大致等温的压缩的总压缩效率通常小于完全位于气缸3602内的在整个压力范围内的大致等温的压缩。通过压缩机3642的大致等温的压缩以及气缸3602中的大致等温的压缩的总压缩效率也通常小于完全位于气缸3602内的在整个压力范围内的大致等温的压缩。因此,压缩机3642的添加以效率为代价大体上增加了系统3600的功率(即,系统3600将功转换成压缩气体势能的速率)。功率和效率之间的权衡的最佳程度通常根据系统3600所使用的应用而改变。此外,对于端口3620处给定的出口压力,气缸3602的室3606内的较高起始压力降低了气缸3602在冲程过程中起作用的压力范围(出口压力与入口压力之比);如上文中探讨的那样,这也缩小了作用在杆3618上的力的范围,杆3618连接到活塞3604上并且其下端延伸到气缸3602之外。如前所述,这种力的范围的缩小转而使得能够通过使电动机/发电机(未示出)在系统3600中工作而进行更高效的电能转换。
在膨胀期间,处于高压的预定量的压缩气体和/或泡沫从点3624(例如,来自诸如图2中的库222的存储库或诸如图27的系统2700的多阶段系统中的高压气缸)通过阀3622和端口3620通入到室3606中。通入的气体和/或泡沫的量可以由控制系统(例如,图1中的控制系统122)设置,从而在向下冲程(即,当活塞3604到达气缸3602的底部时)中的完全膨胀之后,气体和/或泡沫达到预定最小系统压力,该预定最小系统压力通常是超大气压(例如,大约5psig)。例如,控制系统可以响应于一个或多个测量气体流速和/或气缸3602中的压力以计量气体引入量的传感器。在气缸3602的向上返回冲程中,气体通过阀3632排出到点3634。
在本发明的各种实施方式中,点3634处的管道连接到将加压气体流转换成旋转运动的膨胀器3642;在这些实施方式中,穿过膨胀器3642的气体流生成除由气缸内的膨胀生成的电力量之外的电力。通过膨胀器3642的膨胀可以主要是绝热的;可选地,膨胀器3642可以允许将热交换泡沫和/或液滴引入到在膨胀器3642中经历膨胀的空气中,使得空气能够在膨胀器3642内进行大致等温的膨胀。在通过膨胀器3642的膨胀之后,气体(或泡沫的气态组分)可以通过排出口3640排出到大气中。此外,如图36所示,处于预定最小系统压力(即,输入到膨胀器3642的超大气压力,其用作气缸3602的出口压力)或其附近的低压容器3650也可以在点3634处连接,从而提供缓冲,使得膨胀器3642可以以接近恒定的功率连续地运行。如上所述,低压容器3650可以包含集成的热交换机构。
通过以大气压力之上的压力终止气缸3602内的膨胀冲程,在气缸3602内的活塞3604的单次向下冲程中可以膨胀更多量(质量)的气体。在单次冲程(在距离上更大的力起作用)中完成的膨胀功将高于以其他相同冲程完成的功的量,其中更少量的气体被膨胀(在同一距离上更小的力起作用)。此外,如果使用膨胀器3642,则可能产生额外的功率,如果在膨胀冲程末端时,室3606中的超大气压力气体被直接排出到大气中,则将损失这部分额外的功率。通过膨胀器3642的主要绝热的膨胀以及气缸3602中的主要等温的膨胀的总效率通常小于完全位于气缸3602内的在整个范围内的接近等温的膨胀的效率。通过膨胀器3642的大致等温的膨胀以及气缸3602中的大致等温的膨胀的总膨胀效率也通常小于完全位于气缸3602内的在整个压力范围内的大致等温的膨胀。因此,一般来说,超大气压力的排出压力以及膨胀器3642的使用以效率为代价增加了功率。功率和效率之间的权衡的最佳程度通常根据系统3600所用在的应用而改变。此外,气缸3602中的较高的排出压力降低了气缸3602在给定出口压力(即,范围是出口/入口压力)上起作用的压力范围,从而可以通过在较窄的压力(以及由此的力)范围内操作气缸3602而实现高效功率输送的一些好处。
控制系统(例如图1中的控制系统122)可以控制压缩机/膨胀器3642和气缸3602,从而在气缸3602内在特定的超大气压力范围内进行气体的大致等温的膨胀和/或压缩,并且在压缩机/膨胀器3642在大约大气压力和气缸3602的操作的最小超大气压力之间进行大体上绝热的压缩和/或膨胀。例如,控制系统例如通过控制各个端口和/或与这些部件相关联的阀,可以引导将气体和/或泡沫引入到气缸3602和压缩机/膨胀器3642中以及将气体和/或泡沫从气缸3602和压缩机/膨胀器3642中排出的过程。控制系统可以响应于设置在气缸3602和/或压缩机/膨胀器3642之中或之上的一个或多个传感器并且相应地引导系统3600内气体的移动,其中传感器用于测量这些部件内的气体压力。如上所述,气缸3602内大致等温的压缩和/或膨胀的控制也可以通过关联的传热子系统来控制,该传热子系统可以将热交换液体与气体起泡。这种传热子系统可以在压缩机/膨胀器3642中的大体上绝热或大致等温的压缩和/或膨胀过程中关闭或保持为空闲状态。
图37示出了根据本发明各种实施方式的示例性系统3700,其在预定压力范围内大致等温地压缩或膨胀气体。系统3700使用与图36中的系统3600相同的大致等温的气缸阶段,但其包含分离并并联的一组控制阀以及用于膨胀和压缩的其他部件。系统3700包括气缸3702,该气缸3702包含将气缸3702的内部分成气体填充的(气动)室3706和液体填充的(液压)室3708的移动活塞3704。可选地,两个室3706和3708都可以是气体填充的。集成的热交换机构可以出现在室3706和/或3708中,如'155专利中所述和/或如图36所示。在所示的实施方式中,喷头3710形成热交换液体的喷雾3712,从而与气缸3702的上部室3706中的气体一起形成泡沫。在其他实施方式中,喷头3710可以位于气缸3702的外部。该喷雾3712可以在活塞3704的顶部产生液体聚积物3714。具有阀3722和3732的端口3720和3730允许气体如所期望的那样通入室3706或从室3706排出。一个或多个端口(未示出)与相关联的管道和阀(未示出)允许流体如所期望的那样通入室3708或排出室3708。
在空气膨胀期间,室3706中的气体和/或泡沫膨胀,对活塞3704做功。随着室3706中的气体膨胀,其温度趋向于下降。如果在膨胀期间,喷雾3712以适当的温度(例如,在压缩开始之前室3706中的气体的温度)进入室3706,则在膨胀期间泡沫的液态组分的温度比室3706中的气体的温度高,并且泡沫的液态组分将热能转移给室3706中的气体。热能从泡沫的液态组分到室3706中气体的转移增加了膨胀气体对活塞3704所做的功。实际上,这种热能从泡沫的液态组分到室3706中的气体的转移使得喷雾3712中的热能中的一些转换为功。
在空气压缩期间,活塞3704向上移动并且由此压缩室3706中的气体。在室3706中的气体由活塞3704压缩时,其温度趋向于升高。如果在压缩期间,液体喷雾3712以适当的温度(例如,在压缩开始之前室3706中的气体的温度)进入室3706,则在压缩期间室3706中的气体的温度比泡沫的液态组分的温度高,并且室3706中的气体将热能转移给泡沫的液态组分。热能从室3706中的气体至泡沫的液态组分的转移降低了活塞3704为了压缩气体而必然对室3706中的气体所做的功。
在始于靠近或处于气缸3702的顶部的活塞3704的向下冲程(在准备压缩冲程时)期间,低压气体从点3734通过阀3730(此处示为止回阀)并且通过端口3730被通入到上部室3706中。在本发明的各种实施方式中,点3734处的入口压力通过压缩机3740(例如螺杆泵3740)升高到大气压力之上,该压缩机将大气压力或接近大气压力的气体通过入口/排出口3741抽入。通过压缩机3740的压缩可以主要是绝热的;可选地,压缩机3740可以允许将热交换泡沫和/或液滴引入到在压缩机3740中经历压缩的空气中,使得空气能够在压缩机3740内进行大致等温的压缩。如图37的示例性实例所示,压缩机3740不需要是双向膨胀器/压缩机,而是可以实施为可在膨胀模式中关闭或设置成空闲的单向设备。压缩机3740的出口可以包括后冷却器或其他热交换系统(未示出)并且可以在点3734处连接到接近或处于预定最小系统压力的低压容器3750上,从而提供缓冲,使得压缩机3740可以以大体上恒定的功率在压缩模式期间连续地运行。低压容器3750可以包含集成的热交换,如上文所述。在向下冲程的底部或其附近,其中活塞3704处于气缸3702的底部或其附近,室3706通过压缩机3740和阀3730的动作以预定压力的流体(例如泡沫)填充,阀3730关闭,并且执行向上压缩冲程。可选地,如所示,阀3730运行为止回阀并且只要向上压缩冲程将室206加压到点3734处的压力之上就会关闭。在预定高压时,该高压优选地等于点3724处的压力(例如,诸如库222的存储库中或多阶段系统中的高压气缸中的压力),阀3720(此处示为止回阀)打开,将室3706通过端口3720连接到点3724。当阀3720关闭并且过程重复另一进气冲程时,加压流体随后通过阀3720被推向点3724,直到活塞3704靠近或处于气缸3706的顶部为止。可选地,如图37所示,阀3720运行为止回阀,并且只要向上压缩冲程将室3706加压到点3724的压力之上就会打开,并且当向下进气冲程开始将室3706中的压力降低到点3724的压力之下就会关闭。
利用压缩机3740与不利用压缩机3740相比,更大量(质量)的气体可以在气缸3702内的活塞3704的单次向上冲程中被压缩。在单次冲程中所做的压缩功比不利用压缩机3740的情况高,并且更多的气体将被压缩到点3724。压缩机3740中的主要绝热的压缩以及气缸3702中的主要等温的压缩的总压缩效率趋向于小于完全位于气缸3702内的在整个压力范围内的大致等温的压缩。通过压缩机3740的大致等温的压缩以及气缸3702中的大致等温的压缩的总压缩效率也通常小于完全位于气缸3702内的在整个压力范围内的大致等温的压缩。由此,压缩机3740的加入通常以效率为代价增加了功率。此外,气缸3702中的较高的超大气起始压力降低了气缸3702在给定出口压力(即,范围是出口/入口压力)上起作用的压力范围,从而可以通过在较窄的压力(以及由此的力)范围内操作气缸3702来实现高效功率输送的一些好处。
在膨胀期间,处于高压的预定量的压缩气体从点3724(例如,从诸如库222的存储库或多阶段系统中的高压气缸)通过阀3722和端口3720通入室3706中。如图37所示,阀3722可以是单向阀,即,优化为仅在一个方向上流动。通入的气体的量可以由控制系统122设置,从而在向下冲程(即,活塞3704到达气缸3702的底部)中的完全膨胀之后,气体达到气缸压缩和/或膨胀的预定最小系统压力(例如,大约5psig)。在气缸3702的向上返回冲程中,气体通过阀3732排出到点3736。在本发明的各种实施方式中,点3736可以连接到将加压气体流转换成旋转运动的膨胀器3742,从而做的功并且产生的额外功率比气缸内的膨胀产生的量更多。如示例性实例所示,膨胀器3742不需要是双向膨胀器/压缩机,而是可以实施为可在压缩模式中关闭或设置成空闲的单向膨胀器。通过膨胀器3742的膨胀可以主要是绝热的,诸如通过离心式或轴流涡轮型膨胀器来实现;可选地,膨胀器3742可以允许将热交换泡沫和/或液滴引入到在膨胀器3742中经历膨胀的空气中,使得空气能够在膨胀器3742内进行大致等温的膨胀。在通过膨胀器3742的膨胀之后,气体可以通过排出口3741排出到大气中。此外,如该示例性实施方式所示,接近或处于预定最小系统压力的低压容器3752也可以连接在点3736处,从而提供缓冲,使得膨胀器3742可以以大体上恒定的功率连续地运行。低压容器3752可以包含集成的热交换,如上文所述。
通过以大气压力之上的压力终止气缸3702内的膨胀冲程,在气缸3702内的活塞3704的单次向下冲程中可以膨胀更多量(质量)的气体。在单次冲程中所做的膨胀功通常高于利用较少气体所做的功。此外,利用膨胀器3742,可以产生额外的功率,如果超大气压力的气体被直接排出到大气中,则将损失这部分额外的功率。膨胀器3750中的主要绝热的膨胀以及气缸3702中的主要等温的膨胀的总膨胀效率可以小于完全位于气缸3702内的在整个压力范围内的大致等温的膨胀。通过膨胀器3742的大致等温的膨胀以及气缸3702中的大致等温的压缩的总膨胀效率也通常小于完全位于气缸3702内的在整个压力范围内的大致等温的压缩。由此,更高排出压力的加入通常以效率为代价增加了功率。功率和效率之间的权衡的最佳程度通常根据系统3700所用在的应用而改变。(例如,在某些低压时,膨胀器的成本可能不值得恢复的功率;在这种情况下,可以有利地省略容器3752和膨胀器3742。)此外,气缸3702中的较高的排出压力通常降低了气缸3702在给定出口压力上起作用的压力范围;因此,可以通过在较窄的压力(以及由此的力)范围内操作气缸3702来实现高效功率输送的一些好处。
此外,端口3730处的较高排出压力降低了气缸3702在冲程过程中起作用的压力范围(出口压力与入口压力之比);这也使作用在杆3718上的力的范围缩小。这种力的范围的缩小转而使得能够通过使电机/发电机(未示出)更有效地将系统3700所做的功转换成电能。
现在参考图38,其示出了本发明的另一种示例性实施方式。容积3800(例如,管线、流体库、气体库、填充有气体或泡沫的气动室)包含压力为Ps的流体。由于在形成流体运动中的摩擦损失和所做的功,这种压力Ps可以低于流体被注入到容积3800中的压力Pi。可选地或此外,压力Pi可以简单地是高于Ps的某个压力,期望将从容积3800中提取的流体提高到该压力Ps。为了连续地将流体泵回到容积3800,或者以高于Ps的任意压力(例如Pi)泵入另一容积3804,螺杆泵3802可以安装为增压泵,其在图38中由螺杆泵的图示出。螺杆泵3802有效地将来自容积3800的压力为Ps的流体纳入并且输出为压力为Pi的流体,以注入回到容积3800或注入到第二容积3804中(如图38所示)。
螺杆泵可以在本文示出的使用增压泵或循环泵的任何示例性机构中用作增压泵或循环泵。在这种应用中,螺杆泵可以包括以下装置:该装置允许将热交换泡沫和/或液滴引入到在螺杆泵中经历压缩和/或膨胀的空气中,使得空气能够在螺杆泵内进行大致等温的压缩和/或膨胀。由此产生的泡沫可以通过管道从螺杆泵运输到气动缸、分离器、存储库或能量存储系统的其他部件。
图39示出了示例性系统3900,其包含动力单元3902(包含用于气体的压缩和膨胀的气缸组件单元)、气缸热交换系统3904、将空气从环境引入或排出到环境中的排出口3905、能够以高压(例如3000psi)保持流体(例如空气和/或水)的存储库3906、用于存储和恢复热能的热井3908(例如水体)、耦合到动力单元3902的机械和/或电子部件所生成的废热的废热热交换系统3910、以及用于与环境(例如,空气、地表)交换热能的环境热交换系统3912。线路3914、3916、3918、3919、3920、3922、3924和3926表示用于在线路所连接的部件之间交换气体、液体和/或热能的管道、阀和其他配置。气缸热交换系统3904包含用于生成或以其他方式处理泡沫和/或喷雾的部件,用于改变流体的压力的部件以及用于在与气缸热交换系统3904流体连通的各种部件(例如,存储器3906、动力单元3902、热井3908)之间路由流体转移的部件;后续附图中示出的气缸热交换系统可以包括执行类似功能的部件。在图39以及后续附图中,动力单元3902被示为包括单个喷雾冷却或泡沫冷却的气动缸,该气动缸(在顶部)连接到曲柄轴,在横截面视图中可见;然而,这种描述仅是示例性的和概念性的,其并不意于限制可以在系统3900(或在本文描述的其他示例性系统)中用于热能、气体弹性热能、机械能和电能的相互转换的机构。在本文未示出的其他实施方式中,动力单元3902包含多个气缸,并且机械能和电能的相互转换可以经由液压系统、直线发电机和图39以及本文一些其他附图中示出的气缸-曲柄轴组合的其他替代物来实现。此外,在各种实施方式中,在系统3900中用作热交换和热能存储材料的水包括一种或多种添加剂,或者水由不同的流体(例如油)替代。同样地,除了水之外的材料,包括非流体或多相材料(例如水基泡沫),可以用作热井3908的能量存储介质。本文所有附图中的动力单元、热交换液体和热井的描述是示例性和非限制性的。此外,在本文所述的示例性系统中,无论是否示出,环境热交换单元和废热交换单元都是可供选择的。
系统3900的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境温度或适当温度通入到动力单元3902中的气缸组件。通过经由热交换系统3904将从热井3908抽取的起泡液体的喷雾引入到气体中,由此在动力单元3902中形成泡沫,从而大致等温地维持了气缸组件中的气体的压缩。此处,假定热井3908中的水在压缩模式循环开始时处于相对较低的(例如环境)温度,热井3908可以包括一种或多种起泡添加剂(可选地,可以通过热交换系统3904加入添加剂)。经历压缩的泡沫的液态组分可以经由气缸热交换系统3904以比引自热井3908的水的温度高的温度返回到热井3908,在压缩期间获得热能。在处于或接近气缸组件的各个压缩冲程时,高压的且大约为环境温度的气体通过管道被输送到高压库3906中。
在整个单次气缸压缩循环中,或者在全部一系列气缸压缩循环中,加热的水返回到热井3908将大体上趋向于升高热井3908中的水的温度。如果热井3908是单个水主体,则该主体的温度将趋向于升高;如果热井3908包括一个或多个热水库和一个或多个冷水库,则一个或多个热水库中的水的温度(并且由此热井3908的内容物的平均温度)将趋向于上升。实际上,源于对动力单元3902中经历压缩的气体所做的机械功的一些能量将存储为热井3908中的热能。
