使用渦輪機的壓縮氣體能量儲存系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種使用壓縮氣體作為儲存介質(zhì)的能量儲存系統(tǒng)。所述能量儲存系統(tǒng)包括一臺或多臺渦輪機，其構(gòu)造為在氣體膨脹和壓縮過程中對能量進行轉(zhuǎn)換?？墒褂靡慌_或多臺軸向和離心式渦輪機通過壓縮氣體來儲存能量，并從膨脹氣體回收能量。多個孔口/噴嘴可將液體引入氣體中作為換熱介質(zhì)?？卓?噴嘴可設(shè)置在渦輪機的各表面上和/或通往渦輪機的單獨混合腔內(nèi)?？蓪⑺鰷u輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計為能夠減小噴入液體所造成的損壞，例如，所述渦輪機葉片具有可彎曲性和/或由耐沖擊材料組成。
【專利說明】使用渦輪機的壓縮氣體能量儲存系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請案要求2011年9月20日提交的美國臨時專利申請61/536，813的優(yōu)先權(quán)，該美國臨時專利申請案通過引述全部結(jié)合于此，用于各種用途。
【背景技術(shù)】
[0003]美國專利申請案第13/010,683號通過引述全部結(jié)合于本文中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]各實施例大體而言涉及能量儲存系統(tǒng)，且具體而言，涉及使用一臺或多臺渦輪機來壓縮和/或膨脹氣體的能量儲存系統(tǒng)。在各個實施例中，一種壓縮氣體能量儲存系統(tǒng)可包括多臺配置為在氣體膨脹和壓縮過程中轉(zhuǎn)換能量的渦輪機?？墒褂靡慌_或多臺軸向和離心式渦輪機通過壓縮氣體來儲存能量，并從膨脹氣體回收能量。多個孔口 /噴嘴可將液體引入氣體中作為換熱介質(zhì)?？卓?噴嘴可設(shè)置在渦輪機的各表面上和/或通往渦輪機的單獨混合腔內(nèi)?？蓪⑺鰷u輪機的結(jié)構(gòu)設(shè)計為能夠減小噴入液體所造成的損壞，例如，所述渦輪機葉片具有可彎曲性和/或由耐沖擊材料組成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是軸向渦輪機的實施例的簡化橫剖視圖；
[0006]圖2a和圖2b是軸向渦輪機的實施例的橫剖視圖；
[0007]圖2c是軸向渦輪機的實施例的局部剖面圖；
[0008]圖3是離心式渦輪機的實施例的局部剖面圖；
[0009]圖4是能量儲存系統(tǒng)的實施例的示意圖；
[0010]圖5a是軸向渦輪機的實施例的橫剖視圖，其中顯示有孔口位置；
[0011]圖5b是軸向渦輪機的實施例的平面圖，其中顯示有孔口位置；
[0012]圖6是渦輪機和定子的實施例的局部剖面圖；
[0013]圖7是帶為設(shè)置作為定子的孔口的渦輪機的實施例的局部剖面圖；
[0014]圖8a是孔口的實施例的橫剖視圖；
[0015]圖8b是處于孔口位置內(nèi)的可移除噴嘴的實施例的剖面圖；
[0016]圖9是帶為設(shè)置在軸內(nèi)的孔口的渦輪機的實施例的局部剖面圖；
[0017]圖10是離心式渦輪機和孔口位置的實施例的局部剖視圖；
[0018]圖11是離心式渦輪機軸和葉片的實施例的平面圖；
[0019]圖12是渦輪機和混合腔的實施例的局部剖面圖；
[0020]圖13是示例可逆式壓縮機/膨脹機裝置與各個其他系統(tǒng)元件之間的關(guān)系的簡化視圖；
[0021]圖14A和圖14B例示具有可彎曲性、輕質(zhì)量葉片的可逆式渦輪機的實施例；
[0022]圖14C例示具有可彎曲性、輕質(zhì)量葉片的單向渦輪機的實施例；[0023]圖14D例示具有可彎曲性、輕質(zhì)量葉片的可逆式渦輪機的實施例；
[0024]圖15A顯示基于噴入液體與膨脹氣體進行換熱來運行的旋轉(zhuǎn)式膨脹機裝置的運行；
[0025]圖15B顯示圖15A中所示裝置基于蒸汽輸入進行的選擇性運行；
[0026]圖15C顯示基于噴入液體與膨脹氣體進行換熱來運行的往復(fù)式膨脹機裝置的運行；
[0027]圖1?顯示圖15C中所示裝置基于蒸汽輸入進行的選擇性運行；
[0028]圖16A-圖16C顯示包括旋轉(zhuǎn)構(gòu)件并利用在換熱液體內(nèi)作為氣泡存在的氣體的可逆式壓縮機/膨脹機的實施例的視圖；
[0029]圖17 —般性繪示了壓縮氣體系統(tǒng)與外部元件之間的交互作用；
[0030]圖18是向終端用戶供電的網(wǎng)絡(luò)的簡化示意圖；
[0031]圖19是被納入供電網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的能量儲存系統(tǒng)的可能的功能的表格；
[0032]圖20顯示可由根據(jù)本發(fā)明的實施例的壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)執(zhí)行的平整功能的簡化視圖；
[0033]圖21顯示根據(jù)本發(fā)明的壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)的實施例的簡化視圖，所述壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)與發(fā)電資產(chǎn)定位在同一地點；
[0034]圖21A顯示利用馬達/發(fā)電機組合和壓縮機/膨脹機組合的壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)的實施例的簡化視圖；
[0035]圖21B顯示利用專用馬達、發(fā)電機、壓縮機和膨脹機元件的壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)的實施例的簡化視圖；
[0036]圖21C顯示根據(jù)本發(fā)明的一種利用多節(jié)點齒輪傳動系統(tǒng)的壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)的實施例的簡化視圖；
[0037]圖22顯示可在本發(fā)明的實施例中可使用的一個行星齒輪系統(tǒng)的實施例的簡化俯視圖；圖22A顯示圖22中所示行星齒輪系統(tǒng)沿線22A-22A’截取的簡化剖面圖；
[0038]圖23是列出根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量儲存系統(tǒng)的加熱和冷卻功能的表格；
[0039]圖24顯示根據(jù)本發(fā)明的一種壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)的實施例的簡化視圖，所述壓縮氣體能量儲存和回收系統(tǒng)與終端用戶定位在儀表后面同一地點；
[0040]圖25繪制功率與時間的關(guān)系曲線，其中顯示將電網(wǎng)容量從可再生能源轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期發(fā)電資產(chǎn)的實例；
[0041]圖25A是包括對能量系統(tǒng)與供電網(wǎng)絡(luò)的運行進行協(xié)調(diào)的處理器的系統(tǒng)的簡化示意圖；
[0042]圖26A-圖26B顯示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例的不同視圖，所述系統(tǒng)經(jīng)配置以接納不同輸入，并產(chǎn)生不同輸出；
[0043]圖27A顯示根據(jù)本發(fā)明的裝置的實施例的簡化視圖；
[0044]圖27BA-圖27BF是氣體流過圖27A中所示的采用不同構(gòu)造的裝置的高度簡化繪示圖；
[0045]圖27C-圖27EB是顯示系統(tǒng)的實施例采用不同構(gòu)造時的不同能量通路；
[0046]圖28顯示分配系統(tǒng)的實施例的輸入和輸出的流程圖；
[0047]圖29顯示將能量儲存系統(tǒng)的實施例與供電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)電和輸電資源相結(jié)合的示意圖；以及
[0048]圖30繪示根據(jù)實施例的能量儲存系統(tǒng)和基線聯(lián)合循環(huán)渦輪機裝置的能量輸出與時間的關(guān)系曲線。
【具體實施方式】
[0049]壓縮空氣能夠按與鉛酸電池類似的密度儲存能量。然而，壓縮氣體不牽涉到與電池相關(guān)的問題，例如壽命有限、材料的可用性或環(huán)保問題。
[0050]壓縮氣體儲存氣體執(zhí)行對氣體進行壓縮以儲存能量、并通過將氣體恢復(fù)到低壓以回收能量的功能。為減小(例如)系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本，可能需要使用同一設(shè)備用于過程的壓縮階段和膨脹階段兩者。在美國專利公開案第2011/0115223號(“公開案”)中可查到上述系統(tǒng)的實例，該美國專利公開案通過引述全部結(jié)合于本文中。
[0051]應(yīng)了解，下述概念可能包括在“公開案”中所述的一個或多個概念。例如，可使用氣體起泡來代替射流或?qū)⑵渑c射流相結(jié)合，以實現(xiàn)與膨脹或壓縮氣體的氣-液換熱。例如，可將氣體引入腔室利用渦輪機的旋轉(zhuǎn)葉片通過液體進行壓縮或膨脹。
[0052]可采用基于渦輪機的設(shè)計在旋轉(zhuǎn)運動與壓縮氣體之間轉(zhuǎn)換能量。如圖1所示，根據(jù)一實施例的軸向渦輪機包括至少一個轉(zhuǎn)子2，轉(zhuǎn)子2耦接到軸4。
[0053]通常，將轉(zhuǎn)子和軸的部分使用殼體10進行封閉，以保護葉片并容納氣體。殼體10包括第一腔口 8和第二腔口 6。在例如當所述第一腔口構(gòu)造為進口腔口時，氣體從第一腔口移動通過轉(zhuǎn)子2，使軸4發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在軸向渦輪機中，氣體平行于軸4的軸線流動。
[0054]可使用所述系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為由壓縮氣體儲存的勢能。例如，可通過供應(yīng)給與軸4耦接的馬達-發(fā)電機14的電力使軸4發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。
[0055]根據(jù)某些實施例，馬達-發(fā)電機可包括與軸上所存在的磁性元件進行磁性連通的線圈。軸和磁性元件相對于線圈發(fā)生的旋轉(zhuǎn)會基于感應(yīng)原理在線圈內(nèi)產(chǎn)生電流。
[0056]由于轉(zhuǎn)子上的葉片的形狀和定向，葉片作為氣翼工作，使得當軸旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生預(yù)定方向上的合力。所述力使空氣流過殼體10，這會在進口 8處產(chǎn)生真空，并將空氣壓縮通過出口 6。
