。
[0085]第一级的第一和第二压力容器926和928分别各包括第一阀956，该第一阀956打开以允许从环境中接收空气。这些阀以及下面参照的那些可以主动地控制、被动地控制或者可以是主动或被动的端口。第一级的第一和第二压力容器926、928中的每一个还通过导管958、960与第二级的压力容器(926’、928’ )流体联接，该导管958、960可以包括一个或多个第二阀962以有选择地打开和闭合在对应的压力容器的体积之间的流体连通。第二级的压力容器926’、928’还通过导管964、966与第三级的压力容器926”、928”流体联接并且包括有选择地打开和闭合它们之间的流体连通的一个或多个第三阀968、968’。第四阀970另外地布置在第三级处的压力容器926”、928”的端口的下游，以控制在第三级与存储机构(未示出)之间的空气通道，其中加压的空气送到该存储机构中或从该存储机构送出。将理解的是，尽管本文描述为三级压缩机/膨胀机装置，但是更少的或另外的压力容器和/或阀能够被包括以生成压缩/膨胀的更少的或另外的级。
[0086]根据一个示例性实施例，与图7A中所示相似构造的，第一级可以构造为提供大约10.14:1的压缩比，第二级具有大约5.5:1的压缩比，而第三级具有大约3.3:1的压缩比。这种压缩比可以适于构造为将空气从大约大气压的起始压力压缩到大约184个大气压的压力并且将空气从184个大气压膨胀到大约大气压的压力的系统。根据一个实施例，以该方式构造的压缩机/膨胀机装置可以具有大约2兆瓦的额定功率。在另一实施例中，多个级可以具有大约为5、6、7或一些其他数字的大致相等的压力比。在另一实施例中，诸如螺杆压缩机和/或膨胀机、离心压缩机和/或膨胀机、风箱压缩机和/或膨胀机、活塞压缩机和/或膨胀机、或者其他压缩机和/或膨胀机或者过程之类的单独的压缩和/或膨胀装置或过程可以向第一级、第二级、第三级或一些级的组合提供2:1、3:1、4:1、5:1、6:1或一些其他数字的压力比的压缩和/或膨胀。
[0087]在图7A的实施例中，压缩循环可以始于用于使第一级的致动器的活塞932远离第一级的第一压力容器926移动，以增大在第一级的第一压力容器926的内部可用于空气的体积，正如由图7B表示的那样。该运动可以将水拉出第一压力容器926的分隔器934，从而生成将周围空气吸入第一压力容器926内且进入每一个分隔器934中的穴内的负压力，从而生成热量可通过其传递的另外的空气/液体界面和空气/分隔器界面。在另一实施例中，该运动可以将水拉出第一压力容器926的分隔器934，从而生成将周围空气吸入第一压力容器926内且通过或经过分隔器934的负压力，从而生成热量可通过其传递的另外的空气/液体界面和空气/分隔器界面。如图7C中所示，当活塞932到达该冲程的终点时，在大气与第一压力容器926之间的第一阀956关闭而在第一级与第二级之间的第二阀962打开。如图7D中所示，当活塞932朝向第一压力容器926返回时开始压缩冲程，从而减小在第一级的第一压力容器926和第二级的第一压力容器926’的组合体积中可用于空气的体积，从而将空气朝向第二级的第一压力容器926’压缩和移位。就此而言，空气的压缩可以通过不同级的压力容器发生。如图7E中所示，当第一级的活塞932靠近其朝向第一压力容器926的冲程的终点时，第二级的活塞932’靠近其远离第二级的第一压力容器926’的冲程的终点，并且第一级的第一压力容器926与第二级的第一压力容器926’之间的第二阀956关闭。在压缩机/膨胀机装置的第二级与第三级之间的操作镜像于在第一级与第二级之间的上述操作。但是，在第三级与存储结构之间的操作可以不同，不同之处在于通向存储结构的阀(例如阀970)可以在第三级处的压力超过在存储结构中的空气压力时而非在第三级的活塞开始其压缩冲程时打开。