在系统3900的膨胀模式中(例如,继上述的压缩循环之后的膨胀循环),高压气体可以从库3906转移到动力单元3902的气缸中,气体在该气缸中膨胀,对活塞做功。当气体在气缸中膨胀时或在此之前,可起泡的液体可以经由气缸热交换系统3904从热井3908转移到动力单元3902。该液体(例如,具有一种或多种添加剂的水)可以处于相对较高的温度,这是由于热能在之前的压缩循环中或通过其他过程转移到热井3908中。来自热井3908的水与经历膨胀的气体形成泡沫,在气体冷却时将热量转移给气体,由此趋向于将膨胀保持为大致等温,并且使得气体对活塞做更多的功。在功效方面,存储在热井3908中的热能可以在系统3908的膨胀循环期间转换成动力单元3902中的功。存储在热井3908中的热能可以来自动力单元3902的压缩循环,或者来自其他源;具体地,可以利用废热热交换单元3910将来自动力单元3902的机械和电子部件的热量转移到热井3908中。来自图39中未示出的其他源的热量也可以转移到热井3908中。
尽管对其添加了热量(例如,经由气缸热交换系统3904),但热井3908的温度可以通过经由环境热交换单元3912从热井3908将热量泻出到环境(例如,大气或地表)中而降低或保持为恒定。来自动力单元3902的废热也可以经由环境热交换单元3912泻出。例如,如果在一系列膨胀循环结束时,热井3908中的水的温度并不足够低以用在后续系列的压缩循环中,则热量可以在非激活时间间隔(即,库3906包含存储的加压气体但系统3900未被用作发电机的时期)内经由环境热交换单元3912从热井3908泻到环境中。设计成允许系统3900在非激活时间间隔内缓慢泻出不需要的热量的环境热交换单元3912将趋向于比设计成在系统3900的激活操作期间快速(实时)泻出热量的环境热交换单元更小且成本更低,从而降低了系统3900的成本。热井3908的使用使得能够进行废热能至环境的时移,这可以具有如下优势:由于一定量的热能消散的时间更长,使得环境热交换单元更小,还允许在有时能够在不同于动力单元的操作时间的时间发生热交换,这可以允许在更优的环境温度(例如,用于消散热量的较冷夜间的温度)时使用。此外,来自库3906、在动力单元3902中经历压缩的气体的不期望热量以及来自动力单元3902的机械和电子低效的热量都可以通过单个环境热交换单元3912泻出到环境中,相比于利用多个热交换单元来控制各个子系统的温度的同类系统,这实现了进一步的成本和复杂性优势。
在系统3900的气体膨胀循环期间,尽管热井3908移除或损失了热量,但热井3908的温度可以通过经由环境热交换单元3912从环境将热量添加到热井3908中而增加或保持恒定。在气体压缩循环期间,尽管对热井3908添加了热量,但热井3908的温度可以通过经由环境热交换单元3912从热井3908将热量泻出到环境中而降低或保持为恒定。出于效率的原因或者例如为了将水保持在热井3908内而不冻结或沸腾,热井3908的这种温度管理可能是期望的。
将能量从在一系列压缩循环中经历压缩的泡沫转移至热井3908通常将趋向于产生用在后续系列的膨胀循环中的高温水的主体;将能量从热井3908转移到在一系列膨胀循环中经历膨胀的泡沫通常将趋向于产生用在后续的一系列的压缩循环中的低温水的主体。通过将大体上比环境热的液体库保持在热井3908中以在膨胀期间或之前喷洒,并且将大体上比环境冷的液体库保持在热井3908中以在压缩期间或之前喷洒,能量存储和生成系统3900的效率可以比起泡液总是处于环境温度的其他系统高。此外,通过存储获取自经历压缩和膨胀的气体的热能来在热井3908中获得较高和较低的温度极限,而不是通过利用加热器、冷藏或热泵设备来获得期望的温度极限,可以降低寄生能量支出,并且由此增加系统3900的整体效率。
经过废热热交换单元3910从动力单元3902中的机械和电子低效的热量捕获以及将这种热量转移到热井3908中以在后续的膨胀循环中部分转换为功,通常也将趋向于增加系统3900的整体效率。
在一些实施方式中,热井3908包括用于存储高压和高温液体的容器(未示出);此外或可选地,高压和高温的液体可以与高压和高温的气体一起存储在容器3906中。高温液体的这些和其他主体可以用在系统3900的膨胀循环期间以实现大致等温的气体压缩。
图40示出了示例性系统4000,其包含动力单元4002、气缸热交换系统4004、将空气从环境引入或排出到环境中的排出口4005、能够以高压(例如3000psi)保持流体(例如空气和水)的存储库4006、用于存储和恢复热能的热井4008(例如水体)、耦合到动力单元4002的机械和电子部件所生成的废热的废热热交换系统4010、能够与环境(例如,空气、地表)交换热能的环境热交换系统4012、喷洒液体(用于泡沫生成)库4028以及在一侧流体耦合到热井3908并且在另一侧流体耦合到喷洒库4028的喷雾-井热交换单元4030。系统4000也可以包括可选的次级环境热交换单元4032。
系统4000的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境温度或适当温度经由管道4019从排出口4005通入到动力单元4002的气缸组件。通过经由喷雾-井热交换单元4030和气缸热交换系统4004将从喷洒库4028抽取的起泡液体(例如,具有一种或多种添加剂的水)的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了气缸组件中的压缩。此处,喷洒库4028中的水被假定为处于相对较低(例如环境)的温度。被喷洒通过经历压缩(和/或压缩之前)的气体的水可以经由气缸热交换系统4004以比引自喷洒库4028的水的温度高的温度返回到喷洒库4028,此时已从经历压缩的气体获得热能。因此,喷洒库4028中的水的温度一般将趋向于通过动力单元4002的压缩循环而增加。然而,随着水从喷洒库4028穿过喷雾-井热交换单元4030,热量可以从喷洒流体转移到热井4008中,降低喷洒流体的温度。因此,通过动力单元4002的压缩循环添加到喷洒库4028中的热量可以在后续的压缩循环期间转移到热井4008中,允许库4028中的喷洒液体的温度保持为大体上恒定。
系统4000可以实现以上针对图39中的系统3900所述的优势,包括热井4008中的内容物的温度管理以及将来自动力单元4002的废热部分转换成功。此外,在系统4000中,热井4008中的热存储液体不会与喷洒液体混合,并且热井4008中的液体的量可以显著大于喷洒液体的量。系统4000中热存储液体和喷洒液体的分离可能是有利的,这是因为喷洒在动力单元4002内的任意液体优选地维持在相对高纯度的状态(尽管存在一种或多种起泡添加剂),从而喷洒污物不会降低动力单元4002的部件的性能。系统4000中的热存储液体不会喷洒在动力单元4002的内部,并且因此其纯度状态不需要维持在与喷洒液体一样高的水平。高纯度状态的相对小体积的喷洒液体的维护成本一般比高纯度状态的相对大体积的热井4008的维护成本低,如果热井4008的内容物将用作喷洒液体(由于热井3908的内容物处于系统3900中),这将是优选的。此外,喷洒液体可以包含可从热存储液体中省去的添加剂,与系统3900的操作相比,这是在系统4000的操作中获得经济收益的另一个机会。此外,热交换器4030可以嵌入到热井4008中,并且热井4008的内容物可以是固体(例如砂砾)、相变材料(例如石蜡)或一些其他热存储材料(例如,油、陶瓷)。
图41示出了示例性系统4100,其包含动力单元4102(包含用于气体的压缩和膨胀的气缸组件单元)、气缸热交换系统4104、将空气从环境引入或排出到环境中的排出口4105、能够以高压(例如3000psi)保持流体(例如空气和水)的存储库4106、热的热井4108(例如绝热的水体)、冷的热井4113(例如第二绝热的水体)、耦合到动力单元4102的机械和电子部件所生成的废热的废热热交换系统4110、在一侧连接到热的热井4108并且在另一侧连接到废热热交换系统4110的废热-井热交换系统4112、能够与环境(例如,空气、地表)交换热能的第一环境热交换系统4132、以及也能够与环境交换热能的第二环境热交换系统4136。
系统4100的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境温度或适当温度从排出口4105通入到动力单元4102的气缸组件中。通过经由气缸热交换系统4104将从冷的热井4113抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了压缩。由此,被喷洒通过经历压缩或压缩之前的气体的水可以经由气缸热交换系统4104以比引自冷的热井4113的水的温度高的温度返回到热的热井4108中,此时已从经历压缩的气体获得热能。因此,在动力单元4102的压缩循环期间,水将趋向于从冷的热井4113转移到热的热井4108。
类似地,在系统4100的膨胀模式中,一定量的较高压力(例如3000psi)的气体以环境或适当温度通入到动力单元4102的气缸组件中。通过经由气缸热交换系统4104将从热的热井4108抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了膨胀。由此,在膨胀期间喷洒到气体中的水可以经由气缸热交换系统4104以比引自热的热井4108的水的温度低的温度返回到冷的热井4113中,喷洒的水将热能传递给经历膨胀的气体。因此,在动力单元4102的膨胀循环期间,水将趋向于从热的热井4108转移到冷的热井4113。
环境热交换器4132和4136使得热井4108、4113的温度能够在膨胀和压缩模式中被管理,就像上文中相对于系统3900和4000的热井描述的那样。来自废热热交换单元4110的热量可以通过废热-井热交换系统4112转移到热的热井4108中,或者可以通过额外的环境热交换系统(未示出)转移到环境中。
系统4100可以实现以上针对系统3900和4000所述的优势,包括热井4108、4113中的内容物的温度管理以及将来自动力单元4102的废热部分转换成功。此外,对足够熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,以(优选地)不同温度维护两个热井4108、4113降低了系统4100的熵(由于热流和冷流的混合)并且增加了有效能(可提取的功),使得系统4100的操作能够比仅具有单个热井的系统(例如系统4000)的操作更加高效。此外,热量可以在不改变冷的热井4113的温度的情况下从任意源添加到热的热井4108中,并且热量可以在不改变热的热井4108的温度的情况下从冷的热井4113转移出去(例如,通过环境热交换器4136)。
图42示出了示例性系统4200,其包含动力单元4202(包含用于气体的压缩和膨胀的气缸组件单元)、气缸热交换系统4204、将空气从环境引入或排出到环境中的排出口4205、能够以高压(例如3000psi)保持流体(例如空气和水)的存储库4206、热的热井4208(例如绝热的水体)、冷的热井4234(例如第二绝热的水体)、提取动力单元4202的机械和电子部件所生成的废热的废热热交换系统4210、在一侧连接到热的热井4208并且在另一侧连接到废热热交换系统4210的废热-井热交换系统4212、喷洒库4228、在一侧流体连接到热的热井4208和冷的热井4234并且在另一侧流体连接到喷洒库4228的喷雾-井热交换单元4230、能够与环境(例如,空气、地表)交换热能的第一环境热交换系统4232、以及也能够与环境交换热能的第二环境热交换系统4236。
系统4200的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境或适当温度从排出口4205通入到动力单元4202的气缸组件中。通过经由喷雾-井热交换器4230和气缸热交换系统4204将从喷洒库4228抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了压缩。此处,在压缩模式循环开始时,喷洒库4228中的水被假定为处于相对较低(例如环境)的温度。因此,被喷洒通过经历压缩或压缩之前的气体的水可以经由喷洒热交换单元4204以比引自喷洒库4228的水的温度高的温度返回到喷洒库4228,此时已从经历压缩的气体获得热能。因此,喷洒库4228中的水的温度将趋向于通过动力单元4202的压缩循环而增加。然而,随着来自喷洒库4228的喷洒液体在其至喷洒热交换单元4204的通路上穿过喷雾-井热交换器4230的一侧,热量可以从喷洒液体转移到从冷的热井4234通过喷洒热交换单元4230的另一侧传递到热的热井4208的热井液体中,从而降低喷洒液体的温度,并且趋向于增加热的热井4208中的液体的温度。因此,通过动力单元4202的压缩循环添加到喷洒库4228中的热能可以在后续的压缩循环期间转移到热的热井4208中,并且库4228中的喷洒液体的温度可以由此保持为大体上恒定。
类似地,在系统4200的膨胀模式中,一定量的较高压力(例如3000psi)的气体(例如空气)以环境或适当温度通入到动力单元4202的气缸组件中。通过经由喷雾-井热交换单元4230和气缸热交换系统4204将从喷洒库4228抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了膨胀。此处,在压缩模式循环开始时,喷洒库4228中的水被假定为处于较高(例如,大约60℃,或甚至更高)的温度。因此,被喷洒通过经历压缩或压缩之前的气体的水可以经由喷洒热交换单元4204以比引自喷洒库4228的水的温度低的温度返回到喷洒库4228,此时已将热能传给经历膨胀的气体。因此,喷洒库4228中的水的温度将趋向于通过动力单元4202的压缩循环而降低。然而,随着来自喷洒库4228的喷洒液体穿过喷雾-井热交换器4230的一侧,热量可以从自热的热井4208通过喷雾-井热交换器4230的另一侧传递到冷的热井4234的液体转移到喷洒液体中,从而增加喷洒液体的温度,并且降低从热的热井4208移动到冷的热井4234中的液体的温度。因此,通过动力单元4202的膨胀循环从喷洒库4228中移除的热量可以在各个后续压缩循环期间通过从热的热井4208中提取热量而恢复,并且库4228中的喷洒液体的温度可以保持为大体上恒定。
环境热交换器4232和4236使得热井4208、4234的温度能够在膨胀和压缩模式中被管理,就像上文中相对于系统3900和4000的热井描述的那样。当通过额外的阀和管道(未示出)在压缩和膨胀模式之间切换时,通过热交换器4230的流的方向可以反向以保持逆流。而且,来自废热热交换单元4210的热量可以通过废热-井热交换系统4212从动力单元4202转移到热的热井4208中。
系统4200可以实现以上针对系统3900、4000和4100所述的优势,包括热井4208、4234中的内容物的温度管理以及将来自动力单元4202的废热部分转换成功。此外,对足够熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,以(优选地)不同温度维护两个热井4208、4234降低了系统4200的熵并且增加了有效能(可提取的功),使得系统4200的操作能够比仅具有单个热井的系统(例如系统4000)的操作更加高效。如在系统4100中一样,可以在不改变冷的热井4234或喷洒库4228的温度的情况下将热量从任意源添加到热的热井4208中,并且可以在不改变热的热井4208或喷洒库4228的温度的情况下将热量从冷的热井4234转移出去(例如,通过环境热交换器4236)。此外,在系统4200中,热井4208、4234中的热存储液体不会与喷洒液体混合,并且热井4208、4234中的液体的量可以显著大于喷洒液体的量。系统4200中热存储液体和喷洒液体的分离可能是有利的,这是因为喷洒在动力单元4202内的任意液体优选地维持在相对高纯度的状态,从而喷洒污物不会降低动力单元4202的部件的性能。系统4200中的热存储液体不会喷洒在动力单元4202的内部,并且因此其纯度状态不需要维持在与喷洒液体一样高的水平。高纯度状态下的相对小体积的喷洒液体的维护成本一般比高纯度状态下相对大体积的热井4208、4234的维护成本低。此外,喷洒液体可以包含可从热存储液体中省去的添加剂,这是在系统4200的操作中获得经济收益的另一个机会(例如,与系统4100的操作相比)。此外,热交换器4230可以嵌入到热井4208和/或4234中,并且热井4208和/或4234的内容物可以是固体(例如砂砾)、相变材料(例如石蜡)或一些其他热存储材料(例如,油、陶瓷)。
图43示出了示例性系统4300,其包含动力单元4302(包含用于气体的压缩和膨胀的气缸组件单元)、气缸热交换系统4304、能够以高压(例如3000psi)和相对高的温度保持气体和液体的存储库4306、耦合到动力单元4302的机械和电子部件所生成的废热的废热热交换系统4310、在一侧耦合到高压流体库4306并且在另一侧耦合到废热热交换系统4310的废热-井热交换系统4312、包括例如水体或实质上由水体组成的冷的热井4334、能够与环境(例如,地表)交换热能的第一环境热交换系统4332、以及也能够与环境交换热能的第二环境热交换系统4338。高温、高压的库4306将高压气体存储器的功能与热的热井的功能组合在一起,并且可以是单个单元(例如,绝热压力箱、绝热管线、诸如盐丘的地下地质构造)。
系统4300的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境或适当温度从排出口4305通入到动力单元4302的气缸组件中。通过经由气缸热交换系统4304将从冷的热井4334抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了气体的压缩。由此,喷洒到经历压缩或压缩之前的气体中的水可以与压缩气体一起经由气缸热交换系统4304以比引自冷的热井4334的水的温度和压力高的温度和压力引入到高温、高压的库4306中,从经历压缩的气体获得热能。因此,在动力单元4302的压缩循环期间,水将趋向于从冷的热井4334转移到高温、高压的库4306中。