[0057]在將壓縮氣體儲存單元耦接到出口 6或下一高壓級時，該系統(tǒng)會以壓縮氣體的形式有效地儲存能量。合適的壓縮氣體儲存單元的實例包括人造結(jié)構(gòu)，例如金屬或復(fù)合材料壓力容器?？蛇m合儲存壓縮氣體的替代結(jié)構(gòu)包括枯竭的油田或氣田，以及天然存在的地形，例如地下洞穴和多孔地質(zhì)構(gòu)成。
[0058]在將從渦輪機流來的氣體進行儲存或傳遞到下一高壓級之前，可對其實施某些過程。例如，如下文中所詳述，可將液體引入氣體以進行換熱。可使氣體流經(jīng)氣-液分離器，以從中回收液體供儲存和/或再利用。還可使氣體流過諸如冷凝器和換熱器等結(jié)構(gòu)。
[0059]可對圖1中所示或本文中所述其他實施例中的系統(tǒng)進行操作，將以壓縮氣體形式儲存的能量轉(zhuǎn)換為電力。具體而言，可將壓縮氣體從壓縮氣體儲存單元引入進口 8，壓縮氣體作用在轉(zhuǎn)子2上以使軸旋轉(zhuǎn)。馬達/發(fā)電機的軸的旋轉(zhuǎn)可產(chǎn)生電力。
[0060]如下文中所述，可將液體引入，以便與膨脹氣體進行換熱。相應(yīng)地，可使膨脹后的氣體從渦輪機流經(jīng)氣-液分離器，以從中回收液體供儲存和/或再利用。還可使膨脹后的氣體在流到下一低壓級或大氣中之前，流經(jīng)諸如冷凝器、減噪器和/或換熱器。[0061]盡管圖1中的具體實施例顯示渦輪機構(gòu)造成選擇性地接收來自馬達/發(fā)電機的能量，以對氣體進行壓縮供儲存，但并不要求如此。根據(jù)替代實施例，渦輪機轉(zhuǎn)子可選擇性地與能量源而不是馬達/發(fā)電機進行連通。
[0062]例如，在某些實施例中，渦輪機轉(zhuǎn)子可與作為能量源的另一渦輪機連通。在一些實施例中，所述另一渦輪機可為風力渦輪機?？蛇x擇性地連通能量進行氣體壓縮的渦輪機的其他形式還包括燃燒渦輪機，例如使用天然氣運行的燃燒渦輪機?？蛇x擇性地連通以進行氣體壓縮的渦輪機的再一形式還包括蒸汽渦輪機。
[0063]在某些實施例中，可將來自能量源的能量直接連通到用于壓縮氣體進行能量儲存的渦輪機的轉(zhuǎn)子。例如，可將用于壓縮氣體的渦輪機的轉(zhuǎn)子定位在與負責驅(qū)動所述第一渦輪機的第二渦輪機(風力渦輪機、燃燒渦輪機、蒸汽渦輪機)同一軸上。或者，可通過一或多個連接將能量源與用于壓縮氣體的渦輪機連通，例如液壓連接、電子連接、靜電連接、磁性連接或機械連接。
[0064]本發(fā)明的使用基于渦輪機的系統(tǒng)進行氣體壓縮和/或膨脹的實施例與各其他設(shè)計相比具有一或多個優(yōu)點。例如，具有往復(fù)式活塞的設(shè)計可能在活塞的側(cè)壁與殼體的側(cè)壁之間使用密封。所述密封會增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，并且是可能需要定期進行維修的失效位置。
[0065]另外，基于活塞的系統(tǒng)的該額外密封抵靠殼體的側(cè)壁移動可能導(dǎo)致摩擦損失。所述摩擦還會在系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的熱量。不帶往復(fù)式活塞與側(cè)壁之間的密封的基于渦輪機的系統(tǒng)可避免上述兩種損失。
[0066]另外，基于活塞的系統(tǒng)必須承受重復(fù)壓縮所產(chǎn)生的力，而不會變形到密封失效的程度。相應(yīng)地，該活塞可具有相當大的質(zhì)量。因此，要消耗大量的能量來移動該活塞的質(zhì)量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的效率降低。相反，只需要較小的能量來移動基于渦輪機的系統(tǒng)中的軸。
[0067]為實現(xiàn)高度的氣體壓縮，本發(fā)明的實施例可利用多級渦輪機。如圖2a中所示的具體實施例，多級軸向渦輪機240具有多個轉(zhuǎn)子202，每一轉(zhuǎn)子都具有多個葉片，所述葉片沿軸204布置。
[0068]軸向渦輪機240還可包括設(shè)置在轉(zhuǎn)子之間的定子226。盡管轉(zhuǎn)子202與軸一起旋轉(zhuǎn)，但定子226是靜止的。將定子226的葉片與轉(zhuǎn)子的葉片對向布置?？蓪⒍ㄗ玉罱拥綒んw 210。
[0069]定子用于渦輪機中的多個功能。定子可增大系統(tǒng)中的壓力。定子還可使氣體保持沿軸向流動。
[0070]如圖2a中所示，在某些實施例中，殼體210的內(nèi)側(cè)壁可與軸204的外側(cè)壁彼此平行。在一些實施例中(例如如圖2b中所示)，殼體210的內(nèi)側(cè)壁的內(nèi)直徑可沿軸204的軸線減小。
[0071]在其他實施例中(例如如圖2c中所示)，轉(zhuǎn)子202的外直徑可沿其軸線變化，以逐漸改變轉(zhuǎn)子與殼體之間的空間。圖2c還顯示轉(zhuǎn)子202的軸204與發(fā)電機211 (可為馬達/發(fā)電機)之間的連通。
[0072]應(yīng)注意，獨立、明顯的軸/轉(zhuǎn)子組合并不一定對所有實施例都要求如此。在某些實施例中，轉(zhuǎn)子可包括構(gòu)造成供旋轉(zhuǎn)的整體結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生電力的磁性元件靠近線圈設(shè)置，線圈在轉(zhuǎn)子的包括渦輪機葉片的一端的對向一端定位。線圈可布置成使其軸線指向軸的軸線。
[0073]在圖2b和2c中所示的具體實施例中，渦輪機腔室的容積沿從左至右的方向減小。容積的減小用于當氣體通過每一級壓縮時與質(zhì)量流量匹配。
[0074]在某些實施例中，所述系統(tǒng)可包括相對大數(shù)量的壓縮和/或膨脹級。如果每一級都具有1.1的壓力比，300個大氣壓的頂部壓力可利用約60級。渦輪機內(nèi)級數(shù)的范圍包括但不限于1-10，1-20，1-30，1-40，1-50或1-60或更多。為了優(yōu)化所述系統(tǒng)的效率，可將各個轉(zhuǎn)子耦接到以不同速度旋轉(zhuǎn)的多個同心軸。
[0075]根據(jù)各實施例的可用于壓縮能量儲存系統(tǒng)中的氣體的渦輪機的另一形式是離心式渦輪機。圖3顯示離心式渦輪機的一實施例的簡化視圖。
[0076]離心式渦輪機330包括設(shè)置在渦輪機中心的軸304。將軸耦接到轉(zhuǎn)子332，轉(zhuǎn)子332具有經(jīng)優(yōu)化的三維幾何形狀，以使氣體垂直于軸304的旋轉(zhuǎn)軸線徑向流過腔室。例如，圖3中所示的渦輪機可具有朝向軸304設(shè)置的進口腔口，氣體從該進口腔口進入腔室。自轉(zhuǎn)的軸304使轉(zhuǎn)子332轉(zhuǎn)動，從而使該系統(tǒng)作為離心機，迫使氣體進入腔室的外側(cè)。然后，氣體流過設(shè)置在腔室的側(cè)壁中的出口 334成為壓縮氣體。
[0077]可以將軸向渦輪機與離心式渦輪機的各個組合用于壓縮和/或膨脹?？蓪⒍鄠€離心式渦輪機與軸向渦輪機彼此串聯(lián)耦接，以優(yōu)化不同壓力下過程的效率。
[0078]在一些實施例中，可按單向方式運行渦輪機進行壓縮和膨脹。例如，氣體在一個方向上流經(jīng)離心式渦輪機。
[0079]根據(jù)某些實施例，可使用雙向渦輪機結(jié)構(gòu)。例如，可按雙向方式運行軸向渦輪機。
[0080]具體實施例可使用單向和雙向渦輪機結(jié)構(gòu)兩者。圖4中所示的多級實施例顯示一實例。
[0081]在壓縮模式下運行時，進口 440引入低壓氣體，并將其提供給離心式渦輪機430。此時，閥門442對壓縮氣體儲存單元444關(guān)閉，但在該進口與離心式渦輪機之間打開。提供電力以使離心式渦輪機430旋轉(zhuǎn)，從而壓縮氣體并將其通過多路閥450輸送到軸向渦輪機424的低壓力側(cè)。在一些實施例中，可將多個軸向渦輪機串聯(lián)連接。閥門446在軸向渦輪機的高壓側(cè)與壓縮氣體儲存單元444之間打開，使儲罐填充壓縮氣體。
[0082]可通過改變閥門狀態(tài)來實現(xiàn)膨脹過程。具體而言，將閥門446打開，實現(xiàn)壓縮氣體儲存單元與軸向渦輪機的高壓側(cè)之間的流體連通。流過軸向渦輪機424的氣體驅(qū)動該渦輪機產(chǎn)生電力。
[0083]然后，使被該級膨脹后的氣體經(jīng)過閥門450、448和442流到離心式渦輪機的進口。進一步膨脹的氣體驅(qū)動該離心式渦輪機發(fā)出更多的電力。然后，膨脹后的氣體經(jīng)由多路閥450到排出腔口 452。
[0084]在圖4中所示的實施例中，閥門448選擇性地與儲存單元444連通。這可僅利用所述離心式壓縮機實現(xiàn)壓縮和膨脹兩者的多級運行模式。
[0085]盡管圖4中所示的具體實施例使用離心式渦輪機430作為第一級，但并不要求如此。其他實施例可在壓縮和/或膨脹過程中使用串聯(lián)布置的另一類型的渦輪機。
[0086]在一些實施例中，系統(tǒng)可包括一個或多個旁路。這可實現(xiàn)僅使用從多個可用渦輪機中選擇的渦輪機進行壓縮或膨脹過程。
[0087]例如，在壓縮過程中，閥門442可在進口 440與閥門448之間打開，同時閥門448在閥門442與閥門450之間打開，且閥門450在閥門448與軸向渦輪機424之間打開。此構(gòu)造將離心式渦輪機430在壓縮過程中旁路。類似地，在膨脹過程中，可將閥門452構(gòu)造成將膨脹后的氣體直接排放到出口，從而將離心式渦輪機430旁路。
[0088]可將多臺渦輪機與一臺或多臺馬達/發(fā)電機設(shè)置在一根軸上，或者與單獨的馬達/發(fā)電機設(shè)置在單獨的軸上。例如，在圖4中所示的多級實施例中，離心式渦輪機將始終在同一方向上轉(zhuǎn)動，同時軸向渦輪機將在壓縮期間在一個方向上轉(zhuǎn)動，在膨脹期間沿反向轉(zhuǎn)動。于是，可將離心式渦輪機430耦接到第一馬達/發(fā)電機，可將軸向渦輪機424耦接到第二馬達/發(fā)電機?；蛘撸瑑膳_渦輪機都可與一臺馬達/發(fā)電機連通，在軸向渦輪機或者離心式渦輪機上使用機械反向連接，以保持軸彼此在同一方向上旋轉(zhuǎn)。
[0089]在各個實施例中，可將同一渦輪機用于氣體壓縮過程和氣體膨脹過程兩者。在某些實施例中，可將單獨的渦輪機專用于執(zhí)行這些氣體壓縮或膨脹功能。
[0090]某些實施例的特點是在壓縮和/或膨脹期間將氣體維持在期望的溫度范圍內(nèi)。在一些實施例中，該溫度范圍提供等溫的或近似等溫的能量傳遞。
[0091]根據(jù)本發(fā)明的實施例的運行可具有使被壓縮或膨脹的氣體的溫度范圍改變某個數(shù)量的特點。根據(jù)一個實施例，在壓縮循環(huán)期間，氣體可發(fā)生100攝氏度或較小的溫度增力口、60攝氏度或較小的溫度增加、50攝氏度或較小的溫度增加、40攝氏度或較小的溫度增力口、30攝氏度或較小的溫度增加、20攝氏度或較小的溫度增加、10攝氏度或較小的溫度增力口、或者5攝氏度或較小的溫度增加。
[0092]在一些實施例中，在膨脹循環(huán)期間，氣體可發(fā)生100攝氏度或較小、15攝氏度或較小、或者11攝氏度或較小的溫度減小。
[0093]為實現(xiàn)等溫的壓縮和膨脹，本發(fā)明的實施例可使用液體與該系統(tǒng)中的氣體進行換熱?？蓪⒁后w作為換熱介質(zhì)引入氣體本身。
