通過氣體的快速等溫膨脹和壓縮來儲存和再生能量的系統和方法

專利名稱：通過氣體的快速等溫膨脹和壓縮來儲存和再生能量的系統和方法
技術領域：
本發明涉及使用壓縮氣體儲存和再生電能的系統和方法，尤其涉及通過氣體的快速等溫膨脹和壓縮提高該系統和方法的效率的系統和方法。
背景技術：
隨著世界對電能需求的增加，現有的電網負荷已經超過了其連續地滿足這一需求的能力。在美國的某些地區，由于不能滿足峰值需求，已經導致了由于系統過載造成的不受歡迎的限制用電和電力中斷，以及非重要用戶故意的"輪流燈火管制(rolling blackouts)“，以便應對過度需求。多數時候，高峰需電量出現在白天(和在某些季節，例如夏天)，此時，工商業使用大量電力以運行設備、加熱器、空調、照明等等。因此，在夜間對電力的需要常常顯著地降低，并且大多數地區的現有電網通常可毫無問題地處理這一負荷。為了應對高峰需電量時電力缺乏，用戶被要求在可能的情況下儲存電力。電力公司常常使用可快速布置的燃氣輪機來補充生產以滿足要求。然而，這些設備要燃燒高價的燃料源，例如天然氣，并且和燃煤系統及其他大型發電機相比，具有更高的生產成本。因此， 補充能源會有經濟上的的劣勢，并且無論如何只能在發展中地區和經濟性上提供部分解決方案。最明顯的解決方案包括建設新的發電廠，但是這很昂貴并且帶來環境的副作用。此外，因為大多數發電廠當進行相對連續的生產時才有高效率，在峰值和非峰值之間的需電量的差別常常導致在非峰荷期運行浪費，例如在戶外地區的過度照明，因為電力是以非峰荷的較低的價格出售的。因此，有必要以這樣的方式應對電力需求的波動，不需要建設新的電廠，并可在尖峰需電量的期間提供超額容量，來在發電設備上運行，或者在小規模的現場在電氣用戶的設備上運行(當電力網過載時，允許用戶在尖峰需電量期間給自身提供附加電力)。
對輸送所發的電力的均衡能力極度期望的另一個情形出現在具有間斷發電循環的自給式發電系統中。一個實施例是位于遠離電力連接處的太陽能電池板陣列。白天該陣列可以較好地發電幾個小時，但是在光線不足或暗淡的其余時間內不能工作。在所有情況下，快速地和應需地達到電力生產的平衡或更高功率的供應可以通過本地備用發電機來滿足。然而，此類發電機通常是昂貴的，并且使用高價燃料，例如天然氣或柴油，而且由于它們的固有噪聲和輻射對環境也有損害。因此，非常希望有這樣一種方法，當不需要時(例如在非峰荷時間)，允許儲存能源，并且可以快速地把電力輸送回用戶。已經獲得多種方法來存儲多余電力，以便稍后的輸送。一種新的方法包括利用被驅動的飛輪，其通過馬達旋轉而抽取多余電力。當需要電力時，飛輪的慣性通過馬達或另一連接的發電機獲取，以將電力輸送回電力網和/或用戶。然而，飛輪設備的制造和安裝花費高昂，并且需要定期進行昂貴的保養。另一個儲存電力的方法是利用電池。然而，許多大型電池使用鉛電極和酸性電解液，并且這些元件對環境有危害。電池必須通常成排布設來存入真正的電力，而且單個的電池可能壽命相對較短(通常3-7年)。因此，為維護電池存儲系統，大量笨重的、存在風險的電池組必須定期更換，而且這些舊的電池必須再循環利用，或者恰當地處理。電能還可以儲存在超級容器內。電容器通過電流來充電，以便存儲電荷，在需要時可被快速地輸出。適當的功率調節電路可用來將電力轉換成適當的相位和頻率的直流電。 然而，存儲實際的電力需要大規模的此類電容器。盡管較之電池，超級電容器對環境更無害和壽命較長，但其基本上更昂貴，而且由于固有的電介質的故障等等，仍然需要周期性置換。另一個儲存電能用于以后配電的方法是利用大規模的壓縮空氣的容器。背景如下，在洛桑工業大學的Sylvain Lemofouet-Gatsi撰寫發表(2006年10月20 日)的題為"基于空氣和超級電容器的混合電力存儲系統的調查和優化"論文(以下稱〃 Lemofouet-Gatsi 〃)中，章節2. 2. 1展示并描述了一種稱為壓縮空氣能量儲存 (CAES)系統，其公開的內容在此以引用方式被整體結合。如Lemofouet-Gatsi所述，CAES 的原理得自常態燃氣輪機循環(其中約略66%的生產電力用來壓縮空氣)分離成兩個獨立的階段壓縮階段和發電階段，壓縮階段來自非峰荷期設備的低成本的電力用來將空氣壓縮進入地下鹽洞內，發電階段是在高峰需電量期間，來自儲存在洞窟中的預壓縮空氣通過加熱同流換熱器被預熱，然后與油或氣體混合，并燃燒供給多級的膨脹渦輪來生產電力。壓縮循環從燃燒循環的功能分離允許CAES工廠用同樣數量的燃料相比簡單循環的天然氣發電廠多產生三倍電力。Lemofouet-Gatsi還公開了，“ CAES具有下列優點，無需大型昂貴的安裝，并可用于長時間(一年以上)儲存能量。它還具有快速起動時間(9至12分鐘)，這使其適于電力網運行，并且溫室氣體的排放比通常的燃氣發電廠的排放更低，這是由于降低了燃料消耗。CAES的主要缺點可能是依賴于地質構造，這實質上限制了這一存儲方法的應用。此外， CAES發電廠不是零排放的，因為預壓縮空氣在膨脹前是通過化石燃料燃燒器加熱的。而且， [CAES工廠]就其效率而論，是受限制的，由于壓縮熱通過內部冷卻劑的損失必須通過燃料燃燒膨脹期間得到補償。傳統的CAES仍然依靠化石燃料的消耗，這一事實使得評估它的電力來回轉換過程的效率，以及與傳統的免燃料存儲技術作比較都很困難。“
在以上描述的壓縮空氣能量儲存方法中提出了許多變化，其中一些試圖利用電力而非燃料來加熱膨脹空氣。其它的使用與熱交換的儲熱器來盡可能地提取和再生同樣多的熱能，由此希望提高效率。還有些方法使用壓縮氣體驅動的活塞馬達，馬達既用作壓縮機， 又用作發電機，在循環的兩端驅動。通常，由于在高壓下，圍繞密封部位有滲漏趨勢，高壓氣體用于馬達工質的使用會面臨很多挑戰，而且在急劇膨脹時，還會面臨熱量損耗。而熱交換解決方案可以處理其中的一些問題，效率仍然要根據加熱壓縮氣體的需要是否優先于從高壓膨脹到大氣壓下來折衷。已經認識到氣體儲存能量的高效介質。液體是不可壓縮的，并高效地流過葉輪或其它運動部件，以轉動發電機組。一種使用壓縮氣體來儲存能量的能量儲存方法一但是其使用如液壓液之類的液體而非壓縮氣體來驅動發電機一是所謂的封閉大氣液壓氣壓系統 (closed-air hydraulic-pneumatic system)。這樣的系統采用一個或多個具有壓縮氣體充填的高壓儲罐(蓄能器)，高壓儲罐被活動的壁板或柔性囊膜與充填的液壓液分隔開。液壓液與雙向葉輪(或其它液壓馬達/泵)相連，后者自身與組合電動機/發電機相連。葉輪的另一側與液壓液的低壓容器相連。在儲存階段，電動機和葉輪克服壓縮空氣的壓力推動來自低壓的液壓液容器的液壓液進入高壓儲罐。由于不可壓縮液體充滿儲罐，它迫使空氣進入較小空間，從而壓縮空氣到更高的壓力。在發電階段期間，流體管路以反方向運行， 并且葉輪被在壓縮氣體的壓力下從高壓儲罐溢出的流體推動。該封閉大氣方法的優勢在于，由于空氣被密封在箱內，決不會從大氣壓力下壓縮或膨脹至大氣壓力下。美國專利No. 5，579，640顯示并描述了一個封閉大氣系統的實施例， 其中披露的內容由此通過引用被完整地結合在此。封閉大氣系統趨于較低的能量密度。也就是說，可能壓縮的量由儲罐空間的尺寸限制。此外，因為當流體被移除時，空氣沒有完全減壓，仍然有系統中不能被處理的另外的能量。為獲得合適的用于大型的能量儲存的封閉大氣系統，需要許多大的蓄能器儲罐，這就提高了運行該系統的總成本，并且這么做需要更多土地。另一個混合的液壓氣壓能量儲存方法是開放大氣系統。在一示例性的開放大氣系統中，壓縮空氣儲存在大型的獨立的高壓儲罐(或多個儲罐)內。提供一對蓄能器，每一個都有流體側，其通過一活動的活塞壁與氣體側隔開。一對(或更多對)的蓄能器的流體側通過葉輪/發電機/馬達的組合連接在一起。每一蓄能器的氣壓側與高壓空氣儲罐以及閥驅動的大氣通風口相連。在空氣容室側發生膨脹的情形下，在一個蓄能器中的流體被驅動通過葉輪以產生電力，然后流過的流體接著流入第二蓄能器，此時第二蓄能器的氣壓側通風至大氣，從而使得流體聚集在第二蓄能器。在儲存階段，電能可直接用來經由壓縮機再裝填壓力儲罐，或蓄能器可反向運行以給壓力儲罐加壓。美國專利No. 6，145，311(簡稱'311 專利)顯示并描述了該開放大氣構思的型式，其中披露的內容由此通過引用被完整地結合在此。該開放大氣系統的設計的劣勢可包括氣體泄漏、復雜、費用，并且取決于預定的布置的可能的不適用。另外，還有期望的方案能解決電力需求的波動、還有環境條件以及使用可再生能源。隨著對可再生能源的需求增加，某些可再生能源的來源(例如，風和太陽)的間斷的屬性對電網是不斷增加的負擔。使用能量儲存的一個關鍵因素在于應對通過可再生能源生產的電力的間斷屬性，更一般地，在于轉換所產生的能源至高峰時的需要。
如上所討論的，采用壓縮空氣的方式儲能具有很長的歷史。然而，上述將壓縮空氣形式的勢能轉換為電能的方法大多數利用渦輪來使空氣膨脹，這是內在地絕熱過程。隨著氣體膨脹，如果沒有熱能輸入(絕熱氣體膨脹)，它會冷卻下來，在渦輪中的氣體膨脹也是如此。絕熱的氣體膨脹的優勢是可快速發生，因此導致大量能量在短時間內釋放。然而，如果相對于熱量流入氣體中所需要花費的時間而言，氣體膨脹緩慢發生，那么空氣在膨脹時會保持相對固定的溫度。在室溫存儲的高壓氣體(例如3000磅/平方英寸空氣)在等溫膨脹時，吸收大約二點五倍室溫氣體絕熱膨脹的能量。因此，等溫膨脹氣體具有顯著的能量優勢。根據先前的運行情況，某些壓縮氣體儲能裝置中，氣體從高氣壓的大容量源，例如大型的地下洞穴處發生膨脹，然后被引入到多階段燃氣輪機。因為在運行的每一階段都發生顯著的膨脹，氣體在每一階段都得到冷卻。為提高效率，氣體與燃料混合，然后點火，將其預熱到較高的溫度，從而提高動力和氣體的最后溫度。然而，燃燒化石燃料(或施加另一能源，例如電加熱)以補償絕熱膨脹的需要實質上排除了其它清潔、免排放儲存能量和恢復過程的目的。盡管提供引導熱交換的子系統給液壓缸/氣壓缸從技術上來說是可能的，但是， 例如外夾套對于汽缸的厚壁不是特別地有效。內在化的熱交換子系統容易想象可被直接安裝在汽缸的空氣一側之內；然而，尺寸限制會降低此類換熱器的效率，而且密封汽缸的任務，用附加的子系統安裝在其內，就顯得很重要了，利用傳統的市場上可買到的元件就很困難或不可能。因此，現有技術沒有公開可用于能量儲存和再生的快速等溫壓縮和膨脹氣體的系統和方法，以及考慮了以對環境友好的方式利用傳統的低成本的元件在其它方面的應用。

發明內容
在各個具體實施例中，本發明提供了儲能裝置系統，其基于開放大氣液壓氣壓布置，使用儲罐內的高壓氣體，該氣體小批量地從幾百個大氣壓的高壓膨脹至大氣壓力。本系統可以接近氣體的等溫膨脹和壓縮的比率來設計尺寸和運行。本系統還可根據需要通過連接到另外的蓄能器電路和儲罐中來擴展。按照本發明的系統和方法可允許高效的近等溫高壓縮和膨脹，從幾百個大氣壓至一個大氣壓或從一個大氣壓至幾百個大氣壓，以提供高得多的能量密度。本發明的具體實施例通過提供用于能量儲存和再生的系統克服了現有技術的劣勢，其使用開放空氣的液壓氣壓蓄能器和增強器布置，該布置在至少一個線路上運行，所述線路組合了蓄能器和增強器，增強器與線路的氣體側上的高壓氣體儲罐連通，，還包括連接至線路流體側的發電機/馬達組合的液壓馬達/泵組合。在一代表性的具體實施例中，膨脹/能量回收的方式，第一線路的蓄能器首先被充以來自容器的高壓氣體，然后容器與蓄能器的空氣容室隔斷。該氣體使得蓄能器內的流體被驅動穿過馬達/泵以產生電力。排出的流體被驅入相對的增強器內或者相對的第二線路的蓄能器內，后者的空氣容室連通至大氣。隨著蓄能器內的氣體膨脹到中等壓力，流體被排盡，然后蓄能器內的中等壓力氣體被連接到增強器，增強器具有作用于較小面積的流體活塞上的較大面積的空氣活塞。然后增強器內的流體在仍然高的流體壓力下被驅動通過馬達/泵，盡管增強器空氣容室內為中等壓力氣體。來自馬達/泵的流體被排入相對的第一蓄能器或者第二線路的增強器內，后者的空氣容室隨著對應的流體容室充滿排出的流體可連通至大氣。在壓縮/能量儲存階段，該工序被反轉過來，液壓馬達/泵被電力元件驅動，迫使流體進入增強器和蓄能器，以壓縮氣體并在高壓下把它輸送到儲罐容器中。這些系統的輸出功率取決于氣體可以多快速度等溫膨脹。因此，以更快的速度等溫膨脹/壓縮氣體的能力會帶來系統的更大的輸出功率。通過給這些系統增加熱傳遞子系統，所述的系統的功率密度可以被顯著地提高。在一方面，本發明涉及用于氣體的基本上等溫膨脹和壓縮的系統。該系統包括汽缸組件，其具有分級的氣壓側和液壓側以及熱傳遞子系統，兩側通過一活動的機械邊界機構被隔開，該機械邊界機構在二者之間傳輸能量，熱傳遞子系統與汽缸組件的氣壓側流體連通。可活動的機械邊界機構例如可以在汽缸(例如，活塞)內滑動式移動、膨脹/收縮 (例如氣囊)、和/或通過線性轉換器機械地連接液壓側和氣壓側。在一些具體實施例中，汽缸組件包括蓄能器或增強器中的至少一個。在一具體實施例中，熱傳遞子系統還包括循環設備，與汽缸組件的氣壓側流體連通，用于使流體循環流經熱傳遞子系統和換熱器。換熱器包括與循環設備和汽缸組件的氣壓側流體連通的第一側和與基本上具有恒溫的液體源流體連通的第二側。循環設備從汽缸組件的氣壓側流過換熱器，然后回到汽缸組件的氣壓側，形成循環。循環設備可以是正向位移泵，換熱器可以是殼管式或板式換熱器。另外，本系統可包括至少一個溫度傳感器，其與汽缸組件的氣壓側或者流出熱傳遞子系統的流體中的至少一個通信，還包括一用于接收來自至少一個溫度傳感器的遙測數據的控制系統，以便至少部分地基于接收的遙測數據控制熱傳遞子系統的操作。溫度傳感器可以通過直接溫度測量(例如，熱電偶或者熱敏電阻)或者根據壓力、位置和/或流量傳感器的間接測量來進行。在其它具體實施例中，熱傳遞子系統包括流體循環設備和熱傳遞流體容器。流體循環設備可以設置為將熱傳遞流體從容器泵入汽缸組件的氣壓側。在多個的具體實施例中，熱傳遞子系統包括設置在汽缸組件的空氣側的噴灑機構，用于引入熱傳遞流體。噴灑機構可以是噴頭和/或噴桿。在又一方面，本發明涉及分級能量轉換系統，其使用熱調節壓縮流體來存儲和再生電能。系統包括具有第一容室和第二容室的汽缸組件，容室被設置在汽缸內的可滑動活塞分隔開；與汽缸組件相連的傳動系統，其中傳動系統配置成在膨脹階段將勢能轉換為電能，在壓縮階段將電能轉換為勢能；以及熱傳遞子系統，與汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個流體連通。在系統的多個具體實施例中，汽缸組件可以是氣壓缸或者高壓氣壓缸，與低壓氣壓缸流體相連。進一步地，熱傳遞子系統可以包括流體循環設備和熱傳遞流體容器。在一具體實施例中，流體循環設備設置為將熱傳遞流體從容器泵入汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個中。熱傳遞子系統還可以包括換熱器。換熱器可以具有與流體循環設備和熱傳遞流體容器流體連通的第一側，以及與熱傳遞流體的熱傳遞流體源流體連通的第二側。在一具體實施例中，流體循環設備使流體從熱傳遞流體容器通過換熱器和汽缸組件進行循環。熱傳遞子系統還可以包括設置在汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個內的噴灑機構，用于引入熱傳遞流體。噴灑機構可以是噴頭、噴桿，或者其組合。在其他的具體實施例中，系統包括至少一個溫度傳感器，其與汽缸組件的容室的至少一個或者流出熱傳遞子系統的流體通信。控制系統能被用于接收來自至少一個溫度傳感器的遙測數據，以便至少部分地基于接收的遙測數據控制熱傳遞子系統的操作。在一具體實施例中，傳動系統包括通過可活動的機械邊界機構與氣壓缸機械地連接的液壓缸，機械邊界機構在二者之間傳遞能量，還包括與液壓缸流體連接的液壓動力單元。液壓動力單元可以配置成驅動電動機/發電機來再生電能，和/或被電動機/發電機驅動以貯存勢能。本文中描述了其他的傳動系統，其可以包括各種汽缸組件及其布置，以及用于在它們之間傳遞/轉換能量的機械聯動機構。在又一方面，本發明涉及分級液壓氣壓能量轉換系統，其使用熱調節的壓縮流體， 例如經歷熱交換的氣體，來存儲和再生電能。本系統包括第一和第二偶聯汽缸組件。本系統包括至少一個具有多個分級的氣壓側和至少一個液壓側，以及與至少一個氣壓側流體連通的熱傳遞子系統。該至少一個氣壓側和該至少一個液壓側被至少一個在兩者之間傳遞能量的、可活動的機械邊界機構分隔開、。在一具體實施例中，第一汽缸組件包括至少一個氣壓缸，第二汽缸組件包括至少一個液壓缸，而且第一和第二汽缸組件通過該至少一個活動的機械邊界機構機械地連接。 在又一具體實施例中，第一汽缸組件包括在第一壓力比下傳遞機械能的蓄能器，第二汽缸組件包括在第二壓力比下傳遞機械能的增強器，其中第二壓力比大于第一壓力比。第一和第二汽缸組件可以通過流體連接。在不同的具體實施例中，熱傳遞子系統可以包括循環設備，其與至少一個氣壓側流體連通，用于使流體循環流經熱傳遞子系統和換熱器。換熱器可以包括與循環設備和該至少一個氣壓側流體連通的第一側以及與基本上具有恒定溫度的液體源流體連通的第二側。循環設備從至少一個氣壓側流過換熱器，然后回到該至少一個氣壓側，形成循環。本系統還可以包括控制閥布置，用于在系統的至少一個空氣的不同分級之間有選擇地連接。在又一具體實施例中，熱傳遞子系統包括流體循環設備和熱傳遞流體容器。流體循環設備設置為將熱傳遞流體從容器泵入系統的該至少一個氣壓側。在一具體實施例中， 每一汽缸組件都具有氣壓側，以及系統包括控制閥布置，用于有選擇地將第一汽缸的氣壓側和第二汽缸組件的氣壓側連接至流體循環設備。系統還可以包括設置在至少一個氣壓側的噴灑機構，用于引入熱傳遞流體。在又一方面，本發明涉及分級式液壓空氣能量轉換系統，其使用熱調節的壓縮流體來存儲和再生電能。系統包括至少一個具有氣壓側和液壓側的汽缸組件，二者通過一在二者之間傳輸能量的機械的邊界機構被隔開，邊界機構在兩側，還包括壓縮氣體源，以及與汽缸組件的至少一個氣壓側或者壓縮氣體源流體連通的熱傳遞子系統。這些以及其他目的，連同在此公開的本發明的優點和特征，都會通過閱讀下文、附圖及權利要求書，變得更加清晰。而且應該理解，此處描述的各個具體實施例不是互相排斥的，而是可以以各種組合和替換的方式存在的。