类似地,在系统4300的膨胀模式中,一定量的较高压力(例如3000psi)且较高温度的的气体(例如空气)从高温、高压的库4306转移到动力单元4302的气缸组件中。随着气缸组件膨胀气体,气体的温度趋向于下降;下降的程度由与气体的泡沫生成限制,并且膨胀优选地维持大致等温。在系统4300的膨胀模式中,喷洒液体包括经由气缸热交换系统4304引自高温、高压的库4306的水(例如具有一种或多种起泡添加剂),或者实质上由其组成。在膨胀循环结束时,与喷洒到经历膨胀或膨胀之前的气体中时相比,该液体将趋向于处于较低的温度和压力,该液体将热能传给经历膨胀的气体,并且可以经由气缸热交换系统4304导向冷的热井4334。处于相对低的温度和压力的膨胀气体可以经由排出口4305从动力单元4302排出到环境中。因此,在动力单元4302的膨胀循环期间,液体将趋向于从高温、高压的库4306转移到冷的热井4334。
环境热交换器4332和4338使得冷的热井4334和高温、高压的库4306的温度能够在膨胀和压缩模式中被管理,就像上文中相对于与环境热交换器连通的热井描述的那样。来自废热热交换单元4310的热量可以经由废热-井热交换器4312转移给高温、高压的库4306。在其他实施方式中,除去了这些热交换器中的一些或全部。
系统4300可以实现以上针对系统3900、4000、4100和4200所述的优势,包括热井4334和高温、高压的库4306中的内容物的温度管理以及将来自动力单元4302的废热部分转换成功。如利用系统4100和4200那样,对足够熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,以(优选地)不同温度维护两个液体主体(即,冷的热井4334中和高温、高压的库4306中)降低了系统4300的熵并且增加了有效能(可提取的功),使得系统4300的操作能够比仅具有单个热井的系统(例如系统4000)的操作更加高效。此外,由于水的沸点随着压力的增加而提高,系统4300提供了下述额外优势:存储在高温、高压的库4306中的水的温度上限(非蒸发)高于存储在非加压热的热井(例如系统4200的热的热井4208)中的水的温度上限。对足够熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,当系统中两个液体主体之间的温度差增加时,系统的有效能增加;因此,例如,系统4300的热的和冷的液体主体的有效能可以高于系统4200中的类似量的热的和冷的液体主体的有效能,这是因为在系统4300的一些操作条件中,系统4300中热的和冷的液体主体之间的温度差高于系统4200中的热的和冷的液体主体之间的温度差。
图44示出了示例性系统4400,其包含:可包括两个或多个不同气缸组件(其可以具有不同的直径)的动力单元4402(包含用于气体的压缩和膨胀的气缸组件单元),每个气缸组件在不同的压力范围内压缩或膨胀气体(即,两个或多个阶段压缩机和膨胀器动力单元);气缸热交换系统4404;能够以高压(例如3000psi)和相对高的温度保持气体和液体的存储库4406;包括低压(例如大气压力)绝热水体或实质上由其组成的热的热井4408;同样包括水体或由实质上由水体组成的冷的热井4434;耦合到动力单元4402的机械和电子部件所生成的废热的废热热交换系统4410;在一侧连接到热的热井4408并且在另一侧连接到废热热交换系统4410的废热-井热交换系统4412;能够与环境(例如,空气、地表)交换热能的第一环境热交换系统4432;以及也能够与环境(例如,空气、地表)交换热能的第二环境热交换系统4436。高温、高压的库4406将高压气体存储器的功能与热的热井的功能相结合。
系统4400的可能的操作模式包括膨胀模式和压缩模式。在压缩模式中,一定量的较低压力(例如大气压)的气体(例如空气)以环境或适当温度经由排出口4405通入到动力单元4402的气缸组件中。当动力单元4402的气缸组件压缩气体时,通过经由气缸热交换系统4404将从冷的热井4434抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了压缩。由此,喷洒到经历压缩或压缩之前的气体中的水可以与压缩气体一起经由气缸热交换系统4404以比引自冷的热井4434的水的温度和压力高的温度和压力引入到高温、高压的库4406中,从经历压缩的气体获得热能。一些或全部喷洒水也可以经由气缸热交换系统4404导入到低压的、热的热井4408中。因此,在动力单元4402的压缩循环期间,水将趋向于从冷的热井4434转移到高温、高压的库4406和/或低压的、热的热井4408中。
类似地,在系统4400的膨胀模式中,一定量的较高压力(例如3000psi)且较高温度的的气体(例如空气)从高温、高压的库4406转移到动力单元4402的气缸组件中。当气缸组件膨胀气体时,通过经由气缸热交换系统4404将从高温、高压的库4406抽取的水的喷雾引入到气体中,由此在气缸组件中形成泡沫,从而大致等温地维持了膨胀。在气体膨胀到较低的压力时,喷雾可以部分地或者甚至完全地由引自低压的、热的热井4408的水形成。喷洒通过经历膨胀或膨胀之前的气体的水可以经由气缸热交换系统4404以相对较低的压力和温度引入到冷的热井4434中,将热能传给经历膨胀的气体。膨胀气体可以经由排出口4405从动力单元4402排出到环境中。因此,在动力单元4402的膨胀循环期间,水将趋向于从高温、高压的库4406和/或低压的、热的热井4408转移到冷的热井4434。
环境热交换器4436和4432使得冷的热井4434和低压的、热的热井4408的温度能够在膨胀和压缩模式中被管理,就像上文中针对系统3900、4000、4100、4200和4300的热井描述的那样。来自废热热交换单元4410的热量可以经由废热-井热交换系统4412转移给低压的、热的热井4408。
系统4400可以实现上文中针对系统3900、4000、4100、4200和4300所述的优势,包括热井4408、4434中的内容物的温度管理以及将来自动力单元4402的废热部分转换成功。如利用系统4100、4200和4300那样,对足够熟悉热力学原理的技术人员来说显而易见的是,以(优选地)不同温度维护两个或多个液体主体(即,在冷的热井4434中、热的热井4408和高温、高压的库4406中)降低了系统4400的熵并且增加了有效能(可提取的功),使得系统4400的操作能够比仅具有单个热井的系统(例如系统400)的操作更加高效。由于水的沸点随着压力的增加而提高,系统4400提供了下述优势(如图43中的系统4300提供的一样):存储在高温、高压的库4406中的水的温度上限(非蒸发)高于存储在非加压的、热的热井(例如热的热井4408)中的水的温度上限。此外,系统4400提供了下述额外优势:废热可以利用低压的废热-井热交换器4412(而不是如系统4300中的高压的废热-井热交换器4312)从动力单元4402转移到低压的、热的热井4408。低压的废热-井热交换器4412将趋向于比高压的废热-井热交换器的成本低。
在动力单元4402包括两个不同直径的气缸(未示出)的情况下,一个(C1)在第一较低的压力范围内压缩气体,第二个(C2)在第二较高的压力范围内压缩气体,可以在系统4400的压缩操作模式中通过将低压的、热的热井4408维持在C1中大致等温的压缩结束时的温度(以及可选地维持在中间压力)而实现一些优势(例如增加系统4400的整体效率)。即,低压的、热的热井4408的温度可以维持成比高压、高温的存储器4406的内容物的温度低。这允许在压缩期间或压缩之前引入的喷雾的量在C1和C2中被独立地调整,因此存储器4406中的压力在顺序压缩循环中增加。此外,如果低品位废热(例如,来自热电厂;未示出)可用,则其可以经由热交换器转移给低压、较低温度的热的热井,增加有效的整体系统效率。低压的、热的热井4408在多阶段压缩/膨胀过程的中间点操作时的温度可能是使用处于可用温度(例如,大约40℃、60℃或类似的)的废热的最佳温度,而高压、高温的库4406可以维持在大体上较高的温度(例如,大约80℃、120℃或类似的),这种较高的温度可能不允许利用典型的废热温度。通过在较高温度操作多阶段压缩/膨胀过程,可以使用降低的水喷雾容积,从而增加存储容积和系统效率(例如,降低通过两相流的阀损失)。对足够熟悉热力学的技术人员显而易见的是,可以在系统4400的膨胀模式中实现类似的优势。
图45示出了本发明的示例性实施方式,其中,一个或多个电池4508和/或其他高功率、短时的能量存储设备(例如,存储少于1小时(例如15分钟)的能量存储设备)与压缩气体能量存储系统4502并联连接以生成使用的电力(例如电网输送4500)。能量存储系统4502可以类似于本文其他地方描述的示例性存储系统。电池4508被配置成在低功率需求(例如,小于500kW)期间提供存储的能量,而压缩气体能量存储系统4502被配置成在增加的功率需求波动(例如,500kW之上)期间提供存储的能量。在一个实例中,包括太阳能发电厂和图45中示出的能量存储系统的发电设施的操作人员接受报酬以维持2000kW的恒定功率水平。在一个瞬时,由于阵列的云阴影部分,太阳能发电厂从2000kW降到1900kW。由于云遮挡了阵列,可以通过要求电池4508以0-100kW的速率放电以将测量的功率输出维持在需要的恒定功率水平。在另一瞬时,风暴穿过区域并且太阳能发电厂在持续的时间期间降至1000kW至500kW。由于云遮挡了阵列,可以通过要求压缩气体能量存储系统4502以1000-1500kW的速率放电以将测量的功率输出维持在恒定的功率水平。当需要更多的电力时(例如,大于500kW),在存储库4504中以压缩气体的形式存储的能量在压缩气体能量存储系统4502中经历膨胀以生成供使用的电力(例如,电网输送4500)。来自电池4508的任何多余的热能可以通过热交换单元4506恢复。从电池4508恢复的热能可以用在压缩气体存储库4504(或其他加压存储器)的热交换子系统中以在膨胀期间预先加热存储的压缩气体和/或加热热交换流体和气体,增加给定体积的加压气体所做的功并且提高系统效率和/或性能。举例来说,恢复的热能可以用于热调节存储的压缩气体和/或经历膨胀和/或压缩的气体,如'960申请中所述。
高功率、短时能量存储设备4508的响应时间可以优化成在微秒级响应改变的功率水平和需求。功率响应的速率可以基于控制系统的数据采集速率而限制为大约一毫秒,但可以容易地配置成在小于一秒内响应。
图46示出了集成系统4600,其中,包括一个或多个具有存储的压缩气体(未示出)的存储库的压缩气体能量存储系统4610连接到电机4612。在较高功率需求波动期间(例如,大于500kW),压缩气体能量存储系统4610放电以为电机4612提供存储的能量。电机4612将存储的能量转换成电力。在一些实施方式中,对于以同步速度(例如1800RPM)运行的同步电机来说,不需要电力电子器件。在其他实施方式中,对于变速电机来说,如图46所示,电力被送到负载侧的电力电子器件4608,该电力电子器件4608在将电力通过共用DC总线4606发送之前将电流从AC转换成DC。电力随后可以送到线路侧的电力电子器件4604(DC到AC)以供使用(例如由电网4602使用)。在低功率需求波动期间(例如,小于500kW),一个或多个电池4650和/或其他高功率、短时能量存储设备(例如,飞轮和/或超级电容器)放电以提供使用的电力。对于诸如电池的DC设备来说,电输出可以连接到相同的线路侧电力电子器件。例如,可以在发送以供(例如电网4602)使用之前将电力从电池4650中放出,通过共用的DC总线4606到达线路侧的电力电子器件4604。
在各种实施方式中,电池4650连接到冷却系统,该冷却系统具有热交换器4648、散热器4634、具有泵4630的电池入管4632、流体控制阀4628以及具有流体控制阀4636的电池回管4638。类似地,压缩气体能量存储系统4610连接到热交换子系统,该热交换子系统具有热交换器4614、散热器4620、具有泵4616的入管4622、流体控制阀4618以及具有流体控制阀4624的回管4626。散热器4620可以可选地或额外地包括热井,或实质上由热井组成。电池入管4632可以经由管4642连接到入管4622。同样,电池回管4638可以经由管4640连接到回管4626。管4642和4640可以分别包含流体控制阀4644和4646。
在压缩气体能量存储系统4610放电以给电网提供电力的操作状态中(例如,需求超出供给500kW以上),阀4628关闭,而阀4644打开,从而允许来自电池入管4632的传热流体经由管4642被传送到入管4622。传热流体经由泵4616循环通过热交换器4614、回管4626和散热器4620。在热交换子系统的循环期间,来自使系统冷却的电池4650的废热用于在压缩气体能量存储系统4610的膨胀之前和/或期间加热压缩气体(例如,通过在气体和加热的传热流体之间形成泡沫)。存储系统4610的功率密度由此增加和/或整体效率得到提高。
在电池4650放电以给电网提供电力的不同操作状态中(例如,需求超出供给500kW以下),阀4644和4646关闭,而热交换器4648、电池入管4622、泵4630、散热器4634和电池回管4638形成独立于压缩气体能量存储系统4610的热交换子系统的闭环电池-冷却系统。在其他操作模式中,来自电池4650的废热可以被导入热井4620中,热能可以存储在其中以在压缩气体存储系统4610的操作中的稍后时间使用。
图47是示例性24小时期间内的电力供给和需求的示意图。供给曲线基于恒定基荷电源和示例性太阳能设施的模拟,而电力需求基于示例性的一天中的模拟数据。电力需求通常在夜间较低,而在白天较高。在图47的示例性图中,从大约15小时(900分钟)至大约24小时(1440分钟),需求超出供给。
图48是组合的高功率、短时的能量存储设备和压缩气体能量存储系统对给定24小时期间的电力供给和需求的影响的示意图。在图48所示的示意图中,在0分钟时,需求超出供给大约200kW。高功率、短时的能量存储设备被配置成放电以符合小于500kW的超出需求值。因此,高功率、短时能量存储设备在0分钟至60分钟时被示为处于放电状态,其中,超出需求的范围分别是200kW至0kW。从60分钟至120分钟,供给超出需求500kW以下。因此,高功率能量存储设备被示为处于充电状态(在图48中被示为负值),直到最大功率达到-500kW。
压缩气体能量存储系统被配置成放电以符合大于500kW的超出需求值。(在一种实施方式中,多个1MW系统用作较大的系统以通过使用多个动力单元来解决大于500kW的任何功率,例如,两个1MW系统可以解决500和2000kW之间的功率水平)。在图47所示的示意图中,当供给超出需求500kW或更大的范围内时,超出的功率被用于为压缩气体能量存储系统充电(即,以压缩气体的形式存储能量)。因此,当超出的功率下降到500kW以下时(在图48中示为负值),从120分钟至540分钟,压缩气体能量存储系统被示为处于充电状态。当超出的功率下降到500kW之下时,高功率能量存储设备接管,并且因此在540分钟至600分钟内被示为处于充电状态(在图48中被示为负值)。
在600分钟至900分钟的时间期间内,供给超出需求小于500kW的变化值;因此,当值小于500kW时,高功率、短时能量存储设备被示为处于充电状态。此外,为了将高功率、短时能量存储设备的充电状态维持在某个范围内,无论何时高功率、短时能量存储设备的充电状态超出一组最大值(例如,如图48所示的900kWh),压缩气体能量存储设备被示为处于-500kW的充电状态,或者,无论何时高功率、短时能量存储设备的充电状态下降到一组最小值(例如,如图48所示的100kWh)之下,压缩气体能量存储设备被示为处于500kW的放电状态。当从900分钟至1440分钟需求超出供给时,高功率、短时能量存储设备在第一500kW需求期间放电。然后,压缩气体能量存储系统接管并且在需求超出供给500kW或更多期间放电。
图49是用于图47和48中示出的给定24小时期间的组合的高功率、短时的能量存储设备和压缩气体能量存储系统的充电状态的示意图。在这种模拟场景中,具有10MWh存储容量的2MW压缩气体能量存储系统与最高具有1MWh的存储容量的500kW短时能量存储设备并行运行。无论何时高功率、短时能量存储设备的充电状态超过900kWh(90%的最大容量),存储的能量的一部分被放电到电网或压缩气体能量存储系统。无论何时高功率、短时能量存储设备的充电状态降到100kWh(10%的最大容量)以下,通过电网或压缩气体能量存储系统对高功率、短时能量存储设备充电。以这种方式,高功率、短时能量存储设备的充电状态可以维持在优化范围内,而压缩气体能量存储系统提供大容量能量存储和恢复。
本发明的实施方式可以应用在各种设置中,其中发电设备连接到电网,电网的负载可以随时间变化(例如一天的时间),并且一些发电设备的功率输出可以变化(例如,根据风力状况、云层状况、机械故障、传输线故障、反应堆堆芯的预定补给的终止)。下文进一步描述了一些应用。
本发明的实施方式也可以应用在各种“仪表背后”设置中,即,其中电力用户的接入电力或电力成本随着时间变化(例如一天的时间),并且对用户来说有利的是:利用压缩空气能量存储系统在一些时间购买和存储能量,并且利用存储系统在其他时间生成电力。
图50是示例性电力生成和消耗网络或电网5000的概念图,电网5000具有传统的基荷发电厂5002、超高压传输线5004、传输子站5006、区域高压传输线5008、具有其自己的降压变压器5012的大功率负载5010、通过传输线5015在例如子站5006处连接到网络的集中式可再生发电厂5014(例如,太阳能面板、风力涡轮机)、区域传输线5018、配电子站5020、本地配电线5022、小规模功率负载5024(例如家庭)、以及等温压缩空气存储器(ICAESTM)系统5026、5028、5030、5032、5034,这些系统可以与网络5000的其他部件在各个点交换能量(如双头箭头所示)。这些ICAES系统可以包括本文其他地方描述的示例性能量存储系统中的任意一种或多种,或者实质上由其组成,包括利用基于泡沫的热交换以增加热效率和气缸组件的操作速率(进而功率密度)的系统。