[0088]上述压缩循环不同于现有的正排量压缩循环，不同之处在于压力容器中的压缩包括多级而非单级的压力容器的空气体积。相比之下，现有技术的压缩机典型地压缩在单个压缩腔(即压力容器)中的空气。将理解的是，其他实施例能够利用在共同的级中或者在多个级之间分布的任意数目的压力容器实施，因为各种实施例并不限于本文所述的那些。另夕卜，在压缩通过不同级的压力容器发生的实施例中，任一级的体积比可以通过调节不同级之间的阀正时而进行修改。
[0089]图7F-图71中图示了在与图7A相似构造的实施例中的膨胀循环。如图7F中所示，膨胀始于将空气从存储结构(未示出)膨胀到第三级的第一压力容器926”内。该膨胀空气移动液体以驱动第三致动器(例如，活塞932”)远离第三级的第一压力容器926”。如图7G中所示，该过程在通向第二级的第一压力容器926’的第三阀968’关闭的情况下继续。如图7H中所示，当第三活塞932”靠近远离第三级的第一压力容器926”的行程的终点时，第四阀970关闭与洞室(例如，存储结构)的流体连通。如图71中所示，第三阀968’随后打开以使空气能够膨胀到第二级的第一压力容器926’内，从而驱动第二致动器(例如，活塞932’)。在压缩机/膨胀机装置的第三级与第二级之间的操作，以及随后在第二级与第一级之间的操作镜像于在存储结构与第三级之间的上述操作。
[0090]压缩机/膨胀机装置可以模块化安装，从而允许系统构造为用于大范围的能量存储需求。作为示例，压缩机/膨胀机装置比如图7A的装置可以定尺寸为存储和产生1.0兆瓦到5.0兆瓦的功率，尽管将理解的是，其他实施例可以包括更高或更低的额定功率。根据一些实施例，多个压缩机/膨胀机装置可以安装到一起并且并联地操作，用于具有更高能量存储功率需求的设施，例如高达300兆瓦或更高。包括并联布置的多个压缩机/膨胀机装置的设施可以通过关闭压缩机/膨胀机装置的一部分或者通过以低于他们的全功率容量来操作压缩机/膨胀机装置中的一些或全部而以低于满容量进行操作，这可以促进高效的系统操作。包括并联布置的多个压缩机/膨胀机装置的设施可以以高于满额定容量操作一段持续时间以满足特定的操作需求，比如当电力价格为低或负时压缩空气，或者当电力价格为高时膨胀空气。这些操作可能因增大压缩冲程的速度、通过控制系统中的阀特别是在存储容器与第三级之间的阀的正时来增大在第三级中从存储容器吸入的空气的质量而受到影响。另外地或可选地，包括多个压缩机/膨胀机装置的设施可以模块化构造，以在所有的压缩机/膨胀机被安装好之前或者在一个或多个压缩机/膨胀机被关闭用于维护、修理、更换或其他原因期间允许系统操作。另外地或可选地，包括多个压缩机/膨胀机的设施可以模块化构造为允许构造比项目的额定功率所需更多的压缩机/膨胀机(备用)，从而使备用压缩机/膨胀机能够在各种压缩机/膨胀机单元因维护、修理、更换或其他原因而正被关闭时取代或关闭之后不久取代，由此维持发电厂的较高的额定功率。
[0091]压缩机/膨胀机装置的实施例能够适应大范围的操作功率水平。如将理解的是，可能期望的是以变化的速度存储或释放能量，特别是当要存储的能量接收自不太可能预测的来源时，比如风力发电厂。本文描述的压缩机/膨胀机装置能够作为正排量装置，从而意味着总装置在每个循环期间吸入相同的空气体积，尽管每一级将该初始体积压缩到不同的值。这种正排量装置可以通过压缩(或膨胀)具有相同体积的不同的空气质量而以不同的功率水平进行操作，这不同于在CAES系统中典型使用的离心压缩机，该离心压缩机主要在较窄范围内的功率水平下有效地操作。另外地或可选地，具有并联操作的多个压缩机/膨胀机的设施可以仅启动所安装的压缩机/膨胀机装置的一部分以适应不同的操作功率水平。
[0092]压缩机/膨胀机装置可以以较低的速度操作，这可以提供改进的热传递，改进的能量消耗和/或产生，改进的耐用性，减小的熵损失，通过阀、管道和端口的减小的压降，减小的压缩机/膨胀机的热循环，和/或改进的可靠性。根据一些实施例，压缩机/膨胀机装置的压缩或膨胀循环可以允许改进的热传递，这可以允许装置在膨胀和/或压缩期间实现近等温行为。另外，当与更高速度的机器进行比较时，与改进的热传递相关联的更低温度和在压缩机/膨胀机装置中的接合处及滑动接触处的更小摩擦可以提供改进的耐用性和可靠性。