在附圖中，同樣的附圖標記在不同的視圖中均指代相同的部件。而且，附圖并不必按比例繪制，相反，重點在于圖解說明本發明的原理。在下文中，本發明的各個具體實施例參照下列附圖進行描述，其中圖1是本發明的一個具體實施例的開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統的示意圖；圖IA和IB是圖1的系統的蓄能器和增強器元件的放大的示意圖；圖2A-2Q是圖1的系統的簡化圖示，示出了系統在壓縮期間的各個運行階段；圖3A-3M是圖1的系統的簡化圖示，示出了系統在膨脹期間的各個運行階段；圖4是本發明的一可選具體實施例中，開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統的示意圖；圖5A-5N是圖4的系統的示意圖，示出了系統在膨脹期間的各個元件的循環；圖6是本發明的一個具體實施例在膨脹/能量回收循環和壓縮/能量儲存循環中的開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統的各個運行的狀態的概括圖；圖7A-7F是本發明的又一替換具體實施例的開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統的局部示意圖，示出了系統在膨脹期間的各個運行階段；圖8是表示圖的系統的膨脹階段的表格7A-7F ；圖9是本發明的一個具體實施例，具有熱傳遞子系統的開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統的示意圖；圖9A是圖9的系統的熱傳遞子系統部分的放大的示意圖；圖10是圖9的系統在不同的工作參數下獲得的熱效率的圖形表示；圖11是本發明的一個具體實施例的液壓/氣壓缸組件的局部截面示意圖，組件具有利于在汽缸的氣壓側內等溫膨脹的熱傳遞子系統；圖12是本發明的一替換具體實施例的液壓/氣壓增強器組件的局部截面示意圖， 組件具有利于在汽缸的氣壓側內等溫膨脹的熱傳遞子系統；圖13是本發明的又一替換具體實施例的液壓/氣壓缸組件的局部截面示意圖，組件具有利于在汽缸的氣壓側內等溫膨脹的熱傳遞子系統，其中汽缸是發電系統的一部分；圖14A是位于汽缸或者增強器的氣壓側內的氣體在給定的壓強體積比下絕熱膨脹所做的功的量的圖示；圖14B是位于汽缸或者增強器的氣壓側內的氣體在給定的壓強體積比下理想等溫膨脹所做的功的量的圖示；圖14C是位于汽缸或者增強器的氣壓側內的氣體在給定的壓強體積比下接近等溫膨脹所做的功的量的圖示；圖15是本發明的一個具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖16是本發明的又一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖17是本發明的再一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖18是本發明的又一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖19是本發明的又一具體實施例中，用于加快傳熱至氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的系統和方法的示意圖；圖20A和20B是本發明的又一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖21A-21C是本發明的又一具體實施例中，用于加快傳熱至氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的系統和方法的示意圖；圖22A和22B是本發明的又一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖22C是用于圖22A和22B中的系統和方法的汽缸組件的剖視示意圖；圖22D是用于實施圖22A和22B中的系統和方法的估計的噴水傳熱極限的圖示；圖23A和2 是本發明的又一具體實施例中，用于對在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞的系統和方法的示意圖；圖23C是用于圖23A和23B中的系統和方法的汽缸組件的剖視示意圖；圖23D是用于實施圖23A和23B中的系統和方法的估計的噴水傳熱極限的圖示；圖24A和24B是用于圖22和23中的系統和方法的不同的噴水要求的圖示；圖25是在此描述的本發明的上述任何具體實施例中的汽缸設計的部分截面的詳細的平面方案圖；汽缸用于對在本發明的一個具體實施例中的開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞；圖沈是在此描述的本發明的上述任何具體實施例中的汽缸設計的部分截面的詳細的平面方案圖；汽缸用于對在本發明的一個具體實施例中的開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的氣體加快熱傳遞；圖27是壓縮氣體存儲子系統的示意圖，該子系統用于在本發明的一個具體實施例的儲能系統中加熱和冷卻壓縮氣體的系統和方法；圖觀是壓縮氣體存儲子系統的示意圖，該子系統用于用于本發明的一替換具體實施例的儲能系統中加熱和冷卻壓縮氣體的系統和方法；圖29A和29B是本發明的一個具體實施例，具有熱傳遞子系統的分級的液壓空氣能量轉換系統的示意圖；圖30A-30D是本發明的一替換具體實施例中，具有熱傳遞子系統的分級的液壓氣壓能量轉換系統的示意圖；以及圖31A-31C是本發明的又一替換具體實施例中，具有熱傳遞子系統的分級的液壓氣壓能量轉換系統的示意圖。
具體實施例方式在下文中，本發明的各個具體實施例一般地采用二級系統來描述，例如，單個蓄能器和單個增強器，具有兩個蓄能器和兩個增強器以及簡化閥門布置的布置，或者與一個或多個液壓缸連接的一個或多個氣壓缸。然而，應該理解，本發明可以包括任何數量的分級以及汽缸、蓄能器、增強器和閥門布置的和組合。而且，給出的任何尺寸的值僅僅是示例性的， 因為本發明的系統是可縮放的并且可定制的，以適合具體的應用。而且，術語氣壓、氣動、氣體以及空氣是可互換地使用的，以及術語液壓的和水也是可互換地使用的。流體用來指氣體和液體。圖1描述了本發明中開放大氣液壓氣壓能量儲存和再生系統100的一個具體實施例，其處于中性狀態(即，全部閥門關閉，且能量既不存儲也不再生)。系統100包括一個或多個高壓氣體/空氣儲罐10 102b、-102no每一儲罐102各自通過手控閥l(Ma、 104b、…10 并聯連接至主氣流線路108。閥門104不局限于手工操作，因為閥門可以是電力驅動、液壓驅動或氣壓驅動，此處描述的全部閥門都可以如此。每一儲罐102配有壓力傳感器112a、112b…11&1和溫度傳感器114a、114b…114η。這些傳感器112、114可以輸出電信號，電信號可以由控制系統120通過適當的有線和無線的連接/通信被監控。進一步地，傳感器112、114可以包括視覺指示器。控制系統120可以是任何可接受的具有人機界面的控制裝置，其在圖4中得到更詳細的描述。例如，控制系統120可以包括計算機(例如PC機型)，其執行計算機可讀軟件介質的形式的已存儲的控制應用。控制應用接收來自以下將要描述的各個傳感器的遙測數據，并且提供適當的反饋來控制閥門致動器、馬達及其他需要的機電/電子設備。系統100還包括氣動閥106a、106b、106c、…106η，其控制主氣流線路108和蓄能器116及增強器118的通信。如上所述、系統100可以包括蓄能器116和增強器118的任何數量和組合，以適合具體的應用。氣動閥106也被連接到通風孔110，通風孔用于排放來自蓄能器116、增強器118和/或主氣流線路108的空氣/氣體。如圖IA所示，蓄能器116包括被可移動的活塞136分隔開的空氣容室140和流體容室138，活塞136具有適當的密封系統，密封系統利用密封環及本領域普通技術所熟知的其他元件(未顯示)。可替換地，氣囊式、隔膜式或者風箱式屏蔽物可用于分隔蓄能器116 的空氣容室140和流體容室138。活塞136響應于空氣容室140和相對的流體容室138之間的壓力差沿著蓄能器殼體移動。在該實施例中，液壓液(或者另一液體，例如水)通過在流體容室138中的陰影部分而指示出來。蓄能器116還可以包括可選擇的斷流閥134，斷流閥134可用于把蓄能器116隔離于系統100。閥門134可以被人工或者自動操作。如圖IB所示，增強器118包括被可移動的活塞組件142分隔開的空氣容室144和流體容室146，活塞組件142具有適當的密封系統，密封系統利用密封環及本領域普通技術所熟知的其他元件。類似于蓄能器活塞136，增強器活塞142響應于空氣容室144和相對的流體容室146之間的壓力差沿著增強器殼體移動。然而，增強器活塞組件142實際上是兩個活塞一個空氣活塞142a，通過軸、桿或者其它連接裝置143連接至相應的流體活塞142b。流體活塞142b與空氣活塞14 共同移動，但是卻直接作用于關聯的增強器流體容室146。特別地，增強器118的空氣容室的內徑(和/或體積)(DAI)大于蓄能器116的空氣容室的直徑(DAA)。具體而言，增強器活塞 142a的表面積大于蓄能器活塞136的表面積。增強器流體活塞的直徑(DFI)與蓄能器活塞 136 (DFA)的直徑大致相同。因此，通過這種方式，作用在增強器活塞14 上的較低的氣壓在聯合的流體容室146上產生與作用于蓄能器活塞136上的較高的氣壓的相似的壓強。因而，增強器空氣容室144和增強器流體容室146的壓強比大于蓄能器空氣容室140和蓄能器流體容室138的壓強比。在一個實施例中，蓄能器的壓強比可以是1 1，而增強器的壓強比可以是10 1。這些比值會根據使用的蓄能器和增強器的數量及具體的應用而變化。 如此，如下文所述，系統100允許采用至少兩級的氣壓以產生相似的等級的流體壓力。同樣地，在流體容室146中陰影部分指示液壓液，增強器118還可以包括可選擇的斷流閥134，以把增強器118從系統100中隔離開來。還如圖IA和IB所示，蓄能器116和增強器118每一個都包括溫度傳感器122和壓力傳感器124，其與每一空氣容室140、144和每一流體容室138、146連通。這些傳感器類似于傳感器112、114，并且輸送傳感器遙測數據至控制系統120，其反過來可以發送信號以控制閥門布置。而且，活塞136、142可以包括位置傳感器148，其報告活塞136、142的當前位置至控制系統120。活塞136、142的位置和/或移動速度可用于確定氣體和流體兩者的相對壓力和流量。回頭參見圖1，系統100還包括液壓閥128a、U8b、128c、128η，其控制蓄能器116和增強器118與液壓馬達130的流體連接的連通。液壓閥1 和氣動閥106的具體的數量、型式和布置一起被稱為控制閥布置。而且，閥門一般地指簡單的二通閥(即，斷流閥)；然而，閥門實質上可以是所需的任何構造，以通過特定的方式控制大氣和/或流體的流量。在蓄能器116和閥門128aU28b之間的液壓管路和在增強器118和閥門128cU28d 之間的液壓管路可以包括流量傳感器126，其將信息中繼至控制系統120。馬達/泵130可以是具有軸131(或者其它機械式聯軸器)的活塞型式組件，其驅動電動機和發電機組件組合132和被電動機和發電機組件組合132驅動。馬達/泵130還可以是諸如葉輪、葉片或者齒輪式組件。馬達/發電機組件132與電力分配系統相互連接， 并且可被控制系統120監控狀態和輸出/輸入電平。不同于例如圖4和5的系統，圖1中描述的系統的優點之一是，它在不增加元件的情況下即實現了大約兩倍的功率輸出，例如，3000-300psig范圍。當在250-3000psig壓力范圍內膨脹或者壓縮時，液壓液在增強器118和蓄能器116之間的來回運轉允許與具有兩倍數量的增強器和蓄能器的系統相同的輸出功率。而且，該系統布置可以在泵送方式(即， 壓縮階段)時，一定程度上消除液壓馬達/泵的潛在的自動加注的問題。圖2A-2Q中，以簡化的示意圖方式，表示在壓縮過程中，系統100的各個運行階段， 其中儲罐102充有高壓空氣/氣體(即、能量被存儲)。而且，僅僅顯示一個儲罐102，而一些閥門和傳感器為了清晰起見被略去。此外，所顯示的壓強僅僅作為參考，其會根據系統 100的具體的工作參數而變化。如圖2A所示，系統100處于中性狀態，其中氣動閥106和液壓閥1 是關閉的。 斷流閥134在每一個運行階段是打開的，以保持蓄能器116和增強器118與系統100連通。 蓄能器流體容室138基本上是充滿的，而增強器流體容室基本上是空的。儲罐102通常在充電前，處在低氣壓(大約Opsig)下，液壓馬達/泵130是靜止的。如圖2B和2C所示，隨著壓縮階段開始，氣動閥106b打開，從而使得蓄能器空氣容室140和增強器空氣容室144之間流體連通，并且液壓閥U8a、128d打開，從而使得蓄能器流體容室138和增強器流體容室146之間經由液壓馬達/泵130流體連通。隨著流體在壓力下被驅動至增強器流體容室144，馬達/發電機132 (參見圖1)開始驅動馬達/泵130， 在增強器118和蓄能器116之間的氣壓開始增加。壓強或者機械能經由活塞142被傳送入空氣容室146。蓄能器空氣容室140內的氣壓的增加施壓于蓄能器116的流體容室138，從而提供增壓液體至馬達/泵130進口，這樣可以消除自動加注的隱憂。如圖2D、2E和2F所示，馬達/發電機132繼續驅動馬達/泵130，從而將液壓液從蓄能器116傳輸至增強器118，這樣反過來又繼續給蓄能器和增強器空氣容室140、146之間的大氣增壓。圖2F描述壓縮階段的第一分級的完成。空氣閥和液壓閥106、1觀全部為閉合的。增強器118的流體容室144基本上是在高壓(例如，大約3000psig)下充滿液體的， 而蓄能器流體容室138基本上是空的，并且維持在中等范圍的壓強(例如大約250psig)。 蓄能器和增強器空氣容室140、146的壓強維持在中等范圍的壓強。如圖2G所示的是壓縮階段的第二分級的開始，其中液壓閥U8b、128c是打開的， 而氣動閥106全部閉合，從而推動增強器流體容室144處于高壓下，與馬達/泵130連通。 保持在增強器空氣容室146中的所有氣體的壓力會有助于驅動馬達/泵130。一旦液壓在蓄能器和增強器流體容室138、144(如圖2H所示)之間進行平衡，馬達/發電機會提取電力，以驅動馬達/泵130，并且對蓄能器流體容室138加壓。如圖21和2J所示，馬達/泵130繼續對蓄能器流體容室138加壓，這樣反過來給蓄能器空氣容室140加壓。增強器流體容室146處于低氣壓下，而增強器空氣容室144基本上處于大氣壓力下。一旦增強器空氣容室144基本上達到大氣壓力，空氣通風閥106c就打開。為了增強器的垂直定向，增強器活塞142可以提供必要的反向壓力至馬達/泵130， 這樣就會克服潛在的某些馬達/泵的自動加注的問題。如圖I所示，馬達/泵130繼續對蓄能器流體容室138和蓄能器空氣容室140加壓，直到系統100的蓄能器空氣和流體容室處于高壓中。增強器流體容室146處于低氣壓下，并且基本上是空的。增強器空氣容室144基本上處于大氣壓力。圖I還描述了系統 100中，當蓄能器空氣容室140達到預定的高壓時，控制閥布置中的轉換。氣動閥106a是打開的，使得高壓氣體進入儲罐102。圖2L描述了一個壓縮循環的第二分級的末尾，其中全部液壓閥和氣動閥128、106 都是關閉的。系統100現在開始另一個壓縮循環，其中系統100使液壓液從蓄能器116往返于增強器118。圖2M描述了下一個壓縮循環的開始。氣動閥106是閉合的，而液壓閥U8a、128d 是打開的。留存在蓄能器流體容室138中的任何氣體的剩余壓強開始驅動馬達/泵130，從而消除了提取電力的需求。如圖2N所示，并結合圖2G的描述，一旦液壓在蓄能器和增強器流體容室138、144之間的進行平衡，馬達/發電機132會提取電力，以驅動馬達/泵130，并且對增強器流體容室144加壓。在該分級期間，蓄能器空氣容室140的壓強減小，而增強器空氣容室146的壓強增加。如圖20所示，當蓄能器空氣容室140和增強器空氣容室146的氣體壓強相等時， 氣動閥106b打開，從而推動蓄能器空氣容室140和增強器空氣容室146流體連通。如圖2P 和2Q所示，馬達/泵130繼續從蓄能器流體容室138傳輸流體到增強器流體容室146，并且對增強器流體容室146加壓。如上結合圖2D-2F所述，工序繼續，直到大體上流體全部被傳輸入增強器118中，增強器流體容室146處于高壓下，增強器空氣容室144處于中等范圍壓強下。系統100繼續工序，如圖2G1I(所示出和描述的，繼續在儲罐102內存儲高壓空氣。 系統100會根據需要執行多個壓縮循環(即，在蓄能器116和增強器118之間往返驅動液壓液)，以使儲罐102內的空氣達到要求的壓強(即，完整的壓縮階段)。圖3A-3M中，以簡化的示意圖方式，表示在膨脹過程中，系統100的各個運行階段， 其中能量(即，存儲的壓縮氣體)得到再生。圖3A-3M使用的標識、標號和附圖標記與圖2A-2Q中所示的相同。應該注意，系統100被描述為用來壓縮儲罐102內的氣體，可替換地， 儲罐102可以通過獨立的壓縮機組來填充(例如，初始進料)。如圖3A所示，系統100處于中性狀態，其中氣動閥106和液壓閥1 全部是關閉的。與壓縮階段相同，斷流閥134是打開的，以保持蓄能器116和增強器118與系統100連通。蓄能器流體容室138基本上是充滿的，而增強器流體容室146基本上是空的。儲罐102 處于高壓(例如，3000psig)，而液壓馬達/泵130是靜止的。圖:3B描述了膨脹階段的第一階段，其中氣動閥106a、106c是打開的。開啟的氣動閥106a連接高壓儲存槽102與蓄能器空氣容室140流體連通，蓄能器空氣容室140又依次施壓于蓄能器流體容室138。開啟的氣動閥106c使增強器空氣容室146通風至大氣。液壓閥U8a、128d是打開的，以允許來自蓄能器流體容室138的流體流動來驅動馬達/泵130， 其依次驅動馬達/發電機132，從而發電。發出的電力可以被直接輸送給電力網或者儲存起來，便于以后使用，例如在峰值期使用。如圖3C所示，一旦預定體積的壓縮空氣許可進入蓄能器空氣容室140(例如， 3000psig)，氣動閥106a就關閉，以將儲罐102與蓄能器空氣容室140隔離。如圖3C-3F 所示，蓄能器空氣容室140內的高壓持續驅動液壓液從蓄能器流體容室138通過馬達/泵 130，進而到增強器流體容室146，從而繼續驅動馬達/發電機132并發電。隨著液壓液被從蓄能器116轉運至增強器118，蓄能器空氣容室140的壓強下降，并且增強器空氣容室144 內的氣體通過氣動閥106C排出。圖3G描述了膨脹階段的第一分級的結束。一旦蓄能器空氣容室140達到第二預定的中等壓強(例如，大約300psig)，全部液壓閥和氣動閥128、106都關閉。蓄能器流體容室138、增強器流體容室146和增強器空氣容室144內的壓強都大約處于大氣壓力下。蓄能器空氣容室140內的壓強維持在預定的中等壓強。圖3H描述了膨脹階段的第二分級的起始。氣動閥106b是打開的，以允許蓄能器空氣容室140和增強器空氣容室144之間流體連通。當閥門106b是打開的時候，預定壓力會稍微降低，并且蓄能器空氣容室140和增強器空氣容室144之間連通。液壓閥U8b、 128d是打開的，從而允許貯存在增強器內的液壓液通過馬達/泵130傳送至蓄能器流體容室138，其依次驅動馬達/發電機132并且發電。從蓄能器空氣容室140傳送到增強器空氣容室144以驅動來自增強器流體容室146的流體進入到蓄能器流體容室138的空氣的壓強低于驅動流體從蓄能器流體容室138到增強器流體容室146的空氣的壓強。空氣活塞14 和流體活塞142b之間的面積差別(例如，10 1)使得低壓力的空氣能夠傳送高壓力下的增強器流體容室146的流體。如圖31- 所示，蓄能器空氣容室144內的高壓持續驅動增強器液壓液從流體容室146通過馬達/泵130，進而到蓄能器流體容室138，從而繼續驅動馬達/發電機132并發電。隨著液壓液被從增強器118傳送到蓄能器116，增強器空氣容室144、增強器流體容室146、蓄能器空氣容室140和蓄能器流體容室138內的壓強降低。圖3L描述了膨脹循環的第二分級的末尾，其中基本上全部液壓液已經轉入蓄能器116，而全部閥門106、1觀都是關閉的。而且，蓄能器空氣容室140、蓄能器流體容室138、 增強器空氣容室144和增強器流體容室146全部都處于低壓力下。在一替代具體實施例中， 液壓液可以在兩個增強器之間來回移動，以在低壓(例如，大約0-250psig)范圍內壓縮和膨脹。利用第二增強器和適當的閥門以應用儲存在低壓下的能量可以生產額外的電力。利用第二增強器和適當的閥控制以應用儲存在低壓下的能量對于給定的存儲體積可以允許從氣體儲罐中更深度的釋放，儲存和再生額外的能量。圖3M描述了另一個膨脹階段的開始段，并結合圖;3B進行描述。系統100可以持續循環進行電力生產必需的膨脹階段，或者直到全部儲罐102中的全部壓縮空氣已經被排空。圖4是本發明的一個具體實施例的儲能系統300的示意圖，采用了開放大氣液壓氣壓原理。系統300由一個或多個高壓氣體/空氣儲罐3(^a、302b、…302η組成(該數量根據具體的應用可大幅度變化)。