在图50的概念图中,电线、子站、负载和ICAES系统的单个表示代表了相同类型的复杂地互连的单元的可能多个:即,网络5000是一类真实世界网络(电网)的部件的简化表示,该真实世界网络可以比图50中示出的网络5000更复杂,并且可以包含未在图50中示出的部件(例如,燃烧天然气的峰值发电机)。然而,图50表示的关系可以精确地表示更复杂的真实世界网络中的各部件之间的关系。
ICAES在网络5000中的应用可以分为至少四个主要类别:(1)常规发电;(2)可再生发电和联产;(3)传输和网络服务;以及(4)终端用户支持。
常规发电
在ICAES5026连接到常规发电厂5002的升压变压器系统的低压侧时,可以由ICAES5026执行若干功能。ICAES5026的以及其与发电厂5002的低压(本地)电系统的电连接的操作由控制系统(未示出)控制,该控制系统包括自动控制设备(例如数字计算机)、人工控制器或二者,或者实质上由其组成。源于各种源的信号可以导入到ICAES5026的控制系统。这些信号包括测量的、电编码的和远程发送(报告)的信息,其描述:连接到网络5000的其他发电源(常规电厂5002和可再生电厂5014)的可用性以及输出、负载(例如5010、5024)的大小和位置、整个网络5000(包括图50中未示出的发电机,例如以地理上分散的方式与负载5010、5024同位置的屋顶太阳能电池板)中所有类型的发电机的可用性及输出的最近变化、负载5010、5024的大小的最近变化、存储在ICAES系统和其他存储系统(例如,水电存储库)中的能量的定量估计、负载所在区域中的温度和天气的其他方面的定量预测(例如,根据国家天气服务)、在地理相关区域中基于最近天气事件(例如降水)对可再生(例如水电)发电容量的预测、网络5000和其他网络之间的电力交换的瞬时市场价格、网络5000即将出现的物理挑战(例如风暴)、传输设备5004的操作状态和载荷,等等。
控制器以与接收到信号后的ICAES5026的操作相关的决定为基础。例如,当发电容量相对于负载有盈余时(例如夜间),来自常规发电机5002(或经由传输线5004来自网络5000的其他地方)的能量可以存储在ICAES5026中。在相对于需求缺乏发电容量(例如在接近正午的峰值需求期间)的这些时间时,或者当更昂贵的发电机(例如燃烧气体的峰值发电机)必然会被要求运行以满足需求,可以从ICAES5026中获得能量并且通过网络5000将能量发送到负载上。通过免除或减少更昂贵的峰值发电机的运行,这种电能时移可以降低网络5000中的能量成本。
可选地或此外,与特定发电机相关联的ICAES5026可以作为储备容量,当网络5000中的一个或多个其他发电机(未示出)变得不可用(例如,由于机械故障或预定燃料补充)或必须以降低的容量运行(例如,在水电设施中由于低水位)时,可以从该储备容量中提取能量。
可选地或此外,可以在网络5000中响应于负载5024、5010的增大而从ICAES5026中提取能量。负载的这种增大可以是常规的(例如,需求的每日峰值)或者非常规的(例如,由于大量较小负载的统计学波动,或者由于大型用户5010上线)。这些应用一般可被称为“负荷跟踪”的形式。
可再生发电
与大小可观的可再生发电机5014(即,风电场或其他非分布式发电机)同位置的ICAES5028可以通过降低其通过传输线5015的功率输出的间歇(如输出的购买者所看到的那样)而增加这些发电机提供的电力的值。即,在电力需求较低或可再生发电机5014的发电相对较高期间,可再生发电机5014产生的一些或全部能量可以存储在ICAES5028中。在电力需求(和/或价格)较高时或者当可再生发电机5014的发电相对较低时,可以从ICAES5028中获得能量并且将能量经由电力线5015发送到网络5000。定期从ICAES5028获取能量通常被称为能量时移(time-shifting);使用ICAES5028来减小发电机5014的输出间歇通常被称为发电机的稳定(firming)。在许多真实世界网络中,来自给定发电机的能量的每单位的值根据该能量的按需可用性来部分调节:由于来自可再生发电机5014的单位能量的可用性通过ICAES5028对发电机5014输出的部分缓冲而增加,使用ICAES5028来稳定可再生发电机5014的输出可能是有利的。
传输和网络服务
通过合适的电子控制信号,ICAES5026的控制器可以同时或独立地控制ICAES单元5026、5028、5030、5032、5034和可位于网络5000中的其他能量存储系统。ICAES单元可以在图50中示出的点中的一些或全部上和/或在未在图50中示出的额外点上连接到网络5000。在整个网络5000中同时远程控制ICAES单元和其他存储单元的操作可以提供各种传输和网络服务,例如,使得发电机(包括存储单元)能够以最低成本随时匹配到网络中的负载,或者如果总负载应该超出网络5000的发电容量,则能够最小化由于供需不匹配而引起的经济损失和其他损失。负载5024、5010中的短期波动(可能导致传输线上的电压在整个网络5000的部分中下降)可以通过快速激活ICAES单元(例如单元5034、5030)而减小,从而为网络5000添加能量。快速响应的发电机的这种激活一般可称为电压支持。
在一些传输线(例如5018)的载荷已经很重(即,承载的电力与其能够安全承载的电力一样多或接近),而需求仍然增加(例如在负载5024处)时,控制器可以使得能量从存储器(例如,ICAES5034)中提取出来,从而无须通过载荷已经很重的传输线来传输额外的电力。这种传输支持可以允许网络5000中的某些传输线的容量的定期升级被推迟。也可以通过这种手段来缓解临时传输阻塞。
在大面积断电时,到独立子站(例如5006、5020)的电力可以由连接到其上的ICAES单元(例如5030、5034)提供,支持现场操作,并且由此能够较快地实现网络恢复。
终端用户
当远距离传输线(例如5004、5008)发生故障或超出载荷时,或者当主发电机(例如5002)发生故障时,或者在其他断电状况下,在分布在电网中的ICAES单元(例如5032、5034)中存储的能量可用于对本地负载临时供电。负载的本地网络的这种供电一般被称为孤岛现象。居民区、工业园、大型建筑、军事基地、大型单个用户(例如5010)以及其他本地负载的孤岛现象可以由ICAES单元使能或支持。
单个大型用户5010的使用时间管理可以由ICAES5032使能。即,当价格较低时(例如夜间),用户5010可以从电网购买能量,将其存储在ICAES5032中,随后当价格较高时(例如白天)从存储器中提取出来。可选地或此外,ICAES5032可以保证电力质量对用户5010来说足够高,防止由于网络5000的电力的质量或可用性的波动而造成的经济损失(例如数据丢失)。可选地或此外,将能量存储在ICAES5032中或者从ICAES5032中获取能量可以使得用户5010能够以管理需求费用和使用时间的方式塑造其需求曲线。
本发明的所有这些应用以及本文未明确描述的其他应用是可以设想的。
一般来说,本文描述的系统可以在膨胀模式和相反的压缩模式中操作为具有高效率的全循环能量存储系统的一部分。例如,这些系统可以既操作成压缩机又操作成膨胀器,以压缩气体势能的方式存储电力并且从压缩气体的势能产生电力。可选地,这些系统可以独立地操作成压缩机或膨胀器。
在操作期间,本发明的实施方式可以将以压缩气体形式存储的能量和/或从压缩气体的膨胀恢复的能量转换成重力势能,例如,升高质量的重力势能,如2011年8月30日提交的美国专利申请No.13/221,563中所述,其全部内容通过引用包含于此。
根据本发明的实施方式的系统可以利用大体上不可压缩的流体和/或一个或多个加压库来最小化或消除一个或多个气缸组件和/或其他部件中的死区,如'914申请和2011年4月6日提交的美国专利申请No.13/080,910中所述,其全部内容通过引用包含于此。如在这些申请中描述的一样,本发明的实施方式可以包括用于大体上防止可压缩流体(例如气体或泡沫)从气缸组件流入热交换部件(例如,热交换器、泵和/或连接到其上和/或连接在气缸组件和这些部件之间的管道)中的机构,并且由此可以大体上在热交换部件中防止形成死区。例如,各种实施方式包括位于喷雾生成或泡沫生成机构中的用于将热交换流体引入到气缸组件中的一个或多个喷嘴的上游侧的一个或多个止回阀。
本文使用的术语和表达是用作说明性的而非限制性的术语,并且使用这些术语和表达并不意味着排除其示出和描述的特征或其一些部分的任何等价物,而且应该认识到,在本发明要求保护的范围内,可以进行各种改进。
权利要求如下。

Claims (451)

1.一种恢复能量的方法,该方法包括:
将第一泡沫转移到第一气缸组件,该第一泡沫具有第一泡沫膨胀比;
在第一气缸组件中膨胀第一泡沫,由此从中恢复能量;
然后,将第二泡沫转移到不同于第一气缸组件的第二气缸组件,该第二泡沫具有大于第一泡沫膨胀比的第二泡沫膨胀比;以及
在第二气缸组件中膨胀第二泡沫,由此从中恢复能量。
2.如权利要求1所述的方法,还包括:从第二气缸组件排出膨胀的第二泡沫。
3.如权利要求2所述的方法,其中,膨胀的第二泡沫的至少气态部分被排出到环境大气中。
4.如权利要求1所述的方法,其中,(i)在膨胀第一泡沫之后,膨胀的第一泡沫从第一气缸组件排出,以及(ii)第二泡沫包括膨胀的第一泡沫的至少一部分。
5.如权利要求4所述的方法,其中,膨胀的第一泡沫排出到泡沫容器中,并且该方法还包括在泡沫容器中循环传热液体以形成第二泡沫。
6.如权利要求1所述的方法,还包括:
在膨胀第一泡沫之后,将膨胀的第一泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分;以及
通过将传热液体引入到膨胀的第一泡沫的气态组分中而形成第二泡沫。
7.如权利要求6所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离膨胀的第一泡沫的所述至少一部分。
8.如权利要求7所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的第一泡沫的所述至少一部分。
9.如权利要求6所述的方法,还包括存储膨胀的第一泡沫的液态组分。
10.如权利要求1所述的方法,其中,第一泡沫的质量比大致等于第二泡沫的质量比。
11.如权利要求1所述的方法,还包括:在膨胀第一泡沫之前,改变第一泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
12.如权利要求1所述的方法,还包括:在膨胀第二泡沫之前,改变第二泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
13.如权利要求1所述的方法,其中,第一泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
14.如权利要求1所述的方法,其中,第二泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
15.如权利要求1所述的方法,其中,第一泡沫大致等温地膨胀,并且第二泡沫大致等温地膨胀。
16.如权利要求1所述的方法,还包括:通过将传热液体和压缩气体混合来形成第一泡沫。
17.如权利要求16所述的方法,还包括:通过控制传热液体至压缩气体中的转移速率来控制第一泡沫的含气率。
18.如权利要求17所述的方法,还包括:感测第一气缸组件内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
19.如权利要求1所述的方法,其中,膨胀第一泡沫和膨胀第二泡沫都驱动机械地耦合到第一气缸组件和第二气缸组件的曲柄轴。
20.一种存储能量的方法,该方法包括:
将传热液体分散到气体中以形成具有第一泡沫膨胀比的第一泡沫;
在第一气缸组件内压缩第一泡沫;
然后,将第二泡沫转移到不同于第一气缸组件的第二气缸组件,该第二泡沫具有小于第一泡沫膨胀比的第二泡沫膨胀比;
在第二气缸组件内压缩第二泡沫;
从第二气缸组件中排出压缩的第二泡沫;以及
存储压缩的第二泡沫的至少气态组分。
21.如权利要求20所述的方法,其中,所述气体包括大致处于大气压力的空气。
22.如权利要求20所述的方法,还包括:在第一气缸组件内压缩第一泡沫之前,将第一泡沫转移至第一气缸组件。
23.如权利要求20所述的方法,还包括:在存储气态组分之前,从压缩的第二泡沫中分离液态组分的至少一部分。
24.如权利要求23所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离液态组分的至少一部分。
25.如权利要求24所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离液态组分的至少一部分。
26.如权利要求20所述的方法,其中,存储压缩的第二泡沫的至少气态组分包括存储压缩的第二泡沫的气态组分和液态组分。
27.如权利要求26所述的方法,其中,气态组分和液态组分存储在同一存储库中。
28.如权利要求20所述的方法,其中,(i)在第一气缸组件中压缩第一泡沫之后,压缩的第一泡沫从第一气缸组件排出,以及(ii)第二泡沫包括压缩的第一泡沫的至少一部分。
29.如权利要求28所述的方法,其中,压缩的第一泡沫被排出到泡沫容器中,并且该方法还包括将传热液体引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。
30.如权利要求20所述的方法,还包括:
在压缩第一泡沫之后,将压缩的第一泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分;以及
通过将传热液体引入到压缩的第一泡沫的气态组分中来形成第二泡沫。
31.如权利要求30所述的方法,其中,引入到压缩的第一泡沫的气态组分中的传热液体包括分离的压缩的第一泡沫的液态组分的至少一部分。
32.如权利要求30所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离压缩的第一泡沫的至少一部分。
33.如权利要求32所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离压缩的第一泡沫的至少一部分。
34.如权利要求30所述的方法,还包括存储压缩的第一泡沫的液态组分。
35.如权利要求20所述的方法,其中,第一泡沫的质量比大致等于第二泡沫的质量比。
36.如权利要求20所述的方法,还包括:在压缩第一泡沫之前,改变第一泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
37.如权利要求20所述的方法,还包括:在压缩第二泡沫之前,改变第二泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
38.如权利要求20所述的方法,其中,第一泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
39.如权利要求20所述的方法,其中,第二泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
40.如权利要求20所述的方法,其中,第一泡沫被大致等温地压缩,并且第二泡沫被大致等温地压缩。
41.如权利要求20所述的方法,还包括:通过控制传热液体至气体中的分散速率来控制第一泡沫的含气率。
42.如权利要求41所述的方法,还包括:感测第一气缸组件内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制分散速率。
43.如权利要求20所述的方法,还包括:驱动机械地耦合到第一气缸组件和第二气缸组件的曲柄轴以压缩第一泡沫和压缩第二泡沫。
44.如权利要求20所述的方法,其中,形成第一泡沫包括在筛上喷洒传热液体。
45.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的气缸组件;
存储库;以及
混合室,其选择性地流体连接到气缸组件和存储库,该混合室用于(i)从存储库接收气体和传热液体,(ii)将气体与传热液体混合以形成泡沫,以及(iii)将泡沫转移到气缸组件中,
其中,混合室通过(i)用于转移气体的第一导管和(ii)不同于第一导管并且用于转移传热液体的第二导管选择性地流体连接到存储库。
46.如权利要求45所述的系统,还在混合室内包括用于改变泡沫的至少一种特性的机构。
47.如权利要求46所述的系统,其中,该机构包括筛或超声能量源中的至少一者。
48.如权利要求46所述的系统,其中,至少一种特性包括泡沫单元大小或泡沫单元大小均匀度中的至少一者。
49.如权利要求45所述的系统,还包括连接到混合室中的第一导管或第二导管中的至少一个的泡沫生成机构。
50.如权利要求49所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
51.如权利要求45所述的系统,还包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于所述气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者。
52.如权利要求51所述的系统,还包括选择性地流体连接到第二气缸组件的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到大气中。
53.如权利要求45所述的系统,还包括控制系统,用于控制气缸组件或混合室中的至少一个执行气缸组件内的大致等温的压缩或大致等温的膨胀中的至少一者。
54.如权利要求53所述的系统,还包括用于检测气缸组件或混合室中的至少一个内的压力,其中,控制系统响应于传感器。
55.如权利要求54所述的系统,其中,控制系统响应于检测到的压力控制传热液体进入混合室的流速。