[0093]压缩机/膨胀机装置的各种实施例的更低的操作速度和/或增大的热传递容量能够通过较低的温度差与外部环境发生热传递。根据一些实施例，压缩机/膨胀机装置可以以近等温压缩/膨胀过程进行操作，同时与外部环境通过低至50°C、低至25°C或甚至低至5 °C的温度差交换热量。
[0094]根据一些实施例，低等级的热源和/或散热器可以用于在膨胀/压缩模式期间将热量提供给压缩机/膨胀机和从压缩机/膨胀机接收热量。就此而言，系统能够操作而不燃烧化石燃料，比如用于在膨胀时加热空气。但是，将理解的是，系统的该实施例也可以与确实燃烧化石燃料的发电厂或其他系统一起进行操作。一些实施例可以使用地热能、太阳能、和其他能量输入，使用水、盐水、沙砾、水和沙砾、盐水和沙砾、以及其他散热器和热源作为热源和/或散热器，从而获益于存在于地表下面4米到10米处的基本恒定的地温以及与使用为存储结构时的地下洞室相关联的基本恒定的温度。另外，根据一些实施例，压缩可以在空气温度较低时的夜晚发生，并且可以提供热量被移除的环境，而膨胀在温度较高时的白天发生，并且可以提供在膨胀过程中使用的热源。
[0095]根据一些实施例，利用压缩机/膨胀机装置的系统可以具有模块化构造。作为示例，图8示出了直接结合到风力涡轮机1014的结构内的压缩机/膨胀机装置1020的一个实施例。风力涡轮机1004包括通过变速箱1076连接至且驱动低速液压泵1074的转子1072。变速箱1076可以是机械变速箱、液压变速箱、或者可以包括其他类型的变速箱。导管1078将液压泵1074的液压流体输出连接至液压电机1080，该液压电机1080机械地连接至发电机1082。导管1078还将液压泵1074的液压流体输出连接至压缩机/膨胀机装置1020的一个或多个致动器，该压缩机/膨胀机装置1020可以定位在风力涡轮机1014的塔1016中。变速箱1076、液压泵1074、液压电机1080和发电机1082中的每一个均示出为定位在风力涡轮机1014的吊舱1018中，但是在其他实施例中能够定位在其他位置。根据系统操作的一个模式，一个或多个阀1084可以控制液压流体从液压泵1074到液压电机1080和/或压缩机/膨胀机装置1020的流动。风力涡轮机1014还包括可以位于风力涡轮机1014的塔的部分中的存储结构1086和/或在支承风力涡轮机1014的基部1088中的存储结构1022。就此而言，风力涡轮机可以提供自含的能量存储和回收系统，这可以证实为对于离岸应用而言有益。
[0096]图8的系统可以以不同的模式进行操作。在第一操作模式下，风能可以仅被引导至风力涡轮机1014的发电机1082中。在该模式下，一个或多个阀1084可以定位成使得液压动力没有传到压缩机/膨胀机装置1020，使得与驱动转子1072的风力相关联的任意动力通过变速箱1076、液压泵1074、液压电机1080、以及发电机1082转变为电力。在第二操作模式下，风能可以专用于驱动压缩机/膨胀机装置1020以将能量存储为压缩空气。在该模式下，一个或多个阀1084可以定位成使得液压动力从液压泵1074仅被引导至压缩机/膨胀机装置1020。阀1084还可以定位成使得来自液压泵1074的液压流体传送至压缩机/膨胀机装置1020以及液压电机1080和发电机1082的组合，使得风能可以同时用于压缩空气和生成电力。当期望的是释放存储在系统中的能量时，在又一操作模式下压缩空气可以被释放用于通过压缩机/膨胀机装置1020进行膨胀。从压缩机/膨胀机装置1020输出的加压的液压流体可以通过液压电机1080驱动发电机1082以生成电能。这可以要么当存在足够的风力时发生以辅助正被转子1072驱动的液压泵1074，要么当使转子1072转动的风力不足时发生以作为加压的液压流体的单个源。
