用於在壓縮空氣能量存儲系統中高效兩相傳熱的系統和方法

2023-06-14 17:18:41

用於在壓縮空氣能量存儲系統中高效兩相傳熱的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及各種實施方式，泡沫被壓縮以存儲能量和/或被膨脹以恢復能量。
【專利說明】用於在壓縮空氣能量存儲系統中高效兩相傳熱的系統和方法
[0001]相關串請
[0002]本申請要求於2011年5月17日提交的美國臨時專利申請N0.61/486，937、於2011年5月25日提交的美國臨時專利申請N0.61/489，762、於2011年7月29日提交的美國臨時專利申請N0.61/512，981、於2011年12月12日提交的美國臨時專利申請N0.61/569，528、於2012年2月22日提交的美國臨時專利申請N0.61/601,641以及於2012年4月4日提交的美國臨時專利申請N0.61/620，018的權益和優先權。由此，將上述每個申請的全部內容通過引用包含於此。
[0003]關於聯邦贊助研究的聲明
[0004]本發明是在由NSF頒發的IIP-0923633和由DOE頒發的DE-0E0000231的政府支持下進行的。政府享有本發明的某些權利。
【技術領域】
[0005]在各種實施方式中，本發明涉及氣體力學、水力學、發電和儲能，並且尤其涉及利用氣動缸、氣動/液壓缸、和/或液壓缸來進行能量存儲和恢復的系統和方法。
【背景技術】
[0006]以壓縮氣體的形式存儲能量有著悠久的歷史，並且所用部件經過良好測試並且可靠，還具有長的使用壽命。壓縮氣體或壓縮空氣能量存儲(CAES)的一般原理是:生成的能量(例如電能)用於壓縮氣體(例如空氣)，由此將原始能量轉換成壓力勢能；這種勢能隨後經由耦合至合適機構上的氣體膨脹而以有用形式恢復(例如，轉換回電力)。壓縮氣體能量存儲的優點包括特定能源成本低、壽命長、維護成本低、能量密度可觀和可靠性好。
[0007]如果氣體主體所處的溫度與其環境相同，並且相對於氣體和其環境之間的熱交換速率緩慢地發生膨脹，則氣體將在其膨脹時保持大致恆定的溫度。這種過程被稱為「等溫」膨脹。以給定溫度存儲的一定量高壓氣體的等溫膨脹比「絕熱膨脹」(即，膨脹時在氣體和其環境之間不發生熱交換一例如，由於膨脹發生地很快或處於隔熱室中)時多恢復了大約三倍的功。氣體也可以等溫或絕熱地被壓縮。
[0008]壓縮、存儲和膨脹的理想等溫儲能周期將具有100%的熱力學效率。理想絕熱儲能周期也將具有100%的熱力學效率，但絕熱的方法具有許多實際缺陷。這些缺陷包括在系統內產生較高的溫度和壓力極限，存儲期間的熱損失以及不能夠在膨脹和壓縮期間分別地利用環境的(例如廢熱發電的)熱源和匯。在等溫系統中，雖然解決了絕熱方法中的難題，但隨之而來的是增加熱交換系統的成本。在這兩種情況下，由於氣體膨脹而產生的機械能通常在使用前必須被轉換成電能。
[0009]利用近等溫氣體壓縮和膨脹的以壓縮氣體形式存儲能量的有效和新穎的設計已經在2009年4月9日提交的美國專利N0.7，832，207 (』 207專利)和2010年2月25日提交的美國專利N0.7，874，155 (』 155專利)中描述和示出，它們的全部內容通過引用包含於此。』 207和』 155專利公開了用於在分級氣缸中等溫地膨脹氣體的系統和技術以及用於大壓力範圍以在需要時生成電能的增強器。氣體膨脹產生的機械能可以用於驅動產生電力的液壓泵/電機子系統。可以用在如』207和』 155專利中公開的系統和方法中的用於液壓氣動壓力增強的系統和技術在2010年9月10日提交的美國專利N0.8，037, 678 (』 678專利)中描述和示出，它們的全部內容通過引用包含於此。
[0010]在』 207和』 155專利公開的系統中，在通過氣缸中的氣體膨脹從存儲狀態恢復能量的過程中，產生往復機械運動。這種往復運動可以通過多種技術轉換成電力，這些技術例如在』 678專利以及2011年2月14日提交的美國專利N0.8，117，842 (』 842專利)中公開，它們的全部內容通過引用包含於此。對本領域內熟知電動和氣動機械的技術人員來說，這些系統存儲能量(即，利用能量將氣體壓縮到存儲庫中)或產生能量(即，膨脹存儲庫中的氣體以釋放能量)的能力是顯而易見的。
[0011]通過將熱交換液體與氣體混合而接近氣體的等溫膨脹和壓縮的能量存儲系統的功率密度(基於體積或質量)可以被限定為:系統可以轉換到存儲形式或從存儲中提取的最大持續功率(千瓦，kff)除以系統的體積(m3)或質量(kg)。因此，能量存儲系統的功率密度(無論基於體積或質量)可以具有kW/m3或kW/kg的單位。一般來說，功率密度較高的能量存儲系統一般能夠比功率密度較低的同類系統更經濟地存儲和恢復能量，即，其使用的系統的壽命期間的平均值將在每千瓦時需要更少的存儲和恢復百分比(0/kWh )。
[0012]可以通過多種技術提高功率密度；一種技術是增加通過熱交換液體和氣體交換熱能量的速率。實現熱交換液體和氣體之間的快速熱交換的一種技術是將液體作為霧滴或液滴噴灑到氣體中，與緊湊形狀(例如單個圓柱體或球形)的相同體積的液體的表面積相比，這能夠增加給定體積液體的表面積。然而，在許多應用中，甚至期望更快速的熱交換，而越來越小的熱交換液滴尺寸(即，用於增加熱交換表面積)可能難以或不可能實現。因此，需要一種用於熱交換流體和氣體之間的更快速的熱交換的系統和技術，氣體在壓縮氣體能量存儲和恢復系統中將被或正被壓縮和/或膨脹。

【發明內容】

[0013]本發明的實施方式通過下述方式提升了使用液體和氣體之間的熱交換以在氣缸中大致等溫地(恆定溫度)膨脹和壓縮氣體的能量存儲和恢復系統的性能:將液體和氣體混合以形成水基泡沫，這增加了液體的表面積並且有助於與氣體的快速熱交換，因而提供了功率密度。相比於氣體與具有更緊湊形狀(例如單個氣缸)的液體接觸或氣體被分成多個具有更緊湊形狀(例如，球狀體，即使這些球狀體非常小)的主體，當液體和氣體混合為泡沫時，熱量通常被更快速地交換。如上所述，在氣體大致等溫地膨脹和壓縮的能量存儲和恢復系統中，加速的熱交換是有利的(例如，支持更高的系統功率密度)。本發明的實施方式允許泡沫的性質(例如氣泡(即，「泡沫單元」)的大小、含氣率)在系統操作期間改變，提供了在下文詳述的各種優勢。本文中，泡沫的含氣率(也被稱為「氣體分數」)被定義為由氣體佔據的給定體積的泡沫的分數。
[0014]水基泡沫是兩相系統(S卩，既包含氣體又包含液體的系統)，其中，大體積分數的氣體被分散成連續液體基質中的氣泡或單元(如在J.B.Winterburn和P.J.Martin, 「Mechanisms of ultrasound foam interactions,，』Asia-Pac.J.Chem.Eng.2009:4:184 - 190中討論的，其全部內容通過引用包含於此)。這些氣泡由通常通過混合表面活性劑(即，包括優先聚積在液氣界面上的表面活性的、兩親分子，或實質上由其組成的物質)穩定的液膜包含。這些液膜通常在其交點處互連，在整個泡沫結構中形成連續的液相。具體泡沫的結構根據其液體含量而變化；泡沫可以相應地被分成兩大類。「溼泡沫」實質上由大致球形的氣泡(由厚液膜分離)組成。在溼泡沫中的完美球形的密閉的氣泡的限制下，幾何結構確定了泡沫中的含氣率按體積算大約為0.74。含氣率大於約0.74的泡沫為「幹泡沫」，其中，多面體氣體單元由薄液片(即，壁或隔膜)分離。發明的實施方式利用溼和/或幹水基泡沫。
[0015]在本發明的實施方式中，氣動壓縮機-膨脹器氣缸(本文稱為「氣缸」)通過可滑動布置的活塞被分成兩個室，其中至少一個(本文稱為「空氣室」)可以包含氣體或氣液混合物(例如泡沫)。待膨脹或壓縮的氣體可以被引入到空氣室中；液體(本文稱為「熱交換液體」)也可以被弓I入到空氣室中。可以通過空氣室內的流體或通過杆對活塞施加力，所述杆與氣缸對齊、穿過氣缸一端中的合適埠並且連接到氣缸外部的機械設備(例如曲柄軸)。
[0016]在本發明的一種實施方式中，液體和氣體在膨脹或壓縮氣體的氣缸外部的腔室或容器中混合以形成泡沫(即，液體和氣體「起泡」)。具體地，可以使用在攪動、噴灑或以其他方式積極改變時促進與空氣(或另一種合適的氣體)的起泡的液體。這種液體的一個實例是包含例如2%-5%的特定添加劑(例如表面活性劑)的水，這些添加劑中的一些在於2011年4月8日提交的序列號為13/082,808的美國專利申請(』808申請)中描述，其全部內容通過引用包含於此。泡沫通過適當的機構(例如帶閥的埠)通入到氣缸的空氣室中。無論何時氣體和液體彼此接觸,都會在它們之間發生熱能的交換,但當起泡增加了氣體和液體彼此接觸的表面積時，這種熱能的交換更加迅速地發生。在各種操作狀態中，氣缸的空氣室可以不包含泡沫、部分地由泡沫填充或基本上由泡沫填充。
[0017]在本發明的各種實施方式中，液體和氣體起泡的室或容器是用於高壓(例如大約3000psi)氣體的存儲庫。趨向於與泡沫分離的液體可以聚積在庫的底部，並且可以通過噴頭或其他泡沫生成機構再循環到庫中，以在存儲庫內維持或再生成一定量的泡沫。
[0018]在本發明的各種實施方式中，處於期望溫度(例如相較較冷或相對較熱)的泡沫(或泡沫的分離液態組分)可以轉入到容器中，以在其中存儲有效能(exergy)。此處，系統的有效能(例如容器的流體內容物)是理想情況下使系統與環境實現熱均勻而做的功的最大量。此處，以存儲有效能為目的而存儲相對較冷或相對較熱的液體的容器被稱為「熱井」。
[0019]在本發明的各種實施方式中，液體和氣體在專用設備(本文稱為「混合室」)中氣泡，該專用設備可以利用噴灑、排出、鼓泡、穿過填充床或固態泡沫的通路、起霧、懸浮液滴的噴灑和/或其他途徑來產生泡沫。如本文所使用的，「鼓泡器(sparger)」是用於將泡沫(通常是液體含量較低的泡沫)和/或氣體引入液體和/或泡沫(通常是液體含量較高的泡沫)中以與其生成泡沫的機構。
[0020]在某些實施方式的各種操作狀態中，泡沫可以被導入容器或腔室(例如，位於在存儲庫和混合室之間或一個氣缸的空氣室和另一氣缸的空氣室之間連通的流體路徑上)中以將泡沫的液態和氣態組分分離。這樣的容器或腔室在本文中被稱為「分離器」。泡沫的部分分離或基本上完全分離可以發生在分離器、氣缸、混合室、存儲庫和其他部件(例如管)中。在分離器或其他部件中從泡沫分離的液體可以穿過熱交換器以改變其溫度，或者以其他方式處理或加工，並且再次導入到系統的另一部分中的泡沫生成設備(例如混合室)中。
[0021 ] 流體泡沫可以穿過一個或多個篩、粗篩或固體泡沫(它們在本文中都被稱為「篩」)以控制泡沫質量(例如:氣泡均勻度、平均氣泡大小)。這樣的篩可以被構造為允許在各種操作狀態中改變氣泡的大小:例如，大體上接觸的兩個穿孔板可以相對於彼此滑動，以允許穿過不同大小氣泡的方式對齊或不對齊它們的穿孔。也可以利用聲音振動(例如超聲)刺激(例如在混合室中)流體泡沫以影響泡沫中單元(氣泡)的大小和均勻度。
[0022]在各種操作狀態中，氣體或氣液混合物可以從旁路繞過混合室。例如，當氣體從存儲器中膨脹時，閥和管道可以配置成使氣體穿過混合室以起泡。然而，當氣體被壓縮到存儲器中時，壓縮氣體或泡沫可以通過旁路(例如管道)路由，而不通過混合室。通過旁路路由氣體一般將比路由通過混合室消散更少的能量，由此提升系統效率。
[0023]在本發明的各種實施方式中，除了在氣缸外部生成泡沫之外或者作為對其的替代，可以通過經由例如噴頭或其他泡沫生成設備將液體直接注入到氣缸的空氣室中而生成泡沫。
[0024]在本發明的各種實施方式中，可以在氣缸的空氣室中利用聲音振動(例如超聲)刺激泡沫以加速泡沫的氣態和液態組分之間的熱交換。聲音振動可以通過各種機制(例如，設置在氣泡或單元的液氣交界面上的表面波，或者通過薄片和普拉特奧(Plateau)邊界增加流量)加速泡沫的氣態和液態組分之間的這種熱交換。
[0025]本發明的各種實施方式可以包括下述部件中的一個或多個:混合室、分離器、旁路、篩、超聲發生器、在不同壓力範圍內操作的兩個或多個氣缸的組件、以及其他部件。如其全部內容通過引用包含於此的美國專利N0.7，802，426 (』 426專利)中所述，經歷壓縮或膨脹的可壓縮的流體(例如，氣體或泡沫)可以連續地或分期地導入通過氣缸外部的熱交換子系統。熱交換子系統將熱量排到環境中(以冷卻經歷壓縮的流體)，或者從環境中吸收熱量(以加熱經歷膨脹的流體)。同樣，可以通過明智地選擇這種熱交換速率而接近等溫過程。
[0026]一般來說，本文描述的系統可以在膨脹模式和相反的壓縮模式中操作為具有高效率的全循環能量存儲系統的一部分。例如，這些系統可以既操作成壓縮機又操作成膨脹器，以壓縮氣體勢能的方式存儲電力並且從壓縮氣體的勢能產生電力。可選地，這些系統可以獨立地操作成壓縮機或膨脹器。
[0027]本發明的實施方式通常用在利用壓縮氣體的能量存儲系統中。在壓縮氣體能量存儲系統中，以高壓(例如大約3000psi)存儲氣體。該氣體可以膨脹到具有第一隔室(或「室」)和第二隔室的氣缸中，第一和第二隔室由可滑動地布置在氣缸內的活塞(或另一邊界機構)分離。軸可以耦接到活塞上並且延伸穿過氣缸的第一隔室和/或第二隔室，並且超出氣缸的端帽，而且，傳輸機構可以耦接到軸上以將軸的往復運動轉換成旋轉運動，如』 678和』842專利中所述。此外，電動機/發電機可以耦接到傳輸機構上。可選地或此外，氣缸的軸可以耦接到一個或多個直線發電機上，如』 842專利中所述。
[0028]也如在』842專利中所述的那樣，通過在給定時間內膨脹給定量的氣體所產生的力的範圍可以通過添加多個串聯連接的氣缸階段而降低。即，由於來自高壓庫的氣體在第一高壓氣缸的一個室中膨脹，來自第一氣缸的另一室的氣體被導向第二較低壓氣缸的膨脹室中。來自該第二氣缸的較低壓室的氣體可以排出到環境中或者被導向以更低壓操作的第三氣缸的膨脹室中；該第三氣缸可以類似地連接到第四氣缸；依此類推。[0029]該原理可以擴展到不止兩個的氣缸以適應具體的應用。例如，通過使第一高壓氣缸在例如大約3000psig和大約300psig之間操作並且使第二較大容積的、較低壓氣缸在例如大約300psig和大約30psig之間操作來實現用於給定範圍的庫壓力的較小範圍的輸出力。當使用兩個膨脹氣缸時，各個氣缸內的壓力範圍(進而各個氣缸產生的力的範圍)降低為相對於使用單個膨脹氣缸的壓力(或力)的範圍的平方根，例如，從大約100:1至大約10:I (如』 842專利中列舉的)。此外，如』 678專利中所述，N個適當大小的氣缸可以將原始操作壓力範圍R降到R1/n。以這種方式級聯的N個氣缸的任意組(其中N≥2)在本文中被稱為氣缸組。
[0030]本發明的實施方式提出了使用正位移泵來有效地循環相對高壓的液體，例如用於產生用於在氣缸組件內進行大致等溫的膨脹和壓縮的液體噴霧和/或水基泡沫的液體，最終獲得了整個能量存儲和能量恢復過程的效率收益。這些正位移泵可以是管塞式泵、旋轉正位移泵(例如螺杆泵、漸進式空腔泵)或其他類型的泵。如其全部內容通過引用包含於此的2011年I月19日提交的序列號為13/009，409的美國專利申請(』409專利)中所公開的，可以利用下述泵來實現高壓流體的有效循環:高入壓、低差壓泵，例如具有流體填充的室的往復、雙重作用、正位移泵，該室具有將活塞一側的流體與另一側的流體分開的活塞或其他機構；或者利用螺杆泵、漸進式空腔泵或其他旋轉正位移泵。
[0031]本發明的各種實施方式利用旋轉正位移泵(例如螺杆泵)來使得能夠高能效地將已經處於高壓(例如，從大約1000磅每平方英寸表壓[psig]至大約3000psig,或者更高)的流體泵到更高的壓力(例如，比輸入壓力高大約50psig)。這種泵的有益應用包括但不限於:(I)將泡沫、起泡液或液體噴霧引入到存儲加壓氣體的容器中，產生的泡沫或噴霧使得向或從氣體轉移熱量；(2)高能效地將泡沫、起泡液或液體噴霧引入到包含加壓氣體的室，其中，泡沫、起泡液或噴霧使得氣體能夠在室內進行大致等溫的膨脹或壓縮。
[0032]本文中，螺杆泵是使用一個或多個螺杆以壓縮流體的正位移泵；「正位移泵」是限制一定體積的流體並隨後移動(位移)該流體，並在此過程中可能將其壓縮；並且「螺杆」是沿其長度具有螺旋脊或螺紋的杆。通常，在螺杆泵中，螺杆與互補表面嚙合，該互補表面由一個或多個配套部件(例如殼體、或一個或多個其他螺杆)以下述方式限定:一個或多個大致螺旋形的流體容積被限制在螺杆表面和互補表面之間。隨著螺杆旋轉，流體在螺杆的一端被通入，限制在大致螺旋形的容積中，沿著螺杆縱向移動，同時可能經歷壓縮，並且在螺杆的另一端被逐出或排出。在螺杆的螺距縱向變化的螺杆泵中，限制在螺杆和互補表面之間的流體容積隨著其沿著螺杆縱向移動而被壓縮。壓縮流體的螺杆泵通常被稱為螺杆壓縮機。包括單螺杆、雙螺杆和三螺杆泵的各種設計的螺杆泵和壓縮機，以及這些泵和壓縮機的性質和特點對足夠熟悉壓縮機和泵的原理的技術人員來說是公知的。本文中，術語「螺杆泵」通常指雙螺杆型或三螺杆型的螺杆壓縮機，但其他類型的螺杆泵或旋轉正位移泵(包括但不限於=Wendelkolben泵、螺旋扭曲羅茨泵和離心螺杆泵)的使用也是可以考慮的並且在本發明的範圍內。
[0033] 對熟悉壓縮機和泵的原理的技術人員來說顯而易見的是:原則上，能夠壓縮流體的螺杆泵可以反向操作成膨脹器。在這種反向操作中，較高壓力的流體在旋轉螺杆的一端通入，限制在螺杆和互補表面之間的大致螺旋形容積中，並且隨著所限制的容積膨脹而沿著旋轉螺杆縱向地移動。該流體(其壓力比通入時的壓力更低)從螺杆的與通入流體的一端相對的一端排出。
[0034]本發明的實施方式還在壓縮模式中通過預壓縮機增加氣缸組的進氣室內的最小或起始壓力。如其全部內容通過引用包含於此的2011年5月18日提交的美國專利N0.8，104, 274(』 274專利)中所公開的，在氣缸組的進氣室之前預壓縮空氣可以用於增加壓縮氣體能量存儲系統的功率密度。此外，將氣體以高於大氣壓的壓力從氣缸組排出可以增加功率密度。留在排出的超大氣壓力氣體中的該勢能中的至少一些可以在膨脹器設備中恢復。在通過預壓縮機增加起始壓力的各種實施方式中，預壓縮機可以包括葉片式風機(例如徑向離心式、軸式)或正位移式風機(例如葉式)或泵(例如螺杆泵)，或實質上由其組成。在氣缸組排出壓力是超大氣壓力的各種實施方式中，膨脹器可以包括第二單向設備或與雙向操作的預壓縮機相同的設備，或者實質上由其組成。可以用作膨脹器的這些設備的實例包括葉片式膨脹器(例如徑向離心式、軸式)和正位移式膨脹器(例如活塞式)和泵/電機(例如螺杆泵/電機)。
[0035]例如，當螺杆泵操作為預壓縮機時，其做功以壓縮穿過泵的流體。由泵外部的機構(例如電動機)提供這種能量。例如，當螺杆泵操作為膨脹器時，氣體對泵和泵所連接到的任何機構(例如發電機)做功。此外，操作為壓縮機的螺杆泵內(或者具有足夠容量以避免在壓縮之前完全破壞(即分離)泡沫的任意的其他預壓縮機內)的氣體的壓縮可以通過在螺杆泵的入口處和/或之前和/或在螺杆泵自身內引入泡沫或起泡液而大致等溫地進行，所述泡沫或起泡液在氣體的壓縮期間部分地或基本上填充螺杆泵內流體的限制螺旋形容積。起泡液可以在經歷壓縮之前與氣體組合以產生氣體的大致等溫的壓縮。類似地，操作為膨脹器的螺杆泵內(或者具有足夠容量以避免在膨脹之前完全破壞泡沫的任意的其他膨脹器內)的氣體的膨脹可以通過在螺杆泵的入口處和/或之前和/或在螺杆泵自身內引入適當量的泡沫或起泡液而大致等溫的進行，所述泡沫或起泡液在氣體的膨脹期間部分地或基本上填充螺杆泵內流體的限制螺旋形容積。熱交換液體的液滴(例如，通過螺杆表面中或互補表面中的穿孔引入的)可以與泡沫組合，或者用來替代泡沫，從而在螺杆泵內使氣體實現大致等溫的壓縮或膨脹。在用作預壓縮機或後膨脹器的泵中，大致等溫的操作可以增加能量存儲系統的整體效率。
[0036]增加氣缸組的進氣室內的最小壓力或起始壓力降低了氣缸組中出現的表壓範圍(並且由此降低了由氣缸組施加的力的範圍)。表壓範圍下降的程度與預壓縮程度成正比。例如，對於具有大約為Ipisg的非預壓縮進氣壓力且大約為2500psig最大壓力的系統來說，表壓的範圍大約為2500:1 ;對於其他相同的預壓縮進氣壓力大約為5psig且最大壓力大約為2500psig的系統來說，表壓的範圍是較大值的五分之一(即，大約500:1)。
[0037]此外，初始壓力的進氣室中的空氣的質量在預壓縮系統中比非預壓縮系統增加了大約絕對壓力的比值(例如，大約19.7psia/14.7psia，取決於壓縮或膨脹的多變係數)。因此，如果單個壓縮衝程在具有預壓縮的系統中佔用了與不具有預壓縮的系統相同的時間，則在給定時間間隔內產生了更大質量的處於輸出壓力(例如大約2500psig)的壓縮氣體，這表示成比例地增加的存儲能量。換言之，對於通過給定氣缸的單次完整壓縮而言，通過預壓縮實現了較高的壓縮功率。
[0038]對熟悉壓縮機和泵的原理的技術人員來說顯而易見的是:一些風機和泵(例如螺杆泵)可以反向操作成膨脹器。也就是說，例如，較高壓力的流體在旋轉螺杆的一端通入，限制在螺杆和互補表面之間的大致螺旋形容積中，並且隨著所限制的容積膨脹而沿著旋轉螺杆縱向地移動。該氣體(其壓力比通入時的壓力低)從螺杆的與通入流體的一端相對的一端排出。操作為膨脹器的螺杆泵內的氣體的膨脹可以通過在螺杆泵的入口處和/或之前和/或在螺杆泵自身內引入泡沫或起泡液而大致等溫地進行，所述泡沫或起泡液在氣體的膨脹期間部分地或基本上填充螺杆泵內流體的限制螺旋形容積。
[0039]對熟悉壓縮機和泵的原理的技術人員顯而易見的是:通過類似的推理，當系統操作為膨脹器而不是壓縮機時，通過允許氣缸組的出口壓力明顯高於大氣壓力而實現了較高的膨脹功率。此外，通過氣體對其做功的設備(例如:螺杆泵膨脹器)而膨脹這種超大氣壓力出口氣體允許出口氣體的勢能中的一些被轉換成功。這種功的恢復增加了能量存儲系統的整體效率。
[0040]一定量氣體的每次壓縮或膨脹(其中，這種壓縮或膨脹在本文中被稱為「氣體過程」)一般是下述三種類型之一:(I)絕熱，其中氣體不與其環境交換熱量，並且隨後氣體的溫度上升或下降；(2)等溫，其中，氣體以維持恆定溫度的方式與其環境交換熱量；及(3)多變，其中，氣體與其環境交換熱量，但其溫度不保持恆定。完美的絕熱氣體過程是不實際的，這是因為任何氣體主體和其環境之間總會交換一些熱量(理想的絕熱器和反射器是不存在的)；完美的等溫氣體過程也是不實際的，這是因為:要使熱量在一定量的氣體和其環境的一部分(例如液體主體)之間流動，在氣體和其環境之間必須存在非零的溫度差一例如，在壓縮期間必須允許氣體加熱，從而使熱量可以被導向液體。因此，真實世界中的氣體過程通常是多變的，但它們可以是大致絕熱或等溫的過程。
[0041]理想氣體定律指出，對於質量為m、壓力為P、體積為V且溫度為T的給定量的氣體，pV=mRT，其中，R是氣體常數(對於空氣來說，R=287J/K.kg)。對於等溫過程，T在整個過程中是常數，所以PV=C，其中C是某個常數。
[0042]對於多變過程，如熟悉熱力學科學的技術人員顯而易見的那樣，在整個過程中，PVn=C,其中η(稱為多變指數)是一般在1.0和1.6之間的某個常數。對於n=l，PVn=PV1=PV=C,即，過程是等溫的。一般來說，η接近於I (例如1.05)的過程可以被視為大致等溫的。
[0043]對於絕熱過程，pVY=C,其中Y (稱為絕熱係數)等於恆定壓力Cp下的氣體熱容量與恆定容積Cv下的熱容量的比值，S卩Y=cP/cv。實際中，Y取決於壓力。對於空氣，絕熱係數Y通常在1.4和1.6之間。
[0044]本文中，我們將「大致等溫」的氣體過程定義為η < 1.1的氣體過程。在本文所述的氣缸內進行的氣體過程優選地是η < 1.05的大致等溫過程。本文中，無論何處發生在氣缸組件或存儲容器內的氣體過程被描述為「等溫」，該詞都是術語「大致等溫」的同義詞。
[0045]給定量的氣體的壓縮或膨脹過程中做的功的大小大體上隨著多變指數η變化。對於壓縮來說，所做功的最小值是針對等溫過程，而最大值是針對絕熱過程，對於膨脹來說相反。因此，對於諸如通常發生在本文描述的壓縮氣體能量存儲系統中的氣體過程來說，絕熱、等溫和大致等溫氣體過程達到的最終溫度具有足夠大的差異從而對這些系統的操作性和效率產生實際影響。類似地，絕熱、等溫和大致等溫氣體過程的熱效率具有足夠大的差異從而對這些能量存儲系統的整體效率產生實際影響。例如，對於將一定量的氣體從初始溫度20°C和初始壓力Opsig (大氣壓)壓縮到最終壓力ISOpsig，對於等溫過程，氣體的最終溫度T將是整20°C，對於絕熱過程是大約295°C，對於多變指數n=l.1 (η相比於n=l的等溫情況增加10%)的多變壓縮來說最終溫度大約為95°c，並且對於多變指數n=l.05 (η相比於η=1的等溫情況增加5%)的多變壓縮來說最終溫度大約為60°C。在另一實例中，對於將1.6kg的氣體從初始溫度20°C和初始壓力Opsig (大氣壓)壓縮到大約180psig的最終壓力(包括將氣體壓縮進ISOpsig的存儲庫)，等溫壓縮需要大約355千焦的功，絕熱壓縮需要大約520千焦的功，並且多變指數n=l.045的多變壓縮需要大約375千焦的功；即，多變壓縮比等溫過程多需要大約5%的功，並且絕熱過程比等溫過程多需要大約46%的功。
[0046]可以通過經驗地將η代入到等式PVn=C中而估計發生在諸如本文描述的氣缸組件中的氣體過程的多變指數η，其中，氣體例如在氣缸內的壓縮或膨脹期間的壓力P和體積V均可以測量為從活塞位置開始的時間、已知設備尺寸和壓力換能器測量值的函數。此外，通過理想氣體定律，可以根據P和V估計氣缸內的溫度，以替代位於氣缸內且與其流體內容物接觸的換能器(例如，熱電偶、電阻熱檢測器、熱敏電阻)的直接測量值。在許多情況下，相比於溫度換能器的較慢的點測量，通過體積和壓力間接測量溫度可能更快並且更能代表整個體積。因此，本文描述的溫度測量和監測可以經由一個或多個換能器直接完成，或者如上所述的那樣間接完成，並且「溫度傳感器」可以是這樣的一個或多個換能器和/或一個或多個用於間接測量溫度的傳感器(例如:體積、壓力和/或活塞-位置傳感器)中的一個。
[0047]如果經過適當的設計，上文中描述的所有這些用於將壓縮氣體的勢能轉換成機械能和電能的方法可以反向操作以將電能存儲為壓縮氣體中的勢能。由於這種陳述的準確性將對足夠熟悉電機、電動、氣動原理以及熱力學原理的任何人員來說是顯而易見的，因而這些機構用於存儲能量和從存儲恢復能量的操作不會針對每個實施方式描述。然而，這種操作是可以考慮的並且在本發明的範圍之內，而且可以在無需過度實驗的情況下直截了當地實現。
[0048]本文描述的系統和/或利用基於泡沫的熱交換、液-霧熱交換和/或外部氣體熱交換的其他實施方式可以通過其熱交換機構將熱能抽取或遞送到外部系統(未示出)以進行熱電聯產，如2010年I月20日提交的美國專利N0.7，958，731 (』731專利)中所述的一樣,其全部內容通過引用包含於此。
[0049]本文描述的壓縮空氣能量存儲和恢復系統優選地是「開放空氣」系統，S卩，從周圍大氣中吸入空氣以壓縮，並且在膨脹之後將空氣排回到周圍大氣中的系統，而不是在密封的容器內壓縮和膨脹所捕獲體積的氣體的系統(即「封閉空氣」系統)。本文描述的系統一般以一個或多個氣缸組件為特徵，氣缸組件用於通過氣體的壓縮和膨脹來存儲和恢復能量。這些系統還包括:(i)庫，用於在壓縮之後存儲壓縮的氣體並且提供壓縮的氣體用於其膨脹；以及(ii )排出口，用於在膨脹之後將膨脹的氣體排出到大氣中並且提供氣體用於壓縮。舉例來說，存儲庫可以包括下述部件中的一種或多種或實質上由其組成:一個或多個壓力容器(即，用於壓縮氣體的容器，其可以具有剛性外部，或者可以是不可膨脹的，其可以由各種合適的材料形成，例如金屬或塑料，並且其可以符合或可以不符合用於壓力容器的ASME規範)、管道(S卩，用於壓縮氣體的剛性容器，其也可以用作和/或被視為流體導管，長度遠超其直徑(例如大於100倍)，並且不符合用於壓力容器的ASME規範)或洞室(B卩，通常位於地下的自然形成的或人工開鑿的腔洞)。相對於封閉空氣系統，開放空氣系統通常提供了出眾的能量密度。
[0050]此外，本文描述的系統可以有利地用於利用和恢復可再生能量源，例如風和太陽能。例如，在氣體壓縮期間存儲的能量可以源自例如風或太陽能的間歇可再生能量源，並且當間歇可再生能量源不起作用時(即，不產生可利用的能量或產生的能量處於標稱之下的水平)，可以通過氣體的膨脹恢復能量。因此，舉例來說，本文描述的系統可以連接到太陽能板或風力渦輪機上，從而存儲通過這些系統產生的可再生能量。
[0051]在一個方面，本發明的實施方式包括一種恢復能量的方法。具有第一泡沫膨脹比的第一泡沫被轉移到第一氣缸組件中，並且第一泡沫在第一氣缸組件中膨脹，由此從中恢復能量。此後，第二泡沫轉移到不同於第一氣缸組件的第二氣缸組件中。第二泡沫的第二泡沫膨脹比大於第一泡沫膨脹比。第二泡沫在第二氣缸組件中膨脹，由此從中恢復能量。第一和第二氣缸組件優選地是用於氣體和/或泡沫的膨脹(以及可能的壓縮)的單個動力單元的一些部分。
[0052]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。膨脹的第二泡沫可以從第二氣缸組件中排出。膨脹的第二泡沫中的至少氣態部分可以排出到周圍大氣中。在膨脹第一泡沫之後，膨脹的第一泡沫可以從第一氣缸組件中排出。第二泡沫可以包括膨脹的第一泡沫的至少一部分(例如氣態部分或泡沫部分)或實質上由其組成。膨脹的第一泡沫可以排出到泡沫容器中，並且傳熱液體可以引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。在膨脹第一泡沫之後，膨脹的第一泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。分離可以包括機械分離(例如:通過一個或多個葉片、一個或多個剪切器、一個或多個擋板和/或一個或多個離心分離機)和/或施加超聲能量，或實質上由它們組成。可以通過將傳熱液體引入到膨脹的第一泡沫的氣態組分而形成第二泡沫。膨脹的第一泡沫的液態組分可以被存儲(例如存儲在存儲庫中)。第一泡沫的質量比可以大致等於第二泡沫的質量t匕。第一泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在膨脹第一泡沫之前改變。第二泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在膨脹第二泡沫之前改變。第一泡沫和/或第二泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等溫地膨脹。可以通過混合傳熱液體和壓縮氣體而形成第一泡沫。可以通過控制傳熱液體到壓縮氣體中的轉移速率來控制第一泡沫的含氣率。可以感測第一氣缸組件內的壓力或溫度，並且可以響應於感測的壓力和/或溫度來控制轉移速率。膨脹第一泡沫和膨脹第二泡沫都可以驅動機械地耦接到第一和第二氣缸組件上的曲柄軸。
[0053]在另一方面，本發明的實施方式包括一種存儲能量的方法。傳熱液體被分散到氣體(例如，大致為大氣壓力的空氣)中以形成具有第一泡沫膨脹比的第一泡沫。第一泡沫在第一氣缸組件內被壓縮。此後，第二泡沫被轉移到不同於第一氣缸組件的第二氣缸組件中。第二泡沫的第二泡沫膨脹比小於第一泡沫膨脹比。第二泡沫在第二氣缸組件內被壓縮，並且壓縮後的第二泡沫從第二氣缸組件中排出。壓縮的第二泡沫的至少氣態組分可以被存儲(例如存儲在存儲庫中)。
[0054]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。當在第一氣缸組件內壓縮第一泡沫之前，第一泡沫可以被轉移至第一氣缸組件。液態組分的至少一部分可以在存儲氣態組分之前從壓縮的第二泡沫中分離。分離可以包括機械分離(例如，通過一個或多個葉片、一個或多個剪切器、一個或多個擋板和/或一個或多個離心分離機)和/或施加超聲能量，或實質上由它們組成。壓縮的第二泡沫的氣態組分和液態組分均可以被存儲(即，一起存儲在相同的存儲庫中或分離地存儲在不同的庫中)。當在第一氣缸組件內壓縮第一泡沫之後，壓縮的第一泡沫可以從第一氣缸組件中排出。第二泡沫可以包括壓縮的第一泡沫的至少一部分(例如氣態部分或泡沫部分)，或實質上由其組成。壓縮的第一泡沫可以排出到泡沫容器(例如壓力容器、管道或多支管)中。傳熱液體可以被引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。在壓縮第一泡沫之後，壓縮的第一泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。分離可以包括機械分離(例如，通過一個或多個葉片、一個或多個剪切器、一個或多個擋板和/或一個或多個離心分離機)和/或施加超聲能量，或實質上由它們組成。可以通過將傳熱液體引入到壓縮的第一泡沫的氣態組分中來形成第二泡沫。弓丨入到壓縮的第一泡沫的氣態組分中的傳熱液體可以包括分離的、壓縮的第一泡沫的液態組分的至少一部分，或實質上由其組成。壓縮的第一泡沫的液態組分可以被存儲(例如存儲在存儲庫中)。第一泡沫的質量比可以大致等於第二泡沫的質量比。第一泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在壓縮第一泡沫之前改變。第二泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在壓縮第二泡沫之前改變。第一泡沫和/或第二泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等溫地壓縮。可以通過控制傳熱液體分散到氣體中的速率來控制第一泡沫的含氣率。可以感測第一氣缸組件內的壓力或溫度，並且可以響應於所感測的壓力和/或溫度來控制分散的速率。可以驅動曲柄軸以壓縮第一泡沫和第二泡沫。曲柄軸可以機械地耦接到第一和第二氣缸組件。形成第一泡沫可以包括將傳熱液體噴灑在篩上，或者實質上由其組成。
[0055]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統。該系統包括氣缸組件、存儲庫和混合室，該氣缸組件用於通過壓縮存儲能量和/或通過膨脹恢復能量，該混合室用於(i)從存儲庫接收氣體和傳熱液體，(ii)將氣體與傳熱液體混合以形成泡沫，以及(iii )將泡沫轉移到氣缸組件中。混合室選擇性地流體連接到氣缸組件和存儲庫。混合室通過用於轉移氣體(可以額外地轉移液體，但通常連接到存儲庫的基本由氣體填充的區域)的第一導管和第二導管選擇性地流體連接到存儲庫，該第二導管不同於第一導管，用於轉移傳熱液體(可以額外地轉移氣體，但通常連接到存儲庫的基本由液體填充的區域)。
[0056]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。混合室可以包括用於改變泡沫的至少一種特性(例如泡沫單元大小和/或泡沫單元大小均勻度)的機構。該機構可以包括篩和/或超聲能量源，或實質上由其組成。泡沫生成機構可以耦接到混合室中的第一導管和/或第二導管。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由它們組成。該系統可包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件在不同於氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量。用於將膨脹的氣體排出到大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到第二氣缸組件。控制系統可以控制氣缸組件和/或混合室以在氣缸組件中進行大致等溫的壓縮和/或大致等溫的膨脹。傳感器可以檢測氣缸組件和/或混合室內的壓力，並且控制系統可以響應於該傳感器。控制系統可以響應於檢測到的壓力來控制傳熱液體進入混合室的流速。循環裝置(例如變速泵)可以將傳熱液體轉移到第二導管中。可移動邊界機構可以將氣缸組件分成兩個室。曲柄軸可以機械地耦接到邊界機構，並且可以將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動。電動機/發電機可以耦接到曲柄軸。存儲庫可以包括壓力容器、管道和/或洞室，或者實質上由其組成。
[0057]在另外的方面中，本發明的實施方式包括一種能量存儲的方法。泡沫在氣缸內被壓縮到第一壓力。壓縮的泡沫被轉移到存儲庫中，壓縮的泡沫在其中至少部分地被分離成大致處於第一壓力的氣態和液態組分。液態組分的至少一部分從存儲庫中被移除並且以低於第一壓力的第二壓力存儲。
[0058]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。在存儲第二壓力的液態組分的至少一部分之前，可以通過降低其壓力從液態組分的至少一部分中恢復能量。可以利用恢復的能量驅動曲柄軸。曲柄軸可以機械地耦接到氣缸。在壓縮泡沫之前，可以通過混合傳熱液體和氣體而形成泡沫。泡沫可以形成在選擇性地流體連接到氣缸上的泡沫容器。泡沫容器可以包括壓力容器、管道和/或分支管，或者實質上由其組成。形成泡沫可以包括將傳熱液體噴灑在篩上，或者實質上由其組成。在壓縮泡沫之前，泡沫的平均單元大小或單元大小均勻度可以被改變。可以通過控制傳熱液體轉移到氣體中的速率來控制泡沫的含氣率。可以感測氣缸內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此控制轉移速率。存儲的液態組分的至少一部分可以與氣體混合以形成額外的泡沫，該額外的泡沫隨後可以被壓縮。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。泡沫可以大致等溫地壓縮。壓縮泡沫可以包括驅動耦接到氣缸的曲柄軸，或者實質上由其組成。壓縮的泡沫可以由於重力而至少部分地分離。壓縮的泡沫可以經由機械分離(例如通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量而至少部分地分離。
[0059]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括用於通過壓縮存儲能量和/或通過膨脹恢復能量的第一和第二氣缸組件。第二氣缸組件的操作壓力範圍不同於第一氣缸組件的操作壓力範圍。用於在其中進行中間存儲或形成第一泡沫中的至少一者的第一泡沫容器選擇性地流體連接到第一氣缸組件。用於在其中進行中間存儲或形成第二泡沫中的至少一者的第二泡沫容器選擇性地流體連接到第一氣缸組件和第二氣缸組件。用於在其中進行中間存儲或形成第三泡沫中的至少一者的第三泡沫容器選擇性地流體連接到第二氣缸組件。
[0060]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。通向周圍大氣的排出口可以選擇性地流體連接到第三泡沫容器。用於存儲壓縮的氣體(例如，作為氣體或作為泡沫的一部分)的存儲庫可以選擇性地流體連接到第一泡沫容器。該系統可以包括再循環機構，該再循環機構用於將來自第一泡沫容器中的第一位置的泡沫和/或液體轉移到第一泡沫容器中不同於第一位置的第二位置。第一泡沫容器可以包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者，或者實質上由其組成。第二泡沫容器可以包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者，或者實質上由其組成。第三泡沫容器可以包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者，或者實質上由其組成。
[0061]在又一方面,本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括泡沫生成機構、分支管以及選擇性地流體連接到分支管的至少一個氣缸組件(泡沫在其中膨脹和/或壓縮)，或實質上由它們組成。泡沫生成機構包括噴灑室、至少一個用於將液體分散到流動通過噴灑室的氣體中的分散機構、以及流體耦接到至少一個分散機構的用於容納液體的庫，或者實質上由它們組成。分支管從噴灑室接收泡沫。
[0062]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。循環機構(例如風扇)可以至少部分地形成通過噴灑室的氣體流。另一循環機構(例如，諸如變速泵的泵)可以將液體從庫循環到至少一個分散機構。用於至少在分支管內形成泡沫期間將氣體從分支管排出的閥可以連接到分支管。篩(泡沫通過該篩從在噴灑室中分散的液體形成在分支管中)可以位於噴灑室和分支管之間。分離室可以選擇性地流體連接到分支管。分離室可以在其中包括分離機構，用於將泡沫分離成氣態和液態組分。分離室可以選擇性地流體連接到庫。分離機構可以包括超聲能量源、葉片、剪切器、擋板、和/或離心分離機，或實質上由其組成。
[0063]在一個方面,本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括多個氣缸對、用於生成第一壓力範圍內的低壓泡沫的第一泡沫生成機構、以及第二泡沫生成機構，或實質上由它們組成，該第二泡沫生成機構不同於第一泡沫生成機構，用於生成第二壓力範圍內的高壓泡沫。每個氣缸對包括(i)用於在第一壓力範圍內進行膨脹和/或壓縮的低壓氣缸，以及(ii)用於在不同於第一壓力範圍並且至少在中間壓力處與第一壓力範圍重疊的第二壓力範圍內進行膨脹和/或壓縮的高壓氣缸，或者實質上由它們組成。
[0064]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。用於中間存儲低壓泡沫的分支管可以選擇性地流體連接到(i )多個低壓氣缸和(ii )第一泡沫生成機構。用於中間存儲高壓泡沫的分支管可以選擇性地流體連接到(i)多個高壓氣缸和(ii )第二泡沫生成機構。第一泡沫生成機構可以包括(i )至少一個用於將液體分散到氣體中的分散機構和(ii)通過其從分散的液體形成泡沫的篩，或實質上由它們組成。第二泡沫生成機構可包括分散機構或實質上由其組成，該分散機構用於噴灑、鼓泡、起霧或攪拌液體中的至少一者。該系統可包括用於生成中間壓力的泡沫的第三泡沫生成機構。用於中間存儲中間壓力泡沫的分支管可以選擇性地流體連接到(i )多個低壓氣缸、(ii )多個高壓氣缸以及(iii)第三泡沫生成機構。
[0065]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括用於壓縮以存儲能量和/或膨脹以恢復能量的氣缸組件、用於將泡沫引入到氣缸組件中的泡沫生成機構、用於將傳熱流體泵送到泡沫生成機構中的泵氣缸、用於存儲壓縮氣體的第一存儲庫以及用於存儲傳熱流體的第二存儲庫，或者實質上由它們組成。氣缸組件在其中包括第一可移動邊界機構以及耦接到第一可移動邊界機構的第一桿。泵氣缸在其中包括第二可移動邊界機構以及耦接到第二可移動邊界機構的第二桿。第一存儲庫選擇性地流體連接到氣缸組件。第二存儲庫選擇性地流體連接到泵氣缸。
[0066]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一存儲庫和第二存儲庫可以是相同的庫或可以是不同(即，離散)的庫。熱交換子系統可以熱調節傳熱流體，並且可以包括熱交換器或實質上由其組成。第一和第二桿可以機械耦接到用於將第一和第二桿的往復運動與旋轉運動互換的機構。該機構可以包括曲柄軸，或者實質上由其組成。曲柄軸可以以固定的相位關係維持第一和第二桿。泡沫生成機構可以位於氣缸組件內，或者位於氣缸組件的外部並且通過導管連接到其上。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。第一存儲庫可以以與第二存儲庫存儲流體的壓力不同的壓力存儲流體。
[0067]在另外的方面中，本發明的實施方式包括一種存儲和恢復能量的方法。壓縮氣體從存儲庫被轉移到選擇性地流體連接到其上的混合室。在混合室中，形成了第一泡沫，該第一泡沫包括壓縮氣體和傳熱流體或實質上由它們組成。第一泡沫從混合室被轉移到氣缸中。第一泡沫在氣缸中膨脹，以從中恢復能量。膨脹的第一泡沫從氣缸中被移除。第二泡沫被引入到氣缸中，並且在氣缸中被壓縮以在其中存儲能量。壓縮的第二泡沫的至少一部分被轉移到存儲庫中，該轉移繞過混合室。
[0068]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在膨脹第一泡沫之前改變。將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的第一泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中，或者實質上由其組成。將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的第一泡沫轉移到可能在其中進一步膨脹的第二氣缸中，或者實質上由其組成。膨脹的第一泡沫可以被分離成氣態組分和液態組分。膨脹的第一泡沫可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量而分離。膨脹的第一泡沫的液態組分可以被存儲。第一泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。將壓縮的第二泡沫的至少一部分轉移到存儲庫中可以包括將壓縮的第二泡沫的至少一部分的氣態組分轉移到存儲庫中，或者實質上由其組成。將壓縮的第二泡沫的至少一部分轉移到存儲庫中可以包括將壓縮的第二泡沫的至少一部分的氣態組分和液態組分都轉移到存儲庫中，或者實質上由其組成。壓縮的第二泡沫的所述至少一部分可以經由氣缸和存儲庫之間的旁路連接而轉移到存儲庫中。閥可以大體上防止壓縮的第二泡沫在轉移到存儲庫期間進入混合室。壓縮的第二泡沫的第二部分可以經由混合室從氣缸轉移到存儲庫中。第一泡沫和/或第二泡沫大致等溫地膨脹。氣缸可以在其中包括活塞，並且第一泡沫在氣缸中的膨脹可以驅動(i)機械耦接到活塞的機構和/或(ii)耦接到氣缸的液壓系統。第一泡沫的膨脹可以驅動該機構，並且該機構可以包括曲柄軸，或者實質上由其組成。形成第一泡沫可以包括將傳熱液體轉移到混合室中，或者實質上由其組成。可以通過控制傳熱液體到混合室中的轉移速率來控制第一泡沫的含氣率。可以感測氣缸和/或混合室內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此來控制轉移速率。
[0069]在又一方面，本發明的實施方式包括一種恢復能量的方法。包括壓縮氣體和傳熱流體或者實質上由它們組成的第一泡沫形成在存儲庫中，並且被轉移到氣缸中。第一泡沫在氣缸中膨脹以從中恢復能量，並且膨脹的第一泡沫從氣缸中被移除。第二泡沫在氣缸中被壓縮以在其中存儲能量，並且壓縮的第二泡沫的至少一部分被存儲在存儲庫中。
[0070]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。形成第一泡沫可包括在存儲庫內經由泡沫生成機構混合傳熱流體和壓縮的氣體，或實質上由其組成。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。傳熱液體(例如基本上不起泡的傳熱液體)可以從存儲庫的區域循環到泡沫生成機構。傳熱液體可以在存儲庫的外部循環。第一泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在膨脹第一泡沫之前改變。將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的第一泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中，或者實質上由其組成。膨脹的第一泡沫可以被分離成氣態組分和液態組分。膨脹的第一泡沫可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量而分離。膨脹的第一泡沫的液態組分可以被存儲(例如存儲在存儲庫中)。第一泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。將壓縮的第二泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中包括存儲壓縮的第二泡沫的至少一部分的氣態組分，或者實質上由其組成。將壓縮的第二泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中可以包括存儲壓縮的第二泡沫的至少一部分的氣態組分和液態組分，或者實質上由其組成。將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的第一泡沫轉移到可能在其中進一步膨脹的第二氣缸中，或者實質上由其組成。第一泡沫和/或第二泡沫可以大致等溫地膨脹。氣缸可以在其中包括活塞。第一泡沫在氣缸中的膨脹可以驅動(i )機械耦接到活塞的機構(例如曲柄軸)和/或(ii)稱接到氣缸的液壓系統。
[0071]在另外的方面中，本發明的實施方式包括一種存儲和恢復能量的方法。氣體被轉移到氣缸中。將傳熱液體轉移到氣缸中以在其中與氣體混合併且形成包括氣體和傳熱液體或者實質上由它們組成的泡沫。在氣缸內，泡沫被壓縮以存儲能量和/或被膨脹以恢復能量，並且壓縮或膨脹的泡沫從氣缸中被排出。
[0072]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。氣體可以從存儲庫轉移到氣缸中，並且傳熱液體可以從存儲庫轉移到氣缸中。氣體和傳熱液體可以經由不同的入口轉移到氣缸中。泡沫可以被壓縮，並且壓縮的泡沫的至少一部分可以存儲在存儲庫內。將壓縮的泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中可以包括存儲壓縮的泡沫的氣態組分，或者實質上由其組成。將壓縮的泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中可以包括存儲壓縮的泡沫的氣態組分和液態組分，或者實質上由其組成。可以通過控制傳熱液體轉移到氣缸中的速率來控制泡沫的含氣率。可以感測氣缸內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此來控制轉移速率。泡沫可以被膨脹，並且將膨脹的泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中，或者實質上由其組成。泡沫可以被膨脹，並且將膨脹的泡沫從氣缸中移除可以包括將膨脹的泡沫轉移到可在其中進一步膨脹的第二氣缸中，或者實質上由其組成。泡沫可以被膨脹，並且膨脹的泡沫可以被分離成氣態組分和液態組分。膨脹的泡沫可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量而分離。泡沫可以被膨脹，並且可以存儲膨脹的泡沫的液態組分。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。泡沫可以大致等溫地膨脹或壓縮。泡沫可以被膨脹，並且氣缸可以在其中包括活塞。泡沫的膨脹可以驅動(i)機械耦接到活塞的機構(例如曲柄軸)和/或(ii)稱接到氣缸的液壓系統。
[0073]在另外的方面中，本發明的實施方式包括一種存儲和恢復能量的方法。氣體在多個離散的階段中被壓縮或膨脹，在不同的壓力範圍內執行各個階段。在一個階段中，在氣體和引入到氣體中的第一傳熱流體的離散液滴之間交換熱量。在另一個階段中，在氣體和第二傳熱流體之間交換熱量，氣體和第二傳熱流體組合以形成泡沫。