每一儲罐3(^a、302b各自通過手控閥3(Ma、304b、…30 并聯連接至主氣流線路308。每一儲罐3(^a、302b都配有壓力傳感器31h、312b··· 312η和溫度傳感器314a、314b…31如，其可以被系統控制器350經由適當的連接(此處一般顯示指示箭頭"至控制")為來監控。控制器350可以是任何可接受的具有人機界面的控制裝置，其操作在下文中還有詳細的描述。在一具體實施例中，控制器350包括計算機351 (例如PC機型)，其執行計算機可讀軟件介質的形式的已存儲的控制應用353。該控制應用353 接收來自各個傳感器的遙測數據，然后提供適當的反饋至控制閥致動器、馬達及其他需要的機電/電子設備。適當的接口可用來轉換來自傳感器的數據，形成計算機控制器351(例如RS-232或者基于網絡的互連)可讀的形式。同樣地，該接口轉換計算機的控制信號，形成閥門及其他致動器可用的形式，以執行一個操作。這類接口的供應對于本領域普通的技術人員來說是清楚的。主氣流線路308從儲罐3(^a、302b起經由(由控制器350)自動控制的二位閥 307a、307b、307c和306a、306b和306c，被連接至一對多級(在本實施例中為兩級)蓄能器 /增強器線路(或者液壓氣壓缸線路)(虛線框360、362)。本系統的一個具體實施例中，這些閥門被連接至各自的蓄能器316與317和增強器318與319。氣動閥306a和307a還被連接至各自的大氣通風孔310b和310a。特別地，閥門306c和307c沿著主氣流線路308分別和蓄能器316與317之間共同的氣流線路390、391相連接。氣動閥306b和307b連接在相應的蓄能器316與317和增強器318與319之間。氣動閥306a、307a沿著增強器318和 319以及大氣通風孔310b和310a之間的公用線路390、391相連接。因此來自儲罐302的空氣有選擇地與每一蓄能器和增強器的空氣容室側連通(附圖中表示為用于蓄能器316的空氣容室340、用于蓄能器317的空氣容室341、用于增強器 318的空氣容室344以及用于增強器319的空氣容室345)。空氣溫度傳感器322和壓力傳感器324與每一空氣容室341、344、345、322連通，并且輸送傳感器遙測數據至控制器350。每一蓄能器316、317的空氣容室340、341被活動的活塞336、337密閉，活塞336、 337具有使用密封環及其他本領域普通技術人員熟知的元件的適當的的密封系統。活塞 336、337響應于空氣容室340、341和相對的流體容室338、339之間的壓強差，在蓄能器殼體的相對側上各自沿著蓄能器殼體移動。在該實施例中，液壓液(或者另一液體，例如水)通過在流體容室中的陰影體積而表示出來。同樣地，相應的增強器318、319的空氣容室344、 345被移動的活塞組件342、343封閉。然而，增強器空氣活塞342a、343a被軸、桿或者其它件連接至相應的流體活塞342b、343b。流體活塞342b、343b與空氣活塞342a、343a —同移動，但是直接作用在關聯的增強器流體容室346、347內。顯著的是，在相同的回路360、362中，增強器318、319的空氣容室的內徑(和/或體積)(DAI)大于蓄能器316、317的空氣容室的直徑(DAA)。特別地，增強器活塞342a、343a的表面積大于蓄能器活塞336、337的表面積。每一增強器流體活塞的直徑(DFI)與每一蓄能器的直徑(DFA)大致相同。因此，在這種方式下，作用在增強器活塞上的較低的氣壓在關聯的流體容室上產生與作用于蓄能器活塞上的較高的氣壓相似的壓強。如此，如下文所述，系統考慮采用至少兩級的氣壓以產生相似等級的流體壓力。在一個實施例中，假定蓄能器中的初始的氣壓處于200個大氣(ATM) (3000PSI-高氣壓)，在完全膨脹后具有20ATM(300PSI)的最后的中等壓強，然后增強器中的初始氣壓是 20ATM(具有1. 5-2ATM(25-30PSI)的最后壓強)，那么增強器中的氣體活塞的面積大約是蓄能器中的活塞的面積的10倍(或者3. 16倍的半徑)。然而，初始高氣壓的、中等壓強和最后的低壓的精確的數值是會大幅變化的，在某種程度上取決于系統部件的操作規程、系統的規模和產量要求。因此，蓄能器和增強器的相對尺寸是可調的，以適合具體的應用。每一流體容室338、339、；346、347與適當的溫度傳感器322和壓力傳感器3 相互連接，每一傳感器輸送遙測數據至控制器350。而且，每一與流體容室互連的流體線可以備有流量傳感器326，其導引數據至控制器350。活塞336、337、342和343可以包括位置傳感器348，其報告它們的當前位置給控制器350。活塞的位置可用于確定氣體和流體兩者的相對壓力和流量。每一流體連接從流體容室338、339、346、347連通至一對平行地、自動控制的閥。如圖所示，流體容室338 (蓄能器316)連通至閥門對328c和328d ；流體容室339 (蓄能器317)連通至閥門對329a和329b ；流體容室346(增強器318)連通至閥門對328a和 328b ；以及流體容室；347(增強器319)連通至閥門對329c和329d。從每一容室328b、3^d、 329a和329c有一閥門連通至液壓馬達/泵330的一連接側372。該馬達/泵330可以是具有軸331(或者其它機械式聯軸器)的活塞型式(或者其它適宜的型式，包括葉片、葉輪和齒輪)組件，其驅動和被電動機/發電機組件的組合332驅動。馬達/發電機組件332 與電力分配系統相互連接，并且可以被控制器350監控狀態和輸出/輸入電平。液壓馬達 /泵330的另一個連接側374連通至每一閥門對328a、3^c、329b和329d中的第二閥門。 通過有選擇地觸發每一閥門對中的閥門，流體在液壓馬達/泵330的兩側372、374之間連通。替換地，一部分或者全部閥門對可以被替換為一個或多個三位四通閥或者其它閥門組合，以適合具體的應用。回路360、362的數量可以根據需要增加。通過附加回路，按照回路360、362的元件的同樣的方式，可以將儲罐302和液壓馬達/泵330的每一側372、374互連。一般地，回路的數量應該為偶數，這樣一個回路作為流體驅動器，而另一個回路作為接收來自激勵回路的流體的容器。可選的蓄能器366連通至液壓馬達/泵330的至少一側(例如進口端37幻。可選擇的蓄能器366例如可以是封閉大氣型式蓄能器，其具有獨立的流體側368和預加壓的氣壓側370。如下所述，蓄能器366作為流體電容器，來處理流體流過馬達/泵330的瞬態。 在另一個具體實施例中，第二個可選的蓄能器或者其它低壓容器371處于與馬達/泵330 的出口側374流體連通位置，并且還可以包括流體側371和預加壓側369。上述可選擇的蓄能器可被用于此處描述的任何系統。在描述了圖4中的開放大氣液壓氣壓儲能系統300的一個實施例的一般配置后，現在結合圖5A-5N來描述系統300在能量回收階段的過程中的示例性的功能。為了說明這一操作的目的，圖5A-5N中的系統300的圖示已經被簡化，省略了控制器350和相互連接的閥門、傳感器等等。應該理解，所描述的步驟在控制器350基于應用353形成的規則的控制和監控下。圖5A是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300的初始物理狀態， 其中第一回路的蓄能器316充滿了來自高壓氣體儲罐302的高壓氣體。通過系統300在液壓馬達/泵330輸入的功率的循環，或者通過獨立的高壓空氣泵376，儲罐302已經被填充至全壓。因為空氣儲罐302可以通過反向運轉再生循環得到填充，該氣泵376是可選擇的。 該儲罐302在該具體實施例中可以被填充至200ATM(3000psi)或更多的壓強下。總的說來， 儲罐302的總體體積是大幅變化的，在某種程度上根據要被儲存的能量的數值確定。在圖5A中，儲能的恢復由控制器350發起。為此，氣動閥307c是打開的，使得一股高壓空氣流入蓄能器316的空氣容室340。注意在所描述的壓縮氣體流或者流體流之處， 連接被表示為虛線。壓力的等級由與容室340連通的傳感器3M報告。壓強維持閥門307c 要求的等級上。該壓強使得活塞336偏向(箭頭800)流體容室338，從而在不可壓縮流體中產生相當的壓強。此時，閥門329c和329d防止流體運動溢出流體容室338。圖5B是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5A的狀態之后的物理狀態，其中閥門打開，使得流體從第一回路的蓄能器316流至液壓馬達/泵330， 以由此發電。如圖5B所示，氣動閥307c保持開啟。當空氣容室340中達到預定壓力的時候，流體閥329c由控制器打開，使得流體流向(箭頭801)液壓馬達/泵330(其在恢復階段以馬達的方式運行)的進口端372。在發電方式下，馬達330的行程驅動電動機/發電機332，提供電力給設備或者電力網，如術語"能量輸出"所示。為了吸收從液壓馬達/泵 330的出口側374流入(箭頭80 的流體，流體閥328c由控制器350控制對流體容室339 開放，以引導流體至相對的蓄能器317。為了在蓄能器317的能量已經轉入到馬達/泵330 后，允許流體填充蓄能器317，空氣容室341由開啟的空氣通風閥306a、306b通風。這允許容室341內的任何空氣經由通風孔310b，隨著活塞337響應于流體的進入產生的運動(箭頭80 ，排入到大氣中。圖5C是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5B的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的蓄能器316引導流體至液壓馬達/泵330，而第二回路的蓄能器317接收馬達/泵330排出的流體，此時空氣容室341內的氣體通風至大氣。如圖 5C所示，允許預定數量的氣體從高壓儲罐302流至蓄能器316，此刻控制器350就關閉氣動閥307c。其它閥門保持開啟，以便流體可繼續通過馬達/泵330被蓄能器316驅動。圖5D是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5C的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的蓄能器316繼續引導流體至液壓馬達/泵330，而第二回路的蓄能器317繼續接收馬達/泵330排出的流體，此時空氣容室341內的氣體通風至大氣。如圖5D所示，該運行繼續下去，其中基于由儲罐302充入的蓄能器空氣容室340的氣壓，蓄壓器活塞136驅動其他的流體(箭頭800)通過馬達/泵330。流體使得相對的蓄能器的活塞337移動(箭頭80 ，通過通風孔310b置換空氣。圖5E是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5D的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的蓄能器316幾乎排空了流體容室338內的流體，并且空氣容室340內的氣體從高氣壓膨脹到差不多中等壓強。如圖5E所示，蓄能器316的空氣容室 340內的氣體填充繼續驅動流體(箭頭800、801)通過馬達/泵330，而通過通風孔310b置換空氣。在能量回收循環的這一階段，氣體從高氣壓膨脹到中等壓強。于是，流體從高壓變動到中等壓強。通過適當地給定蓄能器的尺寸，膨脹率可被控制。這是傳熱的主要的參數中的一部分。為了最高效率，膨脹應該基本上保持等溫。也就是來自環境的熱量補充了膨脹帶來的熱損失。通常，等溫壓縮和膨脹對保持往返系統的高效率是至關重要的，尤其在壓縮氣體長期儲存的時候。在此處描述的系統的各個具體實施例中，可以通過蓄能器和/或增強器的壁進行傳熱，或者傳熱機理作用于膨脹或壓縮氣體以從環境或其它源中吸收熱或者散發熱到環境或其它源中。傳熱的速率取決于蓄能器/ 增強器的熱性質和特征，其可用于確定熱時間常數。如果蓄能器/增強器中的氣體的壓縮相對于熱時間常數發生緩慢，那么氣體壓縮產生的熱會通過蓄能器/增強器壁傳遞至周圍介質，并且氣體會保持在大致恒溫。類似地，如果蓄能器/增強器中的氣體的膨脹相對于熱時間常數發生緩慢，那么氣體膨脹吸收的熱會通過蓄能器/增強器壁從周圍介質傳遞給氣體，并且氣體會保持在大致恒溫。如果在壓縮和膨脹兩者期間，氣體保持相對恒定的溫度， 那么在壓縮期間從氣體傳遞給周圍介質的熱能量會等于在膨脹期間從周圍介質經由熱傳遞給氣體再生的熱能量。這一性質由圖4中的Q和箭頭來表示。應該注意到，可以采用多個機構來保持等溫膨脹/壓縮。在一個實施例中，蓄能器可被浸在水浴中，或者水/流體可圍繞蓄能器和增強器流動。替換地，蓄能器可被熱/涼的盤管圍繞，或者熱空氣流可被吹過蓄能器/增強器。然而，任何允許大量流體往返于蓄能器傳熱的方法均可被采用。圖5F是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，系統300緊隨圖5E的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的蓄能器316已經排出了流體容室338中的流體，而空氣容室340 中的氣體已經從高氣壓膨脹到中等壓強，并且在第一回路和第二回路上的閥門都已經暫時地關閉，但是可選擇的蓄能器366輸送流體通過馬達/泵330，以保持循環之間的電動機/ 發電機332運行。如圖5F所示，蓄能器316的活塞336已經驅動全部流體流出流體容室 338，此時在空氣容室340中的氣體已經完全膨脹(至20ATM的中等壓強，在該實施例中)。 流體閥329c和328c被控制器350關閉。實際上，閥門的開啟和關閉是仔細地定時的，以便馬達/泵330保持流體通過。然而，在可選擇的實施方式中，來自可選擇的蓄能器(圖4中的366)的增壓液體流710可接受流體壓力的短暫的中斷，其被引導通過馬達/泵330，在低壓下流到第二個可選擇的蓄能器(圖4中的367)，作為排出的流體流720。在一具體實施例中，排氣流可被引導至簡單的低壓容器，其用來回填第一蓄能器366。替換地，排氣流可被引導至低壓的第二個可選擇的蓄能器(圖4中的367)，其隨后被過剩的電力(驅動壓縮機)而加壓，或者當它充滿液體時，被來自儲罐302的空氣壓力加壓。替換地，其中系統 300中可并聯使用大量的蓄能器/增強器回路(例如，三個或更多)，它們的膨脹循環可以交錯，這樣每次只有一個回路是關閉的，允許來自另一個回路的流體基本上連續。圖5G是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5F的狀態之后的物理狀態，其中氣動閥307b、306a是開啟的，以允許來自第一回路的蓄能器316的空氣容室340的中等氣壓氣體流入第一回路的增強器318的空氣容室344，而來自第一回路的增強器318的流體被引導通過馬達/泵330，并且排出的液體填充第二回路的增強器319的流體容室347，增強器319的空氣容室345通風至大氣。如圖5G所示，氣動閥307b是打開的，而儲罐出口閥307c保持閉合。因此，蓄能器316的空氣容室340的容積連接至增強器318 的空氣容室344。蓄能器的氣壓已經降低至中等壓力級，大大低于從儲罐302的初始進料。 因此，空氣流過(箭頭810)閥門307b，流至增強器318的空氣容室344。這就驅動空氣活塞342a(箭頭830)。因為接觸空氣的活塞34 的面積大于蓄能器316中的活塞336的面積，較低的氣壓在增強器318的較小面積的、相連接的液體活塞342b上仍然產生基本上相等的較高的流體壓力。從而流體容室346中的流體在壓力下流過開啟的流體閥329a(箭頭 840)，并且流入馬達/泵330的進口端372。來自電動泵330的流出液體被引導流過(箭頭850)此刻開啟的流體閥328a，流至相對的增強器319。液體進入增強器319的流體容室 347，偏壓(箭頭860)液體活塞34 (以及互連的氣體活塞343a)。增強器319的空氣容室345中的任何氣體被排過此刻開啟的通風閥門306a，經由通風孔310b排至大氣。蓄能器 316中的中等級別氣壓被引導(箭頭820)至增強器318，其活塞34 使用相連的較小直徑的液體活塞342b驅動來自容室346的流體。再生分級的這一階段保持適度地高流體壓力， 盡管處于較低的氣壓，從而保證馬達/泵330在預定的流體壓力的范圍內繼續運行，這是保持給定馬達的最佳運行效率所希望的。值得注意的是，該具體實施例的多分級回路有效地限制了傳輸給馬達/泵330的液壓液運行壓力的范圍高于預定的等級，盡管在由高壓儲罐充氣的膨脹氣體內有較寬的壓力范圍。圖5H是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統緊隨圖5G的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的增強器318基于來自第一回路的蓄能器316的中等壓強氣體， 引導流體至液壓馬達/泵330，而第二回路的增強器319接收馬達/泵330排出的流體，此時空氣容室345內的氣體通風至大氣。如圖5H所示，增強器318中的氣體繼續從中等壓強膨脹到低壓。反之，連接的空氣活塞和液體活塞34 和342b之間的尺寸差別各自地使得流體壓力在高壓和中等壓強之間交替變換。如此，馬達/泵的運行效率被保持。圖51是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統緊隨圖5H的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的增強器318已經幾乎排空了流體容室346內的流體，并且其空氣容室344內的氣體從第一回路的蓄能器316處釋放出來后，已經從中等壓強膨脹到接近低壓。結合圖5H所討論的，增強器318中的氣體繼續從中等壓強膨脹到低壓。同樣地，連接的空氣活塞和液體活塞34 和342b之間的尺寸差別各自地使得流體壓力在高壓和中等壓強之間交替變換，以保持馬達/泵的運行效率。圖5J是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖51的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的增強器318已經實質上排空了流體容室346內的流體，并且其空氣容室；344內的氣體從第一回路的蓄能器316處釋放出來后，已經從中等壓強膨脹到低壓。如圖5J所示，增強器的活塞342到達完全的行程，而流體容室346中的液體被完全從高壓強驅動到中等壓強。同樣地，相對的增強器的流體容室347已經充滿了來自馬達 /泵330的出口側374的流體。圖漲是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5J的狀態之后的物理狀態，其中第一回路的增強器318已經排空了流體容室346內的流體，并且其空氣容室344內的氣體已經膨脹到低壓，并且為準備轉換到第二回路的膨脹循環，在第一回路和第二回路上的閥門都已經暫時地關閉，第二回路的蓄能器和增強器流體容室339、347 此刻都充滿液體。此時，可選擇的蓄能器366可以在循環之間傳送液體通過馬達/泵330，以保持馬達/發電機332的運行。如圖漲所示，位于回路362的蓄能器316和增強器318 之間的氣動閥307b是關閉的。至此，再生分級的上述階段，始于圖5A的充氣通過兩個分級已經完全膨脹，并有著相對平緩的、等溫膨脹特性，而馬達/泵330在所希望的運行壓力范圍內已經接收了液體流。與氣動閥307b—致，流體閥329a和(和出口氣閥307a)都暫時地閉合。