56.如权利要求45所述的系统,还包括用于将传热液体转移到第二导管内的循环装置。
57.如权利要求56所述的系统,其中,循环装置包括变速泵。
58.如权利要求45所述的系统,还包括:
(i)将气缸组件分成两个室的可移动边界机构,以及
(ii)曲柄轴,其机械地耦接到边界机构,用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动。
59.如权利要求58所述的系统,还包括耦接到曲柄轴的电动机/发电机。
60.如权利要求45所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
61.如权利要求45所述的系统,其中,第一导管还转移液体。
62.如权利要求45所述的系统,其中,第二导管还转移气体。
63.一种能量存储的方法,该方法包括:
将气缸内的泡沫压缩至第一压力;
将压缩的泡沫转移到存储库中,压缩的泡沫在存储库中至少部分地被分离成大致处于第一压力的气态和液态组分;
将液态组分的至少一部分从存储库中移除;以及
以低于第一压力的第二压力存储液态组分的至少一部分。
64.如权利要求63所述的方法,还包括:在以第二压力存储液态组分的所述至少一部分之前,通过降低液态组分的所述至少一部分的压力而从液态组分的所述至少一部分中恢复能量。
65.如权利要求64所述的方法,还包括利用恢复的能量驱动曲柄轴。
66.如权利要求65所述的方法,其中,曲柄轴机械地耦接到气缸。
67.如权利要求63所述的方法,还包括:在压缩泡沫之前,通过混合传热液体和气体来形成泡沫。
68.如权利要求67所述的方法,其中,泡沫形成在选择性地流体连接至气缸的泡沫容器中,该泡沫容器包括压力容器、管道或分支管中的至少一者。
69.如权利要求67所述的方法,其中,形成泡沫包括在筛上喷洒传热液体。
70.如权利要求67所述的方法,还包括:在压缩泡沫之前,改变泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
71.如权利要求67所述的方法,还包括:通过控制传热液体至气体中的转移速率来控制泡沫的含气率。
72.如权利要求71所述的方法,还包括:感测气缸内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
73.如权利要求63所述的方法,还包括:
将存储的液态组分的至少一部分与气体混合,从而形成额外的泡沫;以及
压缩该额外的泡沫。
74.如权利要求63所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
75.如权利要求63所述的方法,其中,大致等温地压缩泡沫。
76.如权利要求63所述的方法,其中,压缩泡沫包括驱动耦接到气缸的曲柄轴。
77.如权利要求63所述的方法,其中,压缩的泡沫由于重力至少部分地分离。
78.如权利要求63所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者至少部分地分离压缩的泡沫。
79.如权利要求78所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来至少部分地分离压缩的泡沫。
80.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的第一气缸组件;
选择性地流体连接到第一气缸组件的第一泡沫容器,该第一泡沫容器用于在其中中间存储第一泡沫或形成第一泡沫中的至少一者;
选择性地流体连接到第一气缸组件的第二泡沫容器,该第二泡沫容器用于在其中中间存储第二泡沫或形成第二泡沫中的至少一者;
选择性地流体连接到第二泡沫容器的第二气缸组件,该第二气缸组件用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者,该第二气缸组件的操作压力范围不同于第一气缸组件的操作压力范围;以及
选择性地流体连接到第二气缸组件的第三泡沫容器,该第三泡沫容器用于在其中中间存储第三泡沫或形成第三泡沫中的至少一者。
81.如权利要求80所述的系统,还包括通向周围大气的排出口,该排出口选择性地流体连接到第三泡沫容器。
82.如权利要求80所述的系统,还包括选择性地流体连接到第一泡沫容器的存储库,该存储库用于存储压缩的气体。
83.如权利要求80所述的系统,还包括再循环机构,该再循环机构用于将来自第一泡沫容器中的第一位置的泡沫或液体中的至少一者转移到第一泡沫容器中不同于第一位置的第二位置处。
84.如权利要求80所述的系统,其中,第一泡沫容器包括压力容器、管道或分支管中的至少一者。
85.如权利要求80所述的系统,其中,第二泡沫容器包括压力容器、管道或分支管中的至少一者。
86.如权利要求80所述的系统,其中,第三泡沫容器包括压力容器、管道或分支管中的至少一者。
87.一种能量存储和恢复系统,包括:
(a)泡沫生成机构,该泡沫生成机构包括:
喷洒室,
至少一个分散机构,用于将液体分散到流动通过喷洒室的气体中,以及
流体耦接到至少一个分散机构的库,用于容纳液体;
(b)分支管,用于从喷洒室接收泡沫;以及
(c)选择性地流体连接到分支管的至少一个气缸组件,用于其中的泡沫的膨胀或压缩中的至少一者。
88.如权利要求87所述的系统,还包括循环机构,用于至少部分地形成通过喷洒室的气体流。
89.如权利要求88所述的系统,其中,循环机构包括风扇。
90.如权利要求87所述的系统,还包括循环机构,用于将来自库的液体循环到至少一个分散机构。
91.如权利要求90所述的系统,其中,循环机构包括泵。
92.如权利要求91所述的系统,其中,泵包括变速泵。
93.如权利要求87所述的系统,还包括连接到分支管上的阀,用于至少在分支管内形成泡沫期间从分支管排出气体。
94.如权利要求87所述的系统,还包括位于喷洒室和分支管之间的筛,通过该筛从在喷洒室中分散的液体在分支管中形成泡沫。
95.如权利要求87所述的系统,还包括选择性地流体连接到分支管的分离室,该分离室在其中包括分离机构,该分离机构用于将泡沫分离成气态组分和液态组分。
96.如权利要求95所述的系统,其中,分离室选择性地流体连接到库。
97.如权利要求95所述的系统,其中,分离机构包括超声能量源、叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者。
98.一种能量存储和恢复系统,包括:
多个气缸对,每个气缸对包括:(i)用于在第一压力范围内进行膨胀或压缩中的至少一者的低压气缸,以及(ii)用于在不同于第一压力范围并且至少在中间压力处与第一压力范围重叠的第二压力范围内进行膨胀或压缩中的至少一者的高压气缸;
用于在第一压力范围内生成低压泡沫的第一泡沫生成机构;以及
用于在第二压力范围内生成高压泡沫的第二泡沫生成机构,该第二泡沫生成机构不同于第一泡沫生成机构。
99.如权利要求98所述的系统,还包括选择性地流体连接到(i)多个低压气缸和(ii)第一泡沫生成机构的分支管,该分支管用于中间存储低压泡沫。
100.如权利要求98所述的系统,还包括选择性地流体连接到(i)多个高压气缸和(ii)第二泡沫生成机构的分支管,该分支管用于中间存储高压泡沫。
101.如权利要求98所述的系统,其中,第一泡沫生成机构包括(i)至少一个用于将液体分散到气体中的分散机构和(ii)筛,通过该筛从分散的液体形成泡沫。
102.如权利要求98所述的系统,其中,第二泡沫生成机构包括分散机构,该分散机构用于喷洒、鼓泡、起雾或搅拌液体中的至少一者。
103.如权利要求98所述的系统,还包括用于生成中间压力的泡沫的第三泡沫生成机构。
104.如权利要求103所述的系统,还包括选择性地流体连接到(i)多个低压气缸、(ii)多个高压气缸和(iii)第三泡沫生成机构的分支管,该分支管用于中间存储中间压力的泡沫。
105.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于压缩以存储能量或膨胀以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该气缸组件包括位于其中的第一可移动边界机构和耦接到第一可移动边界机构的第一杆;
用于将泡沫引入到气缸组件中的泡沫生成机构;
用于将传热流体泵到泡沫生成机构中的泵气缸,该泵气缸包括位于其中的第二可移动边界机构和耦接到第二可移动边界机构的第二杆;
选择性地流体连接到气缸组件的第一存储库,该第一存储库用于存储压缩的气体;以及
选择性地流体连接到泵气缸的第二存储库,该第二存储库用于存储传热流体。
106.如权利要求105所述的系统,其中,第一存储库和第二存储库是相同的。
107.如权利要求105所述的系统,其中,第一存储库和第二存储库是不同的。
108.如权利要求105所述的系统,还包括用于热调节传热流体的传热子系统。
109.如权利要求108所述的系统,其中,传热子系统包括热交换器。
110.如权利要求105所述的系统,其中,第一杆和第二杆机械地耦接到用于将第一杆和第二杆的往复运动与旋转运动互换的机构。
111.如权利要求110所述的系统,其中,该机构包括曲柄轴。
112.如权利要求111所述的系统,其中,曲柄轴以固定的相位关系维持第一杆和第二杆。
113.如权利要求105所述的系统,其中,泡沫生成机构位于气缸组件内。
114.如权利要求105所述的系统,其中,泡沫生成机构位于气缸组件的外部,并且通过导管连接到气缸组件。
115.如权利要求105所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
116.如权利要求105所述的系统,其中,第一存储库以与第二存储库存储流体的压力不同的压力存储流体。
117.一种存储和恢复能量的方法,该方法包括:
将压缩气体从存储库转移到选择性地流体连接到其上的混合室;
在混合室中形成第一泡沫,该第一泡沫包括压缩气体和传热流体;
将第一泡沫从混合室转移到气缸中;
在气缸中膨胀第一泡沫以从中恢复能量;
将膨胀的第一泡沫从气缸中移除;
将第二泡沫引入到气缸中;
在气缸中压缩第二泡沫以在其中存储能量;以及
将压缩的第二泡沫的至少一部分转移到存储库中,该转移绕过混合室。
118.如权利要求117所述的方法,还包括:在膨胀第一泡沫之前,改变第一泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
119.如权利要求117所述的方法,其中,将膨胀的第一泡沫从气缸中移除包括将膨胀的第一泡沫的气态组分排出到周围大气中。
120.如权利要求117所述的方法,其中,将膨胀的第一泡沫从气缸中移除包括将膨胀的第一泡沫转移到第二气缸中,并且还包括在第二气缸中使膨胀的第一泡沫膨胀。
121.如权利要求117所述的方法,还包括:将膨胀的第一泡沫分离成气态组分和液态组分。
122.如权利要求121所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者分离膨胀的第一泡沫。
123.如权利要求122所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的第一泡沫。
124.如权利要求117所述的方法,还包括存储膨胀的第一泡沫的液态组分。
125.如权利要求117所述的方法,其中,第一泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
126.如权利要求117所述的方法,其中,将压缩的第二泡沫的至少一部分转移到存储库中包括将压缩的第二泡沫的所述至少一部分的气态组分转移到存储库中。
127.如权利要求117所述的方法,其中,将压缩的第二泡沫的至少一部分转移到存储库中包括将压缩的第二泡沫的所述至少一部分的气态组分和液态组分都转移到存储库中。
128.如权利要求117所述的方法,其中,压缩的第二泡沫的所述至少一部分通过气缸和存储库之间的旁路连接而转移到存储库中。
129.如权利要求128所述的方法,其中,阀大体上防止压缩的第二泡沫在转移到存储库期间进入混合室。
130.如权利要求128所述的方法,其中,压缩的第二泡沫的第二部分经由混合室从气缸转移到存储库中。
131.如权利要求117所述的方法,其中,第一泡沫被大致等温地膨胀,并且第二泡沫被大致等温地压缩。
132.如权利要求117所述的方法,其中,气缸在其中包括活塞,并且第一泡沫在气缸中的膨胀驱动(i)机械耦接到活塞的机构或(ii)耦接到气缸的液压系统中的至少一个。
133.如权利要求132所述的方法,其中,第一泡沫的膨胀驱动该机构并且该机构包括曲柄轴。
134.如权利要求117所述的方法,其中,形成第一泡沫包括将传热液体转移到混合室中。
135.如权利要求134所述的方法,还包括:通过控制传热液体至混合室中的转移速率来控制第一泡沫的含气率。
136.如权利要求135所述的方法,还包括:感测气缸或混合室中的至少一个内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
137.一种恢复能量的方法,该方法包括:
在存储库中形成第一泡沫,该第一泡沫包括压缩气体和传热流体;
将第一泡沫转移到气缸中;
在气缸中膨胀第一泡沫以从中恢复能量;
将膨胀的第一泡沫从气缸中移除;
在气缸中压缩第二泡沫以在其中存储能量;以及
将压缩的第二泡沫的至少一部分存储在存储库中。
138.如权利要求137所述的方法,其中,形成第一泡沫包括在存储库内经由泡沫生成机构混合传热流体和压缩的气体。
139.如权利要求138所述的方法,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
140.如权利要求138所述的方法,还包括将传热液体从存储库的区域中循环到泡沫生成机构中。
141.如权利要求140所述的方法,其中,传热液体在存储库的外部循环。
142.如权利要求137所述的方法,还包括:在膨胀第一泡沫之前,改变第一泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
143.如权利要求137所述的方法,其中,将膨胀的第一泡沫从气缸中移除包括将膨胀的第一泡沫的气态组分排出到周围大气中。
144.如权利要求137所述的方法,还包括:将膨胀的第一泡沫分离成气态组分和液态组分。
145.如权利要求144所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者分离膨胀的第一泡沫。
146.如权利要求145所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的第一泡沫。
147.如权利要求137所述的方法,还包括存储膨胀的第一泡沫的液态组分。
148.如权利要求147所述的方法,其中,膨胀的第一泡沫的液态组分被存储在存储库中。
149.如权利要求137所述的方法,其中,第一泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
150.如权利要求137所述的方法,其中,将压缩的第二泡沫的至少一部分存储在存储库中包括存储压缩的第二泡沫的至少一部分的气态组分。
151.如权利要求137所述的方法,其中,将压缩的第二泡沫的至少一部分存储在存储库中包括存储压缩的第二泡沫的所述至少一部分的气态组分和液态组分。
152.如权利要求137所述的方法,其中,将膨胀的第一泡沫从气缸中移除包括将膨胀的第一泡沫转移到第二气缸中,并且还包括在第二气缸中使膨胀的第一泡沫膨胀。
153.如权利要求137所述的方法,其中,第一泡沫被大致等温地膨胀,并且第二泡沫被大致等温地压缩。
154.如权利要求137所述的方法,其中,气缸在其中包括活塞,并且第一泡沫在气缸中的膨胀驱动(i)机械耦接到活塞的机构或(ii)耦接到气缸的液压系统中的至少一个。
155.如权利要求154所述的方法,其中,第一泡沫的膨胀驱动该机构并且该机构包括曲柄轴。
156.一种存储和恢复能量的方法,该方法包括:
将气体转移到气缸中;
将传热液体转移到气缸中以在其中与气体混合并且形成包括气体和传热液体的泡沫;
在气缸内,进行压缩泡沫以存储能量或膨胀泡沫以恢复能量中的至少一者;以及
将压缩或膨胀的泡沫从气缸中排出。
157.如权利要求156所述的方法,其中,气体从存储库中转移到气缸中。
158.如权利要求157所述的方法,其中,传热液体从存储库转移到气缸中。
159.如权利要求156所述的方法,其中,气体和传热液体经由不同的入口转移到气缸中。
160.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被压缩,并且该方法还包括将压缩的泡沫的至少一部分存储在存储库中。
161.如权利要求160所述的方法,其中,将压缩的泡沫的至少一部分存储在存储库中包括存储压缩的泡沫的气态组分。
162.如权利要求160所述的方法,其中,将压缩的泡沫的至少一部分存储在存储库中包括存储压缩的泡沫的气态组分和液态组分。
163.如权利要求156所述的方法,还包括:通过控制传热液体至气缸中的转移速率来控制泡沫的含气率。
164.如权利要求163所述的方法,还包括:感测气缸内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
165.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被膨胀,并且将膨胀的泡沫从气缸中排出包括将膨胀的泡沫的气态组分排出到周围大气中。
166.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被膨胀,并且将膨胀的泡沫从气缸中排出包括将膨胀的泡沫转移到第二气缸中,并且该方法还包括在第二气缸中使膨胀的泡沫膨胀。
167.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被膨胀,并且该方法还包括:将膨胀的泡沫分离成气态组分和液态组分。