[0074]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。在該另一個階段中，在壓縮或膨脹之後，泡沫的至少一部分可以被分離成氣態和液態組分。泡沫的至少一部分可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量而分離。氣體可以被壓縮，並且隨後被存儲在存儲庫中。氣體可以被膨脹，並且隨後排出到周圍大氣中。第一和第二傳熱流體可以包括相同的液體(例如水)。第二傳熱流體可以包括起泡添加劑。第一傳熱流體的離散液滴可以通過噴灑引入到氣體中。第一傳熱流體的離散液滴和氣體之間的熱交換可以使得在該階段中大致等溫地進行膨脹或壓縮。泡沫中氣體和第二傳熱流體之間的熱交換可以使得在該階段中大致等溫地進行膨脹或壓縮。泡沫的膨脹或壓縮可以在氣缸內進行。可以通過在氣缸內將氣體與第二傳熱流體混合來生成泡沫。可以通過在氣缸外將氣體與第二傳熱流體混合來生成泡沫，並且隨後可以將泡沫轉移到氣缸中。泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在泡沫進入氣缸之前改變。氣體可以被膨脹，並且氣缸可以在其中包括活塞。氣體在氣缸中的膨脹可以驅動(i)機械耦接到活塞的機構(例如曲柄軸)和/或(ii)耦接到氣缸的液壓系統。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。形成泡沫可以包括將第二傳熱流體轉移到氣缸中，或者實質上由其組成。可以通過控制第二傳熱流體的轉移速率來控制泡沫的含氣率。可以感測至少一個階段內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此控制轉移速率。
[0075]在一個方面，本發明的實施方式包括一種存儲和恢復能量的方法。在氣缸內執行兩個不同的過程，過程包括(i)壓縮氣體以存儲能量，以及(ii)膨脹氣體以恢復能量。在一個過程中，通過將第一傳熱流體的離散液滴引入氣體中而與氣體交換熱量。在另一個過程中，通過將氣體與第二傳熱流體混合以形成泡沫而與氣體交換熱量。
[0076]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。在該另一個過程之後，泡沫的至少一部分可以被分離成氣態和液態組分。可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量來執行分離。在氣體壓縮之後，其可以存儲在存儲庫中。在氣體膨脹之後，其可以排出到周圍大氣中。第一和第二傳熱流體可以包括相同的液體(例如水)。第二傳熱流體可以包括起泡添加劑。第一傳熱流體的離散液滴可以通過噴灑引入到氣體中。第一傳熱流體的離散液滴和氣體之間的熱交換可以使得該過程大致等溫。泡沫中氣體和第二傳熱流體之間的熱交換可以使得該過程大致等溫。可以通過在氣缸內將氣體與第二傳熱流體混合來形成泡沫。可以通過在氣缸外將氣體與第二傳熱流體混合來形成泡沫，並且隨後可以將泡沫轉移到氣缸中。泡沫的平均單元大小和/或單元大小的均勻度可以在泡沫進入氣缸之前改變。氣缸可以在其中包括活塞。氣體在氣缸中的膨脹可以驅動(i )機械耦接到活塞的機構(例如曲柄軸)或(ii )耦接到氣缸的液壓系統。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。可以通過控制第二傳熱流體轉移到氣體中的速率來控制泡沫的含氣率。可以感測氣體的壓力和/或溫度，並且可以響應於此來控制轉移速率。
[0077]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括通過壓縮存儲能量和/或通過膨脹恢復能量的氣缸組件、存儲庫、混合室和旁路導管，或者實質上由它們組成。存儲庫選擇性地流體連接到氣缸組件。混合室選擇性地流體連接到氣缸組件和存儲庫，並且該混合室(i)從存儲庫接收氣體，(ii)將氣體與傳熱液體混合以形成泡沫，以及(iii)將泡沫轉移到氣缸組件中。旁路導管選擇性地將氣缸組件直接流體連接到存儲庫，並且將氣體和/或泡沫從氣缸組件轉移到存儲庫中而不經過混合室。
[0078]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。混合室可以通過(i)用於轉移氣體的第一導管和(ii)第二導管選擇性地流體連接到存儲庫，該第二導管不同於第一導管並且用於轉移傳熱液體。用於改變泡沫的至少一種特性(例如泡沫單元大小和/或泡沫單元大小均勻度)的機構可以位於混合室內。該機構可以包括篩和/或超聲能量源或實質上由其組成。泡沫生成機構可以位於混合室內。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。該系統可包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮來存儲能量或通過膨脹來恢復能量。用於將膨脹的氣體排出到大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到第二氣缸組件。該系統可包括控制系統，用於控制氣缸組件和/或混合室以在氣缸組件中進行大致等溫的壓縮和/或大致等溫的膨脹。該系統可包括傳感器，用於檢測氣缸組件和/或混合室內的壓力，並且控制系統可以響應於該傳感器。控制系統可以響應於檢測到的壓力來控制傳熱液體進入混合室的流速。循環裝置(例如，諸如變速泵的泵)可以將傳熱液體轉移到混合室。可移動邊界機構可以將氣缸組件分成兩個室。用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動的曲柄軸可以機械耦接到邊界機構。電動機/發電機可以耦接到曲柄軸。存儲庫可以包括壓力容器、管道和/或洞室，或者實質上由其組成。
[0079]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括通過壓縮來存儲能量和/或通過膨脹來恢復能量的氣缸組件、選擇性地流體連接到氣缸組件的存儲庫以及泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，其中，該泡沫生成機構用於在存儲庫內生成泡沫，該泡沫包括氣體和傳熱液體或者實質上由它們組成。
[0080]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。用於改變泡沫的至少一種特性(例如泡沫單元大小和/或泡沫單元大小均勻度)的機構可以位於存儲庫和氣缸組件之間。該機構可以包括篩和/或超聲能量源或實質上由其組成。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。該系統可包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮來存儲能量或通過膨脹來恢復能量。用於將膨脹的氣體排出到大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到第二氣缸組件。該系統可包括控制系統，用於控制氣缸組件以在其中進行大致等溫的壓縮和/或大致等溫的膨脹。該系統可包括傳感器，用於檢測氣缸組件內的壓力或溫度，並且控制系統可以響應於該傳感器。循環裝置(例如，諸如變速泵的泵)可以將傳熱液體轉移到泡沫生成機構。導管可以將存儲庫的底部區域與泡沫生成機構選擇性地流體連接。導管可以延伸到存儲庫的外部。可移動邊界機構可以將氣缸組件分成兩個室。用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動的曲柄軸可以機械耦接到邊界機構。電動機/發電機可以耦接到曲柄軸。存儲庫可以包括壓力容器、管道和/或洞室，或者實質上由其組成。
[0081]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括通過壓縮來存儲能量和/或通過膨脹來恢復能量的氣缸組件、存儲庫以及位於氣缸組件內的泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，其中，該泡沫生成機構用於通過將傳熱液體引入到氣缸組件內的氣體中來生成泡沫。氣缸組件通過(i )用於轉移氣體的第一導管和(ii )第二導管選擇性地流體連接到存儲庫，該第二導管不同於第一導管並且用於將傳熱液體轉移到泡沫生成機構。
[0082]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。該系統可包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者。用於將膨脹的氣體排出到大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到第二氣缸組件。該系統可包括控制系統，用於控制氣缸組件以在其中進行大致等溫的壓縮和/或大致等溫的膨脹。該系統可包括傳感器，用於檢測氣缸組件內的壓力或溫度，並且控制系統可以響應於該傳感器。控制系統可以響應於檢測到的壓力來控制傳熱液體通過泡沫生成機構的流速。循環裝置(例如，諸如變速泵的泵)可以將傳熱液體轉移到第二導管。可移動邊界機構可以將氣缸組件分成兩個室。用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動的曲柄軸可以機械耦接到邊界機構。電動機/發電機可以耦接到曲柄軸。存儲庫可以包括壓力容器、管道和/或洞室，或者實質上由其組成。
[0083]在一個方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括通過壓縮來存儲能量和/或通過膨脹來恢復能量的氣缸組件、用於將第一傳熱液體的離散液滴引入到氣缸組件中以在氣體和第一傳熱液體的離散液滴之間進行熱交換的噴灑機構、以及與噴灑機構分離的泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，其中，該泡沫生成機構用於在氣缸組件內生成泡沫和/或將泡沫引入到氣缸組件內，該泡沫包括氣體和第二傳熱液體或者實質上由它們組成。
[0084]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一和第二傳熱液體可以包括相同的液體(例如水)。第二傳熱液體可以包括起泡添加劑。噴灑機構可以包括噴頭和/或噴杆或實質上由其組成。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。用於存儲壓縮的氣體的存儲庫(例如，壓力容器、管道和/或洞室)可以選擇性地流體連接到氣缸組件。用於將膨脹的氣體排出到周圍大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到氣缸組件。
[0085]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括(i )多個氣缸組件，每個氣缸組件用於在不同的壓力範圍內通過壓縮來存儲能量和/或通過膨脹來恢復能量，(ii)選擇性地流體連接到一個氣缸組件的噴灑機構，用於將第一傳熱液體的離散液滴引入其中，以及(iii)選擇性地流體連接到不同的一個氣缸組件的泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，其中，該泡沫生成機構用於生成泡沫和/或將泡沫引入其中，該泡沫包括氣體和第二傳熱液體或者實質上由它們組成。
[0086]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一和第二傳熱液體可以包括相同的液體(例如水)。第二傳熱液體可以包括起泡添加劑。噴灑機構可以包括噴頭和/或噴杆或實質上由其組成。泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。用於存儲壓縮的氣體的存儲庫(例如，壓力容器、管道和/或洞室)可以選擇性地流體連接到氣缸組件。用於將膨脹的氣體排出到周圍大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到氣缸組件。
[0087]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量恢復的方法。泵氣缸內的活塞被驅動以將傳熱液體從其中轉移到泡沫生成機構。壓縮的氣體被轉移到氣缸組件或泡沫生成機構。經由泡沫生成機構(i )通過混合傳熱液體與壓縮氣體而形成泡沫，以及(ii )將泡沫引入到氣缸組件中。在氣缸組件內膨脹泡沫，該膨脹驅動氣缸組件內的活塞。將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出。
[0088]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。壓縮的氣體可以從第一存儲庫中轉移到氣缸組件。傳熱液體可以從第二存儲庫中轉移到泵氣缸。第一和第二存儲庫可以是相同的庫。膨脹的泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。液態組分可以轉移到第一存儲庫。可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量來執行分離。第二存儲庫可以是單獨的，並且與第一存儲庫不同。第一存儲庫內的存儲壓力可以高於第二存儲庫內的存儲壓力(例如，其可以大約為大氣壓力)。膨脹的泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。液態組分可以轉移到第二存儲庫。可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量來執行分離。在傳熱液體進入泡沫生成機構之前，傳熱液體可以被熱調節(即，加熱或冷卻)。泡沫生成機構可以位於氣缸組件內。泡沫生成機構可以位於氣缸組件外並且通過導管連接到其上。泵氣缸和氣缸組件內的活塞可以同時地被驅動。膨脹的泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量來執行分離。將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出可以包括將膨脹的泡沫的氣態部分排出到周圍大氣中，或者實質上由其組成。將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出可以包括將膨脹的泡沫或其氣態部分轉移到第二氣缸組件中以進一步膨脹，或者實質上由其組成。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。可以通過控制傳熱液體轉移到泡沫生成機構中的速率來控制泡沫的含氣率。可以感測氣缸和/或泡沫生成機構內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此控制轉移速率。
[0089]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲的方法。泵氣缸內的活塞被驅動以將傳熱液體從其中轉移到泡沫生成機構。氣體被轉移到氣缸組件或泡沫生成機構。經由泡沫生成機構(i )通過混合傳熱液體與壓縮氣體來形成泡沫，以及(ii )將泡沫引入到氣缸組件中。驅動氣缸組件內的活塞以壓縮氣缸組件內的泡沫。將壓縮的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出。
[0090]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。將壓縮的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出可以包括將壓縮的泡沫轉移到第一存儲庫中，或者實質上由其組成。將壓縮的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出可以包括將壓縮的泡沫的氣態組分轉移到第一存儲庫中，或者實質上由其組成。將壓縮的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出可以包括將壓縮的泡沫的液態組分轉移到第二存儲庫中，或者實質上由其組成。第一和第二存儲庫可以是相同的庫。第二存儲庫可以是單獨的，並且與第一存儲庫不同。第一存儲庫內的存儲壓力可以高於第二存儲庫內的存儲壓力(例如，其可以大約為大氣壓力)。在傳熱液體進入泡沫生成機構之前，傳熱液體可以被熱調節(即，加熱或冷卻)。泡沫生成機構可以位於氣缸組件內。泡沫生成機構可以位於氣缸組件外並且通過導管連接到其上。泵氣缸和氣缸組件內的活塞可以同時地被驅動。壓縮的泡沫的至少一部分可被分離成氣態和液態組分。可以經由機械分離(例如，通過葉片、剪切器、擋板和/或離心分離機)和/或施加超聲能量來執行分離。氣體可以從環境大氣被轉移到氣缸組件或泡沫生成機構。在氣體在第二氣缸組件內壓縮之後，氣體可以從第二氣缸組件轉移到氣缸組件或泡沫生成機構中。泡沫的泡沫質量比可以選自I至4的範圍。可以通過控制傳熱液體轉移到泡沫生成機構中的速率來控制泡沫的含氣率。可以感測氣缸和/或泡沫生成機構內的壓力和/或溫度，並且可以響應於此控制轉移速率。
[0091]在一個方面,本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括第一氣缸組件和第二氣缸組件或者實質上由它們組成，該第一氣缸組件用於壓縮以存儲能量或膨脹以恢復能量中的至少一者，該第二氣缸組件用於壓縮以存儲能量或膨脹以恢復能量中的至少一者。第一氣缸組件包括:(i)第一氣缸，(ii)至少部分地位於第一氣缸內的第一泵機構，用於從第一氣缸循環傳熱流體，以及(iii)第一泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，該第一泡沫生成機構用於將傳熱流體與氣體混合以形成泡沫，並且將泡沫引入到第一氣缸內。第二氣缸組件包括:(i)第二氣缸，(ii)至少部分地位於第二氣缸內並且選擇性地流體連接到第一泡沫生成機構的第二泵機構，用於從第二氣缸循環傳熱流體，以及(iii)第二泡沫生成機構，或者實質上由它們組成，該第二泡沫生成機構用於將傳熱流體與氣體混合以形成泡沫，並且將泡沫引入到第二氣缸內，第二泡沫生成機構選擇性地流體連接到
第一泵機構。
[0092]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一泵機構可以包括第一活塞、第一活塞杆和第一中空管或者實質上由它們組成，該第一活塞位於第一氣缸內並且將第一氣缸分成兩個隔室，該第一活塞杆包括第一腔並且率禹接到第一活塞，該第一中空管至少部分地位於第一腔內並且延伸穿過第一氣缸的至少一部分。第一中空管和第一活塞杆之間的相對運動可以使傳熱流體循環進或循環出第一腔。第二泵機構可以包括第二活塞、第二活塞杆和第二中空管，該第二活塞位於第二氣缸內並且將第二氣缸分成兩個隔室，該第二活塞杆包括第二腔並且耦接到第二活塞，該第二中空管至少部分地位於第二腔內並且延伸穿過第二氣缸的至少一部分。第二中空管和第二活塞杆之間的相對運動可以使傳熱流體循環進或循環出第二腔。第一和第二活塞杆可以機械地耦接到共有的曲柄軸上。第一熱交換子系統可以熱調節循環到第一泡沫生成機構的傳熱流體。第一熱交換子系統可以包括熱交換器，或者實質上由其組成。第一熱交換子系統可以流體連接到第一泡沫生成機構和第二泵機構。第二熱交換子系統可以熱調節循環到第二泡沫生成機構的傳熱流體。第二熱交換子系統可以包括熱交換器，或者實質上由其組成。第二熱交換子系統可以流體連接到第二泡沫生成機構和第一泵機構。用於存儲氣體和/或傳熱流體的第一存儲庫可以選擇性地流體連接到第一和第二氣缸組件。用於存儲氣體和/或傳熱流體的第二存儲庫可以選擇性地流體連接到第一和第二氣缸組件。第一存儲庫的存儲壓力可以高於第二存儲庫的存儲壓力(其可以大約為大氣壓力)。第一和/或第二存儲庫可以選擇性地流體連接到第一和/或第二泵機構。第一泡沫生成機構可以位於第一氣缸內。第一泡沫生成機構可以位於第一氣缸外並且通過導管連接到其上。第二泡沫生成機構可以位於第二氣缸內。第二泡沫生成機構可以位於第二氣缸外並且通過導管連接到其上。第一泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。第二泡沫生成機構可以包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源和/或鼓泡器，或實質上由其組成。
[0093]在另一方面，本發明的實施方式包括一種利用能量恢復系統的能量恢復方法，該能量恢復系統包括:(i )第一氣缸組件，該第一氣缸組件包括第一氣缸、第一泵機構和第一泡沫生成機構，以及(i i )第二氣缸組件，該第二氣缸組件包括第二氣缸、第二泵機構和第二泡沫生成機構。利用第一氣缸組件執行膨脹衝程，並且利用第二氣缸組件執行排氣衝程。膨脹衝程包括:(i)將傳熱流體與氣體在第一泡沫生成機構中混合以形成泡沫，(ii)在第一氣缸內膨脹泡沫，以及(iii)將傳熱流體引入到第一泵機構中，或實質上由它們組成。該排氣衝程包括:(i)將泡沫或其氣態組分從第二氣缸中排出，以及(ii)利用第二泵機構將傳熱流體泵送到第一泡沫生成機構，或者實質上由它們組成。
[0094]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。排氣衝程可以包括在傳熱流體進入第一泡沫生成機構之前熱調節(例如加熱)利用第二泵機構泵送的傳熱流體。可以利用第二氣缸組件執行膨脹衝程，並且可以利用第一氣缸組件執行排氣衝程。膨脹衝程可以包括:(i)將傳熱流體與氣體在第二泡沫生成機構中混合以形成第二泡沫，(ii)在第二氣缸內膨脹第二泡沫，以及(iii)將傳熱流體引入到第二泵機構中，或實質上由它們組成。排氣衝程可以包括:(i)將泡沫或其氣態組分從第一氣缸中排出，以及(ii)利用第一泵機構將傳熱流體泵送到第二泡沫生成機構，或者實質上由它們組成。
[0095]在又一方面，本發明的實施方式包括一種利用能量恢復系統的能量存儲方法，該能量恢復系統包括:(i )第一氣缸組件，該第一氣缸組件包括第一氣缸、第一泵機構和第一泡沫生成機構，以及(ii)第二氣缸組件，或者實質上由它們組成，該第二氣缸組件包括第二氣缸、第二泵機構和第二泡沫生成機構。利用第一氣缸組件執行壓縮衝程。壓縮衝程包括:(i)在第一氣缸內壓縮第一泡沫生成機構生成的泡沫，以及(ii)利用第一泵機構將傳熱流體泵送到第二泡沫生成機構，或者實質上由它們組成。利用第二氣缸組件執行壓縮衝程。壓縮衝程包括:(i)在第二氣缸內壓縮第二泡沫生成機構生成的泡沫，以及(ii)利用第二泵機構將傳熱流體泵送到第一泡沫生成機構，或者實質上由它們組成。
[0096]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。可以利用第一氣缸組件執行進氣衝程。進氣衝程可以包括:(i)在第一氣缸內接收氣體，以及(ii)將傳熱流體引入到第一泵機構中，或者實質上由它們組成。可以利用第二氣缸組件執行進氣衝程。進氣衝程可以包括:(i)在第二氣缸內接收氣體，以及(ii)將傳熱流體引入到第二泵機構中，或者實質上由它們組成。第一氣缸組件的壓縮衝程可以包括在傳熱流體進入第二泡沫生成機構之前熱調節(例如冷卻)利用第一泵機構泵送的傳熱流體。第二氣缸組件的壓縮衝程可以包括在傳熱流體進入第一泡沫生成機構之前熱調節(例如冷卻)利用第二泵機構泵送的傳熱流體。
[0097]在另外的方面中，本發明的實施方式包括一種用於高效的電力需求響應的系統。該系統包括以下部分或實質上由它們組成:(i)第一能量存儲系統，用於響應於高達第一電力需求水平的需求提供電力，(ii)連接到第一能量存儲系統的第二能量存儲系統，用於響應於高於第一電力需求水平的需求提供電力，以及(iii)熱交換子系統，用於熱調節第一和/或第二能量存儲系統的至少一部分，由此增加第一和第二能量存儲系統的總體效率。
[0098]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。第一能量存儲系統可以包括電池、飛輪和/或超級電容器，或者實質上由它們組成。第二能量存儲系統可以包括壓縮氣體能量存儲系統或者實質上由其組成，該壓縮氣體能量存儲系統通過膨脹壓縮的氣體(例如，以泡沫的形式)來供應電力。第一第二能量存儲系統可以並聯連接到電網上。第一電力需求水平可以大約為500kW。熱交換子系統可以從第一能量存儲系統中恢復熱能，從而在第二能量存儲系統中熱調節:(i)用於熱調節經歷膨脹和/或壓縮的氣體或用於與氣體混合以形成泡沫的傳熱流體，(ii)經歷膨脹和/或壓縮的氣體或泡沫，和/或(i i i )在膨脹之前存儲在存儲庫中的氣體或泡沫。熱交換子系統可以包括與第一能量存儲系統關聯的第一熱交換器以及與第二能量存儲系統關聯的第二熱交換器或者實質上由它們組成，該第二熱交換器(i)與第一熱交換器分離並且(ii)能夠選擇性地流體連接到第一熱交換器。第一熱交換器可以流體連接到第一散熱器和/或第一熱井，並且第二熱交換器可以流體連接到第二散熱器和/或第二熱井。
[0099]在又一方面，本發明的實施方式包括一種輸送電力的方法。檢測隨時間變化的電力需求水平。當電力需求水平小於或等於閾值水平時從第一能量存儲系統供應電力。當電力需求水平大於閾值水平時從第二能量存儲系統供應電力。第一和/或第二能量存儲系統的至少一部分被熱調節(即，加熱或冷卻)，由此增加第一和第二能量存儲系統的總體效率。
[0100]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。可以僅當電力需求水平小於或等於閾值水平時，才從第一能量存儲系統供應電力。可以僅當電力需求大於閾值水平時才從第二能量存儲系統供應電力。熱調節可以包括從第一能量存儲系統恢復熱能以及利用恢復的熱能熱調節第二能量存儲系統的至少一部分，或者實質上由它們組成。熱調節第二能量存儲系統的至少一部分可以包括熱調節:(i)用於熱調節經歷膨脹和/或壓縮的氣體或用於與氣體混合以形成泡沫的傳熱流體，(ii)經歷膨脹和/或壓縮的氣體或泡沫，和/或(iii)在膨脹之前存儲在壓縮氣體庫中的氣體或泡沫，或者實質上由它們組成。可以通過公用總線從第一和第二能量存儲系統供應電力。從第二能量存儲系統供應電力可以包括膨脹氣體和/或泡沫以從中恢復能量，或者實質上由其組成。
[0101]在一個方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮。在壓縮之前和/或期間，將傳熱液體從熱井引入到氣體中，該傳熱液體在壓縮期間從氣體吸收熱能。將傳熱液體的至少一部分轉移回到熱井以在其中存儲熱能。此後，氣體在動力單元中被膨脹。在膨脹之前和/或期間，來自熱井的傳熱液體被引入到氣體中，該氣體在膨脹期間從傳熱液體吸收熱能。
[0102]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。傳熱液體可以通過將其噴灑到氣體中而引入到氣體中。將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。在將傳熱液體的至少一部分轉移回到熱井中之前，泡沫的至少一部分可以被分離成氣體和傳熱液體。在壓縮之前和/或期間引入傳熱液體可以使得壓縮大致等溫地進行。在膨脹之前和/或期間引入傳熱液體可以使得膨脹大致等溫地進行。由動力單元產生的廢熱能量可以存儲在熱井中。可以在熱井和周圍環境之間交換熱能。當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，可以在熱井和周圍環境之間交換熱能。在壓縮之前和/或期間引入到氣體中的傳熱液體的溫度可以低於環境溫度。在膨脹之前和/或期間引入到氣體中的傳熱液體的溫度可以高於環境溫度。可以在壓縮之後存儲壓縮的氣體，並且存儲的壓縮氣體可以在膨脹期間膨脹。存儲壓縮的氣體可以包括以升高的溫度存儲傳熱流體。存儲的傳熱流體可以轉移到熱井中，由此在其中存儲熱能。在膨脹之後，膨脹的氣體可以排出到大氣中。
[0103]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，其被配置為與用於在其中容納傳熱流體的熱井一起使用。該系統包括下述部件或者實質上由它們組成:
(i)包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量；(ii)用於在壓縮和/或膨脹之前和/期間將傳熱液體引入到氣體中的機構，該機構被配置用於選擇性地流體連接到熱井；(iii)用於選擇性地將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到熱井中的導管；以及(iv)熱連接到動力單元和熱井的廢熱熱交換系統，其用於將來自動力單元的廢熱能量轉移到熱井中。
[0104]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。該系統可包括環境熱交換系統，其被配置為熱連接到熱井和周圍環境。該系統可包括控制系統，該控制系統用於(i)感測動力單元的操作狀態，和(ii)僅當動力單元既未膨脹氣體也未壓縮氣體時，操作環境熱交換系統。用於存儲壓縮氣體的庫可以選擇性地流體連接到動力單元。該庫可以被配置為選擇性地流體連接到熱井，從而使得傳熱液體能夠在它們之間流動。用於將膨脹的氣體排出到大氣中的排出口可以選擇性地流體連接到動力單
J Li ο
[0105]在又一方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮和/或膨脹。在壓縮和/或膨脹之前和/或期間，(i)從熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，(ii)熱調節傳熱液體，由此使其達到不同於第一溫度的第二溫度，以及(iii)將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量。
[0106]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。氣體和熱調節過的傳熱液體之間的熱交換可以使得壓縮和/或膨脹大致等溫地進行。將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。在壓縮和/或膨脹之後，泡沫的至少一部分可被分離成氣體和傳熱液體。熱調節傳熱液體可以包括在傳熱液體和第二熱井之間傳輸熱能或者實質上由其組成，該第二熱井與該熱井分離，並且未流體連接到該熱井。由動力單元產生的廢熱能量可以存儲在第二熱井中。可以在第二熱井和周圍環境之間交換熱能。當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，可以在第二熱井和周圍環境之間交換熱能。
[0107]在另一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，其包括下述部件或實質上由它們組成:(i)包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量；(ii)用於在壓縮和/或膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中的機構；(iii)選擇性地流體連接到該機構的熱井，該熱井用於在其中容納傳熱液體；(iv)連接在熱井和動力單元之間的熱交換器，該熱交換器用於熱調節從熱井流向動力單元的傳熱液體；以及(V)與熱交換器關聯且與熱井分離的第二熱井，該第二熱井用於存儲來自傳熱流體的熱能和/或將熱能供應給傳熱流體。
[0108]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。導管可以將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到熱井中。用於將廢熱能量從動力單元轉移到第二熱井的廢熱熱交換系統可以熱連接到動力單元和第二熱井。環境熱交換系統可以熱連接到第二熱井和周圍環境。熱交換器可以位於第二熱井內。
[0109]在又一方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮或膨脹。在壓縮和/或膨脹之前和/或期間，(i)從第一熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到不同於第一溫度的第二溫度。第二溫度的傳熱液體被轉移到第二熱井中，該第二熱井與第一熱井分離並且未流體連接到第一熱井。
[0110]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。氣體和傳熱液體之間的熱交換可以使得壓縮和/或膨脹大致等溫地進行。將傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。在將傳熱液體轉移到第二熱井中之前，泡沫的至少一部分可以被分離成氣體和傳熱液體。由動力單元產生的廢熱能量可以存儲在第二熱井中。可以在周圍環境與第一熱井和/或第二熱井之間交換熱能。當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，可以與周圍環境交換熱能。
[0111] 在一個方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，該系統包括:(i)包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量；(ii)用於在壓縮和/或膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中的機構；
[111]選擇性地流體連接到該機構的(a)第一熱井，該第一熱井用於在其中容納第一溫度的傳熱液體，以及(b)第二熱井，該第二熱井與第一熱井分離，用於在其中容納第二溫度的傳熱液體，第二溫度不同於第一溼度。該系統還包括控制系統，用於(i)在壓縮之前和/或期間，將傳熱液體(a)從第一熱井路由到氣體中，和(b)從動力單元路由到第二熱井中，以及
(ii)在膨脹之前和/或期間，將傳熱液體(a)從第二熱井路由到氣體中，和(b)從動力單元路由到第一熱井中。
[0112]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。用於將廢熱能量從動力單元轉移到第二熱井的廢熱熱交換系統可以熱連接到動力單元和第二熱井。環境熱交換系統可以熱連接到第一熱井和周圍環境。環境熱交換系統可以熱連接到第二熱井和周圍環境。
[0113]在另一方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮和/或膨脹。在壓縮和/或膨脹之前和/或期間，(i)從庫中以第一溫度撤回傳熱液體，(ii)熱調節傳熱液體，由此使其達到不同於第一溫度的第二溫度，以及(iii)將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量。熱調節傳熱液體包括在傳熱液體和從具有第三溫度的第一熱井流向第二熱井的儲熱液體之間交換熱能或實質上由其組成，該第二熱井(i)與第一熱井分離，並且(ii)具有不同於第三溫度的第四溫度。
[0114]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。傳熱液體和儲熱液體可以在傳熱液體的熱調節期間不混合。氣體和熱調節過的傳熱液體之間的熱交換可以使得壓縮和/或膨脹大致等溫地進行。將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱流體和氣體或者實質上由它們組成。在壓縮和/或膨脹之後，泡沫的至少一部分可被分離成氣體和傳熱液體。
[0115]在又一方面，本發明的實施方式包括一種能量存儲和恢復系統，其包括下述部件或實質上由它們組成:(i)包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量；(ii)用於在壓縮和/或膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中的機構；(iii)選擇性地流體連接到該機構的庫，該庫用於在其中容納傳熱液體；(iv)連接在庫和動力單元之間的熱交換器，該熱交換器用於熱調節從庫流向動力單元的傳熱液體；以及(V)與熱交換器關聯且不與庫流體連接的(a)第一熱井，該第一熱井用於容納第一溫度的儲熱液體，和(b)第二熱井,該第二熱井用於容納不同於第一溫度的第二溫度的儲熱液體，儲熱液體在第一和第二熱井之間的流動熱調節傳熱流體。
[0116]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。導管可以將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到庫中。用於將廢熱能量從動力單元轉移到第二熱井的廢熱熱交換系統可以熱連接到動力單元和第二熱井。環境熱交換系統可以熱連接到第一熱井和周圍環境。環境熱交換系統可以熱連接到第二熱井和周圍環境。
[0117]在另一方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮。在壓縮之前和/或期間，(i)從液體庫中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到高於第一溫度的第二溫度。第二溫度的傳熱液體和壓縮的氣體都轉移到壓縮氣體存儲器。
[0118]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。氣體和傳熱液體之間的熱交換可以使得壓縮大致等溫地進行。將傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。將第二溫度的傳熱液體和壓縮的氣體都轉移到壓縮氣體存儲器可以包括將泡沫轉移到壓縮氣體存儲器或實質上由其組成。
[0119]該方法可包括:(i )將壓縮的氣體從壓縮氣體存儲器轉移到動力單元；(ii )在動力單元中膨脹壓縮的氣體；以及(iii)在膨脹之前和/或期間，(a)從壓縮氣體存儲器中以第三溫度撤回傳熱液體，以及(b)將傳熱液體引入到氣體中以與其進行熱量交換，熱交換使得傳熱液體達到低於第三溫度的第四溫度；以及(iv)將傳熱液體轉移到液體庫。氣體和傳熱液體之間的熱交換可以使得膨脹大致等溫地進行。在膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。在膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。在將傳熱液體轉移到液體庫之前，泡沫的至少一部分可以被分離成氣體和傳熱液體。由動力單元產生的廢熱能量可以存儲在壓縮氣體存儲器中。可以在周圍環境和壓縮氣體存儲器之間交換熱能。當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，可以與周圍環境交換熱能。
[0120]在又一方面，本發明的實施方式包括一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量和/或膨脹氣體以恢復能量的氣缸組件。氣體在動力單元中被壓縮。在壓縮之前和/或期間，(i)從第一熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到高於第一溫度的第二溫度。壓縮的氣體被轉移到壓縮氣體存儲器。將第二溫度的傳熱液體轉移到壓縮氣體存儲器和/或第二熱井，該第二熱井與第一熱井分離。
[0121]該方法可包括:(i)將壓縮的氣體從壓縮氣體存儲器轉移到動力單元；(ii)在動力單元中膨脹壓縮的氣體；以及(iii)在膨脹之前和/或期間，Ca)從壓縮氣體存儲器或第二熱井的至少一個中撤回傳熱液體，以及(b)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量；以及(iv)將傳熱液體轉移到第一熱井。
[0122]本發明的實施方式以多種不同組合中的任意一種的方式結合了下述中的一項或多項。在動力單元中膨脹壓縮的氣體可以包括在跨越不同壓力範圍的第一階段和第二階段中膨脹壓縮的氣體，或者實質上由其組成。在第一階段中，在膨脹之前和/或期間，傳熱液體可以從壓縮氣體存儲器中撤回。在第二階段中，在膨脹之前和/或期間，傳熱液體可以從第二熱井中撤回。氣體和傳熱液體在膨脹之前和/或期間之間的熱交換可以使得膨脹大致等溫地進行。在膨脹之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。在將傳熱液體轉移到第一熱井中之前，泡沫的至少一部分可以被分離成氣體和傳熱液體。在動力單元中壓縮氣體可以包括在跨越不同壓力範圍的第一階段和第二階段中壓縮氣體，或者實質上由其組成。在第一階段中，在壓縮之後和/或期間，傳熱液體可以被轉移到壓縮氣體存儲器。在第二階段中，在壓縮之後和/或期間，傳熱液體可以被轉移到第二熱井。在壓縮之前和/或期間氣體和傳熱液體之間的熱交換可以使得壓縮大致等溫地進行。在壓縮之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中可以包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中，或者實質上由其組成。在壓縮之前和/或期間將傳熱液體引入到氣體中可以形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體或者實質上由它們組成。在將第二溫度的傳熱液體轉移到壓縮氣體存儲器和/或與第一熱井分離的第二熱井之前，泡沫的至少一部分可以被分離成氣體和傳熱液體。由動力單元產生的廢熱能量可以被存儲在第二熱井中。可以在周圍環境與第一熱井和/或第二熱井之間交換熱能。當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，可以與周圍環境交換熱能。
[0123]參考下述說明書、附圖和權利要求，本發明的這些和其他目的以及優勢和特徵將變得更加顯而易見。此外，應該理解，本文描述的各種實施方式的特徵並不互相排斥，而是可以以各種組合和排列存在。注意到，如本文所使用的，術語「管」、「管道」和類似術語指一個或多個用於在兩點之間承載氣體或液體的導管。因此，單數術語在適當的時候應該被認為包括多個平行管道。本文中，除非另有說明，術語「液體」和「水」可互換地指任何大體上或實質上不可壓縮的液體，術語「氣體」和「空氣」可以互換使用，並且術語「流體」可以指液體、氣體或者液體和氣體的混合物(例如泡沫)。如本文所使用的，除非另有說明，術語「大約」和「大致」指±10%，並且在一些實施方式中指±5%。「閥」是用於控制流體路徑或庫之間的流體連通或者用於選擇性地進入控制或排出的任意機構或部件。術語「氣缸」指橫截面均勻但不一定為圓形的腔室，其可包含可滑動地布置的活塞或將腔室一側的流體與另一側的流體分開的其他機構，防止流體從腔室的一側移動到另一側，同時允許來自腔室一側的力/壓力傳遞給下一側或者傳遞給腔室外部的機構。腔室兩端中的至少一端可以由端帽(本文中也被稱為「頭」)封閉。如本文所利用的，「端帽」不一定是與氣缸的剩餘部分不同或可分離的部件，其可以指氣缸本身的端部。杆、閥和其他設備可以穿過端帽。「氣缸組件」可以是一個普通的氣缸或包括多個氣缸，並且可以或可以不具有額外的相關聯的部件(例如氣缸之間的機械聯接)。如』 678和』 842專利中所述，氣缸的軸可以液壓地或機械地耦接到機械負載(例如，液壓電機/泵或曲柄軸)，該機械負載進而耦接到電負載(例如，連接到電子電器和/或直接連接到電網或其他負載的旋轉或直線電動機/發電機)。如本文所使用的，熱交換流體的「熱調節」不包括熱交換流體由於與氣體交互而導致的溫度的任何變化，其中熱交換流體與氣體交換熱能；而是，這種熱調節一般指熱交換流體通過其他裝置(例如外部熱交換器)而發生的溫度變化。在本文中，術語「熱交換」和「傳熱」一般可以互換地使用。除非另有說明，如果電機/泵在系統操作期間僅用作電機或泵而不是二者，則本文描述的電機/泵不需要被配置成既用作電機又用作泵。本文描述的氣體膨脹可以在沒有燃燒的情況下進行(例如，相對於內燃機的運行)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0124]在附圖中，相似的附圖標記一般在所有的不同視圖中指相同的部件。以本領域內熟知氣動缸和液壓缸的技術人員所理解的方式在橫截面視圖中不出了氣缸、杆和其他部件。同樣地，附圖並不一定按比例繪製，重點大體上在於示出本發明的原理。在下述說明書中，參考附圖描述了本發明的各種實施方式，附圖中:
[0125]圖1是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的示意圖；
[0126]圖2是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0127]圖3是根據本發明各種實施方式的壓縮空氣能量存儲和恢復系統的主要部件的示意圖；
[0128]圖4是根據本發明各種實施方式的多氣缸壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0129]圖5是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有用於在氣缸外部生成泡沫的裝置；
[0130]圖6是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有用於在氣缸外部生成泡沫的裝置並提供了泡沫生成裝置的旁路；
[0131]圖7是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有用於在氣缸外部的容器中生成泡沫的裝置；
[0132]圖8是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有用於在氣缸內部生成泡沫的裝置；
[0133]圖9是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有兩個氣缸和用於在氣缸外部生成和分離泡沫的裝置；
[0134]圖10是根據本發明各種實施方式的等溫氣體膨脹中的液滴噴霧的能量性能的實驗數據的圖；
[0135]圖11是根據本發明各種實施方式的等溫氣體膨脹中的泡沫的能量性能的實驗數據的圖；
[0136]圖12是根據本發明各種實施方式的等溫氣體壓縮中的液滴噴霧的能量性能的實驗數據的圖；
[0137]圖13是根據本發明各種實施方式的等溫氣體壓縮中的泡沫的能量性能的實驗數據的圖；
[0138]圖14是根據本發明各種實施方式的為在壓縮循環期間將起泡液引入氣缸的兩種方法而計算的噴灑壓力的圖；
[0139]圖15是根據本發明各種實施方式的為在熱交換泡沫質量比和最終壓縮壓力的範圍內的壓縮而計算的最終液體溫度的圖；
[0140]圖16是根據本發明各種實施方式的針對熱交換泡沫質量比的範圍而計算的所需額外存儲空間的圖；
[0141]圖17是根據本發明各種實施方式的利用泡沫的氣體膨脹壓縮的等溫效率的實驗數據的圖，其與利用非起泡噴霧的類似壓縮的等溫效率相比較；
[0142]圖18是根據本發明各種實施方式的氣缸組件的示意圖，該氣缸組件具有兩個氣缸和用於生成和分離三種不同的質量比的泡沫的裝置；
[0143]圖19是根據本發明各種實施方式的生成具有相對較低的質量比的泡沫的裝置的示意圖；
[0144]圖20是根據本發明各種實施方式的生成和分離具有相對較高的質量比的泡沫的裝置的示意圖；
[0145]圖21是根據本發明各種實施方式的生成具有相對較低的質量比的泡沫的裝置的示意圖；
[0146]圖22是根據本發明各種實施方式的生成具有中間質量比的泡沫的裝置的示意圖；
[0147]圖23是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0148]圖24A和24B是根據本發明各種實施方式的額外用作液體泵的氣動缸的各種部件的不意圖；
[0149]圖25是根據本發明各種實施方式的利用額外用作液體泵的兩個氣動缸的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0150]圖26是根據本發明各種實施方式的氣缸頭中的兩個提升閥的示意圖；
[0151]圖27是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0152]圖28是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖以及示出系統內選定的時間和溫度關係的圖；
[0153]圖29是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體能量存儲系統的各種部件的示意圖；
[0154]圖30是根據本發明各種實施方式的具有外部熱交換器的壓縮氣體存儲容器的示意圖；
[0155]圖31是根據本發明各種實施方式的具有內部熱交換的壓縮氣體存儲容器的示意圖；
[0156]圖32是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體存儲容器的示意圖，其中，壓縮氣體存儲容器由環繞其循環的流體加熱或冷卻；
[0157]圖33是根據本發明各種實施方式的壓縮氣體存儲容器的示意圖，其中，壓縮氣體存儲容器由環繞其循環的液體加熱或冷卻；
[0158]圖34是根據本發明各種實施方式的存儲壓縮氣體和熱交換液體的、具有外部熱交換的洞室的示意圖；
[0159]圖35是根據本發明各種實施方式的能量存儲和恢復系統的各種部件的示意圖，示出了在系統中的膨脹之前和/或期間，來自發電廠的廢熱被用於加熱所存儲的壓縮氣體的應用；
[0160]圖36和37是結合了氣缸組件和一個或多個根據本發明各種實施方式的膨脹器、壓縮機或膨脹器/壓縮機的能量存儲和恢復系統的示意圖；[0161]圖38是根據本發明各種實施方式的用於在其中形成泡沫的增壓泵的示意圖；
[0162]圖39-44是根據本發明各種實施方式的各種系統的示意圖，這些系統包括用於膨脹和/或壓縮氣體的氣缸組件以及一個或多個熱井；
[0163]圖45和46是根據本發明各種實施方式的能量存儲和恢復系統的各種部件的示意圖，其中，高功率、短時的能量存儲設備與壓縮氣體能量存儲系統並聯連接；
[0164]圖47是示例性24小時期間內的電力供應和需求的示意圖；
[0165]圖48是根據本發明各種實施方式的組合的高功率、短時的能量存儲設備和壓縮氣體能量存儲系統對圖47的24小時期間的電力供應和需求的響應的示意圖；
[0166]圖49是根據本發明各種實施方式的組合的高功率、短時的能量存儲設備和壓縮氣體能量存儲系統在圖47的24小時期間的充電狀態的示意圖；以及