[0094]在壓縮過程中，可將液體增加到在壓縮期間受熱的氣體中，從而從氣體吸收熱量。相反，在膨脹過程中，可將液體引入在膨脹期間被冷卻的氣體中，從而向該系統(tǒng)提供熱量?？赏ㄟ^在壓縮期間引入溫度較低的液體、在膨脹期間引入溫度較高的液體來提高系統(tǒng)性倉泛。
[0095]在利用噴入的液體作為換熱介質(zhì)的實施例中，膨脹氣體發(fā)生的溫度變化可能接近從初始室溫到液體的凝固點。在某些實施例中，被噴入進行換熱的液體可包括凝固點為O攝氏度的水。
[0096]通常，預(yù)計根據(jù)本發(fā)明的實施例被引入完成換熱的液體不會在該腔室內(nèi)發(fā)生燃燒。于是，盡管被噴入執(zhí)行換熱的液體可能是可燃的(例如，油、酒精、煤油、柴油或生物柴油)，在許多實施例中，預(yù)計其不會在腔室內(nèi)發(fā)生燃燒。至少在此方面，根據(jù)本發(fā)明的實施例進行液體引入可有別于將液體引入渦輪機和馬達進行燃燒的情況。
[0097]根據(jù)本發(fā)明的實施例的一系統(tǒng)可包括熱能儲存部件。例如，系統(tǒng)可將在壓縮過程中已受熱的液體保存在保溫容器中。以后可將此儲存的受熱液體用于向膨脹過程增加熱量，從而增加能量效率。
[0098]相反，系統(tǒng)可將在膨脹過程中已冷卻的液體保存在保溫容器中。以后可將此儲存的冷卻液體用于在壓縮過程期間吸收熱量。
[0099]在一些實施例中，儲熱介質(zhì)可包括被引入氣體進行換熱的同一液體。在某些實施例中，儲熱介質(zhì)可包括自身與被引入的液體進行換熱的一不同液體。一實例是將水引入壓縮/膨脹氣體進行換熱，然后水與儲存在保溫容器內(nèi)的油進行換熱。
[0100]圖5(a)是一種軸向渦輪機524的實施例的橫剖視圖，該渦輪機524包括軸504，殼體510和五個轉(zhuǎn)子502。所述渦輪機可包括在轉(zhuǎn)子502之間設(shè)置在殼體510的側(cè)壁內(nèi)位置bl-b4、al_a4的多個液體孔口。如圖所示，可在每個轉(zhuǎn)子之間設(shè)置一液體孔口?；蛘?，可每隔一個轉(zhuǎn)子502設(shè)置一孔口，例如在位置al和a3。
[0101]各實施例可視某些因素而定來確定孔口的數(shù)量和間距。所述因素的一個實例是一具體渦輪機內(nèi)的轉(zhuǎn)子數(shù)量。
[0102]可沿殼體510的側(cè)壁將孔口設(shè)置成單行，如孔口 al_a4所示?；蛘撸卓诳杀舜藦较?qū)χ?，如孔?al_a4和bl_b4所示。在一些實施例中，將可孔口布置成具體型式，例如圖5(b)中所示的交錯型式。
[0103]返回圖5(a)，可將一個或多個孔口布置在渦輪機的進口或出口處的轉(zhuǎn)子502的上游或下游，如孔口位置X和Y所示。在各實施例中可沿軸向和周向平面有多個孔口 X和Y。視是進行壓縮過程還是膨脹過程而定，可將孔口構(gòu)造成排出熱液體或冷液體。
[0104]在一具體過程期間，可僅使位于渦輪機一端的孔口工作。例如，在壓縮過程中，可使孔口 X工作以將較低溫液體引入氣流，同時孔口 Y不工作。
[0105]如上文中針對圖2a所述，軸向渦輪機可具有設(shè)置在轉(zhuǎn)子202旁邊的定子226。圖6顯示帶有耦接到軸604的兩個轉(zhuǎn)子及一設(shè)置在轉(zhuǎn)子之間的定子的軸向渦輪機624。
[0106]如圖中截面“A”所示，可將孔口直接定位在定子上?？蓪⒍鄠€孔口設(shè)置在定子的不同表面上，以優(yōu)化所期望的特性，例如霧化和液體濃度。如截面A所示，可將孔口 C1-3和D1-3安裝在定子葉片628的前緣和后緣。
[0107]在該實施例中，在壓縮和膨脹階段，可將高溫或低溫液體同時輸送到多個孔口。在一些實施例中，在一具體過程期間可僅將液體輸送到所選的孔口?？蓪蝹€孔口或多個孔口設(shè)置在渦輪機的每個定子上，或者每隔一個定子設(shè)置，或者每隔兩個定子設(shè)置，或者定子或定子葉片的任意組合上。
[0108]將孔口包含在某些實施例中的各級之間可能會增加渦輪機的長度。例如，包含中間級孔口可能涉及增加各級之間的距離。另外，在一些實施例中，在各級之間可能存在一結(jié)構(gòu)，其用于將引入的液體與空氣流隔離。
[0109]渦輪機的定子和其他部件可配備有流體通道，以改變渦輪機自身的部件的溫度。這可進一步增強所期望的傳熱。例如，在某些實施例中，定子和/或轉(zhuǎn)子葉片可被冷卻。
[0110]在該系統(tǒng)中包括液體部件而可能具有的優(yōu)點可延伸到控制壓縮/膨脹氣體的熱特性之外。例如，當使用水和空氣作為液體和氣體時，由于濕度和存在的液體水而使流動流體增加的密度可有助于將動量傳遞給渦輪機。具體而言，液體會增大氣-液混合物的質(zhì)量。由于動量與質(zhì)量有關(guān)，給定容積的空氣-水滴混合物與同一容積的空氣相比，可傳遞更大的動量。其結(jié)果是，這可增大功率密度。
[0111]另外，在某些實施例中，所存在的水可能影響中間加熱。例如，當液體沒有在級間被分離出來時，在膨脹期間所存在的液體水可用于將熱量傳遞給級間的冷空氣。
[0112]氣體渦輪機的任一給定級的壓力比通常較低。相應(yīng)地，使用中間冷卻器和/或中間加熱器可實現(xiàn)所期望的渦輪機的熱性能。在每一級之間或每一組級之間可存在換熱機構(gòu)。例如，該換熱機構(gòu)可包括液體射流，該液體射流被定向成實質(zhì)性地避免夾帶進入主空氣流(例如，被交叉地噴到氣體流中)，從而將沖刷到渦輪機葉片上的液滴的數(shù)量減小到最少。
[0113]在一些實施例中，可將多個噴射孔口布置成作為定子。例如，圖7顯示設(shè)置在殼體710的側(cè)壁內(nèi)且指向轉(zhuǎn)子702的孔口 al、a2、bl和b2。盡管圖7中僅顯示四個孔口，但可沿殼體的周圍設(shè)置多個孔口，例如圖5b中所示。
[0114]在一實施例中，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以將氣體從該圖的左側(cè)移動到該圖的右側(cè)時，液體被強迫通過孔口 a2和b2。射流的力與氣體交互作用，使氣體朝向軸704，以維持軸向氣體流。
[0115]盡管圖7中所示的孔口朝向轉(zhuǎn)子702成一角度設(shè)置，但并不要求如此。在某些實施例中，可垂直于軸704設(shè)置孔口，或者在遠離運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的方向上傾斜設(shè)置。
[0116]當軸向渦輪機包括多個轉(zhuǎn)子時，可將作為定子的孔口劃分成各組，對于壓縮和膨脹過程中的每一者，僅一組孔口運轉(zhuǎn)。例如，當氣體從右向左流過渦輪機時，可將一組孔口設(shè)置作為定子，當氣體從左向右流過渦輪機時，另一組孔口可作為定子。
[0117]使液體通過進入渦輪機腔室或混合腔的孔口可按與該同一實施例中的其他孔口、或者其他實施例中存在的孔口不同的方式構(gòu)造。
[0118]例如，如圖8a中所示，可通過對要在其中設(shè)置孔口的表面的材料進行定形來形成該孔口。于是，表面880可為渦輪機內(nèi)的側(cè)壁的表面。
[0119]可通過在表面880中形成槽口 880，并形成與該槽口耦接的空腔884來形成孔口。受壓液體、或者受壓液體與氣體的組合被輸送到空腔884，并穿過槽口 882來形成渦輪機內(nèi)的射流羽。表面880可為渦輪機的任何內(nèi)表面，例如殼體、定子、轉(zhuǎn)子或軸的表面。
[0120]如圖Sb中所示，在表面880內(nèi)安裝的可替換噴嘴中可存在孔口。圖Sb中所示的噴嘴886包括液體流道888，氣體流道890和出口 892。液體通過該液體流道輸送并與受壓氣體交匯，這會使液體霧化以將射流羽輸送到渦輪機腔室內(nèi)。可包括氣體用于增大壓力，液體在該壓力下被輸送到渦輪機內(nèi)，以克服渦輪機腔室內(nèi)的壓力。
[0121]圖Sb中的噴嘴886以可分離式耦接到表面880，從而可單獨預(yù)制具體設(shè)計的噴嘴，并將其安裝到儲存系統(tǒng)內(nèi)。該可分離式耦接可實現(xiàn)將現(xiàn)成的或定制的噴嘴安裝到具體表面內(nèi)，以及便于維修且易于更換。
[0122]在單臺渦輪機、混合腔內(nèi)和/或能量儲存系統(tǒng)的不同渦輪機和/或混合腔內(nèi)可形成各種不同的孔口。例如，渦輪機內(nèi)的壓力可從一側(cè)向另一側(cè)增加。該渦輪機可具有設(shè)置在低壓側(cè)的第一種孔口以及設(shè)置在高壓側(cè)的第二種孔口，該第一種孔口設(shè)計為在較低壓下運行，該第二種孔口設(shè)計為在較高壓下運行。
[0123]可選擇孔口來優(yōu)化壓縮和膨脹過程的具體階段的射流特性。例如，一些孔口較好地適合較高壓射流用途?？蓪⒋说瓤卓诳拷芰肯到y(tǒng)的具有較高內(nèi)部壓力的部分設(shè)置，同時可將較好地適合較低壓用途的孔口定位在該系統(tǒng)的較低壓部分。
[0124]另外，可按不同的射流特性來選擇不同的孔口。此等特性的實例包括但不限于霧化、射流羽的速度、破裂長度、射流型式、射流錐角、扇形角度、與表面的角度(用于扇形射流)以及液滴空間分布。
[0125]一個具體的性能特征是液滴尺寸。液滴尺寸可使用DV50，索特平均直徑(也稱為SMD，D32，d32*D[3，2])，或其他措施測量?？卓?/噴嘴的實施例可產(chǎn)生SMD介于約10-200微米范圍的液滴?？卓?/噴嘴的實施例所產(chǎn)生的液滴尺寸的實例包括但不限于具有SMD為約200微米、150微米、100微米、50微米、25微米和10微米的液滴。
[0126]另一性能特征是流量。實施例可產(chǎn)生介于每秒鐘約20升和0.01升之間的流量。本發(fā)明的孔口 /噴嘴的實施例的流量的實例為每秒鐘20升、10升、5升、2升、I升、0.5升、0.25 升、0.1 升、0.05 升、0.02 升和 0.01 升。
[0127]另一性能特征是破裂長度。噴嘴的實施例輸出的液體可具有介于約1-100毫米的破裂長度。來自根據(jù)本發(fā)明的噴嘴的液體射流的破裂長度的實例包括100mm、50mm、25mm、10mm、5mm、2mm 和 1mm。
[0128]孔口 /噴嘴的實施例可產(chǎn)生不同類型的射流型式。各實施例可產(chǎn)生的射流型式的實例包括但不限于中空錐形、實心錐形、流線型、單扇形和多扇形。
[0129]孔口 /噴嘴的實施例可產(chǎn)生介于約20-180度之間的射流錐角。此射流錐角的實例包括但不限于 20° ,22.5°、25。、30。、45。、60。、90。,120° ,150° 和 180。。
[0130]孔口 /噴嘴的實施例可產(chǎn)生介于約20-360度之間射流扇形角。此扇形角的實例包括但不限于 20° ,22.5°、25。、30。、45。、60。、90。,120° ,150° ,180° ,225° ,270°、300°、330°或360°。與表面之間的扇形射流角的實例包括但不限于90°、80°、60°、45。、30。,22.5°、20。、15。、10。、5。或 O。。
[0131]液滴空間分布代表液體射流孔口 /噴嘴的另一性能特征。一種測量液滴空間分布的方式是測量一片材或錐形橫截面的角度，該片材或錐形橫截面包含有偏離片材的大多數(shù)液滴。在孔口 /噴嘴設(shè)計中，該角度可介于0-90度之間。實施例可能產(chǎn)生的該角度的實例包括但不限于 0°、1°、2°、5°、7.5°、10°、15°、20°、25°、30°、45°、60°、75° 或90。。