168.如权利要求167所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离膨胀的泡沫。
169.如权利要求168所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的泡沫。
170.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被膨胀,并且该方法还包括存储膨胀的泡沫的液态组分。
171.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
172.如权利要求156所述的方法,其中,大致等温地膨胀或压缩泡沫。
173.如权利要求156所述的方法,其中,泡沫被膨胀,并且气缸在其中包括活塞,并且泡沫的膨胀驱动(i)机械耦接到活塞的机构或(ii)耦接到气缸的液压系统中的至少一个。
174.如权利要求173所述的方法,其中,泡沫的膨胀驱动该机构并且该机构包括曲柄轴。
175.一种存储和恢复能量的方法,该方法包括:
在多个离散的阶段中压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者,其中在不同的压力范围内执行各个阶段;
其中,(i)在一个阶段中,在所述气体和引入到气缸中的第一传热流体的离散液滴之间交换热量,以及(ii)在另一个阶段中,在所述气体和第二传热流体之间交换热量,所述气体和所述第二传热流体组合以形成泡沫。
176.如权利要求175所述的方法,还包括:在该另一个阶段中的压缩或膨胀中的至少一者之后,将泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分。
177.如权利要求176所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离泡沫的至少一部分。
178.如权利要求177所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离泡沫的所述至少一部分。
179.如权利要求175所述的方法,其中,气体被压缩,并且该方法还包括在压缩之后将气体存储在存储库中。
180.如权利要求175所述的方法,其中,气体被膨胀,并且该方法还包括在压缩之后将气体排出到周围大气中。
181.如权利要求175所述的方法,其中,第一传热流体和第二传热流体包括相同的液体。
182.如权利要求181所述的方法,其中,第二传热流体包括起泡添加剂。
183.如权利要求175所述的方法,其中,通过喷洒将第一传热流体的离散液滴引入到所述气体中。
184.如权利要求175所述的方法,其中,第一传热流体的离散液滴和气体之间的热交换使在该一个阶段中大致等温地进行膨胀或压缩中的至少一者。
185.如权利要求175所述的方法,其中,泡沫中的气体和第二传热流体之间的热交换使在该另一个阶段中大致等温地进行膨胀或压缩中的至少一者。
186.如权利要求175所述的方法,其中,在气缸内进行该另一个阶段中的膨胀或压缩中的至少一者。
187.如权利要求186所述的方法,还包括:通过在气缸内将气体与第二传热流体混合来生成泡沫。
188.如权利要求186所述的方法,还包括:(i)通过在气缸的外部将气体与第二传热流体混合来生成泡沫,以及(ii)将泡沫转移到气缸中。
189.如权利要求188所述的方法,还包括:在泡沫进入气缸之前,改变泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
190.如权利要求186所述的方法,其中,气体被膨胀,并且气缸在其中包括活塞,并且气缸中气体的膨胀驱动(i)机械耦接到活塞的机构或(ii)耦接到气缸的液压系统中的至少一个。
191.如权利要求190所述的方法,其中,气体的膨胀驱动该机构并且该机构包括曲柄轴。
192.如权利要求191所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
193.如权利要求175所述的方法,其中,形成泡沫包括将第二传热流体转移到气体中。
194.如权利要求193所述的方法,还包括:通过控制第二传热流体的转移速率来控制泡沫的含气率。
195.如权利要求194所述的方法,还包括:感测至少一个阶段中的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
196.一种存储和恢复能量的方法,该方法包括:
在气缸内执行两个不同的过程,过程包括(i)压缩气体以存储能量和(ii)膨胀气体以恢复能量;
在一个过程中,通过将第一传热流体的离散液滴引入气体中而与气体交换热量;以及
在另一个过程中,通过将气体与第二传热流体混合以形成泡沫而与气体交换热量。
197.如权利要求196所述的方法,还包括:在该另一个过程之后,将泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分。
198.如权利要求197所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离泡沫的至少一部分。
199.如权利要求198所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离泡沫的至少一部分。
200.如权利要求196所述的方法,还包括:在压缩气体之后,将气体存储在存储库中。
201.如权利要求196所述的方法,还包括:在膨胀气体之后,将气体排出到周围大气中。
202.如权利要求196所述的方法,其中,第一传热流体和第二传热流体包括相同的液体。
203.如权利要求202所述的方法,其中,第二传热流体包括起泡添加剂。
204.如权利要求196所述的方法,其中,通过喷洒将第一传热流体的离散液滴引入到气体中。
205.如权利要求196所述的方法,其中,第一传热流体的离散液滴和气体之间的热交换使得大致等温地进行该一个过程。
206.如权利要求196所述的方法,其中,泡沫中的气体和第二传热流体之间的热交换使得大致等温地进行该另一个过程。
207.如权利要求196所述的方法,其中,通过在气缸内将气体与第二传热流体混合来形成泡沫。
208.如权利要求196所述的方法,其中,通过在气缸外部将气体与第二传热流体混合来形成泡沫,并且该方法还包括将泡沫转移到气缸中。
209.如权利要求208所述的方法,还包括:在泡沫进入气缸之前,改变泡沫的平均单元大小或单元大小的均匀度中的至少一者。
210.如权利要求196所述的方法,其中,气缸在其中包括活塞,并且气体在气缸中的膨胀驱动(i)机械地耦接到活塞的机构或(ii)耦接到气缸的液压系统中的至少一者。
211.如权利要求210所述的方法,其中,气体的膨胀驱动该机构并且该机构包括曲柄轴。
212.如权利要求196所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
213.如权利要求196所述的方法,还包括:通过控制第二传热液体至气体中的转移速率来控制泡沫的含气率。
214.如权利要求213所述的方法,还包括:感测气体的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
215.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的气缸组件;
选择性地流体连接到气缸组件的存储库;
选择性地流体连接到气缸组件和存储库的混合室,该混合室用于(i)从存储库接收气体,(ii)将气体与传热液体混合以形成泡沫,以及(iii)将泡沫转移到气缸组件中;以及
选择性地将气缸组件直接流体连接到存储库的旁路导管,其用于将气体或泡沫中的至少一者从气缸组件转移到存储库中而不经过混合室。
216.如权利要求215所述的系统,其中,混合室通过(i)用于转移气体的第一导管和(ii)不同于第一导管并且用于转移传热液体的第二导管选择性地流体连接到存储库。
217.如权利要求215所述的系统,还在混合室内包括用于改变泡沫的至少一种特性的机构。
218.如权利要求217所述的系统,其中,该机构包括筛或超声能量源中的至少一者。
219.如权利要求217所述的系统,其中,所述至少一种特性包括泡沫单元大小或泡沫单元大小均匀度中的至少一者。
220.如权利要求219所述的系统,还包括位于混合室中的泡沫生成机构。
221.如权利要求220所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
222.如权利要求219所述的系统,还包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于所述气缸组件的压力范围的压力范围内执行通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者。
223.如权利要求222所述的系统,还包括选择性地流体连接到第二气缸组件的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到大气中。
224.如权利要求215所述的系统,还包括控制系统,用于控制气缸组件或混合室中的至少一个执行气缸组件内的大致等温的压缩或大致等温的膨胀中的至少一者。
225.如权利要求224所述的系统,还包括用于检测气缸组件或混合室中的至少一者内的压力,其中,控制系统响应于传感器。
226.如权利要求225所述的系统,其中,控制系统响应于检测到的压力来控制传热液体进入混合室的流速。
227.如权利要求215所述的系统,还包括用于将传热液体转移到混合室中的循环装置。
228.如权利要求227所述的系统,其中,循环装置包括变速泵。
229.如权利要求215所述的系统,还包括:
(i)将气缸组件分成两个室的可移动边界机构,以及
(ii)曲柄轴,其机械地耦接到边界机构,用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动。
230.如权利要求229所述的系统,还包括耦接到曲柄轴的电动机/发电机。
231.如权利要求215所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
232.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的气缸组件;
选择性地流体连接到气缸组件的存储库;以及
用于在存储库内生成泡沫的泡沫生成机构,该泡沫包括气体和传热液体。
233.如权利要求232所述的系统,还在存储库和气缸组件之间包括用于改变泡沫的至少一种特性的机构。
234.如权利要求233所述的系统,其中,该机构包括筛或超声能量源中的至少一者。
235.如权利要求233所述的系统,其中,至少一种特性包括泡沫单元大小或泡沫单元大小均匀度中的至少一者。
236.如权利要求232所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
237.如权利要求232所述的系统,还包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于所述气缸组件的压力范围的压力范围内执行通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者。
238.如权利要求237所述的系统,还包括选择性地流体连接到第二气缸组件的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到大气中。
239.如权利要求232所述的系统,还包括控制系统,用于控制气缸组件在其中执行大致等温的压缩或大致等温的膨胀中的至少一者。
240.如权利要求239所述的系统,还包括用于检测气缸组件内的压力或温度中的至少一者的传感器,其中该控制系统响应于该传感器。
241.如权利要求232所述的系统,还包括用于将传热液体转移到泡沫生成机构中的循环装置。
242.如权利要求241所述的系统,其中,循环装置包括变速泵。
243.如权利要求232所述的系统,还包括导管,该导管将存储库的底部区域与泡沫生成机构选择性地流体连接。
244.如权利要求243所述的系统,其中,导管延伸到存储库的外部。
245.如权利要求232所述的系统,还包括:
(i)将气缸组件分成两个室的可移动边界机构,以及
(ii)曲柄轴,其机械地耦接到边界机构,用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动。
246.如权利要求245所述的系统,还包括耦接到曲柄轴的电动机/发电机。
247.如权利要求232所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
248.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的气缸组件;
存储库;以及
位于气缸组件内的泡沫生成机构,用于通过将传热液体引入到气缸组件内的气体中来生成泡沫。
其中,气缸组件通过(i)用于转移气体的第一导管和(ii)第二导管选择性地流体连接到存储库,该第二导管不同于第一导管并且用于将传热液体转移到泡沫生成机构中。
249.如权利要求248所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一个。
250.如权利要求248所述的系统,还包括第二气缸组件,该第二气缸组件用于在不同于所述气缸组件的压力范围的压力范围内通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者。
251.如权利要求250所述的系统,还包括选择性地流体连接到第二气缸组件的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到大气中。
252.如权利要求248所述的系统,还包括控制系统,用于控制气缸组件在其中执行大致等温的压缩或大致等温的膨胀中的至少一者。
253.如权利要求252所述的系统,还包括用于检测气缸组件内的压力或温度中的至少一者的传感器,其中该控制系统响应于该传感器。
254.如权利要求253所述的系统,其中,控制系统响应于检测到的压力来控制传热液体通过泡沫生成机构的流速。
255.如权利要求248所述的系统,还包括用于将传热液体转移到第二导管内的循环装置。
256.如权利要求255所述的系统,其中,循环装置包括变速泵。
257.如权利要求248所述的系统,还包括:
(i)将气缸组件分成两个室的可移动边界机构,以及
(ii)曲柄轴,其机械地耦接到边界机构,用于将边界机构的往复运动转换成旋转运动。
258.如权利要求257所述的系统,还包括耦接到曲柄轴的电动机/发电机。
259.如权利要求248所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
260.一种能量存储和恢复系统,包括:
用于通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者的气缸组件;
喷洒机构,用于将第一传热液体的离散液滴引入到气缸组件中,从而在气体和第一传热液体的离散液滴之间进行热交换;以及
与喷洒机构分离的泡沫生成机构,用于在气缸组件中执行生成泡沫或引入泡沫中的至少一者,该泡沫包括气体和第二传热液体。
261.如权利要求260所述的系统,其中,第一传热液体和第二传热液体包括相同的液体。
262.如权利要求261所述的系统,其中,第二传热液体包括起泡添加剂。
263.如权利要求260所述的系统,其中,喷洒机构包括喷头或喷杆中的至少一者。
264.如权利要求260所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一者。
265.如权利要求260所述的系统,还包括选择性地流体连接到气缸组件的存储库,该存储库用于存储压缩的气体。
266.如权利要求265所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
267.如权利要求260所述的系统,还包括选择性地流体连接到气缸组件的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到周围大气中。
268.一种能量存储和恢复系统,包括:
多个气缸组件,每个气缸组件用于在不同的压力范围内执行通过压缩存储能量或通过膨胀恢复能量中的至少一者;
选择性地流体连接到一个气缸组件的喷洒机构,该喷洒机构用于将第一传热液体的离散液滴引入到其中;以及
选择性地流体连接到不同的一个气缸组件的泡沫生成机构,用于在其中执行生成或引入泡沫中的至少一者,该泡沫包括气体和第二传热液体。
269.如权利要求268所述的系统,其中,第一传热液体和第二传热液体包括相同的液体。
270.如权利要求269所述的系统,其中,第二传热液体包括起泡添加剂。
271.如权利要求268所述的系统,其中,喷洒机构包括喷头或喷杆中的至少一者。
272.如权利要求268所述的系统,其中,泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一者。
273.如权利要求268所述的系统,还包括选择性地流体连接到气缸组件中的一个的存储库,该存储库用于存储压缩的气体。
274.如权利要求273所述的系统,其中,存储库包括压力容器、管道或洞室中的至少一者。
275.如权利要求268所述的系统,还包括选择性地流体连接到气缸组件中的一个的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到周围大气中。
276.一种能量恢复的方法,该方法包括:
驱动泵气缸内的活塞以将传热液体从其中转移给泡沫生成机构;
将压缩气体转移到气缸组件或泡沫生成机构;
