保持空气穴。分隔器可以布置为具有开口，所述开口在压力容器定向在其操作位置中以帮助保持与也在压力容器中的液体相接触的空气穴时向下面对空气流动通道(即，朝向重力拉动的方向)。
[0043]在一些实施例中，在压力容器内保持空气穴的分隔器可以提供在空气体积内的点到与热量从其接收或传递的空气相接触的表面之间的减小的平均最小距离。在一些实施例中，分隔器可以布置为盘状结构的叠置构型，该叠置构型捕获形成为较薄层的空气穴，并且提供在空气穴的点到与空气相接触的表面之间的小的平均最小距离。就此而言，减小平均最小距离减小了热量通过到或从空气穴的传导或对流而必须行进的平均距离，该空气穴可具有比热量在压缩和/或膨胀期间可以通过其行进的材料一一包括在压力容器中的液体或压力容器自身的金属一一高的热阻率。
[0044]在一些实施例中，压缩机/膨胀机装置能够使系统在仅使用低等级的热源和/或散热器(例如，热源的温度典型地在大约10°c与50°C之间以及其他范围内，并且散热器典型地在更低的温度范围内)并且不需要与燃料一一如在常规的压缩空气能量存储(CAES)系统中其可能用于在膨胀期间加热空气一一相关联的能量输入的情况下实现等于或大于与现有的CAES系统相关联的效率。消除或减小在膨胀时燃烧燃料以加热空气的需求可以使压缩机/膨胀机装置能够操作而不会产生排放，或者至少不会产生与以压缩气体存储和释放能量直接相关联的排放。
[0045]如本文描述的压缩机/膨胀机装置能够构造为当以压缩模式进行操作时使得单个致动器的运动导致在装置的第一压力容器中的空气的压缩并且还允许在共同级的第二压力容器中的空气的同时接收，其中该第二压力容器与第一压力容器协同地操作。以该方式，致动器可以是双动式装置。类似地，当致动器在共同级的压力容器之间往复移动时，可以在第一和第二压力容器中交替地发生空气的膨胀和排放。另外地或可选地，压缩机/膨胀机装置可以串联地构造以形成多级装置，而以改进的效率帮助实现更大的气体压力，比如在第一级之后高达150psi或更高、在第二级之后高达1，OOOpsi或更高、和/或在第三级之后尚达3，OOOpsi或更尚。
[0046]如本文描述的压缩机/膨胀机装置还能够允许压缩和/或膨胀通过多级压缩机/膨胀机装置的不同级发生；例如，在膨胀期间，在一个(较小的容器)中吸入而在另一个(较大的容器)中排放。作为示例，装置可以包括上游压力容器(例如，第一级的第一压力容器)和下游压力容器(例如，第二级的第一压力容器)，其中空气可以同时被压缩。在下游压力容器中发生的可用于空气的体积变化可以小于在上游压力容器中可用于空气的体积变化。在压缩的起点处，在上游压力容器和下游压力容器中的每一个中的可用于空气的体积可以彼此流体连通。另外，在下游压力容器中可用于空气的体积可以处于最小值而在上游压力容器中可用于空气的体积处于最大值。当在上游压力容器中可用于空气的体积减小时，空气的压缩可以在上游压力容器和下游压力容器的组合体积中发生。在上游压力容器中可用于空气的体积的减小可以导致空气的压缩而不管在下游压力容器中可用于空气的体积的增大，这是因为在上游压力容器中可用于空气的体积的减小大于在下游压力容器中可用于空气的体积的增大。
[0047]如上述，压缩机/膨胀机装置的多个实施例可以以较低的速度进行操作，这可以导致用于装置的更低的操作温度。在摩擦表面处的更低的温度和更慢的速度可以延长磨损寿命和/或增大装置可靠性。
[0048]压缩机/膨胀机装置可以适应改变的输入功率水平，如可能与具有取决于风力水平的功率输出的风力发电厂相关联的那样。根据一些实施例，压缩机/膨胀机装置可以是正排量装置，不同于在某些CAES系统中发现的离心压缩机，其可以在大范围的速度或输出水平上有效地操作。