[0167]圖50是根據本發明各種實施方式的示例性電力生成和消耗網絡或電網的概念圖。
【具體實施方式】
[0168]圖1示出了可作為用於存儲和釋放能量的較大系統(未示出)的一部分的示例性系統100。後續附圖將闡述本發明的實施方式在這種系統中的應用。圖1中示出的系統100以組件101為特徵，該組件101用於壓縮和膨脹氣體。膨脹/壓縮組件101可以包括下述設備或基本上由下述設備組成:一個或多個獨立的用於膨脹或壓縮氣體的設備(例如，渦輪機或氣缸組件，其中每個可以包括可移動邊界機構)或這些設備的分級系列，以及圖1中未明確示出的輔助設備(例如，閥)。
[0169]電動機/發電機102 (例如旋轉或直線電機)與膨脹/壓縮組件101之間形成物理連接(例如，通過液壓泵、活塞軸或機械曲柄軸)。電動機/發電機102可以電連接至圖1中未明確示出的電能的源和/或匯(例如，配電網或者諸如一個或多個風力渦輪機或太陽能電池的可再生能源)。
[0170]膨脹/壓縮組件101可以與熱交換子系統104流體連通，該熱交換子系統104改變從膨脹/壓縮組件101提取的流體(即，氣體、液體或氣液混合物，例如泡沫)的溫度和/或壓力，並且在改變流體的溫度和/或壓力之後，將其至少一部分返回到膨脹/壓縮組件101中。熱交換子系統104可以包括泵、閥和其他設備(在圖1中未明確示出)以輔助其熱交換功能，並且將將流體轉移到膨脹/壓縮組件101中，或將流體從膨脹/壓縮組件101中轉移出來。經過適當的操作，熱交換子系統104使得膨脹/壓縮組件101內的氣體能夠進行大致等溫的壓縮和/或膨脹。
[0171]具有控制閥108的管道106連接到膨脹/壓縮組件101上，該控制閥108控制組件101和存儲庫112 (例如，一個或多個壓力容器、管道和/或洞室)之間的流體(例如氣體)的流動。存儲庫112可以與熱交換子系統114流體連通，該熱交換子系統114改變從存儲庫112中移除的流體的溫度和/或壓力，並且在流體的溫度和/或壓力改變之後，將其返回到存儲庫112中。具有控制閥118的第二管道116可以與膨脹/壓縮組件101流體連通並且與排出口 120流體連通，該排出口與氣體主體以相對較低的壓力(例如環境大氣)相通。
[0172]控制系統122從膨脹/壓縮組件101、存儲庫112和系統100的其他部件以及系統100外的源接收信息輸入。這些信息輸入可以包括下述各項或基本上由下述各項組成:壓力、溫度和/或系統101的部件的性質的其他遙測測量值。這些信息輸入(在此處一般由字母T表示)通過無線或有線的方式傳輸給控制系統122。這種傳輸在圖1中由點線124、126表不。
[0173]控制系統122可以選擇性地控制閥108和118以使得組件101中的氣體能夠進行大致等溫的壓縮和/或膨脹。控制信號(在此處一般由字母C表示)通過無線或有線的方式傳輸給閥108和118。這種傳輸在圖1中由短劃線128、130表示。控制系統122也可以控制熱交換組件104、114以及圖1中未明確示出的其他部件的運行。出於這些目的的控制和遙測信號的傳輸在圖1中未明確示出。
[0174]控制系統122可以是任何可接受的具有人機界面的控制設備。例如，控制系統122可以包括執行以計算機可讀軟體介質形式存儲的控制應用的計算機(例如PC類型)。更一般地，控制系統122可以實現為軟體、硬體或其一些組合。例如，控制系統122可以實施在一個或多個計算機上，例如具有CPU板的PC，該CPU板包含一個或多個處理器，例如由加州聖塔克萊拉的英特爾公司製造的Pentium、Core、Atom或Celeron系列處理器，由伊利諾州紹姆堡的摩託羅拉公司製造的680x0和POWER PC系列處理器，和/或由加州塞涅維爾的超微半導體公司(AMD)製造的ATHLON系列處理器。處理器也可以包括主存儲器單元，用於存儲與上文描述的方法相關的程序和/或數據。存儲器可以包括駐留在常用硬體上的隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)和/或快閃記憶體，其中，常用硬體例如一個或多個專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPR0M)、可編程只讀存儲器(PROM)、可編程邏輯設備(PLD)或只讀存儲設備(ROM)。在一些實施方式中，可以利用外部RAM和/或ROM (例如光碟、磁碟或其他存儲設備)提供程序。
[0175]對於控制器122的功能由軟體提供的實施方式而言，可以以多種高級語言中的任意一種寫入程序，高級語言例如 FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、LISP、PERL、BASIC 或任意合適的程式語言。此外，可以以定向到駐留在目標設備上的微處理器的彙編語言和/或機器語言來實施軟體。
[0176]如上所述，控制系統122可以從監測系統100運行的各個方面的傳感器接收遙測，並且可以為控制閥致動器、閥、電機和其他機電/電子設備提供信號。控制系統122可以經由有線或無線通信與這些傳感器和/或系統100的其他部件(以及本文描述的其他實施方式)進行通信。適宜的接口可以用於將來自傳感器的數據轉換成控制系統122可讀的形式(例如RS-232或基於網絡的互連線)。類似地，接口將計算機的控制信號轉換成閥和其他致動器可用於執行操作的形式。提供這些接口以及適當的控制編程對本領域技術人員來說是清楚的，並且可以在未進行過多實驗的情況下提供。
[0177]可以作業系統100以壓縮通向排出口 120的氣體並且將由此壓縮的氣體存儲在庫112中。例如，在操作的初始狀態中，閥108關閉而閥118打開，允許一定量的氣體進入膨脹/壓縮組件101。當已經允許了期望量的氣體進入組件101時，閥118可以關閉。隨後，使用未在圖1中明確示出的源(例如電網)提供的能量的電動機/發電機102為膨脹/壓縮組件101提供機械動力，使得組件101內的氣體能夠被壓縮。
[0178]在氣體在組件101內的壓縮期間，流體(即氣體、液體或氣液混合物)可以在組件101和熱交換組件104之間循環。熱交換組件104可以以使得氣體在組件101內進行大致等溫壓縮的方式操作。在氣體在組件101內壓縮期間或之後，閥108可以打開以使得高壓流體(例如壓縮氣體或液體和壓縮氣體的混合物)流向庫112。熱交換組件114可以在任何時候以改變庫112內流體的溫度和/或壓力的方式操作。
[0179]系統100還可以操作成以將能量遞送給電動機/發電機102的方式在膨脹/壓縮組件101中使來自庫112的壓縮氣體膨脹，這對於所有熟知氣動機、液壓機和電機的技術人員來說是顯而易見的。
[0180]圖2示出了示例性系統200，該系統200具有與庫222(即圖1中的112)連通的氣缸組件201 (S卩，圖1中的組件101的實施方式)和通向大氣的排出口 223 (圖1中的120)。在圖2所示的示例性系統200中，氣缸組件201包含可滑動地置於其中的活塞202。在一些實施方式中，活塞202由將氣缸組件201分成多個室的不同邊界機構替代，或者完全沒有活塞202，而氣缸組件201是「液體活塞」。舉例來說，氣缸組件201可以分成兩個氣動室或一個氣動室和一個液壓室。活塞202連接至杆204，杆204可以包含鑽在中部的流體通路，而流體出口 212從活塞202延伸。例如，杆204還附接到未示出的機械負載(例如曲柄軸或液壓系統)。氣缸組件201與熱交換子系統224液體連通，該熱交換子系統224包括循環泵214和噴灑機構210或實質上由它們組成，從而使得能夠進行氣體的大致等溫的壓縮/膨脹。通過泵214循環的傳熱流體可以穿過熱交換器203 (例如，管殼式或平行板式熱交換器)。噴灑機構210可以包括一個或多個噴灑頭(例如，位於氣缸組件201的一端)和/或噴灑杆(例如，沿著氣缸組件201的中心軸的至少一部分延伸)或實質上由它們組成。在其他實施方式中，噴灑機構210被省略，並且形成泡沫(而不是液滴的霧狀物)以在氣缸組件201內的氣體的壓縮和膨脹期間輔助液體和氣體之間的熱交換。可以通過下述方法生成泡沫:在氣缸組件201外部的機構(未示出，在下文中更詳細地描述)中使氣體與熱交換液體形成泡沫，隨後將產生的泡沫注入到氣缸組件201中。可選地或此外，可以通過將熱交換液體經由泡沫生成機構(例如，噴頭、旋轉葉片、一個或多個噴嘴)注入到氣缸組件201中而在氣缸組件201內生成泡沫，其部分地或完全地填充氣缸組件201的氣動室。在一些實施方式中，液滴和泡沫可以同時和/或順序地被引入到氣缸組件201中。各種實施方式可以包括用於控制泡沫特點(例如泡的大小)和破裂、分離和/或再生成泡沫的機構(圖2中未示出)。
[0181]系統200還包括與存儲庫222和氣缸組件201連通的第一控制閥220 (圖1中的108)，以及與排出口 223和氣缸組件201連通的第二控制閥221 (圖1中的118)。控制系統226(圖1中的122)可以基於來自氣缸組件201和/或存儲庫222的各種系統輸入(例如壓力、溫度、活塞位置和/或流體狀態)來控制例如閥222和閥221的操作。傳熱流體(由泵214循環的液體)通過管道213進入。管道213可以(a)連接至低壓流體源(例如，連接到排出口 223的壓力下的流體庫(未示出)或熱井242); (b)連接至高壓源(例如庫222的壓力下的流體庫(未示出))；(c)選擇性地在壓縮過程中連接(利用未示出的閥布置)到低壓，而在膨脹過程期間連接至高壓；(d)通過連接件212連接至氣缸201中的變壓流體208 ;或Ce)這些選項的某種組合。
[0182]在初始狀態中，氣缸組件201可以包含氣體206 (例如，經由閥221和排出口 223引入到氣缸組件201中的空氣)和傳熱流體208 (舉例來說，其可包括水或其他合適的液體或實質上由它們組成)。當氣體206進入氣缸組件201時，活塞202被操作將氣體206壓縮至加壓(例如大約3000psi)。傳熱流體(不一定與傳熱流體208的主體相同)從管道213流向泵214。泵214可以將熱交換流體的壓力升高至比氣缸組件201內的壓力稍高的壓力(例如，高至大約3015psig),如』 409申請中所述的那樣。可選地或結合地，本發明的實施方式通過僅使相對低壓的流體經過熱交換器或流體庫而將熱量(即熱能量)補充到氣缸組件201中的高壓氣體中或將熱量從其中移除，如2011年8月17日提交的序列號為13/211，440的美國專利申請(』440申請)中詳述的那樣，其全部內容通過引用包含於此。
[0183]隨後通過管道216送出傳熱流體，傳熱流體可以穿過熱交換器203(其在此處溫度被改變)，並且隨後通過管道218到達噴灑機構210。由此循環的傳熱流體可以包括液體或泡沫或實質上由液體或泡沫組成。如所示，噴灑機構210可以置於氣缸組件201內；位於存儲容器222或排出口 223中；或位於圍繞氣缸組件的管道或分支管中，例如管道218或將氣缸組件連接到存儲容器222或排出口 223的管道。噴灑機構210可以在壓縮期間在排出口223或連接管道中操作，並且單獨的噴灑機構可以在膨脹期間在存儲容器222或連接管道中操作。來自噴灑機構210 (和/或任何額外的噴灑機構)的傳熱噴霧211和/或來自氣缸組件101內部或外部的機構的泡沫使得氣缸組件201內的氣體206能夠進行大致等溫的壓縮。
[0184]在一些實施方式中，熱交換器203被配置成調節低壓(例如，比氣缸組件201中的壓縮或膨脹衝程的最大壓力低的壓力)的傳熱流體，並且傳熱流體在衝程之間或僅在衝程的一些部分期間被熱調節，如』440申請中所詳述的。本發明的實施方式被配置為通過使用例如配置用於氣缸組件內部的(例如至少部分地位於其活塞杆內)非彎曲物和/或泵(例如潛孔泵、軸流泵或其他直列式泵)的管或吸管來使傳熱流體循環，而不需要使用在操作期間彎曲的軟管，如2011年9月16日提交的序列號為13/234，239的美國專利申請(』239申請)中所述，其全部內容通過引用包含於此。
[0185]在壓縮衝程的結束或接近結束時，控制系統226打開閥220以允許壓縮氣體206進入存儲庫222中。閥220和221的操作可以由對控制系統226的各種輸入控制，這些輸入例如氣缸組件201中的活塞位置，存儲容器222中的壓力、氣缸組件201中的壓力和/或氣缸組件201中的溫度。
[0186]如上所述，控制系統226可以執行大致等溫的操作，即，通過對壓縮和/或膨脹的速率進行控制(例如，將氣體引入氣缸組件201和將氣體排出氣缸組件201)的氣缸組件201中的氣體的膨脹和/或壓縮，和/或熱交換子系統響應於感測條件的操作。例如，響應於溫度偏差，控制系統226可以通過發出控制信號而對位於氣缸組件201中或位於其上的一個或多個傳感器(用於測量氣缸組件201內的氣體和/或熱交換流體的溫度)做出響應，控制信號操作一個或多個上述的系統部件來實時補償所感測的溫度偏差。例如，響應於氣缸組件201內的溫度增加，控制系統226可以發出命令以增加熱交換流體208的噴霧211的流速。
[0187]此外，本發明的實施方式可以應用於氣缸組件201 (或其腔室)與第二氣缸的氣動室(例如，如圖4所示)流體連通的系統中。第二氣缸進而可以類似地與第三氣缸連通，依此類推。可以以這種方式連接任意數量的氣缸。這些氣缸可以並聯或串聯的方式連接，其中，壓縮和膨脹分多階段完成。
[0188]熱交換器203的流體迴路可以填充有水、冷卻液混合物、水基泡沫或任意其他可接受的熱交換介質。在替代實施方式中，諸如空氣或冷卻劑的氣體被用作熱交換介質。一般來說，流體以閉環或開環的方式通過導管通向這種流體的大型庫。開環的一個實例是從中引出環境水並將排出的水遞送到不同位置(例如河的下遊)的井或水體。在閉環實施方式中，冷卻塔可以通過空氣使水循環，以返回到熱交換器中。同樣地，水可以通過浸沒或掩埋的連續管道匝，其中，發生反向熱交換以在流體流返回到熱交換器中進行下一循環之前將其還原到環境溫度。
[0189]在各種實施方式中，通過將熱交換器203的外部熱交換側的流體入口 238和流體出口 240連接到設施(例如火電廠、利用廢熱的工業過程、熱泵和/或需要空間加熱或冷卻的建築物)來調節(即，預熱和/或預冷)熱交換流體或使用熱交換流體來用於加熱或冷卻需求，如』 731專利中所述的。可選地，如圖2所示，熱交換器203的外部熱交換側可以連接至熱井242。熱井242可以包括大型水庫(其作為與系統一起使用的恆溫熱流源)或實質上由其組成。可選地，如上所述，水庫可以經由包含在設施中的另一熱交換器熱連接到來自工業過程或類似物的廢熱。這允許熱交換流體從/向連接的過程獲取或排出熱量(取決於配置)，從而後續用作能量存儲/轉換系統中的加熱/冷卻介質。可選地，熱井242可以包括儲能介質的兩個或多個主體，例如熱水熱井或冷水熱井，它們通常維持在相反的能量狀態以相對於熱井242包括儲能介質的單個主體的系統而言增加系統200的有效能。除了水之外的存儲介質可以用在熱井242中；溫度變化、相的變化或二者的變化可以被熱井242的存儲介質利用來存儲和釋放能量。至大氣、地面和/或環境的其他部分的熱或流體連接(未示出)也可以包括在系統200中，允許質量、熱能、或二者添加到熱井242中或從熱井242中移除。此外，如圖2所示，熱交換子系統224不會直接與熱井242互換流體，但在其他實施方式中，流體直接在熱交換子系統224和熱井242之間傳輸，而沒有熱交換器使流體之間保持分離。
[0190]圖3是示例性系統300的主要部件的示意圖，該系統300使用氣動缸302來有效地將機械能轉換(即存儲)成壓縮氣體的勢能，並且在另一操作模式中，將壓縮氣體的勢能有效地轉換(即恢復)成機械功。氣動缸302可以包含可滑動地布置的活塞304，該活塞304將氣缸302的內部分成了遠端室306和近端室308。具有相關管道312和雙向閥316的一個或多個埠(未示出)使得來自高壓存儲庫320的氣體能夠根據需要進入室306。具有相關管道322和雙向閥324的一個或多個埠(未示出)使得來自室306的氣體能夠根據需要經由排出口 326排出到環境大氣中。在可選實施方式中，排出口 326由額外的低壓氣動缸(或氣缸的氣動室)替代。一個或多個埠(未示出)使得室308的內部能夠隨時與環境大氣自由地連通。在替代實施方式中，氣缸302起雙重作用，並且配備有室308 (類似於室306)以在各種操作狀態中通入或排出流體。杆330的遠端耦接到活塞304。杆330可以連接到曲柄軸、液壓缸或其他機構以將線性機械運動轉換成有用功，如』 679和』 842專利中所述的那樣。
[0191]在能量恢復或膨脹的操作模式中，存儲庫320填充有高壓空氣(或其他氣體)332以及一定量的傳熱流體334。傳熱流體334可以是水基泡沫或當噴灑或以其他方式施加時趨向於形成泡沫的液體。水基泡沫的液體組分或趨向於形成泡沫的液體可以包括具有2%-5%的某些添加劑的水，或實質上由其組成；這些添加劑也可以提供下述功能:防腐蝕、防磨損(潤滑)、抗生物生成(抗生素)、冰點修正(防凍結)和/或改善表面張力。添加劑可以包括潤滑液的微乳液，例如，礦物油、諸如乙二醇的試劑的溶液(例如丙二醇)或可溶合成物(例如乙醇胺)。這些添加劑用於降低液體表面張力並在噴灑時導致大量泡沫。可商購的流體可以以大約5%的水溶液使用，例如部分由礦物油的微乳液組成的Mecagreenl27(可商購於密西根州的Condat公司)以及部分由可溶乙醇胺組成的Quintolubric807_WP (可商購於賓夕法尼亞州的Quaker化學公司)。可以以更高的濃度(例如50%的水溶液)使用其他添加齊U，包括部分由丙二醇組成的Cryo-teklOO/Al (可商購於新澤西州的Hercules化學公司)。還可以進一步改良這些流體以增強噴灑時的泡沫並且當處於庫中時加快消泡。
[0192]傳熱流體334可以經由高入口壓力、低能耗的泵336 (諸如在』 731專利中所述)在存儲庫320內循環。在各種實施方式中，流體334可以經由管道338從存儲庫320的底部移除，經由泵336循環通過熱交換器340，並且經由管道342和噴頭344 (或其他合適的機構)被引回(例如噴灑)到存儲庫320的頂部。庫320中由於移除或添加氣體(例如經由管道312)而導致的壓力的任何變化一般會導致庫320中的氣體332的溫度的變化。通過在整個存儲庫氣體332中噴灑流體334和/或使流體334成泡沫，可以經由與傳熱流體334之間的熱交換而將熱量添加到氣體332或將熱量從氣體332移除。通過將傳熱流體334循環通過熱交換器340，流體334和氣體332的溫度可以大體上保持恆定(即，等溫)。處於近環境壓力中的逆流熱交換流體346可以從近環境溫度的熱井(未示出)或熱能的源(例如廢熱源)或匯(例如冷水源)開始循環，如下文更詳細描述的那樣。
[0193]在本發明的各種實施方式中，庫320包含未分離或部分分離成其氣態或液態組分的水基泡沫。在這些實施方式中，泵336可以循環泡沫本身或泡沫的分離的液態組分或二者，並且流體至庫320的再循環可以包括通過未在圖3中示出的裝置再次生成泡沫。
[0194]在能量恢復或膨脹操作模式中，當活塞304靠近或處於其衝程的頂部時(S卩，氣缸302的「上止點」)，一定量的氣體可以經由閥316和管道312引入到氣缸302的上部室306中。隨後，活塞304及其杆330將向下移動(氣缸302可以被任意定向，但在該示例性實施方式中被示為垂直定向)。熱交換流體334可以經由可選的泵350 (可選地，可以將壓力降引入管線312中，從而不需要泵350)通過管道352和換向閥354同時地被引入到室306中。這種熱交換流體334可以經由一個或多個噴嘴356以生成泡沫360的方式噴灑到室306中。(在一些實施方式中，泡沫360被直接以泡沫形式引入到室306中)。泡沫360可以完全地填充整個室306，但如圖3所示，僅出於示例性的目的，泡沫360僅部分地填充室306。本文中，術語「泡沫」指(a)單純的泡沫或(b)泡沫和處於其他的非起泡狀態的熱交換液體(例如液滴)的各種混合物中的任何一種。此外，一些非起泡液體(未示出)可以在室306的底部積聚；就本文所提及的室306內的泡沫360來說,其大體上包括任何這種液體。
[0195]系統300配備有壓力傳感器、活塞位置傳感器和/或溫度傳感器(未示出)並經由控制系統362來控制。在活塞304的預定位置處，一定量的氣體332和傳熱流體334已經通入到室306中，並且閥316和閥354關閉。(閥316和354可以同時或不同時關閉，因為每個閥都具有基於期望流體量的控制值)。隨後，室306中的氣體經歷自由膨脹，繼續向下驅動活塞304。在該膨脹期間，在沒有泡沫360的情況下，氣體將趨於使溫度大幅下降。在泡沫360大量地或完全地填充室的情況下，室306中的氣體的溫度和傳熱流體360的溫度經由熱交換趨向於彼此接近。泡沫360的液態組分(例如具有一種或多種添加劑的水)的熱容量可以遠高於氣體(例如空氣)的熱容量，從而即使在多次氣體膨脹(例如，從250psig至接近大氣壓力，或者在其他實施方式中從3000psig至250psig)中，氣體和液體的溫度不會大幅改變(即，大致等溫)。[0196]當活塞304到達其衝程的端部(下止點)時，室306內的氣體將會膨脹到預定低壓(例如，接近大氣壓)。隨後，閥324將打開，允許來自室306的氣體排出，無論是通過管道322和排出口 326排向大氣(如此處所示)，或者是在其他實施方式中經由管道322排向膨脹過程中的下一階段(例如單獨的氣缸中的室)。在活塞經歷向上(即，返回)衝程時，閥324保持打開，使室306排空。泡沫360的一部分或實質上全部泡沫也被迫經由管道322流出室306。分離器(未示出)或諸如重力分離的其他手段被用於恢復傳熱流體，優選地消泡後的傳熱流體(B卩，作為具有或不具有添加劑的簡單液體)，還被用於經由管道366將傳熱流體導入存儲庫364中。
[0197]當活塞304再次到達衝程頂部時，過程重複，而氣體332和傳熱流體334經由閥316和354從容器320通入。如果庫320需要額外的傳熱流體，則額外的傳熱流體可以經由管道367和可選的泵/電機368從庫364被泵回到庫320中。在一種操作模式中，泵368也可以用於連續地再填充庫320，從而庫320中的壓力大體上保持為恆定。即，隨著氣體從庫320中移除，添加傳熱流體334以在庫320中維持恆定的壓力。在其他實施方式中，泵368未被使用或被間歇地使用，庫320中的壓力繼續在能量恢復過程期間降低(即，涉及從庫320中移除氣體)，並且控制系統360相應地改變閥316和354的定時，從而當活塞304到達其衝程端部時，達到大致相同的端部壓力。能量恢復過程可以繼續，直到存儲庫320幾乎沒有加壓氣體332，此時，能量存儲過程可以用於利用加壓氣體332再次裝填存儲庫320。在其他實施方式中，基於操作人員要求來改變能量恢復和能量存儲過程。
[0198]在能量存儲或能量壓縮操作模式中，存儲庫320通常至少部分地耗盡高壓氣體332，而存儲庫320通常也包含一定量的傳熱流體334。庫364處於低壓(例如，大氣壓力或用作氣缸302的壓縮階段的進氣壓力的一些其他低壓)並且包含一定量的傳熱流體370。
[0199]傳熱流體370可以經由低能耗泵372在庫364內循環。在各種實施方式中，流體370可以通過管道367從庫364的底部移除，經由泵372循環通過熱交換器374，並且經由管道376和噴頭378 (或其他合適的機構)被引回(例如噴灑)到庫364的頂部。通過在整個庫氣體380中噴灑流體370，可以經由傳熱流體370而將熱量添加到氣體或將熱量從氣體移除。通過將傳熱流體370循環通過熱交換器374，流體370和氣體380的溫度可以保持接近恆定(即，等溫)。處於近環境壓力中的逆流熱交換流體382可以從近環境溫度的熱井(未示出)或熱能的源(例如廢熱源)或匯(例如冷水源)開始循環。在一個實施方式中，逆流熱交換流體382處於高溫以增加膨脹期間的能量恢復，和/或逆流熱交換流體382處於低溫以降低壓縮期間的能量消耗。
[0200]在能量存儲或壓縮操作模式中，當活塞304靠近氣缸302的上止點時，一定量的低壓氣體經由閥324和管道322引入到氣缸302的上部室306中。低壓氣體可以來自環境大氣(例如，可以經由如本文所述的排出口 326通入)或可以來自諸如先前壓縮階段的加壓氣體源。在進氣衝程期間，活塞304及其杆330將向下移動，吸取氣體。熱交換流體370可以經由可選的泵384 (可選地，可以將壓力降引入管線386中，從而不需要泵384)通過管道386和換向閥388同時地被引入到室306中。這種熱交換流體370可以經由一個或多個噴嘴390以生成泡沫360的方式被引入(例如，噴灑到)室306中。在進氣衝程結束之前，這種泡沫360可以部分或完全地填充室306 ;僅出於示意的目的，泡沫360在圖3中被示為僅部分地填充室306。在進氣衝程結束時，活塞304到達衝程結束位置(下止點)，並且室306由從低壓(例如大氣壓)空氣和熱交換液體生成的泡沫360填充。
[0201]在衝程結束時，利用處於衝程結束位置的活塞304，閥324關閉。閥388也關閉，不一定和閥324同時關閉，但在預定量的傳熱流體370通入以形成泡沫之後，閥388才關閉。傳熱流體370的量可以基於待壓縮的空氣量、壓縮比率和/或傳熱流體的熱容量。然後，活塞304和杆330經由機械手段(例如，液壓流體、液壓缸、機械曲柄軸)被向上驅動以壓縮室306內的氣體。
[0202]在該壓縮期間，在沒有泡沫360的情況下，室306中的氣體將趨於使溫度大幅上升。在泡沫360至少部分地填充室的情況下，室306中的氣體的溫度和泡沫360的液態組分的溫度經由熱交換趨向於平衡。泡沫360的流體組分(例如具有一種或多種添加劑的水)的熱容量可以遠高於氣體(例如空氣)的熱容量，從而即使在多次氣體壓縮(例如，從接近大氣壓力至250psig，或者在其他實施方式中從250psig至3，OOOpsig)中，氣體和流體的溫度不會大幅改變，甚至接近等溫。
[0203]室306中的氣體(包括泡沫360的氣態組分或實質上由其組成)被壓縮至適當的壓力，例如大致等於存儲庫320內的壓力的壓力，此時閥316打開。隨後，泡沫360 (包括其氣態組分以及液態組分)利用活塞304和杆330的繼續向上移動經由閥316和管道312轉移到存儲庫320中。
[0204]當活塞304再次到達衝程頂部時，過程重複，而低壓氣體和傳熱流體370從排出口 326和庫364經由閥324和388通入。如果庫364需要額外的傳熱流體，則額外的傳熱流體可以從庫320經由管道367和可選的泵/電機368返回到庫364中。恢復自電機368的動力可以用於輔助驅動機械機構以驅動活塞304和杆330，或者可以經由電動機/發電機(未不出)轉換成電力。在一種操作模式中，電機368可以在庫320被氣體填充時以下述方式連續地運行:使庫320中的壓力保持為大體上恆定。即，隨著氣體添加到庫320中，從庫320中移除傳熱流體334以在庫320中維持大體上恆定的壓力。在其他實施方式中，電機368未被使用或被間歇地使用；在能量存儲過程期間，庫320中的壓力繼續增加，並且控制系統362相應地改變閥316和388的定時，從而當活塞304到達衝程底部時，在室306內達到期望的結束壓力(例如大氣壓)。能量存儲過程可以繼續，直到存儲庫320充滿壓力為最大存儲壓力(例如3000psig)的加壓氣體332，此後，系統準備就緒以執行能量恢復過程。在各種實施方式中，當存儲庫320僅部分地充滿加壓氣體332(不論壓力為最大儲存壓力還是大氣壓力和最大存儲壓力之間的一些存儲壓力中間值)時，系統可以開始能量恢復過程。在其他實施方式中，基於操作人員需求來改變能量恢復和能量存儲過程。
[0205]圖4示出了示例性系統400，其具有下述特徵:至少兩個氣缸組件402、406 (B卩，圖1中的組件101的實施方式；例如，圖2中的氣缸組件201)以及與各個氣缸組件402、406相關聯的傳熱子系統404、408 (例如圖2中的子系統224)。此外，系統包括熱井410 (例如，圖2中的熱井242)，其可以與傳熱子系統404、408中的一個或兩個相關聯，如虛線所示。
[0206]組件402選擇性地與存儲庫412 (例如，圖1中的112、圖2中的222)流體連通，該存儲庫412能夠以相對高壓(例如大約3000psig)保持流體。組件406選擇性地與組件402和/或組件402和406之間的可選的額外氣缸組件流體連通，如省略號422所示。組件406與大氣排出口 420 (例如，圖1中的120、圖2中的223)選擇性地流體連通。
[0207]系統400可以經由組件406和402分階段地(stagewise)將大氣壓力下的空氣(經由排出口 420進入系統400)壓縮成用於存儲在庫412中的高壓。系統400也可以經由組件402和406分階段地將庫412中的空氣從高壓膨脹至低壓(例如大約5psig)，以通過排出口 420排出到大氣中。
[0208]如2011年4月6日提交的序列號為13/080，914的美國專利申請(』914申請)中所描述的(其全部內容通過引用包含於此)，在一組用於在高壓(例如大約3000psig)和低壓(例如大約5psig)之間膨脹和壓縮氣體的N個氣缸組件中，該系統可以包含處於高壓極限和低壓之間的N-1個壓力中間值的氣體。本文中，每個這樣的中間值壓力被稱為「中間壓力」。在示例性系統400中，N=2且N-1=I,從而在系統400中有一個中間壓力(例如，在膨脹時大約為250psig)。在系統的各種操作狀態中，中間壓力可以出現在串聯連接的氣缸組(例如組件402和406的氣缸)的任意一個室中，還可以出現在與這些室流體連通的任何閥、管道和其他設備中。在示例性系統400中，中間壓力(此處用「中間壓力P1」表示)主要出現在組件402和406之間的閥、管道和其他設備中。
[0209]組件402是高壓組件:即，組件402可以從庫412通入高壓氣體以將氣體膨脹至用於轉移給組件402的中間壓力PUP /或組件402可以從組件406通入中間壓力Pl的氣體以將氣體壓縮至用於轉移給庫412的高壓。組件406是低壓組件:即，組件406可以從組件402通入中間壓力Pl的氣體以將氣體膨脹至用於轉移給排出口 420的低壓，和/或組件406可以從排出口 420通入低壓氣體以將氣體壓縮至用於轉移給組件402的中間壓力P1。
[0210]在系統400中，延伸的氣缸組件402經由中間壓力組件414與延伸的氣缸組件406連通。此處，「中間壓力組件」包括設置成與氣體通過或進入其中的閥、管道、室和其他部件流體連通的氣體庫，或實質上由其組成。庫中的氣體大約處於將提供特定中間壓力組件的中間壓力。庫足夠大以使得 中間壓力氣體的體積大致等於與庫流體連通的閥、管道、室和其他部件內的體積，氣體可以進入或離開庫，而不會大幅度改變其壓力。此外，中間壓力組件可以提供脈動阻尼、額外的傳熱能力、流體分離和/或容納一個或多個傳熱子系統(例如子系統408和/或408的部分或全部)。如』 914申請中所述，中間壓力組件可以大幅降低使用氣動缸組件的系統(例如圖4中的系統400)的不同部件中的死區的量。死區的減少能夠增加整個系統的效率。
[0211]可選地或結合地，繞過中間壓力組件414的管道和閥(圖4中未示出)可以使得流體直接在組件402和組件406之間通過。閥416、418、424和426控制組件402、406、412和414之間的流體通路。
[0212]控制系統428 (例如，圖1中的122、圖2中的226、圖3中的362)可以基於來自組件402和406、中間壓力組件414、存儲庫412、熱井410、傳熱子系統404、408和/或環境周邊系統420的各種系統輸入(例如，壓力、溫度、活塞位置和/或流體狀態)對例如控制系統400的所有閥的操作進行控制。
[0213]對於足夠熟悉氣動機器領域的人員來說顯而易見的是，可以設計出類似於系統400但不同之處在於結合了一個、兩個或更多個中間壓力延伸的氣缸組件的系統，而不需要額外的過度實驗。同時還顯而易見的是，本文中涉及系統400的所有標記可以應用到這種N氣缸系統中，而不需要大幅修訂，如省略號標記422所示。儘管在本文中未進一步討論，但這樣的N氣缸系統是容易設想的並且在本發明的範圍之內。如』 678專利中所示和所描述的，N個適當大小的氣缸(其中N ^ 2)可以將原始(單氣缸)操作流體壓力範圍R降至R"N，並且，與作用在單氣缸系統中的力的範圍相比，還相應地降低作用在N氣缸系統中的每個氣缸上的力的範圍。』 678專利中列出的這種優勢以及其他優勢可以在N氣缸系統中實現。此外，多個相同的氣缸可以並聯添加並附接到與氣缸組件402、406共有或分離的驅動機構(未示出)，如省略號標記432、436所示，使得可以實現更高的功率和空氣流動速率。
[0214]圖5是系統500的部件的示意圖，系統500用於利用根據本發明實施方式的氣動缸502 (以部分橫截面示出)實現用於能量存儲和恢復的氣體的大致等溫的壓縮和膨脹。氣缸502通常包含可滑動地布置的活塞504，該活塞504將氣缸502分成兩個室506、508。庫510包含高壓(例如3000psi)的氣體；庫510也可包含一定量的熱交換液體512。熱交換液體512可以包含添加劑，該添加劑增大了液體產生泡沫的傾向(例如，通過降低液體512的表面張力)。添加劑可以包括表面活性劑(例如磺酸鹽)、潤滑液的微乳液，潤滑液例如礦物油、諸如乙二醇的試劑溶液(例如丙二醇)或可溶合成物(例如乙醇胺)。可以添加諸如磺酸鹽的起泡劑(例如，諸如可商購於伊利諾斯州的Stepan公司的Bio-Soft D_40的直鏈燒基苯磺酸鹽)，或者可以使用可商購的起泡濃縮液，例如消防泡沫濃縮液(例如，可商購於德克薩斯州ChemGuard公司的含氟表面活性劑產品)。這些添加劑用於降低水的液體表面張力並在噴灑時導致大量泡沫。可商購的流體可以以大約5%的水溶液使用，例如部分由礦物油的微乳液組成的Mecagreenl27 (可商購於密西根州的Condat公司)以及部分由可溶乙醇胺組成的Quintolubric807_WP (可商購於賓夕法尼亞州的Quaker化學公司)。可以以更高的濃度(例如50%的水溶液)使用其他添加劑，包括部分由丙二醇組成的Cryo-teklOO/Al (可商購於新澤西州的Hercules化學公司)。還可以進一步改良這些流體以增強噴灑時的起泡並且當處於庫中時加快消泡。
[0215]泵514和管道516可以將熱交換液體運輸到本文稱之為「混合室」的設備518。來自庫510的氣體也可以(經由管道520)運輸到混合室518。在混合室518內，泡沫生成機構522將來自庫510的氣體和由管道516傳輸的液體組合，以在混合室518內形成一定級別(即，氣泡大小差異、平均氣泡大小、含氣率)的泡沫524，本文稱之為泡沫A。
[0216]混合室518可以包含篩526或其他機構(例如超聲源)來使泡沫結構發生改變或均質化。舉例來說，篩526可以位於混合室518的出口處或其附近。已經穿過篩526的泡沫可以具有與泡沫A不同的氣泡尺寸和其他特點，在本文中稱為之氣泡B(528)。在其他實施方式中，篩526被省略，從而泡沫A在沒有刻意改變的情況下被傳輸到室506中。
[0217]混合室518的出口經由管道530連接到氣缸502中的埠，該埠上裝有閥532(例如，提升閥)，該閥允許流體從管道530進入氣缸502的上部室(空氣室)506。閥(未示出)可以控制來自庫510的、通過管道520至混合室518的氣體以及來自混合室518、通過管道528至氣缸502的上部室506的氣體的流動。另一閥534 (例如提升閥)允許上部室506與系統500的其他部件連通，其他部件例如額外的分離器設備(未示出)、另一氣缸的上部室(未示出)或至環境大氣的排出口(未示出)。
[0218]庫510的容積可以相對於混合室518和氣缸502的容積較大(例如,至少大約大四倍)。泡沫A和泡沫B優選地是在系統500的常規循環操作的所有時間尺度或部分時間尺度上靜態穩定的泡沫:例如，對於120RPM的系統(即，每轉0.5秒),泡沫可以在5.5秒之後或在比旋轉時間大約大五倍的時間之後基本保持不變(例如少於10%的析液)。
[0219]在存儲在庫510中的氣體膨脹以釋放能量的程序的初始操作狀態中，閥532打開，閥534關閉，而活塞504接近氣缸502的上止點(即，朝著氣缸502的頂部)。來自庫510的氣體被允許流過管道520至混合室518，而來自庫510的液體通過泵514被泵入混合室518中。由此傳輸到混合室518的氣體和液體通過泡沫生成機構522組合以形成泡沫A (524)，該泡沫A部分或絕大部分地填充混合室518的主要腔室。離開混合室518的泡沫A穿過篩526，由此變為泡沫B。壓力與存儲在庫510中的氣體的壓力大致相同的泡沫B穿過閥532進入室506。在室506中，泡沫B對活塞504施加力，該活塞可以通過杆536與氣缸502外部的機構(例如，未示出的發電機)連通，該杆536連接到活塞504並且可以滑動地穿過氣缸502的下端帽。
[0220]隨著活塞504和杆536向下移動，室506中的泡沫的氣態組分膨脹。在活塞504的向下運動的某一點上，氣體流從庫510進入混合室518並且隨後(作為泡沫B的氣態組分)進入室506的過程可以通過閥(未示出)的適當操作而結束。隨著室506中的泡沫的氣態組分的膨脹，根據理想氣體定律，其將趨向於(除非向其轉移熱量)溫度降低；然而，如果室506中的泡沫的液態組分的溫度比室506中的泡沫的氣態組分的溫度高，則熱量將趨向於從液態組分轉移至氣態組分。因此，隨著氣態組分膨脹，室506中的泡沫的氣態組分的溫度將趨向於保持恆定(大致等溫)。
[0221]當活塞504接近氣缸502的下止點時(即，已經向下移動到大約其運動極限)，閥532可以關閉，而閥534可以打開，允許室506中膨脹的氣體從氣缸502通到系統500的一些其他部件中，例如排出口或用於進一步膨脹的另一氣缸的室中。
[0222]在一些實施方式中，泵514是變速泵，即，其可以操作成以較低速率或較快速率將液體512從庫510轉移到泡沫生成機構522中，並且可以對來自控制系統(未示出)的信號做出響應。如果泵514將液體512轉移至泡沫機構522的速率相對於氣體通過管道520從庫510傳輸到機構522的速率增加了，則由機構522產生的泡沫的含氣率可以降低。如果機構522生成的泡沫(泡沫A)具有相對較低的含氣率，則傳輸至室506的泡沫(泡沫B) —般也將趨向於具有相對較低的含氣率。當泡沫的含氣率較低時，更多的泡沫由液體組成，因而在泡沫的氣態和液態組分達到彼此之間的熱平衡(即，相對溫度不再改變)之前，可以在氣態組分和泡沫的液態組分之間交換更多的熱量。當處於相對較高的密度(例如，環境溫度、高壓)的氣體從庫510轉移到室506中時，生成具有較低含氣率的泡沫可能是有利的，從而使得泡沫的液態成分與泡沫的氣態成分交換相對較大量的熱能。
[0223]本文中後續附圖中所示的所有泵也可以是變速泵，並且可以基於來自控制系統的信號被控制。來自控制系統的信號可以基於來自壓縮和/或膨脹的一個或多個先前循環的系統性能(例如，氣體溫度和/或壓力、循環時間，等)測量值。
[0224]本發明的實施方式增加了系統500的效率，該系統500用於通過使給定量的熱交換液體512的表面積大幅增加(相應地使在氣缸502內經歷膨脹或壓縮的液體512和氣體之間的傳熱更快)利用壓縮氣體來存儲和恢復能量，其能量投入比增加液體表面積的替代方法(例如，將液體512轉換為噴霧)所需的能量要小。
[0225]在其他實施方式中，庫510是分離器，而不是如圖5所示的高壓存儲庫。在這些實施方式中，提供了未在圖5中示出的管道、閥和其他部件，以允許分離器與高壓氣體存儲庫和混合室518流體連通。將參考圖9描述和示出這種類型的布置。
[0226]圖6是系統600的部件的不意圖,系統600用於利用根據本發明實施方式的氣動缸604 (以部分橫截面示出)實現用於能量存儲和恢復的氣體的大致等溫的壓縮和膨脹。系統600類似於圖5中的系統500，除了系統600包括旁路管道638以外。此外，圖6中明確示出了兩個閥640、642。旁路管道638可以如下使用:(I)當氣體從存儲庫610中釋放時，與混合室618中的熱交換液體612混合，並且傳輸至氣缸604的室606 (將在其中膨脹)，閥640將關閉而閥642打開；(2)當氣體已經在氣缸604的室606中被壓縮並且將被傳輸至庫610中以進行存儲時，閥640將打開而閥642關閉。穿過閥640和旁路管道638的流體所遇到的阻力將比穿過閥642和篩626並圍繞泡沫生成機構622的流體所遇到的阻力更小。在其他實施方式中，省去了閥624，允許流體利用混合室618呈現的較高阻力而通過旁路管道638，並且閥640是止回閥，當氣體在膨脹模式中釋放時，該止回閥防止流體流動。流體從室606經由較低阻力路徑(B卩，旁路管道638)至庫610的流動的方向將趨向於導致在這種流動期間的較小的摩擦損失，由此使系統600的效率較高。
[0227]在其他實施方式中，庫610是分離器，而不是如圖6所示的高壓存儲庫。在這些實施方式中，提供了未在圖6中示出的管道、閥和其他部件，以允許分離器與高壓氣體存儲庫以及混合室618和旁路管道638流體連通。
[0228]圖7是系統700的部件的示意圖，系統700用於利用根據本發明實施方式的氣動缸702 (以部分橫截面示出)實現用於能量存儲和恢復的氣體的大致等溫的壓縮和膨脹。系統700類似於圖5中的系統500，除了系統700省去了混合室518，取而代之的是在存儲庫710內生成泡沫。在系統700中，泵714將熱交換液體712循環至庫710內的泡沫生成機構722 (例如，一個或多個噴嘴)。庫710可以通過泵714和機構722部分地或完全地由初始或原始性質的泡沫(泡沫A (724))填充。庫710可以經由管道720與氣缸702中的閥控埠 744流體連通。閥(未示出)可以控制管道720中的流體的流動。圖7中示為位於管道720內但可位於庫710和氣缸702的室706之間的流體流路徑上的任何位置的可選的篩726 (或其他合適的機構，例如超聲源)用於將泡沫A (724)改變為泡沫B (728)，調節諸如氣泡尺寸變化和平均氣泡尺寸的性質。
[0229]在其他實施方式中，庫710是分離器，而不是如圖7所示的高壓存儲庫。在這些實施方式中，將提供了未在圖7中示出的管道、閥和其他部件，以允許分離器與高壓氣體存儲庫和氣缸702流體連通。在其他實施方式中，類似於圖6所示的旁路管道被添加到系統700中，以允許流體從氣缸702通入到庫710中，而不會通過篩726。
[0230]圖8是系統800的部件的示意圖，系統800用於利用根據本發明實施方式的氣動缸802 (以部分橫截面示出)實現用於能量存儲和恢復的氣體的大致等溫的壓縮和膨脹。系統800類似於圖5中的系統500，除了系統800省去了混合室518，取而代之的是在氣缸802的空氣室806內生成泡沫。在系統800中，泵814將熱交換液體812循環至位於室806內或與室806 (例如通過埠)連通的泡沫生成機構822 (例如，注入氣缸中和/或注射到允許空氣穿過的篩上的一個或多個噴嘴)。室806可以通過泵814和機構822 (並且利用從庫810經由管道820穿過埠 844供應的氣體)由泡沫部分地或基本上完全地填充。庫810可以經由管道820與氣缸802中的閥控埠 844流體連通。閥(未示出)可以控制管道820中的流體的流動。
[0231]圖9是系統的部件的示意圖，系統用於利用根據本發明實施方式的兩個氣動缸階段902、904 (以部分橫截面示出)實現用於能量存儲和恢復的氣體的大致等溫的壓縮和膨脹。高壓氣缸902可以與第一分離器906和/或第二分離器908流體連通；低壓氣缸902可以與第二分離器908和/或第三分離器910流體連通。第一分離器906可以與高壓氣體存儲庫(未示出)流體連通。第三分離器910可以與允許空氣與環境交換的排出口(未示出)流體連通。在第一分離器906和高壓氣缸902之間、或在高壓氣缸902和第二分離器908之間、或在第二分離器908和低壓氣缸904之間、或在低壓氣缸904和第三分離器910之間傳遞的流體可以通過混合室912、914、916、918或旁路管道920、922、924、926。用於控制高壓庫、排出口、氣缸902、904、混合室912、914、916、918和旁路管道920、922、924、926之間的流體連通的布置可以包括閥、管道和圖9中未示出的其他部件。在各種實施方式中，旁路管道920、922、924、926和/或圖9中未示出的額外旁路管道可以允許流體繞過分離器906、908、910。
[0232]在存儲的氣體的膨脹期間，氣體可以首先在高壓氣缸902中部分地膨脹，允許其潛在的彈性能量中的一些由氣缸902外部的機構(未示出)恢復，並且隨後，在低壓氣缸904中進一步膨脹，允許其潛在的彈性能量的剩餘部分中的大部分或基本上全部被恢復。在為存儲而壓縮氣體期間，氣體可以在低壓氣缸904中部分地被壓縮，隨後在高壓氣缸902中進
一步被壓縮。
[0233]系統900包括類似於圖5和/或圖6所示的布置，用於利用泡沫實現氣體的大致等溫的壓縮和膨脹，從而輔助氣體和熱交換液體之間的熱交換。
[0234]三個分離器中的每一個(例如，第一分離器906)可包含隔板(例如隔板928)或其他內部機構，以支持流體泡沫分解或分離成其氣態和液態組分。可以在分離器中使用支持泡沫分解的其他技術(未示出)，例如:噴灑到泡沫中，或機械地剪切泡沫。分離的液體930、932、934可以通過泵936、938、940、942傳輸至混合室912、914、916、918 (它們優選地具有構成一體的篩)以用於形成新鮮泡沫。
[0235]閥944、946、948、950、952、954、956、958 可以通過混合室 912、914、916、918 或旁路管道920、922、924、926用於分離器906、908、910和氣缸902、904之間的直接液體傳遞。在氣缸902,904中，閥964、966、968和970 (例如提升閥)控制流體的入口和出口。優選地，泵936、938、940、942僅當泡沫將在其各自的混合室912、914、916、918中生成時才運行。
[0236]一般而言，待傳輸到氣缸902、904的空氣室960、962 (在其中膨脹或壓縮)的氣體經過混合室，從而與熱交換液體起泡沫，使得能夠在以大致等溫過程為目的的膨脹或壓縮期間在液體和氣體之間發生熱交換。
[0237]在存儲在高壓庫(未示出)中的氣體在系統900中膨脹以釋放能量的程序的初始操作狀態中，高壓氣缸902的活塞972可以大致處於上止點，低壓氣缸904的活塞974可以處於下止點(儘管相對活塞位置972和974可以任意分階段)，並且低壓氣缸904的上部室962完全地或部分地由低壓泡沫填充；在膨脹模式中，可選的旁路閥944和952關閉，而可選的旁路閥948和956打開，允許流動通過混合室912和916以及可選的閥946和954，但通過關閉可選的閥950和958而使流動繞過混合室914和918。高壓的氣體被允許從高壓庫中流出，穿過分離器906並且進入混合室912，氣體在混合室912中與熱交換液體930組合以形成泡沫。在可選地通過混合室912內的篩之後，這種泡沫流動通過閥946和閥964，進入高壓氣缸902的室960中，泡沫部分地或大部分地填充該室960。在室960中，泡沫對活塞972施加力，該活塞972可以與氣缸902外部的機構連通。[0238]隨著活塞972向下移動，室960中的泡沫的氣態組分膨脹。在活塞972的向下運動的某一點上，氣體流從存儲庫經由分離器906進入混合室912並且隨後(作為泡沫的氣態組分)進入室960的過程可以通過閥964的關閉而結束。如在圖5中的系統500的氣缸中膨脹泡沫一樣，隨著氣態組分膨脹，室960內的泡沫的氣態組分的溫度將趨向於保持恆定(大致等溫)。
[0239]低壓氣缸904的活塞974可以與上述的活塞972的向下運動同時從下止點向上移動，通過旁路閥956和管道926將室962內的低壓泡沫逐入到分離器910中。在分離器910中，泡沫的液態組分作為液體934的主體沉降和聚積。從室962傳遞到分離器910的泡沫的氣態組分隨後離開分離器至外部排出口(未示出)並且被釋放到環境中。還可以包括用於加快泡沫沉降至分離的液體和氣體的時間和用於將液體從排出的空氣中移除的額外機構(未示出)。簡言之，高壓氣缸902可以執行進氣衝程，而低壓氣缸904執行排氣衝程。
[0240]當高壓氣缸902的活塞972到達氣缸902的下止點並且活塞974到達低壓氣缸904的上止點時，高壓氣缸902的室960包含中間壓力的氣體(例如，300psi )。隨後，閥966可以打開，而高壓氣缸902的活塞972可以開始向上移動，並且閥968可以打開，而低壓氣缸904的活塞974可以開始向下移動。同時，泵940運行，將熱交換液體932傳輸至混合室916中以形成泡沫。在這些條件下，中間壓力的氣體從高壓氣缸902的室960流動通過旁路管道922並且進入分離器908中。由於氣缸902和904不需要是異相的，因此在異相方案中，中間壓力的氣體從分離器908流動通過混合室916，並且(與熱交換液體形成成泡沫)進入低壓氣缸904的室962中，由此其對向下移動的活塞974做功。簡言之，高壓氣缸902可以執行排氣衝程，而低壓氣缸904執行進氣衝程。
[0241]對足夠熟知氣動和液壓機領域的技術人員來說顯而易見的是:上述的一系列操作可以循環地重複，以大致等溫的方式膨脹存儲的任意期望量的氣體。還顯而易見的是，系統900可以假定一系列的操作狀態來等溫壓縮通入排出口的氣體，並且將壓縮的氣體遞送到高壓存儲庫中，並且該系列的狀態也可以循環地重複，將任意期望量的氣體壓縮以進行存儲。這些操作(以及結合圖9描述的那些操作)可以通過更多的氣缸來進行；多個氣缸或可以並行地膨脹或壓縮氣體，或者三個或更多個階段(一個或多個氣缸中的每一個)可以用於連續地膨脹或壓縮氣體。
[0242]一般來說，在壓縮和膨脹期間，系統900可以操作成使得從氣缸排出的流體將流經旁路管920、922、924、926，並且由氣缸帶入的流體將流經混合室912、914、916、918，從而泡沫可以通入到空氣室960、962中。此外，混合室912、914、916、918內部的篩(或其他適當的泡沫改變機構)和泵936、938、940、942可以以使系統900的效率最優化(例如，處於最小壓降的連續流)的方式操作。混合室可以用於細霧滴噴霧，而不是一些或所有混合室中的泡沫混合，例如，低壓室918可以用於使室內的空氣中的小液滴(例如，100微米的平均直徑或更小)的霧懸浮，由此其他室912、914、916可以用於生成水基泡沫的懸浮液。混合室912、914、916、918中的一些或全部可以由如圖8所示的至氣缸中的直接注入替代。直接注入泡沫生成器(例如圖8中的822)中的一些或全部可以由諸如噴嘴陣列的直接注入噴霧生成器替代，舉例來說，低壓氣缸904中的直接注入機構(未不出)可以用於使小液滴(例如100微米的平均直徑或更小)的霧懸浮，由此高壓氣缸902中的直接注入機構(未示出)可以用於生成水基泡沫。氣缸902和/或904可以具有兩個直接注入機構,一個用於壓縮,一個用於膨脹，並且這樣的一個機構可以用於噴霧，一個用於泡沫生成。
[0243]圖10是利用不具有起泡添加劑的自來水噴霧的氣體膨脹過程的等溫效率的實驗數據的圖。圖10中繪製的所有膨脹都始於3000psig，而結束於250psig，並且發生在內部直徑為8英寸、衝程長度為52英寸的10加侖氣缸中。每個符號(即，圓形、三角形或方形)描繪了結合有氣缸的能量轉換系統的單次運行的等溫效率。圖10中描繪了三種不同輸出功率(37kW、50kW和70kW)時的膨脹。垂直軸對應於膨脹的等溫效率，即，在單次實際膨脹期間提取的能量與理論上可通過等溫膨脹從給定量氣體中提取的能量之比的分數。溫度降低的膨脹產生的能量一般比理想等溫膨脹少，因此使得等溫效率低於100%。例如，在同一壓力範圍內的絕熱膨脹將產生理想等溫膨脹的能量的大約50%，因此，具有大約50%的等溫效率。