上述的可選擇的蓄能器366和/或其它互連的空氣/液壓蓄能器/增強器回路可以保持預定的液體流通過馬達/泵330，而相關的回路360、362的閥門都暫時地閉合。 此時，如圖4所示，可選擇的蓄能器和容器366、367可以提供增壓液體的連續流710通過馬達/泵330，并流入容器或者低壓蓄能器(排出液體流720)。在先前的充氣氣體中的整個的壓強被系統300使用。圖5L是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖漲的狀態之后的物理狀態，其中第二回路的蓄能器317充滿來自高壓儲罐302的高壓氣體作為對第二回路作為膨脹回路時的轉換部分，而第一回路接收排出的液體并通風至大氣，同時可選擇的蓄能器366輸送液體通過馬達/泵330，以在循環之間保持馬達/發電機的運行。如圖 5L所示，循環繼續一新的充氣，來自儲罐302的高氣壓(略低的)氣體被傳輸至相對的蓄能器317。如圖所示，氣動閥306c此刻被控制器350打開，允許充氣，較高氣壓的氣體流入 (箭頭815)蓄能器317的空氣容室341，這樣在空氣容室341中構建對應的高氣壓充氣。圖5M是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5L的狀態之后的物理狀態，其中閥門打開，允許液體從第二回路的蓄能器317流至液壓馬達/泵330，并由此發電，同時第一回路的蓄能器316接收馬達/泵330排出的流體，蓄能器316的空氣容室340通風至大氣。如圖5M所示，氣動閥306c關閉，而在回路360、362的液壓側的流體閥 328d和329d是開啟的，從而允許蓄能器活塞337在充氣的空氣容室341的壓力下產生移動 (箭頭816)。這引導在高壓下的液體通過馬達/泵330的進口端372 (箭頭817)，然后通過出口 374。此刻，排出的液體被引導(箭頭818)至蓄能器316的流體容室338。氣動閥 307a和307b已經打開，允許在蓄能器316的空氣容室340中的低壓空氣經由通風孔310a 排出(箭頭819)至大氣。如此，蓄能器316的活塞336能夠無阻力地移動(箭頭821)，以容納來自馬達/泵的出口 374的液體。圖5N是圖4的能量儲存和再生系統的示意圖，示出了系統300緊隨圖5M的狀態之后的物理狀態，其中第二回路362的蓄能器317繼續引導液體至液壓馬達/泵330，同時第一回路的蓄能器繼續接收馬達/泵330排出的液體，此時空氣容室340內的氣體通風至大氣，循環最后引導中等壓強空氣至第二回路的增強器319，以驅除在其中的液體。如圖5N 所示，蓄能器317中的高壓氣體充氣在空氣容室341內更充分地膨脹(箭頭816)。最后，空氣容室341中的充氣被完全膨脹。然后，空氣容室341中的中等壓強充氣經由開啟的氣動閥306b被連接至增強器319，這用來自出口 374的用過的流體填充相對的增強器318。該工序重復，直到預定的能量獲得再生，或者儲罐302內的壓強降低到預定等級。很明顯，結合圖4和5A-5N的描述，系統300可以反向運行，在泵模式下通過發電機/馬達332發電驅動馬達/泵330來壓縮儲罐302內的氣體。在這種情況下，以上描述的工序按相反的順序發生，驅動流體使得在空氣系統的兩分級內的壓縮依次進行。也就是說，空氣在被從外界環境抽吸到增強器之后，首先被壓縮到中等壓強。然后該中等壓強空氣被引導到蓄能器的空氣容室，在那里液體隨后強制壓縮空氣至高氣壓。然后高壓空氣被強制進入儲罐302。該壓縮/能量儲存分級和以上描述的膨脹/能量回收分級都可參見如圖 6所示的總體系統狀態圖進行討論。注意到，在上述系統100、300(—個或多個分級)中，壓縮和膨脹循環是根據在儲罐302中有氣體存在來判定的，其當前壓強處于中等壓強級以上(例如，高于20ATM)。例如，系統300中，當儲罐302中的當前壓強降低到低于中等壓強級(例如，根據儲罐傳感器 312、314檢測的等級)時，閥門可由控制器配置來只使用增強器進行壓縮和膨脹。也就是說，較低的氣壓適于在增強器上使用大面積的氣體活塞，而較高的壓力則適于使用蓄能器 316,317的較小面積的活塞。在討論狀態圖之前，應該注意到，本發明描述的系統的優點之一是其不同于現有技術的各個系統，該系統可以使用通常市場上買得到的元件來實施。在具有例如10至 500kW的電力輸出功率的一系統的實施例中，高壓儲罐可以使用標準鋼或復合圓柱形壓力容器(例如壓縮的天然氣5500-psi鋼筒)制得。蓄能器可以使用具有活動的活塞的標準鋼或復合壓力缸(例如，一個四英寸內徑的活塞式蓄能器)。具有類似于示例性的蓄能器性能的增強器(增壓器/倍增器)可以制得(例如，一個十四英寸升壓直徑和四英寸內徑的單一作用的增壓器，可從美國俄亥俄州的克利夫蘭市的Parker-Harmifin獲得)。液壓馬達/泵可以是標準的高效率的軸向活塞，徑向活塞，或者基于齒輪的液壓馬達/泵，而且聯合的發電機也能從許多工業供應商處購買獲得。具有規定的特性的閥門、線路和配件也是在市場上買得到的。討論了系統的各個具體實施例中的示例性的物理順序之后，以下系統300在膨脹 /能量回收模式和壓縮/能量儲存模式兩者中的運行狀態的更一般的討論。現在參見圖6。具體地，圖6詳細總結了狀態圖600，其可以被控制應用353使用，來基于能量循環(再生/膨脹或者儲存/壓縮)，根據各壓強、溫度、活塞位置和/或流量傳感器報告的狀態，操縱系統的閥門和馬達/發電機。基本狀態1(610)是一系統狀態，其中全部閥門都關閉，而系統對氣體既不壓縮也不膨脹。第一蓄能器和增強器(例如，316、318)充滿著最大量的液壓液，而第二蓄能器和增強器1 (例如，317、319)充滿著最大量的空氣，空氣可處于或沒有處于大于大氣的壓強下。相當于基本狀態1的物理系統的狀態如圖5A所示。反之， 圖6的基本狀態2(620)是一系統狀態，其中全部閥門都關閉，而系統對氣體既不壓縮也不膨脹。第二蓄能器和增強器充滿著最大量的液壓液，而第一蓄能器和增強器充滿著最大量的空氣，空氣可處于或沒有處于大于大氣的壓強下。相當于基本狀態2的物理系統的狀態如圖漲所示。進一步如圖6所示，基本狀態1和基本狀態2每一個都連接至一個表示為單分級的壓縮630的狀態。該總的狀態代表一系列的系統狀態，其中氣體被壓縮以存儲能量，這發生于當儲罐302中的壓強小于中等壓強級時。氣體被(例如，從外界環境)允許進入增強器(318或319，取決于當前的基本狀態)，然后由驅動液壓液加壓進入增強器中。當增強器中的氣體的壓強達到儲罐302中的壓強時，氣體被允許進入儲罐302。該工序對于另一個增強器重復進行，并且系統返回到初始的基本狀態(610或620)。如圖6所示的雙分級的壓縮632代表一系列的系統狀態，其中當儲罐302中的壓強大于中等壓強級時，氣體在雙分級中被壓縮以存入能量。壓縮的第一分級在增強器(318 或319)中發生，其中氣體在近乎大氣壓下(例如，從外界環境)被導入后，加壓到中等壓強。壓縮的第二分級在蓄能器(316或317)中發生，其中氣體被壓縮到儲罐302中的壓強， 然后被允許流入儲罐302。緊隨兩級壓縮后，系統從當前的基本狀態返回到另一個基本狀態，如圖中的交叉過程箭頭634所表示的。如圖6所示的單分級的膨脹640代表一系列的系統狀態，其中當儲罐302中的壓強小于中等壓強級時，氣體膨脹以再生儲存的能量。來自儲罐302中的一定量氣體被允許直接流入增強器(318或319)。該氣體然后在增強器中膨脹，推動液壓液通過液壓馬達/泵 330并進入第二增強器，在那里排出的液體移動活塞，同時氣體側對大氣(或另一個低壓環境)開放。然后該單分級的膨脹過程對于第二增強器重復進行，此后，系統返回到初始的基本狀態(610或620)。同樣地，如圖6所示的雙分級的膨脹642代表一系列的系統狀態，其中當儲罐中的壓強大于中等壓強級時，氣體分兩級膨脹，以再生儲存的能量。一定量的氣體從儲罐302被容許進入蓄能器(316或317)中，其中氣體膨脹到中等壓強，推動液壓液通過液壓馬達/泵 330并進入第二蓄能器。然后氣體被容許進入對應的增強器(318或319)中，其中氣體膨脹到接近大氣壓強，推動液壓液通過液壓馬達/泵330并進入第二增強器。系列狀態包括兩級膨脹，其如前面描述的圖5A-5N所示。兩級膨脹之后，系統返回到另一個基本狀態(610 或620)，如交叉過程箭頭644所示。顯然，以上描述的儲存和再生能量的系統效率很高，因為它允許氣體在一個循環的逐漸膨脹，這有助于保持等溫特性。該系統通過系統部件提供允許更平緩的熱傳遞的兩個或更多獨立分級中的壓縮/膨脹，由此獨特地處理了氣體在高氣壓到接近大氣(以及伴隨的熱傳導)之間的大膨脹和壓縮。因此要求很少的外界能量(可燃氣體，等等)來運轉系統，使得系統對環境更友好，利用市場上買得到的元件就能夠實施，并且可任意規模來滿足各種能量儲存/再生的需要。然而，通過結合如圖9所示的熱傳遞子系統，上面描述的系統的效率有可能進一步提高。圖7A-7F描述了對開放大氣分級液壓氣壓系統進行循環的的膨脹/壓縮的替代的系統/方法的主系統，其中系統400包括至少三個蓄能器416a、416b、416c，至少一個增強器 418和兩個馬達/泵430a、430b。為了清楚起見，壓縮氣體儲罐、閥門、傳感器等等未示出。 圖7A-7F示出了蓄能器416、增強器418和馬達/泵430在各個膨脹的分級(分級101-106) 期間的運行。在分級106完成后，系統400返回到分級101。如圖所示，標識D、F、AI和F2指示蓄能器或增強器是被驅動(D)或填充(F)，其他的蓄能器中的標記，AI指示蓄能器至增強器一蓄能器氣壓側連接至增強器氣壓側并驅動增強器氣壓側，而F2指示以兩倍的標準填充的速率填充。如圖7A所示，該平面布置包括三個相同尺寸的液壓氣壓蓄能器416a、416b、416c， 一個容量大約為蓄能器容量的1/3的具有液壓側446的增強器418，和兩個液壓馬達/泵 430a、430b。圖7A代表分級或時間情況101，其中蓄能器416a正被來自壓力容器的高壓氣體驅動。在一定數量的壓縮氣體被吸入(根據當前的容器壓強)后，閥門將閉合，壓力容器和高壓氣體的斷開將持續以在蓄能器416a內膨脹，如圖7B和7C所示(即分級102和103)。 蓄能器416b沒有液壓液，它的空氣容室440b沒有承壓，并且通風至大氣。蓄能器416a中的氣體膨脹，驅動液壓液流出蓄能器，從而驅動液壓馬達430a，且馬達430a的輸出用液壓液回填蓄能器416b。在如圖101所示的時間點，蓄能器416c的狀態處于氣體已經膨脹了兩個單位的時間，并且持續驅動馬達430b，同時填充增強器418。類似于蓄能器416b，增強器 418沒有液壓液，它的空氣容室444沒有承壓，并且通風至大氣。延伸至時間情況102，如圖7B所示，蓄能器416a的空氣容室440a繼續膨脹，從而推動液體流出流體容室438a，并且驅動電動機/泵430a并填充蓄能器416b。此時蓄能器 416c沒有液壓液，但是保持中等壓強。蓄能器416c的空氣容室440c此時被連接到增強器 418的空氣容室444。增強器418此時充滿液壓液，蓄能器416c中的中等壓強氣體驅動增強器418，其提供了中等壓強氣體到高壓液體的增強。高壓液體驅動馬達泵430b，馬達/泵 430b的輸出也經由適當的閥門被連接至蓄能器416b并填充蓄能器416b。因此，蓄能器416b 以兩倍正常速率被填充，當單個膨脹液壓氣壓裝置蓄能器或增強器)提供液體用于填充時為正常速率。在時間情況103，如圖7C所示，系統400已經返回了類似于分級101的狀態，但是不同的蓄能器在相同的分級。蓄能器416b此時充滿液壓液并正被來自壓力容器的高壓氣體驅動。在一定數量的壓縮氣體被吸入(根據當前的容器壓強)后，閥門將閉合，壓力容器斷開連接。高壓氣體會繼續在蓄能器416b中膨脹，如分級104和105所示。蓄能器416c沒有液壓液，它的空氣容室440c沒有承壓，并且通風至大氣。蓄能器416b中的氣體膨脹，驅動液壓液流出蓄能器，驅動液壓馬達//泵430b，伴隨著馬達的輸出功率用液壓液經由適當的閥門回填蓄能器416c。在如103所示的時間點，蓄能器416a的狀態處于氣體已經膨脹了兩個單位的時間，并且持續驅動馬達/泵430a，同時填充增強器418。類似于蓄能器416c， 增強器418再次沒有液壓液，它的空氣容室444沒有承壓，并且通風至大氣。延伸至時間情況104，如圖7D所示，蓄能器416b的空氣容室440b繼續膨脹，從而推動液體流出流體容室438b，并且驅動電動機/泵430a并填充蓄能器416c。此時蓄能器 416a沒有液壓液，但是保持中等壓強。蓄能器416a的空氣容室440a此時被連接到增強器 418的空氣容室444。增強器418此時充滿液壓液，蓄能器416a中的中等壓強氣體驅動增強器418，提供了中等壓強氣體到高壓液體的增強。高壓液體驅動馬達泵430b，馬達/泵430b 的輸出也經由適當的閥門被連接至并填充蓄能器416c。因此，蓄能器416c以兩倍正常速率被填充，當單個膨脹液壓氣壓裝置(蓄能器或增強器)提供液體用于填充時為正常速率。在時間情況105，如圖7E所示，系統400已經返回了類似于分級103的狀態，但是具有在相同分級的不同的蓄能器。蓄能器416c此時充滿液壓液并正被來自壓力容器的高壓氣體驅動。在一定數量的壓縮氣體被吸入(根據當前的容器壓強)后，閥門將閉合，斷開與壓力容器的連接。高壓氣體會繼續在蓄能器416c中膨脹。蓄能器416a沒有液壓液，它的空氣容室440a沒有承壓，并且通風至大氣。蓄能器416c中的氣體膨脹驅動液壓液流出蓄能器，驅動液壓馬達/泵430b，伴隨著馬達的輸出用液壓液經由適當的閥門回填增強器 418。在如105所示的時間點，蓄能器416b的狀態處于氣體已經膨脹了兩個單位的時間，并且持續驅動馬達/泵430a，同時利用液壓液經由適當的閥門填充蓄能器416a。類似于蓄能器416a，增強器418再次沒有液壓液，它的空氣容室444沒有承壓，并且通風至大氣。延伸至時間情況106，如圖7F所示，蓄能器416b的空氣容室440c繼續膨脹，從而推動液體流出流體容室438c，并且驅動電動機/泵430b并填充蓄能器416a。此時蓄能器 416b沒有液壓液，但是保持中等壓強。蓄能器416b的空氣容室440b此時被連接到增強器418的空氣容室444。增強器418此時充滿液壓液，蓄能器416b中的中等壓強氣體驅動增強器418，其提供了中等壓強氣體到高壓液體的增強。高壓液體驅動馬達/泵430a，馬達/ 泵430a的輸出也經由適當的閥門被連接至并填充蓄能器416a。因此，蓄能器416a以兩倍正常速率被填充，當單個膨脹液壓氣壓裝置(蓄能器或增強器)提供液體用于填充時為正常速率。緊隨如106所示的狀態之后，系統返回到如101所示的狀態，并且循環持續。圖8是示出了上面描述的膨脹方案的表格，其示出了圖7A-7F中的三個蓄能器，一個增強器系統。應該注意到，貫穿循環，兩個液壓氣壓裝置(兩個蓄能器或一個增強器加上一個蓄能器)總是膨脹的，而兩個馬達總是被驅動的，但這是在膨脹中的不同的點，如此， 總體電力保持相對恒定。圖9總體描述了分級的液壓空氣能量轉換系統，其使用熱調節壓縮液體儲存和再生電能，并結合了本發明的各個具體實施例，例如圖1、4和7中的描述。如圖9所示，系統 900包括五個高壓氣體/空氣儲罐90Μ-902θ。儲罐90 和902b及儲罐902c和902d各自地通過手控閥9(Ma、904b和9(Mc、904d并行相連。儲罐90 也包括手控的斷流閥9(Me。 儲罐902經由氣壓的二通閥(8卩，截流閥)906￡1、90613、906(3相連至主氣流線路908。儲罐輸出線路包括壓力傳感器91h、912b、912c。線路/儲罐902還可以包括溫度傳感器。各個傳感器可以被系統控制器960經由適當的連接監控，結合如上所述的圖1和4。主氣流線路908經由自動控制的氣壓的斷流閥907a、907b被連接至一對多分級(在實施例中為兩分級)蓄能器回路。這些閥門907a、907b被連接到相應的蓄能器916和917。蓄能器916、917 的空氣容室940、941經由自動控制的氣壓的斷流閥907c、907d被連接至增強器918、919的空氣容室944、945。氣壓的斷流閥907e、907f也被連接至氣流線路，該氣流線路連接各自的蓄能器和增強器空氣容室并連接至相應的大氣通風孔910a、910b。該配置允許來自各個儲罐902的空氣被有選擇地導引到蓄能器空氣容室944、945中之一。而且，各個氣流線路和空氣容室可以包括壓力傳感器和溫度傳感器922、924，其輸送探測的遙測數據至控制器960。系統900也包括兩個熱傳遞子系統950，其與蓄能器和增強器916-919的空氣容室 940、941、944、945、以及提供改善的氣體等溫膨脹和等溫壓縮的高壓儲罐902流體連通。熱傳遞子系統950的一個原理圖更詳細地如圖9A所示。每一個熱傳遞子系統950包括循環設備952，至少一個換熱器卯4和氣動閥956。一個循環設備952，兩個換熱器954以及兩個氣動閥956如圖9和9A所示，然而，循環設備952、換熱器954以及閥門956的數量和型號都可以變化以適合具體的應用。熱傳遞子系統950的各個元件和操作在在下文更詳細描述。 在一具體實施例中，一般地，循環設備952是能夠在高達3000PSI或更大的壓強下運行的正向活塞泵，兩個換熱器％4是殼內管式(亦稱管殼式)換熱器954，也能夠在高達3000PSI 或更大的壓強下運行。換熱器％4是以并聯連接的方式示出的，雖然它們還可以串聯的方式連接。各換熱器％4可以具有相同的或不同的熱交換面積。例如，當換熱器954并聯連接、第一換熱器954A具有傳熱面積X、并且第二換熱器954B具有傳熱面積2X時，控制閥配置可用于有選擇地引導氣體流向換熱器954中的一個或兩個，以獲得不同的傳熱面積(例如，X、2X或3X)，并由此獲得不同的熱效率。系統950的基本操作結合圖9A進行描述。如圖所示，系統950包括循環設備952， 其例如可以被與其機械地連接的電動機953驅動。其它驅動循環設備的類型和裝置也可構建，而且在本發明的范圍內。例如，循環設備952可以是蓄能器、止回閥和致動器的組合。循環設備952經由三通二位氣動閥956B與每一空氣容室940、944流體連通，根據閥門956B 的位置抽吸來自空氣容室940、944任一的氣體。循環設備952使氣體從空氣容室940、944 到換熱器％4循環。如圖9A所示，兩個換熱器卯4通過一系列的氣壓斷流閥907G-907J并聯連接，斷流閥可以調節氣體至換熱器954A、換熱器954B或兩者的氣體流量。還包括旁通氣壓斷流閥907K，其可用于旁通換熱器％4 (即，熱傳遞子系統950可以沒有循環氣體通過任一換熱器)。在工作時，氣體流過換熱器954的第一側，而恒溫流體源流過換熱器954的第二側。 流體源被控制以保持氣體處于室溫。例如，當氣體在壓縮期間溫度增加時，氣體可以被引導通過換熱器954，而流體源(處于環境溫度或者更冷的溫度)反向流過換熱器954，以帶走氣體的熱量。換熱器卯4的氣體輸出經由三通二位氣動閥956A與每一空氣容室940、944流體連通，根據閥門956A的位置，其將熱調節氣體返回到任一空氣容室940、944。氣動閥956 用來控制氣體正被熱調節的液壓缸。各個元件的選擇會根據具體的應用，例如結合液體流量、熱傳遞要求和位置。而且，氣動閥可以被電子地、液壓地、氣壓地或人工地操作。而且，熱傳遞子系統950可以包括至少一個溫度傳感器922，其結合控制器960控制各個閥門907、956的操作，由此控制熱傳遞子系統950的操作。在一個示例性的具體實施例中，熱傳遞子系統被用于如上所示和所述的分級的液壓氣壓的能量轉換系統，其中兩個換熱器串聯連接。熱傳遞子系統的操作結合一個具有4英寸內徑的1. 5加侖容量的活塞式蓄能器的操作來進行描述。在一個實施例中，系統在氣體10秒內從2900PSI膨脹到350PSI的過程中能夠產生1_1. 