[0049]压缩机/膨胀机装置还可以允许对于存储结构的改变的压缩空气压力水平而言的恒定的功率输出。阀、传感器和/或其他控制装置可以结合到压缩机/膨胀机装置内，以控制进入到装置中用于膨胀的空气质量而不管在存储结构中的压力水平。就此而言，装置产生的能量的大小可保持相对恒定。另外地或可选地，当期望时并且当存储结构的压力水平容许时，进入到压缩机/膨胀机装置中的空气质量可以增大/减小，使得可以产生另外的/减小的功率。压缩/膨胀的速率能够通过吸入的空气的量或冲程的速度或这两者来改变。
[0050]压缩机/膨胀机装置可以模块化构造以允许多个装置一起定尺寸而相对容易地用于不同的应用。根据一些实施例，单独的压缩机/膨胀机装置可以定尺寸用于1.0兆瓦与5.0兆瓦之间的功率范围，尽管其他的尺寸是可能的。在压缩机之前使用线路内的预压缩机也可以被采用以提供初始的空气压缩。多个压缩机/膨胀机装置可以并联地操作以提供更大的功率容量。作为示例，根据一个实施例，一百五十个2.0兆瓦的装置可以并联地操作以提供300兆瓦的设施。若需要，少于一百五十个压缩机/膨胀机装置的完全使用可以进行操作而剩余的装置保持怠速以提供在改变的功率水平下的有效的系统操作。另外地或可选地，多个压缩机/膨胀机装置的设施可以以小于所安装的规划装置的完全使用开始操作，以允许系统在系统完全构建完毕之前至少部分地操作。
[0051]图1是能量系统100的实施例的示意图，其中压缩机/膨胀机装置可以用于存储能量和释放先前已被存储的能量。如图1中所示，包括多个风力涡轮机104的风力发电厂102可以用于收获风能并将风能转变为用于输送给电机/交流发电机110的电能。应当理解的是，该系统可以与除风力发电厂以外的其他电源一起使用，比如，例如与电网或太阳能电源一起使用。电机/交流发电机110驱动连接至压缩机/膨胀机装置120上的致动器112。
[0052]能量能够以压缩的形式存储在系统100内，并且随后膨胀用于在以后的时间段使用。为了存储由风力发电厂102产生的能量，致动器112使用液压泵(图1中未示出)以导致在压缩机/膨胀机120的压力容器(图1中未示出)中的液体移动或移位以增大在压力容器内用于接收空气的可用体积。致动器112随后通过导致压力容器中的液体移动或移位以减小在压力容器中用于空气的可用体积来压缩空气。在该过程期间，热量从空气中移除。在压缩期间，空气被输送到压缩机/膨胀机装置120的下游级并且最后以升高的压力输送到压缩空气存储结构122 (本文也称为“洞室”)中。在后续的时间，例如当电网上存在较高的电力需求时，或者当能量价格高时，压缩空气可以从存储结构122释放并且通过压缩机/膨胀机装置120进行膨胀。压缩空气的膨胀驱动致动器112，该致动器112又驱动电机/交流发电机110以产生电力用于输送给电网124。在较低温度(例如，在例如大约10°C与大约50°C之间)的热量可以在膨胀期间添加到空气中以增大在膨胀过程期间产生的电力。
[0053]图2A是通过与图1的系统100相似的多级系统200的能量流动的示意图，其处于空气被压缩用于存储时的一个示例操作条件下。如上述，电机/交流发电机210驱动致动器212，该致动器212能够使用液压泵(图2A中未示出)以使压缩机/膨胀机220的压力容器(图2A中未示出)中的液体能够移动或移位以增大在压力容器内用于接收空气的可用体积。致动器212随后通过导致压力容器中的液体移动或移位以减小在压力容器中用于空气的可用体积来压缩空气。
[0054]热能在压缩期间经由在多级压缩机/膨胀机装置220的一个或多个压力容器(未示出)中的液体移除，以将被压缩的空气维持在较恒定的温度下。热能经由热交换器从液体和压缩机/膨胀机装置220传递给散热器。在另一构型中，热能留在液体中，并且液体从压缩腔直接排出到散热器中，在该散热器中液体排放其热量，并且随后回到压力容器中。根据一个实施例，空气在传输到处于大约3，OOOpsi压力下的存储结构222之前可以在第一级、第二级和第三级中的每一个处实现大约例如150ps1、l，OOOpsi和3，OOOpsi的压力。