[0132]根據(jù)某些實施例，控制被引入腔室內(nèi)進行換熱的液體的數(shù)量可能很重要。理想的數(shù)量可視多個因素而定，包括氣體和液體的熱容、所期望的壓縮或膨脹期間的溫度變化。
[0133]被引入的液體的數(shù)量還可視射流孔口 /噴嘴所形成的液滴的尺寸而定。被引入的液體數(shù)量的一個量度是所有液滴的總表面積與腔室內(nèi)氣體的摩爾數(shù)之比率。該比率(平方米/摩爾)可介于約1-250之間或者更大范圍。可能適合供本發(fā)明的實施例使用的該比率的實例包括 1、2、5、10、15、25、30、50、100、125、150、200 或 250。
[0134]某些設(shè)計可方便各孔口 /噴嘴的預(yù)制。某些設(shè)計還可實現(xiàn)在給定的表面內(nèi)使多個孔口 /噴嘴彼此接近布置，這可提高性能。
[0135]可使用多種不同的噴嘴結(jié)構(gòu)?？赡苓m合根據(jù)各個實施例使用的噴嘴結(jié)構(gòu)的實例包括但不限于沖刷噴嘴、旋轉(zhuǎn)盤形霧化器、靜電霧化器、壓力旋轉(zhuǎn)噴嘴、扇形噴嘴、沖擊噴嘴、空氣輔助噴嘴、噴嘴和旋轉(zhuǎn)杯形霧化器。
[0136]在某些實施例中，可將多個噴嘴器構(gòu)造成彼此交互作用，以產(chǎn)生具有所期望的性質(zhì)的射流。例如，一個噴嘴的射流可填充一相鄰噴嘴的射流型式的空余部分。
[0137]一能量儲存系統(tǒng)的某些特征可促使不同的孔口位置和類型。通過噴嘴被噴出的液體視液體的溫度而定將具有不同的物理特性，從而可在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置不同的孔口，以基于液體溫度來優(yōu)化射流特征。當液體對于壓縮過程和膨脹過程具有不同的溫度時，單個系統(tǒng)可具有兩組噴嘴，對于每一過程僅一組可運轉(zhuǎn)。另外，孔口的方向和類型可在各組之間變化，以及在一具體組內(nèi)在系統(tǒng)的具體區(qū)域內(nèi)變化。
[0138]如圖9中的實施例所示，可將孔口設(shè)置在渦輪機軸904的外表面。在此實施例中，液體被送入該軸內(nèi)的通道內(nèi)，該自旋軸的離心力起作用，向液體提供力，從而使液體通過孔口噴射。于是，自旋軸904起作用，將液體通過孔口泵送出。該泵作用可減少通過一些其他機構(gòu)(例如主動通電的泵裝置)向液體提供壓力的需要。
[0139]如圖9中所示，可沿該軸的多個位置設(shè)置孔口，包括轉(zhuǎn)子902之間的孔口，例如el和e2，位于該軸的端部的孔口，例如fl和f2?？裳卦撦S的周圍設(shè)置多個孔口。如針對圖8a和圖8b所述，不同的實施例可具有不同的孔口和噴嘴，僅選擇的孔口可對壓縮或膨脹過程起作用。例如，可通過貫穿該軸的兩個不同的通道向兩組噴嘴供送液體，從而在壓縮或膨脹期間僅向一個通道或另一個通道供應(yīng)液體。
[0140]在能量儲存系統(tǒng)中使用離心式渦輪機時，可按類似于軸向渦輪機的方式將不同類型和構(gòu)造的孔口和噴嘴設(shè)置在不同的位置。例如，結(jié)合圖10中的實施例，可將孔口位置il-18設(shè)置在該殼體的側(cè)壁內(nèi)，且可將孔口朝向該渦輪機腔室的入口設(shè)置，如位置jl和j2所示。
[0141]可按與使用軸向渦輪機的實施例類似的方式，將不同類型的孔口和噴嘴設(shè)置在這些位置，以按照不同的液體溫度、腔室壓力、孔口位置以及壓縮和膨脹過程來優(yōu)化射流特征。
[0142]離心式渦輪機可包括多個葉片，所述葉片成形為將氣體從進口移動到設(shè)置在該殼體的側(cè)壁內(nèi)的出口。
[0143]在一實施例中，轉(zhuǎn)子內(nèi)的一些葉片可彼此不同地成形。例如，如圖11中所示，安裝到軸1104的葉片1110可成形為帶有與相鄰葉片1112對向的曲率。在此構(gòu)造中，該渦輪機內(nèi)的湍流得以增大，從而保持更多的液體被吸入。
[0144]于是，根據(jù)某些實施例，可將渦輪機葉片設(shè)計為實現(xiàn)多個用途。盡管它們的主要用途是壓縮(或膨脹)流動氣體，但葉片的氣動表面可將額外的運動傳遞給空氣/水混合物。此運動可維持水滴的分離，從而使它們能夠被轉(zhuǎn)移，同時保持大的氣-液界接表面，因而保持有效的換熱特性。
[0145]盡管圖11中的葉片是彼此的鏡像，葉片形狀之間也可具有不太大的差異。例如，交錯的葉片可為曲面和平面，或者相鄰葉片的僅一部分可彼此不同。每隔一個葉片可能不同，或者每隔兩個或三個葉片等可能不同。在一實施例中，僅一個葉片的成形不同于其他葉片。
[0146]由于渦輪機轉(zhuǎn)子相對較高的自旋速度，氣體流中存在的液滴在碰撞自旋轉(zhuǎn)子時可能使其損壞。盡管單個碰撞導(dǎo)致的損壞很小，但隨時間延長由許多碰撞引起的累積損壞可能會縮短普通轉(zhuǎn)子的有效壽命。本發(fā)明的實施例可使用一項或多項技術(shù)來盡量減少對轉(zhuǎn)子的損壞。
[0147]具體碰撞中的能量與碰撞物體的質(zhì)量成比例。相應(yīng)地，一項盡量減小轉(zhuǎn)子損壞的技術(shù)是引入高度霧化的液體射流。較高程度的霧化會使各液滴較小，從而減小液滴與轉(zhuǎn)子之間的每次碰撞的能量。
[0148]上述方法通過減小質(zhì)量來減小碰撞的能量，因為碰撞能量與液滴的質(zhì)量成比例。另外，較小的液滴被更快地夾帶到空氣中，沿著在靠近渦輪機葉片的表面大體上呈切向的流線流動。這可減小液滴速度的法向分量。能量與該速度的平方成比例。
[0149]可選擇液體被噴射穿過的孔口或噴嘴的類型，以增加霧化。對于與圖8b中所示的噴嘴類似的噴嘴，可增大氣體通道890內(nèi)的氣體壓力以改善霧化。另外，較小的孔口尺寸可導(dǎo)致較高的霧化程度，從而可在一具體系統(tǒng)中使用大量的小噴嘴。
[0150]用于減輕對渦輪機損壞的其他技術(shù)包括渦輪機葉片和轉(zhuǎn)子本身的設(shè)計和材料。例如，一能量儲存系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子的葉片可較薄并具有撓性，以更好地吸收能量并在液滴的碰撞下發(fā)生局部變形。
[0151]另外，盡管許多傳統(tǒng)的氣體渦輪機的設(shè)計需要通過嵌入葉片內(nèi)的通道進行冷卻，以防止過高的溫度，但根據(jù)本發(fā)明的實施例近似等溫地運行可便于薄葉片(沒有冷卻通道)的使用。此薄葉片可具有更有效的氣動性能、重量較輕、且成本較低。
[0152]在渦輪機中使用薄的、較輕重量的葉片的另一可能的優(yōu)點在于，較低的葉片必須承受由于高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的較低應(yīng)力。于是，這又能夠在葉片中使用較少的材料。
[0153]使用薄的、成本較低的渦輪機葉片的再一可能的優(yōu)點在于定期維護期間可以進行更換葉片。即使由于液滴撞擊葉片產(chǎn)生麻點，一年左右的葉片壽命對于定期更換計劃而言也是實際可行的。
[0154]運行中的渦輪機葉片會經(jīng)受很大的離心力和氣動力，所以可配置撓性葉片，使它們具有經(jīng)優(yōu)化以在自旋時傳送氣體的形狀。撓性材料的實例包括金屬，例如鈦合金和鎳鈦
I=1-Wl O
[0155]合適的材料還包括熱固性復(fù)合材料，例如具有環(huán)氧基體的碳素纖維和具有聚酯基體的玻璃纖維。材料還可包括熱塑性材料，例如聚氨酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚醚酰胺、聚碳酸酯，或者使用纖維(例如玻璃、碳、碳納米管)加強的另一合適的工程熱塑塑料，或者其他市售材料。
[0156]在一些實施例中，可將非加強的聚合物用于葉片，或者用于葉片的一部分，以增強被沖擊表面的彈性。葉片可包括基材(例如金屬)在該基材上形成聚合物以使表面更具有彈性，從而防止由于液滴碰撞造成損壞。
[0157]由于同一原因葉片上可涂有彈性材料。該材料可為低模量橡膠或高模量聚合物，例如聚酰胺。在一實施例中，可定期剝離并更換葉片涂層，以延長葉片的壽命。
[0158]在某些實施例中，轉(zhuǎn)子葉片可包括高硬度材料，例如陶瓷，包括氧化鋁、氧化鋯或硅玻璃。高硬度材料可為基材上的涂層，例如類金剛石碳(DLC)。
[0159]在一些實施例中，葉片材料可為親水性。完全潤濕的親水性表面可作為液滴與葉片之間的墊層，并可將葉片與液滴之間的碰撞力分布在比非親水性表面更大的面積上。
[0160]在某些實施例中，葉片材料可為憎水性材料。該渦輪機內(nèi)的暴露表面使用憎水性材料可防止或減少潤濕。這可通過促使液滴彈離表面而不是潤濕表面來使更多的液滴保持夾帶在氣體中。
[0161]通常盡可能靠近殼體的側(cè)壁設(shè)置渦輪機轉(zhuǎn)子的葉片，以在該轉(zhuǎn)子與殼體之間形成密封或接近密封。葉片和殼體兩者都隨它們的熱膨脹系數(shù)(CTE)的變化而膨脹和收縮。
[0162]可將傳統(tǒng)的渦輪機設(shè)計構(gòu)造為在高溫或在寬廣的溫度范圍內(nèi)運行。于是，對渦輪機葉片可使用具有與殼體或其他部件兼容的CTE的材料，以優(yōu)化效率，同時防止轉(zhuǎn)子與殼體之間接觸/磨蝕。
[0163]相形之下，本發(fā)明的某些實施例可在氣體壓縮和/或膨脹期間引入液體來進行氣-液換熱。這能夠?qū)崿F(xiàn)在等溫或接近等溫條件下進行氣體壓縮和/或膨脹。由于預(yù)計在此相對較窄的溫度范圍內(nèi)運行，能夠?qū)u輪機部件(包括渦輪機葉片)使用具有相對較高CTE的材料。
[0164]另外，在高溫下和/或?qū)拸V溫度范圍內(nèi)運行的傳統(tǒng)渦輪機面臨的另一潛在的問題是不同材料的CTE的差值。例如，不同材料的部件的CTE不匹配會導(dǎo)致當接合處膨脹或收縮時產(chǎn)生泄漏或裂紋，并可導(dǎo)致緊固件在長時間后松動。然而，由于預(yù)計一些實施例會在限定的溫度范圍內(nèi)運行，渦輪機部件的CTE差值的影響并不顯著，所以能夠使用種類較廣泛的材料。
[0165]在一實施例中，可將液體噴嘴構(gòu)造為在殼體的側(cè)壁上積聚連續(xù)的液體。這可合乎期望地在轉(zhuǎn)子與殼體之間產(chǎn)生粘性密封。
[0166]類似于液環(huán)壓縮機的密封機理的方式，被引入進行氣-液換熱的液體可能會填充渦輪機與殼體之間的小間隙。在一些實施例中，可增大該間隙以減小粘性阻力。
[0167]盡管如上所述的實施例都將孔口設(shè)置在渦輪機腔室內(nèi)，但并不要求如此。在一些實施例中，除將液體噴射進入渦輪機自身內(nèi)，還將液體噴射進入上游的混合腔內(nèi)，或者將液體噴射進入上游的混合腔內(nèi)而不是渦輪機自身內(nèi)。
[0168]如圖12中所示，可沿混合腔1220的側(cè)壁設(shè)置多個孔口 gl_g4和hl_h4，混合腔1220耦接到軸向渦輪機1224。此種構(gòu)造能夠使射流液滴在進入渦輪機之前通過氣流均勻地分散。
[0169]在另一實施例中，可將混合腔耦接到離心式渦輪機上?；旌锨?220的側(cè)壁可比渦輪機殼體1210的側(cè)壁具有較大的直徑，如圖12中所示。在其他實施例中，這些側(cè)壁可具有與殼體1210相同的直徑，或者比殼體1210較小的直徑。