5kff的電力。兩個殼內管式熱交換設備(可以從美國威斯康星州Oconomowoc的kntry設備公司中獲得)， 一個具有0. Ilm2的熱交換面積，另一個具有0. 22m2的熱交換面積，都與蓄能器的空氣容室流體連通。除了換熱器的布置，系統類似于圖9A所示，并且可用斷流閥來控制熱交換反向流，由此提供不作熱交換、與單個換熱器(即，具有0. Ilm2或0. 22m2的熱交換面積)熱交換或與兩個換熱器(即，具有0. 33m2的熱交換面積)進行熱交換。在900、950的操作期間，高壓空氣從蓄能器916中被吸取，并被循環設備952循環流過換熱器954。具體地，一旦蓄能器916充滿液壓液并且活塞處于汽缸的頂端，氣體循環 /換熱器子回路和蓄能器的氣壓側的剩余空間就充滿著3，000PSI的空氣。如果需要，斷流閥907G-907J用來選擇哪一個換熱器(如果有的話)供使用。一旦這一點完成，循環設備 952打開，如同換熱器的逆向流動。其他的熱傳遞子系統結合圖11-23在下文描述。在蓄能器916中的氣體膨脹期間，如圖9A所示，三向閥956被致動，并且氣體膨脹。在蓄能器916的氣體側的壓力和溫度傳感器/探測器在膨脹期間被監控，位于熱傳遞子系統950中的溫度傳感器/探測器也是如此。當總的液力能量輸出與理論的能量輸出相比，即可確定氣體膨脹的熱力效率，理論的能量輸出可以已經通過讓已知體積的氣體以理想等溫膨脹方式來獲得。總體輸出量和熱效率可通過調節液壓液流動速率和換熱器面積來控制。圖10描述了系統900、950的示例性的具體實施例中的輸出功率、熱效率和換熱器表面積之間的關系。如圖10所示，在輸出功率和效率之間有一平衡(trade-off)。通過增加熱交換面積(例如，通過給熱傳遞子系統950增加熱交換器)，可在輸出功率范圍內獲得更高的熱效率。對于該示例性的具體實施例，當使用兩個換熱器％4用于1. Okff的平均功率輸出時，可以獲得超過90%的熱效率。增加氣體通過換熱器的循環速率還會提供額外的效率。根據上述，通過成本和尺寸與輸出功率和效率的均衡，元件的選擇和尺寸可達到最優化系統設計。系統900的基本操作和配置基本上類似于系統100和300 ；然而，如本文中描述的，在液壓閥的布置之間存在差別。回頭參見圖9，對于基本的分級的液壓氣壓的能量轉換系統900的其余描述，每一蓄能器916、917的空氣容室940、941被活動的活塞936、937密閉，活塞936、937具有使用密封環和本領域普通技術人員熟知的其他元件的適當的密封系統。活塞936、937響應于空氣容室940、941和分別位于蓄能器殼體的相對側上的相對的流體容室938、939之間的壓強差沿著蓄能器殼體移動。同樣地，相應的增強器918、919的空氣容室944、945也被移動的活塞組件942、943封閉。然而，活塞組件942、943包括空氣活塞，其通過軸、桿或其它連接件被連接至相應的流體活塞，它們連接在一起移動。活塞直徑之間的差別允許作用在空氣活塞上的較低的氣壓在聯合的流體容室上產生與作用于蓄能器活塞上的較高的氣壓的相似的壓強。如此，并如前文所述，系統允許采用至少兩級的氣壓以產生相似等級的流體壓力。蓄能器流體容室938、939經由液壓閥928a被相互連接至液壓馬達/泵布置930。 液壓馬達/泵布置930包括第一端口 931和第二端口 933。布置930還包括幾個可選擇的閥門，包括常開的斷流閥925、卸壓閥927，和可進一步控制馬達/泵布置930的操作的三個止回閥929。例如，止回閥929a、929b引導流體從馬達/泵的流出口端口流至在較低的壓強下的端口 931、933。而且，閥門925、929c防止馬達/泵在膨脹循環期間發生突然停機。液壓閥928a顯示為三位四通定向閥，其是電致動的，并彈簧回程至中心關閉位置，其中在未致動的狀態，沒有流體能夠通過閥門928a。定向閥928a控制從蓄能器流體容室938、939到馬達/泵布置930的第一端口 931或第二端口 933之一的流體流動。該布置允許來自蓄能器流體容室938、939之一的流體驅動馬達/泵930順時針方向或反時針方向通過單個閥門。增強器流體容室946、947經由液壓閥928b也被相互連接至液壓馬達/泵布置 930。液壓閥928b也是三位四通定向閥，其是電力致動的，并且是彈簧回程至中心關閉位置，其中在未致動的狀態，沒有流體能夠通過閥門928b。定向閥928b控制從增強器流體容室946、947到馬達/泵布置930的第一端口 931或第二端口 933之一的流體流動。該布置允許來自增強器流體容室946、947之一的流體驅動馬達/泵930順時針方向或反時針方向通過單個閥門。馬達/泵930可連接的至發電機/馬達，后者驅動并被馬達/泵930驅動。如前面描述的具體實施例所討論的，發電機/馬達組件可與電力分配系統相互連接，并可被控制器960監控狀態和輸出/輸入電平。而且，流體線路和流體容室可包括壓強、溫度或流量傳感器和/或指示器922、 924，其輸送檢測的遙測數據至控制器960和/或提供操作狀態的可見信號。而且，活塞936、 937、942、943可包括位置傳感器948，其報告它們的當前位置給控制器960。活塞的位置可用于確定氣體和流體兩者的相對壓力和流量。圖11是本發明的一個簡化的具體實施例中等溫膨脹液壓/氣動系統的說明性的實施例。系統包括汽缸1101，其含空氣容室或"氣壓側"1102和流體容室或"液壓側"1104，兩者被活動的(雙箭頭1140)活塞1103或其它隔離氣體與流體的力/壓強傳遞擋板分隔開。汽缸1101可以是傳統的、市場上買得到的元件，其被改變成接收如下所述的附加的端口。如以下將進一步詳細描述的，此處描述的任何具體實施例都可以實施為上面描述的能量儲存和再生系統的液壓和氣動回路中的蓄能器或增強器(例如，蓄能器316、增強器318)。汽缸1101包括主空氣端口 1105，其可以經由閥門1106關閉，并與氣動回路或任何其它空氣源/存儲系統連接。汽缸1101還包括一主流體端口 1107，其可被閥門1108 關閉。流體端口與以上所述的存儲系統的液壓回路中的流體源或任何其它流體容器連接。現在參照熱傳遞子系統1150，汽缸1101具有一個或多個氣體循環輸出端口 1110， 其經由管道1111連接至氣體循環器1152。注意，此處使用的術語"管道"、“管子"等等應該指一個或多個導管，其被設計以在兩點之間傳送氣體或其他的流體。由此，在適當的時候，單數的術語應該考慮包括多個平行的導管。氣體循環器1152可以是傳統的或定制的低壓的氣動泵、風扇或用于循環氣體的任何其它裝置。氣體循環器1152應該被密封并定速以在氣體容室1102內的壓強下操作。因此，氣體循環器1152創建了上至管道1111的預定的空氣流量(箭頭1130)，并通過管道。氣體循環器1152可以是被來自電力源的電力提供動力或被另一個驅動機構，例如液壓馬達，供以動力。循環器1152的集流速度和開/閉功能可以被作用于循環器1152的電源上的控制器1160控制。控制器1160可以是基于軟件和 /或硬件的系統，其執行此處描述的熱交換程序。氣體循環器1152的輸出端經由管道1114 連接至換熱器IlM的輸入端1115。本說明性的具體實施例中的換熱器IlM可以是任何可接受的設計，其允許能量被高效地傳送至壓力管道中的高壓氣體流，以及從壓力管道中的高壓氣體流傳送至另一個集流(流體)內。熱交換率部分地基于氣體和流體的相對流速、氣體和流體之間的交換表面積和它們之間的分界面的熱傳導率。特別地，氣體流在熱交換器IlM內被流體逆向流 1117(箭頭1126)加熱，其在室溫下進入熱交換器IlM的流體輸入端1118，并在等于或近似等于管道1114中的氣體的溫度下排出熱交換器IlM的流體出口 1119。換熱器IlM的氣體出口 1120處的氣體流處于室溫或近似室溫下，并經由管道1121通過一個或多個氣體循環輸入端1122返回至空氣容室1102。用"室溫"表示周圍環境的溫度，或者系統可以獲得有效性能的其他期望溫度。在循環輸入端1122處再次進入汽缸的空氣容室1102的室溫氣體與氣體容室1102內的氣體混合，從而給氣體容室1102中的流體帶來接近室溫的溫度。控制器1160例如根據容納在氣體容室1102內的氣體的優勢溫度來管理熱交換率，其使用常規設計的溫度傳感器1113B，該溫度傳感器111 與容室1102內的氣體熱交流。傳感器111 可以設置在沿著汽缸的任何位置，包括換熱器氣體輸入端1110處，或者與其鄰近處的位置。控制器1160從汽缸檢測器上得到數值T，并與由位于系統環境內某處的檢測器1113C得來的室溫數值(TA)進行比較。當T大于TA時，熱傳遞子系統1150被導向(通過供以循環器1152動力)移動氣體通過其中，移動速率可部分根據溫差決定(從而交換不會溢出或達不到要求的設置)。附加傳感器可位于熱交換子系統內多個的位置，以提供能被更復雜的控制算法使用的額外的遙測數據。例如，從換熱器輸出氣體的溫度(TO)可被設置在出口 1122的上游的檢測器1113A測量。換熱器的流體管路可充滿水、冷卻劑混合物和/或任何可接受的傳熱介質。在替換的具體實施例中，氣體，例如空氣或冷卻劑，能被用作傳熱介質。一般說來，流體由導管引導至在閉合的或開口的回路中有流體的大型的容器中。一個開口回路的實施例是一口井或一個貯水池，環境的水從其中抽出，并且排出的水被傳輸到不同的位置，例如河流的下游。 在一閉合回路的具體實施例中，冷卻塔可以使水循環通過空氣以返回到換熱器。同樣地，水可以穿過浸入式或掩埋式連續管道的盤管，其中產生反向熱交換以使流體流在返回換熱器進行另一循環之前，返回至環境。還應該清楚，本發明的等溫操作在兩個方向上熱動力學地做功。雖然氣體在膨脹期間由流體加熱至室溫，但是由于通過壓縮可以建立相當的內部熱能，氣體還可以在壓縮期間被換熱器冷卻至室溫。因此，換熱器元件應該被設計以應對將要遇到的輸入氣體和排出流體的溫度范圍。而且，因為換熱器處于液壓/氣壓缸的外部，它可設置在任何便利的位置，并可根據輸送高效率的熱交換的需要確定尺寸。而且它可通過易于安裝在現有的、市場上買得到的液壓/氣壓缸的底端的直通接頭或端口接附于汽缸。現在參照圖12，其詳細示出了本發明的一個簡化的具體實施例中等溫膨脹液壓/ 氣動系統的第二個說明性的實施例。在該具體實施例中，熱傳遞子系統1250與上面描述的熱傳遞子系統950、1150相似或相同。其中使用了同樣的元件，因此它們在此處被給出了同樣的附圖標記。在該具體實施例中的說明性的系統包括"增強器"，其由包含空氣容室 1202和流體容室1204的汽缸組件1201組成，兩者被活塞組件1203分離開。該布置中的活塞組件1203由較大直徑/面積的氣動活塞構件1210構成，其由軸1212連接至較小直徑/ 面積的液壓活塞1214。對應的空氣容室1202的橫截面因此比流體容室1204的大，并被活動的(雙箭頭1220)活塞組件1203隔離開。活塞組件1203的相對尺寸在汽缸1201的每一側引起壓差響應。也就是說，根據每一活塞構件1210、1214的相對表面積，氣體容室1202 內的壓強可相對于流體容室內的壓強以某一預定的比率降低。如以前討論的，此處描述的任何具體實施例可由在上面描述的能量儲存和再生系統的液壓和氣動回路中的蓄能器或增強器來實施。例如，在前面描述的系統中，增強器汽缸 1201可連同圖11的汽缸1101 —起用作一個分級。為與那些系統或另一應用有接口，汽缸 1201可包括主空氣端口 1205，其可經由閥門1206關閉，還包括主流體端口 1207，其可由閥門1208關閉。現在參照熱傳遞子系統1250，增強器汽缸1201還具有一個或多個氣體循環輸出端口 1210，其經由管道1211連接至氣體循環器1252。再次，氣體循環器1252可以是用于循環氣體的傳統的或定制的低壓差的氣動泵、風扇或任何其它裝置。氣體循環器1252應該被密封并定速以在氣體容室1202內的壓強下工作。因此，氣體循環器1252創建了上至管道1211的預定的氣體流(箭頭1230)，并通過管道。氣體循環器1252可以是被來自電力源的電力提供動力或被另一個驅動機構，例如液壓馬達，供以動力。循環器1252的集流速度和開/閉功能可以被作用于循環器1252的電源上的控制器1260控制。控制器1160可以是基于軟件和/或硬件的系統，其執行此處描述的熱交換程序。氣體循環器1252的輸出端經由管道1214連接至換熱器12M的輸入端1215。再次，氣體流在換熱器12M內被流體逆向流1217(箭頭1226)加熱，其在室溫下進入熱交換器12M的流體輸入端1218，并在等于或近似等于管道1214中的氣體的溫度下排出熱交換器12M的流體出口 1219。換熱器12M的氣體出口 1220處的氣體流處于室溫或近似室溫下，并經由管道1221通過一個或多個氣體循環輸入端1222返回至空氣容室1202。 用"室溫"表示周圍環境的溫度，或者系統可以獲得有效性能的其他期望溫度。在循環輸入端1222處再次進入汽缸的空氣容室1202的室溫氣體與氣體容室1202內的氣體混合，從而給氣體容室1202中的流體帶來接近室溫的溫度。再次，當熱傳遞子系統1250與圖12的增強器連接時，其可特別設定尺寸和配置以適應增強器的空氣容室1202的性能，該性能可與如圖11所示的具體實施例中的汽缸的空氣容室1102的性能有熱動力學上的不同。不過， 可以認識到，在兩個具體實施例中的換熱器的基本結構與功能是大概相似的。同樣地，控制器1260可適合于應對增強器汽缸的性能曲線。因而，容室傳感器1213B、環境傳感器1213C 和交換器輸出傳感器1213A的溫度讀數與圖11中的傳感器1113是相似的。在該具體實施例中明確地構想了多種可替換采用的傳感器設置。現在參考圖13，其示出了與勢能回路1370組合在一起的圖11中示出和描述的汽缸1101和熱傳遞子系統1150。該具體實施例說明了汽缸1101做功的能力。前述的增強器1201可同樣地被安排以如圖13所示的方式做功。總之，隨著氣體容室1102中的加壓氣體膨脹，氣體在所示的活塞組件1103上(或在圖12的具體實施例中的活塞組件1203上) 做功，活塞組件對流體容室1104(或流體容室1204)中的流體做功，從而推動流體流出流體容室1104(1204)。被推出流體容室1104(1204)的流體經管道1371流至常規設計的液壓馬達1372，使得液壓馬達1372驅動軸1373。軸1373驅動電動機/發電機1374，發出電力。流入液壓馬達1372的流體流出馬達后，流入流體容器1375。通過這種方式，由空氣容室1102(120 內的氣體膨脹釋放的能量被轉變為電能。氣體可來源于如上所述的高壓儲罐陣列中。當然，氣體容室1102(120 中的熱傳遞子系統在膨脹過程中以上面描述的方式保持室溫。按類似方式，電能可用于壓縮氣體，從而儲能。提供給電動機/發電機1374的電能驅動軸1373，接著，其反過來驅動液壓馬達1372。此舉推動流體從流體容器1375流入管道1371，并進一步流入汽缸1101的流體容室1104(1204)。隨著流體進入流體容室 1104(1204)，它在活塞組件1103上做功，從而活塞組件對氣體容室1102(120 中的氣體做功，也就是說，壓縮氣體。熱傳遞子系統1150可用于散發壓縮產生的熱量，并通過由控制器 1160(1沈0)對傳感器1113(1213)的適當讀取，然后調節循環器1152 (1252)的節流，保持溫度處于室溫或接近室溫。現在參考圖14A、14B和14C，其各自示出了汽缸或增強器絕熱地、等溫地或者接近等溫地膨脹氣體時的做功能力。首先參考圖14A，如果氣體容室中的氣體從初壓502和初始體積504足夠快速地膨脹，以致實際上沒有熱量輸入至氣體，則氣體按照絕熱曲線506a絕熱膨脹，直到氣體達到大氣壓強508和絕熱的最終體積510a。由該絕熱膨脹所做的功為陰影面積51加。明顯地，曲線的一小部分變成陰影，顯示所做的功較小，以及能量轉移的效率低。反之，如圖14B所示，如果氣體容室中的氣體從初壓502和初始體積504足夠緩慢膨脹，以致全部的熱量傳遞入氣體，則氣體會保持恒溫，并會按照等溫曲線506b等溫膨脹， 直到氣體達到大氣壓強508和等溫的最終體積510b。由該等溫膨脹所做的功為陰影面積 512b。由等溫膨脹506b獲得的功512b明顯地大于由絕熱膨脹506a獲得的功512a。實際氣體膨脹可介于等溫和絕熱之間。本發明的熱傳遞子系統950、1150、1250意圖構建至少接近或近乎理想的圖14C的圖表所示的等溫膨脹。氣體容室中的氣體從初壓502和初始體積504按照實際膨脹曲線506c膨脹，直到氣體達到大氣壓強508和實際的最終容積510c。由該膨脹所做的實際功為陰影面積512c。如果實際的膨脹506c為接近等溫，那么所做的實際功512c會近似相等于等溫的功512b(當與圖14B中的面積比較時)。實際功512c與理想的等溫功512b的比值為膨脹的熱效率，如圖10的Y軸所繪出的。系統的輸出功率等于由氣體膨脹完成的功除以氣體膨脹所花費的時間。為了增加輸出功率，需要降低膨脹時間。隨著膨脹時間的減少，傳遞至氣體的熱量將降低，膨脹會更接近絕熱，并且輸出的實際功會更少，也就是說，更接近絕熱的功輸出量。在此處描述的本發明中，至氣體的熱傳遞通過增加表面積以及氣體通過熱交換的表面積的速率來增加，通過該表面積，在初級空氣容室外部，但與之流體連通的回路中，可發生熱傳遞。該配置增加了傳入/傳出氣體的熱量，并允許功輸出量保持恒定和近似等于等溫的功輸出量，即使當膨脹時間減少時，從而產生更大的輸出功率。而且，此處描述的系統和方法能夠利用市場上買得到的元件，因為它們設置在外部，故可為適宜的尺寸，并設置于系統占地空間內的任何便利的地方。應該清楚，對于那些普通的技術人員來說，換熱器的設計和泵的流速可基于由每一汽缸在給定的膨脹循環或壓縮循環期間吸收的或產生的熱量的數值的實驗計算來進行， 從而提供適宜的交換表面積和液體流量以滿足熱傳遞的需要。同樣地，在測量需要的熱傳遞并給出適宜的表面積和流速之后，可通過實驗方法至少部分地推導出適當尺寸的換熱
ο圖15是用于在開放大氣分級液壓氣壓系統中加快至氣體膨脹(或者被壓縮)的熱傳遞的系統和方法的示意圖。前面描述的系統和方法通過用一系列的窄長的基于活塞的蓄能器1517來代替單一的液壓氣壓蓄能器，可以被修改以改進熱傳遞。這些基于活塞的蓄能器的氣壓側和液壓側都被在端部連接在一起(例如，通過與系桿固定就位的機械的金屬塊1521)，以模仿具有一個空氣輸入端/輸出端1532和一個液壓液輸入端/輸出端1532 的單個蓄能器。成組的基于活塞的蓄能器1517被封裝入殼體1523中(例如，類似于殼體換熱器中的管道)，其可以包含能夠在空氣膨脹或壓縮期間循環流過成組的蓄能器1517的流體(例如，水)，以加快熱傳遞。整個組和殼體配置形成改變的蓄能器1516。流體輸入端 1527和流體輸出端15 可以從殼體1523流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。圖15還顯示了變更的增強器1518。該增強器的功能相同于前面描述的那些；然而，通過增加一組窄長的低壓差的基于活塞的蓄能器1519，在空氣膨脹(或被壓縮)之間的熱交換被加快。這組蓄能器1519允許加快熱量傳遞至空氣中。來自基于活塞的成組的蓄能器1519的液壓液為低壓(等于膨脹空氣的壓強)。壓強在液壓-流體至液壓-流體的增強器(增壓器)1520中被加強，由此模仿上面描述的空氣至液壓流體增強器的作用，但沒有增加在膨脹/壓縮期間熱交換的表面積。類似于變更的蓄能器1516，這組基于活塞的蓄能器1519被裝入殼體1525中，并連同增壓器一起，模仿具有一個空氣輸入端/輸出端1531 和一個液壓液輸入端/輸出端1533的單個增強器。殼體1525可以包含能夠在空氣膨脹或壓縮期間循環流過成組蓄能器1519的流體(例如，水)，以加快熱傳遞。流體輸入端15 和流體輸出端15 可以從殼體1525流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。