经由泡沫生成机构(i)通过混合传热液体与压缩气体而形成泡沫,以及(ii)将泡沫引入到气缸组件中;
在气缸组件内膨胀泡沫,该膨胀驱动气缸组件内的活塞;以及
将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出。
277.如权利要求276所述的方法,其中,压缩气体从第一存储库转移到气缸组件。
278.如权利要求277所述的方法,还包括:将传热液体从第二存储库转移到泵气缸中。
279.如权利要求278所述的方法,其中,第一存储库和第二存储库是相同的。
280.如权利要求279所述的方法,还包括:
将膨胀的泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分;以及
将液态组分转移到第一存储库。
281.如权利要求280所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离膨胀的泡沫的至少一部分。
282.如权利要求281所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的泡沫的所述至少一部分。
283.如权利要求278所述的方法,其中,第二存储库是分离的并且与第一存储库不同。
284.如权利要求283所述的方法,其中,第一存储库内的存储压力高于第二存储库内的存储压力。
285.如权利要求283所述的方法,还包括:
将膨胀的泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分;以及
将液态组分转移到第二存储库。
286.如权利要求285所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离膨胀的泡沫的所述至少一部分。
287.如权利要求286所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的泡沫的所述至少一部分。
288.如权利要求276所述的方法,还包括:在传热液体进入泡沫生成机构之前,热调节传热液体。
289.如权利要求276所述的方法,其中,泡沫生成机构位于气缸组件内。
290.如权利要求276所述的方法,其中,泡沫生成机构位于气缸组件的外部,并且通过导管连接到气缸组件。
291.如权利要求276所述的方法,其中,泵气缸内的活塞和气缸组件被同时驱动。
292.如权利要求276所述的方法,还包括:将膨胀的泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分。
293.如权利要求292所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离膨胀的泡沫的所述至少一部分。
294.如权利要求293所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离膨胀的泡沫的所述至少一部分。
295.如权利要求276所述的方法,其中,将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出包括将膨胀的泡沫的气态部分排出到周围大气中。
296.如权利要求276所述的方法,其中,将膨胀的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出包括将膨胀的泡沫或其气态组分转移到第二气缸组件中以进行进一步的膨胀。
297.如权利要求276所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
298.如权利要求276所述的方法,还包括:通过控制传热液体至泡沫生成机构中的转移速率来控制泡沫的含气率。
299.如权利要求298所述的方法,还包括:感测气缸或泡沫生成机构中的至少一者内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
300.一种能量存储的方法,该方法包括:
驱动泵气缸内的活塞以将传热液体从其中转移给泡沫生成机构;
将气体转移到气缸组件或泡沫生成机构;
经由泡沫生成机构(i)通过混合传热液体与压缩气体来形成泡沫,以及(ii)将泡沫引入到气缸组件中;
驱动气缸组件内的活塞以压缩气缸组件内的泡沫;以及
将压缩的泡沫的至少一部分从气缸组件中排出。
301.如权利要求300所述的方法,其中,将压缩的泡沫的所述至少一部分从气缸组件中排出包括将压缩的泡沫转移到第一存储库中。
302.如权利要求300所述的方法,其中,将压缩的泡沫的所述至少一部分从气缸组件中排出包括将压缩的泡沫的气态组分转移到第一存储库中。
303.如权利要求302所述的方法,其中,将压缩的泡沫的所述至少一部分从气缸组件中排出包括将压缩的泡沫的液态组分转移到第二存储库中。
304.如权利要求303所述的方法,其中,第一存储库和第二存储库是相同的。
305.如权利要求303所述的方法,其中,第二存储库是分离的并且与第一存储库不同。
306.如权利要求305所述的方法,其中,第一存储库内的存储压力高于第二存储库内的存储压力。
307.如权利要求300所述的方法,还包括:在传热液体进入泡沫生成机构之前,热调节传热液体。
308.如权利要求300所述的方法,其中,泡沫生成机构位于气缸组件内。
309.如权利要求300所述的方法,其中,泡沫生成机构位于气缸组件的外部,并且通过导管连接到气缸组件。
310.如权利要求300所述的方法,其中,泵气缸内的活塞和气缸组件同时被驱动。
311.如权利要求300所述的方法,还包括:将膨胀的泡沫的至少一部分分离成气态和液态组分。
312.如权利要求311所述的方法,其中,经由机械分离或施加超声能量中的至少一者来分离压缩的泡沫的所述至少一部分。
313.如权利要求312所述的方法,其中,通过叶片、剪切器、挡板或离心分离机中的至少一者经由机械分离来分离压缩的泡沫的所述至少一部分。
314.如权利要求300所述的方法,其中,气体从周围大气转移到气缸组件或泡沫生成机构中。
315.如权利要求300所述的方法,在气体在第二气缸组件内压缩之后,气体从所述第二气缸组件转移到所述气缸组件或所述泡沫生成机构中。
316.如权利要求300所述的方法,其中,泡沫的泡沫质量比选自1-4的范围。
317.如权利要求300所述的方法,还包括:通过控制传热液体至泡沫生成机构中的转移速率来控制泡沫的含气率。
318.如权利要求317所述的方法,还包括:感测气缸或泡沫生成机构中的至少一者内的压力或温度中的至少一者,其中,响应于该压力或温度中的至少一者来控制转移速率。
319.一种能量存储和恢复系统,包括:
第一气缸组件,用于压缩以存储能量或膨胀以恢复能量中的至少一者,该第一气缸组件包括:(i)第一气缸,(ii)至少部分地位于第一气缸内的第一泵机构,用于从第一气缸循环传热流体,以及(iii)第一泡沫生成机构,用于将传热流体与气体混合以形成泡沫,并且将泡沫引入到第一气缸内;以及
第二气缸组件,用于压缩以存储能量或膨胀以恢复能量中的至少一者,该第二气缸组件包括:(i)第二气缸,(ii)至少部分地位于第二气缸内并且选择性地流体连接到第一泡沫生成机构的第二泵机构,用于从第二气缸循环传热流体,以及(iii)第二泡沫生成机构,用于将传热流体与气体混合以形成泡沫,并且将泡沫引入到第二气缸内,第二泡沫生成机构选择性地流体连接到第一泵机构。
320.如权利要求319所述的系统,其中,第一泵机构包括:
位于第一气缸内并且将第一气缸分为两个隔室的第一活塞;
耦接至第一活塞的第一活塞杆,该第一活塞杆包括第一腔;以及
至少部分地位于第一腔内并且延伸穿过第一气缸的至少一部分的第一中空管,
其中,第一中空管和第一活塞杆之间的相对运动使传热流体循环进或循环出第一腔。
321.如权利要求320所述的系统,其中,第二泵机构包括:
位于第二气缸内并且将第二气缸分为两个隔室的第二活塞;
耦接至第二活塞的第二活塞杆,该第二活塞杆包括第二腔;以及
至少部分地位于第二腔内并且延伸穿过第二气缸的至少一部分的第二中空管,
其中,第二中空管和第二活塞杆之间的相对运动使传热流体循环进或循环出第二腔。
322.如权利要求321所述的系统,其中,第一活塞杆和第二活塞杆机械地耦接到共同的曲柄轴。
323.如权利要求319所述的系统,还包括第一热交换子系统,用于热调节循环到第一泡沫生成机构的传热流体。
324.如权利要求323所述的系统,其中,第一热交换子系统包括热交换器。
325.如权利要求323所述的系统,其中,第一热交换子系统流体连接到第一泡沫生成机构和第二泵机构。
326.如权利要求319所述的系统,还包括第二热交换子系统,用于热调节循环到第二泡沫生成机构的传热流体。
327.如权利要求326所述的系统,其中,第二热交换子系统包括热交换器。
328.如权利要求326所述的系统,其中,第二热交换子系统流体连接到第二泡沫生成机构和第一泵机构。
329.如权利要求319所述的系统,还包括选择性地流体连接到第一气缸组件和第二气缸组件的第一存储库,该第一存储库用于存储气体或传热流体中的至少一者。
330.如权利要求329所述的系统,还包括选择性地流体连接到第一气缸组件和第二气缸组件的第二存储库,该第二存储库用于存储气体或传热流体中的至少一者。
331.如权利要求330所述的系统,其中,第一存储库的存储压力高于第二存储库的存储压力。
332.如权利要求330所述的系统,其中,第一存储库或第二存储库中的至少一者选择性地流体连接到第一泵机构或第二泵机构中的至少一者。
333.如权利要求319所述的系统,其中,第一泡沫生成机构位于第一气缸内。
334.如权利要求319所述的系统,其中,第一泡沫生成机构位于第一气缸的外部,并且通过导管连接到第一气缸。
335.如权利要求319所述的系统,其中,第二泡沫生成机构位于第二气缸内。
336.如权利要求319所述的系统,其中,第二泡沫生成机构位于第二气缸的外部,并且通过导管连接到第二气缸。
337.如权利要求319所述的系统,其中,第一泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一者。
338.如权利要求319所述的系统,其中,第二泡沫生成机构包括一个或多个喷嘴、旋转叶片、超声能量源或鼓泡器中的至少一者。
339.一种利用能量恢复系统的能量恢复方法,该能量恢复系统包括:(i)第一气缸组件,该第一气缸组件包括第一气缸、第一泵机构和第一泡沫生成机构,以及(ii)第二气缸组件,该第二气缸组件包括第二气缸、第二泵机构和第二泡沫生成机构,该方法包括:
利用第一气缸组件执行膨胀冲程,该膨胀冲程包括:(i)将传热流体与气体在第一泡沫生成机构中混合以形成泡沫,(ii)在第一气缸内膨胀泡沫,以及(iii)将传热流体引入到第一泵机构中;以及
在此期间,利用第二气缸组件执行排气冲程,该排气冲程包括:(i)将泡沫或其气态组分从第二气缸中排出,以及(ii)利用第二泵机构将传热流体泵送到第一泡沫生成机构。
340.如权利要求339所述的方法,还包括:
利用第二气缸组件执行膨胀冲程,该膨胀冲程包括:(i)将传热流体与气体在第二泡沫生成机构中混合以形成第二泡沫,(ii)在第二气缸内膨胀第二泡沫,以及(iii)将传热流体引入到第二泵机构中;以及
在此期间,利用第一气缸组件执行排气冲程,该排气冲程包括:(i)将泡沫或其气态组分从第一气缸中排出,以及(ii)利用第一泵机构将传热流体泵送到第二泡沫生成机构。
341.如权利要求339所述的方法,其中,排气冲程包括在传热流体进入第一泡沫生成机构之前热调节利用第二泵机构泵送的传热流体。
342.如权利要求341的所述的方法,其中,热调节传热流体包括加热传热流体。
343.一种利用能量恢复系统的能量存储方法,该能量恢复系统包括:(i)第一气缸组件,该第一气缸组件包括第一气缸、第一泵机构和第一泡沫生成机构,以及(ii)第二气缸组件,该第二气缸组件包括第二气缸、第二泵机构和第二泡沫生成机构,该方法包括:
利用第一气缸组件执行压缩冲程,该压缩冲程包括:(i)在第一气缸内压缩第一泡沫生成机构生成的泡沫,以及(ii)利用第一泵机构将传热流体泵送到第二泡沫生成机构;以及
在此期间,在第二气缸组件内执行压缩冲程,该压缩冲程包括:(i)在第二气缸内压缩第二泡沫生成机构生成的第二泡沫,以及(ii)利用第二泵机构将传热流体泵送到第一泡沫生成机构。
344.如权利要求343所述的方法,还包括:
利用第一气缸组件执行进气冲程,该进气冲程包括:(i)在第一气缸内接收气体,以及(ii)将传热流体引入到第一泵机构中;以及
在此期间,利用第二气缸组件执行进气冲程,该进气冲程包括:(i)在第二气缸内接收气体,以及(ii)将传热流体引入到第二泵机构中。
345.如权利要求343所述的方法,其中,第一气缸组件的压缩冲程包括在传热流体进入第二泡沫生成机构之前热调节利用第一泵机构泵送的传热流体。
346.如权利要求345的所述的方法,其中,热调节传热流体包括冷却传热流体。
347.如权利要求343所述的方法,其中,第二气缸组件的压缩冲程包括在传热流体进入第一泡沫生成机构之前热调节利用第二泵机构泵送的传热流体。
348.如权利要求347所述的方法,其中,热调节传热流体包括冷却传热流体。
349.一种用于高效的电力需求响应的系统,该系统包括:
第一能量存储系统,用于响应于最高达第一电力需求水平的需求提供电力;
连接到第一能量存储系统的第二能量存储系统,用于响应于高于第一电力需求水平的需求提供电力;以及
热交换子系统,用于热调节第一能量存储系统或第二能量存储系统中的至少一者的至少一部分,由此增加第一能量存储系统和第二能量存储系统的总体效率。
350.如权利要求349所述的系统,其中,第一能量存储系统包括电池、飞轮或超级电容器中的至少一者。
351.如权利要求349所述的系统,其中,第二能量存储系统包括通过膨胀压缩的气体提供电力的压缩气体能量存储系统。
352.如权利要求349所述的系统,其中,第一能量存储系统和第二能量存储系统并联连接到电网上。
353.如权利要求349所述的系统,其中,第一电力需求水平大约为500kW。
354.如权利要求349所述的系统,其中,热交换子系统从第一能量存储系统中恢复热能,从而在第二能量存储系统中热调节下述各项中的至少一者:(i)传热流体,用于热调节经历膨胀或压缩中的至少一者的气体或用于与气体混合以形成泡沫,(ii)经历膨胀或压缩中的至少一者的气体或泡沫,或(iii)在膨胀之前存储在存储库中的气体或泡沫。
355.如权利要求349所述的系统,其中,热交换子系统包括与第一能量存储系统关联的第一热交换器以及与第二能量存储系统关联的第二热交换器,该第二热交换器(i)与第一热交换器分离并且(ii)能够选择性地流体连接到第一热交换器。
356.如权利要求355所述的系统,其中,第一热交换器流体连接到第一散热器或第一热井中的至少一者,并且第二热交换器流体连接到第二散热器或第二热井中的至少一者。
357.一种电力输送方法,该方法包括:
检测随时间变化的电力需求水平;
当电力需求水平小于或等于阈值水平时从第一能量存储系统供应电力;
当电力需求水平大于阈值水平时从第二能量存储系统供应电力;以及
热调节第一能量存储系统或第二能量存储系统中的至少一者的至少一部分,由此增加第一能量存储系统和第二能量存储系统的总体效率。
358.如权利要求357所述的方法,其中,仅当电力需求水平小于或等于阈值水平时,才从第一能量存储系统供应电力。
359.如权利要求357所述的方法,其中,仅当电力需求水平大于阈值水平时,才从第二能量存储系统供应电力。
360.如权利要求357所述的方法,其中,热调节第一能量存储系统或第二能量存储系统中的至少一者的至少一部分包括从第一能量存储系统中恢复热能,并且利用恢复的热能来热调节第二能量存储系统的至少一部分。
361.如权利要求360所述的方法,其中,热调节第二能量存储系统的至少一部分包括热调节下述各项中的至少一者:(i)用于热调节经历膨胀或压缩中的至少一者的气体或用于与气体混合以形成泡沫的传热流体,(ii)经历膨胀或压缩中的至少一者的气体或泡沫,或(iii)在膨胀之前存储在压缩气体库中的气体或泡沫。
362.如权利要求357所述的方法,其中,通过公用总线从第一能量存储系统和第二能量存储系统供应电力。
363.如权利要求357所述的方法,其中,从第二能量存储系统供应电力包括膨胀气体或泡沫中的至少一者以从中恢复能量。
364.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体;
在压缩之前或压缩期间中的至少一者时,将传热液体从热井引入到气体中,该传热液体在压缩期间从气体吸收热能;
将传热液体的至少一部分转移回到热井中以在其中存储热能;
此后,在动力单元中膨胀气体;以及
在膨胀之前或膨胀期间中的至少一者时,将传热液体从热井引入到气体中,该气体在膨胀期间从传热液体吸收热能。
365.如权利要求364所述的方法,其中,通过将传热液体喷洒到气体中而将传热液体引入到气体中。
366.如权利要求364所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
367.如权利要求366所述的方法,还包括:在将传热液体的至少一部分转移回到热井中之前,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
368.如权利要求364所述的方法,其中,在压缩之前或压缩期间中的至少一者时引入传热液体使得大致等温地进行压缩。
369.如权利要求364所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间中的至少一者时引入传热液体使得大致等温地进行膨胀。
370.如权利要求364所述的方法,还包括在热井中存储动力单元产生的废热能量。
371.如权利要求364所述的方法,还包括在热井和周围环境之间交换热能。