[0244]在其等溫效率在圖10中繪出的膨脹中，在膨脹起始時，熱交換噴灑開始，並且在膨脹氣體到達預定閾值壓力或「噴灑終止壓力」時停止。圖10的水平軸對應於這種噴灑終止壓力。由於起始氣體壓力對於圖10中的所有膨脹都一樣，因而在稍後的時間中趨向於在氣缸中達到較低的壓力；因此，對於每個輸出功率水平而言，較低的噴灑終止壓力(水平軸向左)通常對應於較長的噴灑周期(噴灑時間增加)。
[0245]如圖10所示，並且由標記為「增加噴灑時間」的箭頭突出表示的那樣，對於這種實驗設置並且利用不含起泡添加劑的自來水作為熱交換噴灑液體而言，效率有明顯的隨著噴灑終止壓力而下降(即，隨著噴灑時間而增加)的趨勢。在不限制本發明的範圍的情況下，這種趨勢的原因據信為:僅當液體和氣體以大表面積彼此接觸時，氣缸內的熱交換液體和氣體之間的傳熱才以顯著的速率發生。對於非泡沫噴霧來說，僅當生成噴霧且液滴落入氣體中時，液體和氣體才以大表面積接觸。在停止生成噴霧之後，熱交換很快大幅減慢。因此，在整個膨脹期間或在膨脹的大部分期間噴灑允許更接近於等溫膨脹，因此允許更高的等溫效率。
[0246]圖11是利用按體積算含2.5%的起泡添加劑(在該示例性實驗中，至少部分地包括乙醇胺)的自來水的噴霧的氣體膨脹過程的等溫效率的實驗數據圖。該圖的軸與上文中圖10中描述的相同。圖11中描繪了兩種不同輸出功率(50kW和70kW)時的膨脹。
[0247]如圖11所示，並且如標記為「增加噴灑時間」的箭頭突出表示的那樣，至少對於這種實驗設置並且利用含2.5%的起泡添加劑的自來水作為熱交換噴霧液體而言，效率有輕微的(如果有的話)隨著噴灑終止壓力而增加(即，隨著噴灑時間而降低)的趨勢。此外，利用起泡熱交換噴灑獲得的等溫效率趨向於高於利用非起泡噴灑所獲得的等溫效率(圖10)。在不限制本發明的範圍的情況下，這種趨勢的物理基礎據信為:對於起泡噴灑來說，液體和氣體不僅僅在主動生成噴霧時以大表面積接觸，而是只要最終的液氣混合物基本上作為泡沫存留在氣缸內，液體和氣體就以大表面積接觸。因此，在停止生成噴霧之後，可以繼續顯著的熱交換。對於用在實驗(其結果在圖11中繪出)中的2.5%的水和添加劑的混合物而言，在噴霧出現之後，氣缸內的膨脹室的全部容積很快(即，只佔膨脹衝程時間的小部分)由泡沫填充。較長的噴灑時間(較低的噴灑終止壓力)可以與較低的等溫效率有關，這是因為它們消耗了額外的能量，而產生相對較少的額外傳熱。因此，在涉及圖11中繪出的數據的實驗條件下，在最短噴灑期間實現了最高效率的循環。特別地，在圖11所示的條件下實現的最聞效率(大約97%)聞於在圖10所不的條件(即，利用非起泡噴霧)下實現的最聞效率(大約95.6%)。利用較大或較小濃度的一種或多種起泡添加劑(例如，除了用在該示例性實施方式中的添加劑之外的添加劑)，可以觀察到其他趨勢:例如，在添加劑濃度極低時，起泡可能很輕微以致於不會產生在2.5%濃度時觀察到的效果，在此種情況下，可以獲得與圖10更相似的數據。
[0248]圖12是利用不具有起泡添加劑的自來水噴霧的氣體壓縮過程的等溫效率的實驗數據的圖。圖12中繪製的所有壓縮都始於250psig，而結束於3，000psig，並且發生在內部直徑為8英寸、衝程長度為52英寸的10加侖氣缸中。每個符號(即，菱形、方形或三角形)描繪了能量轉換系統的單次運行的等溫效率。圖12中描繪了三種不同輸出功率(37kW、50kW和70kW)時的壓縮。垂直軸對應於壓縮的等溫效率，即，通過等溫壓縮將給定量的氣體壓縮至特定體積(從給定的起始壓力和體積)所需的能量與將相同量氣體壓縮至相同體積的實際測得能量之比的分數。溫度增加的壓縮需要的能量一般比理想等溫壓縮多，因此使得等溫效率低於100%。例如，將10加侖250psig的氣體絕熱壓縮成2加侖的體積通常需要理想等溫壓縮成相同體積所需能量的大約170%，因此，等溫效率大約為60% (即，100/170)。
[0249]在其等溫效率在圖12中繪出的壓縮中，在壓縮起始時，熱交換噴灑開始，並且在某個預定閾值壓力或「噴灑終止壓力」時停止。圖12的水平軸表示這種噴灑終止壓力。由於起始和終止氣體壓力對於圖12中的所有膨脹都一樣，因而在較早的時間中在氣缸中達到較低的壓力；因此，較低的噴灑終止壓力(水平軸向左)對應於較短的噴灑周期(噴灑時間降低)。
[0250]如圖12繪出的數據所示，並且由標記為「增加噴灑時間」的箭頭突出表示的那樣，利用不具有起泡添加劑的自來水作為熱交換噴灑液體，效率趨向於隨噴灑終止壓力而增加(即，隨著噴灑時間而增加)，直至大約2000psi的噴灑壓力。在不限制本發明的範圍的情況下，這種趨勢的物理基礎據信為:僅當液體和氣體以大表面積接觸時，氣缸內的熱交換液體和氣體之間的傳熱才以顯著的速率發生。對於非泡沫噴灑來說，僅當生成噴霧且其液滴落入氣體中時，液體和氣體通常才以大表面積接觸。因此，在停止生成噴霧之後不久，顯著的熱交換停止。在整個壓縮期間噴灑(或者，對於圖12中繪出的壓縮而言，在壓縮的大部分期間噴灑)允許更接近於等溫壓縮，因此允許更高的等溫效率。
[0251]圖13是利用按體積算含2.5%的起泡添加劑(即，用於生成圖11的數據的相同起泡添加劑)的自來水的噴霧的氣體壓縮過程的等溫效率的實驗數據圖。該圖的軸與上文中圖10、11和12中描述的相同。圖13中描繪了兩種不同輸出功率(50kW和70kW)時的壓縮。
[0252]如圖13繪出的數據所示，並且由標記為「增加噴灑時間」的箭頭突出表示的那樣，在該實驗系統中利用2.5%的起泡添加劑的自來水作為熱交換噴灑液體，等溫壓縮效率大致獨立於噴灑終止壓力。在不限制本發明的範圍的情況下，這種獨立的物理基礎據信為:對於起泡噴霧來說，液體和氣體不僅僅在正在生成噴霧時以大表面積接觸，而是只要液氣混合物以泡沫的形式存留在氣缸內，液體和氣體就以大表面積接觸。因此，在停止生成噴霧之後，繼續顯著的熱交換。對於用在實驗(其結果在圖13中繪出)中的2.5%的混合物而言，在噴灑開始之後，氣缸內的膨脹室的全部容積很快(即，只佔衝程的一小部分)由泡沫填充。在圖13所示的實驗條件下，在最短和最長噴灑周期的情況下實現最高效率的循環。特別地，在圖13所不的條件下實現的最聞效率(超過98%)聞於在圖12所不的條件(非起泡噴霧)下實現的最高效率(大約96%)。利用較大或較小濃度的一種或多種起泡添加劑，可以觀察到其他趨勢:例如，在濃度(或其他添加劑的其他濃度)極低時，起泡可能很輕微以致於不會產生在2.5%濃度時觀察到的效果，在此種情況下，可以獲得與圖12更相似的數據。
[0253]通過使用起泡噴霧液體以及利用相對較短的噴灑時間來實現高等溫效率具有下述優點:致力於噴灑生成的附加(parasitic)能量相對於更加長的噴灑周期而降低。在壓縮期間，與壓縮的後續部分中的壓力相比，噴灑的短的初始周期通常必須克服被噴灑的氣缸室中的低氣體壓力，這也節省了噴灑能量。在膨脹期間，當比室中的氣體溫度高的水總體被噴灑以實現等溫膨脹時，氣體處於初始壓力時的噴霧僅需要用於該初始壓力下的水(例如，圖3中的存儲庫320中的水)的小的壓力增加，並且因此僅需要低的泵功率；而如果水從該初始壓力(例如，存儲庫壓力)噴灑到低得多的氣缸壓力，則在噴灑過程中，在流體節流中可能損失能量。產生泡沫的添加劑可以同時地產生一種或多種其他好處，例如增加潤滑或防止腐蝕。
[0254]高能效地生成泡沫的其他考量是:(1)為了最小化跨壓差液體循環中的能量損失，泡沫是應該在進入用於壓縮或膨脹的氣動缸的空氣室之前(此處被稱為「預起泡」或「埠注入」方法)生成，還是應該直接進入氣動缸的空氣室(此外被稱為「即時起泡(foam-during)」或「直接注入」方法)；以及(2)泡沫的液氣質量比應該為多少才能最優化熱交換、泵能量和其他效率考量。圖5、6、7中所示的示例性系統是預起泡系統；圖8中所示的示例性系統是即時起泡系統。
[0255]圖14是在生成泡沫或起泡液或將其注入氣動缸的空氣室的過程中所計算的能量消耗作為時間的函數並將預起泡方法與即時起泡方法相比較的示意圖。通過液壓基本原理，起泡能量Wf_(即，在使用機械攪拌誘發泡沫的情況下，通過迫使起泡液通過將液體和氣體混合以形成泡沫的設備而產生給定量的泡沫所需的能量)由泡沫液體Vliquid乘以泡沫液體在其通過起泡設備過程時經歷的壓力變化APf_ing來確定:Wf_=VliquidX APf0amingo其中，Vliquid和APfoaming隨著時間變化，在給定時間間隔內的總起泡能量Wf_由VliquidX APfoaming在此間隔內的積分給出:Wf_= / VliquidX APf_ingdt (其中，積分範圍未明確指出)。如果Vliquid為常數並且APf_ing隨時間變化，則Wf_=VliquidX / APf0afflingdto對於給定量的氣體的給定氣液質量比來說，Vliquid是固定的；因此，為了最小化Wf_，平均APframing必須被最小化。
[0256]一般而言，對於即時起泡(即，直接注入)方法而言，Λ Pfoaming在氣缸組件內的整個活塞衝程中發生變化，這是由於APftaming由起泡液的源壓力和起泡液注入其中的氣體的壓力之間的差值給出。起泡液的源壓力一般大致是恆定的，而在氣缸組件內經歷壓縮或膨脹的氣體的壓力大幅改變。因此，例如在壓縮衝程期間在氣缸組件內的泡沫的形成使得起泡液進入到氣缸組件的空氣室的過程經受越來越大的壓差(Λ Pfoaming增大)。
[0257]在圖14的圖中，垂直軸「差分噴灑壓力」對應於APframing，並且水平軸對應於時間。在描繪Λ Pfoaming對時間關係曲線下方的面積是/ Δ Pf_ingdt。因此，由於Wfoam=VliquidX / APf0amingdt,如果Vliquid被假設為恆定，則給定氣體膨脹或壓縮過程的起泡能量Wf_將與該過程中Λ Pfoaming對時間曲線下方的面積成正比。
[0258]圖14中實線表示一定量氣體在大約Opsig開始的即時起泡(S卩，直接注入)壓縮的APf0amingo隨著氣缸組件的空氣室的壓力增加，APftjaming增加(在圖中的上升曲線)。如果在壓縮完成之後，在一段時期內泡沫繼續形成，則APftjaming將在該段時期內大致恆定(圖中從大約0.8單位時間至1.0單位時間的實曲線的平坦部分)。圖14的圖中實線之下的面積為f APf_ingdt;因此，通過Wf_=VliquidX / ΛPf_ingdt，該示例性壓縮過程的起泡能量Wftjam與實線之下的面積成比例。
[0259]類似地，圖14中虛線表示一定量氣體在大約Opsig開始的預起泡(即，埠注入)壓縮的AP—g。壓縮過程的氣體的量以及其他特徵與圖中實線表示的壓縮相同。在預起泡過程中，隨著待壓縮的氣體被通入到氣缸組件的空氣室中，泡沫以低壓生成。在預起泡過程的整個泡沫生成(圖中的水平虛線)過程中，APframing很低並且恆定。顯然，圖中虛線之下的面積(即，/ APfoamingdt,其等於該示例性預起泡壓縮過程的起泡能量Wf_)小於圖中實線之下的面積。因此，與可比較的即時起泡壓縮過程相比，預起泡壓縮過程的起泡能量^_較小。
[0260]對於泡沫在氣缸組件外部的泡沫生成器(例如，如圖5所示的)中形成的預起泡過程來說，生成的泡沫必須通過閥(例如提升閥)進入氣缸組件的空氣室中。無論是在壓縮期間還是在膨脹期間，通過閥進入氣缸組件的通路將為泡沫帶來一定的壓降，由此造成一定的能量損失。然而，控制流體從氣缸組件的空氣室進入或離開的閥(例如提升閥)兩端的壓降將一般低於 泡沫生成設備兩端的壓降。因此，一般而言，與即時起泡過程相比，預起泡過程將實現更低的能量損失，並且由此實現較高的效率。
[0261]此外，對於即時噴灑過程來說，不管是壓縮還是膨脹，泡沫的生成必須發生在這樣的時間段或時間間隔:其持續時間和時機由氣缸組件的動作來確定。對於預噴灑過程來說，可以連續地生成或再生成泡沫(例如，在大型泡沫生成器或連接到泡沫生成器的庫中生成)，而不僅僅在氣缸組件的每次壓縮或膨脹衝程期間才生成。與更快速的起泡相比，在較長時間期間內進行泡沫生成可能進一步降低Λ Pfoaming,從而能夠進一步提高效率。
[0262]圖15中的圖描繪了經歷一定範圍內的泡沫質量比的一組示例性壓縮過程和經歷一組示例性壓縮過程的泡沫的液態組分的計算得出的溫度變化。圖15的圖的垂直軸對應於經歷壓縮的泡沫的液態組分的溫度變化，圖的水平軸對應於經歷壓縮的泡沫的質量比，即，每單位體積泡沫的液體質量HV與每單位體積泡沫的氣體的質量Hla之間的比率。(質量比nv/ma不隨著壓力變化，除了由於氣態組分的一些部分可能溶解到液態組分中或從液態組分中蒸發，由此改變ma，或者由於液態組分的一些部分可能蒸發到氣態組分中或從氣態組分中凝結出來，由此改變mw。圖15中示例性圖忽略了溶解氣體和液態組分的汽液相變化的影響，這是因為這些影響相對較小。)
[0263]當包括可壓縮氣體和大致不可壓縮的液體，或大體上由它們組成的泡沫被壓縮時，泡沫的體積的變化是由於氣態組分的壓縮。如前所述，經過壓縮的氣體趨向於變熱。經過壓縮的泡沫的氣態組分的溫度上升會導致熱量轉移到泡沫的液態組分中。質量比mw/ma越大，可用於吸收每質量單位的氣體的熱能的液體質量越大，並且對於泡沫壓力的給定整體變化來說，液體的溫度T的最終變化越小。液體的最終T大體上是初始泡沫溫度、泡沫的氣態和液態組分的傳熱係數、氣體和液體的熱容量、泡沫質量比、泡沫起始壓力和泡沫最終壓力的函數。在圖15的圖中，僅有質量比和泡沫最終壓力發生變化。
[0264]經歷壓縮的各種假想泡沫的液態組分的溫度變化(AT)在圖15中的圖中由一系列曲線表示。示出了低壓氣缸(LP)和第二階段高壓氣缸(HP)的壓縮。對於LP氣缸來說，壓縮以大約Opsig的壓力開始(對於第一壓縮階段)，並且以大約ISOpsig (示出和標記為ιyΡ)的壓力結束。對於後續的高壓第二壓縮階段來說，示出了三種情形:(1)從ISOpsig至 850psig 的第一高壓(THP(P=85Qpsi))的壓縮，(2)從 180psig 至 3000psig 的第一高壓
(Thp (p=3000psi)
)的壓縮，以及(3)第一種情形和第二種情形的平均水平。為清楚起見，液體被假設成在假想壓縮所遇到的任何壓力和溫度條件下都不會沸騰或凍結。圖的第一(較低的)實線表示LP壓縮在一定範圍內的質量比mw/ma中的最終溫度；點線表示泡沫壓縮至850psig之後的最終液體溫度；虛線表示泡沫壓縮至3000psig之後的最終液體溫度並且，虛線和點線之間的實線表示850psig和3000psig的平均值的最終溫度。
[0265]圖15中的所有四條曲線都具有大致雙曲線的特性，隨著nv/ma接近於零而達到絕熱條件，隨著mw/ma接近於無限大而達到O。對於足夠熟悉熱力學、液體和混合相系統的原理的技術人員來說顯而易見的是:由於將會遇到的溫度極限，低nv/ma (接近O)是不期望的。高溫度可能導致液體沸騰(例如，當液體與泡沫分離並且其壓力降低時)，從而破壞表面活性劑的化合物，或者導致其他不期望的效應。類似地，大的mw/ma (接近無限大)需要泵出較大比例的未存儲壓力勢能的液體 ；此外，隨著mw/ma增加，會不再能夠保持「泡沫」，而是產生一定量的其中存在氣泡的液體。在過高mw/ma的其他缺陷中，活塞將僅能夠實現這種混合物的輕微壓縮。在工作流體(例如兩相混合物)不是可被大幅壓縮的情況下，壓縮氣體能量存儲系統的高效運行一般是不可行的，因此，圖15的圖支持下述結論:當用在壓縮氣體能量存儲系統中時，具有適當質量比mw/ma (例如在1/^=2附近)的泡沫可能是最高效的。例如，這樣的質量比包括1-4的質量比，更優選地，1.5-3的質量比。
[0266]在壓縮氣體能量存儲系統中使用兩種流體相(例如,泡沫中的液體和氣體)可能需要存儲液體和壓縮氣體(要麼混合成泡沫，要麼分離成液體、泡沫和氣體成分)，儘管只有壓縮氣體存儲明顯的壓力勢能。液體的存儲會構成能量存儲系統的額外或寄生成本；如果存儲了過量的熱交換液體，則可能降低能量存儲系統的成本效益。對於大量壓縮氣體的存儲而言，存儲成本甚至可能佔系統總成本的大部分，在這種情況下，存儲大量液體的成本可能過高。圖16的圖示出了作為氣體存儲體積的分數的額外的液體體積(即，液體與氣體存儲在壓力存儲庫中的兩相系統的額外存儲體積相對於僅氣體的存儲庫中的存儲庫體積)，該分數作為最高壓力為3000psig的壓縮氣體能量存儲系統的泡沫質量比的函數。質量比為O時，沒有液體存儲。質量比為5時，必須存儲比氣體體積多大約1.2倍的液體體積。質量比大約為2時，必須存儲的液體的體積為必須存儲的氣體量的大約一半。類似於圖15，圖16支持下述結論:在2附近的質量比有可能支持高效的、節約成本的壓縮氣體能量存儲系統的運行。
[0267]圖17是在大約3000psig和大約250psig之間的快速氣體膨脹期間維持大致等溫的氣體循環時，將水基泡沫和液滴噴霧的能量性能相比的實驗數據圖。示出了發生在高壓測試站中的等溫氣體膨脹的數據。圖中的每個符號代表單次等溫膨脹。在這些實驗中通過四種方法來實現液體和氣體之間的熱交換:(1)在壓縮期間將水液滴噴灑到氣體中(實心圓)，(2)在膨脹之前將水液滴噴灑到氣體中(實心三角形)，(3)在膨脹期間將水基泡沫噴灑到氣體中(空心圓)以及(4)在膨脹之前將水基泡沫噴灑到氣體中(空心三角形)，這種方法也被稱為「泡沫預噴灑」。
[0268]圖17中的垂直軸是等溫效率，即，由膨脹氣體做的功除以理想等溫膨脹所期望做的功。圖17中的水平軸是相對噴灑功，即產生液滴或泡沫(例如，通過迫使液體通過噴頭)的噴霧所需要的功除以膨脹期間氣體做的總功。例如，在給定的膨脹實驗中，如果等溫膨脹氣體做了 300kJ的功，並且產生在該膨脹期間生成的泡沫所需的功為3kJ，則該實驗的相對噴灑功為0.01(3kJ除以300kJ)。期望較低的相對噴灑功，因為它增加了整體系統效率；噴灑功大體上是等溫能量存儲和恢復系統的寄生負載。噴灑泵功與噴灑量和壓降的積有關，並且噴灑泵功是迫使流體通過(例如)管道和噴嘴以生成高質量噴霧或水基泡沫所需要的功，這種高質量噴霧或水基泡沫通過最大化液體和氣體之間的表面積和接近程度促進了噴霧的液體與膨脹或壓縮氣體之間的快速傳熱。
[0269]在圖17中通過將數字與繪製的實驗點關聯而指明了泡沫預噴灑實驗(空心三角形)的第三實驗變量。各個預噴灑點旁邊的數字指明了該實驗的泡沫質量比。此處，泡沫質量比被限定為在給定體積的水基泡沫中液體質量與氣體質量的比率。例如，如果一立方米的給定泡沫包含2kg的液體和Ikg的氣體，則該泡沫的質量比為2.0(2kg除以1kg)。可以為圖中所有點指出質量比，但為簡便起見，僅示出了泡沫預噴灑的質量比。
[0270]圖17的圖支持關於用於在等溫壓縮氣體能量存儲和生成系統中傳熱的泡沫的使用的若干說法。首先，與水噴霧技術相比，在類似的一組實驗條件下，利用泡沫預噴灑可以實現較高的等溫效率(例如，等溫效率提高大約2-5個百分點)。(圖15中的圖也支持這種說法。)其次，多數泡沫預噴灑實驗具有低相對噴灑功和高等溫效率:注意到，集結在相對噴灑功0.02附近的泡沫預噴灑實驗點和集結在0.92和0.95之間的等溫效率的集群。第三，在大多數情況下，通過相對低的質量比(1.8-5.5)利用泡沫預噴灑實現相對高的等溫效率(大約0.94);同樣地，注意到相對噴灑功0.2附近、等溫效率0.92-0.95的集群。
[0271]泡沫包含大液氣表面接觸面積，有助於兩相(液相和氣相)之間的傳熱。與基於非泡沫的技術(例如，液滴噴霧)相比，在等溫氣體膨脹或壓縮期間使用泡沫來傳熱提供了眾多優勢。這些優勢包括下述各項:(1)對於給定的液氣表面接觸面積(以及相應的傳熱率)，通常可以利用比噴霧明顯少的能量來生成泡沫。(2)可以有利地添加到熱交換液體中的抗腐蝕和/或其他試劑可能具有固有的表面活性劑(起泡)屬性。因此，可以利用僅包含一些添加劑(或僅一種)的熱交換液體實現許多優勢(包括用於傳熱的起泡)。(3)液滴趨向於使氣體快速下沉(如雨般落下，rain out)，而泡沫可以相對持久，這取決於表面活性劑或負責起泡行為的其他物質的性質。因此，不像液滴，無論氣體正在氣缸室內經歷膨脹或壓縮時，還是在氣體轉移到室中之前和/或同時，泡沫都可以注入到氣體中。因此，例如與將噴頭置於氣缸中以生成液滴噴霧相比，泡沫生成可以位於氣缸的外部。在氣缸外部生成泡沫具有若干優勢，包括增加氣缸內部容積並且放寬泡沫生成機構的尺寸限制。將泡沫生成置於氣缸的外部也使得能夠進行連續或間歇的泡沫生成，不一定與氣缸的操作同步，而氣缸內的泡沫或噴霧生成趨向於與氣缸的操作同步。在將氣體通入氣缸室期間或之前，可以將一定量的起泡液添加到一定量的氣體中，利用泡沫基本上填充氣缸室。隨著氣體在氣缸室中膨脹或壓縮，泡沫被相應地膨脹或壓縮，在整個膨脹或壓縮期間繼續基本上填充氣缸室。本文中，我們假定使用相對於氣缸衝程時間持久的泡沫，即，不隨著給定系統中的壓縮和膨脹的時間尺度而明顯消耗的泡沫。通過使得氣相和液相之間的傳熱發生在整個膨脹或壓縮期間，在整個膨脹或壓縮期間的泡沫持久性有助於等溫性。(4)在結果示於圖17中的實驗中，僅泡沫實驗同時實現了高等溫效率、低相對噴灑功和低質量比:具有最高等溫效率(大約0.935)的噴霧液滴實驗的質量比在10之上(圖中未示出)，相對噴灑功在大約0.035-0.095之間，而許多泡沫預噴灑實驗具有相當的或較高的等溫效率，相對噴灑功小於0.035，並且質量比為3.6-5.5。一般而言，與圖17的圖中示出的一系列實驗中調查的其他方法相比，泡沫預噴灑利用較低的質量比實現了較高的等溫效率和較低的相對噴灑功。較低的質量是有利的，這是因為對於給定的等溫效率和給定的起始壓力(在膨脹中)或終止壓力(在壓縮中)，在給定容積的氣缸中，與較高質量比相比，較低的質量比允許在單次循環中壓縮或膨脹更多的氣體，因為氣缸室中存在更少的不可壓縮液體和更多的氣體。每個氣缸循環中處理更多的氣體提高了整個系統的功率密度。較低質量比的額外優勢如下所述:在將流體注入到氣缸室或將流體從氣缸室逐出的過程中，通過閥出現壓降，同時伴隨有系統效率低下。對於通過閥的給定流速，壓降大約與穿過閥的流體的質量密度成比例。對於質量比較低的泡沫來說，泡沫的平均質量密度也較低。因此，對於質量比較低的泡沫來說，在使泡沫流入或流出氣缸期間的節流損失也較低。
[0272]在泡沫的膨脹或壓縮期間，質量比在密閉氣缸內保持為大體上恆定。泡沫中的氣泡趨向於在膨脹期間變大而在壓縮期間收縮，但是，除了溶解產生的效應或氣體的溶解及液態組分的汽液相變化弓I起的效應，液態和氣態組分的質量大體上保持固定。
[0273]圖18是系統1800的不意圖，該系統1800可以是未另外不出的用於能量存儲和生成的較大系統的一部分。系統1800具有兩個氣缸1802和1804以及用於生成和分離具有三種不同膨脹比的泡沫1812、1814、1816的裝置1806、1808、1810。本文中，泡沫的「膨脹比」是給定量的泡沫總體積除以該體積泡沫的液態組分的體積。例如，如果I立方米的泡沫包含0.1立方米的液體，則泡沫的膨脹比為10.0 (I立方米除以0.1立方米)。不像質量比，隨著泡沫被膨脹或壓縮，膨脹比不容易保持恆定。而且，膨脹比趨向於隨著泡沫被壓縮而降低，並隨著泡沫被膨脹而增加。
[0274]每個泡沫生成裝置1806、1808、1810具有泡沫容器(分別是1818、1820和1822)以及再循環泵(分別是1824、1826和1828)。氣缸1802運行在相對高的壓力範圍內(例如在大約300psig和大約3000psig之間)，並且氣缸1804運行在相對低的壓力範圍內(例如，在大約300psig和大約Opsig之間)。每個泡沫容器1818、1820和1822可以包括分離的通過管線連接到氣缸(或其一部分)的壓力容器(如圖18所示)和/或連接到氣缸(或其一部分)的分支管。
[0275]當系統1800運行為膨脹器時，來自存儲器(未示出)的氣體可以以高壓通入高壓泡沫容器1818中。在此處，氣體與熱交換液體結合以形成具有期望質量比的水基泡沫(或增加已經存在的泡沫)。泡沫可以在轉移到氣缸1802之前聚積在高壓泡沫容器1818中、隨著其被生成而通入到高壓氣缸1802中，或者兩者皆可。用於將氣體與熱交換液體結合以形成水基泡沫的機構未在圖18中示出；後續附圖中將描述示例性的機構。高壓泡沫容器1818中由於泡沫破裂而聚積的液體可以通過泵1824再循環到容器1818中。在其他實施方式中，泵1824可以倒置，並且空氣或靠近容器1818頂部的密度較小的泡沫可以泵入到容器1818的底部以再次生成泡沫(例如，鼓泡過程)。當系統1800運行為膨脹器時，來自高壓容器1818的高壓泡沫被通入到氣缸1802的上部室1830中。泡沫在室1830中膨脹，保持恆定的質量t匕，但增加其膨脹比(例如，通過大約5和大約15之間的因子)。在室1830中的氣體膨脹到中間壓力(例如大約300psig)之後，通過活塞1832的返回衝程將泡沫從室1830中推出。離開室1830的泡沫通入到泡沫容器1820中。在泡沫容器1820中，可以通過合適的機構(例如包括再循環泵1826的機構)重新組成泡沫。泡沫可以在轉移到氣缸1804之前聚積在中間壓力容器1820中，隨著其被生成/維持而通入到氣缸1804中，或者兩者皆可。中間壓力泡沫容器1820包含並且生成系統1800的中間壓力泡沫(例如，大約300psig)。
[0276]來自中間壓力泡沫容器1820的泡沫通入到低壓氣缸1804的上部室1834中。泡沫在室1834中膨脹，在膨脹期間保持恆定的質量比，但增加其膨脹比(例如，通過大約10-大約15的因子)。在室1834中的氣體膨脹到低壓壓力(例如大約5psig)之後，通過活塞1836的返回衝程將泡沫從室1834中推出。離開室1830的泡沫通入到低壓泡沫容器1822中。在低壓泡沫容器1822中，泡沫被分離成其液態組分和氣態組分，從而低壓氣體可以通過排出口 1838基本上排出，而系統1800不會損失熱交換液體。
[0277]當系統1800運行為壓縮機時，來自環境的氣體可以以低壓(例如大氣壓力)通入到低壓泡沫容器1822中。在此處，氣體與熱交換液體結合以形成具有期望質量比的水基泡沫。泡沫可以在轉移到氣缸1804之前聚積在低壓泡沫容器1822中，隨著其被生成而通入到低壓氣缸1804中，或者兩者皆可。低壓泡沫容器1822中由於泡沫破裂而聚積的液體可以通過泵1828再循環到容器1822中。當系統1800運行為壓縮機時，來自容器1822的低壓泡沫被通入到氣缸1804的上部室1834中。泡沫在室1834中被壓縮，保持恆定的質量比但降低其膨脹比。在室1834中的氣體壓縮到中間壓力(例如大約300psig)之後，泡沫從室1834中排出。離開室1834的泡沫通入到中間壓力泡沫容器1820中。在泡沫容器1820中，可以通過合適的機構(例如包括再循環泵1826的機構)重新組成泡沫。泡沫可以在轉移到氣缸1802之前聚積在中間壓力容器1820中，隨著其被生成/維持而通入到氣缸1802中，或者兩者皆可。
[0278]來自中間壓力泡沫容器1820的泡沫通入到高壓氣缸1802的上部室1830中。泡沫在室1830中被壓縮，在壓縮期間保持恆定的質量比但降低其膨脹比。在室1830中的氣體壓縮至高壓(例如大約3000psig)期間或之後，泡沫離開室1830並且經由高壓泡沫容器1818通入到高壓存儲器(圖18中未示出)中。在高壓泡沫容器1818中，泡沫可以被分離成其液態組分和氣態組分，從而高壓氣體可以基本上轉移到高壓存儲器中，而系統1800不會損失熱交換液體。可選地或結合地，泡沫可以從容器1818通入到高壓存儲器中，並在其中存儲為水基泡沫、分離成其液態和氣態組分或經歷部分的這種分離。
[0279]氣缸1802和1804以及泡沫生成裝置1806、1808、1810可以將流體循環通過圖18中未示出的熱交換子系統，和/或可以與圖18中未示出的單個或多個熱井連通。
[0280]圖19是示例性系統1900的示意圖，該系統1900包括用於生成低壓(例如大約為大氣壓力)泡沫的裝置，該低壓泡沫具有對應於適當液氣質量比(例如2:1)的高膨脹比(例如400:1)。系統1900包括三個用於氣體的等溫膨脹和壓縮的雙氣缸子系統(1902、1904、1906),以從垂直朝向的氣缸布置的上方觀察的橫截面將它們不出。三個雙氣缸子系統的不例性系統1900中的描述是示例性的:其他數量的子系統(其中每個子系統包括一個、三個或更多個氣缸)也是可以考慮的並且在本發明的範圍之內。每個雙氣缸系統1902、1904和1906包括高壓氣缸(1908、1910和1912)和低壓氣缸(1914、1916和1918)，或者實質上由它們組成。用於生成泡沫的裝置可以包括噴灑室1920、篩1922、將泡沫(在圖19中典型地示出，在本文其他地方由點示出)引導至低壓氣缸1914、1916和1918中的的分支管1924、風扇1926以及可選的排出口和球閥1928，其功能將在下文中描述。在裝置生成泡沫期間，低壓(例如大約為大氣壓力)的空氣通過入口 1930被通入到噴灑室1920中。通過風扇1926 (或其他合適的機構)朝著篩1922加速空氣。通過泵1934將來自庫1932、泡沫容器或其他源的流體泵入到一個或多個噴頭1936 (或其他合適的分散機構)，噴頭位於由風扇1930加速的氣流中。來自噴頭1936的噴霧1938被導向篩1922 (例如，金屬篩、網、固體泡沫材料)。穿過篩1922，空氣和噴霧1938結合以形成水基泡沫1940。泡沫1940可以經由合適的閥和管道(未示出)導入低壓氣缸1914、1916和1918的室中。
[0281]在分支管1924初始不包含泡沫的運行啟動模式中，氣體可以在泡沫生成期間導出閥1928 (而不是進入低壓氣缸1914、1916和1918中)，直到分支管1924大體上或完全地由泡沫1940填充，此時，閥1928可以關閉，並且泡沫1940可以導入到低壓氣缸1914、1916和1918中。在各種實施方式中，閥1928可以連接到排出口(未示出)，具有允許進入的任何液體返回到流體庫1932的連接件，和/或可以連接回到入口 1930。
[0282]圖19中示出的泡沫生成裝置(包括噴灑室1920、篩1922和分支管1924)的生成能力的大小可以對應於裝置將泡沫供應到的一個或多個氣缸的平均泡沫進入流量，或對應於峰值泡沫進入流量。本文中，泡沫生成器的生成能力是其每單位時間能夠產生的泡沫的體積(m3/秒)。來自庫或泡沫預生成主體的快速泡沫流可能伴有使流動泡沫部分地或完全地破裂的剪切力；以足夠速率生成泡沫可以減輕這種剪切力。其他泡沫生成器(本文示出的以及本文未示出的實施方式中的)的大小也可以設計成適應峰值流速和緩解由於剪切力而導致的泡沫分離。
[0283]圖20是示例性系統2000的示意圖，該系統2000包括用於生成和分離低壓(例如大約為大氣壓力)水基泡沫的裝置，該低壓泡沫具有對應於適當液氣質量比(例如2:1)的高膨脹比(例如400:1)。系統2000包括三個用於氣體的等溫膨脹和壓縮的雙氣缸子系統(2002,2004,2006),以從垂直朝向的氣缸布置的上方觀察的橫截面將它們示出。三個雙氣缸子系統的示例性系統2000中的描述是示例性的:其他數量的子系統(其中每個子系統包括一個、三個或更多個氣缸)也是可以考慮的並且在本發明的範圍之內。
[0284]每個雙氣缸系統2002、2004和2006包括高壓氣缸(2008、2010和2012)和低壓氣缸(2014、2016和2018)。用於生成泡沫的裝置包括三個室:噴灑室2020 ;將泡沫導入低壓氣缸2014、2016和2018的分支管2022 ；以及分離室2024。噴灑室2020通過篩2024與分支管2022分開，並且可以包含風扇2026、一個或多個噴頭2028以及能夠阻擋或允許氣體通入噴灑室2020的百葉窗或翼片2030。百葉窗2030可以用作空氣止回閥，防止分支管2022上所示箭頭的相反方向的回流。分支管2022通過百葉窗或翼片2032與分離室2024分開，該百葉窗或翼片2032能夠阻擋或允許將氣體和/或泡沫2034從分支管2022通入到分離室2024中。分離室2024包含泡沫破裂機構2036，其將泡沫2034分離成氣態組分和液態組分2038。在圖20中，泡沫破裂機構2036是旋轉攪拌器；用於使泡沫破裂的其他方法和機構(例如，其他形式的機械攪拌、篩、過濾器、超聲)也是可以考慮的並且在本發明的範圍內。分離室2024內的液體2038通過管道2040傳輸到庫2042中，然後其可以通過泵2044經由管道2046泵送到噴頭2028中以再循環到新鮮的泡沫2034中。大氣排出口或開口 2048允許在生成泡沫2034期間將低壓氣體通入到噴灑室2020中，以及在泡沫2034破裂期間將低壓氣體從分離室2024排出。在將氣體通入到噴灑室2020期間，可選的清潔過濾器2050防止顆粒和/或大氣空氣中的其他汙染物通入到噴灑室2020中。在將氣體從分離室2024排出期間，可選的凝聚式過濾器2052將餘下的液體從泡沫、水滴和蒸汽中移除，確保了幾乎沒有液體通過排出口 2048。在各種其他實施方式中，可以提供分離的排出口以將氣體通入或將氣體排出系統2000。同樣地，在各種其他實施方式中，過濾器2050、2052可以位於圖20中示出的裝置的外部(例如，位於導向到其他各種實施方式中的分離排出口的管道中)。
[0285]在系統2000運行為壓縮機期間(例如，為了將能量存儲為壓縮空氣的壓力勢能)，空氣通過排出口 2048被通入，穿過過濾器2050，並且由風扇2026朝著噴頭2028和篩2024加速。液體通過噴頭2028被泵入。(可選地，風扇2026可以省略，並且可以經由氣缸活塞運動生成空氣流。)與空氣混合的噴霧2054擊打篩2024。通過使混合空氣和液體穿過篩2024而生成具有相對高膨脹比的泡沫2034。分支管2022將泡沫2034導入低壓氣缸2014、2016和2018，通過合適的閥(圖20中未示出)將泡沫2034通入到這些低壓氣缸中。低壓氣缸2014、2016和2018內的泡沫2034隨後被壓縮至中間壓力(例如大約300psig)，此後，泡沫被轉移至高壓氣缸2008、2010和2012，並且可能進入或通過圖20中未示出的其他裝置。此外，風扇2026、噴霧2054和篩2024生成的泡沫流的量可以超出氣缸2014、2016和2018需要的流量(例如，通過將流量限制為氣缸需要的入口流量的峰值)，從而可以生成過量的泡沫。可以通過運轉穿過百葉窗2032、泡沫破裂機構2036和分離室2024重新循環該過量泡沫。
[0286]在系統2000運行為膨脹器期間(例如，為了從壓縮空氣的壓力勢能中生成能量)，百葉窗2030通常將關閉以防止通過泡沫生成裝置2024、2028、2026的回流。在氣缸對2002、2004和2006中的空氣膨脹之後，低壓(例如，瞬時大約5psig，此後大約為大氣壓力)的泡沫2034離開低壓氣缸2014、2016和2018，穿過分支管2022並且進入分離室2024。在分離室2024中，低壓泡沫2034碰撞泡沫破裂機構2036並且被分離成其氣態和液態組分2038。這種分離可以不是完全的，但泡沫膨脹比最小應該大大降低(例如，從膨脹比為400:1的泡沫降為膨脹比為2:1的泡沫和空氣)。液體2038 (或低膨脹比泡沫)被傳輸到庫2042，並且氣態組分穿過凝聚式過濾器2052並通過排出口 2048排出。
[0287]圖21是示例性系統2100的示意圖，該系統2100包括用於生成高壓(例如750-3000psig)泡沫的裝置，該高壓泡沫具有對應於適當液氣質量比(例如2:1)的低膨脹t匕(例如8:1至2:1)。系統2100包括三個用於氣體的等溫膨脹和壓縮的雙氣缸子系統(2102、2104、2106)，以從垂直朝向的氣缸布置的上方觀察的橫截面將它們示出。三個雙氣缸子系統的示例性系統2100中的描述是示例性的:其他數量的子系統(其中每個子系統包括一個、三個或更多個氣缸)也是可以考慮的並且在本發明的範圍之內。每個雙氣缸系統2102,2104 和 2106 包括高壓氣缸(2108、2110 和 2112)和低壓氣缸(2114、2116 和 2118)。用於生成泡沫的裝置包括噴灑室2120、可選的排出口和球閥2122以及分支管2124，或者實質上由它們組成，其中，分支管2124將水基泡沫2126導入到高壓氣缸2108、2110和2112中。泵2128將液體(或可選地空氣或液體和空氣)從庫或其他源2130泵到噴灑室2120中的一個或多個噴灑頭或其他合適的分散機構(未示出)。高壓的空氣通過管道2132被導向噴灑室2120。將高壓空氣通過噴灑室使得空氣與噴霧2134混合，形成泡沫2126。在高壓時和低膨脹比的泡沫生成是穩健的(robust)，並且泡沫可以在具有或不具有下述條件時生成:(i)使用篩(例如圖12中所示的篩1224)和/或(ii)迫使的空氣流(例如，泡沫可以在沒有氣缸2108、2110、2112的活塞運動和/或風扇的情況下生成)。噴霧2134可以全部是液體，全部是空氣，或者是液體和空氣的混合物，並且噴霧2134可以水平地、垂直向上地、垂直向下地或根據噴灑室2120內的其他布置噴灑。在其他實施方式中，高壓和低膨脹比的泡沫可以通過液體和空氣的機械攪拌來生成，例如，通過使用嵌入到噴灑室2120中的旋轉葉輪。泡沫2126可以經由合適的閥和管道(未示出)導入高壓氣缸2108、2110和2112的室中。庫2130可以是與用於高壓空氣(管道2132處)的源相同的裝置，可能僅通過管道的位置來分離(例如，2132連接到存儲庫的頂部，而2130位於庫的底部，從而大多數高壓空氣被導向通過2132，並且大多數高壓液體被導向通過泵2128)。流動通過2132的流體可以大部分是泡沫，室2120可以僅用於更新、均質、改變水基泡沫的膨脹比，或者以其他方式提煉水基泡沫。
[0288]在分支管2124初始不包含泡沫的啟動操作模式中，氣體可以在泡沫生成期間導出閥2122 (而不是進入高壓氣缸2108、2110和2112中)，直到分支管2124大體上或完全地由泡沫2126填充，此時，閥2122可以關閉，並且泡沫2126可以導入到高壓氣缸2108、2110和2112中。導出閥2122的高壓氣體或泡沫可以重新循環回到存儲庫2130中，進入管道2132、噴灑室2120中，或者以其他方式再循環。泵(未示出)可以用於通過閥2122將流體從管道2132抽取出來，並且隨後將流體返回到再循環迴路中的庫2130、管道2132或噴灑室2120 中。
[0289]圖22是示例性系統2200的示意圖，該系統2200包括用於生成中間壓力(例如200-300psig)泡沫的裝置，該泡沫具有對應於適當液氣質量比(例如2:1)的中等膨脹比(例如36:1至28:1)。系統2200包括三個用於氣體的等溫膨脹和壓縮的雙氣缸子系統(2202、2204、2206)，以從垂直朝向的氣缸布置的上方觀察的橫截面將它們示出。三個雙氣缸子系統的示例性系統2200中的描述是示例性的:其他數量的子系統(其中每個子系統包括一個、三個或更多個氣缸)也是可以考慮的並且在本發明的範圍之內。每個雙氣缸系統2202、2204和2206包括高壓氣缸(2208、2210和2212)和低壓氣缸(2214、2216和2218)。用於生成泡沫的裝置包括組合的噴灑室和分支管2220，或實質上由其組成，泡沫2222在其中生成或再生成，並且將泡沫2222從高壓氣缸2208、2210和2212導向低壓氣缸2214、2216和2218 (在膨脹期間)，或者從低壓氣缸2214、2216和2218導向高壓氣缸2208、2210和2212(在壓縮期間)。
[0290]在膨脹或壓縮期間，中間壓力的具有中等膨脹比的泡沫進入室/分支管2220。泵2224抽取流體(例如，空氣、泡沫或在室/分支管2220中從泡沫中分離的液體)並且通過噴嘴或噴頭2226 (或其他合適的分散機構)將流體注回到室/分支管2220中。注入的流體2228以足夠穩定的水基泡沫2222的形式佔用室/分支管2220中的空間，水基泡沫2222可經由合適的閥或管道(未示出)導向高壓氣缸2208、2210和2212或低壓氣缸2214、2216和2218的室中。未示出的額外部件可以用於輔助泡沫生成，例如篩、網或固體泡沫。
[0291]各種實施方式利用高效的泵方案來循環泡沫或可以起泡的熱交換液體。圖23示出了壓縮或膨脹氣體的示例性系統2300。該系統2300利用氣動缸2304，該氣動缸2304包括可滑動布置的活塞2306，該活塞將氣缸2304的內部分成遠端室2308和近端室2310。具有相關管道2312和雙向閥2314的一個或多個埠(未示出)使得來自高壓存儲庫2316的氣體能夠根據要求與室2308進行交換。高壓存儲庫可以用作分離器，其中，泡沫的液態組分可以與泡沫的氣態組分分離。在替代實施方式中，可以使用不同的分離器(未示出)部件來分離液體和氣體，並且該不同的分離器部件可以包含輔助分離和泡沫破裂的元件，包括:擋板、機械剪切元件、網、超聲剪切元件和/或其他這樣的元件。氣缸2304的空氣室的端帽中的一個或多個埠(未示出)與相關聯的管道2318和雙向閥2320 —起使得來自室2308的流體能夠根據需要經由排出口 2322通入或排入到環境大氣中。在未示出的替代實施方式中，排出口 2322由一個或多個額外的氣動缸替代。一個或多個埠(未示出)使得氣動缸2304的下部室2310的的內部能夠隨時與環境大氣自由地連通。在替代實施方式中，氣缸2304起雙重作用，並且類似於室2308，室2310用於在各種運行狀態下與高壓或低壓庫和/或額外的氣缸交換流體。
[0292]杆2324的遠端(即，對於圖23中的氣缸2304的示例性垂直朝向來說的上端)耦接到活塞2306。杆2324的遠端(下端)可以連接到一些機構，例如一個或多個液壓缸或曲柄軸(未示出)，以使線性機械動力和旋轉機械動力互換。
[0293]在能量恢復或膨脹的操作模式中，存儲庫2316填充有高壓流體2326以及一定量的傳熱流體2328。流體2326可以實質上或主要地由氣體或泡沫組成。熱交換流體2328可以是當以一些其他方式噴灑或起作用時趨向於起泡的液體。示出為處於容器2316底部的熱交換流體2328的聚積可以實質上或主要地由液體或泡沫組成。當活塞2306靠近或處於其衝程的頂部(即，氣缸2304的「上止點」)時，一定量的氣體可以經由閥2314和管道2312開始引入到氣缸2304的上部室2308中。隨後，活塞2306及其杆2324將向下移動(氣缸2304可以是任意朝向，但在該示例性實施方式中被示為垂直朝向)。熱交換流體2328可以經由一個或多個噴頭2330注入到室2308中。圖23中所示的噴頭2330僅僅是示例性的；其他設備(例如，一個或多個噴嘴或旋轉葉片)可以用於將熱交換流體引入到空氣室2308中。在圖23中所示的實施方式中，可以通過經由機構(例如噴頭2330)注入流體而在氣缸2304內生成或再次生成泡沫；在各種其他實施方式中，泡沫在氣缸2304的外部生成(通過圖23中未示出的機構)。熱交換流體(液體或泡沫)可以部分地或完全地填充室2308。流體2332 (液體或泡沫)可以聚積在活塞2306的上表面上。
[0294]系統2300配備有壓力傳感器、活塞位置傳感器和/或溫度傳感器(未示出)並經由控制系統(未示出)來控制。系統2300還具有泵氣缸2334，用於將加壓熱交換流體供應給噴頭2330。泵氣缸2334包含可滑動地布置的活塞2336，該活塞2336將氣缸2334的內部分成了上部室2338和下部室2340。熱交換流體可以部分地或完全地填充泵氣缸2334的上部室2338。一個或多個埠(未示出)與相關管道2342和雙向閥2344使得來自低壓庫2348的流體2346能夠根據需要與室2338進行交換。庫可以用作泡沫庫和/或作為將泡沫的液態組分與泡沫的氣態組分相分離的分離器。一個或多個埠(未示出)使得泵氣缸2334的下部室2340的的內部能夠隨時與環境大氣自由地連通。活塞2336耦接至杆2350。氣動缸2304的杆2324和泵氣缸2334的杆2350可以接合到單個機械設備(未示出)，例如曲柄軸，該機械設備以固定的相位關係保持杆(例如，只要杆2324到達其最大向下位移，則杆2350可以到達其最大向上位移)。泵氣缸2334可以任意朝向，但在該示例性實施方式中示為垂直朝向。
[0295]低壓庫2348中的熱交換流體2346可以與高壓存儲器2316中的熱交換流體2328、氣動缸2304中聚積的流體2332以及泵氣缸2334的上部室2338內的流體混合和/或交換。即，為清楚起見，所有的這些流體主體在圖23中都被單獨地標記，但在系統2300的運行過程中，它們可以彼此混合或互換，以及與管道、閥以及系統2300中的其他部件中的任何熱交換流體混合或互換。優選地，在圖23中，兩個庫2316、2348中聚積的熱交換流體2328、2346包括未起泡(但是能夠起泡)的熱交換液體，或實質上由其組成。
[0296]下文描述了系統2300的兩種操作方法(S卩，「開環方法」和「閉環方法」)。本文中描述的這兩種方法是示例性的，並非詳盡的方法，系統2300可以根據這兩種方法來操作。同樣地，本文描述的這兩種操作方法中不同步驟的相對定時或相位是示例性的:相對定時或相位的其他方式也是可以考慮的並且在本發明的範圍內。
[0297]本文描述的系統2300的這兩種操作方法(即閉環方法和開環方法)中的每一種都具有壓縮模式和膨脹模式，在壓縮模式中，氣體被壓縮以存儲能量，而在膨脹模式中，氣體膨脹以釋放能量。
[0298]開環操作方法:壓縮模式
[0299]在系統2300的一種操作模式(本文稱為「開環壓縮」操作方法)的初始狀態中，活塞2306處於氣動缸2304的上止點，並且活塞2336處於泵氣缸2334的上止點。閥2314、2346和2352關閉，並且閥2320和2344打開。活塞2306和活塞2336向下移動，將一定量的低壓氣體通入到氣動缸2304的室2308中，並且將一定量的熱交換流體2346 (優選地液體)從低壓庫2348通入到泵氣缸2334的室2338中。活塞2306向下運動到其運動的最下端極限(即，「下止點」位置)和利用氣體填充室2308構成了氣缸2304的「進氣衝程」。活塞2336向下運動到其運動的最下端極限(即，「下止點」位置)和利用熱交換流體填充室2338構成了泵氣缸2334的「進氣衝程」。
[0300]隨後，閥2320和2344可以關閉，而閥2346打開，並且活塞2306和2336可以在其各自的氣缸中開始向上衝程。活塞2306的向上運動趨向於壓縮氣動缸2304的室2308內的流體，並且活塞2336的向下運動趨向於將流體從泵氣缸2334的室2338中排出。從泵氣缸2334的室2338逐出的流體通過閥2346和可選的可以改變流體溫度的熱交換器2354。隨後，流體通過噴頭2330進入氣缸2304的室2308中，形成噴霧2356。流體2356作為泡沫進入室2308，或者通過與室2308內的氣體混合而形成泡沫。流體2356可以部分地或完全地填充室2308，並且可以在活塞2306的頂部形成聚積的流體2332。聚積的流體2332可以包括泡沫或從室2308內的泡沫分離的液體，或者實質上由其組成。
[0301]在活塞2306的向上(壓縮)衝程的預定點處，閥2314可以打開，允許加壓流體流動通過管道2312進入高壓存儲器2316中，該加壓流體可能包括熱交換流體2332(例如，作為泡沫的液態組分)。通過活塞2306從室2308中逐出的熱交換流體2332可以形成高壓存儲器2316內的聚積的流體2328，或者添加到其中。聚積的流體2328可以包括從庫2316中的泡沫分離的熱交換液體，或者實質上由其組成。
[0302]活塞2306向上運動至其運動極限(上止點)以及加壓氣體和流體被逐入存儲器2316組成了氣動缸2304的「壓縮衝程」。系統2300的開環操作方法中的完整壓縮衝程需要熱交換流體(優選地液體)2346的連續地流出低壓庫2348、通過泵氣缸2334的室2338、通過可選的熱交換器2354、進入氣動缸2304的室2308並且進入高壓存儲器2316的單向或「開環」通路。在如上所述的開環壓縮模式中，在系統2300中的一個或多個連續的循環期間，熱交換液體2328可以聚積在高壓存儲器2316中。
[0303]如上所述的用於閉環操作方法的壓縮模式的操作的順序是示例性的，並且可以在該實施方式以及其他實施方式中改變。下文所述的用於其他模式和操作方法的操作的順序也是示例性的，並且可以在其他實施方式中改變。
[0304]開環操作方法:膨脹模式
[0305]在系統2300的另一種操作模式(本文稱為「開環膨脹」操作模式)的初始狀態中，活塞2306處於氣動缸2304的上止點，並且活塞2336處於泵氣缸2334的下止點。泵氣缸2334的室2338填充有熱交換流體(優選地為液體)。閥2320、2344和2352關閉，並且閥2314和2346打開。活塞2306向下移動，將一定量的高壓氣體通入到氣動缸2304的室2308中。同時，泵氣缸2334的活塞2336向上移動。來自室2338的熱交換流體通過閥2346、可選的熱交換器2354和噴頭2330，進入氣動缸的室2308。在一些後續的預定點處，閥2314可以關閉，而活塞2306繼續其向下運動，並且活塞2336繼續其向上運動。
[0306]在從存儲器2316將高壓氣體(或泡沫)引入室2308期間或之後的活塞2306從氣動缸2304的上止點至下止點的運動在本文中被稱為氣動缸2304的「膨脹衝程」。活塞2336從泵氣缸2334的下止點至上止點的運動在本文中被稱為泵氣缸2334的「泵送衝程」。氣動缸2304的膨脹衝程和泵氣缸2334的泵送衝程以及本文描述的這種和其他實施方式中的其他氣缸衝程可以具有相等的持續時間，並且可以同時開始和結束，或者這些衝程可以具有不同的持續時間，並且在不同時間開始和結束。
[0307]在完成膨脹衝程和泵送衝程之後，閥2314和2346可以關閉，而閥2320和2352打開。隨後，氣動缸的活塞2306從下止點移動到上止點，而室2308內的流體被逐出。優選地，逐出的流體包括泡沫或實質上由泡沫組成，並且進入容器2348中，流體在此處被分成其氣態和液態組分，從而其氣態組分可以通過排出口 2322排出，並且其液態組分2332可以在低壓庫2348中聚積為液體2346。活塞2306從下止點向上運動至上止點以及低壓氣體和液體從室2308中被逐出組成了氣動缸2304的「排氣衝程」。同時，氣缸2334執行進氣衝程，SP，活塞2336從上止點移動到下止點，並且室2336填充有來自高壓存儲器2316的熱交換流體(優選地為液體)2328。
[0308]系統2300的開環操作方法中氣缸2304的膨脹衝程需要熱交換流體2328的連續地流出高壓存儲器2316、通過泵氣缸2334的室2338、通過可選的熱交換器2354、進入氣動缸2304的室2308並且進入低壓庫2348的單向或「開環」通路。在開環膨脹模式中，在系統2300的一個或多個連續的循環期間，熱交換流體2328被從高壓存儲器2316中移除，並且在低壓庫2348中聚積為液體2346。系統2300在開環壓縮模式中的一段操作時期將趨向於使得熱交換液體在高壓存儲器2316中形成聚積物2328 ;系統2300在開環膨脹模式中的後續操作時期將趨向於從高壓存儲器2316中移除熱交換液體的聚積物2328並將其返回到低壓庫2348中。
[0309]閉環操作方法:壓縮模式