在被供应到压缩机/膨胀机装置220并且初始地压缩和冷却之后，空气的温度保持相对恒定，比如例如在大约5°C、10°C、20°C、30°C或其他可能期望的温度，直到排放到存储结构222中为止。如果存储结构222自然地处于较高(或较低)温度下，则存储在存储结构220中的空气可以通过传导、对流和/或辐射热传递自然地加热(或冷却)。例如，在一些情况下，存储结构可以是地下结构，比如用于存储压缩空气的构建在盐丘或盐床层中的盐洞室、或地上存储罐或容器。在另一实施例中，地上存储结构能够被涂黑并且设计为便于吸收太阳能辐射以用于加热。在另一实施例中，地下存储特征能够利用地热。应当理解的是，图2A示出了用于系统的一个实施例的一个操作条件，并且存在其他操作条件并且也构思出其他系统实施例。
[0055]图2B是当空气从存储结构被释放用于产生能量时，在一个操作条件下通过图2的系统200的能量流的图示。在一个示例操作条件下，在存储结构222中的空气能够处于大约3，OOOpsi，并且能够通过压缩机/膨胀机装置的第三级、第二级和第一级分别膨胀至大约1，000ps1、150psi和Opsi的规定压力。热量可以分别在第三级、第二级和第一级中的每一级处在膨胀期间添加到空气中以在整个膨胀过程期间将空气温度保持在基本恒定的温度，比如在大约35°C或其他温度。应当理解的是，在膨胀期间空气的总的温度变化可以通过在压力容器的较小体积中膨胀并且与较大的热传递表面相接触的较大量的空气进行限制。压缩机/膨胀机装置220产生机械动力，该机械动力通过致动器212的一个或多个液压泵/电机转变，并且电机/交流发电机210用于产生电力。应当理解的是，能够可选地使用除液压致动器以外的致动器。
[0056]图3A示出了压缩空气存储系统300的一部分，其包括压缩机/膨胀机装置320和致动器312。压缩机/膨胀机装置320示出了压缩空气存储系统的单个级。压缩机/膨胀机装置320包括第一压力容器324和第二压力容器326。第一和第二压力容器324、326各自分别通过导管或壳体328和330流体联接到致动器312上。致动器312能够包括水泵，该水泵包括液压驱动活塞332。活塞332设置在壳体或存贮器340内并且能够通过一个或多个液压泵(图3A中未示出)驱动以朝向和远离第一压力容器324的导管328移动，以交替地减小和随后增大第一压力容器324的内部空气体积(等同但相反地增大和减小第二压力容器326中的空气体积)。第一和第二压力容器324、326中的每一个均至少部分地填充液体，比如水，该液体当在压缩模式中操作时通过致动器312移动以交替地压缩和驱动来自第一和第二压力容器324、326中的每一个的体积中的空气，或者当在膨胀模式中操作时通过接收在第一和第二压力容器324、326中的任一个中的压缩空气移动。
[0057]压缩机/膨胀机装置320还能够包括分隔器334，该分隔器334能够设置在第一和第二压力容器324、326内。分隔器334能够增大压力容器内的与空气直接或间接接触的总面积，这能够改进热传递。分隔器334能够提供与被压缩的空气和被膨胀的空气的增大的热传递面积(通过空气/液体界面面积或空气/分隔器界面)，同时允许压力容器的外部结构和整体的形状和尺寸对于其他考虑优化，比如压力限制和/或运输尺寸限制。应当理解的是，分隔器可以在每个压缩事件期间加热或冷却，并且水或液体在每个压缩或膨胀事件期间将分隔器再充热回到水的温度，从而允许分隔器作为可再充热的热容器。还应当理解的是，分隔器能够具有由诸如像水、丙烷或其他制冷剂之类的制冷剂的流体占据的内部空间，并且制冷剂能够在压缩/膨胀腔的外部循环到散热器/热源。