[0170]1.一種從壓縮氣體回收能量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0171]壓縮氣體儲存單元；
[0172]第一腔室，其界定在壁內(nèi)并選擇性地與所述壓縮氣體儲存單元流體連通，以接收壓縮氣體；
[0173]第一氣翼，其構(gòu)造為響應(yīng)于在不發(fā)生燃燒的情況下所述壓縮氣體的膨脹來驅(qū)動所述第一腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)子；
[0174]—元件，其構(gòu)造為實現(xiàn)與所述膨脹壓縮氣體實現(xiàn)氣-液換熱。
[0175]2.根據(jù)第I條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼和所述第一腔室內(nèi)的所述轉(zhuǎn)子界定軸向渦輪機。
[0176]3.根據(jù)第I條或第2條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼和所述第一腔室內(nèi)的所述轉(zhuǎn)子界定離心式渦輪機。
[0177]4.根據(jù)第I條、第2條或第3條所述的系統(tǒng)，其中所述元件包括與所述第一腔室流體連通的液體噴射器。
[0178]5.根據(jù)第I條、第2條、第3條或第4條所述的系統(tǒng)，其中所述液體噴射器通過上游混合腔與所述第一腔室流體連通。
[0179]6.根據(jù)第I條、第2條、第3條、第4條或第5條所述的系統(tǒng)，進一步包括定位在所述第一氣翼的下游并構(gòu)造為由進一步膨脹的氣體驅(qū)動的第二氣翼。
[0180]7.根據(jù)第6條所述的系統(tǒng)，進一步包括:
[0181]第一液體噴射器，其定位在所述第一氣翼的上游，以與所述膨脹氣體實現(xiàn)氣-液換熱；及
[0182]第二液體噴射器，其定位在所述第一氣翼與所述第二氣翼之間，以與所述進一步膨脹的氣體實現(xiàn)氣-液換熱。
[0183]8.根據(jù)第6條或第7條所述的系統(tǒng)，其中所述第二氣翼定位在所述第一腔室內(nèi)，以界定另一渦輪機級。
[0184]9.根據(jù)第6條或第7條所述的系統(tǒng)，其中所述第二氣翼定位在與所述第一腔室流體連通的第二腔室內(nèi)，以界定第二渦輪機。
[0185]10.根據(jù)第I條至第9條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括撓性材料。
[0186]11.根據(jù)第I條至第9條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括第一材料，所述第一材料具有第一熱膨脹系統(tǒng)，在大約15攝氏度的溫度范圍內(nèi)，所述第一材料與具有所述壁的第二材料匹配，所述第二材料具有第二熱膨脹系數(shù)。
[0187]12.根據(jù)第I條至第9條中任一條所述的系統(tǒng)，進一步包括形成于所述第一氣翼與所述壁之間的液體密封。
[0188]13.根據(jù)第I條至第9條中任一條所述的系統(tǒng)，進一步包括與所述轉(zhuǎn)子連通的電氣發(fā)電機。
[0189]14.根據(jù)第I條至第13條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述電氣發(fā)電機包括馬達/發(fā)電機。
[0190]15.根據(jù)第I條至第13條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述電氣發(fā)電機與所述轉(zhuǎn)子通過軸連通。
[0191]16.根據(jù)第I條至第15條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)子與能量源選擇性地連通，以驅(qū)動所述第一氣翼來壓縮所述腔室內(nèi)的氣體，并使壓縮后的氣體流動到所述壓縮氣體儲存單元。
[0192]17.根據(jù)第I條至第16條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括馬達。
[0193]18.根據(jù)第I條至第17條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述馬達包括馬達/發(fā)電機。
[0194]19.根據(jù)第I條至第18條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括燃燒渦輪機。
[0195]20.根據(jù)第I條至第19條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括風力渦輪機。
[0196]21.根據(jù)第I條至第20條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括蒸汽渦輪機。
[0197]22.根據(jù)第I條至第21條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼設(shè)計為基于隨時間的磨損曲線進行定期更換。
[0198]23.根據(jù)第I條至第22條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括親水性材料。
[0199]24.根據(jù)第I條至第23條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括憎水性材料。
[0200]25.根據(jù)第I條至第24條中任一條所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括高硬度材料。
[0201]26.一種從壓縮氣體回收能量的方法，所述方法包括:
[0202]使壓縮氣體從壓縮氣體儲存單元流動進入腔室，所述腔室具有氣翼，所述氣翼耦接到轉(zhuǎn)子；
[0203]使所述壓縮氣體在所述腔室內(nèi)膨脹，并在不發(fā)生燃燒的情況下驅(qū)動所述氣翼和所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；
[0204]與在所述腔室內(nèi)膨脹的所述壓縮氣體實現(xiàn)氣-液換熱；
[0205]利用所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力。
[0206]27.根據(jù)第26條所述的方法，其中通過將液體噴射進入所述腔室來實現(xiàn)所述氣-液換熱。
[0207]28.根據(jù)第26條或第27條所述的方法，其中通過將液體噴射進入定位在所述腔室上游的混合腔來實現(xiàn)氣-液換熱。
[0208]29.根據(jù)第26條至第28條所述的方法，其中通過使所述壓縮氣體流經(jīng)液體來實現(xiàn)氣-液換熱。
[0209]30.根據(jù)第26條至第29條所述的方法，其中進行氣-液換熱將膨脹壓縮氣體的溫度維持在離環(huán)境溫度大約15攝氏度的范圍內(nèi)。
[0210]31.根據(jù)第26條至第30條中任一條所述的方法，進一步包括:
[0211]使膨脹氣體從所述氣翼流動到第二氣翼；
[0212]使所述膨脹氣體進一步膨脹并驅(qū)動所述第二氣翼旋轉(zhuǎn)；
[0213]與所述進一步膨脹的氣體實現(xiàn)氣-液換熱。
[0214]32.根據(jù)第26條至第31條中任一條所述的方法，進一步包括:
[0215]將所述轉(zhuǎn)子布置成與能量源選擇性地連通；
[0216]使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所述氣翼并壓縮所述腔室內(nèi)的氣體；
[0217]與在所述腔室內(nèi)被壓縮的所述氣體之間實現(xiàn)氣-液換熱；
[0218]使在所述腔室內(nèi)經(jīng)過壓縮的所述氣體流動到壓縮氣體儲存單元，或者流動到下一較高的壓力級。
[0219]33.根據(jù)第26條至第32條中任一條所述的方法，其中所述能量源包括馬達。
[0220]34.根據(jù)第26條至第33條中任一條所述的方法，其中所述能量源包括第二渦輪機。
[0221]35.根據(jù)第26條至第34條中任一條所述的方法，其中所述第二渦輪機與所述渦輪機通過連接相連通。
[0222]通常，預(yù)計根據(jù)本發(fā)明的實施例被引入氣體壓縮或膨脹腔室完成換熱的液體不會在該腔室內(nèi)發(fā)生燃燒。于是，盡管被噴入與壓縮或膨脹氣體執(zhí)行換熱的液體可能是可燃的(例如，油、酒精、煤油、柴油或生物柴油)，但在許多實施例中，預(yù)計其不會在該腔室內(nèi)發(fā)生燃燒。至少在此方面，根據(jù)各個實施例進行液體引入可有別于將液體引入渦輪機進行燃燒的情況。
[0223]圖13是例示一種可逆式壓縮機/膨脹機裝置與各個其他系統(tǒng)元件之間的關(guān)系的簡化視圖。具體而言，可逆式壓縮機/膨脹機裝置1300與壓縮氣體儲存單元1306選擇性流體連通。該可逆式壓縮機/膨脹機裝置還可與熱儲存單元1308進行選擇性熱連通。
[0224]在儲存運行模式下，可逆式壓縮機/膨脹機裝置1300被構(gòu)造作為壓縮機運行。將通過連接1303從第一動力源1302 (可基于化石燃料的燃燒)接收的動力和/或通過連接1305從第二動力源1304 (可基于間歇性可再生能源)接收的動力用于對氣體進行壓縮，供存儲在壓縮氣體儲存單元1306內(nèi)。
[0225]在某些實施例中，一個或多個連接可為機械性質(zhì)(例如旋轉(zhuǎn)軸)。或者，接收的該動力可通過其他類型的連接(包括但不限于電氣、磁性、電磁、液壓、氣動或熱)進行傳遞。
[0226]在產(chǎn)生能量的運行模式中，可逆式壓縮機/膨脹機裝置1300被構(gòu)造作為膨脹機運行。壓縮氣體從儲存單元1306流動到裝置1300，在裝置1300處膨脹并驅(qū)動發(fā)電機1310來輸出電力，例如輸出到網(wǎng)絡(luò)1312。
[0227]在某些實施例中，該發(fā)電機1310還可與能量源1304之間具有連接1309，以便直接從能量源1304產(chǎn)生電力。于是，實施例可使用現(xiàn)有動力源中已經(jīng)存在的發(fā)電機(例如，風力渦輪機的發(fā)電機)。
[0228]在某些實施例中，可逆式壓縮機/膨脹機1300可基于腔室內(nèi)可動式構(gòu)件(例如，活塞)的往復(fù)運動來運行。根據(jù)其他實施例，可逆式壓縮機/膨脹機1300可基于腔室內(nèi)的可動式構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)來運行。例如，該可逆式壓縮機/膨脹機可包括渦輪機，該渦輪機的葉片旋轉(zhuǎn)以壓縮氣體，以及該渦輪機的葉片又被膨脹氣體驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)。
[0229]如“公開案”中的詳細描述，可逆式壓縮機/膨脹機可連同引入液體與被壓縮或膨脹的氣體進行氣-液換熱一起運行。此氣-液換熱能夠?qū)崿F(xiàn)在接近環(huán)境溫度的有限溫度范圍內(nèi)發(fā)生氣體壓縮和/或膨脹。