[0310]在系統2300的另一種操作模式(本文稱為「閉環壓縮」操作方法)的初始狀態中，活塞2306處於氣動缸2304的上止點，並且活塞2336處於泵氣缸2334的上止點。閥2314、2344和2346關閉，並且閥2320和2352打開。活塞2306和活塞2336向下移動，將一定量的低壓流體(氣體或泡沫)通入到氣動缸2304的室2308中，並且將一定量的熱交換流體(優選地液體)2328從高壓存儲器2316通入到泵氣缸2334的室2338中。氣動缸2304執行進氣衝程，並且泵氣缸2334執行進氣衝程。[0311]隨後，閥2320和2352可以關閉，而閥2346打開，並且活塞2306和2336可以在其各自的氣缸中開始向上衝程。活塞2306的向上運動趨向於壓縮氣動缸2304的室2308內的流體，並且活塞2336的向下運動趨向於將流體從泵氣缸2334的室2338中排出。從泵氣缸2334的室2338逐出的流體通過閥2346和可選的可以改變流體溫度的熱交換器2354。隨後，流體通過噴頭2330進入氣缸2304的室2308中。流體可以利用泡沫部分地或完全地填充室2308。流體的聚積物2332可以形成在活塞2306的頂部。在活塞2306的向上(壓縮)衝程的預定點處，閥2314可以打開，允許加壓氣體和/或泡沫流動通過管道2312進入高壓存儲器2316中。通過活塞2306從室2308中逐出的熱交換流體2332可以形成高壓存儲器2316內的聚積的流體2328。聚積的流體2328可以包括泡沫或從庫2316內的泡沫分離的液體，或者實質上由其組成。
[0312]活塞2306向上運動至其運動極限(上止點)以及加壓流體被逐入存儲器2316組成了氣動缸2304的「壓縮衝程」。系統2300的閉環操作方法中的壓縮衝程需要熱交換流體(優選地為液體)2328的連續地流出氣動缸2304的室2308、進入高壓存儲器2316、進入泵氣缸2334的室2338、通過可選的熱交換器2354並且進入氣動缸2304的室2308的循環或閉環通路。
[0313]閉環操作方法:膨脹模式
[0314]在系統2300的另一種操作模式(本文稱為「閉環膨脹」操作模式)的初始狀態中，活塞2306處於氣動缸2304的上止點，並且活塞2336處於泵氣缸2334的下止點。泵氣缸2334的室2338填充有熱交換流體。閥2320、2344和2352關閉，並且閥2314和2346打開。活塞2306向下移動，將一定量的高壓氣體(或泡沫)通入到氣動缸的室2308中。同時，活塞2336向上移動。來自室2338的熱交換流體(優選地液體)通過閥2346、可選的熱交換器2354和噴頭2330，進入氣動缸的室2308。在一些後續的預定點處，閥2314可以關閉，而活塞2306繼續其向下運動，並且活塞2336繼續其向上運動。氣動缸2304執行膨脹衝程，並且泵氣缸2334執行泵送衝程。
[0315]在完成氣缸2304的膨脹衝程和泵氣缸2334的泵送衝程之後，閥2314和2346可以關閉，而閥2320和2352打開。隨後，氣動缸2304的活塞2306從下止點移動到上止點，而室2308內的低壓流體通過管道2318被逐出。優選地，逐出的流體包括泡沫或實質上由泡沫組成，並且進入容器2348中，流體在此處被分離成其氣態和液態組分，從而其氣態組分可以通過排出口 2322排出，並且其液態組分2332可以在低壓庫2348中聚積為液體2346。氣動缸2304執行排氣衝程。同時，泵氣缸2334執行進氣衝程。
[0316]系統2300的閉環操作方法中的膨脹衝程需要熱交換流體2332的連續地流出氣動缸2304的室2308、進入低壓庫2348、通過泵氣缸2334的室2338、通過可選的熱交換器2354並且進入氣動缸2304的室2308的循環或「閉環」通路。
[0317]各種其他實施方式利用氣動缸，該氣動缸也可以用作泵以高效地在能量存儲系統中循環熱交換流體(例如，泡沫或起泡液)。圖24A和24B描述了壓縮或膨脹氣體並且同時用作液體泵的氣動缸2400。圖24A示出了氣缸2400的一種操作狀態；圖24B示出了氣缸2400的另一種操作狀態。
[0318]氣缸2400包含可滑動地布置的活塞2406，該活塞2406將氣缸2400的內部分成了遠端(上部)室2408和近端(下部)室2410。一個或多個埠(未示出)與相關管道2412和雙向閥2414、2416使得上部室2408能夠與(a)高壓流體存儲庫(未示出，但由字母「HP」表示)或(b)低壓流體庫(未示出，但由字母「LP」表示)流體連通。LP庫可以包含低壓液體，並且其氣態部分可以通過排出口(未示出)與環境大氣自由地連通。一個或多個埠(未示出)使第一氣缸的下部室2410與低壓氣體(例如環境大氣)形成連續的流體連通。氣缸2400結合有橫截面可以是圓柱形的管2418，並且在其上端連接到氣缸2400的上部端帽。管2418是中空的並且可以填充有熱交換液體。活塞2406連接到杆2422，該杆2422包含鑽在中心的空洞或腔2420，本文中稱之為杆腔2420，其可以填充有熱交換液體。管2418在其近(下)端是開放的，並且足夠長，從而管2418內的腔與杆腔2420形成恆定的流體連通(例如，即使當活塞2406處於下止點時)。墊片2424允許管2418隨著杆2422和活塞2406的移動而在杆2422內伸縮，並且防止上部室2408與管2418及杆2422的連通腔之間的流體連通。如圖24A所示，當活塞2406和杆2422向上移動時，管2418和杆2422內的連通腔的總容積下降，趨向於對連通腔內的流體加壓並且將其從連通腔中通過管2418排出。如圖24B所示，當活塞2406和杆2422向下移動時，管2418和杆2422內的連通腔的總容積將增加，趨向於降低連通腔內的流體壓力和/或允許流體通過管2418進入連通腔中。通過將泵集成到氣缸的杆，可以通過排除分離的或額外的曲柄彎程或其他機械驅動連接而實現較高的效率。
[0319]圖25示出了使用圖24A和24B描述的那種類型的兩個氣缸來壓縮和/或膨脹氣體的系統2500。不像圖23中的系統2300，系統2500不使用離散或分離的水泵(例如，圖23中的泵氣缸2334)以有效地循環熱交換液體。
[0320]系統2500使用兩個氣缸2402、2404(下文中稱為第一氣缸和第二氣缸)，這兩個氣缸2402、2404都類似於圖24A和24B中示出的氣缸2400。第二氣缸2404包含可滑動地布置的活塞2426，該活塞2426將第二氣缸2404的內部分成了遠端(上部)室2428和近端(下部)室2430。一個或多個埠(未示出)與相關管道2432和雙向閥2434、2436使得上部室2428能夠與下述部件流體連通:(a)高壓流體存儲庫(未示出，但由字母「HP」表示)，優選地與第一氣缸2402可以通過閥2414連接到其上的庫相同，或(b)低壓流體庫(未示出，但由字母「LP」表示)，優選地與第一氣缸2402可以通過閥2416連接到其上的庫相同。LP庫可以包含低壓液體，並且其氣態部分可以通過排出口(未示出)與環境大氣自由地連通。一個或多個埠(未示出)使下部室2430與低壓氣體(例如環境大氣)形成連續的流體連通。
[0321]類似於氣缸2402，氣缸2404也結合有橫截面可以是圓柱形的中空管2438，並且中空管2438在其上端連接到氣缸2404的遠端端帽。管2438的內部可以填充有熱交換液體。活塞2426連接到杆2442，該杆2442包含中心鑽孔的杆腔2440，其可以填充有熱交換液體。管2438在其下端是開放的，並且管2438內的腔與杆腔2440流體連通。墊片2443允許管2438隨著杆2442和活塞2426的移動而在杆2442內伸縮，並且防止管上部室2428與管2438及杆2442的連通腔之間的流體連通。當活塞2426和杆2442向上移動時，管2438和杆2442內的連通腔的總容積將降低，趨向於對其中的流體加壓。
[0322]第一氣缸2402中的管2418的上端連接到雙向閥2444、2446、2448。閥2444可以使管2418的內部與高壓存儲庫(HP)流體連通；閥2446可以使管2418的內部與低壓庫(LP)流體連通；並且閥2448可以允許流體從管2418的內部通過可選的熱交換器2450，並且由此流動到第二氣缸2404的室2428內的噴頭2452。通過噴頭2452遞送的起泡液2454進入室2428中。圖25中所示的噴頭2452、2464僅僅是示例性的:其他設備(例如旋轉葉片)可以用於將熱交換流體引入到空氣室2408、2428中。在圖25中所示的實施方式中，可以通過將流體注入通過合適的機構(例如噴頭2452、2464)而在氣缸2402、2404內生成或再次生成泡沫；在各種其他實施方式中，通過圖25中未示出的機構在氣缸2402、2404的外部生成泡沫(如本文在別處所述的)。
[0323]類似地，氣缸2404中的管2438的上端連接到雙向閥2456、2458、2460。閥2456可以使管2438的內部與高壓存儲庫(HP)流體連通，該庫優選地與管2418經由閥2444與之連通的庫相同；閥2458可以使管2438的內部與低壓庫(LP)流體連通，該庫優選地與管2418經由閥2446與之連通的庫相同；並且閥2460可以允許流體從管2438的內部通過可選的熱交換器2462，並且由此流動到氣缸2402的室2408內的噴頭2464。穿過噴頭2464的液體進入室2408中，優選地在室2408中形成泡沫。
[0324]閥2444、2456允許與HP存儲器的熱交換液體可在重力的影響下在其中下沉(例如與泡沫分離)的那部分流體連通，並且因此趨向於控制液體的通路，而不是氣體或泡沫的通路。
[0325]系統2500配備有壓力傳感器、活塞位置傳感器和/或溫度傳感器(未示出)，並經由控制系統(未示出)來控制。杆2422、2442的近端(下端)可以連接到機構，例如一個或多個液壓缸或共有的曲柄軸(未示出)，以使線性機械動力和旋轉機械動力互換，如』 678和』 842專利中所述。
[0326]系統2500可以以下述方式運行:第一氣缸2402的杆2422內的腔2420在氣體在室2428中的膨脹或壓縮期間用作將熱交換流體驅動到第二氣缸2404的室2428中的泵，第二氣缸2404的杆2442內的腔2440在氣體在室2408中膨脹或壓縮期間用作將熱交換液體驅動到第一氣缸2402的室2408中的泵。通過這種方法，不需要使用循環熱交換液體的離散或單獨的泵。
[0327]類似於圖23中的系統2300，系統2500可以根據至少兩種操作方法來操作，S卩，「開環方法」和「閉環方法」。這兩種操作方法是示例性的，並非詳盡的方法，系統2500可以根據這兩種方法來操作。系統2500的這兩種操作方法(即，閉環方法和開環方法)中的每一種都具有壓縮模式和膨脹模式，在壓縮模式中，氣體被壓縮以存儲能量，而在膨脹模式中，氣體膨脹以釋放能量。
[0328]開環操作方法:膨脹模式
[0329]在系統2500的一種操作模式(本文稱之為「開環膨脹」操作方法)中，第二氣缸2404執行膨脹衝程，而第一氣缸2402執行排氣衝程並且將起泡熱交換液體噴灑到第二氣缸2404中:隨後，這兩個氣缸可以反向作用，並且在系統2500期望的氣體膨脹期間內可以交替進氣和膨脹衝程。
[0330]在開環膨脹操作方法的初始操作狀態中，第一氣缸2402的活塞2406處於下止點，而第二氣缸2404的活塞2426處於上止點。閥2416、2448、2458和2434打開，而所有其他閥關閉。在活塞2406執行向上(排氣)衝程時，閥2416允許低壓空氣離開第一氣缸2402的室2408 ;閥2448允許熱交換液體從第一氣缸2402的杆腔2420流動通過可選的熱交換器2450，並且通過第二氣缸2404的噴頭2452，優選地在其中形成泡沫2454 ；閥2458允許來自低壓(LP)庫的熱交換流體進入第二氣缸2404的杆腔2440 ;並且閥2434允許來自高壓存儲器的氣體進入第二氣缸2404的上部室2428。在該初始操作狀態中，液體聚積物2466可以出現在活塞2406的頂部，並且活塞2426頂部的液體聚積物2468是輕微的或不存在。在這種初始操作狀態之後，泡沫2454可以使得氣體能夠在室2428內等溫膨脹，並且可以在活塞2426頂部形成流體聚積物2468。
[0331]在第二氣缸2404的膨脹衝程中的預定點處，閥2434可以關閉，防止更多的高壓氣體通入到上部室2428中。已經通入到室2428中的氣體將繼續膨脹，並且活塞2426及其關聯的杆2442向下移動，直到它們到達下止點。同時，活塞2406及其關聯的杆2422移動到上止點，執行排氣衝程。在排氣衝程的較後部分期間，第一氣缸2402的活塞2406的頂部上的任何液體聚積物2466將被逐入到LP庫中。
[0332]通過打開閥2414、2460、2436和2446並且關閉其他所有閥，系統2500隨後可以處於類似於上述的開環膨脹操作方法中的初始操作狀態的操作狀態，除了兩個氣缸的角色顛倒:即，第一氣缸2402準備用於執行膨脹衝程，而第二氣缸2404準備用於執行排氣衝程。第一氣缸2402膨脹氣體的膨脹循環可以與第二氣缸2404膨脹氣體的膨脹循環無限交替(受限於HP存儲器的容量)。
[0333]當第二氣缸2404執行膨脹衝程時，低壓熱交換流體通過閥2458填充第二氣缸2404的杆腔2440。同時，第一氣缸2402的杆腔2420中的熱交換流體被加壓，並且通過閥2448被逐出。因此，第一氣缸2402在其排氣衝程期間用作隨著第二氣缸2404執行膨脹衝程而將熱交換液體供應給第二氣缸2404的泵。類似地，當第二氣缸2404執行排氣衝程而第一氣缸2402執行並發的膨脹衝程時，第二氣缸2404用作將熱交換液體供應給第一氣缸2402的泵。
[0334]開環操作方法:壓縮模式
[0335]在系統2500的另一操作模式(本文稱之為「開環壓縮」操作方法)中，兩個氣缸2402、2404執行並發的壓縮衝程，同時將熱交換流體注入到彼此的上部室2408、2428中。隨後,這兩個氣缸執行並發的氣體進氣衝程，同時利用熱交換液體再次填充其杆腔2420、2440。
[0336]在開環壓縮模式的初始操作狀態中，活塞2406、2426都處於其各自的氣缸2402、2404中的下止點，而活塞2406、2426頂部的任何液體聚積物2466、2468是輕微的或者沒有。閥2448和2460打開，而所有其他閥關閉。氣缸的上部室2408、2428包含低壓氣體。活塞2406、2426及其關聯的杆2422、2442開始向上移動，趨向於對氣缸2402、2404的上部室2408,2428中的流體進行加壓。從杆腔2420、2440中逐出的熱交換液體通過管2418、2438，閥2448、2460，可選的熱交換器2450、2462以及噴頭2464、2452，將流體(優選地作為泡沫，例如泡沫2454)注入室2408、2428中。這種泡沫使得氣體能夠在室2408、2428內進行等溫膨脹，並且可以在活塞2406、2426的頂部形成流體(泡沫和/或液體)聚積物2466、2468。在活塞2406、2426的並發壓縮衝程中的預定點處，閥2414、2434可以打開，允許加壓流體(氣體或泡沫)流入高壓(HP)存儲器(未示出)。通過活塞2406、2426從室2408、2428中逐出的熱交換流體2466、2468可以使得流體(例如分離的液體)的聚積物在HP存儲器內形成。
[0337]在兩個氣缸2402、2404執行的並發壓縮衝程期間，活塞2406、2426向上移動，直到活塞2406、2426處於其各自氣缸2402、2404的上止點。在之後的操作狀態中，閥2416、2446、2458和2436打開，其他所有閥關閉，並且活塞2406、2426及其關聯的杆2422、2442向下移動，直到它們到達其各自氣缸2402、2404的下止點，利用低壓氣體填充上部室2408、2428，並且利用來自低壓(LP)庫的低壓熱交換液體填充杆腔2420、2440，由此將系統準備好以用於另一併發的壓縮衝程。
[0338]系統2500的開環操作方法中的壓縮衝程需要熱交換流體的連續地流出LP庫，進入氣缸2402、2404的杆腔2420、2440，通過噴頭2464、2452進入氣缸2402、2404的上部室2408、2428，並且由此進入HP存儲器的單向或「開環」通路。在開環壓縮模式中，在系統2500的一個或多個相繼的循環期間，熱交換液體由此從LP庫中移除並且在HP存儲器中聚積。系統2500在開環壓縮模式中的一段操作時期(例如，多個這種循環)將趨向於使熱交換液體聚積在HP存儲器中；系統2500在開環膨脹模式中的後續操作時期將趨向於從HP存儲器中移除熱交換液體的聚積物並將其返回到LP庫中。
[0339]對足夠熟悉液壓機械領域的任何人員來說顯而易見的是，系統2500也可以根據具有膨脹和壓縮模式的閉環方法來操作。這樣的操作方法將(i)在每個壓縮期間使聚積的熱交換液體2466、2468轉移到HP存儲器中，並且從HP存儲器，而不是從LP庫，再次填充氣缸2402、2404的杆腔2420、2440 ;和/或(ii)在每個膨脹期間使聚積的熱交換液體2466、2468轉移到LP庫中，並且從LP庫，而不是從HP存儲器，再次填充氣缸2402、2404的杆腔2420,2440ο
[0340]與利用離散或單獨的泵來循環熱交換流體相比，用於氣體膨脹/壓縮和熱交換流體泵送的氣缸2402、2404的使用可以增加系統的效率和可靠性，這是因為降低了能量存儲和恢復系統中的機構的數量。
[0341]當流體(例如泡沫)將通過閥進入或離開氣動缸的空氣室時，如前所述，期望的是:閥兩端的壓降最小化，從而由於通過閥而造成的能量損失可以被最小化。此外，如果將穿過閥的流體是泡沫，則可能有利的是最小化作用在泡沫上的剪切力，從而防止泡沫被分離成其液態和氣態組分，或者防止泡沫中的氣泡的大小被意外改變。此外，在液相以及氣相出現在氣動缸的空氣室的情況下(例如在使用泡沫用於液體和氣體之間熱交換的氣缸中)，期望的是，止回閥被動地打開以防止氣缸中的超壓損壞部件(即，水封事件)。利用水封保護而使得泡沫能夠高效、低剪切地流動的閥設計在2011年11月30提交的美國專利申請N0.13/307, 163 (』 163申請)中描述，其全部內容通過引用包含於此，並且，這些閥設計可以用在本發明的實施方式中。
[0342]圖26是氣動缸頭2600的示意圖，其包括』 163申請中描述的類型的兩個閥2602、2604，即高側閥2602以及低側閥2604。高側閥2602是拉開閥，其被動地控制打開以減緩氣缸空氣室內的超壓(即，水封)。低側閥2604是推開閥，當氣缸內的壓力比氣缸外低時(例如在進氣衝程期間)，其被動地控制打開。閥2602和2604可以設計用於快速動作並且具有高揚程(即，在打開位置時，具有允許在閥構件和閥座之間流動的大區域)，從而最小化閥兩端的壓降(由此最小化能量損失)。高揚程也降低了流入或流出氣缸的空氣室的泡沫上的剪切力，保存了泡沫完整性。
[0343]圖27是結合了本發明的各種實施方式的示例性壓縮空氣能量存儲系統2700的一些部分的示意圖。系統2700包括:在某中間壓力(例如大約200psig)和某高壓(例如大約3000psig)之間膨脹和壓縮氣體的高壓氣動缸組件2702 (在圖27中標記為HP);在某低壓(例如大約Opsig)和某中間壓力(例如大約200psig)之間膨脹和壓縮氣體的低壓氣動缸組件2704 ;中間壓力容器2706(在圖27中被標記為MPV)，其通常包含系統的中間壓力的流體(例如，氣體、熱交換液體、泡沫或分離的氣體和液體)；存儲庫2708或互相連通的一組存儲庫(例如，額定用於存儲或輸送高壓氣體的管道的密封長度)，其能夠存儲高壓和輕度升高的溫度(例如50°C)的流體，並且因此能夠用作壓力勢能和熱量的存儲器；存儲容器/噴灑庫2710 (例如箱)，其能夠以相對低溫(例如20°C)保持適當量的熱交換液體。噴灑庫2710優選地包括用於將低壓泡沫分離成液態和氣態組分並且將氣態組分排出到大氣中(由虛線箭頭2712表示)的機構。在圖27中，虛線箭頭表示通過合適管道的氣體雙向移動，而實線箭頭表示通過合適管道的液體雙向移動；虛線和實線箭頭對(2714、2716、2718、2720)表示系統2700的各種部件之間的氣體和液體的移動。噴灑庫2710可以將液體和氣體(例如，作為液體和氣體的分離流或作為水基泡沫的單個流)與低壓氣缸2704交換，低壓氣缸2704可以將液體和氣體與中間壓力容器2706交換，中間壓力容器2706可以將液體和氣體與高壓氣缸2702交換，並且高壓氣缸2702可以將液體和氣體與高壓存儲器2708交換。
[0344]在圖27中，高壓氣缸2702、中間壓力容器2706和低壓容器2704是「動力單元」的一些部分，即，將熱能和壓力勢能與機械功和電能互相轉換的能量存儲系統2700的子系統。在來自高壓存儲器2708中的溫暖高壓流體的熱能和壓力勢能被轉換成電能的操作模式中，一定量的流體從高壓存儲器2708被轉移到高壓氣缸2702中。流體通常包括溫度和壓力大致相同的氣體和液體，或者實質上由它們組成。氣體和液體可以在通入高壓氣缸2702之前結合到泡沫中，或者可以在氣缸2702內起泡。氣缸2702將其內容物(例如大體上或完全地填充氣缸2702的空氣室的泡沫)從原始高壓(例如大約3000psig)膨脹到中間壓力(例如200psig)。由於泡沫的氣態組分隨著氣缸2702膨脹，從而對氣缸2702內的移動活塞做功，氣態組分趨向於冷卻；然而，由於在泡沫的氣態和液態組分之間出現溫度差，熱量從液態組分流向氣態組分。溫度差越大，熱量從液體至氣體的流動將趨向於更快。因此，液體和氣體在氣缸2702中的水基泡沫結構中的混合將趨向於允許泡沫的氣態組分的大致等溫的膨脹，有效地將通入氣缸2702中的液體中的熱量的一部分轉換成機械功。
[0345]當氣缸2702的內容物達到系統2700的中間壓力時，中間壓力的液體和氣體(例如，作為泡沫)被轉移(箭頭2718)到中間壓力容器2706中。中間壓力容器存儲液體和氣體，並且可以包括用於再次生成泡沫或用於將泡沫分離成其氣態和液態組分的供應物。無論何時中間壓力容器2706包含足夠量的中間壓力氣體，一定量的氣體從中間壓力容器2706轉移到低壓氣缸2704中。氣體與來自中間壓力容器2706的熱交換液體混合以形成基本上或完全地填充低壓氣缸2704的空氣室的泡沫。由於在高壓氣缸2702中，只跨越不同的壓力範圍，低壓氣缸2704內的氣體膨脹，對隨著氣缸2704 —起移動的活塞做功，如同泡沫的液態組分趨向於使得氣體的膨脹大致等溫一樣。在低壓氣缸2704中的氣體膨脹之後，氣缸2704內的液體和氣體處於相對較低的溫度和大致為大氣壓的壓力，並且隨後轉移(箭頭2714)到噴灑庫和泡沫分離器2710。泡沫的低壓氣態組分被排出到大氣(箭頭2712)，並且保留泡沫的低壓液態組分。如果當系統2700將以能量生成模式操作時，保留的液體比系統2700周圍(環境)溫度低，則噴灑庫2710中的液體構成了有效能的存儲(潛在功)，如同在高壓存儲器2708中存儲熱的液體一樣。存儲庫2708和2710可以絕熱以減緩隨著其內容物朝著周圍環境的溫度變熱或變冷而出現的有效能損失。圖27中示出的壓縮和/或膨脹階段的數量(即，2個階段)是示例性的。可以添加額外的膨脹和壓縮階段以及中間壓力容器以進一步分割壓力範圍(例如，3個壓縮/膨脹階段-O至80psig, 80psig至500psig以及500至3000psig,而中間壓力容器大約為80psig和500psig)。
[0346]類似地，系統2700可以通過通入大氣空氣(箭頭2712)並將其順序地壓縮在氣缸2704和2702中而存儲能量。圖28示出了已經在圖27中示出的系統2700的一些部分的示意圖，並且附有時間-溫度圖2800以部分地描述假定的兩階段壓縮的各階段。從圖2800的一些部分匯聚到系統2700的示意圖的一些部分的細線對指明了圖2800的哪些部分表示系統2700的哪些部分的溫度變化。在圖2800中，虛線表示氣體溫度，而實線表示熱交換液體的溫度。
[0347]圖2800始於時間T=0，此時，壓縮衝程在低壓氣缸2704中開始。氣缸包含泡沫，其氣態和液態組分處於相同的低壓(大約為大氣壓)和相同的相對較低的溫度(大約25°C )。從T=O毫秒(ms)至大約T=290ms，泡沫在氣缸2704中被壓縮。氣體溫度的升高由虛曲線2804表示。隨著氣體的溫度升高，熱量被轉移到泡沫的液態組分(其溫度由實曲線2806表示)。曲線2804清楚地示出了氣體的溫度不是恆定的，S卩，氣體的壓縮不是純等溫的；然而，與氣體進行絕熱壓縮的情況下的溫度變化相比，其大體上或大致是等溫的。在絕熱情況下，氣體的溫度將不止上升至大約55°C，而是上升至大約295°C。因此，氣缸2704中的氣體所經歷的壓縮過程可以合理地被稱為「大致等溫」，多變係數小於n=l.05，並且相比於絕熱情況實現了顯著的效率增益。這些增益不與完美等溫壓縮(將需要無限時間)實現的增益一樣大。
[0348]實線2806和虛線2805 (分別為液體和氣體溫度)之間的差異表示損失的有效能，這種損失的有效能不能在後續膨脹期間恢復。當過程時間常數(在這種情況下，壓縮發生時間大約為290ms)大大低於傳熱時間常數時，實現了這種損失的有效能的最小化。傳熱時間常數部分地取決於壓縮或膨脹氣體和液體的表面積和接近程度。小的液滴或泡沫基質最小化這種表面積。一般來說，與泡沫單元的基質相比，球形液滴將具有較小的表面積；因此，泡沫基質將導致較低的傳熱時間常數，較少的損失有效能以及更有效率的能量存儲系統。
[0349]圖28中的圖2800示出了壓縮在大約T=290ms時停止，這是由於氣體和液體混合物被轉移到中間壓力容器。氣體迅速地接近液體的溫度，如虛曲線2804從大約T=290ms至大約T=300ms的急劇下降所示。氣缸2704中的泡沫(以及任何分離的液體)隨後包含在中間壓力容器2706中。泡沫可以在中間壓力容器中以大致恆定的壓力和溫度(取決於中間壓力容器的尺寸，其尺寸可能足夠大以防止LP或HP氣缸的單次進氣或排氣期間的壓力大幅波動)再次生成並被轉移到HP氣缸2702中。到大約T=700ms時，HP氣缸2702的空氣室大體上或完全地由泡沫填充，並且壓縮衝程開始。類似於LP氣缸2704中的壓縮，泡沫的氣態組分的溫度上升，如虛曲線2810 (與絕熱壓縮的情況相比，這種溫度上升明顯變緩)所示，泡沫的液態組分的溫度也上升，如實曲線2812所示，並且泡沫的氣態和液態組分的溫度在壓縮停止之後很快均衡，如虛曲線2810從大約T=950ms至大約T=IOOOms的急劇下降所示。實線2812和虛線2810 (分別為液體和氣體溫度)之間的差異表示損失的有效能，這種損失的有效能不能在後續膨脹期間恢復。此後，HP氣缸2702的液體和氣體內容物存儲在高壓存儲器和熱井2708中，保持在大致恆定的溫度和壓力下，如實曲線2814所示。
[0350]因此，系統2700利用在氣體的膨脹和壓縮期間與氣體起泡的熱交換液體作為有效能存儲介質，並且使得氣體能夠進行快速的、大致等溫的膨脹和壓縮。此外，來自各種外部源(例如，太陽能熱、來自火電廠的廢熱)的熱量可以轉移到庫2708的流體中。由此添加到庫2708的流體中的熱量可以部分地實現為氣缸2702和2704中的有用功，並且由此作為系統2700的電力輸出。在另一種實施方式中，額外的熱量可以以低品位熱(來自諸如電廠的源)的形式轉移到存儲器2708的流體中，否則這種低品位熱將以熱電的形式在環境被消耗，這樣進一步增加或維持了在後續膨脹過程中可使用的能量。此外，來自這種低品位熱源(未示出)的熱能可以在膨脹期間經由熱交換器(未示出)轉移到中間壓力容器2706中以增加可恢復的能量。
[0351]圖29是結合了本發明實施方式的示例性的壓縮空氣能量存儲系統2900的一些部分的示意圖，其在某些方面類似於圖27和28的系統2700。系統2900包括:在某中間壓力(例如大約200psig)和某高壓(例如大約3000psig)之間膨脹和壓縮氣體的高壓氣動缸組件2902 (在圖29中標記為HP);在某低壓(例如大約Opsig)和某中間壓力(例如大約200psig)之間膨脹和壓縮氣體的低壓氣動缸組件2904 ;中間壓力容器2906 (在圖29中被標記為MPV)，其通常包含系統的中間壓力的流體(例如，氣體、熱交換液體、泡沫或分離的氣體和液體)；存儲庫2908或互相連通的一組存儲容器(例如，額定用於存儲或輸送高壓氣體的管道的密封長度)，能夠存儲高壓和升高的溫度(例如50°C )的流體，並且因此能夠用作壓力勢能和熱能的存儲器；存儲容器/噴灑庫2910 (例如箱)，其能夠以相對低溫(例如20°C)保持適當量的熱交換液體。噴灑庫2910優選地包括用於將低壓泡沫分離成液態和氣態組分並且將氣體排出到大氣中(由虛線箭頭2912表示)的機構。在圖29中，虛線箭頭表示氣體通過適當的管道的雙向移動，而實線箭頭表示液體通過適當的管道的雙向移動。
[0352]系統2900還包括高壓分離容器2922，其包含用於將泡沫(例如高壓泡沫)分成液態和氣態組分的一個或多個機構。存儲庫2908、2910和2926可以絕熱以減緩隨著其內容物朝著周圍環境的溫度變熱或變冷而出現的有效能損失。噴灑庫2910可以將液體和氣體(例如，作為液體和氣體的分離流或作為水基泡沫的單個流)與低壓氣缸2904交換，低壓氣缸2904可以將液體和氣體與中間壓力容器2906交換，中間壓力容器2906可以將液體和氣體與高壓氣缸2902交換，高壓氣缸2702可以將氣體與高壓存儲器2908交換，並且(經由泵/電機2924)將液體與低壓熱井2926 (例如，絕熱的大氣壓力箱)交換。
[0353]與系統2700類似，系統2900可以以壓縮(能量存儲)或膨脹(能量生成)模式操作。在系統2900的壓縮操作模式期間，如上文中關於系統2700所述的一樣，氣體通過低壓氣缸2904、中間壓力容器2906和高壓容器2902分階段壓縮。在HP氣缸2902中的壓縮之後，來自高壓氣缸2902的液體和氣體(部分地或大體上處於泡沫的形式)被導向分離容器2922，泡沫的液態和氣態組分在其中被適當的機構(例如，擋板、重力、旋轉葉片、超聲、離心和/或其他這種機構)分離。泡沫的分離的氣態組分從分離容器2922被導向存儲容器2908 ;分離的熱交換液體組分以相對高的壓力(例如3000psig)和高溫度(例如50°C)通過泵/電機2924從分離容器2922被導向低壓存儲容器2926 (例如箱)，該低壓存儲容器能夠將適當量的熱交換液體保持在升高的溫度和低壓之下。熱交換液體的壓力在通過泵/電機2924從分離容器2922通往存儲容器2926的過程中降低，將泵/電機作為電機驅動，由此生成有用的能量(在將液體壓縮至較高壓力的過程中，恢復這部分使用的能量)。在替代實施方式中，高壓存儲庫2908可以既用作氣體存儲器又用作液體/氣體分離器，其中，在通過重力排出水基泡沫的液體部分之後，液體從氣體存儲庫的低點被移走。在該實施方式中，分離容器2922不是與庫2908分離的元件。在一種實施方式中，存儲庫2908是具有大水平表面積的水平管道段，其有助於水基泡沫的相對快速地重力排出。[0354]在系統2900的能量生成(膨脹)操作模式中，來自容器2926的低壓的且可能為升溫的熱交換液體通過泵/電機2924被導入。以泵模式運行的泵/電機2924將液體的壓力提高到足以允許液體與來自存儲庫2908的高壓(例如大約3000psig)氣體組合為泡沫的水平。泡沫可以形成在庫2908中，形成在容器2922中，形成在不同於容器2922且位於高壓氣缸2902外部的機構中，或者形成在高壓氣缸2902的內部。HP氣缸2902、中間壓力容器2906和低壓容器2904中的氣體的分階段膨脹隨後如上文所述系統2700那樣進行。
[0355]因此，系統2900利用在氣體的膨脹和壓縮期間與氣體起泡的熱交換液體作為有效能存儲介質，並且使得氣體能夠進行快速的、大致等溫的膨脹和壓縮。不像系統2700，系統2900不使用單個容器(或互連的容器組)來存儲高壓氣體和熱交換液體。這具有高壓存儲器所需的容積較小的優勢；在系統2900的熱側需要的存儲總容積(即，容器2926中的熱液體和容器2908中的熱的高壓氣體的存儲)大約與系統2700的相同，但由於容器2926是低壓的，因而其每單位容積成本可能比高壓容器2908的更低。
[0356]此外，來自各種外部源(例如，太陽能熱、火電廠的廢熱)的熱量可以相對容易地(與將熱量轉移至高壓存儲器2700或2908的內容物中相比)轉移到熱井2926中的液體中，這是由於在這種熱收穫中不需要用於承受高壓的熱交換機構。由此添加到熱井2926中的熱能可以部分地實現為氣缸2902和2904中的有用功，並且由此作為系統2900的熱電聯產電力輸出。較低的總存儲成本和/或熱電聯產可以充分補償在壓縮模式中將聞壓液體從分離容器2922轉移到熱井2926中的低壓所導致的能量損失以及在膨脹模式期間將低壓液體從熱井2926泵到高壓以與HP氣缸2902中的氣體起泡所導致的能量損失。
[0357]在利用存儲高壓氣體的固定容積的存儲庫的壓縮氣體能量存儲系統的生成模式中，氣體從高壓存儲庫中被逐步地、連續地或分批地排出，從而其勢能可以部分地實現為機械能和電能。在高壓存儲器的這種逐步排氣過程中，存儲器內的氣體的壓力和溫度將趨向於以大致絕熱的方式降低。對熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，這種大致絕熱的壓力和溫度降低將使得可恢復能量由於較低的可用壓力而產生損失和/或由於溫度混合導致有效能損失。類似地，在壓縮氣體能量存儲系統的存儲模式中，氣體被逐步地、連續地或分批地遞送到高壓存儲庫中，從而其勢能可以被存儲。在氣體到高壓存儲器的這種逐步遞送期間，存儲器內的氣體的壓力和溫度將趨向於以大體上絕熱的方式增加，而相應增加的功用於壓縮至較高的壓力和/或混合由於溫度不匹配造成的有效能損失。
[0358]為了在從高壓存儲器排氣期間或將氣體遞送至高壓存儲器期間防止有效能損失，期望的是在高壓存儲器中經歷壓縮或膨脹的氣體與熱交換液體之間維持熱交換。高壓存儲器中氣體和液體之間的熱交換可以通過部分地或基本上地利用泡沫填充高壓存儲器來實現，其中，泡沫的液態組分是熱交換液體。泡沫的液態組分將趨向於將熱量傳給泡沫的氣態組分，或者趨向於從氣態組分中吸收熱量，從而使得在系統的存儲或生成操作模式期間能夠在高壓存儲器內大致等溫地進行壓力升高或降低。泡沫的液態組分的溫度或泡沫混合物的溫度可以進一步由高壓存儲器外部的熱交換機構(熱交換器)改變，從環境中溢出熱量或者從環境或一些熱電聯產源中獲取熱量。泡沫或分離的液體均可以通過高壓存儲器外部的熱交換器循環。在其他實施方式中，熱交換機構(例如翅片管)可以設置在高壓存儲器內部，從而外部的熱交換流體(例如環境空氣)可以循環到高壓存儲器中，且不會與其中的內容物混合，而不是高壓的內容物循環到外部的熱交換器。利用存儲在僅存儲氣體的高壓存儲器中的壓縮氣體進行熱交換的技術在於2011年4月27日提交的序列號為13/094，960的美國專利申請(』960申請)中描述，其全部內容通過引用包含於此。當過程時間常數大大低於傳熱時間常數時，實現了這種損失的有效能的最小化。一般來說，存儲庫內的壓縮或膨脹以比氣缸和動力單元內慢得多的時間常數發生。例如，在存儲庫中將氣體從750psig壓縮至3000psig可能需要大約一小時。傳熱時間常數部分地取決於壓縮或膨脹氣體和液體的表面積和接近程度。小的液滴或泡沫基質最大化這種表面積。一般來說，與泡沫單元的基質相t匕，球形液滴將具有較小的表面積；因此，泡沫基質將導致較低的傳熱時間常數，較少的損失有效能以及更有效率的能量存儲系統。對於存儲庫熱交換來說，較小量的泡沫或者低質量或間歇的噴灑或循環可能足以實現期望的傳熱時間常數(例如，大體上將時間常數降低I小時)。
[0359]圖30是示例性機構的示意圖，該機構用於在氣體從存儲器排出或將氣體遞送到存儲器期間循環來自高壓存儲器的流體以在存儲器中實現大致等溫的壓力變化，或者用於通過使用熱交換器將能量從熱電聯產源或其他源添加到存儲器內的氣體中。利用操作為循環器的泵3006將來自庫(3002a-3002d)的流體循環通過熱交換器3004。循環的流體可以是氣體或熱交換液體，或者是既包括氣體又包括液體的泡沫。利用足夠用於循環的小壓力變化來操作泵3006，但泵3006位於能夠承受高壓的殼體內，如』409申請中詳述的那樣。泵3006將高壓流體循環通過熱交換器3004，而不會大幅增加其壓力(例如，3000psi的空氣增加50psi)。隨後，流體可以通過在庫3002a-3002d內生成泡沫或其他兩相混合物(例如液滴噴霧)的機構再次注入到庫3002a-3002d中。以這種方式，可以通過打開閥3008並關閉閥3010並且在膨脹期間(從庫3002a-3002d中釋放氣體)加熱或者在壓縮期間(將氣體遞送至庫3002a-3002d)通過關閉閥3008並打開閥3010而冷卻來控制存儲的壓縮氣體的溫度(例如，上升、下降、保持為大體上恆定或保持為大體上等於內部液體溫度)。當打開時，閥3010使子系統3000與諸如圖27中的系統2700的能量存儲系統流體連通。熱交換器3004可以是任何類型的標準熱交換器設計；圖30中示出的是具有高壓空氣入口和出口埠 3012、3014以及低壓殼埠 3016和3018 (其可以連接到外部加熱或冷卻源)的管殼式熱交換器。
[0360]在其他實施方式中，泡沫從庫3002a_3002d循環通過熱交換器3004。在各種實施方式中，循環通過熱交換器3004的外部迴路的流體可以是氣體、液體或泡沫。在圖30中以水平位置示出了庫3002a-3002d，但其他朝向也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。
[0361]圖31是示例性替代壓縮空氣存儲庫子系統3100的示意圖，該子系統3100用於加熱和冷卻能量存儲系統中的壓縮氣體，從而在膨脹或壓縮之前和/或在膨脹或壓縮期間加快向壓縮空氣的以及從壓縮空氣的熱量轉移。如所示，至存儲庫3102、3104中存儲的流體的傳熱和從存儲庫3102、3104中存儲的流體的傳熱通過利用泵3106的液體循環而加速。利用足夠用於循環和噴灑(和/或泡沫生成)的小壓力變化來操作液體泵3106，但泵位於能夠承受高壓的殼體內；即，其將高壓水(或其他合適的傳熱流體)循環通過熱交換器3108，並且將液體引入到存儲庫3102和3104中，而不會大幅增加其壓力(例如，對於存儲的3000psig的壓縮氣體內的循環和噴灑來說增加50psi)。在其他實施方式中，熱交換器可以被省略或繞過。熱交換器3108可以是任何類型的標準熱交換器設計；圖中示出的是具有高壓液體入口和出口埠 3112、3114以及低壓殼液體埠 3116和3118的管殼式熱交換器。殼埠3116和3118可以允許與第二熱交換器、熱井或其他一些流體主體連通。[0362]通過液體(例如水)至容器3102、3104中的主動噴灑或起泡來加快存儲庫3102、3104中的熱交換。此處，「噴灑」指通過機械地作用在液體上以將液體分成液滴的機構(例如，小孔、設計的噴嘴、將噴霧導向衝擊針或板的機構)的任意液體通路。「起泡」指通過將液體與氣體混合以形成泡沫的機構的任意液體通路；這種機構包括液體被導向產生超聲或由超聲作用的表面的設計，該表面以產生分裂或起泡的方式震動液體。所有的這些機構都是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。圖31的示例性系統示出了作為噴灑/起泡機構的多個穿孔杆(噴灑杆)。如圖31所示，穿孔杆3120和3122可以安裝在存儲庫3102和3104的內部。穿孔杆3120、3122可以沿著存儲庫3102、3104的頂部布置或者位於其頂部，沿著存儲庫的中間部分布置(如圖31所示)，和/或沿著存儲庫的底部布置(例如鼓泡式布置)。杆3120、3122可以延伸穿過存儲庫3102、3104的長度的一部分或全部。泵3106將液體壓力增加到庫壓力之上，從而液體主動地循環，並且從杆3120、3122噴灑/起泡，如箭頭3124和3126所示。隨著噴灑和/或起泡到存儲庫3102和3104中，存儲庫3102、3104中的氣體內的液體的液滴或泡沫基質出現，使得在液體和氣體之間能夠進行有效的傳熱。泡沫可以部分地或大體上填充存儲庫3102、3104。隨著時間流逝，泡沫將趨向於分離，在存儲庫3102、3104的底部產生液體聚積物3128、3130。因此，液體聚積物可以通過埠 3132、3134以及相關的管道3136移除。管道3136將液體返回至熱交換器3108，液體3128、3130通過該熱交換器3108循環為閉環水循環和噴灑/起泡系統的一部分。當打開時，閥3110使子系統3100與諸如圖27中的系統2700的能量存儲系統流體連通。
[0363]在各種其他實施方式中，泡沫或氣體從存儲庫3102、3104循環通過熱交換器3108。在各種實施方式中，循環通過熱交換器3108的外部迴路的流體可以是氣體、液體或泡沫。埠 3132、3134可以位於存儲庫3102、3104的頂部或側部，例如用於拉動氣體(例如在鼓泡布置中)或泡沫，而不是優先拉動分離的液體。在圖31中以水平位置示出了存儲庫3102,3104及其內部的噴灑機構3120、3122，但其他朝向也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。在圖31中示出了兩個存儲庫3102、3104，但其他數量的存儲庫(例如管道和天然或人工的腔洞)也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。
[0364]圖32是替代壓縮空氣存儲庫子系統3200的示意圖，該子系統3200用於加熱和冷卻能量存儲系統中的壓縮氣體，從而在膨脹或壓縮之前和/或在膨脹或壓縮期間加快向壓縮空氣的熱量轉移以及從壓縮空氣的熱量轉移。轉移到和/或來自存儲庫3202中存儲的壓縮氣體的熱量通過利用外殼3204和空氣循環風扇3206的流體循環而加快。存儲庫3202也可以包括熱交換液體，其可以與存儲庫3202中的氣體分離或混合以形成部分地或完全地填充存儲庫3202的泡沫。未結合在泡沫中的分離的液體、泡沫和氣體可以在存儲庫3202中以及在本文描述的其他所有高壓存儲庫中共存。在子系統3200中，流體(例如空氣)通過進氣開口(例如排出口)3208進入外殼3204。流體可以處於不同於存儲庫3202中的壓縮氣體的溫度。存儲庫3202的布置允許流體在它們周圍或在它們之間實質上循環。如果通過排出口 3208進入的流體的溫度低於存儲庫3202內的流體溫度，則在存儲庫3202周圍和之間的流體循環從存儲庫3202獲得熱能；類似地，如果循環流體的溫度比存儲庫3202內的流體的溫度高，則存儲庫3202從通過排出口 3208進入的流體獲得熱能。已經在存儲庫3202周圍和之間循環的流體通常通過排氣設備(例如泵、風扇)3206從外殼3204被牽拉，排氣設備在圖32中被示例性地表示為風扇。通過設備3206排出的氣體可以局限於一個或多個導管(未示出)，通過熱交換系統循環以改變其溫度，並且通過導管返回到排出口 3208。外殼3204的外部可以是絕熱的。進入進氣開口 3208的流體可被加熱或冷卻，並且由此改變存儲庫3202及其內部的內容物的溫度。這種加熱的源可以是來自諸如熱電廠或工業過程的源的廢熱，並且可以是諸如太陽加熱或火力加熱元件的直接源。
[0365]閥和管道(未示出)可以使存儲庫3202的內容物與諸如圖27中的系統2700的能量存儲系統流體連通。在圖32中以水平位置示出了存儲庫3202，但其他朝向也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。在圖32中示出了六個存儲庫3202，但其他數量的存儲庫以及其他類型的氣體存儲器也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。
[0366]圖33是另一壓縮空氣存儲庫子系統3300的示意圖，該子系統3300用於與加熱和冷卻能量存儲系統中的壓縮氣體一起使用，從而在膨脹或壓縮之前和/或在膨脹或壓縮期間加快向壓縮空氣的熱量轉移以及從壓縮空氣的熱量轉移。轉移到或來自存儲庫3302中存儲的壓縮氣體的熱能通過一種或多種流體(例如，水、水基泡沫)在外殼3304中循環並且利用管道3306、3308分別地將流體通入外殼3304或將流體從外殼3304移除而加快。存儲庫3302也可以包括熱交換液體，其可以與存儲庫3302中的氣體分離或混合以形成部分地或完全地填充存儲庫3302的泡沫。在圖33所示的示例性子系統3300中，外殼3304中的流體水平3310由緊密間隔的垂直線表示。流體通過管道3306進入外殼3304中。流體可以處於不同於存儲庫3302中的流體的溫度。存儲庫3302的布置優選地允許水(或其他流體)在它們周圍或在它們之間實質上循環。如果通過管道3306進入的流體的溫度低於存儲庫3302內的流體溫度，則在存儲庫3302周圍和之間的流體循環從存儲庫3202獲得熱能；類似地，如果通過管道3306進入的流體的溫度比存儲庫3302內的流體的溫度高，則存儲庫3302從流體獲得熱能。在存儲庫3302周圍和之間循環的流體通過管道3308從外殼中移除。通過管道3308移除的流體可以通過熱交換系統(圖33中未示出)循環以改變其溫度，並且通過管道3306返回到外殼3304中。
[0367]閥和管道(未示出)可以使存儲庫3302的內容物與諸如圖27中的系統2700的能量存儲系統流體連通。在圖33中以水平位置示出了存儲庫3302，但其他朝向也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。在圖33中示出了六個存儲庫3302，但其他數量的存儲庫也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。
[0368]圖34示出了另一壓縮空氣存儲庫子系統3400，該子系統3400用於加熱和冷卻能量存儲系統中的壓縮氣體，從而在膨脹或壓縮之前和/或在膨脹或壓縮期間加快向壓縮氣體的熱量轉移以及從壓縮氣體的熱量轉移。轉移至和來自諸如洞室3402 (例如，自然發生的或人為製造的洞室，其可以位於地下)的加壓庫中存儲的壓縮氣體的熱能通過利用液體泵3404和熱交換器3406的液體循環而加快。洞室3402也可以包括熱交換液體，其可以與洞室3402中的氣體分離或混合以形成部分地或完全地填充洞室3402的泡沫。液體或泡沫3420可以在洞室3402的底部積聚。利用足夠用於循環和噴灑和噴霧/泡沫生成的小壓力變化來操作泵3404，但泵位於能夠承受高壓的殼體內；泵3404將高壓流體循環通過熱交換器3406，並且隨後進入噴霧/泡沫生成機構3408，在洞室3402內形成起泡噴霧3410，而不會大幅增加流體的壓力(例如，對於存儲的3000psi的壓縮氣體內的循環和噴灑來說增加50psi)。以這種方式，存儲的壓縮氣體可以利用流體循環和噴灑/起泡方法來預加熱(或預冷卻)，這些方法也可以允許存儲洞室3402的主動液體監測。兩相熱交換可以在膨脹之前進行預加熱和/或在壓縮之前進行預冷卻。循環可以在沒有熱交換器3406的情況下完成，並且用於在膨脹或壓縮期間將熱交換液體和氣體保持在大體上相同的溫度。泵3404可以浸入到液體或泡沫3420中，或位於液體或泡沫3420的外部。熱交換器3406可以是任何標準熱交換器設計；圖中示出的是具有高壓液體入口和出口埠 3412、3414以及低壓殼液體埠 3416和3418的管殼式熱交換器。殼埠 3416和3418可以允許與第二熱交換器、熱井或某些其他流體主體進行連通。
[0369]存儲洞室3402內的熱交換通過液體(例如，具有一種或多種起泡添加劑的水)在洞室3402中的主動噴灑和泡沫生成3410而加快。圖34中示出的是一個或多個穿孔噴頭3408安裝在存儲洞室3402內的方案。泵3404將流體壓力增加到洞室壓力之上，從而流體主動地循環並且從噴頭3408噴出。泡沫可以部分地或完全地填充洞室3402的容積。由於泡沫分離，液體和/或泡沫3420可以在洞室3402的底部積聚並且通過管道3422移除。管道3422將液體和/或泡沫3420返回至泵3404和熱交換器3406，液體和/或泡沫通過該泵3404和熱交換器3406循環為閉環流體循環和泡沫生成和/或泡沫再生成系統的一部分。一個或多個閥和管道(未示出)可以使洞室3402與諸如圖27中的系統2700的能量存儲系統流體連通。
[0370]如果洞室3402具有足夠的大小，則大部分質量的液體和/或泡沫3420可以被允許聚積在洞室3402的底部。在這種情況下，這種質量的液體和/或泡沫3420可以相對緩慢地與同樣包含在洞室3402內的空氣交換熱量，並且可以用於熱量庫。
[0371]在圖34中示出了垂直洞室形和噴頭式的內部泡沫生成機構3408，但其他朝向和噴霧或泡沫生成機構(例如噴杆、多個噴嘴)也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。噴頭3408可以位於洞室的底部以允許空氣噴射到聚積的液體和/或泡沫3420中，從而在洞室3402內形成或再次生成泡沫。圖34中示出了單個洞室3402，但其他數量的洞室以及包括洞室和其他形式的氣體存儲器(例如壓力容器和/或管道)的存儲庫也是可以考慮的，並且在本發明的範圍之內。
[0372]圖35是根據本發明各種實施方式的能量存儲和恢復系統的各種部件的視圖。所示系統包括設施3500或實質上由其組成，其中，熱能可以用於恢復、從周圍環境中提取、需要使用和/或可以移除以冷卻。示例性設施3500包括:基於礦物燃料的電廠(例如煤、天然氣)；基於其他熱引擎的電廠，例如核能、太陽熱和地熱；具有廢熱的工業過程；熱泵，熱源和散熱器；需要空間加熱或冷卻的建築物；以及環保冷卻水的源。在圖35中，出於示例性的目的，示出了發電廠3502，其多餘熱能可以通過標準熱交換單元3504恢復。從發電廠3502生成的電力3506可以用於像操作人員確定的那樣(例如，當市場的電力需求較低時)驅動壓縮氣體能量存儲系統3508，以壓縮氣體的形式將能量存儲在存儲庫3510中。能量可以額外地存儲為冷卻至環境溫度之下或加熱到環境溫度之上的液體的熱能或有效能，並且這些液體可以位於包含壓縮氣體(例如，與之混合而作為泡沫)的相同容器內，或者與氣體分離並且存儲在分離的容器中。當需要更多的電力時，這種存儲的能量在壓縮氣體能量存儲系統3508中經歷膨脹(例如，分階段的膨脹)以生成供使用的電力(例如，電網輸送3512)。從發電廠3502恢復的熱能可以用在壓縮氣體存儲庫3510 (或其他加壓存儲器)的熱交換子系統中以在膨脹之前或期間和/或在中間壓力容器的膨脹/壓縮階段之間預先加熱存儲的壓縮氣體和/或加熱熱交換流體和氣體，增加給定體積的加壓氣體所做的功並且提高系統效率和/或性能。同樣地，但未在本文中示出，通過熱交換利用寒冷環境、接地迴路、水迴路或其他低溫庫冷卻的水可以用在熱交換子系統中以在進一步壓縮之前和期間預先冷卻和/或繼續冷卻壓縮氣體，提升系統效率和/或性能。在所有的這些實例中，系統的性能和/或價值可以顯著提高。
[0373]圖36示出了根據本發明各種實施方式的示例性系統3600，其在預定壓力範圍內大致等溫地壓縮或膨脹氣體。系統3600包括氣缸3602，該氣缸3602包含將氣缸3602的內部分成氣體填充室(也稱為空氣室或氣動室)3606和液體填充的(即液壓)室3608的移動活塞3604(或其他合適的分界機構)。可選地，室3608可以是氣體填充的，和/或空氣室3606可以包含氣體、液體和泡沫中的一種或多種。集成的熱交換機構通常出現在室3606和/或3608中，如』 155專利中所述和/或如圖2所示。在圖36所示的實施方式中，噴頭3610將流體的噴霧3612注入到氣缸3602的上部室3606中。這種噴霧3612可以包括水基泡沫(包括氣體和熱交換液體)或與空氣室3606中的氣體混合以形成水基泡沫的液體，或實質上由其組成。泡沫3614部分地或完全地填充空氣室2606 ;也可以出現泡沫3614的部分分離，允許液體聚積在活塞3604的頂部。具有閥3622和3632的埠 3620和3630允許氣體如所期望的那樣通入室3606或從室3606排出。一個或多個埠(未示出)與相關聯的管道和閥(未示出)允許流體如所期望的那樣通入室3608或從室3608排出。