[0097]根据一些实施例，结合到风力涡轮机的结构中的系统可以与风力涡轮机自身共用部件，从而实现另外的和/或可选的效率。作为示例，压缩机/膨胀机装置可以利用通常专用于风力涡轮机的控制软件或者另外地与风力涡轮机共享控制软件和/或硬件。压缩机/膨胀机装置和风力涡轮机可以共用发电机、变速箱、液压泵、阀、和/或液压电机以减小使用在系统中的部件的成本和数量。
[0098]图9示出了压缩机/膨胀机装置1120的一个实施例的示意截面图，该压缩机/膨胀机装置1120可以证实为适于封装在风力涡轮机的塔内。如所示，第一和第二压力容器1126和1128相对于彼此垂直地定位。第一压力容器1126包括分隔器1134和歧管1136，而第二压力容器1128包括分隔器1134’和歧管1136’。第一和第二压力容器1126、1128通过液压致动器112和壳体1140相连，该壳体1140直径比压力容器1126、1128中的每一个宽。液压致动活塞1132设置在壳体1140内。壳体1140相对于压力容器1126、1128的更大宽度可以减小由液体在给定的操作速度下前行的距离以及由此减小前行的速度。减小的液体速度又可以减小在压缩机/膨胀机装置1120内的液体泵吸阻力以有助于提高压缩机/膨胀机装置1120的操作效率。
[0099]根据一些实施例，当处于用于改变存储结构空气压力水平的膨胀模式下时，压缩机/膨胀机装置可以以基本恒定的输出功率进行操作。图10是示出了通过根据一个实施例的压缩机/膨胀机装置的三个级中的每一级的空气压力对于两个存储结构压力水平的关系图表。如所示，贯穿膨胀机装置的空气压力可以在初始膨胀之后遵循相似但偏移的曲线，以产生用于在100巴与180巴之间的存储结构空气压力的相似的功率值，由图10中的虚线表示。但是，应当理解的是，可以可选地采用其他压力范围。传感器、阀、控制器和其他装置可以用于控制从存储结构进入压缩机/膨胀机装置的空气质量以完成该目的。在一个实施例中，最终的排放压力可以高于周围空气压力。
[0100]在另一实施例中，阀和泵定尺寸为在膨胀期间比在压缩期间容纳更大的和可调节的空气体积，从而容许空气在从最低的存储压力膨胀的期间产生完全额定功率。根据该实施例设计的容器/泵系统将仅在从最低设计的存储压力膨胀的期间被完全利用。另外，根据该实施例设计的容器/泵系统将总是在压缩期间被部分利用。在另一实施例中，最终的排放压力可以接近周围空气压力。
[0101]在另一实施例中，再生热交换技术能够用于在压缩期间从空气吸取热能(例如，经由工作流体和/或分隔器)并且在膨胀期间将热能引入空气内(再次地，例如，经由工作流体和/或分隔器)。能够使用对于技术人员明显的多种技术中的任一种来实施该功能。例如，再生热交换系统能够包括热交换器，该热交换器与压缩机/膨胀机装置(例如，其使合适的热工作流体通过热交换器循环，其另一侧直接暴露给压缩机/膨胀机装置中的空气或工作流体，或者经由分隔器或其他中间热传递结构间接地暴露)和热能存储器(例如，用于热工作流体的绝缘的存储罐)热连通。在压缩期间，再生热交换系统能够操作以使热工作流体循环，以从空气吸取热能和将热能引入存储器中。相反地，在膨胀期间，再生热交换系统能够操作以使热工作流体循环，以从存储器吸收热能并且将热能引入空气内。
[0102]从被压缩的空气移除热量和/或向被膨胀的空气添加热量可以有助于使在这些过程期间在空气中发生的温度变化最小化，并且如本文所述，可以有助于系统实现等温的过程条件，或者可接受地近等温的过程条件以经济上最优。例如，如本文使用的，“等温”或“近等温”能够意味着热传递过程的特征在于大约1.1或更小的多变指数，并且优选地大约
1.05或更小的多变指数。根据一个实施例，贯穿压缩和/或膨胀过程，空气在压缩机/膨胀机装置中经历小于大