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