[0374]在空氣膨脹期間，室3606中的氣體膨脹，對活塞3604做功。隨著室3606中的氣體膨脹，其溫度趨向於降低，而熱能從室3606內的傳熱液體(例如，部分地或完全地填充室3606的泡沫的液態組分)轉移到氣體。熱能從室3606中的液體到氣體的轉移增加了膨脹氣體對活塞3604所做的功。隨著室3606中的氣體膨脹，其溫度趨向於降低，而熱能從室3606內的傳熱液體(例如，部分地或完全地填充室3606的泡沫的液態組分)轉移到氣體。熱能從室3606中的液體到氣體的轉移增加了膨脹氣體對活塞3604所做的功。
[0375]在空氣壓縮期間，活塞3604向上移動並且由此壓縮室3606中的氣體。隨著室3606中的氣體被壓縮，其溫度趨向於升高，而熱能從氣體轉移到室3606內的傳熱液體(例如，部分地或完全地填充室3606的泡沫的液態組分)。熱能從氣體到室3606中的液體的轉移降低了活塞3604必須對膨脹氣體做的功。熱能從室3606中的氣體至液體的轉移降低了活塞3604為了壓縮氣體而對室3606中的氣體所做的功。
[0376]為了使氣缸3602準備用於壓縮，低壓氣體從點3634通過閥3632和埠 3630在向下衝程中通入到上部室3606中，該向下衝程始於靠近或位於氣缸3602頂部的活塞3604。在通入室3606之前、期間或之後，氣體可以與液體混合以形成泡沫。在本發明的各種實施方式中，點3634處的入口壓力通過鼓風機(例如葉式的)或泵/壓縮機(例如螺杆泵)3642升高到大氣壓力之上，該鼓風機或泵/壓縮機將大氣壓力或接近大氣壓力的氣體通過入口/排出口 3640抽入。通過泵/壓縮機3642的壓縮可以主要是絕熱的；可選地，泵/壓縮機3642可以包括例如螺杆泵，其允許將熱交換泡沫和/或液滴引入到在螺杆泵3642中經歷壓縮和/或膨脹的空氣中，使得空氣能夠在螺杆泵3642內進行大致等溫的壓縮和/或膨脹。隨後泡沫可以通過螺杆泵3642泵到室3606中。此外，如圖36所示，螺杆泵3642可以是雙向膨脹器/壓縮機；因此，下文中對「壓縮機3642」和「膨脹器3642」的引用可以指單個雙向螺杆泵單元。壓縮機3642的出口可以在點3634處連接到處於預定最小系統壓力(即，由壓縮機3642使能的超大氣壓力，其用作氣缸3602的入口壓力)或其附近的低壓容器3650，從而低壓容器3650可以提供緩衝，使得壓縮機3642可以以接近恆定的功率連續地運行。低壓容器3650可以包含集成的熱交換，如上文和』 155專利中所述。在準備壓縮的向下(進氣)衝程的底部或其附近，其中，活塞3604處於氣缸3602的底部或其附近，並且室3606通過壓縮機3642和閥3632的動作以預定壓力的氣體(和/或泡沫)填充，閥3632關閉。隨後是向上壓縮衝程。在預定高壓時，該高壓可以等於點3624的壓力(例如，諸如庫222的高壓存儲庫中或多階段系統中的高壓氣缸中的壓力)，閥3622打開，將室3606通過埠 3620連接到點3624。加壓氣體和/或泡沫隨後通過閥3622被推向點3624，直到活塞3604靠近或處於氣缸3606的頂部，此時，閥3622關閉，並且過程重複另一進氣衝程。
[0377]與缺少壓縮機3642,但在其他方面與系統3600相同的系統相比,系統3600中壓縮機3642的存在使得更多量(質量)的氣體能夠在氣缸3602內的活塞3604的單次向上衝程中被壓縮。利用壓縮機3642在單次衝程中所做的壓縮功比不利用壓縮機3642的情況高，並且更多的氣體被壓縮到點3624。
[0378]如上文所述，通過壓縮機3642的主要絕熱的壓縮以及氣缸3602中的大致等溫的壓縮的總壓縮效率通常小於完全位於氣缸3602內的在整個壓力範圍內的大致等溫的壓縮。通過壓縮機3642的大致等溫的壓縮以及氣缸3602中的大致等溫的壓縮的總壓縮效率也通常小於完全位於氣缸3602內的在整個壓力範圍內的大致等溫的壓縮。因此，壓縮機3642的添加以效率為代價大體上增加了系統3600的功率(B卩，系統3600將功轉換成壓縮氣體勢能的速率)。功率和效率之間的權衡的最佳程度通常根據系統3600所使用的應用而改變。此外，對於埠 3620處給定的出口壓力，氣缸3602的室3606內的較高起始壓力降低了氣缸3602在衝程過程中起作用的壓力範圍(出口壓力與入口壓力之比);如上文中探討的那樣，這也縮小了作用在杆3618上的力的範圍，杆3618連接到活塞3604上並且其下端延伸到氣缸3602之外。如前所述，這種力的範圍的縮小轉而使得能夠通過使電動機/發電機(未示出)在系統3600中工作而進行更高效的電能轉換。
[0379]在膨脹期間，處於高壓的預定量的壓縮氣體和/或泡沫從點3624 (例如，來自諸如圖2中的庫222的存儲庫或諸如圖27的系統2700的多階段系統中的高壓氣缸)通過閥3622和埠 3620通入到室3606中。通入的氣體和/或泡沫的量可以由控制系統(例如，圖1中的控制系統122)設置，從而在向下衝程(B卩，當活塞3604到達氣缸3602的底部時)中的完全膨脹之後，氣體和/或泡沫達到預定最小系統壓力，該預定最小系統壓力通常是超大氣壓(例如，大約5psig)。例如，控制系統可以響應於一個或多個測量氣體流速和/或氣缸3602中的壓力以計量氣體引入量的傳感器。在氣缸3602的向上返回衝程中，氣體通過閥3632排出到點3634。
[0380]在本發明的各種實施方式中，點3634處的管道連接到將加壓氣體流轉換成旋轉運動的膨脹器3642 ;在這些實施方式中，穿過膨脹器3642的氣體流生成除由氣缸內的膨脹生成的電力量之外的電力。通過膨脹器3642的膨脹可以主要是絕熱的；可選地，膨脹器3642可以允許將熱交換泡沫和/或液滴弓I入到在膨脹器3642中經歷膨脹的空氣中，使得空氣能夠在膨脹器3642內進行大致等溫的膨脹。在通過膨脹器3642的膨脹之後，氣體(或泡沫的氣態組分)可以通過排出口 3640排出到大氣中。此外，如圖36所示，處於預定最小系統壓力(即，輸入到膨脹器3642的超大氣壓力，其用作氣缸3602的出口壓力)或其附近的低壓容器3650也可以在點3634處連接，從而提供緩衝，使得膨脹器3642可以以接近恆定的功率連續地運行。如上所述，低壓容器3650可以包含集成的熱交換機構。
[0381]通過以大氣壓力之上的壓力終止氣缸3602內的膨脹衝程，在氣缸3602內的活塞3604的單次向下衝程中可以膨脹更多量(質量)的氣體。在單次衝程(在距離上更大的力起作用)中完成的膨脹功將高於以其他相同衝程完成的功的量，其中更少量的氣體被膨脹(在同一距離上更小的力起作用)。此外，如果使用膨脹器3642，則可能產生額外的功率，如果在膨脹衝程末端時，室3606中的超大氣壓力氣體被直接排出到大氣中，則將損失這部分額外的功率。通過膨脹器3642的主要絕熱的膨脹以及氣缸3602中的主要等溫的膨脹的總效率通常小於完全位於氣缸3602內的在整個範圍內的接近等溫的膨脹的效率。通過膨脹器3642的大致等溫的膨脹以及氣缸3602中的大致等溫的膨脹的總膨脹效率也通常小於完全位於氣缸3602內的在整個壓力範圍內的大致等溫的膨脹。因此，一般來說，超大氣壓力的排出壓力以及膨脹器3642的使用以效率為代價增加了功率。功率和效率之間的權衡的最佳程度通常根據系統3600所用在的應用而改變。此外，氣缸3602中的較高的排出壓力降低了氣缸3602在給定出口壓力(B卩，範圍是出口 /入口壓力)上起作用的壓力範圍，從而可以通過在較窄的壓力(以及由此的力)範圍內操作氣缸3602而實現高效功率輸送的一些好處。
[0382]控制系統(例如圖1中的控制系統122)可以控制壓縮機/膨脹器3642和氣缸3602，從而在氣缸3602內在特定的超大氣壓力範圍內進行氣體的大致等溫的膨脹和/或壓縮，並且在壓縮機/膨脹器3642在大約大氣壓力和氣缸3602的操作的最小超大氣壓力之間進行大體上絕熱的壓縮和/或膨脹。例如，控制系統例如通過控制各個埠和/或與這些部件相關聯的閥，可以引導將氣體和/或泡沫引入到氣缸3602和壓縮機/膨脹器3642中以及將氣體和/或泡沫從氣缸3602和壓縮機/膨脹器3642中排出的過程。控制系統可以響應於設置在氣缸3602和/或壓縮機/膨脹器3642之中或之上的一個或多個傳感器並且相應地引導系統3600內氣體的移動，其中傳感器用於測量這些部件內的氣體壓力。如上所述，氣缸3602內大致等溫的壓縮和/或膨脹的控制也可以通過關聯的傳熱子系統來控制，該傳熱子系統可以將熱交換液體與氣體起泡。這種傳熱子系統可以在壓縮機/膨脹器3642中的大體上絕熱或大致等溫的壓縮和/或膨脹過程中關閉或保持為空閒狀態。
[0383]圖37示出了根據本發明各種實施方式的示例性系統3700，其在預定壓力範圍內大致等溫地壓縮或膨脹氣體。系統3700使用與圖36中的系統3600相同的大致等溫的氣缸階段，但其包含分離並並聯的一組控制閥以及用於膨脹和壓縮的其他部件。系統3700包括氣缸3702，該氣缸3702包含將氣缸3702的內部分成氣體填充的(氣動)室3706和液體填充的(液壓)室3708的移動活塞3704。可選地，兩個室3706和3708都可以是氣體填充的。集成的熱交換機構可以出現在室3706和/或3708中，如』 155專利中所述和/或如圖36所示。在所示的實施方式中，噴頭3710形成熱交換液體的噴霧3712，從而與氣缸3702的上部室3706中的氣體一起形成泡沫。在其他實施方式中，噴頭3710可以位於氣缸3702的外部。該噴霧3712可以在活塞3704的頂部產生液體聚積物3714。具有閥3722和3732的埠 3720和3730允許氣體如所期望的那樣通入室3706或從室3706排出。一個或多個埠(未示出)與相關聯的管道和閥(未示出)允許流體如所期望的那樣通入室3708或排出室 3708。
[0384]在空氣膨脹期間，室3706中的氣體和/或泡沫膨脹，對活塞3704做功。隨著室3706中的氣體膨脹，其溫度趨向於下降。如果在膨脹期間，噴霧3712以適當的溫度(例如，在壓縮開始之前室3706中的氣體的溫度)進入室3706，則在膨脹期間泡沫的液態組分的溫度比室3706中的氣體的溫度高，並且泡沫的液態組分將熱能轉移給室3706中的氣體。熱能從泡沫的液態組分到室3706中氣體的轉移增加了膨脹氣體對活塞3704所做的功。實際上，這種熱能從泡沫的液態組分到室3706中的氣體的轉移使得噴霧3712中的熱能中的一些轉換為功。
[0385]在空氣壓縮期間，活塞3704向上移動並且由此壓縮室3706中的氣體。在室3706中的氣體由活塞3704壓縮時，其溫度趨向於升高。如果在壓縮期間，液體噴霧3712以適當的溫度(例如，在壓縮開始之前室3706中的氣體的溫度)進入室3706，則在壓縮期間室3706中的氣體的溫度比泡沫的液態組分的溫度高，並且室3706中的氣體將熱能轉移給泡沫的液態組分。熱能從室3706中的氣體至泡沫的液態組分的轉移降低了活塞3704為了壓縮氣體而必然對室3706中的氣體所做的功。
[0386]在始於靠近或處於氣缸3702的頂部的活塞3704的向下衝程(在準備壓縮衝程時)期間，低壓氣體從點3734通過閥3730 (此處示為止回閥)並且通過埠 3730被通入到上部室3706中。在本發明的各種實施方式中，點3734處的入口壓力通過壓縮機3740 (例如螺杆泵3740)升高到大氣壓力之上，該壓縮機將大氣壓力或接近大氣壓力的氣體通過入口/排出口 3741抽入。通過壓縮機3740的壓縮可以主要是絕熱的；可選地，壓縮機3740可以允許將熱交換泡沫和/或液滴引入到在壓縮機3740中經歷壓縮的空氣中，使得空氣能夠在壓縮機3740內進行大致等溫的壓縮。如圖37的示例性實例所示，壓縮機3740不需要是雙向膨脹器/壓縮機，而是可以實施為可在膨脹模式中關閉或設置成空閒的單向設備。壓縮機3740的出口可以包括後冷卻器或其他熱交換系統(未示出)並且可以在點3734處連接到接近或處於預定最小系統壓力的低壓容器3750上，從而提供緩衝，使得壓縮機3740可以以大體上恆定的功率在壓縮模式期間連續地運行。低壓容器3750可以包含集成的熱交換，如上文所述。在向下衝程的底部或其附近，其中活塞3704處於氣缸3702的底部或其附近，室3706通過壓縮機3740和閥3730的動作以預定壓力的流體(例如泡沫)填充，閥3730關閉，並且執行向上壓縮衝程。可選地，如所示，閥3730運行為止回閥並且只要向上壓縮衝程將室206加壓到點3734處的壓力之上就會關閉。在預定高壓時，該高壓優選地等於點3724處的壓力(例如，諸如庫222的存儲庫中或多階段系統中的高壓氣缸中的壓力)，閥3720 (此處示為止回閥)打開，將室3706通過埠 3720連接到點3724。當閥3720關閉並且過程重複另一進氣衝程時，加壓流體隨後通過閥3720被推向點3724，直到活塞3704靠近或處於氣缸3706的頂部為止。可選地，如圖37所示，閥3720運行為止回閥，並且只要向上壓縮衝程將室3706加壓到點3724的壓力之上就會打開，並且當向下進氣衝程開始將室3706中的壓力降低到點3724的壓力之下就會關閉。
[0387]利用壓縮機3740與不利用壓縮機3740相比，更大量(質量)的氣體可以在氣缸3702內的活塞3704的單次向上衝程中被壓縮。在單次衝程中所做的壓縮功比不利用壓縮機3740的情況高，並且更多的氣體將被壓縮到點3724。壓縮機3740中的主要絕熱的壓縮以及氣缸3702中的主要等溫的壓縮的總壓縮效率趨向於小於完全位於氣缸3702內的在整個壓力範圍內的大致等溫的壓縮。通過壓縮機3740的大致等溫的壓縮以及氣缸3702中的大致等溫的壓縮的總壓縮效率也通常小於完全位於氣缸3702內的在整個壓力範圍內的大致等溫的壓縮。由此，壓縮機3740的加入通常以效率為代價增加了功率。此外，氣缸3702中的較高的超大氣起始壓力降低了氣缸3702在給定出口壓力(S卩，範圍是出口 /入口壓力)上起作用的壓力範圍，從而可以通過在較窄的壓力(以及由此的力)範圍內操作氣缸3702來實現高效功率輸送的一些好處。
[0388]在膨脹期間，處於高壓的預定量的壓縮氣體從點3724(例如，從諸如庫222的存儲庫或多階段系統中的高壓氣缸)通過閥3722和埠 3720通入室3706中。如圖37所示，閥3722可以是單向閥，S卩，優化為僅在一個方向上流動。通入的氣體的量可以由控制系統122設置，從而在向下衝程(即，活塞3704到達氣缸3702的底部)中的完全膨脹之後，氣體達到氣缸壓縮和/或膨脹的預定最小系統壓力(例如，大約5psig)。在氣缸3702的向上返回衝程中，氣體通過閥3732排出到點3736。在本發明的各種實施方式中，點3736可以連接到將加壓氣體流轉換成旋轉運動的膨脹器3742，從而做的功並且產生的額外功率比氣缸內的膨脹產生的量更多。如示例性實例所示，膨脹器3742不需要是雙向膨脹器/壓縮機，而是可以實施為可在壓縮模式中關閉或設置成空閒的單向膨脹器。通過膨脹器3742的膨脹可以主要是絕熱的，諸如通過離心式或軸流渦輪型膨脹器來實現；可選地，膨脹器3742可以允許將熱交換泡沫和/或液滴引入到在膨脹器3742中經歷膨脹的空氣中，使得空氣能夠在膨脹器3742內進行大致等溫的膨脹。在通過膨脹器3742的膨脹之後，氣體可以通過排出口3741排出到大氣中。此外，如該示例性實施方式所示，接近或處於預定最小系統壓力的低壓容器3752也可以連接在點3736處，從而提供緩衝，使得膨脹器3742可以以大體上恆定的功率連續地運行。低壓容器3752可以包含集成的熱交換，如上文所述。
[0389]通過以大氣壓力之上的壓力終止氣缸3702內的膨脹衝程，在氣缸3702內的活塞3704的單次向下衝程中可以膨脹更多量(質量)的氣體。在單次衝程中所做的膨脹功通常高於利用較少氣體所做的功。此外，利用膨脹器3742，可以產生額外的功率，如果超大氣壓力的氣體被直接排出到大氣中，則將損失這部分額外的功率。膨脹器3750中的主要絕熱的膨脹以及氣缸3702中的主要等溫的膨脹的總膨脹效率可以小於完全位於氣缸3702內的在整個壓力範圍內的大致等溫的膨脹。通過膨脹器3742的大致等溫的膨脹以及氣缸3702中的大致等溫的壓縮的總膨脹效率也通常小於完全位於氣缸3702內的在整個壓力範圍內的大致等溫的壓縮。由此，更高排出壓力的加入通常以效率為代價增加了功率。功率和效率之間的權衡的最佳程度通常根據系統3700所用在的應用而改變。(例如，在某些低壓時，膨脹器的成本可能不值得恢復的功率；在這種情況下，可以有利地省略容器3752和膨脹器3742。)此外，氣缸3702中的較高的排出壓力通常降低了氣缸3702在給定出口壓力上起作用的壓力範圍；因此，可以通過在較窄的壓力(以及由此的力)範圍內操作氣缸3702來實現高效功率輸送的一些好處。
[0390]此外，埠 3730處的較高排出壓力降低了氣缸3702在衝程過程中起作用的壓力範圍(出口壓力與入口壓力之比);這也使作用在杆3718上的力的範圍縮小。這種力的範圍的縮小轉而使得能夠通過使電機/發電機(未示出)更有效地將系統3700所做的功轉換成電能。
[0391]現在參考圖38，其示出了本發明的另一種示例性實施方式。容積3800 (例如，管線、流體庫、氣體庫、填充有氣體或泡沫的氣動室)包含壓力為Ps的流體。由於在形成流體運動中的摩擦損失和所做的功，這種壓力Ps可以低於流體被注入到容積3800中的壓力Pi。可選地或此外，壓力Pi可以簡單地是高於Ps的某個壓力，期望將從容積3800中提取的流體提高到該壓力Ps。為了連續地將流體泵回到容積3800，或者以高於Ps的任意壓力(例如Pi)泵入另一容積3804，螺杆泵3802可以安裝為增壓泵，其在圖38中由螺杆泵的圖示出。螺杆泵3802有效地將來自容積3800的壓力為Ps的流體納入並且輸出為壓力為Pi的流體，以注入回到容積3800或注入到第二容積3804中(如圖38所示)。
[0392]螺杆泵可以在本文示出的使用增壓泵或循環泵的任何示例性機構中用作增壓泵或循環泵。在這種應用中，螺杆泵可以包括以下裝置:該裝置允許將熱交換泡沫和/或液滴引入到在螺杆泵中經歷壓縮和/或膨脹的空氣中，使得空氣能夠在螺杆泵內進行大致等溫的壓縮和/或膨脹。由此產生的泡沫可以通過管道從螺杆泵運輸到氣動缸、分離器、存儲庫或能量存儲系統的其他部件。
[0393]圖39示出了示例性系統3900，其包含動力單元3902 (包含用於氣體的壓縮和膨脹的氣缸組件單元)、氣缸熱交換系統3904、將空氣從環境引入或排出到環境中的排出口3905、能夠以高壓(例如3000psi)保持流體(例如空氣和/或水)的存儲庫3906、用於存儲和恢復熱能的熱井3908 (例如水體)、耦合到動力單元3902的機械和/或電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統3910、以及用於與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的環境熱交換系統3912。線路3914、3916、3918、3919、3920、3922、3924和3926表示用於在線路所連接的部件之間交換氣體、液體和/或熱能的管道、閥和其他配置。氣缸熱交換系統3904包含用於生成或以其他方式處理泡沫和/或噴霧的部件，用於改變流體的壓力的部件以及用於在與氣缸熱交換系統3904流體連通的各種部件(例如，存儲器3906、動力單元3902、熱井3908)之間路由流體轉移的部件；後續附圖中示出的氣缸熱交換系統可以包括執行類似功能的部件。在圖39以及後續附圖中，動力單元3902被示為包括單個噴霧冷卻或泡沫冷卻的氣動缸，該氣動缸(在頂部)連接到曲柄軸，在橫截面視圖中可見；然而，這種描述僅是示例性的和概念性的，其並不意於限制可以在系統3900 (或在本文描述的其他示例性系統)中用於熱能、氣體彈性熱能、機械能和電能的相互轉換的機構。在本文未示出的其他實施方式中，動力單元3902包含多個氣缸，並且機械能和電能的相互轉換可以經由液壓系統、直線發電機和圖39以及本文一些其他附圖中示出的氣缸-曲柄軸組合的其他替代物來實現。此外，在各種實施方式中，在系統3900中用作熱交換和熱能存儲材料的水包括一種或多種添加劑，或者水由不同的流體(例如油)替代。同樣地，除了水之外的材料，包括非流體或多相材料(例如水基泡沫)，可以用作熱井3908的能量存儲介質。本文所有附圖中的動力單元、熱交換液體和熱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統中，無論是否示出，環境熱交換單元和廢熱交換單元都是可供選擇的。
[0394]系統3900的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境溫度或適當溫度通入到動力單元3902中的氣缸組件。通過經由熱交換系統3904將從熱井3908抽取的起泡液體的噴霧引入到氣體中，由此在動力單元3902中形成泡沫，從而大致等溫地維持了氣缸組件中的氣體的壓縮。此處，假定熱井3908中的水在壓縮模式循環開始時處於相對較低的(例如環境)溫度，熱井3908可以包括一種或多種起泡添加劑(可選地，可以通過熱交換系統3904加入添加劑)。經歷壓縮的泡沫的液態組分可以經由氣缸熱交換系統3904以比引自熱井3908的水的溫度高的溫度返回到熱井3908，在壓縮期間獲得熱能。在處於或接近氣缸組件的各個壓縮衝程時，高壓的且大約為環境溫度的氣體通過管道被輸送到高壓庫3906中。
[0395]在整個單次氣缸壓縮循環中，或者在全部一系列氣缸壓縮循環中，加熱的水返回到熱井3908將大體上趨向於升高熱井3908中的水的溫度。如果熱井3908是單個水主體，則該主體的溫度將趨向於升高；如果熱井3908包括一個或多個熱水庫和一個或多個冷水庫，則一個或多個熱水庫中的水的溫度(並且由此熱井3908的內容物的平均溫度)將趨向於上升。實際上，源於對動力單元3902中經歷壓縮的氣體所做的機械功的一些能量將存儲為熱井3908中的熱能。
[0396]在系統3900的膨脹模式中(例如，繼上述的壓縮循環之後的膨脹循環)，高壓氣體可以從庫3906轉移到動力單元3902的氣缸中，氣體在該氣缸中膨脹，對活塞做功。當氣體在氣缸中膨脹時或在此之前，可起泡的液體可以經由氣缸熱交換系統3904從熱井3908轉移到動力單元3902。該液體(例如，具有一種或多種添加劑的水)可以處於相對較高的溫度，這是由於熱能在之前的壓縮循環中或通過其他過程轉移到熱井3908中。來自熱井3908的水與經歷膨脹的氣體形成泡沫，在氣體冷卻時將熱量轉移給氣體，由此趨向於將膨脹保持為大致等溫，並且使得氣體對活塞做更多的功。在功效方面，存儲在熱井3908中的熱能可以在系統3908的膨脹循環期間轉換成動力單元3902中的功。存儲在熱井3908中的熱能可以來自動力單元3902的壓縮循環，或者來自其他源；具體地，可以利用廢熱熱交換單元3910將來自動力單元3902的機械和電子部件的熱量轉移到熱井3908中。來自圖39中未示出的其他源的熱量也可以轉移到熱井3908中。
[0397]儘管對其添加了熱量(例如，經由氣缸熱交換系統3904)，但熱井3908的溫度可以通過經由環境熱交換單元3912從熱井3908將熱量瀉出到環境(例如，大氣或地表)中而降低或保持為恆定。來自動力單元3902的廢熱也可以經由環境熱交換單元3912瀉出。例如，如果在一系列膨脹循環結束時，熱井3908中的水的溫度並不足夠低以用在後續系列的壓縮循環中，則熱量可以在非激活時間間隔(即，庫3906包含存儲的加壓氣體但系統3900未被用作發電機的時期)內經由環境熱交換單元3912從熱井3908瀉到環境中。設計成允許系統3900在非激活時間間隔內緩慢瀉出不需要的熱量的環境熱交換單元3912將趨向於比設計成在系統3900的激活操作期間快速(實時)瀉出熱量的環境熱交換單元更小且成本更低，從而降低了系統3900的成本。熱井3908的使用使得能夠進行廢熱能至環境的時移，這可以具有如下優勢:由於一定量的熱能消散的時間更長，使得環境熱交換單元更小，還允許在有時能夠在不同於動力單元的操作時間的時間發生熱交換，這可以允許在更優的環境溫度(例如，用於消散熱量的較冷夜間的溫度)時使用。此外，來自庫3906、在動力單元3902中經歷壓縮的氣體的不期望熱量以及來自動力單元3902的機械和電子低效的熱量都可以通過單個環境熱交換單元3912瀉出到環境中，相比於利用多個熱交換單元來控制各個子系統的溫度的同類系統，這實現了進一步的成本和複雜性優勢。
[0398]在系統3900的氣體膨脹循環期間，儘管熱井3908移除或損失了熱量，但熱井3908的溫度可以通過經由環境熱交換單元3912從環境將熱量添加到熱井3908中而增加或保持恆定。在氣體壓縮循環期間，儘管對熱井3908添加了熱量，但熱井3908的溫度可以通過經由環境熱交換單元3912從熱井3908將熱量瀉出到環境中而降低或保持為恆定。出於效率的原因或者例如為了將水保持在熱井3908內而不凍結或沸騰，熱井3908的這種溫度管理可能是期望的。[0399]將能量從在一系列壓縮循環中經歷壓縮的泡沫轉移至熱井3908通常將趨向於產生用在後續系列的膨脹循環中的高溫水的主體；將能量從熱井3908轉移到在一系列膨脹循環中經歷膨脹的泡沫通常將趨向於產生用在後續的一系列的壓縮循環中的低溫水的主體。通過將大體上比環境熱的液體庫保持在熱井3908中以在膨脹期間或之前噴灑，並且將大體上比環境冷的液體庫保持在熱井3908中以在壓縮期間或之前噴灑，能量存儲和生成系統3900的效率可以比起泡液總是處於環境溫度的其他系統高。此外，通過存儲獲取自經歷壓縮和膨脹的氣體的熱能來在熱井3908中獲得較高和較低的溫度極限，而不是通過利用加熱器、冷藏或熱泵設備來獲得期望的溫度極限，可以降低寄生能量支出，並且由此增加系統3900的整體效率。
[0400]經過廢熱熱交換單元3910從動力單元3902中的機械和電子低效的熱量捕獲以及將這種熱量轉移到熱井3908中以在後續的膨脹循環中部分轉換為功，通常也將趨向於增加系統3900的整體效率。
[0401]在一些實施方式中，熱井3908包括用於存儲高壓和高溫液體的容器(未示出)；此外或可選地，高壓和高溫的液體可以與高壓和高溫的氣體一起存儲在容器3906中。高溫液體的這些和其他主體可以用在系統3900的膨脹循環期間以實現大致等溫的氣體壓縮。
[0402]圖40示出了示例性系統4000，其包含動力單元4002、氣缸熱交換系統4004、將空氣從環境引入或排出到環境中的排出口 4005、能夠以高壓(例如3000psi)保持流體(例如空氣和水)的存儲庫4006、用於存儲和恢復熱能的熱井4008 (例如水體)、耦合到動力單元4002的機械和電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統4010、能夠與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的環境熱交換系統4012、噴灑液體(用於泡沫生成)庫4028以及在一側流體耦合到熱井3908並且在另一側流體耦合到噴灑庫4028的噴霧-井熱交換單元4030。系統4000也可以包括可選的次級環境熱交換單元4032。
[0403]系統4000的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境溫度或適當溫度經由管道4019從排出口4005通入到動力單元4002的氣缸組件。通過經由噴霧-井熱交換單元4030和氣缸熱交換系統4004將從噴灑庫4028抽取的起泡液體(例如，具有一種或多種添加劑的水)的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了氣缸組件中的壓縮。此處，噴灑庫4028中的水被假定為處於相對較低(例如環境)的溫度。被噴灑通過經歷壓縮(和/或壓縮之前)的氣體的水可以經由氣缸熱交換系統4004以比引自噴灑庫4028的水的溫度高的溫度返回到噴灑庫4028，此時已從經歷壓縮的氣體獲得熱能。因此，噴灑庫4028中的水的溫度一般將趨向於通過動力單元4002的壓縮循環而增加。然而，隨著水從噴灑庫4028穿過噴霧-井熱交換單元4030，熱量可以從噴灑流體轉移到熱井4008中，降低噴灑流體的溫度。因此，通過動力單元4002的壓縮循環添加到噴灑庫4028中的熱量可以在後續的壓縮循環期間轉移到熱井4008中，允許庫4028中的噴灑液體的溫度保持為大體上恆定。
[0404]系統4000可以實現以上針對圖39中的系統3900所述的優勢，包括熱井4008中的內容物的溫度管理以及將來自動力單元4002的廢熱部分轉換成功。此外，在系統4000中，熱井4008中的熱存儲液體不會與噴灑液體混合，並且熱井4008中的液體的量可以顯著大於噴灑液體的量。系統4000中熱存儲液體和噴灑液體的分離可能是有利的,這是因為噴灑在動力單元4002內的任意液體優選地維持在相對高純度的狀態(儘管存在一種或多種起泡添加劑)，從而噴灑汙物不會降低動力單元4002的部件的性能。系統4000中的熱存儲液體不會噴灑在動力單元4002的內部，並且因此其純度狀態不需要維持在與噴灑液體一樣高的水平。高純度狀態的相對小體積的噴灑液體的維護成本一般比高純度狀態的相對大體積的熱井4008的維護成本低，如果熱井4008的內容物將用作噴灑液體(由於熱井3908的內容物處於系統3900中)，這將是優選的。此外，噴灑液體可以包含可從熱存儲液體中省去的添加劑，與系統3900的操作相比，這是在系統4000的操作中獲得經濟收益的另一個機會。此外，熱交換器4030可以嵌入到熱井4008中，並且熱井4008的內容物可以是固體(例如砂礫)、相變材料(例如石蠟)或一些其他熱存儲材料(例如，油、陶瓷)。
[0405]圖41示出了示例性系統4100，其包含動力單元4102 (包含用於氣體的壓縮和膨脹的氣缸組件單元)、氣缸熱交換系統4104、將空氣從環境引入或排出到環境中的排出口4105、能夠以高壓(例如3000psi)保持流體(例如空氣和水)的存儲庫4106、熱的熱井4108(例如絕熱的水體)、冷的熱井4113 (例如第二絕熱的水體)、耦合到動力單元4102的機械和電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統4110、在一側連接到熱的熱井4108並且在另一側連接到廢熱熱交換系統4110的廢熱-井熱交換系統4112、能夠與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的第一環境熱交換系統4132、以及也能夠與環境交換熱能的第二環境熱交換系統4136。
[0406]系統4100的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境溫度或適當溫度從排出口 4105通入到動力單元4102的氣缸組件中。通過經由氣缸熱交換系統4104將從冷的熱井4113抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了壓縮。由此，被噴灑通過經歷壓縮或壓縮之前的氣體的水可以經由氣缸熱交換系統4104以比引自冷的熱井4113的水的溫度高的溫度返回到熱的熱井4108中，此時已從經歷壓縮的氣體獲得熱能。因此，在動力單元4102的壓縮循環期間，水將趨向於從冷的熱井4113轉移到熱的熱井4108。
[0407]類似地，在系統4100的膨脹模式中，一定量的較高壓力(例如3000psi)的氣體以環境或適當溫度通入到動力單元4102的氣缸組件中。通過經由氣缸熱交換系統4104將從熱的熱井4108抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了膨脹。由此，在膨脹期間噴灑到氣體中的水可以經由氣缸熱交換系統4104以比引自熱的熱井4108的水的溫度低的溫度返回到冷的熱井4113中，噴灑的水將熱能傳遞給經歷膨脹的氣體。因此，在動力單元4102的膨脹循環期間，水將趨向於從熱的熱井4108轉移到冷的熱井4113。
[0408]環境熱交換器4132和4136使得熱井4108、4113的溫度能夠在膨脹和壓縮模式中被管理，就像上文中相對於系統3900和4000的熱井描述的那樣。來自廢熱熱交換單元4110的熱量可以通過廢熱-井熱交換系統4112轉移到熱的熱井4108中，或者可以通過額外的環境熱交換系統(未示出)轉移到環境中。
[0409]系統4100可以實現以上針對系統3900和4000所述的優勢，包括熱井4108、4113中的內容物的溫度管理以及將來自動力單元4102的廢熱部分轉換成功。此外，對足夠熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，以(優選地)不同溫度維護兩個熱井4108、4113降低了系統4100的熵(由於熱流和冷流的混合)並且增加了有效能(可提取的功)，使得系統4100的操作能夠比僅具有單個熱井的系統(例如系統4000)的操作更加高效。此外，熱量可以在不改變冷的熱井4113的溫度的情況下從任意源添加到熱的熱井4108中，並且熱量可以在不改變熱的熱井4108的溫度的情況下從冷的熱井4113轉移出去(例如，通過環境熱交換器4136)。
[0410]圖42示出了示例性系統4200，其包含動力單元4202 (包含用於氣體的壓縮和膨脹的氣缸組件單元)、氣缸熱交換系統4204、將空氣從環境引入或排出到環境中的排出口4205、能夠以高壓(例如3000psi)保持流體(例如空氣和水)的存儲庫4206、熱的熱井4208(例如絕熱的水體)、冷的熱井4234 (例如第二絕熱的水體)、提取動力單元4202的機械和電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統4210、在一側連接到熱的熱井4208並且在另一側連接到廢熱熱交換系統4210的廢熱-井熱交換系統4212、噴灑庫4228、在一側流體連接到熱的熱井4208和冷的熱井4234並且在另一側流體連接到噴灑庫4228的噴霧-井熱交換單元4230、能夠與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的第一環境熱交換系統4232、以及也能夠與環境交換熱能的第二環境熱交換系統4236。
[0411]系統4200的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境或適當溫度從排出口 4205通入到動力單元4202的氣缸組件中。通過經由噴霧-井熱交換器4230和氣缸熱交換系統4204將從噴灑庫4228抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了壓縮。此處，在壓縮模式循環開始時，噴灑庫4228中的水被假定為處於相對較低(例如環境)的溫度。因此，被噴灑通過經歷壓縮或壓縮之前的氣體的水可以經由噴灑熱交換單元4204以比引自噴灑庫4228的水的溫度高的溫度返回到噴灑庫4228,此時已從經歷壓縮的氣體獲得熱能。因此，噴灑庫4228中的水的溫度將趨向於通過動力單元4202的壓縮循環而增加。然而，隨著來自噴灑庫4228的噴灑液體在其至噴灑熱交換單元4204的通路上穿過噴霧-井熱交換器4230的一側，熱量可以從噴灑液體轉移到從冷的熱井4234通過噴灑熱交換單元4230的另一側傳遞到熱的熱井4208的熱井液體中，從而降低噴灑液體的溫度，並且趨向於增加熱的熱井4208中的液體的溫度。因此，通過動力單元4202的壓縮循環添加到噴灑庫4228中的熱能可以在後續的壓縮循環期間轉移到熱的熱井4208中，並且庫4228中的噴灑液體的溫度可以由此保持為大體上恆定。
[0412]類似地，在系統4200的膨脹模式中，一定量的較高壓力(例如3000psi)的氣體(例如空氣)以環境或適當溫度通入到動力單元4202的氣缸組件中。通過經由噴霧-井熱交換單元4230和氣缸熱交換系統4204將從噴灑庫4228抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了膨脹。此處，在壓縮模式循環開始時，噴灑庫4228中的水被假定為處於較高(例如，大約60°C，或甚至更高)的溫度。因此，被噴灑通過經歷壓縮或壓縮之前的氣體的水可以經由噴灑熱交換單元4204以比引自噴灑庫4228的水的溫度低的溫度返回到噴灑庫4228，此時已將熱能傳給經歷膨脹的氣體。因此，噴灑庫4228中的水的溫度將趨向於通過動力單元4202的壓縮循環而降低。然而，隨著來自噴灑庫4228的噴灑液體穿過噴霧-井熱交換器4230的一側，熱量可以從自熱的熱井4208通過噴霧-井熱交換器4230的另一側傳遞到冷的熱井4234的液體轉移到噴灑液體中，從而增加噴灑液體的溫度，並且降低從熱的熱井4208移動到冷的熱井4234中的液體的溫度。因此，通過動力單元4202的膨脹循環從噴灑庫4228中移除的熱量可以在各個後續壓縮循環期間通過從熱的熱井4208中提取熱量而恢復，並且庫4228中的噴灑液體的溫度可以保持為大體上恆定。
[0413]環境熱交換器4232和4236使得熱井4208、4234的溫度能夠在膨脹和壓縮模式中被管理，就像上文中相對於系統3900和4000的熱井描述的那樣。當通過額外的閥和管道(未示出)在壓縮和膨脹模式之間切換時，通過熱交換器4230的流的方向可以反向以保持逆流。而且，來自廢熱熱交換單元4210的熱量可以通過廢熱-井熱交換系統4212從動力單元4202轉移到熱的熱井4208中。
[0414]系統4200可以實現以上針對系統3900、4000和4100所述的優勢，包括熱井4208、4234中的內容物的溫度管理以及將來自動力單元4202的廢熱部分轉換成功。此外，對足夠熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，以(優選地)不同溫度維護兩個熱井4208、4234降低了系統4200的熵並且增加了有效能(可提取的功)，使得系統4200的操作能夠比僅具有單個熱井的系統(例如系統4000)的操作更加高效。如在系統4100中一樣，可以在不改變冷的熱井4234或噴灑庫4228的溫度的情況下將熱量從任意源添加到熱的熱井4208中，並且可以在不改變熱的熱井4208或噴灑庫4228的溫度的情況下將熱量從冷的熱井4234轉移出去(例如，通過環境熱交換器4236)。此外，在系統4200中，熱井4208、4234中的熱存儲液體不會與噴灑液體混合，並且熱井4208、4234中的液體的量可以顯著大於噴灑液體的量。系統4200中熱存儲液體和噴灑液體的分離可能是有利的,這是因為噴灑在動力單元4202內的任意液體優選地維持在相對高純度的狀態，從而噴灑汙物不會降低動力單元4202的部件的性能。系統4200中的熱存儲液體不會噴灑在動力單元4202的內部，並且因此其純度狀態不需要維持在與噴灑液體一樣高的水平。高純度狀態下的相對小體積的噴灑液體的維護成本一般比高純度狀態下相對大體積的熱井4208、4234的維護成本低。此夕卜，噴灑液體可以包含可從熱存儲液體中省去的添加劑，這是在系統4200的操作中獲得經濟收益的另一個機會(例如，與系統4100的操作相比)。此外，熱交換器4230可以嵌入到熱井4208和/或4234中，並且熱井4208和/或4234的內容物可以是固體(例如砂礫)、相變材料(例如石蠟)或一些其他熱存儲材料(例如，油、陶瓷)。
[0415]圖43示出了示例性系統4300，其包含動力單元4302 (包含用於氣體的壓縮和膨脹的氣缸組件單元)、氣缸熱交換系統4304、能夠以高壓(例如3000psi)和相對高的溫度保持氣體和液體的存儲庫4306、耦合到動力單元4302的機械和電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統4310、在一側耦合到高壓流體庫4306並且在另一側耦合到廢熱熱交換系統4310的廢熱-井熱交換系統4312、包括例如水體或實質上由水體組成的冷的熱井4334、能夠與環境(例如，地表)交換熱能的第一環境熱交換系統4332、以及也能夠與環境交換熱能的第二環境熱交換系統4338。高溫、高壓的庫4306將高壓氣體存儲器的功能與熱的熱井的功能組合在一起，並且可以是單個單元(例如，絕熱壓力箱、絕熱管線、諸如鹽丘的地下地質構造)。
[0416]系統4300的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境或適當溫度從排出口 4305通入到動力單元4302的氣缸組件中。通過經由氣缸熱交換系統4304將從冷的熱井4334抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了氣體的壓縮。由此，噴灑到經歷壓縮或壓縮之前的氣體中的水可以與壓縮氣體一起經由氣缸熱交換系統4304以比引自冷的熱井4334的水的溫度和壓力高的溫度和壓力引入到高溫、高壓的庫4306中，從經歷壓縮的氣體獲得熱能。因此，在動力單元4302的壓縮循環期間，水將趨向於從冷的熱井4334轉移到高溫、高壓的庫4306中。
[0417]類似地，在系統4300的膨脹模式中，一定量的較高壓力(例如3000psi)且較高溫度的的氣體(例如空氣)從高溫、高壓的庫4306轉移到動力單元4302的氣缸組件中。隨著氣缸組件膨脹氣體，氣體的溫度趨向於下降；下降的程度由與氣體的泡沫生成限制，並且膨脹優選地維持大致等溫。在系統4300的膨脹模式中，噴灑液體包括經由氣缸熱交換系統4304引自高溫、高壓的庫4306的水(例如具有一種或多種起泡添加劑)，或者實質上由其組成。在膨脹循環結束時，與噴灑到經歷膨脹或膨脹之前的氣體中時相比，該液體將趨向於處於較低的溫度和壓力，該液體將熱能傳給經歷膨脹的氣體，並且可以經由氣缸熱交換系統4304導向冷的熱井4334。處於相對低的溫度和壓力的膨脹氣體可以經由排出口 4305從動力單元4302排出到環境中。因此，在動力單元4302的膨脹循環期間，液體將趨向於從高溫、高壓的庫4306轉移到冷的熱井4334。
[0418]環境熱交換器4332和4338使得冷的熱井4334和高溫、高壓的庫4306的溫度能夠在膨脹和壓縮模式中被管理，就像上文中相對於與環境熱交換器連通的熱井描述的那樣。來自廢熱熱交換單元4310的熱量可以經由廢熱-井熱交換器4312轉移給高溫、高壓的庫4306。在其他實施方式中，除去了這些熱交換器中的一些或全部。
[0419]系統4300可以實現以上針對系統3900、4000、4100和4200所述的優勢，包括熱井4334和高溫、高壓的庫4306中的內容物的溫度管理以及將來自動力單元4302的廢熱部分轉換成功。如利用系統4100和4200那樣，對足夠熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，以(優選地)不同溫度維護兩個液體主體(即，冷的熱井4334中和高溫、高壓的庫4306中)降低了系統4300的熵並且增加了有效能(可提取的功)，使得系統4300的操作能夠比僅具有單個熱井的系統(例如系統4000)的操作更加高效。此外，由於水的沸點隨著壓力的增加而提高，系統4300提供了下述額外優勢:存儲在高溫、高壓的庫4306中的水的溫度上限(非蒸發)高於存儲在非加壓熱的熱井(例如系統4200的熱的熱井4208)中的水的溫度上限。對足夠熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，當系統中兩個液體主體之間的溫度差增加時，系統的有效能增加；因此，例如，系統4300的熱的和冷的液體主體的有效能可以高於系統4200中的類似量的熱的和冷的液體主體的有效能，這是因為在系統4300的一些操作條件中，系統4300中熱的和冷的液體主體之間的溫度差高於系統4200中的熱的和冷的液體主體之間的溫度差。
[0420]圖44示出了示例性系統4400，其包含:可包括兩個或多個不同氣缸組件(其可以具有不同的直徑)的動力單元4402 (包含用於氣體的壓縮和膨脹的氣缸組件單元)，每個氣缸組件在不同的壓力範圍內壓縮或膨脹氣體(即，兩個或多個階段壓縮機和膨脹器動力單元);氣缸熱交換系統4404 ;能夠以高壓(例如3000psi)和相對高的溫度保持氣體和液體的存儲庫4406 ;包括低壓(例如大氣壓力)絕熱水體或實質上由其組成的熱的熱井4408 ;同樣包括水體或由實質上由水體組成的冷的熱井4434 ;耦合到動力單元4402的機械和電子部件所生成的廢熱的廢熱熱交換系統4410 ;在一側連接到熱的熱井4408並且在另一側連接到廢熱熱交換系統4410的廢熱-井熱交換系統4412 ;能夠與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的第一環境熱交換系統4432 ；以及也能夠與環境(例如，空氣、地表)交換熱能的第二環境熱交換系統4436。高溫、高壓的庫4406將高壓氣體存儲器的功能與熱的熱井的功能相結人
口 O
[0421]系統4400的可能的操作模式包括膨脹模式和壓縮模式。在壓縮模式中，一定量的較低壓力(例如大氣壓)的氣體(例如空氣)以環境或適當溫度經由排出口 4405通入到動力單元4402的氣缸組件中。當動力單元4402的氣缸組件壓縮氣體時，通過經由氣缸熱交換系統4404將從冷的熱井4434抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了壓縮。由此，噴灑到經歷壓縮或壓縮之前的氣體中的水可以與壓縮氣體一起經由氣缸熱交換系統4404以比引自冷的熱井4434的水的溫度和壓力高的溫度和壓力引入到高溫、高壓的庫4406中，從經歷壓縮的氣體獲得熱能。一些或全部噴灑水也可以經由氣缸熱交換系統4404導入到低壓的、熱的熱井4408中。因此，在動力單元4402的壓縮循環期間，水將趨向於從冷的熱井4434轉移到高溫、高壓的庫4406和/或低壓的、熱的熱井4408中。
[0422]類似地，在系統4400的膨脹模式中，一定量的較高壓力(例如3000psi)且較高溫度的的氣體(例如空氣)從高溫、高壓的庫4406轉移到動力單元4402的氣缸組件中。當氣缸組件膨脹氣體時，通過經由氣缸熱交換系統4404將從高溫、高壓的庫4406抽取的水的噴霧引入到氣體中，由此在氣缸組件中形成泡沫，從而大致等溫地維持了膨脹。在氣體膨脹到較低的壓力時，噴霧可以部分地或者甚至完全地由引自低壓的、熱的熱井4408的水形成。噴灑通過經歷膨脹或膨脹之前的氣體的水可以經由氣缸熱交換系統4404以相對較低的壓力和溫度引入到冷的熱井4434中，將熱能傳給經歷膨脹的氣體。膨脹氣體可以經由排出口4405從動力單元4402排出到環境中。因此，在動力單元4402的膨脹循環期間，水將趨向於從高溫、高壓的庫4406和/或低壓的、熱的熱井4408轉移到冷的熱井4434。
[0423]環境熱交換器4436和4432使得冷的熱井4434和低壓的、熱的熱井4408的溫度能夠在膨脹和壓縮模式中被管理，就像上文中針對系統3900、4000、4100、4200和4300的熱井描述的那樣。來自廢熱熱交換單元4410的熱量可以經由廢熱-井熱交換系統4412轉移給低壓的、熱的熱井4408。
[0424]系統4400可以實現上文中針對系統3900、4000、4100、4200和4300所述的優勢，包括熱井4408、4434中的內容物的溫度管理以及將來自動力單元4402的廢熱部分轉換成功。如利用系統4100、4200和4300那樣，對足夠熟悉熱力學原理的技術人員來說顯而易見的是，以(優選地)不同溫度維護兩個或多個液體主體(即，在冷的熱井4434中、熱的熱井4408和高溫、高壓的庫4406中)降低了系統4400的熵並且增加了有效能(可提取的功)，使得系統4400的操作能夠比僅具有單個熱井的系統(例如系統400)的操作更加高效。由於水的沸點隨著壓力的增加而提高，系統4400提供了下述優勢(如圖43中的系統4300提供的一樣):存儲在高溫、高壓的庫4406中的水的溫度上限(非蒸發)高於存儲在非加壓的、熱的熱井(例如熱的熱井4408)中的水的溫度上限。此外，系統4400提供了下述額外優勢:廢熱可以利用低壓的廢熱-井熱交換器4412 (而不是如系統4300中的高壓的廢熱-井熱交換器4312)從動力單元4402轉移到低壓的、熱的熱井4408。低壓的廢熱-井熱交換器4412將趨向於比高壓的廢熱-井熱交換器的成本低。
[0425]在動力單元4402包括兩個不同直徑的氣缸(未示出)的情況下，一個(Cl)在第一較低的壓力範圍內壓縮氣體，第二個(C2)在第二較高的壓力範圍內壓縮氣體，可以在系統4400的壓縮操作模式中通過將低壓的、熱的熱井4408維持在Cl中大致等溫的壓縮結束時的溫度(以及可選地維持在中間壓力)而實現一些優勢(例如增加系統4400的整體效率)。即，低壓的、熱的熱井4408的溫度可以維持成比高壓、高溫的存儲器4406的內容物的溫度低。這允許在壓縮期間或壓縮之前引入的噴霧的量在Cl和C2中被獨立地調整，因此存儲器4406中的壓力在順序壓縮循環中增加。此外，如果低品位廢熱(例如，來自熱電廠；未示出)可用，則其可以經由熱交換器轉移給低壓、較低溫度的熱的熱井，增加有效的整體系統效率。低壓的、熱的熱井4408在多階段壓縮/膨脹過程的中間點操作時的溫度可能是使用處於可用溫度(例如，大約40°C、60°C或類似的)的廢熱的最佳溫度，而高壓、高溫的庫4406可以維持在大體上較高的溫度(例如，大約80°C、120°C或類似的)，這種較高的溫度可能不允許利用典型的廢熱溫度。通過在較高溫度操作多階段壓縮/膨脹過程，可以使用降低的水噴霧容積，從而增加存儲容積和系統效率(例如，降低通過兩相流的閥損失)。對足夠熟悉熱力學的技術人員顯而易見的是，可以在系統4400的膨脹模式中實現類似的優勢。
[0426]圖45不出了本發明的不例性實施方式，其中，一個或多個電池4508和/或其他高功率、短時的能量存儲設備(例如，存儲少於I小時(例如15分鐘)的能量存儲設備)與壓縮氣體能量存儲系統4502並聯連接以生成使用的電力(例如電網輸送4500)。能量存儲系統4502可以類似於本文其他地方描述的示例性存儲系統。電池4508被配置成在低功率需求(例如，小於500kW)期間提供存儲的能量，而壓縮氣體能量存儲系統4502被配置成在增加的功率需求波動(例如，500kW之上)期間提供存儲的能量。在一個實例中，包括太陽能發電廠和圖45中示出的能量存儲系統的發電設施的操作人員接受報酬以維持2000kW的恆定功率水平。在一個瞬時，由於陣列的雲陰影部分，太陽能發電廠從2000kW降到1900kW。由於雲遮擋了陣列，可以通過要求電池4508以O-1OOkW的速率放電以將測量的功率輸出維持在需要的恆定功率水平。在另一瞬時，風暴穿過區域並且太陽能發電廠在持續的時間期間降至IOOOkW至500kW。由於雲遮擋了陣列，可以通過要求壓縮氣體能量存儲系統4502以1000-1500kff的速率放電以將測量的功率輸出維持在恆定的功率水平。當需要更多的電力時(例如，大於500kW)，在存儲庫4504中以壓縮氣體的形式存儲的能量在壓縮氣體能量存儲系統4502中經歷膨脹以生成供使用的電力(例如，電網輸送4500)。來自電池4508的任何多餘的熱能可以通過熱交換單元4506恢復。從電池4508恢復的熱能可以用在壓縮氣體存儲庫4504 (或其他加壓存儲器)的熱交換子系統中以在膨脹期間預先加熱存儲的壓縮氣體和/或加熱熱交換流體和氣體，增加給定體積的加壓氣體所做的功並且提高系統效率和/或性能。舉例來說，恢復的熱能可以用於熱調節存儲的壓縮氣體和/或經歷膨脹和/或壓縮的氣體，如』960申請中所述。
[0427]高功率、短時能量存儲設備4508的響應時間可以優化成在微秒級響應改變的功率水平和需求。功率響應的速率可以基於控制系統的數據採集速率而限制為大約一毫秒，但可以容易地配置成在小於一秒內響應。