[0058]在该实施例中，分隔器334在第一和第二压力容器324和326内布置为叠置构型。每个分隔器334能够构造为保持空气穴。在一个示例性实施例中，分隔器334中的每一个能够包括上壁、向下延伸的侧壁、以及开口底部，其中该侧壁可以在形状和基本在尺寸方面遵循压力容器的内壁。如例如在图4A-图4C中所示，如在下面更详细描述的，可以使用分隔器的各种形状。当压力容器定向用于操作时，每一个分隔器334的开口底部面对共同的、基本向下的方向。应当理解的是，尽管附图示出了分隔器在尺寸和形状方面遵循压力容器324、326的内部，并且通常定形为彼此相似，但是其他构型也是可能的并且被构想，包括如下实施例:其包括宽度上明显小于压力容器的内部和/或定形和定尺寸为不同于彼此的分隔器，以及其他构型。能够使用没有面对任一特定的方向或不含空气穴的一些分隔器。这种分隔器可以构造为使热量必须穿过空气行进以抵达分隔器的距离最小化，比如1/8英寸的最大距离，以及其他距离。这种构型可以包括平行分隔器、波纹状分隔器、交叉分隔器、弯曲分隔器、由同心环形成的分隔器、由压制金属和/或冲压轧制金属或板金属制成的分隔器、以及许多其他形状和构型，其中的一些是或可以常规地使用在各种热传递装置中。能够使用分隔器的各种其他形状和构型，比如，例如在名称为“用于优化液压致动系统的效率的系统及方法”的美国临时申请N0.61/290，107中示出和描述的分隔器，该申请的全部公开内容通过参引的方式并入本文。
[0059]如图3A中所示，歧管336能够中心地延伸穿过分隔器334的叠层，并且使每一个分隔器334流体联接至压力容器324、326的入口 /出口端口 338。在其他实施例中，歧管可以包括多个管和/或可以设置为周缘地围绕分隔器的叠层或在其他位置中。空气可以通过端口 338进入和/或离开压力容器324、326，并且能够提供用于与每个分隔器334相关联的空气穴之间的流体联通的导管。在其他实施例中，比如在不保持空气穴的那些分隔器中，可以不包括歧管。
[0060]图3A的实施例是能够在空气压缩和存储系统内使用的压力容器和致动器的布置的一个示例。应当理解的是，其他布置也是可能的并被构思。作为示例，尽管致动器示出为包括竖直定向的单个双动作活塞，但是其他实施例可以包括带有致动器的壳体，该致动器包括水平定向的活塞和/或多个并联和/或串联操作的液压活塞以移动在压力容器内的液体。根据一些实施例，致动器可以完全缺少活塞，并且替代地包括将液体移动到压力容器内和离开压力容器的泵。根据一些实施例，另外地或可选地，能够并联使用多个泵和/或活塞以将液体移动到压力容器内和离开压力容器。而且，根据其他实施例，致动器比如液压活塞可以具有与系统的电机/交流发电机直接的机械连接，因为系统的实施例并不限于图中所示的那些。
[0061]图3A的实施例中的分隔器334能够在压缩和/或膨胀期间依据分隔器的数量和/或分隔器的表面积在多个点处增大与空气接触的热交换表面的面积，包括空气/液体界面面积和空气/分隔器界面面积。从空气和/或液体到分隔器的热交换也受分隔器的质量、它们的热容、和/或它们的热导率影响。应理解，缺少分隔器的空气/液体界面可以等于压力容器的内部的水平横截面面积。图3A的实施例中的每一个分隔器提供了尺寸上基本等于压力容器的横截面面积的空气/液体界面和/或空气/分隔器界面。就此而言，在膨胀或压缩的任意给定时间，空气/液体界面和/或空气/分隔器界面的总面积可以以基本等于在压力容器中的分隔器的数目和/或分隔器的表面积的倍数增大。另外，每一个分隔器均可以提供尺寸上也基本等于压力容器的横截面面积的空气/分隔器界面。就此而言，与每个分隔器相关联的空气穴可以基本由液体包围，要么与液体直接接要么与液体通过分隔器的表面间接接触，以增大用于与液体和空气的热传递的可用面积。根据一些实施例，在压缩和/或膨胀期间的特定时间，分隔器的数目和/或分隔器增大空气/液体界面和/或空气/分隔器界面的总面积的倍数可以为5或更高、10或更高、20或更高、30或更高、40或更高、或者甚至50或更高。在其他实施例中，分隔器将更紧密的堆积，并且可以间隔开使得在全部或部分压力容器中，分隔器彼此分离开不超过I英寸、1/2英寸、1/4英寸、1