372.如权利要求371所述的方法,其中,当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,在热井和周围环境之间交换热能。
373.如权利要求364所述的方法,其中,在压缩之前或压缩期间中的至少一者时引入到气体中的传热液体的温度低于环境温度。
374.如权利要求364所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间中的至少一者时引入到气体中的传热液体的温度高于环境温度。
375.如权利要求364所述的方法,还包括:在压缩之后存储压缩的气体,其中,存储的压缩的气体在膨胀期间被膨胀。
376.如权利要求364所述的方法,其中,存储压缩的气体还包括以升高的温度存储传热流体。
377.如权利要求376所述的方法,还包括:将存储的传热流体转移到热井中,由此在其中存储热能。
378.如权利要求364所述的方法,还包括在膨胀之后将膨胀的气体排出到大气中。
379.一种能量存储和恢复系统,其被配置成与在其中容纳传热流体的热井一起使用,该系统包括:
包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者;
用于在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时将传热液体引入到气体中的机构,该机构被配置用于选择性地流体连接到热井;
用于选择性地将引入到气体中的传热液体转移回到热井中的导管;以及
热连接到动力单元和热井的废热热交换系统,其用于将来自动力单元的废热能量转移到热井中。
380.如权利要求379所述的系统,还包括环境热交换系统,其被配置用于热连接到热井和周围环境。
381.如权利要求380所述的系统,还包括控制系统,该控制系统用于(i)感测动力单元的操作状态,和(ii)仅当动力单元既未膨胀气体也未压缩气体时,操作环境热交换系统。
382.如权利要求379所述的系统,还包括选择性地流体连接到动力单元的库,该库用于存储压缩的气体。
383.如权利要求382所述的系统,其中,该库被配置用于选择性地流体连接到热井,从而使得传热液体能够在它们之间流动。
384.如权利要求379所述的系统,还包括选择性地流体连接到动力单元的排出口,该排出口用于将膨胀的气体排出到大气中。
385.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体或膨胀气体中的至少一者;以及
在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时,(i)从热井中以第一温度撤回传热液体,(ii)热调节传热液体,由此使其达到不同于第一温度的第二温度,以及(iii)将热调节过的传热液体引入到气体中以与其交换热量。
386.如权利要求385所述的方法,其中,气体和热调节过的传热液体之间的热交换使得大致等温地进行压缩或膨胀中的至少一者。
387.如权利要求385所述的方法,其中,将热调节过的传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
388.如权利要求385所述的方法,其中,将热调节过的传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
389.如权利要求388所述的方法,还包括:在压缩或膨胀中的至少一者之后,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
390.如权利要求385所述的方法,其中,热调节传热液体包括在传热液体和第二热井之间传输热能,该第二热井与该热井分离,并且未流体连接到该热井。
391.如权利要求390所述的方法,还包括在第二热井中存储动力单元产生的废热能量。
392.如权利要求390所述的方法,还包括在第二热井和周围环境之间交换热能。
393.如权利要求392所述的方法,其中,当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,在第二热井和周围环境之间交换热能。
394.一种能量存储和恢复系统,包括:
包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者;
用于在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时将传热液体引入到气体中的机构;
选择性地流体连接到该机构的热井,该热井用于在其中容纳传热液体;
连接在热井和动力单元之间的热交换器,该热交换器用于热调节从热井流向动力单元的传热液体;以及
与热交换器关联且与热井分离的第二热井,该第二热井用于存储来自传热流体的热能或将热能供应给传热流体中的至少一者。
395.如权利要求394所述的系统,还包括用于用于将引入到气体中的传热液体转移回到热井中的导管。
396.如权利要求394所述的系统,还包括热连接到动力单元和第二热井的废热热交换系统,其用于将来自动力单元的废热能量转移到第二热井中。
397.如权利要求394所述的系统,还包括环境热交换系统,其热连接到第二热井和周围环境。
398.如权利要求394所述的系统,其中,热交换器位于第二热井内。
399.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体或膨胀气体中的至少一者;以及
在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时,(i)从第一热井中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到不同于第一温度的第二温度;以及
将第二温度的传热液体转移到第二热井中,该第二热井与第一热井分离并且未流体连接到第一热井。
400.如权利要求399所述的方法,其中,气体和传热液体之间的热交换使得大致等温地进行压缩或膨胀中的至少一者。
401.如权利要求399所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
402.如权利要求399所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
403.如权利要求402所述的方法,还包括:在将传热液体转移到第二热井中之前,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
404.如权利要求399所述的方法,还包括在第二热井中存储动力单元产生的废热能量。
405.如权利要求399所述的方法,还包括在周围环境和第一热井或第二热井中的至少一者之间交换热能。
406.如权利要求405所述的方法,其中,当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,与周围环境交换热能。
407.一种能量存储和恢复系统,包括:
包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者;
用于在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时将传热液体引入到气体中的机构;
选择性地流体连接到该机构的(i)第一热井,该第一热井用于在其中容纳第一温度的传热液体,以及(ii)第二热井,该第二热井与第一热井分离,用于在其中容纳第二温度的传热液体,第二温度不同于第一温度;以及
控制系统,用于(i)在压缩之前或压缩期间的至少一者时,将传热液体(a)从第一热井路由到气体中,和(b)从动力单元路由到第二热井中,以及(ii)在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时,将传热液体(a)从第二热井路由到气体中,和(b)从动力单元路由到第一热井中。
408.如权利要求407所述的系统,还包括热连接到动力单元和第二热井的废热热交换系统,其用于将来自动力单元的废热能量转移到第二热井中。
409.如权利要求407所述的系统,还包括环境热交换系统,其热连接到第一热井和周围环境。
410.如权利要求407所述的系统,还包括环境热交换系统,其热连接到第二热井和周围环境。
411.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体或膨胀气体中的至少一者;以及
在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时,(i)从库中以第一温度撤回传热液体,(ii)热调节传热液体,由此使其达到不同于第一温度的第二温度,以及(iii)将热调节过的传热液体引入到气体中以与其交换热量,
其中,热调节传热液体包括在传热液体和从具有第三温度的第一热井流向第二热井的储热液体之间交换热能,该第二热井(i)与第一热井分离,并且(ii)具有不同于第三温度的第四温度。
412.如权利要求411所述的方法,其中,传热液体和储热液体在传热液体的热调节期间不混合。
413.如权利要求411所述的方法,其中,气体和热调节过的传热液体之间的热交换使得大致等温地进行压缩或膨胀中的至少一者。
414.如权利要求411所述的方法,其中,将热调节过的传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
415.如权利要求411所述的方法,其中,将热调节过的传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热流体和气体。
416.如权利要求415所述的方法,还包括:在压缩或膨胀中的至少一者之后,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
417.一种能量存储和恢复系统,包括:
包括气缸组件的动力单元,该气缸组件用于在其中压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者;
用于在压缩或膨胀的至少一者之前或期间中的至少一者时将传热液体引入到气体中的机构;
选择性地流体连接到该机构的库,该库用于在其中容纳传热液体;
连接在库和动力单元之间的热交换器,该热交换器用于热调节从库流向动力单元的传热液体;以及
与热交换器关联且不与库流体连接的(i)第一热井,该第一热井用于容纳第一温度的储热液体,和(ii)第二热井,该第二热井用于容纳不同于第一温度的第二温度的储热液体,储热液体在第一热井和第二热井之间的流动热调节传热流体。
418.如权利要求417所述的系统,还包括用于将引入到气体中的传热液体转移回到库中的导管。
419.如权利要求417所述的系统,还包括热连接到动力单元和第二热井的废热热交换系统,其用于将来自动力单元的废热能量转移到第二热井中。
420.如权利要求417所述的系统,还包括环境热交换系统,其热连接到第一热井和周围环境。
421.如权利要求417所述的系统,还包括环境热交换系统,其热连接到第二热井和周围环境。
422.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体;以及
在压缩之前或压缩期间的至少一者时,(i)从液体库中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到高于第一温度的第二温度;以及
将第二温度的传热液体和压缩的气体都转移到压缩气体存储器。
423.如权利要求422所述的方法,其中,气体和传热液体之间的热交换使得大致等温地进行压缩。
424.如权利要求422所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
425.如权利要求422所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
426.如权利要求425所述的方法,其中,将第二温度的传热液体和压缩的气体都转移到压缩气体存储器包括将泡沫转移到压缩气体存储器中。
427.如权利要求422所述的方法,还包括:
将压缩的气体从压缩气体存储器转移到动力单元;
在动力单元中膨胀压缩的气体;
在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时,(i)从压缩气体存储器中以第三温度撤回传热液体,(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到低于第三温度的第四温度;以及
将传热液体转移到液体库。
428.如权利要求427所述的方法,其中,气体和传热液体之间的热交换使得大致等温地进行膨胀。
429.如权利要求427所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时将传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
430.如权利要求427所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时将传热液体引入到气体中形成了泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
431.如权利要求430所述的方法,还包括:在将传热液体转移到液体库之前,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
432.如权利要求422所述的方法,还包括在压缩气体存储器中存储动力单元产生的废热能量。
433.如权利要求422所述的方法,还包括在周围环境和压缩气体存储器之间交换热能。
434.如权利要求433所述的方法,其中,当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,与周围环境交换热能。
435.一种利用动力单元的能量存储和恢复的方法,该动力单元包括用于压缩气体以存储能量或膨胀气体以恢复能量中的至少一者的气缸组件,该方法包括:
在动力单元中压缩气体;以及
在压缩之前或压缩期间的至少一者时,(i)从第一热井中以第一温度撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量,热交换使得传热液体达到高于第一温度的第二温度;
将压缩的气体转移到压缩气体存储器;以及
将第二温度的传热液体转移到压缩气体存储器或第二热井中的至少一者中,该第二热井与第一热井分离。
436.如权利要求435所述的方法,还包括:
将压缩的气体从压缩气体存储器转移到动力单元;
在动力单元中膨胀压缩的气体;以及
在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时,(i)从压缩气体存储器或第二热井中的至少一者中撤回传热液体,以及(ii)将传热液体引入到气体中以与其交换热量;以及
将传热液体转移到第一热井。
437.如权利要求436所述的方法,其中,在动力单元中膨胀压缩的气体包括在各自跨越不同压力范围的第一阶段和第二阶段中膨胀压缩的气体。
438.如权利要求437所述的方法,其中,(i)在第一阶段中,在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时,传热液体从压缩气体存储器中撤回,以及(ii)在第二阶段中,在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时,传热液体从第二热井中撤回。
439.如权利要求436所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间中的至少一者时,气体和传热液体之间的热交换使得大致等温地进行膨胀。
440.如权利要求436所述的方法,其中,在膨胀之前或膨胀期间的至少一者时将传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
441.如权利要求436所述的方法,其中,将传热液体引入到气体中形成泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
442.如权利要求441所述的方法,还包括:在将传热液体转移到第一热井中之前,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体。
443.如权利要求435所述的方法,其中,在动力单元中压缩气体包括在各自跨越不同压力范围的第一阶段和第二阶段中压缩气体。
444.如权利要求443所述的方法,其中,(i)在第一阶段中,在压缩之后或压缩期间,传热液体被转移到压缩气体存储器,以及(ii)在第二阶段中,在压缩之后或压缩期间,传热液体被转移到第二热井。
445.如权利要求435所述的方法,其中,在压缩之前或压缩期间中的至少一者时,气体和传热液体之间的热交换使得大致等温地进行压缩。
446.如权利要求435所述的方法,其中,在压缩之前或压缩期间的至少一者时将传热液体引入到气体中包括将热调节过的传热液体喷洒到气体中。
447.如权利要求435所述的方法,其中,在压缩之前或压缩期间的至少一者时将传热液体引入到气体中形成了泡沫,该泡沫包括传热液体和气体。
448.如权利要求447所述的方法,还包括:在将第二温度的传热液体转移到压缩气体存储器或第二热井中的至少一者之前,将泡沫的至少一部分分离成气体和传热液体,该第二热井与第一热井分离。
449.如权利要求435所述的方法,还包括在第二热井中存储动力单元产生的废热能量。
450.如权利要求435所述的方法,还包括在周围环境和第一热井或第二热井中的至少一者之间交换热能。
451.如权利要求450所述的方法,其中,当动力单元既未进行压缩也未进行膨胀时,与周围环境交换热能。
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