[0230]通過避免氣體壓縮或膨脹時發(fā)生大的溫度變化，使用氣-液換熱的實施例能夠?qū)崿F(xiàn)在有利的氣動條件下儲存和回收能量。另外，在接近環(huán)境溫度的有限溫度范圍內(nèi)進行氣體壓縮和膨脹可提供額外的優(yōu)點。
[0231]具體而言，傳統(tǒng)的燃燒渦輪機通常使用厚葉片。這些葉片厚度可容納用于輸送冷卻流體的內(nèi)部通道，使葉片能夠應(yīng)對高溫。例如，燃燒渦輪機的葉片可受到高達1100-1700°C 的溫度。
[0232]所述傳統(tǒng)渦輪機葉片可使用具有相對低的熱膨脹系數(shù)的防腐材料(例如不銹鋼)制造，并設(shè)計為剛性以維持與渦輪機殼體的內(nèi)壁之間的緊湊間隙。傳統(tǒng)渦輪機葉片所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和嚴格的溫度要求會使它們相對昂貴且難以更換。
[0233]相形之下，連同氣-液換熱一起進行的實現(xiàn)能量儲存的氣體壓縮/膨脹可在接近環(huán)境溫度的有限溫度范圍內(nèi)發(fā)生。經(jīng)受壓縮或膨脹的氣體可能在環(huán)境溫度與被引入進行換熱的液體的相變溫度之間的范圍內(nèi)發(fā)生溫度變化。
[0234]相應(yīng)地，圖14A顯示根據(jù)一實施例的渦輪機1400的局部簡化視圖，渦輪機1400包括轉(zhuǎn)子1401和附接的葉片1402。該轉(zhuǎn)子和葉片被構(gòu)造為在殼體1403內(nèi)繞軸線A旋轉(zhuǎn)。
[0235]在本實施例中，渦輪機葉片利用較少數(shù)量的材料加工而成，以降低其成本。因此，如圖14A中所示當渦輪機的轉(zhuǎn)子靜止或以低速運動時，葉片不一定處于被膨脹氣體驅(qū)動(或者被驅(qū)動以高效地對氣體進行壓縮)的最佳位置。
[0236]然而，當渦輪機轉(zhuǎn)子繞軸線A以一定速率轉(zhuǎn)動時，圖14B顯示所獲得的向心力F使葉片發(fā)生彎曲，以處于該最佳葉型。通過這種方式，依靠渦輪機旋轉(zhuǎn)的固有能量提供一結(jié)構(gòu)特征(剛性)，從而降低可更換部件(即，葉片)的成本。由于預(yù)計渦輪機在相對較窄的溫度范圍內(nèi)運行，從而可實現(xiàn)所述特點。
[0237]使用撓性渦輪機葉片的一個潛在優(yōu)點在于能夠在渦輪機的壽命內(nèi)對該葉片進行定期更換。換言之，由于葉片質(zhì)量減小，其更換費用較小，并方便在為了定期插入葉片/從渦輪機移除葉片時進行的搬運(例如，作為插件或其他模塊化形狀系數(shù))。對渦輪機葉片定期進行更換可解決由于向渦輪機內(nèi)定期引入液滴所導(dǎo)致的葉片磨損相關(guān)問題。于是，即使由于液滴沖擊使葉片產(chǎn)生一些麻點，按照定期計劃以較低費用更換質(zhì)量減小的葉片也可避免將來的失效。
[0238]加工出撓性葉片(全部或部分)的材料的實例包括金屬，例如鋁、不銹鋼、鈦合金和鎳鈦合金。其他合適的材料的實例還包括熱固性復(fù)合材料，例如具有環(huán)氧基體的碳素纖維或具有聚酯基體的玻璃纖維。葉片材料還可包括熱塑性材料，例如聚氨酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚醚酰胺、聚碳酸酯，或者使用纖維(例如玻璃、碳、碳納米管)加強的另一合適的工程熱塑塑料，或者其他市售材料。
[0239]具體實施例可使用雙金屬材料，例如兩種金屬的疊層。這些實施例確實可或多或少地彎曲，視溫度和材料的熱膨脹系數(shù)而定。
[0240]在一些實施例中，可將非加強的聚合物用于葉片，或者用于葉片的一部分，以增強被沖擊表面的彈性。葉片可包括基材(例如金屬)在該基材上形成聚合物以使表面更具有彈性，從而防止由于液滴碰撞造成損壞。
[0241]由于同一原因葉片上可涂有彈性材料。該材料可為低模量橡膠或高模量聚合物，例如聚酰胺。在一實施例中，可定期剝離并更換葉片涂層，以延長葉片的壽命。
[0242]在某些實施例中，轉(zhuǎn)子葉片可包括高硬度材料。根據(jù)各實施例，葉片的材料可選自碳復(fù)合材料、鋁、鈦、不銹鋼、其他合金、各種塑料或陶瓷，包括氧化鋁、氧化鋯。
[0243]在一些實施例中，葉片材料可為親水性。潤濕的親水性表面可作為液滴與葉片之間的墊層，將葉片與液滴之間的碰撞力分布在比非親水性表面更大的面積上。
[0244]在某些實施例中，葉片材料或葉片的涂層可為憎水性。該渦輪機內(nèi)的暴露表面使用憎水性材料可防止或減少潤濕。這可通過促使液滴彈離表面而不是潤濕表面來使更多的液滴保持夾帶在氣體中。
[0245]圖14A至圖14B顯示渦輪機的一簡化的實施例。在許多實施例中，渦輪機可具有相對較大數(shù)量的壓縮和/或膨脹級。如果每一級都具有1.1的壓力比，則300個大氣壓的頂部壓力將利用大約60級。渦輪機內(nèi)的級數(shù)范圍包括但不限于1-10、1-20、1-30、1-40、1-50或1-60或更多。為優(yōu)化該系統(tǒng)的效率，可將各轉(zhuǎn)子耦接到以不同速度旋轉(zhuǎn)的多個同心軸。
[0246]圖14C顯示單向性質(zhì)的多級渦輪機1430的一實施例。換言之，渦輪機葉片1432構(gòu)造有氣翼葉型，使從低壓區(qū)1431到高壓區(qū)1434發(fā)生的氣體流動能夠產(chǎn)生專用的壓縮機。
[0247]如圖14C中進一步指示，該單向渦輪機可通過逆流換熱技術(shù)與作為專用膨脹機的另一單向渦輪機1435進行熱耦接，以形成能夠?qū)嚎s氣體形式的能量儲存在壓縮氣體儲存單元1436內(nèi)的裝置。
[0248]在圖14C中的具體實施例中，逆流式換熱器1439實際上包括兩個逆流式換熱器1439a和1439b，每一逆流換流器都與公共的熱儲存單元1450進行選擇性熱連通?？蓪⒌谝荒媪魇綋Q熱器構(gòu)造成在給定時刻將來自氣體壓縮機的輸出的熱量移動到熱儲存單元(例如，I標準大氣壓力的水或油)，并可將第二逆流式換熱器構(gòu)造成在稍后時刻將來自該熱儲存單元的熱量返回移動到該膨脹機的氣體供應(yīng)管。
[0249]也可使用其他構(gòu)造，包括一個在氣體的同步流之間使用單臺逆流式換熱器的構(gòu)造。此實施例可在例如熱機的運行模式中使用。
[0250]然而，其他實施例可使用可逆式(雙向)渦輪機。圖14D是可逆式渦輪機1440的該實施例的簡化視圖。為進行壓縮，氣體從左側(cè)以低壓進入，在右側(cè)以較高壓(但較低體積)離開，流動到壓縮氣體儲存單元。為進行膨脹，氣體將在反方向上從該壓縮氣體儲存單元流動。
[0251]為使可逆式渦輪機高效地工作，渦輪機葉片1442的氣翼形狀可關(guān)于左側(cè)(低壓)或右側(cè)(高壓)對稱。相對較薄的氣翼由于其輕質(zhì)量可做成關(guān)于右前緣或左前緣對稱。由碳復(fù)合材料制成的葉片可具有大的強度但輕的重量。它們可在高RPM下旋轉(zhuǎn)，且不會破裂分開。
[0252]Ia.—種裝置，包括:
[0253]腔室，其與壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通；
[0254]元件，其構(gòu)造成實現(xiàn)在所述腔室內(nèi)不發(fā)生燃燒的情況下與在所述腔室內(nèi)膨脹的氣體實現(xiàn)氣-液換熱；以及
[0255]渦輪機，其在所述腔室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)以通過機械連接將膨脹氣體的動力輸送出所述腔室，所述渦輪機包括撓性渦輪機葉片，所述撓性渦輪機葉片構(gòu)造成響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)力而具有一形狀。
[0256]2a.根據(jù)第Ia條所述的裝置，其中所述撓性渦輪機葉片還構(gòu)造為被選擇性地驅(qū)動，以壓縮所述渦輪機內(nèi)的氣體。
[0257]3a.根據(jù)第Ia條或第Ib條所述的裝置，其中所述腔室通過逆流式換熱器與所述壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通。
[0258]4a.根據(jù)第Ia條、第Ib條或第Ic條所述的裝置，進一步包括:
[0259]第二腔室，其與壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通；
[0260]第二元件，其構(gòu)造成與在所述第二腔室內(nèi)被壓縮的氣體實現(xiàn)氣-液換熱；以及
[0261]第二渦輪機，其構(gòu)造成被第二機械連接驅(qū)動以在所述第二腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而使第二撓性渦輪機葉片壓縮所述第二腔室內(nèi)的氣體。
[0262]5a.根據(jù)第Ia條至第4a條中任一條所述的裝置，其中所述渦輪機包括軸向渦輪機。
[0263]6a.根據(jù)第Ia條至第5a條中任一條所述的裝置，其中所述渦輪機包括離心式渦輪機。
[0264]7a.根據(jù)第Ia條至第6a條中任一條所述的裝置，其中所述渦輪機包括單向渦輪機。
[0265]8a.根據(jù)第Ia條至第7a條中任一條所述的裝置，其中所述渦輪機包括雙向渦輪機。
[0266]如“公開案”中的長篇幅描述，能量儲存系統(tǒng)的某些實施例可與間歇性質(zhì)的可再生能源(例如風力渦輪機或太陽能捕獲裝置(例如，基于太陽能熱或光伏原理))進行選擇性連通。為滿足連續(xù)(而不是間歇)性質(zhì)的需求，可將實施例構(gòu)造成基于替代的能量源進行選擇性運行。
[0267]在一些實施例中，可將可逆式壓縮機/膨脹機(或?qū)Ｓ门蛎洐C)構(gòu)造成基于化石燃料的燃燒所提供的熱能運行。例如，可使用化石燃料的燃燒來加熱水，將水注入氣體進行換熱?？墒褂檬軣岬臍怏w隨后在該可逆式壓縮機/膨脹機內(nèi)發(fā)生的膨脹來驅(qū)動發(fā)電機，并在沒有來自間歇性能量源或儲存的壓縮氣體供應(yīng)的動力時輸出動力。
[0268]圖15A顯示該實施例的簡化視圖，其中可逆式壓縮機/膨脹機1540與壓縮氣體源連通。該可逆式壓縮機/膨脹機還通過射流噴嘴1543與利用化石燃料燃燒能量源1544加熱的液體1542 (例如，水)液體連通。于是，按照本方式，該可逆式壓縮機/膨脹機可選擇性地構(gòu)造作為熱機運行。
[0269]另外，在某些實施例中，可使用化石燃料的燃燒來將水加熱成氣體本身進行膨脹(例如，蒸汽)。然后，可將該蒸汽直接弓I入可逆式壓縮機/膨脹機進行膨脹。
[0270]圖15B顯示該實施例的簡化視圖，其中可逆式壓縮機/膨脹機1540與輸入蒸汽1546選擇性地流體連通，這可由化石燃料燃燒能量源1544的加熱引起。該蒸汽可作為蒸汽渦輪機的運行部分產(chǎn)生。在一些實施例中，蒸汽可來自自然源，例如地熱活動。
[0271]盡管圖15A和圖15B顯示包括作為渦輪機轉(zhuǎn)子形式的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的裝置的使用，該渦輪機轉(zhuǎn)子構(gòu)造成基于蒸汽膨脹選擇性運行，但并不要求如此?？衫谜羝蛎涍M行旋轉(zhuǎn)運動的可動式構(gòu)件的實例包括但不限于螺桿、瓣輪、導(dǎo)葉、卷軸、內(nèi)齒輪油泵和準渦輪。