圖16是用于在開放大氣分級液壓氣壓系統中加快至氣體膨脹(或者被壓縮)的傳熱的一替換的系統和方法的示意圖。在這一裝置中，圖15中描述的系統被變更，以減少成本，以及隨著窄長的基于活塞的蓄能器的直徑進一步降低，活塞摩擦帶來的潛在的問題。 在該具體實施例中，使用一系列的窄長的填充流體(例如水)的管道(例如更少活塞的蓄能器)1617來代替圖15中的許多的基于活塞的蓄能器1517。這樣，成本被實質上降低，因為管道不再需要被打磨至高精度的直徑，也不再需要被拉直用于活塞行程。類似于圖15中的描述，這些成組的填充流體的管道1617在端部被連接在一起，來模仿具有一個空氣輸入端/輸出端1630和一個液壓液輸入端/輸出端1632的單個管道(更少活塞的蓄能器)。管束1617被裝入殼體1623中，其可以包含在低壓下的流體(例如，水)，其在空氣膨脹或壓縮期間可以循環流過管束1617，以加快熱傳遞。整個組和殼體配置形成變更的蓄能器1616。 輸入端1627和輸出端16 可以從殼體1623流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。而且，通往液壓液的基于活塞的蓄能器1622的流體(例如，水)可用于傳遞蓄能器1616中的流體(水)的壓強至液壓液，而不必擔心液壓液中的空氣。如圖16所示的也是一變更的增強器1618。增強器1618的功能相同于前面描述的那些；然而，通過增加一組窄長的低壓管道(更少活塞的蓄能器)1619，在空氣膨脹(或被壓縮)之間的熱交換可被加快。這組蓄能器1619用來加快熱量傳遞至空氣中。來自這組基于活塞的蓄能器1619的液壓液為低壓(等于膨脹空氣的壓強)。壓強在液壓-流體至液壓-流體的增強器(增壓器)1620中被加強，由此模仿上面描述的空氣至液壓流體增強器的作用，但沒有增加在膨脹/壓縮期間熱交換的表面積，并且與圖15中描述的增強器 1518比較起來，具有降低的成本和摩擦。類似于變更的蓄能器1616，這組基于活塞的蓄能器1619被裝入殼體1625中，并連同增壓器1620 —起，模仿具有一個空氣輸入端/輸出端 1631和一個液壓液輸入端/輸出端1633的單個增強器。殼體1625可以包含能夠在空氣膨脹或壓縮期間循環流過成組蓄能器1619的流體(例如，水)，以加快熱傳遞。流體輸入端 1626和流體輸出端16 可以從殼體1625流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。圖17是用于在開放大氣分級液壓氣壓系統中加快對氣體膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，圖11中的系統被變更，以消除死區空氣空間，并通過使用液-液換熱器潛在地改進熱傳遞。如圖11所示，空氣循環器1152 連通至氣壓液壓缸1101的空氣空間。空氣循環器系統的一個可能的缺點是會出現一些" 死區空氣空間"，并且由于有一些空氣膨脹沒有有用功被提取，可降低能量效能。類似于如圖11所示的汽缸1101，汽缸1701包括主空氣端口 1705，其可經由閥門關閉，并與氣動回路或任何其它空氣源/存儲系統相連接。汽缸1701還包括一主流體端口 1707，其可被閥門關閉。流體端口與以上所述的存儲系統的液壓回路中的流體源或任何其它流體容器連接。如圖17所示，水循環器1752附接于液壓氣壓缸(蓄能器或增強器)1701的氣壓側。充足的流體(例如，水)被增加給氣壓側1702，這樣當活塞1701充分地運行至頂部時 (例如，液壓側1704充滿液壓液)，沒有死區空間出現(例如，熱傳遞子系統1750 (即，循環器1752和換熱器1754)充滿流體)。進一步地，充足的額外液體在氣壓側1702中出現，這樣當活塞充分地運行至底部時(例如，液壓側1704沒有液壓液)，液體可被抽取出汽缸1701的底部。隨著汽缸1701中的氣體被膨脹(或被壓縮)，在液體循環器1752作用下，液體循環通過液-液換熱器17M，其可以是具有輸入端1722和輸出端17M的殼管式型式，從殼體的輸出端17M流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。在循環器1752作用下循環的液體(處于類似于膨脹氣體的壓強)在通過換熱器17M后，被噴射回氣壓側1702，因此增加了液體和膨脹空氣之間的熱交換。總的說來，該方法允許將死區空間的體積充滿不可壓縮液體，因此換熱器體積可很大，并且它可安放于任何便利的地方。通過移除全部換熱器，儲能系統的整體效率可被增加。同樣地，因為液-液換熱器傾向于比空氣至液體熱交換器有更高效率，熱傳遞可被改進。應該注意到，在該具體的配置中，液壓氣壓缸1701可被水平地定位，以便匯集在汽缸1701的縱長底座上的液體被連續地吸入循環器 1752。圖18是用于加快氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，圖11中的系統再次被變更，以消除死區空氣空間，并通過使用液-液換熱器，以結合圖17描述的類似的方式潛在地改進熱傳遞。并且，汽缸1801可包括一主空氣端口 1805，其可被閥門關閉，并且與氣動回路或任何其它空氣源/存儲系統相連接，還包括一主液流端口 1807，其可被閥門關閉，并且與上面描述的存儲系統的液壓回路中的流體源或任何其它流體庫相連接。然而，圖18所示的熱傳遞子系統包括連接于液壓氣壓缸(蓄能器或增強器)1801 的活塞的空心桿1803，這樣液體可被噴射貫穿汽缸1801的氣壓側1802的全部體積，從而相較于圖17增加了液體和膨脹空氣之間的熱交換，其中液體只從端蓋處噴射出來。桿1803 連接于汽缸1801的氣壓側1802，并且穿過密封件1811，這樣在充壓箱或容器1813(例如， 具有連接于汽缸1801的端蓋的金屬管道)中的液體可被泵至比汽缸1801中的氣體略高的壓強。隨著汽缸1801中的氣體被膨脹(或被壓縮)，在液體循環器1852作用下，液體循環通過液-液換熱器1854，其可以是具有輸入端1822和輸出端1擬4的殼管式型式，從殼體的輸出端18M流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。替換地，可使用液體至空氣換熱器。在循環器1852作用下，液體循環通過換熱器1854，然后通過桿1803噴射進入汽缸1801的氣壓側1802，桿1803沿著它的長度方向布有鉆孔。總的說來，該裝置允許將死區空間的體積充滿不可壓縮液體，因此換熱器體積可很大，并且它可安放于任何地方。同樣地，因為液-液換熱器傾向于比空氣至液體熱交換器有更高效率，熱傳遞可被改進。通過增加噴射桿1803，相較于圖17所示的裝置，液體可被噴射整個氣體容積，增加熱傳遞。圖19是用于加快氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，系統被設置為可消除死區空氣空間， 并通過使用液-液換熱器，以按結合圖18描述的類似方式潛在地改進熱傳遞。然而，如圖 19所示，熱傳遞子系統1950包括獨立的容納有液體(例如，水)的壓力儲罐或容器1958， 空氣膨脹就發生在其中。隨著氣體在容器1958內膨脹(或被壓縮)，液體被推壓入至液壓液汽缸1901中。容器1958和汽缸1901內的液體(例如，水)經由循環器1952也被循環通過換熱器1954，并且噴射進入容器1958中，該容器1958允許空氣膨脹(或被壓縮)和液體之間的熱交換。總的說來，該具體實施例允許將死區空間的體積充滿不可壓縮液體，因此換熱器體積可很大，并且它可安放于任何地方。同樣地，因為液-液換熱器傾向于比空氣至液體熱交換器有更高效率，熱傳遞可被改進。通過增加獨立的更大的液體容器1958，相較于圖17所示的裝置，液體可被噴射至整個氣體容積，增加熱傳遞。圖20A和20B是用于加快氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，系統被設置為可消除死區空氣空間，并使用與結合圖11所述的類型相似的熱傳遞子系統。類似于如圖11所示的汽缸1101，汽缸2001包括主空氣端口 2005，其可經由閥門關閉，并與氣動回路或任何其它空氣源/存儲系統相連接。汽缸2001還包括一主流體端口 2007，其可被閥門關閉。該流體端口與以上所述的存儲系統的液壓回路中的流體源或任何其它流體容器連接。而且，隨著汽缸2001中的氣體被膨脹(或被壓縮)，在循環器2052作用下，氣體循環通過空氣-液體換熱器20M，后者可以具有輸入端2022和輸出端20M的殼管式型式，從殼體的輸出端20M 流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。如圖20A所示，充足數量的液體(例如，水)被增加給汽缸2001的氣壓側2002，這樣當活塞充分地運行至頂部時(例如，液壓側2004充滿液壓液)，沒有死區空間出現(例如，熱傳遞子系統2050(即，循環器2052和換熱器2054)充滿液體)。循環器2052必須能夠使液體(例如，水)和空氣都循環。在膨脹的第一部分期間，液體和空氣的混合物通過換熱器20M循環。然而，因為汽缸2001被垂直地安裝，重力會趨向于清空循環器2052的液體，并且如圖20B所示，在膨脹循環的剩余期間，大部分空氣會被循環。總的說來，該裝置允許將死區空間的體積充滿不可壓縮液體，因此換熱器體積可很大，并且它可安放于任何地方。圖21A-21C是用于加快傳熱至氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，系統被設置為可消除死區空氣空間，并使用與結合圖11所述的類型相似的熱傳遞子系統。另外，該裝置使用輔助蓄能器 2110來從最初注入到空氣循環器2152和換熱器21M中的液體中儲存和再生能量。類似于如圖11所示的汽缸1101，汽缸2101包括主空氣端口 2105，其可經由閥門關閉，并與氣動回路或任何其它空氣源/存儲系統相連接。汽缸2101還包括一主流體端口 2107a，其可被閥門關閉。該流體端口 2107a與以上所述的存儲系統的液壓回路中的流體源或任何其它流體容器連接。輔助蓄能器2110還包括流體端口 2107b，其可被閥門關閉和被連接至流體源。 而且，隨著汽缸2101中的氣體被膨脹(或被壓縮)，在循環器2152作用下，氣體循環通過空氣-液體換熱器21M，后者可是具有輸入端2122和輸出端21M的殼管式型式，從殼體的輸出端21M流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。進一步地，與圖所20A和20B示的裝置相反，循環器2152使幾乎全部空氣，而非液體循環。如圖21A所示，充足的液體(例如，水)被增加給汽缸2101的氣壓側2102，這樣當活塞充分地運行至頂部時(例如，液壓側2104充滿液壓液)，不會出現死區空間(例如，熱傳遞子系統2150(即，循環器2152和換熱器2154)中充滿液體)。在膨脹的第一部分期間， 液體被驅逐出循環器2152和換熱器2154，如圖21B所示，通過輔助蓄能器2110，并用來產生電力。當輔助蓄能器2110沒有了液體并且充滿壓縮氣體時，如圖21C所示，閥門關閉，并且如上圖11結合所述，膨脹和空氣循環連續進行。總的說來，該方法允許將死區空間的體積充滿不可壓縮液體，因此換熱器體積可很大，并且它可安放于任何地方。同樣地，當空氣循環器2152和換熱器21M充以壓縮氣體時，有用功被提取出來，這樣整體效率就增加了。圖22k和22B是用于加快氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，水被向下噴射進入垂直地定位的液壓氣壓缸(蓄能器或增強器)2201，其液壓側2203通過一活動的活塞2204與氣壓側2202隔開。圖22A描述了汽缸2201與熱傳遞子系統2250流體連通，處于壓縮空氣膨脹的循環之前的狀態。應該注意到，如圖22A所示，當活塞2204充分地運行至頂部時，汽缸 2201的氣壓側2202完全充滿液體，沒留下空氣空間，(循環器2252和換熱器22M也充滿液體)。儲存在壓力容器中的壓縮氣體未示出，但由2220表示，其經由閥門2221通過空氣端口 2205被吸入汽缸2201。隨著壓縮氣體膨脹進入汽缸2201，液壓液在壓力下被壓出，通過流體端口 2207進入余下的由2211表示液壓系統(例如液壓馬達，如圖1和4所示并描述的)。在膨脹(或壓縮)期間，熱交換液體(例如，水)被例如泵2252的循環器從容器 2230中吸取通過液-液換熱器22M，其可為具有輸入端1822和輸出端22M的殼管式型式， 從殼體的輸出端22M流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。如圖22B所示，(在類似于膨脹氣體的壓強下)被泵2252循環的液體(例如，水)， 經由噴頭2260被噴射(如噴射管路2262所示)進入汽缸2201的氣壓側2202。總的說來， 該方法允許在使用泵和液-液換熱器時，實現噴射液體(例如，水)和膨脹(或壓縮)中的空氣之間的熱交換的高效率的裝置。應該注意到，在該具體的配置中，液壓氣壓缸2201被垂直地定位，這樣熱交換液體在重力下往下落。在循環的末端，汽缸2201被重置，并在該工序中，被加到氣壓側2202的熱交換液體經由泵2252被移除，從而再裝填容器2230和準備汽缸2201用于連續的循環。圖22C結合噴頭2260更詳細地描述了汽缸2201。在該設計中，噴頭2260的使用非常像在垂直地定位的汽缸中的淋浴噴頭。在具體實施例中示出了噴管2261在噴頭2260 的表面上被均勻分布；然而，噴管的具體的配置和尺寸可變化以適合具體的應用。由于噴頭 2260的噴管2261在整個端蓋面積上被均勻分布，全部空氣容積(氣壓側220 暴露于噴水器2262。如前面描述的，熱傳遞子系統在略高于氣壓的壓強下經由端口 2271循環/注入水進入氣壓側2202，然后在環境壓力下在返回行程的末端將水移出。如前面討論的，噴射的具體的工作參數會變化以適合具體的應用。至于具體的壓強范圍、噴射方位和噴射性能、傳熱性能可通過模型來估計。假設示例性的具體實施例使用 8"直徑、10加侖的汽缸，空氣在3000psi下膨脹到300psi，可計算出用于獲得充足的熱傳遞以保持等溫膨脹所必需的不同的液滴大小和噴射特性的噴水器流量。圖22D表示在300 和3000psi下，計算的每攝氏度下單位流速(GPM)的噴射液體和空氣之間熱傳遞功率(kW) 的差別。帶有X標記的線條示出了噴射分解為多個液滴的方式下(方式1)的相對熱傳遞。 該計算假定熱傳遞的保守數值，并且沒有液滴的再循環，但是提供了方式1下的熱傳遞的保守的估算。無標記的線條示出了另一方式(方式幻的相對熱傳遞，其中噴射在汽缸的長度內保持為連貫的射流。該計算假定熱傳遞的保守數值，并且在沖擊后沒有再循環，但是提供了方式2下熱傳遞的保守的估算。考慮到實際的噴射可能處于噴射和純液滴形式之間， 兩個方式提供了在預期的實驗結果中保守的上界和固定的下界。假如每加侖每分鐘(GPM) 每。C下0. IkW的需求，對給定的流速，2mm以下尺寸的液滴提供足夠的熱傳遞，而0. Imm以下尺寸的射流提供足夠的熱傳遞。一般地，圖22D表示在不同壓力下使用噴頭(參見圖22C)和垂直地定位的10加侖、8"直徑的汽缸所獲得的熱傳導功率水平(kW)，其以所需的流速和液體噴射與空氣間溫度差的每一攝氏度來歸一化。數量越大，表示液體噴射和空氣之間的熱傳遞效率越高(在某個溫差下更多熱傳遞至給定的流量)。圖表還示出了為提供特定直徑的射流所要求的孔的相對數量。為使噴頭中需要的噴射孔的數量減到最少，要求噴射分解成液滴。使用噴頭和流體動力學的簡化假設，噴射分解成液滴相對于連貫射流可進行理論上的估計。一般說來，在較高的氣壓和較高的流量下(即，沿噴管有較高的壓降)，分解更顯著地發生。在高壓下的分解可根據實驗的具體的噴管、幾何結構流體和氣壓來研究。一般地，0. 2至2. Omm尺寸的噴嘴適于高壓空氣汽缸(3000至300psi)。每一噴管 0. 2至1. 0升/分鐘的流量在該范圍內可足夠提供介質來完成噴射分解成為液滴，使用機械地或激光鉆孔的圓柱形的噴管形狀。例如，具有0. 9mm孔徑的250個噴管的噴頭在25gpm 下運行，預計在10加侖汽缸內，提供超過50kW的熱傳遞給3000至300psi的膨脹(或被壓縮)中的空氣。實施如此噴射熱傳遞的泵送功率小于熱傳遞功率的1%。有關利用噴射技術的熱傳遞子系統的更多的具體的和示例性的詳細解釋結合圖24A和24B進行討論。圖23A和2 是用于加快氣體在開放大氣分級液壓氣壓系統中膨脹(或者被壓縮)的傳熱的另一個替換的系統和方法的示意圖。在該裝置中，水被放射地噴射進入任意地定位的汽缸2301。汽缸2301的方位對液體的噴射并不重要，其在圖23A和23B中顯示為水平定位。液壓氣壓缸(蓄能器或增強器)2301具有液壓側2303，其由活動的活塞2304 與氣壓側2302隔開。圖23A描述了汽缸2301與熱傳遞子系統2350流體連通，處于壓縮空氣膨脹的循環之前的狀態。應該注意到，當活塞2304如圖23A所示充分地縮回時(即，液壓側2303充滿液體)，汽缸2301中的氣壓側2302沒有空氣空間(例如，循環器2352和換熱器23M中充滿液體)。儲存在壓力容器中的壓縮氣體未示出，但由2320表示，其經由閥門2321通過空氣端口 2305被吸入汽缸2301。隨著壓縮氣體膨脹進入汽缸2301，液壓液在壓力下被壓出，通過流體端口 2307進入余下的由2311表示的液壓系統(例如液壓馬達，如圖1和4所示并描述的)。在膨脹(或壓縮)期間，熱交換液體(例如，水)被例如泵2352的循環器從容器2330中吸取通過液-液換熱器23M，其可為具有輸入端2322和輸出端23M的殼管式裝置，從殼體的輸出端23M流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。如圖2 所示，(在類似于膨脹氣體的壓強下)被泵2352循環的液體(例如，水)，經由噴桿2360被噴射(如噴射管路2362所示)進入汽缸2301的氣壓側2302。如圖該實施例所示的噴桿2360固定在具有空心活塞桿2308的汽缸2301的中心，活塞桿2308將熱交換液體(例如，水)與液壓側2303分離。隨著活動的活塞2304被移動(例如，在圖23B中向左側)，將液壓液從汽缸2301中壓出，空心活塞桿2308伸出汽缸2301，暴露出更多的噴桿2360，這樣全部氣壓側2302暴露于如噴射線路2362所示的熱交換噴射。總的說來，該方法允許在使用泵和液-液換熱器時，實現噴射液體(例如，水)和膨脹(或壓縮)中的空氣之間的熱交換的高效率的裝置。應該注意到，在該具體的配置中，液壓氣壓缸可以任何方式被定位，并且不依賴靠重力下落的熱交換液體。在循環的末端，汽缸2301被重置，并在該工序中，被加到氣壓側2302的熱交換液體經由泵2352被移除，從而再裝填容器2330和準備汽缸2301用于連續的循環。圖23C結合噴桿2360更詳細地描述了汽缸2301。在該設計中，噴桿2360 (例如， 具有許多孔的中空不銹鋼管)用來引導水在汽缸2301的整個空氣空間(氣壓側2302)內向外徑向地噴射。在具體實施例中示出了噴管2361沿著噴頭2360的長度上均勻分布；然而，噴管的具體的配置和尺寸可變化以適合具體的應用。水可在壓力下從氣壓側2302的底部被連續地移除，或者可在環境壓力下在返回行程的末端被移除。該配置使用中心開孔的活塞桿的常規用途(例如，用于位置傳感器)。如前面描述的，熱傳遞子系統2350在略高于氣壓的壓強下經由端口 2371循環/注入水進入氣壓側2302，然后在環境壓力下在返回行程的末端將水移出。如前面討論的，噴射的具體的工作參數會變化以適合具體的應用。至于具體的壓強范圍、噴射方位和噴射性能、傳熱性能可通過模型來估計。再次，假設示例性的具體實施例使用8"直徑、10加侖的汽缸，空氣從3000psi膨脹到300psi，可計算用于獲得充足的熱傳遞以保持等溫膨脹所必需的不同的液滴大小和噴射特性的噴水器流量。圖23D表示在 300和3000psi下，計算的每攝氏度下單位流速(GPM)的噴射液體和空氣之間熱傳遞功率 (kff)的差別。帶有X標記的線條示出了方式1的相對熱傳遞，其中噴射分解為液滴。該計算假定熱傳遞的保守數值，并且沒有微量的再循環，但是提供了方式1下的熱傳遞的保守的估算。無標記的線條示出了方式2的相對熱傳遞，其中噴射在汽缸的長度內保持為連貫的射流。該計算假定熱傳遞的保守數值，并且在沖擊后沒有再循環，但是提供了方式2下熱傳遞的保守的估算。考慮到實際的噴射可能處于噴射和純液滴形式之間，兩個方式提供了在預期的實驗結果中保守的上界和固定的下界。假如每加侖每分鐘(GPM)每。C下0. IkW的需求，對給定的流速，2mm以下尺寸的液滴提供足夠的熱傳遞，而0. Imm以下尺寸的射流提供足夠的熱傳遞。一般地，圖23D表示在不同壓力下使用噴桿(參見圖23C)和水平地定位的10加侖、8"直徑的汽缸所獲得的熱傳導功率水平(kW)，其以所需的流速和液體噴射與空氣間溫度差的每一攝氏度來歸一化。數量越大，表示液體噴射和空氣之間的熱傳遞效率越高(在某個溫差下更多熱傳遞至給定的流速)。圖表還示出了為提供特定直徑的射流所要求的孔的相對數量。為使噴桿中需要的噴射孔的數量減到最少，要求噴射分解成液滴。使用噴頭和流體動力學的簡化假設，噴射分解成液滴與連貫噴流的關系可進行理論上的估計。一般說來，在較高的氣壓和較高的流速下(即，沿噴管有較高的壓降)，分解更顯著地發生。在高壓下的分解可根據實驗的具體的噴管、幾何結構流體和氣壓來研究。正如以上結合噴頭配置的討論，0.2至2. Omm尺寸的噴嘴適于高壓空氣汽缸(3000 至300psi)。每一噴管0. 2至1. 0升/分鐘的流量在該范圍內可足夠提供介質來完成噴射分解成為液滴，使用機械地或激光鉆孔的圓柱形的噴管形狀。有關利用噴射技術的熱傳遞子系統的更多的具體的和示例性的詳細解釋結合圖24A和24B進行討論。一般地，對顯示于圖22和23中的該布置，可使用市場可獲得的壓力容器來實施液體噴射熱傳遞，例如氣壓和液壓/氣壓缸，至多進行微小的修改。同樣地，換熱器可由市場上可獲得的高壓元件構造，從而降低整個系統的成本和復雜度。因為主要的換熱器面積位于液壓/氣壓容器的外部，并且死區空間的體積充滿實質上不可壓縮液體，所以換熱器體積可很大，并且它可安放于任何便利的地方。而且，換熱器可以普通管道配件接附于容器。