[0428]圖46示出了集成系統4600，其中，包括一個或多個具有存儲的壓縮氣體(未示出)的存儲庫的壓縮氣體能量存儲系統4610連接到電機4612。在較高功率需求波動期間(例如，大於500kW)，壓縮氣體能量存儲系統4610放電以為電機4612提供存儲的能量。電機4612將存儲的能量轉換成電力。在一些實施方式中，對於以同步速度(例如1800RPM)運行的同步電機來說，不需要電力電子器件。在其他實施方式中，對於變速電機來說，如圖46所示，電力被送到負載側的電力電子器件4608，該電力電子器件4608在將電力通過共用DC總線4606發送之前將電流從AC轉換成DC。電力隨後可以送到線路側的電力電子器件4604(DC到AC)以供使用(例如由電網4602使用)。在低功率需求波動期間(例如，小於500kW)，一個或多個電池4650和/或其他高功率、短時能量存儲設備(例如，飛輪和/或超級電容器)放電以提供使用的電力。對於諸如電池的DC設備來說，電輸出可以連接到相同的線路側電力電子器件。例如,可以在發送以供(例如電網4602)使用之前將電力從電池4650中放出，通過共用的DC總線4606到達線路側的電力電子器件4604。
[0429]在各種實施方式中，電池4650連接到冷卻系統，該冷卻系統具有熱交換器4648、散熱器4634、具有泵4630的電池入管4632、流體控制閥4628以及具有流體控制閥4636的電池回管4638。類似地，壓縮氣體能量存儲系統4610連接到熱交換子系統，該熱交換子系統具有熱交換器4614、散熱器4620、具有泵4616的入管4622、流體控制閥4618以及具有流體控制閥4624的回管4626。散熱器4620可以可選地或額外地包括熱井，或實質上由熱井組成。電池入管4632可以經由管4642連接到入管4622。同樣，電池回管4638可以經由管4640連接到回管4626。管4642和4640可以分別包含流體控制閥4644和4646。
[0430]在壓縮氣體能量存儲系統4610放電以給電網提供電力的操作狀態中(例如，需求超出供給500kW以上)，閥4628關閉，而閥4644打開，從而允許來自電池入管4632的傳熱流體經由管4642被傳送到入管4622。傳熱流體經由泵4616循環通過熱交換器4614、回管4626和散熱器4620。在熱交換子系統的循環期間，來自使系統冷卻的電池4650的廢熱用於在壓縮氣體能量存儲系統4610的膨脹之前和/或期間加熱壓縮氣體(例如，通過在氣體和加熱的傳熱流體之間形成泡沫)。存儲系統4610的功率密度由此增加和/或整體效率得到提聞。
[0431 ] 在電池4650放電以給電網提供電力的不同操作狀態中(例如，需求超出供給500kff以下)，閥4644和4646關閉，而熱交換器4648、電池入管4622、泵4630、散熱器4634和電池回管4638形成獨立於壓縮氣體能量存儲系統4610的熱交換子系統的閉環電池-冷卻系統。在其他操作模式中，來自電池4650的廢熱可以被導入熱井4620中，熱能可以存儲在其中以在壓縮氣體存儲系統4610的操作中的稍後時間使用。
[0432]圖47是示例性24小時期間內的電力供給和需求的示意圖。供給曲線基於恆定基荷電源和示例性太陽能設施的模擬，而電力需求基於示例性的一天中的模擬數據。電力需求通常在夜間較低，而在白天較高。在圖47的示例性圖中，從大約15小時(900分鐘)至大約24小時(1440分鐘)，需求超出供給。
[0433]圖48是組合的高功率、短時的能量存儲設備和壓縮氣體能量存儲系統對給定24小時期間的電力供給和需求的影響的示意圖。在圖48所示的示意圖中，在O分鐘時，需求超出供給大約200kW。高功率、短時的能量存儲設備被配置成放電以符合小於500kW的超出需求值。因此，高功率、短時能量存儲設備在O分鐘至60分鐘時被示為處於放電狀態，其中，超出需求的範圍分別是200kW至OkW。從60分鐘至120分鐘，供給超出需求500kW以下。因此，高功率能量存儲設備被示為處於充電狀態(在圖48中被示為負值)，直到最大功率達到-500kffo
[0434]壓縮氣體能量存儲系統被配置成放電以符合大於500kW的超出需求值。(在一種實施方式中，多個IMW系統用作較大的系統以通過使用多個動力單元來解決大於500kW的任何功率，例如，兩個I麗系統可以解決500和2000kW之間的功率水平)。在圖47所示的示意圖中，當供給超出需求500kW或更大的範圍內時，超出的功率被用於為壓縮氣體能量存儲系統充電(即，以壓縮氣體的形式存儲能量)。因此，當超出的功率下降到500kW以下時(在圖48中示為負值)，從120分鐘至540分鐘，壓縮氣體能量存儲系統被示為處於充電狀態。當超出的功率下降到500kW之下時，高功率能量存儲設備接管，並且因此在540分鐘至600分鐘內被示為處於充電狀態(在圖48中被示為負值)。
[0435]在600分鐘至900分鐘的時間期間內，供給超出需求小於500kW的變化值；因此，當值小於500kW時，高功率、短時能量存儲設備被示為處於充電狀態。此外，為了將高功率、短時能量存儲設備的充電狀態維持在某個範圍內，無論何時高功率、短時能量存儲設備的充電狀態超出一組最大值(例如，如圖48所示的900kWh)，壓縮氣體能量存儲設備被示為處於-500kW的充電狀態，或者，無論何時高功率、短時能量存儲設備的充電狀態下降到一組最小值(例如，如圖48所示的IOOkWh)之下，壓縮氣體能量存儲設備被示為處於500kW的放電狀態。當從900分鐘至1440分鐘需求超出供給時，高功率、短時能量存儲設備在第一500kW需求期間放電。然後，壓縮氣體能量存儲系統接管並且在需求超出供給500kW或更多期間放電。
[0436]圖49是用於圖47和48中示出的給定24小時期間的組合的高功率、短時的能量存儲設備和壓縮氣體能量存儲系統的充電狀態的示意圖。在這種模擬場景中，具有IOMWh存儲容量的2MW壓縮氣體能量存儲系統與最高具有IMWh的存儲容量的500kW短時能量存儲設備並行運行。無論何時高功率、短時能量存儲設備的充電狀態超過900kWh (90%的最大容量)，存儲的能量的一部分被放電到電網或壓縮氣體能量存儲系統。無論何時高功率、短時能量存儲設備的充電狀態降到IOOkWh (10%的最大容量)以下，通過電網或壓縮氣體能量存儲系統對高功率、短時能量存儲設備充電。以這種方式，高功率、短時能量存儲設備的充電狀態可以維持在優化範圍內，而壓縮氣體能量存儲系統提供大容量能量存儲和恢復。
[0437]本發明的實施方式可以應用在各種設置中，其中發電設備連接到電網，電網的負載可以隨時間變化(例如一天的時間)，並且一些發電設備的功率輸出可以變化(例如，根據風力狀況、雲層狀況、機械故障、傳輸線故障、反應堆堆芯的預定補給的終止)。下文進一步描述了一些應用。
[0438]本發明的實施方式也可以應用在各種「儀表背後」設置中，S卩，其中電力用戶的接入電力或電力成本隨著時間變化(例如一天的時間)，並且對用戶來說有利的是:利用壓縮空氣能量存儲系統在一些時間購買和存儲能量，並且利用存儲系統在其他時間生成電力。
[0439]圖50是示例性電力生成和消耗網絡或電網5000的概念圖，電網5000具有傳統的基荷發電廠5002、超高壓傳輸線5004、傳輸子站5006、區域高壓傳輸線5008、具有其自己的降壓變壓器5012的大功率負載5010、通過傳輸線5015在例如子站5006處連接到網絡的集中式可再生發電廠5014(例如，太陽能面板、風力渦輪機)、區域傳輸線5018、配電子站5020、本地配電線5022、小規模功率負載5024 (例如家庭)、以及等溫壓縮空氣存儲器(ICAES?)系統5026、5028、5030、5032、5034，這些系統可以與網絡5000的其他部件在各個點交換能量(如雙頭箭頭所示)。這些ICAES系統可以包括本文其他地方描述的示例性能量存儲系統中的任意一種或多種，或者實質上由其組成，包括利用基於泡沫的熱交換以增加熱效率和氣缸組件的操作速率(進而功率密度)的系統。
[0440]在圖50的概念圖中，電線、子站、負載和ICAES系統的單個表示代表了相同類型的複雜地互連的單元的可能多個:即，網絡5000是一類真實世界網絡(電網)的部件的簡化表示，該真實世界網絡可以比圖50中示出的網絡5000更複雜，並且可以包含未在圖50中示出的部件(例如，燃燒天然氣的峰值發電機)。然而，圖50表示的關係可以精確地表示更複雜的真實世界網絡中的各部件之間的關係。
[0441]ICAES在網絡5000中的應用可以分為至少四個主要類別:(I)常規發電；(2)可再生發電和聯產；(3 )傳輸和網絡服務；以及(4)終端用戶支持。
[0442]常規發電
[0443]在ICAES5026連接到常規發電廠5002的升壓變壓器系統的低壓側時，可以由ICAES5026執行若干功能。ICAES5026的以及其與發電廠5002的低壓(本地)電系統的電連接的操作由控制系統(未示出)控制，該控制系統包括自動控制設備(例如數字計算機)、人工控制器或二者，或者實質上由其組成。源於各種源的信號可以導入到ICAES5026的控制系統。這些信號包括測量的、電編碼的和遠程發送(報告)的信息，其描述:連接到網絡5000的其他發電源(常規電廠5002和可再生電廠5014)的可用性以及輸出、負載(例如5010、5024)的大小和位置、整個網絡5000 (包括圖50中未示出的發電機，例如以地理上分散的方式與負載5010、5024同位置的屋頂太陽能電池板)中所有類型的發電機的可用性及輸出的最近變化、負載5010、5024的大小的最近變化、存儲在ICAES系統和其他存儲系統(例如，水電存儲庫)中的能量的定量估計、負載所在區域中的溫度和天氣的其他方面的定量預測(例如，根據國家天氣服務)、在地理相關區域中基於最近天氣事件(例如降水)對可再生(例如水電)發電容量的預測、網絡5000和其他網絡之間的電力交換的瞬時市場價格、網絡5000即將出現的物理挑戰(例如風暴)、傳輸設備5004的操作狀態和載荷，等等。
[0444]控制器以與接收到信號後的ICAES5026的操作相關的決定為基礎。例如，當發電容量相對於負載有盈餘時(例如夜間)，來自常規發電機5002 (或經由傳輸線5004來自網絡5000的其他地方)的能量可以存儲在ICAES5026中。在相對於需求缺乏發電容量(例如在接近正午的峰值需求期間)的這些時間時，或者當更昂貴的發電機(例如燃燒氣體的峰值發電機)必然會被要求運行以滿足需求，可以從ICAES5026中獲得能量並且通過網絡5000將能量發送到負載上。通過免除或減少更昂貴的峰值發電機的運行，這種電能時移可以降低網絡5000中的能量成本。
[0445]可選地或此外，與特定發電機相關聯的ICAES5026可以作為儲備容量，當網絡5000中的一個或多個其他發電機(未示出)變得不可用(例如，由於機械故障或預定燃料補充)或必須以降低的容量運行(例如，在水電設施中由於低水位)時，可以從該儲備容量中提
取能量。
[0446]可選地或此外，可以在網絡5000中響應於負載5024、5010的增大而從ICAES5026中提取能量。負載的這種增大可以是常規的(例如，需求的每日峰值)或者非常規的(例如，由於大量較小負載的統計學波動，或者由於大型用戶5010上線)。這些應用一般可被稱為「負荷跟蹤」的形式。
[0447]可再牛發電
[0448]與大小可觀的可再生發電機5014 (即，風電場或其他非分布式發電機)同位置的ICAES5028可以通過降低其通過傳輸線5015的功率輸出的間歇(如輸出的購買者所看到的那樣)而增加這些發電機提供的電力的值。即，在電力需求較低或可再生發電機5014的發電相對較高期間，可再生發電機5014產生的一些或全部能量可以存儲在ICAES5028中。在電力需求(和/或價格)較高時或者當可再生發電機5014的發電相對較低時，可以從ICAES5028中獲得能量並且將能量經由電力線5015發送到網絡5000。定期從ICAES5028獲取能量通常被稱為能量時移(time-shifting);使用ICAES5028來減小發電機5014的輸出間歇通常被稱為發電機的穩定(firming)。在許多真實世界網絡中，來自給定發電機的能量的每單位的值根據該能量的按需可用性來部分調節:由於來自可再生發電機5014的單位能量的可用性通過ICAES5028對發電機5014輸出的部分緩衝而增加，使用ICAES5028來穩定可再生發電機5014的輸出可能是有利的。
[0449]傳輸和網絡服務
[0450]通過合適的電子控制信號，ICAES5026的控制器可以同時或獨立地控制ICAES單元5026、5028、5030、5032、5034和可位於網絡5000中的其他能量存儲系統。ICAES單元可以在圖50中示出的點中的一些或全部上和/或在未在圖50中示出的額外點上連接到網絡5000。在整個網絡5000中同時遠程控制ICAES單元和其他存儲單元的操作可以提供各種傳輸和網絡服務，例如，使得發電機(包括存儲單元)能夠以最低成本隨時匹配到網絡中的負載，或者如果總負載應該超出網絡5000的發電容量，則能夠最小化由於供需不匹配而引起的經濟損失和其他損失。負載5024、5010中的短期波動(可能導致傳輸線上的電壓在整個網絡5000的部分中下降)可以通過快速激活ICAES單元(例如單元5034、5030)而減小，從而為網絡5000添加能量。快速響應的發電機的這種激活一般可稱為電壓支持。
[0451]在一些傳輸線(例如5018)的載荷已經很重(即，承載的電力與其能夠安全承載的電力一樣多或接近)，而需求仍然增加(例如在負載5024處)時，控制器可以使得能量從存儲器(例如，ICAES5034)中提取出來，從而無須通過載荷已經很重的傳輸線來傳輸額外的電力。這種傳輸支持可以允許網絡5000中的某些傳輸線的容量的定期升級被推遲。也可以通過這種手段來緩解臨時傳輸阻塞。
[0452]在大面積斷電時，到獨立子站(例如5006、5020)的電力可以由連接到其上的ICAES單元(例如5030、5034)提供，支持現場操作，並且由此能夠較快地實現網絡恢復。
[0453]終端用戶
[0454]當遠距離傳輸線(例如5004、5008)發生故障或超出載荷時，或者當主發電機(例如5002)發生故障時，或者在其他斷電狀況下，在分布在電網中的ICAES單元(例如5032、5034)中存儲的能量可用於對本地負載臨時供電。負載的本地網絡的這種供電一般被稱為孤島現象。居民區、工業園、大型建築、軍事基地、大型單個用戶(例如5010)以及其他本地負載的孤島現象可以由ICAES單元使能或支持。
[0455]單個大型用戶5010的使用時間管理可以由ICAES5032使能。即，當價格較低時(例如夜間)，用戶5010可以從電網購買能量，將其存儲在ICAES5032中，隨後當價格較高時(例如白天)從存儲器中提取出來。可選地或此外，ICAES5032可以保證電力質量對用戶5010來說足夠高，防止由於網絡5000的電力的質量或可用性的波動而造成的經濟損失(例如數據丟失)。可選地或此外，將能量存儲在ICAES5032中或者從ICAES5032中獲取能量可以使得用戶5010能夠以管理需求費用和使用時間的方式塑造其需求曲線。
[0456]本發明的所有這些應用以及本文未明確描述的其他應用是可以設想的。
[0457]一般來說，本文描述的系統可以在膨脹模式和相反的壓縮模式中操作為具有高效率的全循環能量存儲系統的一部分。例如，這些系統可以既操作成壓縮機又操作成膨脹器，以壓縮氣體勢能的方式存儲電力並且從壓縮氣體的勢能產生電力。可選地，這些系統可以獨立地操作成壓縮機或膨脹器。
[0458]在操作期間，本發明的實施方式可以將以壓縮氣體形式存儲的能量和/或從壓縮氣體的膨脹恢復的能量轉換成重力勢能，例如，升高質量的重力勢能，如2011年8月30日提交的美國專利申請N0.13/221,563中所述，其全部內容通過引用包含於此。
[0459]根據本發明的實施方式的系統可以利用大體上不可壓縮的流體和/或一個或多個加壓庫來最小化或消除一個或多個氣缸組件和/或其他部件中的死區，如』 914申請和2011年4月6日提交的美國專利申請N0.13/080,910中所述，其全部內容通過引用包含於此。如在這些申請中描述的一樣，本發明的實施方式可以包括用於大體上防止可壓縮流體(例如氣體或泡沫)從氣缸組件流入熱交換部件(例如，熱交換器、泵和/或連接到其上和/或連接在氣缸組件和這些部件之間的管道)中的機構，並且由此可以大體上在熱交換部件中防止形成死區。例如，各種實施方式包括位於噴霧生成或泡沫生成機構中的用於將熱交換流體弓I入到氣缸組件中的一個或多個噴嘴的上遊側的一個或多個止回閥。
[0460]本文使用的術語和表達是用作說明性的而非限制性的術語，並且使用這些術語和表達並不意味著排除其示出和描述的特徵或其一些部分的任何等價物，而且應該認識到，在本發明要求保護的範圍內，可以進行各種改進。
[0461]權利要求如下。
【權利要求】
1.一種恢復能量的方法,該方法包括: 將第一泡沫轉移到第一氣缸組件，該第一泡沫具有第一泡沫膨脹比； 在第一氣缸組件中膨脹第一泡沫，由此從中恢復能量； 然後，將第二泡沫轉移到不同於第一氣缸組件的第二氣缸組件，該第二泡沫具有大於第一泡沫膨脹比的第二泡沫膨脹比；以及 在第二氣缸組件中膨脹第二泡沫，由此從中恢復能量。
2.如權利要求1所述的方法，還包括:從第二氣缸組件排出膨脹的第二泡沫。
3.如權利要求2所述的方法，其中，膨脹的第二泡沫的至少氣態部分被排出到環境大氣中。
4.如權利要求1所述的方法，其中，(i)在膨脹第一泡沫之後，膨脹的第一泡沫從第一氣缸組件排出，以及(ii)第二泡沫包括膨脹的第一泡沫的至少一部分。
5.如權利要求4所述的方法，其中，膨脹的第一泡沫排出到泡沫容器中，並且該方法還包括在泡沫容器中循環傳熱液體以形成第二泡沫。
6.如權利要求1所述的方法，還包括: 在膨脹第一泡沫之後，將膨脹的第一泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分；以及 通過將傳熱液體引入到膨脹的第一泡沫的氣態組分中而形成第二泡沫。
7.如權利要求6所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離膨脹的第一泡沫的所述至少一部分。
8.如權利要求7所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的第一泡沫的所述至少一部分。
9.如權利要求6所述的方法，還包括存儲膨脹的第一泡沫的液態組分。
10.如權利要求1所述的方法，其中，第一泡沫的質量比大致等於第二泡沫的質量比。
11.如權利要求1所述的方法，還包括:在膨脹第一泡沫之前，改變第一泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
12.如權利要求1所述的方法，還包括:在膨脹第二泡沫之前，改變第二泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
13.如權利要求1所述的方法，其中，第一泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
14.如權利要求1所述的方法，其中，第二泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
15.如權利要求1所述的方法，其中，第一泡沫大致等溫地膨脹，並且第二泡沫大致等溫地膨脹。
16.如權利要求1所述的方法，還包括:通過將傳熱液體和壓縮氣體混合來形成第一泡沫。
17.如權利要求16所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至壓縮氣體中的轉移速率來控制第一泡沫的含氣率。
18.如權利要求17所述的方法，還包括:感測第一氣缸組件內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
19.如權利要求1所述的方法，其中，膨脹第一泡沫和膨脹第二泡沫都驅動機械地耦合到第一氣缸組件和第二氣缸組件的曲柄軸。
20.一種存儲能量的方法，該方法包括:將傳熱液體分散到氣體中以形成具有第一泡沫膨脹比的第一泡沫； 在第一氣缸組件內壓縮第一泡沫； 然後，將第二泡沫轉移到不同於第一氣缸組件的第二氣缸組件，該第二泡沫具有小於第一泡沫膨脹比的第二泡沫膨脹比； 在第二氣缸組件內壓縮第二泡沫； 從第二氣缸組件中排出壓縮的第二泡沫；以及 存儲壓縮的第二泡沫的至少氣態組分。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述氣體包括大致處於大氣壓力的空氣。
22.如權利要求20所述的方法，還包括:在第一氣缸組件內壓縮第一泡沫之前，將第一泡沫轉移至第一氣缸組件。
23.如權利要求20所述的方法，還包括:在存儲氣態組分之前，從壓縮的第二泡沫中分離液態組分的至少一部分。
24.如權利要求23所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離液態組分的至少一部分。
25.如權利要求24所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離液態組分的至少一部分。
26.如權利要求20所述的方法，其中，存儲壓縮的第二泡沫的至少氣態組分包括存儲壓縮的第二泡沫的氣態組分和液態組分。
27.如權利要求26所述的方法，其中，氣態組分和液態組分存儲在同一存儲庫中。
28.如權利要求20所述的方法，其中，(i)在第一氣缸組件中壓縮第一泡沫之後，壓縮的第一泡沫從第一氣缸組件排出，以及(ii)第二泡沫包括壓縮的第一泡沫的至少一部分。
29.如權利要求28所述的方法，其中，壓縮的第一泡沫被排出到泡沫容器中，並且該方法還包括將傳熱液體引入到泡沫容器中以形成第二泡沫。
30.如權利要求20所述的方法，還包括: 在壓縮第一泡沫之後，將壓縮的第一泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分；以及 通過將傳熱液體引入到壓縮的第一泡沫的氣態組分中來形成第二泡沫。
31.如權利要求30所述的方法，其中，引入到壓縮的第一泡沫的氣態組分中的傳熱液體包括分離的壓縮的第一泡沫的液態組分的至少一部分。
32.如權利要求30所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離壓縮的第一泡沫的至少一部分。
33.如權利要求32所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離壓縮的第一泡沫的至少一部分。
34.如權利要求30所述的方法，還包括存儲壓縮的第一泡沫的液態組分。
35.如權利要求20所述的方法，其中，第一泡沫的質量比大致等於第二泡沫的質量比。
36.如權利要求20所述的方法，還包括:在壓縮第一泡沫之前，改變第一泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
37.如權利要求20所述的方法，還包括:在壓縮第二泡沫之前，改變第二泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
38.如權利要求20所述的方法，其中，第一泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
39.如權利要求20所述的方法，其中，第二泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
40.如權利要求20所述的方法，其中，第一泡沫被大致等溫地壓縮，並且第二泡沫被大致等溫地壓縮。
41.如權利要求20所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至氣體中的分散速率來控制第一泡沫的含氣率。
42.如權利要求41所述的方法，還包括:感測第一氣缸組件內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制分散速率。
43.如權利要求20所述的方法，還包括:驅動機械地耦合到第一氣缸組件和第二氣缸組件的曲柄軸以壓縮第一泡 沫和壓縮第二泡沫。
44.如權利要求20所述的方法，其中，形成第一泡沫包括在篩上噴灑傳熱液體。
45.一種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者的氣缸組件； 存儲庫；以及 混合室，其選擇性地流體連接到氣缸組件和存儲庫，該混合室用於(i )從存儲庫接收氣體和傳熱液體，(ii)將氣體與傳熱液體混合以形成泡沫，以及(iii)將泡沫轉移到氣缸組件中， 其中，混合室通過(i)用於轉移氣體的第一導管和(ii)不同於第一導管並且用於轉移傳熱液體的第二導管選擇性地流體連接到存儲庫。
46.如權利要求45所述的系統，還在混合室內包括用於改變泡沫的至少一種特性的機構。
47.如權利要求46所述的系統，其中，該機構包括篩或超聲能量源中的至少一者。
48.如權利要求46所述的系統，其中，至少一種特性包括泡沫單元大小或泡沫單元大小均勻度中的至少一者。
49.如權利要求45所述的系統，還包括連接到混合室中的第一導管或第二導管中的至少一個的泡沫生成機構。
50.如權利要求49所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
51.如權利要求45所述的系統，還包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於所述氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者O
52.如權利要求51所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第二氣缸組件的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到大氣中。
53.如權利要求45所述的系統，還包括控制系統，用於控制氣缸組件或混合室中的至少一個執行氣缸組件內的大致等溫的壓縮或大致等溫的膨脹中的至少一者。
54.如權利要求53所述的系統，還包括用於檢測氣缸組件或混合室中的至少一個內的壓力，其中，控制系統響應於傳感器。
55.如權利要求54所述的系統，其中，控制系統響應於檢測到的壓力控制傳熱液體進入混合室的流速。
56.如權利要求45所述的系統，還包括用於將傳熱液體轉移到第二導管內的循環裝置。
57.如權利要求56所述的系統，其中，循環裝置包括變速泵。
58.如權利要求45所述的系統,還包括: (i)將氣缸組件分成兩個室的可移動邊界機構，以及 (ii)曲柄軸，其機械地耦接到邊界機構，用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動。
59.如權利要求58所述的系統，還包括耦接到曲柄軸的電動機/發電機。
60.如權利要求45所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
61.如權利要求45所述的系統，其中，第一導管還轉移液體。
62.如權利要求45所述的系統，其中，第二導管還轉移氣體。
63.—種能量存儲的方法,該方法包括: 將氣缸內的泡沫壓縮至第一壓力； 將壓縮的泡沫轉移到存儲庫中，壓縮的泡沫在存儲庫中至少部分地被分離成大致處於第一壓力的氣態和液態組分； 將液態組分的至少一部分從存儲庫中移除；以及 以低於第一壓力的第二壓力存儲液態組分的至少一部分。
64.如權利要求63所述的方法，還包括:在以第二壓力存儲液態組分的所述至少一部分之前，通過降低液態組分的所述至少一部分的壓力而從液態組分的所述至少一部分中恢復能量。
65.如權利要求64所述的方法，還包括利用恢復的能量驅動曲柄軸。
66.如權利要求65所述的方法，其中，曲柄軸機械地耦接到氣缸。
67.如權利要求63所述的方法，還包括:在壓縮泡沫之前，通過混合傳熱液體和氣體來形成泡沫。
68.如權利要求67所述的方法，其中，泡沫形成在選擇性地流體連接至氣缸的泡沫容器中，該泡沫容器包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者。
69.如權利要求67所述的方法，其中，形成泡沫包括在篩上噴灑傳熱液體。
70.如權利要求67所述的方法，還包括:在壓縮泡沫之前，改變泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
71.如權利要求67所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至氣體中的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
72.如權利要求71所述的方法，還包括:感測氣缸內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
73.如權利要求63所述的方法，還包括: 將存儲的液態組分的至少一部分與氣體混合，從而形成額外的泡沫；以及 壓縮該額外的泡沫。
74.如權利要求63所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
75.如權利要求63所述的方法，其中，大致等溫地壓縮泡沫。
76.如權利要求63所述的方法，其中，壓縮泡沫包括驅動耦接到氣缸的曲柄軸。
77.如權利要求63所述的方法，其中，壓縮的泡沫由於重力至少部分地分離。
78.如權利要求63所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者至少部分地分離壓縮的泡沫。
79.如權利要求78所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來至少部分地分離壓縮的泡沫。
80.一種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者的第一氣缸組件； 選擇性地流體連接到第一氣缸組件的第一泡沫容器，該第一泡沫容器用於在其中中間存儲第一泡沫或形成第一泡沫中的至少一者； 選擇性地流體連接到第一氣缸組件的第二泡沫容器，該第二泡沫容器用於在其中中間存儲第二泡沫或形成第二泡沫中的至少一者； 選擇性地流體連接到第二泡沫容器的第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者，該第二氣缸組件的操作壓力範圍不同於第一氣缸組件的操作壓力範圍；以及 選擇性地流體連接到第二氣缸組件的第三泡沫容器，該第三泡沫容器用於在其中中間存儲第三泡沫或形成第三泡沫中的至少一者。
81.如權利要求80所述的系統，還包括通向周圍大氣的排出口，該排出口選擇性地流體連接到第三泡沫容器。
82.如權利要求80所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第一泡沫容器的存儲庫，該存儲庫用於存儲壓縮的氣體。
83.如權利要求80所述的系統，還包括再循環機構，該再循環機構用於將來自第一泡沫容器中的第一位置的泡沫或液體中的至少一者轉移到第一泡沫容器中不同於第一位置的第二位置處。
84.如權利要求80所述的系統，其中，第一泡沫容器包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者。
85.如權利要求80所述的系統，其中，第二泡沫容器包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者。
86.如權利要求80所述的系統，其中，第三泡沫容器包括壓力容器、管道或分支管中的至少一者。
87.一種能量存儲和恢復系統，包括: (a)泡沫生成機構,該泡沫生成機構包括: 噴灑室， 至少一個分散機構，用於將液體分散到流動通過噴灑室的氣體中，以及 流體耦接到至少一個分散機構的庫，用於容納液體； (b)分支管,用於從噴灑室接收泡沫；以及 (C)選擇性地流體連接到分支管的至少一個氣缸組件，用於其中的泡沫的膨脹或壓縮中的至少一者。
88.如權利要求87所述的系統，還包括循環機構，用於至少部分地形成通過噴灑室的氣體流。
89.如權利要求88所述的系統，其中，循環機構包括風扇。
90.如權利要求87所述的系統，還包括循環機構，用於將來自庫的液體循環到至少一個分散機構。
91.如權利要求90所述的系統，其中，循環機構包括泵。
92.如權利要求91所述的系統，其中，泵包括變速泵。
93.如權利要求87所述的系統，還包括連接到分支管上的閥，用於至少在分支管內形成泡沫期間從分支管排出氣體。
94.如權利要求87所述的系統，還包括位於噴灑室和分支管之間的篩，通過該篩從在噴灑室中分散的液體在分支管中形成泡沫。
95.如權利要求87所述的系統，還包括選擇性地流體連接到分支管的分離室，該分離室在其中包括分離機構，該分離機構用於將泡沫分離成氣態組分和液態組分。
96.如權利要求95所述的系統，其中，分離室選擇性地流體連接到庫。
97.如權利要求95所述的系統，其中，分離機構包括超聲能量源、葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者。
98.一種能量存儲和恢復系統，包括: 多個氣缸對，每個氣缸對包括:(i)用於在第一壓力範圍內進行膨脹或壓縮中的至少一者的低壓氣缸，以及(ii)用於在不同於第一壓力範圍並且至少在中間壓力處與第一壓力範圍重疊的第二壓力範圍內進行膨脹或壓縮中的至少一者的高壓氣缸； 用於在第一壓力範圍內生成低壓泡沫的第一泡沫生成機構；以及 用於在第二壓力範圍內生成高壓泡沫的第二泡沫生成機構，該第二泡沫生成機構不同於第一泡沫生成機構。
99.如權利要求98所述的系統，還包括選擇性地流體連接到(i)多個低壓氣缸和(ii)第一泡沫生成機構的分支管，該分支管用於中間存儲低壓泡沫。
100.如權利要求98所述的系統，還包括選擇性地流體連接到(i)多個高壓氣缸和(ii )第二泡沫生成機構的分支管，該分支管用於中間存儲高壓泡沫。
101.如權利要求98所述的系統，其中，第一泡沫生成機構包括(i)至少一個用於將液體分散到氣體中的分散機構和(ii )篩，通過該篩從分散的液體形成泡沫。
102.如權利要求98所述的系統,其中，第二泡沫生成機構包括分散機構,該分散機構用於噴灑、鼓泡、起霧或攪拌液體中的至少一者。
103.如權利要求98所述的系統，還包括用於生成中間壓力的泡沫的第三泡沫生成機構。
104.如權利要求103所述的系統，還包括選擇性地流體連接到(i)多個低壓氣缸、(ii)多個高壓氣缸和(iii)第三泡沫生成機構的分支管，該分支管用於中間存儲中間壓力的泡沫。
105.一種能量存儲和恢復系統，包括: 用於壓縮以存儲能量或膨脹以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該氣缸組件包括位於其中的第一可移動邊界機構和耦接到第一可移動邊界機構的第一桿； 用於將泡沫引入到氣缸組件中的泡沫生成機構； 用於將傳熱流體泵到泡沫生成機構中的泵氣缸，該泵氣缸包括位於其中的第二可移動邊界機構和耦接到第二可移動邊界機構的第二桿；選擇性地流體連接到氣缸組件的第一存儲庫，該第一存儲庫用於存儲壓縮的氣體；以及 選擇性地流體連接到泵氣缸的第二存儲庫，該第二存儲庫用於存儲傳熱流體。
106.如權利要求105所述的系統，其中，第一存儲庫和第二存儲庫是相同的。
107.如權利要求105所述的系統，其中，第一存儲庫和第二存儲庫是不同的。
108.如權利要求105所述的系統，還包括用於熱調節傳熱流體的傳熱子系統。
109.如權利要求108所述的系統，其中，傳熱子系統包括熱交換器。
110.如權利要求105所述的系統，其中，第一桿和第二桿機械地耦接到用於將第一桿和第二桿的往復運動與旋轉運動互換的機構。
111.如權利要求110所述的系統,其中，該機構包括曲柄軸。
112.如權利要求111所述的系統，其中，曲柄軸以固定的相位關係維持第一桿和第二桿。
113.如權利要求105所述的系統，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件內。
114.如權利要求105所述的系統，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件的外部，並且通過導管連接到氣缸組件。
115.如權利要求105所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
116.如權利要求105所述的系統，其中，第一存儲庫以與第二存儲庫存儲流體的壓力不同的壓力存儲流體。
117.—種存儲和恢復能量的方法，該方法包括: 將壓縮氣體從存儲庫轉移到選擇性地流體連接到其上的混合室； 在混合室中形成第一泡沫，該第一泡沫包括壓縮氣體和傳熱流體； 將第一泡沫從混合室轉移到氣缸中； 在氣缸中膨脹第一泡沫以從中恢復能量； 將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除； 將第二泡沫引入到氣缸中； 在氣缸中壓縮弟二泡沫以在其中存儲能量；以及 將壓縮的第二泡沫的至少一部分轉移到存儲庫中，該轉移繞過混合室。
118.如權利要求117所述的方法，還包括:在膨脹第一泡沫之前，改變第一泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
119.如權利要求117所述的方法，其中，將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除包括將膨脹的第一泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中。
120.如權利要求117所述的方法，其中，將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除包括將膨脹的第一泡沫轉移到第二氣缸中，並且還包括在第二氣缸中使膨脹的第一泡沫膨脹。
121.如權利要求117所述的方法，還包括:將膨脹的第一泡沫分離成氣態組分和液態組分。
122.如權利要求121所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者分離膨脹的第一泡沫。
123.如權利要求122所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的第一泡沫。
124.如權利要求117所述的方法，還包括存儲膨脹的第一泡沫的液態組分。
125.如權利要求117所述的方法，其中，第一泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
126.如權利要求117所述的方法，其中，將壓縮的第二泡沫的至少一部分轉移到存儲庫中包括將壓縮的第二泡沫的所述至少一部分的氣態組分轉移到存儲庫中。
127.如權利要求117所述的方法，其中，將壓縮的第二泡沫的至少一部分轉移到存儲庫中包括將壓縮的第二泡沫的所述至少一部分的氣態組分和液態組分都轉移到存儲庫中。
128.如權利要求117所述的方法，其中，壓縮的第二泡沫的所述至少一部分通過氣缸和存儲庫之間的旁路連接而轉移到存儲庫中。
129.如權利要求128所述的方法，其中，閥大體上防止壓縮的第二泡沫在轉移到存儲庫期間進入混合室。
130.如權利要求1 28所述的方法，其中，壓縮的第二泡沫的第二部分經由混合室從氣缸轉移到存儲庫中。
131.如權利要求117所述的方法，其中，第一泡沫被大致等溫地膨脹，並且第二泡沫被大致等溫地壓縮。
132.如權利要求117所述的方法，其中，氣缸在其中包括活塞，並且第一泡沫在氣缸中的膨脹驅動(i )機械耦接到活塞的機構或(ii )耦接到氣缸的液壓系統中的至少一個。
133.如權利要求132所述的方法，其中，第一泡沫的膨脹驅動該機構並且該機構包括曲柄軸。
134.如權利要求117所述的方法，其中，形成第一泡沫包括將傳熱液體轉移到混合室中。
135.如權利要求134所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至混合室中的轉移速率來控制第一泡沫的含氣率。
136.如權利要求135所述的方法，還包括:感測氣缸或混合室中的至少一個內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
137.—種恢復能量的方法,該方法包括: 在存儲庫中形成第一泡沫，該第一泡沫包括壓縮氣體和傳熱流體； 將第一泡沫轉移到氣缸中； 在氣缸中膨脹第一泡沫以從中恢復能量； 將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除； 在氣缸中壓縮弟二泡沫以在其中存儲能量；以及 將壓縮的第二泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中。
138.如權利要求137所述的方法，其中，形成第一泡沫包括在存儲庫內經由泡沫生成機構混合傳熱流體和壓縮的氣體。
139.如權利要求138所述的方法，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
140.如權利要求138所述的方法，還包括將傳熱液體從存儲庫的區域中循環到泡沫生成機構中。
141.如權利要求140所述的方法，其中，傳熱液體在存儲庫的外部循環。
142.如權利要求137所述的方法，還包括:在膨脹第一泡沫之前，改變第一泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
143.如權利要求137所述的方法，其中，將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除包括將膨脹的第一泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中。
144.如權利要求137所述的方法，還包括:將膨脹的第一泡沫分離成氣態組分和液態組分。
145.如權利要求144所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者分離膨脹的第一泡沫。
146.如權利要求145所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的第一泡沫。
147.如權利要求137所述的方法，還包括存儲膨脹的第一泡沫的液態組分。
148.如權利要求147所述的方法，其中，膨脹的第一泡沫的液態組分被存儲在存儲庫中。
149.如權利要求137所述的方法，其中，第一泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
150.如權利要求137所述的方法，其中，將壓縮的第二泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中包括存儲壓縮的第二泡沫的至少一部分的氣態組分。
151.如權利要求137所述的方法，其中，將壓縮的第二泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中包括存儲壓縮的第二泡沫的所述至少一部分的氣態組分和液態組分。
152.如權利要求137所述的方法，其中，將膨脹的第一泡沫從氣缸中移除包括將膨脹的第一泡沫轉移到第二氣缸中，並且還包括在第二氣缸中使膨脹的第一泡沫膨脹。
153.如權利要求137所述的方法，其中，第一泡沫被大致等溫地膨脹，並且第二泡沫被大致等溫地壓縮。
154.如權利要求137所述的方法，其中，氣缸在其中包括活塞，並且第一泡沫在氣缸中的膨脹驅動(i )機械耦接到活塞的機構或(ii )耦接到氣缸的液壓系統中的至少一個。
155.如權利要求154所述的方法，其中，第一泡沫的膨脹驅動該機構並且該機構包括曲柄軸。
156.—種存儲和恢復能量的方法,該方法包括: 將氣體轉移到氣缸中； 將傳熱液體轉移到氣缸中以在其中與氣體混合併且形成包括氣體和傳熱液體的泡沫； 在氣缸內，進行壓縮泡沫以存儲能量或膨脹泡沫以恢復能量中的至少一者；以及 將壓縮或膨脹的泡沫從氣缸中排出。
157.如權利要求156所述的方法，其中，氣體從存儲庫中轉移到氣缸中。
158.如權利要求157所述的方法，其中，傳熱液體從存儲庫轉移到氣缸中。
159.如權利要求156所述的方法，其中，氣體和傳熱液體經由不同的入口轉移到氣缸中。
160.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被壓縮，並且該方法還包括將壓縮的泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中。
161.如權利要求160所述的方法，其中，將壓縮的泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中包括存儲壓縮的泡沫的氣態組分。
162.如權利要求160所述的方法，其中，將壓縮的泡沫的至少一部分存儲在存儲庫中包括存儲壓縮的泡沫的氣態組分和液態組分。
163.如權利要求156所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至氣缸中的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
164.如權利要求163所述的方法，還包括:感測氣缸內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
165.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被膨脹，並且將膨脹的泡沫從氣缸中排出包括將膨脹的泡沫的氣態組分排出到周圍大氣中。
166.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被膨脹，並且將膨脹的泡沫從氣缸中排出包括將膨脹的泡沫轉移到第二氣缸中，並且該方法還包括在第二氣缸中使膨脹的泡沫膨脹。
167.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被膨脹，並且該方法還包括:將膨脹的泡沫分尚成氣態組分和液態組分。
168.如權利要求167所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離膨脹的泡沫。
169.如權利要求168所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的泡沫。
170.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被膨脹，並且該方法還包括存儲膨脹的泡沫的液態組分。
171.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
172.如權利要求156所述的方法，其中，大致等溫地膨脹或壓縮泡沫。
173.如權利要求156所述的方法，其中，泡沫被膨脹，並且氣缸在其中包括活塞，並且泡沫的膨脹驅動(i )機械耦接到活塞的機構或(ii )耦接到氣缸的液壓系統中的至少一個。
174.如權利要求173所述的方法，其中，泡沫的膨脹驅動該機構並且該機構包括曲柄軸。
175.—種存儲和恢復能量的方法，該方法包括: 在多個離散的階段中壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者，其中在不同的壓力範圍內執行各個階段； 其中，(i)在一個階段中，在所述氣體和引入到氣缸中的第一傳熱流體的離散液滴之間交換熱量，以及(ii)在另一個階段中，在所述氣體和第二傳熱流體之間交換熱量，所述氣體和所述第二傳熱流體組合以形成泡沫。
176.如權利要求175所述的方法，還包括:在該另一個階段中的壓縮或膨脹中的至少一者之後，將泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分。
177.如權利要求176所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離泡沫的至少一部分。
178.如權利要求177所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離泡沫的所述至少一部分。
179.如權利要求175所述的方法，其中，氣體被壓縮，並且該方法還包括在壓縮之後將氣體存儲在存儲庫中。
180.如權利要求175所述的方法，其中，氣體被膨脹，並且該方法還包括在壓縮之後將氣體排出到周圍大氣中。
181.如權利要求175所述的方法，其中，第一傳熱流體和第二傳熱流體包括相同的液體。
182.如權利要求181所述的方法，其中，第二傳熱流體包括起泡添加劑。
183.如權利要求 175所述的方法，其中，通過噴灑將第一傳熱流體的離散液滴引入到所述氣體中。
184.如權利要求175所述的方法，其中，第一傳熱流體的離散液滴和氣體之間的熱交換使在該一個階段中大致等溫地進行膨脹或壓縮中的至少一者。
185.如權利要求175所述的方法，其中，泡沫中的氣體和第二傳熱流體之間的熱交換使在該另一個階段中大致等溫地進行膨脹或壓縮中的至少一者。
186.如權利要求175所述的方法，其中，在氣缸內進行該另一個階段中的膨脹或壓縮中的至少一者。
187.如權利要求186所述的方法，還包括:通過在氣缸內將氣體與第二傳熱流體混合來生成泡沫。
188.如權利要求186所述的方法，還包括:(i)通過在氣缸的外部將氣體與第二傳熱流體混合來生成泡沫，以及(ii)將泡沫轉移到氣缸中。
189.如權利要求188所述的方法，還包括:在泡沫進入氣缸之前，改變泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
190.如權利要求186所述的方法，其中，氣體被膨脹，並且氣缸在其中包括活塞，並且氣缸中氣體的膨脹驅動(i)機械耦接到活塞的機構或(ii)耦接到氣缸的液壓系統中的至少一個。
191.如權利要求190所述的方法，其中，氣體的膨脹驅動該機構並且該機構包括曲柄軸。
192.如權利要求191所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
193.如權利要求175所述的方法，其中，形成泡沫包括將第二傳熱流體轉移到氣體中。
194.如權利要求193所述的方法，還包括:通過控制第二傳熱流體的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
195.如權利要求194所述的方法，還包括:感測至少一個階段中的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
196.—種存儲和恢復能量的方法,該方法包括: 在氣缸內執行兩個不同的過程，過程包括(i)壓縮氣體以存儲能量和(ii)膨脹氣體以恢復能量； 在一個過程中，通過將第一傳熱流體的離散液滴引入氣體中而與氣體交換熱量；以及 在另一個過程中，通過將氣體與第二傳熱流體混合以形成泡沫而與氣體交換熱量。