[0272]盡管圖15A和圖15B顯示包括構(gòu)造成基于蒸汽膨脹選擇性運行的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的裝置的使用，但并不要求如此。替代實施例可包括基于蒸汽膨脹選擇性運行的往復(fù)型構(gòu)件。
[0273]相應(yīng)地，圖15C顯示該實施例的簡化視圖，其中往復(fù)型可逆式壓縮機/膨脹機1551的腔室1550通過射流噴嘴1553與利用化石燃料燃燒能量源1554加熱的液體1552液體連通。于是，按照本方式，該可逆式壓縮機/膨脹機可選擇性地構(gòu)造作為熱機運行。
[0274]另外，在某些實施例中，可使用化石燃料的燃燒來將水加熱成氣體本身進行膨脹(例如，蒸汽)。然后，可將該蒸汽直接弓I入可逆式壓縮機/膨脹機進行膨脹。
[0275]圖MD顯示該實施例的簡化視圖，其中往復(fù)型可逆式壓縮機/膨脹機1561與輸入蒸汽1562選擇性地流體連通，這可由化石燃料燃燒能量源1564的加熱引起。該蒸汽可作為蒸汽渦輪機的運行部分產(chǎn)生。在一些實施例中，蒸汽可來自自然源，例如地熱活動。
[0276]可通過閥門操作來實現(xiàn)蒸汽之間的選擇性流體連通。在某些實施例中，閥門可包括雙路閥和/或多路閥的網(wǎng)絡(luò)。按此方式，可將可逆式壓縮機/膨脹機選擇性地構(gòu)造成作為蒸汽機運行。
[0277]應(yīng)注意，圖15D中的具體實施例固持射流噴嘴元件1563，實現(xiàn)液體與該腔室的連通。盡管在圖15D的具體運行模式中未使用，此等噴嘴可在其他運行模式中使用。在一些實施例中，可使用該噴嘴連通來自熱水形式的熱源(圖15中未顯示)的熱輸入，使氣體在腔室內(nèi)膨脹(和/或減小氣體在腔室內(nèi)膨脹時發(fā)生的溫度下降的數(shù)量)。還可使用噴嘴來連通來自熱匯的熱輸入，以減小氣體在腔室內(nèi)被壓縮時發(fā)生的溫度變化(增大)的數(shù)量。
[0278]9a.—種裝置，包括:
[0279]腔室，其與儲存氣體源選擇性流體連通，并與蒸汽源選擇性流體連通；
[0280]元件，其構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)不發(fā)生燃燒的情況下與在所述腔室內(nèi)膨脹的所述儲存氣體選擇性實現(xiàn)氣-液換熱；以及
[0281]構(gòu)件，其在所述腔室內(nèi)可動，以將膨脹的儲存氣體或蒸汽的動力通過機械連接輸送出所述腔室。
[0282]IOa.根據(jù)第9a條所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件被構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
[0283]Ila.根據(jù)第9a條或第IOa條所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件包括渦輪機轉(zhuǎn)子。
[0284]12a.根據(jù)第9a條所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件被構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)往復(fù)運動。
[0285]13a.根據(jù)第9a條或第12a條所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件包括實心活塞。[0286]14a.根據(jù)第9a條至第13a條中任一條所述的裝置，其中所述蒸汽源包括化石燃料的燃燒。
[0287]15a.根據(jù)第9a條至第14a條中任一條所述的裝置，其中所述蒸汽源包括蒸汽渦輪機。
[0288]16a.根據(jù)第9a條至第15a條中任一條所述的裝置，其中所述腔室被構(gòu)造為在接收到指示來自間歇式可再生能源的電力損失的信號時與所述蒸汽源流體連通。
[0289]盡管上述某些實施例與引入換熱流體作為氣體內(nèi)的液滴相關(guān)，但并不要求如此。具體的實施例可使用與換熱液體內(nèi)的氣泡之間進行氣-液換熱。圖16A至圖16C顯示可用于此目的的一實施例的各個視圖。
[0290]具體而言，圖16A是可逆式法蘭西斯(Francis)渦輪機1620的實施例的一部分的簡化俯視圖，該可逆式法蘭西斯渦輪機1620可構(gòu)造為或者作為壓縮機運行，或者作為膨脹機運行。法蘭西斯渦輪機1620包括轉(zhuǎn)子1622和高壓液體側(cè)1626與低壓液體側(cè)(在圖16B至圖16C中顯示為1628)之間的葉片1624。軸S與轉(zhuǎn)子1622物理連通，且可與發(fā)電機、馬達、或馬達-發(fā)電機(未顯示)物理連通。
[0291]圖16B是圖16A沿線A-A'截取的橫剖視圖，顯示被構(gòu)造作為壓縮機運行的實施例。具體而言，軸S被驅(qū)動旋轉(zhuǎn)(例如，被馬達或馬達-發(fā)電機)，從而導(dǎo)致該轉(zhuǎn)子和附接在該轉(zhuǎn)子上的葉片旋轉(zhuǎn)。此從動旋轉(zhuǎn)使液體從低壓部分流動到高壓部分。
[0292]氣體通過起泡器1630被引入低壓部分的液體。此氣體引入可為借助文丘管式作用的被動式和/或與氣體泵(例如為克服通過該起泡器的壓力降和水頭)組合的主動式。夾帶在流經(jīng)渦輪機的液體內(nèi)的氣泡被葉片的旋轉(zhuǎn)進行壓縮，在氣泡-液體界接的大表面區(qū)域上，氣體與周圍的液體之間發(fā)生換熱。
[0293]在該氣體壓縮之后，高壓側(cè)的氣體與液體在分離器1632中被分離，氣體流動到壓縮氣體儲存單元1634。然后，被分離的液體流經(jīng)換熱器1635以去除熱量，且然后流到作為馬達運行的泵/馬達1642，進行液體減壓并從其中回收能量。然后，減壓后的液體流回到低壓側(cè)，以再次接收氣泡供壓縮。
[0294]圖16C是圖16A沿線A-A'截取的橫剖視圖，顯示被構(gòu)造作為膨脹機運行的實施例。具體而言，壓縮氣體從壓縮氣體儲存單元通過起泡器1633作為氣泡被引入高壓側(cè)的液體。受壓空氣將驅(qū)動法蘭西斯渦輪機，泵1642供應(yīng)一些動力，因為它將水加壓到與氣體儲存相同的壓力。
[0295]高壓液體和其夾帶的氣泡在如圖所示方向上流經(jīng)法蘭西斯渦輪機，驅(qū)動葉片、附接的轉(zhuǎn)子和軸以與壓縮期間相反的方向旋轉(zhuǎn)。在氣泡-液體界接的大表面區(qū)域上，膨脹氣體與周圍的液體發(fā)生換熱。
[0296]在膨脹之后，氣體和液體在分離器1640中被分離，膨脹后的氣體流出該系統(tǒng)。然后，分離出來的液體被泵/馬達1642泵送流過換熱器以增加熱量，然后流到高壓側(cè)以再一步接收氣泡進行更多的膨脹。
[0297]盡管本具體實施例顯示引入渦輪機上游的氣體，但并不要求如此。根據(jù)某些實施例，可證明在某處將氣泡直接引入渦輪機是有益的，例如減少氣泡聚集，從而維持具有許多表面區(qū)域的小氣泡進行換熱?？赏ㄟ^殼體和/或通過葉片本身將氣泡直接引入渦輪機。
[0298]盡管圖16A至圖16C的具體實施例描述具有離心定向的法蘭西斯渦輪機，但并不要求如此。替代實施例可具有其他定向，包括但不限于軸向定向?？ㄆ仗m型渦輪機和Deriaz型渦輪機可為可逆式，以進行壓縮或膨脹運行。
[0299]另外，盡管圖16A至圖16C的具體實施例介紹可逆式的作為泵被驅(qū)動的法蘭西斯渦輪機，但并不要求如此。替代實施例可使用專用于進行氣體膨脹或壓縮的單獨裝置。專用壓縮機可使用離心式或徑向式葉輪。專用膨脹機可使用佩爾頓輪(Pelton wheel)。
[0300]17a.—種裝置，包括:
[0301]腔室，其與液體回路選擇性流體連通，所述液體回路包括液體；
[0302]起泡器，其構(gòu)造成將氣體的氣泡從壓縮氣體儲存單元引入所述液體；以及
[0303]第一可動式構(gòu)件，其可旋轉(zhuǎn)，以通過機械連接將在所述液體內(nèi)膨脹的所述氣泡輸送出所述腔室，其中所述液體回路的氣-液分離器被構(gòu)造為接收來自所述腔室的氣-液混合物。
[0304]18a.根據(jù)第17a條所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件包括液體渦輪機。
[0305]19a.根據(jù)第18a條所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括離心式渦輪機。
[0306]20a.根據(jù)第17a條所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括可逆式渦輪機。
[0307]21a.根據(jù)第20a條所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括法蘭西斯渦輪機。
[0308]22a.根據(jù)第17a條至第21a條中任一條所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括專用渦輪機，所述裝置進一步包括專用壓縮機。
[0309]23a.根據(jù)第22a條所述的裝置，其中所述專用壓縮機包括第二起泡器，所述第二起泡器構(gòu)造為弓I入氣泡供第二腔室內(nèi)的第二可動式構(gòu)件進行壓縮。
[0310]24a.根據(jù)第17a條至第23a條中任一條所述的裝置，其中所述第一可動式構(gòu)件包括推進器。
[0311]25a.根據(jù)第17a條至第23a條中任一條所述的裝置，其中所述第一可動式構(gòu)件包括斗葉。
[0312]26a.根據(jù)第18a條所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括軸向渦輪機。
[0313]如上所述，根據(jù)本發(fā)明的壓縮氣體系統(tǒng)的元件可通過一個或多個連接與其他結(jié)構(gòu)連通，如圖17中通用的繪示。壓縮氣體能量系統(tǒng)1700與外部元件之間的此等連接可包括物理連接1702，例如機械連接、液壓連接、磁性連接、電磁連接、電氣連接或氣動連接。
[0314]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例之間其他可能的連接類型包括熱連接1704，熱連接1704可包括用于液體、氣體和固體材料的導(dǎo)管、管道、泵、閥門、開關(guān)、再生器和換熱器，包括交叉流式換熱器。
[0315]如圖17中進一步顯示，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實施例與外部元件之間其他可能的連接類型包括流體連接1706和通信連接1708。前者的實例包括氣相或液相的材料流動，并可包括導(dǎo)管、閥門、泵、儲蓄池、蓄能器、瓶子、噴射器以及其他結(jié)構(gòu)。
[0316]通信連接的實例包括有線或光纖連接1710a和無線通信網(wǎng)絡(luò)1710b，無線通信網(wǎng)絡(luò)1710b局域工作，或者在廣域內(nèi)工作?？蛇m合用于根據(jù)本發(fā)明的實施例的通信網(wǎng)絡(luò)的實例包括但不限于以太網(wǎng)、控制器局域網(wǎng)(CAN)、無線局域網(wǎng)(WiFi)、藍牙、數(shù)字用戶線路(DSL)、專用微波鏈路、SCADA協(xié)議、美國能源部的NASPInet、美國國防部的SIPRNet、IEEE802.11、IEEE802.15.4、幀中繼、異步傳輸模式(ATM)、IEC14908、IEC61780、IEC61850、IEC61790/61968、IEC61334、IEC62056、ITU-T G.hn、SONET、IPv6、SNMP、TCP/IP、UDP/IP、高級計量架構(gòu)以及智能電網(wǎng)協(xié)議。