噴射熱傳遞子系統的基本設計準則是將主要涉及液體噴射泵送功率所使用的操作的能量(即，寄生損失)減到最少，卻使熱傳導最大化。雖然實際的傳熱性能由實驗決定，但理論分析指示對于給定的泵送功率和水的流量，會存在最大熱傳遞的面積。因為液體噴射和周圍空氣之間的熱傳遞取決于表面積，此處討論的分析使用上述討論的兩個噴射方式1)小水滴熱傳遞和2、射流熱傳遞。在方式1中，噴射分解為液滴，提供了較大的總表面積。方式1可被視為對于一組給定的其他假定下的表面積亦即熱傳遞的上限。在方式2中，噴射保持為相干噴流或者射流，因此對于給定體積的水提供了少得多的表面積。方式2可被視為對于一組給定的其他假定下的表面積亦即熱傳遞的下限。對于方式1，其中對于一組給定的條件，噴射分解成液滴，如圖24A所示，它可以表明，小于2mm尺寸的液滴可提供對于可接受的低流速的足夠的傳熱性能(例如， < IOGPM0C /kff)。圖24A表示在不同的壓強下液體噴射液滴和空氣之間每一攝氏溫度的溫差下獲得一千瓦的熱傳遞所需要的流量。數量越低，表示液體噴射液滴和空氣之間的熱傳遞效率越高(在某個溫差下用于給定的熱傳遞的量的更低的流速)。對圖24A所示出的一系列給定條件，直徑低于大約2mm的液滴是期望的。圖24B是圖24A的圖的放大部分，代表所示出的一組給定的條件，低于大約0. 5毫米的液滴直徑對于給定流速不再提供額外的熱傳遞益處。隨著液滴尺寸繼續變得更小，最后液滴的終端速度變得足夠小，以致液滴落下太慢，不能覆蓋全部的汽缸容積(例如，< 100微米)。因此，對于此處示出的給定的條件組， 液滴尺寸大約0. 1和2. Omm之間可被認為對于熱傳遞最佳化且使泵送功率最小化是優選的，泵送功率隨著流速的增加而增加。對于方式2可進行類似的分析，其中液體噴射保持為相干噴流。需要較高的流速和/或較小直徑的射流來提供類似的傳熱性能。圖25是汽缸設計的詳細示意圖，其用于前面描述的任何使用壓縮空氣用于能量儲存和再生的開放大氣分級液壓氣壓系統。具體地，圖25中以部分截面描述的汽缸2501 包括類似于結合圖22描述的噴頭配置2560，其中水是向下噴射進入立式汽缸。如圖所示， 垂直地定位的液壓氣壓缸2501具有液壓側2503，由活動的活塞2504與氣壓側2502隔開。 汽缸2501還包括兩個端蓋(例如，機制鋼擋塊)2563、2565，其安裝在打磨的圓柱形的管道 2561的任一端部，典型地經由系桿或者其它眾所周知的機械裝置連接。活塞2504可滑動地設置在管道2561中，并經由密封件2567與其密封配合。端蓋2565被加工有單個或多個端口 2585，其允許液壓液的流動。端蓋2563被加工有單個或多個端口 2586，其可允許空氣和 /或熱交換流體進入。所示的端口 2585、2586具有螺紋連接；然而，其它類型的端口 /連接 (例如，法蘭)是可采用的，并且在本發明的范圍內。還示出了可選擇的活塞桿2570，其可接附于活動的活塞2504，從而允許經由位移換能器2574進行位置測量，和根據需要經由外部緩沖器2575產生活塞阻尼。活塞桿2570 通過帶有桿密封2572的機械加工孔，移動進出液壓側2503。在該圖示中的噴頭2560嵌入在端蓋2563內，并且經由例如暗藏的保持緊固件2573連接于熱交換液體(例如，水)端口 2571。其它機械固定裝置可采用并且在本發明的范圍內。圖沈是汽缸設計的詳細示意圖，其用于前面描述的任何使用壓縮空氣用于能量儲存和再生的開放大氣分級液壓氣壓系統。具體地，圖沈中以部分截面描述的汽缸沈01包括類似于結合圖23描述的噴桿配置沈60，其中水是經由一安裝好的噴桿徑向地噴射進入任意地定位的汽缸。如圖所示，任意地定位的液壓氣壓缸沈01包括液壓側沈03，其由活動的活塞2604與氣壓側沈02隔開。汽缸沈01包括兩個端蓋(例如，機制鋼擋塊)2663、 2565，其安裝在打磨的圓柱形的管道沈61的任一端部，典型地經由系桿或者其它眾所周知的機械裝置連接。活塞2604可滑動地設置在管道沈61中，并經由密封件沈67與其密封配合。端蓋沈65被加工有單個或多個端口 2685，其允許液壓液的流動。端蓋沈63被加工有單個或多個端口 2686，其可允許空氣和/或熱交換流體進入。所示的端口 2685 J686具有螺紋連接；然而，其它類型的端口 /連接(例如，法蘭)是可采用的，并且在本發明的范圍內。空心活塞桿沈08連接于活動的活塞沈04，并且在噴桿沈60上滑動，噴桿沈60被固定到汽缸沈01上并與其共軸取向。噴桿沈60延伸穿過活塞沈04中的機械加工孔沈69。 活塞沈04配置成沿著噴桿沈60的長度自由地移動。隨著活動的活塞沈04向端蓋沈65移動，空心活塞桿沈08延伸出汽缸2601，暴露出更多噴桿沈60，這樣全部氣壓側沈02暴露于熱交換噴射(例如，參見圖23B)。在該圖示中的噴桿沈60連接于端蓋沈63，并且與熱交換液體端口沈71流體連通。如圖沈所示，端口沈71與端蓋沈63機械地連接并與之密封；然而，端口沈71還可以是加工在端蓋沈63中的螺紋連接。空心活塞桿沈08還允許經由位移換能器2674的位置測量和經由外部緩沖器沈75的活塞阻尼。如圖沈所示，活塞桿沈08 通過帶有活塞桿密封沈72的機械加工孔，移動進出液壓側沈03。應該注意到，上述結合圖9-13和15-23討論的熱傳遞子系統，還可以用于與高壓氣體存儲系統(例如，儲罐902)連用，以熱調節儲存在其中的壓縮空氣，如圖27和觀所示。 一般地，這些系統按與上面描述的相同的方式布置和運行。圖27描述熱傳遞子系統2750的使用，其結合氣體貯藏系統2701用于此處描述的壓縮氣體儲能系統，以在膨脹前和膨脹期間加快例如至壓縮氣體的熱能傳遞。來自壓力容器(2702a-2702d)的壓縮空氣使用氣泵2752作為循環器流過循環換熱器27M。氣泵2752 以小的足以循環的氣壓差運行，但是位于能經得起高壓的殼體內。氣泵2752使高壓空氣循環通過換熱器27M，而沒有實質上增加它的壓強(例如，對于3000psi空氣增加50psi)。這樣，儲存的壓縮空氣可通過開啟閥門2704而閥門2706關閉被預熱(或者預冷卻)，而通過關閉閥門2704并開啟閥門2706在膨脹期間加熱或在壓縮期間冷卻。換熱器27M可被設計為任何類型的標準換熱器；此處示出為殼內管式換熱器，其具有高壓空氣進口端和出口端2721a和2721b,以及低壓殼體水口 2722a和2722b。圖28描述熱傳遞子系統觀50的使用，其結合氣體貯藏系統觀01用于此處描述的壓縮氣體儲能系統，以在膨脹前和膨脹期間加快例如至壓縮氣體的熱能傳遞。在該具體實施例中，至壓力容器中O802aj802b)儲存的壓縮氣體的熱能傳輸和來自其的熱能傳輸利用使用水泵觀52和換熱器觀5的水循環方式被加快。水泵觀52以小的足以循環和噴射的氣壓差運行，但是位于能經得起高壓的殼體內。水泵觀52使高氣壓水循環通過換熱器
，并噴射水進入壓力容器觀02，而沒有實質上增加它的壓強(例如對于3000psi儲存的壓縮空氣內的循環和噴射增加IOOpsi)。這樣，儲存的壓縮空氣可利用水循環和噴射方法被預加熱(或者預冷卻)，該方法還允許對壓力容器觀02的主動的水監控。當閥門觀06打開時，系統的噴射熱交換在膨脹之前可發生作為預熱或者在壓縮之前可發生作為預冷卻。換熱器觀討可被設計為任何類型的標準換熱器；此處示出為殼內管式換熱器，其具有高壓進水口端和出口端觀21￡1和^21b，以及低氣壓殼體水口 282 和 2822b0由于液-液換熱器趨向于比空氣至液體熱交換器有更高的效率，使用液-液換熱器使得換熱器尺寸可被降低和/或熱傳遞可能得到改進。壓力容器觀02內的熱交換通過主動液體(例如，水)噴射進入壓力容器觀02被加快。如圖觀所示，穿孔的噴桿被安裝在每一壓力容器^02aJ802b內。 水泵觀52將水壓力增加到容器壓強以上，這樣水被主動地循環和噴射出桿觀11&和^llb, 如箭頭^12aJ812b所示。噴射通過壓力容器觀02的體積后，水沉積到容器2802 (參照 2813a,2813b)的底部，然后被清除出排水端口 ^14aJ814b。水可循環通過作為閉合式水循環和噴射系統的一部分的換熱器觀討。可替換的用于能量儲存和再生的系統和方法結合圖29-31進行描述。這些系統和方法類似于上面描述的能量儲存和再生系統，但是使用不同的氣壓和液壓自由活塞汽缸 (通過機械邊界機構彼此機械連接)，而非使用單個氣壓液壓缸，例如增強器。這些系統允許熱傳遞子系統調節膨脹(或者壓縮)的氣體，以從液壓回路中分離。而且，通過機械地連接一個或多個氣壓缸和/或一個或多個液壓缸，以便增加(或者共享)汽缸產生的(或者作用于汽缸的)推力，液壓范圍可以變窄，以使得液壓馬達/泵的操作效率更高。結合圖四-31描述的系統和方法一般地按照在兩個或更多個汽缸之間傳遞機械能的原理運行，其利用機械邊界機構來機械連接汽缸組件，并將單缸組件產生的線性運動轉化至另一個汽缸組件。在一具體實施例中，第一汽缸組件的線性運動是由汽缸的一個容室中的氣體膨脹并在汽缸內移動活塞引起的。由于第二汽缸組件中的線性運動驅動流體流出汽缸至液壓馬達，第二汽缸組件中的轉化的線性運動被轉變為液壓馬達的旋轉運動。通過利用旋轉發電機，旋轉運動被轉變為電力。使用汽缸組件的壓縮氣體儲能系統的基本操作結合圖29-31描述如下氣體膨脹進入圓柱形的容室(即，氣壓缸組件)，其包含將容室一側的氣體與另一側隔離開來的活塞或者其它機構，從而防止氣體從一個容室移動到另一個容室，但允許推力/壓力從一個容室傳至另一個。連接于活塞并從其延伸的軸與尺寸適當的機械邊界機構連接，該機械邊界機構傳力至也被活塞分成兩個容室的液壓缸的軸。在一具體實施例中，液壓缸的活塞的有效面積小于氣動活塞的面積，從而產生與活塞面積差成比例的增強的壓強(即，液壓缸中經受壓縮的容室中的壓強與氣壓缸中經受膨脹的容室中的壓強比值)。在液壓缸中加壓的液壓液可用于轉動液壓馬達/泵(固定位移式或者可調位移式)，其軸可固定至旋轉電動機/發電機的軸，以便產生電力。例如上面描述的熱傳遞子系統可與這些壓縮氣體儲能系統結合，來盡可能接近等溫膨脹/壓縮氣體，以獲得最高效率。圖29A和29B是一個系統的示意圖，其用于使用壓縮氣體以操縱連接至單個雙作用液壓缸的兩個串聯連接的雙作用氣壓缸，以驅動液壓馬達/發電機來產生電力(即氣體膨脹)。如果馬達/發電機是作為馬達而非作為發電機運行，相同的機構可使用電力來產生加壓的儲存氣體(即，氣體壓縮)。圖29A描述了操作的第一階段的系統，而圖29B描述了操作的第二階段的系統，其中氣壓缸的高壓端和低壓端是相反的，并且液壓馬達的軸的運行方向是相反的，如下文更詳細的討論。一般地，氣體的膨脹在多個階段發生，使用低壓和高壓氣壓缸。例如，如圖29A所示的兩個氣壓缸的情形，高壓氣體在高壓氣壓缸中膨脹，從最大壓強(例如，3000PSI)膨脹到某中等壓強(例如，300PSI)；然后該中等壓強氣體在單獨的低壓缸中進一步膨脹(例如， 300PSI至30PSI)。這兩分級連接至共同的機械邊界機構，該機械邊界機構傳力至液壓缸的軸。當兩個氣動活塞的每一個都達到它的活動范圍的極限時，閥門或其它機構可被調節，來引導較高的壓強氣體至汽缸的兩容室中，以及從汽缸的兩容室中通風較低的壓強氣體，以便在相反方向上產生活塞運動。在該型式的往復式裝置中，沒有回縮行程或被動的行程， 即，行程在雙向都是供以動力的。被氣壓缸驅動的液壓缸的容室可被閥門或其它機構類似地調節，來產生返回行程期間的液壓操縱。而且，可布設止回閥或其它機構，以便不管液壓缸的哪個容室產生增壓液體，液壓馬達/泵以相同的旋轉被該流體驅動。在這樣的系統中，當活塞運動反向時，轉動液壓馬達/泵和電動機/發電機不反轉它們的旋轉方向，這樣通過增加短期的能量存儲裝置，例如飛輪，由此得到的系統可用來連續地發電(即，在活塞反轉期間不會中斷)。如圖29A所示，系統四00包括第一氣壓缸四01，其被活塞四04分成兩個容室 2902,2903.汽缸四01在該說明性的具體實施例中以水平定位的方式示出，但其可任意地定位，其有一個或多個氣體循環端口 2905，它們通過管道四06和閥門2907 J908連接至壓縮容器或存儲系統四09。氣壓缸四01經由管道四10、2911和閥門2912J913連接至第二氣壓缸四14，該第二氣壓缸四14在比第一氣壓缸低的壓強下運行。兩個汽缸四01、2914都是往復式，并串聯(氣動地)和并聯(機械地)連接。兩個汽缸四01、2914的串聯連接指的是氣體從高壓汽缸四01的較低壓強的容室被引導至低壓汽缸四14的較高壓強的容室。來自容器四09的壓縮空氣驅動往復式高壓汽缸四01的活塞四04。來自高壓汽缸 2901的較低的壓強側四03的中等壓強氣體被通過閥門四12輸送至低壓汽缸四14的較高壓強的容室四15。氣體從較低的壓強汽缸四14的較低壓強容室四16被通過閥門四17輸送至通風孔四18。該布置的功能是降低汽缸聯合運行的壓強范圍。兩個汽缸四01、2914的活塞軸四20、2919共同地沿箭頭四22指示的方向移動機械邊界機構四21。機械邊界機構還與液壓缸四對的活塞軸四23連接。由機械連接機構 2921推動的液壓缸四對的活塞四25壓縮容室四沈中的液壓液。該受壓的液壓液通過管道四27被輸送至止回閥四觀的布置，該止回閥允許流體沿一個方向(由箭頭所示)流過液壓馬達/泵(固定位移式或者可調位移式)，液壓馬達/泵的軸驅動電動機/發電機。為方便起見，液壓泵/馬達和電動機/發電機的組合顯示為單個液壓動力單元四四。處于較低壓強的液壓液被從液壓馬達/泵四四的輸出端通過液壓循環孔四31引導至液壓缸四對的較低壓強容室四30。現在參照圖^B，其描述了圖^A的系統四00的第二操作狀態，其中閥門2907、 2913和四32是打開的，而閥門2908 J912和四17是關閉的。在該狀態中，氣體從高氣壓容器四09通過閥門四07進入高壓氣壓缸四01的容室四03。較低壓強氣體經由閥門四13 被從另一個容室四02排放至較低壓強氣壓缸四14的容室四16。兩個汽缸的活塞軸四20、 四19共同地沿箭頭四22指示的方向移動機械邊界機構四21。機械邊界機構四21將軸 2919,2920的運動傳遞至液壓缸四對的活塞軸四23。由機械邊界機構四21推動的液壓缸 2924的活塞四25壓縮容室四30中的液壓液。該受壓的液壓液被通過管道四33輸送至止回閥四觀和液壓動力單元四四的前述的布置。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵2929的輸出端通過液壓循環孔四35被引導至液壓缸四對的較低壓強容室四沈。如圖29A和29B所示，液壓缸四對的兩個容室的工作容積差別在于軸四23的體積。由此帶來的在如圖29A和29B所示的兩個行程方向期間從汽缸四對排出的流體體積的不平衡可由泵(未示出)或延伸通過汽缸四對的兩個容室四沈、2930的全部長度的軸 2923來修正，這樣兩個工作容積相等。如前面討論的，此處描述的各個能量儲存和再生系統的效率通過使用熱傳遞子系統可被增加。因此，如圖29A和29B所示的系統四00包括類似于上面描述的熱傳遞子系統四50。一般地，熱傳遞子系統四50包括流體循環器四52和換熱器四討。子系統四50還包括兩個方向控制閥四56、2958，它們經由汽缸四01、2914上的標識為A和B的空氣端口對， 有選擇地將子系統四50連接至一個或多個氣壓缸四01、2914的一個或多個容室。典型地， 端口 A和B位于氣壓缸的端部/端蓋上。例如，閥門2956 J958可被定位以使子系統四50 在容室四03內的氣體膨脹期間與容室四03流體連通，以便熱調節在容室四03中膨脹的氣體。氣體可被前面描述的任何方法熱調節，例如來自所選擇的容室的氣體可通過換熱器循環。可替換地，熱交換液體可循環流過所選擇的空氣容室，并且任何前面描述的用于熱交換的噴射配置都可被使用。在膨脹(或壓縮)期間，熱交換液體(例如，水)可被循環器四討從容器中(未示出，但類似于上面針對圖22的描述)吸取，循環通過液-液型式的換熱器四討，該換熱器可為具有輸入端四60和輸出端四62的殼管式型式，從殼體的輸出端四62 流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。圖30A-30D描述了圖四的系統的替換具體實施例，其被變更為有單個氣壓缸和兩個液壓缸。通過使用兩個或多個液壓缸可獲得減小范圍的液體壓強，從而增加馬達/泵和馬達/發電機的效率。這兩個汽缸連接至前述的機械的邊界機構，用于與氣壓缸進行力傳遞。兩個液壓缸的容室連接于閥門、線路及其他機構，從而任一液壓缸經過適當的調節，當它的軸被移動時可設置成沒有阻力(即，不壓縮流體)。圖30A描述了處在操作的一個階段中的系統，其中兩個液壓活塞d都在壓縮液壓液。該配置的效果將減小傳輸至液壓馬達的液壓范圍，這是因為氣壓缸中壓縮空氣產生的力隨膨脹而降低，并且儲存在容器中的氣體的壓強降低。圖30B描述了處在操作的一個階段中的系統，其中只一個液壓缸在壓縮液壓液。圖30C描述了處在操作的一個階段中的系統，其中液壓缸的高壓側和低壓側連同軸的方向一起顛倒，并且只有較小內徑的液壓缸在壓縮液壓液。圖30D描述了類似于圖30C的處于操作的一個階段中的系統，但是有兩個液壓缸在壓縮液壓液。如圖30A所示的系統3000類似于上面描述的系統四00，包括單個往復式氣壓缸 3001和兩個往復式液壓缸30Ma、30Mb，其中一個液壓缸302 具有比另一個液壓缸3024b 更大的內徑。在所示的操作狀態中，來自容器3009的壓縮空氣進入氣壓缸3001的一個容室 3002，并驅動滑動設置在氣壓缸3001內的活塞3005。來自氣壓缸3001的另一個容室3003 的低壓氣體被通過閥門3007輸送至通風孔3008。從設置在氣壓缸3001內的活塞3005伸出的軸3019沿箭頭3022指示的方向移動機械連接的機械邊界機構3021。機械邊界機構 3021還被連接到往復式液壓缸30Ma、30Mb的活塞軸3023a、3023b。在所示的當前操作狀態，閥門301 和3014b允許流體流至液壓動力單元3(^9。 來自兩個汽缸30Ma、3024b的加壓液體經由管道3015被引導至止回閥30 和與馬達/發