197.如權利要求196所述的方法，還包括:在該另一個過程之後，將泡沫的至少一部分分尚成氣態和液態組分。
198.如權利要求197所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離泡沫的至少一部分。
199.如權利要求198所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離泡沫的至少一部分。
200.如權利要求196所述的方法，還包括:在壓縮氣體之後，將氣體存儲在存儲庫中。
201.如權利要求196所述的方法，還包括:在膨脹氣體之後，將氣體排出到周圍大氣中。
202.如權利要求196所述的方法，其中，第一傳熱流體和第二傳熱流體包括相同的液體。
203.如權利要求202所述的方法，其中，第二傳熱流體包括起泡添加劑。
204.如權利要求196所述的方法，其中，通過噴灑將第一傳熱流體的離散液滴引入到氣體中。
205.如權利要求196所述的方法，其中，第一傳熱流體的離散液滴和氣體之間的熱交換使得大致等溫地進行該一個過程。
206.如權利要求196 所述的方法，其中，泡沫中的氣體和第二傳熱流體之間的熱交換使得大致等溫地進行該另一個過程。
207.如權利要求196所述的方法，其中，通過在氣缸內將氣體與第二傳熱流體混合來形成泡沫。
208.如權利要求196所述的方法，其中，通過在氣缸外部將氣體與第二傳熱流體混合來形成泡沫，並且該方法還包括將泡沫轉移到氣缸中。
209.如權利要求208所述的方法，還包括:在泡沫進入氣缸之前，改變泡沫的平均單元大小或單元大小的均勻度中的至少一者。
210.如權利要求196所述的方法，其中，氣缸在其中包括活塞，並且氣體在氣缸中的膨脹驅動(i )機械地耦接到活塞的機構或(ii )耦接到氣缸的液壓系統中的至少一者。
211.如權利要求210所述的方法，其中，氣體的膨脹驅動該機構並且該機構包括曲柄軸。
212.如權利要求196所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
213.如權利要求196所述的方法，還包括:通過控制第二傳熱液體至氣體中的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
214.如權利要求213所述的方法，還包括:感測氣體的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
215.一種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者的氣缸組件； 選擇性地流體連接到氣缸組件的存儲庫； 選擇性地流體連接到氣缸組件和存儲庫的混合室，該混合室用於(i)從存儲庫接收氣體，(ii)將氣體與傳熱液體混合以形成泡沫，以及(iii)將泡沫轉移到氣缸組件中；以及選擇性地將氣缸組件直接流體連接到存儲庫的旁路導管，其用於將氣體或泡沫中的至少一者從氣缸組件轉移到存儲庫中而不經過混合室。
216.如權利要求215所述的系統，其中，混合室通過(i)用於轉移氣體的第一導管和(ii)不同於第一導管並且用於轉移傳熱液體的第二導管選擇性地流體連接到存儲庫。
217.如權利要求215所述的系統，還在混合室內包括用於改變泡沫的至少一種特性的機構。
218.如權利要求217所述的系統，其中，該機構包括篩或超聲能量源中的至少一者。
219.如權利要求217所述的系統，其中，所述至少一種特性包括泡沫單元大小或泡沫單元大小均勻度中的至少一者。
220.如權利要求219所述的系統，還包括位於混合室中的泡沫生成機構。
221.如權利要求220所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
222.如權利要求219所述的系統，還包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於所述氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內執行通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者。
223.如權利要求222所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第二氣缸組件的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到大氣中。
224.如權利要求215所述的系統，還包括控制系統，用於控制氣缸組件或混合室中的至少一個執行氣缸組件內的大致等溫的壓縮或大致等溫的膨脹中的至少一者。
225.如權利要求224所述的系統，還包括用於檢測氣缸組件或混合室中的至少一者內的壓力，其中，控制系統響 應於傳感器。
226.如權利要求225所述的系統，其中，控制系統響應於檢測到的壓力來控制傳熱液體進入混合室的流速。
227.如權利要求215所述的系統，還包括用於將傳熱液體轉移到混合室中的循環裝置。
228.如權利要求227所述的系統，其中，循環裝置包括變速泵。
229.如權利要求215所述的系統，還包括: (i)將氣缸組件分成兩個室的可移動邊界機構，以及 (ii)曲柄軸，其機械地耦接到邊界機構，用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動。
230.如權利要求229所述的系統，還包括耦接到曲柄軸的電動機/發電機。
231.如權利要求215所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
232.一種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者的氣缸組件； 選擇性地流體連接到氣缸組件的存儲庫；以及 用於在存儲庫內生成泡沫的泡沫生成機構，該泡沫包括氣體和傳熱液體。
233.如權利要求232所述的系統，還在存儲庫和氣缸組件之間包括用於改變泡沫的至少一種特性的機構。
234.如權利要求233所述的系統，其中，該機構包括篩或超聲能量源中的至少一者。
235.如權利要求233所述的系統，其中，至少一種特性包括泡沫單元大小或泡沫單元大小均勻度中的至少一者。
236.如權利要求232所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
237.如權利要求232所述的系統，還包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於所述氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內執行通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者。
238.如權利要求237所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第二氣缸組件的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到大氣中。
239.如權利要求232所述的系統，還包括控制系統，用於控制氣缸組件在其中執行大致等溫的壓縮或大致等溫的膨脹中的至少一者。
240.如權利要求239所述的系統，還包括用於檢測氣缸組件內的壓力或溫度中的至少一者的傳感器，其中該控制系統響應於該傳感器。
241.如權利要求232所述的系統，還包括用於將傳熱液體轉移到泡沫生成機構中的循環裝置。
242.如權利要求241所述的系統，其中，循環裝置包括變速泵。
243.如權利要求232所述的系統，還包括導管，該導管將存儲庫的底部區域與泡沫生成機構選擇性地流體連接。
244.如權利要求243所述的系統，其中，導管延伸到存儲庫的外部。
245.如權利要求232 所述的系統，還包括: (i)將氣缸組件分成兩個室的可移動邊界機構，以及 (ii)曲柄軸，其機械地耦接到邊界機構，用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動。
246.如權利要求245所述的系統，還包括耦接到曲柄軸的電動機/發電機。
247.如權利要求232所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
248.—種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者的氣缸組件； 存儲庫；以及 位於氣缸組件內的泡沫生成機構,用於通過將傳熱液體引入到氣缸組件內的氣體中來生成泡沫。 其中，氣缸組件通過(i )用於轉移氣體的第一導管和(ii )第二導管選擇性地流體連接到存儲庫，該第二導管不同於第一導管並且用於將傳熱液體轉移到泡沫生成機構中。
249.如權利要求248所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一個。
250.如權利要求248所述的系統，還包括第二氣缸組件，該第二氣缸組件用於在不同於所述氣缸組件的壓力範圍的壓力範圍內通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者。
251.如權利要求250所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第二氣缸組件的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到大氣中。
252.如權利要求248所述的系統，還包括控制系統，用於控制氣缸組件在其中執行大致等溫的壓縮或大致等溫的膨脹中的至少一者。
253.如權利要求252所述的系統，還包括用於檢測氣缸組件內的壓力或溫度中的至少一者的傳感器，其中該控制系統響應於該傳感器。
254.如權利要求253所述的系統，其中，控制系統響應於檢測到的壓力來控制傳熱液體通過泡沫生成機構的流速。
255.如權利要求248所述的系統，還包括用於將傳熱液體轉移到第二導管內的循環裝置。
256.如權利要求255所述的系統，其中，循環裝置包括變速泵。
257.如權利要求248所述的系統，還包括: (i)將氣缸組件分成兩個室的可移動邊界機構，以及 (ii)曲柄軸，其機械地耦接到邊界機構，用於將邊界機構的往復運動轉換成旋轉運動。
258.如權利要求257所述的系統，還包括耦接到曲柄軸的電動機/發電機。
259.如權利要求248所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
260.—種能量存儲和恢復系統，包括: 用於通過壓縮存儲能量或 通過膨脹恢復能量中的至少一者的氣缸組件； 噴灑機構，用於將第一傳熱液體的離散液滴引入到氣缸組件中，從而在氣體和第一傳熱液體的離散液滴之間進行熱交換；以及 與噴灑機構分離的泡沫生成機構，用於在氣缸組件中執行生成泡沫或引入泡沫中的至少一者，該泡沫包括氣體和第二傳熱液體。
261.如權利要求260所述的系統,其中，第一傳熱液體和第二傳熱液體包括相同的液體。
262.如權利要求261所述的系統，其中，第二傳熱液體包括起泡添加劑。
263.如權利要求260所述的系統，其中，噴灑機構包括噴頭或噴杆中的至少一者。
264.如權利要求260所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一者。
265.如權利要求260所述的系統，還包括選擇性地流體連接到氣缸組件的存儲庫，該存儲庫用於存儲壓縮的氣體。
266.如權利要求265所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
267.如權利要求260所述的系統，還包括選擇性地流體連接到氣缸組件的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到周圍大氣中。
268.—種能量存儲和恢復系統，包括: 多個氣缸組件，每個氣缸組件用於在不同的壓力範圍內執行通過壓縮存儲能量或通過膨脹恢復能量中的至少一者； 選擇性地流體連接到一個氣缸組件的噴灑機構，該噴灑機構用於將第一傳熱液體的離散液滴引入到其中；以及 選擇性地流體連接到不同的一個氣缸組件的泡沫生成機構，用於在其中執行生成或引入泡沫中的至少一者，該泡沫包括氣體和第二傳熱液體。
269.如權利要求268所述的系統,其中，第一傳熱液體和第二傳熱液體包括相同的液體。
270.如權利要求269所述的系統，其中，第二傳熱液體包括起泡添加劑。
271.如權利要求268所述的系統，其中，噴灑機構包括噴頭或噴杆中的至少一者。
272.如權利要求268所述的系統，其中，泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一者。
273.如權利要求268所述的系統，還包括選擇性地流體連接到氣缸組件中的一個的存儲庫，該存儲庫用於存儲壓縮的氣體。
274.如權利要求273所述的系統，其中，存儲庫包括壓力容器、管道或洞室中的至少一者。
275.如權利要求268所述的系統，還包括選擇性地流體連接到氣缸組件中的一個的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到周圍大氣中。
276.—種能量恢復的方法,該方法包括: 驅動泵氣缸內的活塞以將傳熱液體從其中轉移給泡沫生成機構； 將壓縮氣體轉移到氣缸組件或泡沫生成機構； 經由泡沫生成機構(i )通過混合傳熱液體與壓縮氣體而形成泡沫，以及(ii )將泡沫引入到氣缸組件中； 在氣缸組件內膨脹泡沫，該膨脹驅動氣缸組件內的活塞；以及 將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出。
277.如權利要求276所述的方法，其中，壓縮氣體從第一存儲庫轉移到氣缸組件。
278.如權利要求277所述的方法，還包括:將傳熱液體從第二存儲庫轉移到泵氣缸中。
279.如權利要求278所述的方法，其中，第一存儲庫和第二存儲庫是相同的。
280.如權利要求279所述的方法，還包括: 將膨脹的泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分；以及 將液態組分轉移到第一存儲庫。
281.如權利要求280所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離膨脹的泡沫的至少一部分。
282.如權利要求281所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的泡沫的所述至少一部分。
283.如權利要求278所述的方法，其中，第二存儲庫是分離的並且與第一存儲庫不同。
284.如權利要求283所述的方法，其中，第一存儲庫內的存儲壓力高於第二存儲庫內的存儲壓力。
285.如權利要求283所述的方法，還包括: 將膨脹的泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分；以及 將液態組分轉移到第二存儲庫。
286.如權利要求285所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離膨脹的泡沫的所述至少一部分。
287.如權利要求286所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的泡沫的所述至少一部分。
288.如權利要求276所述的方法，還包括:在傳熱液體進入泡沫生成機構之前，熱調節傳熱液體。
289.如權利要求276所述的方法，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件內。
290.如權利要求276所述的方法，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件的外部，並且通過導管連接到氣缸組件。
291.如權利要求276所述的方法，其中，泵氣缸內的活塞和氣缸組件被同時驅動。
292.如權利要求276所述的方法，還包括:將膨脹的泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分。
293.如權利要求292所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離膨脹的泡沫的所述至少一部分。
294.如權利要求293所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離膨脹的泡沫的所述至少一部分。
295.如權利要求 276所述的方法，其中，將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出包括將膨脹的泡沫的氣態部分排出到周圍大氣中。
296.如權利要求276所述的方法，其中，將膨脹的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出包括將膨脹的泡沫或其氣態組分轉移到第二氣缸組件中以進行進一步的膨脹。
297.如權利要求276所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
298.如權利要求276所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至泡沫生成機構中的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
299.如權利要求298所述的方法，還包括:感測氣缸或泡沫生成機構中的至少一者內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
300.一種能量存儲的方法，該方法包括: 驅動泵氣缸內的活塞以將傳熱液體從其中轉移給泡沫生成機構； 將氣體轉移到氣缸組件或泡沫生成機構； 經由泡沫生成機構(i)通過混合傳熱液體與壓縮氣體來形成泡沫，以及(ii)將泡沫引入到氣缸組件中； 驅動氣缸組件內的活塞以壓縮氣缸組件內的泡沫；以及 將壓縮的泡沫的至少一部分從氣缸組件中排出。
301.如權利要求300所述的方法，其中，將壓縮的泡沫的所述至少一部分從氣缸組件中排出包括將壓縮的泡沫轉移到第一存儲庫中。
302.如權利要求300所述的方法，其中，將壓縮的泡沫的所述至少一部分從氣缸組件中排出包括將壓縮的泡沫的氣態組分轉移到第一存儲庫中。
303.如權利要求302所述的方法，其中，將壓縮的泡沫的所述至少一部分從氣缸組件中排出包括將壓縮的泡沫的液態組分轉移到第二存儲庫中。
304.如權利要求303所述的方法，其中，第一存儲庫和第二存儲庫是相同的。
305.如權利要求303所述的方法，其中，第二存儲庫是分離的並且與第一存儲庫不同。
306.如權利要求305所述的方法，其中，第一存儲庫內的存儲壓力高於第二存儲庫內的存儲壓力。
307.如權利要求300所述的方法，還包括:在傳熱液體進入泡沫生成機構之前，熱調節傳熱液體。
308.如權利要求300所述的方法，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件內。
309.如權利要求300所述的方法，其中，泡沫生成機構位於氣缸組件的外部，並且通過導管連接到氣缸組件。
310.如權利要求300所述的方法，其中，泵氣缸內的活塞和氣缸組件同時被驅動。
311.如權利要求300所述的方法，還包括:將膨脹的泡沫的至少一部分分離成氣態和液態組分。
312.如權利要求311所述的方法，其中，經由機械分離或施加超聲能量中的至少一者來分離壓縮的泡沫的所述至少一部分。
313.如權利要求312所述的方法，其中，通過葉片、剪切器、擋板或離心分離機中的至少一者經由機械分離來分離壓縮的泡沫的所述至少一部分。
314.如權利要求300所述的方法，其中，氣體從周圍大氣轉移到氣缸組件或泡沫生成機構中。
315.如權利要求300所述的方法，在氣體在第二氣缸組件內壓縮之後，氣體從所述第二氣缸組件轉移到所述氣缸組件或所述泡沫生成機構中。
316.如權利要求300所述的方法，其中，泡沫的泡沫質量比選自1-4的範圍。
317.如權利要求300所述的方法，還包括:通過控制傳熱液體至泡沫生成機構中的轉移速率來控制泡沫的含氣率。
318.如權利要求317所述的方法，還包括:感測氣缸或泡沫生成機構中的至少一者內的壓力或溫度中的至少一者，其中，響應於該壓力或溫度中的至少一者來控制轉移速率。
319.一種能量存儲和恢復系統，包括: 第一氣缸組件，用於壓縮以存儲能量或膨脹以恢復能量中的至少一者，該第一氣缸組件包括:(i)第一氣缸，(ii)至少部分地位於第一氣缸內的第一泵機構，用於從第一氣缸循環傳熱流體，以及(iii)第一泡沫生成機構，用於將傳熱流體與氣體混合以形成泡沫，並且將泡沫引入到第一氣缸內；以及 第二氣缸組件，用於壓縮以存儲能量或膨脹以恢復能量中的至少一者，該第二氣缸組件包括:(i)第二氣缸，(ii)至少部分地位於第二氣缸內並且選擇性地流體連接到第一泡沫生成機構的第二泵機構，用於從第二氣缸循環傳熱流體，以及(iii)第二泡沫生成機構，用於將傳熱流體與氣體混合以形成泡沫，並且將泡沫引入到第二氣缸內，第二泡沫生成機構選擇性地流體連接到第一泵機構。
320.如權利要求319所述的系統，其中，第一泵機構包括: 位於第一氣缸內並且將第一氣缸分為兩個隔室的第一活塞； 耦接至第一活塞的第一活塞杆，該第一活塞杆包括第一腔；以及 至少部分地位於第一腔內並且延伸穿過第一氣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間的相對運動使傳熱流體循環進或循環出第一腔。
321.如權利要求320所述的系統，其中，第二泵機構包括: 位於第二氣缸內並且將第二氣缸分為兩個隔室的第二活塞； 耦接至第二活塞的第二活塞杆，該第二活塞杆包括第二腔；以及 至少部分地位於第二腔內並且延伸穿過第二氣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間的相對運動使傳熱流體循環進或循環出第二腔。
322.如權利要求321所述的系統，其中，第一活塞杆和第二活塞杆機械地耦接到共同的曲柄軸。
323.如權利要求319所述的系統，還包括第一熱交換子系統，用於熱調節循環到第一泡沫生成機構的傳熱流體。
324.如權利要求323所述的系統，其中，第一熱交換子系統包括熱交換器。
325.如權利要求323所述的系統，其中，第一熱交換子系統流體連接到第一泡沫生成機構和第二泵機構。
326.如權利要求319所述的系統，還包括第二熱交換子系統，用於熱調節循環到第二泡沫生成機構的傳熱流體。
327.如權利要求326所述的系統，其中，第二熱交換子系統包括熱交換器。
328.如權利要求326所述的系統，其中，第二熱交換子系統流體連接到第二泡沫生成機構和第一泵機構。
329.如權利要求319所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第一氣缸組件和第二氣缸組件的第一存儲庫，該第一存儲庫用於存儲氣體或傳熱流體中的至少一者。
330.如權利要求329所述的系統，還包括選擇性地流體連接到第一氣缸組件和第二氣缸組件的第二存儲庫，該第二存儲庫用於存儲氣體或傳熱流體中的至少一者。
331.如權利要求330所述的系統，其中，第一存儲庫的存儲壓力高於第二存儲庫的存儲壓力。
332.如權利要求330所述的系統，其中，第一存儲庫或第二存儲庫中的至少一者選擇性地流體連接到第一泵機構或第二泵機構中的至少一者。
333.如權利要求319所述的系統，其中，第一泡沫生成機構位於第一氣缸內。
334.如權利要求319所述的系統，其中，第一泡沫生成機構位於第一氣缸的外部，並且通過導管連接到第一氣缸。
335.如權利要求319所述的系統,其中,第二泡沫生成機構位於第二氣缸內。
336.如權利要求319所述的系統，其中，第二泡沫生成機構位於第二氣缸的外部，並且通過導管連接到第二氣缸。
337.如權利要求319所述的系統,其中,第一泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一者。
338.如權利要求319所述的系統，其中，第二泡沫生成機構包括一個或多個噴嘴、旋轉葉片、超聲能量源或鼓泡器中的至少一者。
339.一種利用能量恢復系統的能量恢復方法，該能量恢復系統包括:(i)第一氣缸組件，該第一氣缸組件包括第一氣缸、第一泵機構和第一泡沫生成機構，以及(ii)第二氣缸組件，該第二氣缸組件包括第二氣缸、第二泵機構和第二泡沫生成機構，該方法包括: 利用第一氣缸組件執行膨脹衝程，該膨脹衝程包括:(i)將傳熱流體與氣體在第一泡沫生成機構中混合以形成泡沫，(ii)在第一氣缸內膨脹泡沫，以及(iii)將傳熱流體引入到第一泵機構中；以及 在此期間，利用第二氣缸組件執行排氣衝程，該排氣衝程包括:(i)將泡沫或其氣態組分從第二氣缸中排出，以及(ii)利用第二泵機構將傳熱流體泵送到第一泡沫生成機構。
340.如權利要求339所述的方法，還包括: 利用第二氣缸組件執行膨脹衝程，該膨脹衝程包括:(i)將傳熱流體與氣體在第二泡沫生成機構中混合以形成第二泡沫，(ii)在第二氣缸內膨脹第二泡沫，以及(iii)將傳熱流體引入到第二泵機構中；以及 在此期間，利用第一氣缸組件執行排氣衝程，該排氣衝程包括:(i)將泡沫或其氣態組分從第一氣缸中排出，以及(ii)利用第一泵機構將傳熱流體泵送到第二泡沫生成機構。
341.如權利要求339所述的方法，其中，排氣衝程包括在傳熱流體進入第一泡沫生成機構之前熱調節利用第二泵機構泵送的傳熱流體。
342.如權利要求341的所述的方法，其中，熱調節傳熱流體包括加熱傳熱流體。
343.一種利用能量恢復系統的能量存儲方法，該能量恢復系統包括:(i)第一氣缸組件，該第一氣缸組件包括第一氣缸、第一泵機構和第一泡沫生成機構，以及(ii)第二氣缸組件，該第二氣缸組件包括第二氣缸、第二泵機構和第二泡沫生成機構，該方法包括: 利用第一氣缸組件執行壓縮衝程，該壓縮衝程包括:(i)在第一氣缸內壓縮第一泡沫生成機構生成的泡沫，以及(ii)利用第一泵機構將傳熱流體泵送到第二泡沫生成機構；以及 在此期間，在第二氣缸組件內執行壓縮衝程，該壓縮衝程包括:(i)在第二氣缸內壓縮第二泡沫生成機構生成的第二泡沫，以及(ii)利用第二泵機構將傳熱流體泵送到第一泡沫生成機構。
344.如權利要求343所述的方法，還包括: 利用第一氣缸組件 執行進氣衝程，該進氣衝程包括:(i)在第一氣缸內接收氣體，以及(ii)將傳熱流體引入到第一泵機構中；以及 在此期間，利用第二氣缸組件執行進氣衝程，該進氣衝程包括:(i)在第二氣缸內接收氣體，以及(ii)將傳熱流體引入到第二泵機構中。
345.如權利要求343所述的方法，其中，第一氣缸組件的壓縮衝程包括在傳熱流體進入第二泡沫生成機構之前熱調節利用第一泵機構泵送的傳熱流體。
346.如權利要求345的所述的方法，其中，熱調節傳熱流體包括冷卻傳熱流體。
347.如權利要求343所述的方法，其中，第二氣缸組件的壓縮衝程包括在傳熱流體進入第一泡沫生成機構之前熱調節利用第二泵機構泵送的傳熱流體。
348.如權利要求347所述的方法，其中，熱調節傳熱流體包括冷卻傳熱流體。
349.一種用於高效的電力需求響應的系統，該系統包括: 第一能量存儲系統，用於響應於最高達第一電力需求水平的需求提供電力； 連接到第一能量存儲系統的第二能量存儲系統，用於響應於高於第一電力需求水平的需求提供電力；以及 熱交換子系統，用於熱調節第一能量存儲系統或第二能量存儲系統中的至少一者的至少一部分，由此增加第一能量存儲系統和第二能量存儲系統的總體效率。
350.如權利要求349所述的系統，其中，第一能量存儲系統包括電池、飛輪或超級電容器中的至少一者。
351.如權利要求349所述的系統，其中，第二能量存儲系統包括通過膨脹壓縮的氣體提供電力的壓縮氣體能量存儲系統。
352.如權利要求349所述的系統，其中，第一能量存儲系統和第二能量存儲系統並聯連接到電網上。
353.如權利要求349所述的系統，其中，第一電力需求水平大約為500kW。
354.如權利要求349所述的系統，其中，熱交換子系統從第一能量存儲系統中恢復熱能，從而在第二能量存儲系統中熱調節下述各項中的至少一者:(i)傳熱流體，用於熱調節經歷膨脹或壓縮中的至少一者的氣體或用於與氣體混合以形成泡沫，(ii)經歷膨脹或壓縮中的至少一者的氣體或泡沫，或(iii )在膨脹之前存儲在存儲庫中的氣體或泡沫。
355.如權利要求349所述的系統，其中，熱交換子系統包括與第一能量存儲系統關聯的第一熱交換器以及與第二能量存儲系統關聯的第二熱交換器，該第二熱交換器(i)與第一熱交換器分離並且(ii)能夠選擇性地流體連接到第一熱交換器。
356.如權利要求355所述的系統,其中，第一熱交換器流體連接到第一散熱器或第一熱井中的至少一者，並且第二熱交換器流體連接到第二散熱器或第二熱井中的至少一者。
357.一種電力輸送方法,該方法包括: 檢測隨時間變化的電力需求水平； 當電力需求水平小於或等於閾值水平時從第一能量存儲系統供應電力； 當電力需求水平大於閾值水平時從第二能量存儲系統供應電力；以及 熱調節第一能量存儲系統或第二能量存儲系統中的至少一者的至少一部分，由此增加第一能量存儲系統和第二能量存儲系統的總體效率。
358.如權利要求357所述的方法，其中，僅當電力需求水平小於或等於閾值水平時，才從第一能量存儲系統供應電力。
359.如權利要求357所述的方法，其中，僅當電力需求水平大於閾值水平時，才從第二能量存儲系統供應電力。
360.如權利要求357所述的方法，其中，熱調節第一能量存儲系統或第二能量存儲系統中的至少一者的至少一部分包括從第一能量存儲系統中恢復熱能，並且利用恢復的熱能來熱調節第二能量存儲系統的至少一部分。
361.如權利要求360所述的方法，其中，熱調節第二能量存儲系統的至少一部分包括熱調節下述各項中的至少一者:(i)用於熱調節經歷膨脹或壓縮中的至少一者的氣體或用於與氣體混合以形成泡沫的傳熱流體，(?)經歷膨脹或壓縮中的至少一者的氣體或泡沫，或(i i i )在膨脹之前存儲在壓縮氣體庫中的氣體或泡沫。
362.如權利要求357所述的方法，其中，通過公用總線從第一能量存儲系統和第二能量存儲系統供應電力。
363.如權利要求357所述的方法，其中，從第二能量存儲系統供應電力包括膨脹氣體或泡沫中的至少一者以從中恢復能量。
364.—種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體； 在壓縮之前或壓縮期間中的至少一者時，將傳熱液體從熱井引入到氣體中，該傳熱液體在壓縮期間從氣體吸收熱能； 將傳熱液體的至少一部分轉移回到熱井中以在其中存儲熱能； 此後，在動力單兀中膨脹氣體；以及 在膨脹之前或膨脹期間中的至少一者時，將傳熱液體從熱井引入到氣體中，該氣體在膨脹期間從傳熱液體吸收熱能。
365.如權利要求364所述的方法，其中，通過將傳熱液體噴灑到氣體中而將傳熱液體引入到氣體中。
366.如權利要求364所述的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
367.如權利要求366所述的方法，還包括:在將傳熱液體的至少一部分轉移回到熱井中之前，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
368.如權利要求364所述的 方法，其中，在壓縮之前或壓縮期間中的至少一者時引入傳熱液體使得大致等溫地進行壓縮。
369.如權利要求364所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間中的至少一者時引入傳熱液體使得大致等溫地進行膨脹。
370.如權利要求364所述的方法，還包括在熱井中存儲動力單元產生的廢熱能量。
371.如權利要求364所述的方法，還包括在熱井和周圍環境之間交換熱能。
372.如權利要求371所述的方法，其中，當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，在熱井和周圍環境之間交換熱能。
373.如權利要求364所述的方法，其中，在壓縮之前或壓縮期間中的至少一者時引入到氣體中的傳熱液體的溫度低於環境溫度。
374.如權利要求364所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間中的至少一者時引入到氣體中的傳熱液體的溫度高於環境溫度。
375.如權利要求364所述的方法，還包括:在壓縮之後存儲壓縮的氣體，其中，存儲的壓縮的氣體在膨脹期間被膨脹。
376.如權利要求364所述的方法，其中，存儲壓縮的氣體還包括以升高的溫度存儲傳熱流體。
377.如權利要求376所述的方法，還包括:將存儲的傳熱流體轉移到熱井中，由此在其中存儲熱能。
378.如權利要求364所述的方法，還包括在膨脹之後將膨脹的氣體排出到大氣中。
379.一種能量存儲和恢復系統，其被配置成與在其中容納傳熱流體的熱井一起使用，該系統包括: 包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者； 用於在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中的機構，該機構被配置用於選擇性地流體連接到熱井； 用於選擇性地將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到熱井中的導管；以及 熱連接到動力單元和熱井的廢熱熱交換系統，其用於將來自動力單元的廢熱能量轉移到熱井中。
380.如權利要求379所述的系統，還包括環境熱交換系統，其被配置用於熱連接到熱井和周圍環境。
381.如權利要求380所述的系統，還包括控制系統，該控制系統用於(i)感測動力單元的操作狀態，和(ii)僅當動力單元既未膨脹氣體也未壓縮氣體時，操作環境熱交換系統。
382.如權利要求379所述的系統，還包括選擇性地流體連接到動力單元的庫，該庫用於存儲壓縮的氣體。
383.如權利要求382所述的系統，其中，該庫被配置用於選擇性地流體連接到熱井，從而使得傳熱液體能夠在它們之間流動。
384.如權利要求379所述的系統，還包括選擇性地流體連接到動力單元的排出口，該排出口用於將膨脹的氣體排出到大氣中。
385.一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體或膨脹氣體中的至少一者；以及 在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時，(i)從熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，(ii)熱調節傳熱液體，由此使其達到不同於第一溫度的第二溫度，以及(iii)將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量。
386.如權利要求385所述的方法，其中，氣體和熱調節過的傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行壓縮或膨脹中的至少一者。
387.如權利要求385所述的方法，其中，將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
388.如權利要求385所述的方法，其中，將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
389.如權利要求388所述的方法，還包括:在壓縮或膨脹中的至少一者之後，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
390.如權利要求385所述的方法，其中，熱調節傳熱液體包括在傳熱液體和第二熱井之間傳輸熱能，該第二熱井與該熱井分離，並且未流體連接到該熱井。
391.如權利要求390所述的方法，還包括在第二熱井中存儲動力單元產生的廢熱能量。
392.如權利要求390所述的方法，還包括在第二熱井和周圍環境之間交換熱能。
393.如權利要求392所述的方法，其中，當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，在第二熱井和周圍環境之間交換熱能。
394.一種能量存儲和恢復系統，包括: 包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者； 用於在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中的機構； 選擇性地流體連接到該機構的熱井，該熱井用於在其中容納傳熱液體； 連接在熱井和動力單元之間的熱交換器，該熱交換器用於熱調節從熱井流向動力單元的傳熱液體；以及 與熱交換器關聯且與熱井分離的第二熱井，該第二熱井用於存儲來自傳熱流體的熱能或將熱能供應給傳熱流體中的至少一者。
395.如權利要求394所述的系統，還包括用於用於將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到熱井中的導管。
396.如權利要求394所述的系統，還包括熱連接到動力單元和第二熱井的廢熱熱交換系統，其用於將來自動力單元的廢熱能量轉移到第二熱井中。
397.如權利要求394所述的系統，還包括環境熱交換系統，其熱連接到第二熱井和周圍環境。
398.如權利要求394所述的系統，其中，熱交換器位於第二熱井內。
399.一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體或膨脹氣體中的至少一者；以及 在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時，(i)從第一熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到不同於第一溫度的第二溫度；以及 將第二溫度的傳熱液體轉移到第二熱井中，該第二熱井與第一熱井分離並且未流體連接到第一熱井。
400.如權利要求399所述的方法，其中，氣體和傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行壓縮或膨脹中的至少一者。
401.如權利要求399所述 的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
402.如權利要求399所述的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
403.如權利要求402所述的方法，還包括:在將傳熱液體轉移到第二熱井中之前，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
404.如權利要求399所述的方法，還包括在第二熱井中存儲動力單元產生的廢熱能量。
405.如權利要求399所述的方法，還包括在周圍環境和第一熱井或第二熱井中的至少一者之間交換熱能。
406.如權利要求405所述的方法，其中，當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，與周圍環境交換熱能。
407.一種能量存儲和恢復系統，包括: 包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者； 用於在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中的機構； 選擇性地流體連接到該機構的(i)第一熱井，該第一熱井用於在其中容納第一溫度的傳熱液體，以及(ii)第二熱井，該第二熱井與第一熱井分離，用於在其中容納第二溫度的傳熱液體，第二溫度不同於第一溫度；以及 控制系統，用於(i)在壓縮之前或壓縮期間的至少一者時，將傳熱液體(a)從第一熱井路由到氣體中，和(b)從動力單元路由到第二熱井中，以及(ii)在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時，將傳熱液體(a)從第二熱井路由到氣體中，和(b)從動力單元路由到第一熱井中。
408.如權利要求407所述的系統，還包括熱連接到動力單元和第二熱井的廢熱熱交換系統，其用於將來自動力單元的廢熱能量轉移到第二熱井中。
409.如權利要求407所述的系統，還包括環境熱交換系統，其熱連接到第一熱井和周圍環境。
410.如權利要求407所述的系統，還包括環境熱交換系統，其熱連接到第二熱井和周圍環境。
411.一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體或膨脹氣體中的至少一者；以及 在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時，(i)從庫中以第一溫度撤回傳熱液體，(ii)熱調節傳熱液體，由此使其達到不同於第一溫度的第二溫度，以及(iii)將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量， 其中，熱調節傳熱液體包括在傳熱液體和從具有第三溫度的第一熱井流向第二熱井的儲熱液體之間交換熱能，該第二熱井(i)與第一熱井分離，並且(ii)具有不同於第三溫度的第四溫度。
412.如權利要求411所述的方法，其中，傳熱液體和儲熱液體在傳熱液體的熱調節期間不混合。
413.如權利要求411所述的方法，其中，氣體和熱調節過的傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行壓縮或膨脹中的至少一者。
414.如權利要求411所述的方法，其中，將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
415.如權利要求411所述的方法，其中，將熱調節過的傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱流體和氣體。
416.如權利要求415所述的方法，還包括:在壓縮或膨脹中的至少一者之後，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
417.一種能量存儲和恢復系統，包括: 包括氣缸組件的動力單元，該氣缸組件用於在其中壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者； 用於在壓縮或膨脹的至少一者之前或期間中的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中的機構； 選擇性地流體連接到該機構的庫，該庫用於在其中容納傳熱液體； 連接在庫和動力單元之間的熱交換器，該熱交換器用於熱調節從庫流向動力單元的傳熱液體；以及 與熱交換器關聯且不與庫流體連接的(i )第一熱井，該第一熱井用於容納第一溫度的儲熱液體，和(ii)第二熱井，該第二熱井用於容納不同於第一溫度的第二溫度的儲熱液體，儲熱液體在第一熱井和第二熱井之間的流動熱調節傳熱流體。
418.如權利要求417所述的系統，還包括用於將引入到氣體中的傳熱液體轉移回到庫中的導管。
419.如權利要求417所述的系統，還包括熱連接到動力單元和第二熱井的廢熱熱交換系統，其用於將來自動力單元的廢熱能量轉移到第二熱井中。
420.如權利要求417所述的系統，還包括環境熱交換系統，其熱連接到第一熱井和周圍環境。
421.如權利要求417所述的系統，還包括環境熱交換系統，其熱連接到第二熱井和周圍環境。
422.一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體；以及 在壓縮之前或壓縮期間的至少一者時，(i)從液體庫中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到高於第一溫度的第二溫度；以及 將第二溫度的傳熱液體和壓縮的氣體都轉移到壓縮氣體存儲器。
423.如權利要求422所述的方法，其中，氣體和傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行壓縮。
424.如權利要求422所述的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
425.如權利要求422所述的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
426.如權利要求425所述的方法，其中，將第二溫度的傳熱液體和壓縮的氣體都轉移到壓縮氣體存儲器包括將泡沫轉移到壓縮氣體存儲器中。
427.如權利要求422所述的方法，還包括: 將壓縮的氣體從壓縮氣體存儲器轉移到動力單元； 在動力單元中膨脹壓縮的氣體； 在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時，(i)從壓縮氣體存儲器中以第三溫度撤回傳熱液體，(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到低於第三溫度的第四溫度；以及 將傳熱液體轉移到液體庫。
428.如權利要求427所述的方法，其中，氣體和傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行膨脹。
429.如權利要求427所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
430.如權利要求427所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中形成了泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
431.如權利要求430所述的方法，還包括:在將傳熱液體轉移到液體庫之前，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
432.如權利要求422所述的方法，還包括在壓縮氣體存儲器中存儲動力單元產生的廢熱能量。
433.如權利要求422所述的方法，還包括在周圍環境和壓縮氣體存儲器之間交換熱倉泛。
434.如權利要求433所述的方法，其中，當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，與周圍環境交換熱能。
435.一種利用動力單元的能量存儲和恢復的方法，該動力單元包括用於壓縮氣體以存儲能量或膨脹氣體以恢復能量中的至少一者的氣缸組件，該方法包括: 在動力單元中壓縮氣體；以及 在壓縮之前或壓縮期間的至少一者時，(i)從第一熱井中以第一溫度撤回傳熱液體，以及(ii )將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量，熱交換使得傳熱液體達到高於第一溫度的第二溫度； 將壓縮的氣體轉移到壓縮氣體存儲器；以及 將第二溫度的傳熱液體轉移到壓縮氣體存儲器或第二熱井中的至少一者中，該第二熱井與第一熱井分離。
436.如權利要求435所述的方法，還包括: 將壓縮的氣體從壓縮氣體存儲器轉移到動力單元； 在動力單元中膨脹壓縮的氣體；以及 在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時，(i)從壓縮氣體存儲器或第二熱井中的至少一者中撤回傳熱液體，以及(ii)將傳熱液體引入到氣體中以與其交換熱量；以及 將傳熱液體轉移到第一熱井。
437.如權利要求436所述的方法，其中，在動力單元中膨脹壓縮的氣體包括在各自跨越不同壓力範圍的第一階段和第二階段中膨脹壓縮的氣體。
438.如權利要求437所述的方法，其中，(i)在第一階段中，在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時，傳熱液體從壓縮氣體存儲器中撤回，以及(ii)在第二階段中，在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時，傳熱液體從第二熱井中撤回。
439.如權利要求436所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間中的至少一者時，氣體和傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行膨脹。
440.如權利要求436所述的方法，其中，在膨脹之前或膨脹期間的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
441.如權利要求436所述的方法，其中，將傳熱液體引入到氣體中形成泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
442.如權利要求441所述的方法，還包括:在將傳熱液體轉移到第一熱井中之前，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體。
443.如權利要求435所述的方法，其中，在動力單元中壓縮氣體包括在各自跨越不同壓力範圍的第一階段和第二階段中壓縮氣體。
444.如權利要求443所述的方法，其中，(i)在第一階段中，在壓縮之後或壓縮期間，傳熱液體被轉移到壓縮氣體存儲器，以及(ii )在第二階段中，在壓縮之後或壓縮期間，傳熱液體被轉移到第二熱井。
445.如權利要求435所述的方法，其中，在壓縮之前或壓縮期間中的至少一者時，氣體和傳熱液體之間的熱交換使得大致等溫地進行壓縮。
446.如權利要求435所述的方法，其中，在壓縮之前或壓縮期間的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中包括將熱調節過的傳熱液體噴灑到氣體中。
447.如權利要求435所述的方法，其中，在壓縮之前或壓縮期間的至少一者時將傳熱液體引入到氣體中形成了泡沫，該泡沫包括傳熱液體和氣體。
448.如權利要求447所述的方法，還包括:在將第二溫度的傳熱液體轉移到壓縮氣體存儲器或第二熱井中的至少一者之前，將泡沫的至少一部分分離成氣體和傳熱液體，該第二熱井與第一熱井分離。
449.如權利要求435所述的方法，還包括在第二熱井中存儲動力單元產生的廢熱能量。
450.如權利要求435所述的方法，還包括在周圍環境和第一熱井或第二熱井中的至少一者之間交換熱 能。
451.如權利要求450所述的方法，其中，當動力單元既未進行壓縮也未進行膨脹時，與周圍環境交換熱能。
【文檔編號】F01K25/06GK103930654SQ201280035332
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年5月16日 優先權日:2011年5月17日
【發明者】T·O·麥克布裡德, B·保林格, J·貝塞特, A·貝爾, D·凱普夏爾, A·拉文, A·羅爾丁克 申請人:瑟斯特克斯有限公司