4電機連接的液壓泵/馬達的布置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端被引導至液壓缸30Ma、3024b的較低壓強容室3016a、3016b。兩個液壓缸30Ma、 3024b的高壓室3(^6a、302m3中的流體處于單一壓強下，而且低壓室3016a、30im3中的流體也處于單一壓強下。事實上，兩個汽缸30Ma、3024b像單個汽缸那樣工作，其活塞面積是兩個汽缸的活塞面積的和，并且對于來自氣動活塞3001的給定驅動力，其工作壓強成比例地低于任一液壓缸單獨運行的工作壓強。現在參照圖30B，其示出了圖30A的系統3000的另一個運行狀態。氣壓缸3001 的動作和所有活塞的運動方向與圖30A中的相同。在所示的運行狀態中，以前關閉的閥門 3033開啟，以允許流體在較大的內徑液壓缸30Ma的兩個容室3016a、3026a之間自由地流動，從而在其活塞3025a的行程中出現最小抵抗力。來自較小內徑的汽缸30Mb的加壓液體經由管道3015被引導至止回閥30 以及液壓動力單元30 的前述的配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端被引導至較小內徑液壓缸3024b的較低壓強容室3016b。事實上，在給定的力下，具有較小的活塞面積的液壓缸30Mb的工作提供了比如圖30A所示的狀態更高的液壓，在圖30A的狀態中兩個液壓缸30Ma、3024b以較大的有效活塞面積工作。通過閥門致動使一個液壓缸停運，可獲得較窄的液壓范圍。現在參照圖30C，其示出了圖30A和30B的系統3000的另一個運行狀態。在所示的操作狀態中，來自容器3009的壓縮空氣進入氣壓缸3001的容室3003，驅動其活塞3005。 來自氣壓缸3001的另一側3002的低壓氣體被通過閥門3035輸送至通風孔3008。作用在液壓缸30Ma、30Mb的活塞3023a、302;3b上的機械邊界機構3021的動作方向與圖30B所示的方向相反，如箭頭3022所示。在圖30A中，閥門3014a、3014b是打開的，并允許流體流至液壓動力單元3029。來自兩個液壓缸30Ma、3024b的加壓液體經由管道3015被引導至止回閥30 和液壓動力單元30 的前述配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端被引導至液壓缸30Ma、30Mb的較低壓強容室3(^6a、3(^6b。兩個液壓缸30Ma、3024b的高壓室3016a、3016b中的流體處于單一壓強下，而且低壓室3(^6a、3(^6b中的流體也處于單一壓強下。事實上，兩個液壓缸30Ma、3024b像單個液壓缸那樣工作，其活塞面積是兩個液壓缸的活塞面積的和，并且對于來自氣動活塞3001的給定驅動力，其工作壓強成比例地低于任一液壓缸30Ma、3024b單獨運行的工作壓強。現在參照圖30D，其示出了圖30A-30C的系統3000的另一個運行狀態。氣壓缸 3001的動作和所有運動活塞的運動方向與圖30C中的相同。在所示的運行狀態中，以前關閉的閥門3033開啟，以允許流體在較大的內徑液壓缸302 的兩個容室3(^6a、3016a之間自由地流動，從而在其活塞302 的行程中出現最小抵抗力。來自較小內徑的汽缸3024b的加壓液體經由管道3015被引導至止回閥30 和液壓動力單元30 的前述的配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端被引導至較小內徑液壓缸3024b 的較低壓強容室3(^6b。事實上，在給定的力下，具有較小的活塞面積的液壓缸30Mb的工作提供了比如圖30C所示的狀態更高的液壓，在圖30C的狀態中兩個液壓缸以較大的有效活塞面積工作。通過閥門致動使一個液壓缸停運，可獲得較窄的液壓范圍。可以給汽缸3024b增加額外的閥門，這樣它可被停運，以提供另一有效的液壓活塞面積(考慮到302 和3024b不是相同直徑的汽缸)，從而在給定的氣壓范圍內，一定程度上進一步降低液壓液的范圍。同樣地，可以增加額外的液壓缸和閥門布置以對于給定的氣壓范圍，實質上進一步降低液壓液范圍。上面描述的其中有兩個或更多個液壓缸由單個氣壓缸驅動的示例性的系統3000 的操作如下。假定一定量高壓氣體已經被引入該汽缸的一個容室，隨著氣體開始膨脹，移動活塞，力通過活塞軸和機械邊界機構被傳遞至兩個液壓缸的活塞軸。在膨脹階段期間的任一點，液體壓強將等于力除以作用的液壓活塞面積。在行程開始時，當氣壓缸中的氣體剛開始膨脹時，它產生最大的力；該力(忽略摩擦損失)作用在液壓缸的聯合的總活塞面積上， 產生某一液壓輸出壓強HPmax。隨著氣壓缸中的氣體繼續膨脹，它施加的力減少。因此，活動汽缸的壓縮室中產生的壓強降低。在該過程中的某一個點，連接于液壓缸中的一個的閥門及其他機構被調節，以便在它的兩個容室之間的流體可自由地流動，并因此使得活塞行程中沒有阻力(再次忽略摩擦損失)。氣壓缸產生的力所驅動的有效活塞面積因此減少，從兩個液壓缸的活塞的面積減至一個液壓缸的活塞的面積。隨著面積的減小，對于給定的力，輸出的液體壓強增大。如果仔細地選擇該轉換點，液體輸出壓強在轉換后立即回到HPmax。例如，在使用兩個相同的液壓缸時，轉換壓強會在位于一半壓強點處。隨著氣壓缸中的氣體繼續膨脹，液壓缸產生的壓強減小。當氣壓缸達到它的行程的終點時，產生的推力處于最低點，即是液體輸出壓強的最低點HPmin。對于適當選擇的液壓缸活塞面積的比值，使用兩個液壓缸獲得的液體壓強范圍HR = HPmax/HPmin將等于單個氣壓缸獲得的范圍HR的平方根。該結論的證明如下。對于從高壓HPmax至低壓HPmin的給定的輸出液體壓強范圍HR1,即HR1 = HPmax/HPmin， 將其分成兩個等量的壓強范圍ffi 2。第一個范圍從HPmax降至某一中等壓強HP1,且第二個范圍從HP1 降至HPmin。因此，HR2 = HPmaxMP1 = HP1MPmint5 由此比例等式，HP1 = (HPmax/HPmin)1/20 在 HR2 = HPmaiZHP1 中代入 HP1,我們得到 HR2 = HPfflax/ (HPmax/HPmin)1/2 (HPmaxHPmin)1/2 = HR/氣因為HPmax是由兩個液壓缸的合并的活塞面積(HAAHA2)決定的(對于由氣壓缸產生的給定的最大力)，而HP1由選擇何時停用第二汽缸(即，隨著推力下降，處于何等級的力)和單個運行的汽缸的面積HA1共同地決定，所以可以選擇轉換推力點和HA1,以便產生期望的中間輸出壓強。類似地，可以證明，通過適當的汽缸尺寸和轉換點的選擇，增加第三汽缸/分級會降低運行壓強為立方根，等等。通常，N個適當尺寸的汽缸可降低原來的運行壓強范圍HR1至HR11I而且，對于使用多個氣壓缸的系統(即，將空氣膨脹分成多個分級)，液體壓強范圍可進一步地降低。對于給定的膨脹，對于M個適當尺寸的氣壓缸(S卩，氣壓空氣分級)，單個行程的原來的氣壓運行壓強范圍PR1可減小為PR//m。因為對于給定的液壓缸配置，每一行程中輸出液壓范圍與氣壓運行壓強范圍直接成正比，同時合并M個氣壓缸與N個液壓缸可實現壓強范圍減小到1/(NXM)次冪。此外，如圖30A-30D所示的系統3000還可以包括類似于上面描述的的熱傳遞子系統3050。一般地，熱傳遞子系統3050包括流體循環器3052和換熱器3(^4。子系統3050 還包括兩個方向控制閥3056、3058，其經由汽缸3001上的標識為A和B的空氣端口對，有選擇地將子系統3050連接至氣壓缸3001的一個或多個容室。例如，閥門3056、3058被定位以使子系統3050在容室3003內的氣體膨脹期間與容室3003流體連通，以便熱調節在容室3003中膨脹的氣體。氣體可通過任何前面描述的方法被熱調節。例如，在膨脹(或壓縮) 期間，熱交換液體(例如，水)被循環器30M從容器中(未示出，但類似于上面結合圖22 的描述)吸取，循環通過液-液型式的換熱器30M，該換熱器可為具有輸入端3060和輸出端3062的殼管式型式，從殼體的輸出端3062流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。圖31A-31C描述了圖30的系統的替換具體實施例，其中兩個并列的液壓缸已經替代為兩個伸縮的液壓缸。圖31A描述了處在操作的一階段中的系統，其中只有內部的、較小內徑液壓缸在壓縮液壓液。該配置的效果將減小傳輸至液壓馬達的液壓范圍，這是因為氣壓缸中壓縮空氣產生的力隨膨脹而降低，并且儲存在容器中的氣體的壓強降低。圖31B描述了處在操作的一階段中的系統，其中內部汽缸活塞已經在行程方向上移到它的極限，并且不再壓縮液壓液，而外部的、較大內徑的汽缸正壓縮液壓液，而完全延伸的內側的汽缸像大內徑汽缸的活塞那樣工作。圖31C描述了處在操作的一階段中的系統，其中汽缸和馬達的運動的方向反向，并且只有內側的較小內徑汽缸在壓縮液壓液。圖31A所示的系統3100類似于上面描述的那些，包括單個往復式氣壓缸3101和兩個往復式液壓汽缸31Ma、31Mb，其中一個汽缸3124b是伸縮地設置在另一個汽缸31Ma 的內部。在所示的操作狀態中，來自容器3109的壓縮空氣進入氣壓缸3101的一個容室 3102，并驅動滑動設置在氣壓缸3101內的活塞3105。來自氣壓缸3101的另一個容室3103 的低壓氣體被通過閥門3107輸送至通風孔3108。從設置在氣壓缸3101內的活塞3105伸出的軸3119沿箭頭3122指示的方向移動機械連接的機械邊界機構3121。機械邊界機構 3121還被連接到伸縮地布置的往復式液壓缸31Ma、31Mb的活塞軸3123。在所示的運行狀態中，整個較小內徑汽缸3124b作為較大的內徑液壓缸31Ma的大的活塞3125a的軸3123。活塞312 和較小內徑汽缸31Mb (即，大的內徑液壓缸312 的軸)沿著箭頭3122指示的方向被機械邊界機構3121移動。來自大的內徑汽缸312 的較高的壓強容室3U6a的壓縮的液壓液通過閥門3120，至止回閥31 和液壓動力單元31 的配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端經由閥門3118，被引導至液壓缸312 的較低壓強容室3116a。在這一運行狀態中，較小內徑汽缸3124b的活塞312 保持與其靜止，并且沒有液體流入或流出它的任何一個容室3116b、3U6b。現在參照圖31B，其示出了圖31A的系統3100的另一個運行狀態。氣壓缸3101 的動作和活塞的運動方向與圖31A中的相同。在圖31B中，活塞312 和較小內徑汽缸 3124b (即，較大的內徑液壓缸312 的軸)已經移到它的活動范圍的末端，并停止相對于大的內徑汽缸312 移動。現在閥門開啟，這樣較小內徑汽缸3124b的活塞312 動作。來自較小內徑汽缸3124b的較高的壓強容室3U6b的加壓液體通過閥門3133，被引導至回閥 31 和液壓動力單元31 的前述的配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端經由閥門3135，被引導至較小內徑液壓缸3124b的較低壓強容室3116b。 如此，在液壓側的有效活塞面積在空氣膨脹期間被改變，從而對于給定的氣壓范圍，縮減了液體壓強范圍。現在參照圖31C，其示出了圖31A和31B的系統3100的另一個運行狀態。氣壓缸 3101的動作和活塞的運動方向與圖31A中所示的相反。因為在圖31A中，只有較大的內徑液壓缸31Ma被激活。較小內徑汽缸3124b的活塞3124b保持與其靜止，并且沒有液體流入或流出它的任何一個容室3116b、3U6b。來自大的內徑汽缸312 的較高的壓強容室3116a 的壓縮的液壓液通過閥門3118，至止回閥31 和液壓動力單元31 的前述的配置，從而產生電力。處于較低壓強的液壓液從液壓馬達/泵的輸出端經由閥門3120，被引導至大的內徑液壓缸3 IMa的較低壓強容室3U6a。進一步地，在系統3100的另一運行狀態中，活塞312 和較小內徑液壓缸 31Mb(即，大的內徑液壓缸31Ma的軸)已經沿著圖31C中指示的方向移動到它們盡可能遠的地方。然后，如圖31B所示，但在行程的相反方向上，較小內徑液壓缸3124b成為驅動馬達/發電機31 的激活的汽缸。還應該清楚，以串聯(氣壓和/或液壓)和并聯或(機械地)伸縮的方式增加在逐步降低的壓強下運行的汽缸的原理可運用至氣壓側、液壓側或兩者都可的兩個或更多個汽缸上。此外，如圖31A-31C所示的系統3100還可以包括類似于上面描述的的熱傳遞子系統3150。一般地，熱傳遞子系統3150包括流體循環器3152和換熱器3巧4。子系統3150 還包括兩個方向控制閥3156、3158，其經由汽缸3101上的標識為A和B的空氣端口對，有選擇地將子系統3150連接至氣壓缸3101的一個或多個容室。例如，閥門3156、3158可被定位以使子系統3150在容室3103內的氣體膨脹期間與容室3103流體連通，以便熱調節在容室3103中膨脹的氣體。氣體可通過任何前面描述的方法被熱調節。例如，在膨脹(或壓縮)期間，熱交換液體(例如，水)被循環器31M從容器中(未示出，但類似于上面結合圖 22的描述)吸取，循環通過液-液型式的換熱器31M，該換熱器可為具有輸入端3160和輸出端3162的殼管式型式，從殼體的輸出端3162流向環境換熱器或流向過程熱源、冷水源或其它外部熱交換介質源。在描述完本發明的一些具體實施例后，對于本領域普通技術人員來說，可能使用其它結合此處公開的構思的實施方式，那是顯而易見的，沒有脫離本發明的精神和范圍。所描述的具體實施例應該從整體上被認為只是作為說明性的和非限制性的實例。下面為權利要求。
權利要求
1.一種使用熱調節的壓縮流體來儲存和再生電能的分級能量轉換系統，該系統包括具有第一容室和第二容室的汽缸組件，容室被設置在汽缸內的可滑動活塞分隔開；與汽缸組件相連的傳動系統，其中該傳動系統配置成在膨脹階段將勢能轉換為電能， 以及在壓縮階段將電能轉換為勢能；以及熱傳遞子系統，與汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個流體連通。
2.如權利要求1所述的系統，其中的汽缸組件包括氣壓缸。
3.如權利要求1所述的系統，其中熱傳遞子系統還包括流體循環設備；以及熱傳遞流體容器，其中流體循環設備被設置為將熱傳遞流體從容器泵入汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個中。
4.如權利要求3所述的系統，還包括設置在汽缸組件的第一容室或者第二容室的至少一個內的噴射機構，用于引入熱傳遞流體。
5.如權利要求4所述的系統，其中噴射機構為噴頭或噴桿中的至少一個。
6.如權利要求3所述的系統，其中熱傳遞子系統還包括換熱器，換熱器包括與流體循環設備和熱傳遞流體容器流體連通的第一側；和與熱傳遞流體源流體連通的第二側，其中流體循環設備使流體循環，從熱傳遞流體容器通過換熱器，然后流至汽缸組件。
7.如權利要求2所述的系統，其中傳動系統包括通過活動的機械邊界機構機械地連接至氣壓缸的液壓缸，機械邊界機構在氣壓缸和液壓缸之間傳遞能量；以及流體地連接至液壓缸的液壓動力單元，其配置成驅動電動機/發電機來再生電能，并且被電動機/發電機驅動來貯存勢能。
8.如權利要求1所述的系統，其中汽缸組件包括與低壓氣壓缸流體地連接的高壓氣壓缸。
9.如權利要求3所述的系統，還包括至少一個溫度傳感器，其與汽缸組件的至少一個容室連通，或者與熱傳遞子系統流出的流體連通。
10.如權利要求9所述的系統，還包括控制系統，用于接收來自該至少一個溫度傳感器的遙測數據，以便至少部分基于接收的遙測數據控制熱傳遞子系統的操作。
11.一種使用熱調節的壓縮流體來儲存和再生電能的分級液壓氣壓能量轉換系統，該系統包括第一和第二連接的汽缸組件，其中系統包括至少一個含有多個分級的氣壓側和至少一個液壓側，所述的至少一個氣壓側和所述的至少一個液壓側被至少一個活動的機械邊界機構分隔開，機械邊界機構在兩者之間傳遞能量；以及與所述的至少一個氣壓側流體連通的熱傳遞子系統。
12.如權利要求11所述的系統，其中第一汽缸組件包括至少一個氣壓缸，第二汽缸組件包括至少一個液壓缸，而且第一和第二汽缸組件通過所述的至少一個活動的機械邊界機構機械地連接。
13.如權利要求11所述的系統，其中第一汽缸組件包括在第一壓力比下傳遞機械能的蓄能器，第二汽缸組件包括在大于第一壓力比的第二壓力比下傳遞機械能的增強器。
14.如權利要求13所述的系統，其中第一汽缸組件和第二汽缸組件是通過流體連接的。
15.如權利要求11所述的系統，其中熱傳遞子系統還包括與所述的至少一個氣壓側流體連通的循環設備，用于使流體循環通過所述的熱傳遞子系統；并且換熱器包括與循環設備和所述至少一個氣壓側流體連通的第一側；和與基本上恒溫的液體源流體連通的第二側，其中所述的循環設備使流體循環，從所述至少一個氣壓側經由所述的換熱器，然后回到所述的至少一個氣壓側。
16.如權利要求15所述的系統，還包括控制閥配置，用于系統的所述至少一個氣壓側的分級之間有選擇地連接。
17.如權利要求11所述的系統，其中熱傳遞子系統還包括 流體循環設備；以及熱傳遞流體容器，其中流體循環設備被設置為將熱傳遞流體從容器泵入系統的所述至少一個氣壓側內。
18.如權利要求17所述的系統，其中每一汽缸組件都具有一氣壓側，并且還包括控制閥配置，用于有選擇地將第一汽缸組件的氣壓側和第二汽缸組件的氣壓側連接至流體循環設備。
19.如權利要求17所述的系統，還包括設置在所述至少一個氣壓側的噴射機構，用于引入熱傳遞流體。
20.一種使用熱調節的壓縮流體來儲存和再生電能的分級液壓氣壓能量轉換系統，該系統包括至少一個汽缸組件，其包括由活動的機械邊界機構分隔的氣壓側和液壓側，機械邊界機構在兩者之間傳遞能量； 壓縮氣體源；以及與至少一個汽缸組件的氣壓側或者所述的壓縮氣體源流體連通的熱傳遞子系統。
全文摘要
本發明涉及用于在能量儲存和再生系統(300)中空氣快速地等溫膨脹和等溫壓縮的系統和方法，其使用諸如蓄能器(316，317)和增強器(318，319)之類的開放大氣液壓氣壓缸組件，與回路的氣體側上的高壓氣體儲罐連通，以及組合的液壓馬達/泵(330)，連接至回路的流體側上的組合的發電機/馬達(332)。該系統使用熱傳遞子系統與至少一個汽缸組件或者容器連通，來熱調節正膨脹或者壓縮中的氣體。
文檔編號H02J15/00GK102498638SQ201080023654
公開日2012年6月13日 申請日期2010年4月2日 優先權日2009年4月3日
發明者B·R·保林格, B·卡梅隆, H·里克特, M·伊澤森, P·馬格里, R·庫克, T·O·麥克布里德, W·陳 申請人:瑟斯特克斯有限公司