[0317]在一定體積的處于給定壓力的空氣中儲存的功的數(shù)量，以及在圖17的系統(tǒng)1700中儲存的功的數(shù)量可如下所述計算。
[0318]數(shù)量W/^代表儲存容器中單位體積儲存的功的數(shù)量。這是儲存能量密度?？衫靡韵鹿酱_定該能量密度:
【權(quán)利要求】
1.一種從壓縮氣體回收能量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 壓縮氣體儲存單元； 第一腔室，其界定在壁內(nèi)并選擇性地與所述壓縮氣體儲存單元流體連通，以接收壓縮氣體； 第一氣翼，其構(gòu)造為用于在不發(fā)生燃燒的情況下響應(yīng)所述壓縮氣體的膨脹來驅(qū)動所述第一腔室內(nèi)的轉(zhuǎn)子； 元件，其構(gòu)造為實現(xiàn)與所述膨脹壓縮氣體進行氣-液換熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼和所述第一腔室內(nèi)的所述轉(zhuǎn)子界定軸向渦輪機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼和所述第一腔室內(nèi)的所述轉(zhuǎn)子界定離心式渦輪機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機包括單向渦輪機。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機包括雙向渦輪機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一腔室通過換熱器與所述壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所 述的系統(tǒng)，其中所述換熱器與熱儲存單元選擇性熱連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述熱儲存單元包括處于大氣壓力下的液體水。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述元件包括與所述第一腔室流體連通的液體噴射器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述液體噴射器通過上游混合腔與與所述第一腔室流體連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括定位在所述第一氣翼的下游并構(gòu)造為由進一步膨脹的氣體驅(qū)動的第二氣翼。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，進一步包括: 第一液體噴射器，其定位在所述第一氣翼的上游，以實現(xiàn)與所述膨脹氣體進行氣-液換熱；以及 第二液體噴射器，其定位在所述第一氣翼與所述第二氣翼之間，以實現(xiàn)與所述進一步膨脹的氣體進行氣-液換熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述第二氣翼定位在所述第一腔室內(nèi)，以界定另一渦輪機級。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼包括易彎曲性材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一氣翼設(shè)計為基于隨時間的磨損曲線進行定期更換。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括與所述轉(zhuǎn)子連通的電氣發(fā)電機。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)子與能量源選擇性連通，以驅(qū)動所述第一氣翼來壓縮所述腔室內(nèi)的氣體，并使壓縮后的氣體流動到所述壓縮氣體儲存單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述能量源包括馬達、燃燒渦輪機、風力渦輪機或蒸汽渦輪機。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)構(gòu)造為:接收信號；以及 基于所述接收的信號，控制閥門使壓縮氣體流動到所述第一腔室內(nèi)，以使與所述轉(zhuǎn)子連通的發(fā)電機向供電網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)電力，以補償產(chǎn)生發(fā)電資產(chǎn)的緩升階段。
20.一種從壓縮氣體回收能量的方法，所述方法包括: 使壓縮氣體從壓縮氣體儲存單元流動進入腔室，所述腔室具有可動式構(gòu)件，所述可動式構(gòu)件耦接到轉(zhuǎn)子； 使所述壓縮氣體在所述腔室內(nèi)膨脹，并在不發(fā)生燃燒的情況下驅(qū)動所述可動式構(gòu)件和所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)； 實現(xiàn)與在所述腔室內(nèi)膨脹的所述壓縮氣體進行氣-液熱交換； 利用所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電力。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中通過將液體噴射進入所述腔室來實現(xiàn)所述氣-液熱交換。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中通過將液體噴射進入定位在所述腔室上游的混合腔來實現(xiàn)氣-液熱交換。
23.根據(jù)權(quán)利要求2 0所述的方法，其中通過使所述壓縮氣體經(jīng)過液體產(chǎn)生氣泡來實現(xiàn)氣-液熱交換。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進一步包括: 使膨脹氣體從所述可動式構(gòu)件流動到第二可動式構(gòu)件； 使所述膨脹氣體進一步膨脹并驅(qū)動所述第二可動式構(gòu)件旋轉(zhuǎn)； 與所述進一步膨脹的氣體實現(xiàn)氣-液熱交換。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進一步包括: 使所述轉(zhuǎn)子與能量源選擇性地連通； 使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所述可動式構(gòu)件并壓縮所述腔室內(nèi)的氣體； 與在所述腔室內(nèi)被壓縮的所述氣體之間實現(xiàn)氣-液熱交換； 使在所述腔室內(nèi)經(jīng)過壓縮的所述氣體流動到壓縮氣體儲存單元，或者流動到下一較高的壓力級。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中所述能量源包括馬達或第二渦輪機。
27.一種裝置，包括: 腔室，其與壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通； 元件，其構(gòu)造成實現(xiàn)在所述腔室內(nèi)不發(fā)生燃燒的情況下與在所述腔室內(nèi)膨脹的氣體實現(xiàn)氣-液熱交換；以及 渦輪機，其在所述腔室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)以通過機械連接將膨脹氣體的動力輸送出所述腔室，所述渦輪機包括可彎曲性渦輪機葉片，所述可彎曲性渦輪機葉片構(gòu)造成可響應(yīng)于旋轉(zhuǎn)力而具有的形狀。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述可彎曲性渦輪機葉片還構(gòu)造為被選擇性地驅(qū)動，以壓縮所述渦輪機內(nèi)的氣體。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述腔室通過逆流式換熱器與所述壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，進一步包括:第二腔室，其與壓縮氣體儲存單元選擇性流體連通； 第二元件，其構(gòu)造成與在所述第二腔室內(nèi)被壓縮的氣體實現(xiàn)氣-液熱交換；以及第二渦輪機，其構(gòu)造成被第二機械連接驅(qū)動以在所述第二腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而使第二可彎曲性性渦輪機葉片壓縮所述第二腔室內(nèi)的氣體。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述渦輪機包括軸向渦輪機。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述渦輪機包括離心式渦輪機。
33.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述渦輪機包括單向渦輪機。
34.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中所述渦輪機包括雙向渦輪機。
35.一種裝置，包括: 腔室，其與儲存氣體源選擇性流體連通，并與蒸汽源選擇性流體連通； 元件，其構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)不發(fā)生燃燒的情況下與在所述腔室內(nèi)膨脹的所述儲存氣體選擇性實現(xiàn)氣-液熱交換；以及 構(gòu)件，其在所述腔室內(nèi)可動，以將膨脹的儲存氣體或蒸汽的動力通過機械連接輸送出所述腔室。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所 述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件被構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件包括渦輪機轉(zhuǎn)子。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件被構(gòu)造為在所述腔室內(nèi)往復(fù)運動。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中所述可動式構(gòu)件包括實心活塞。
40.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述蒸汽源包括燃料的燃燒。
41.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述蒸汽源包括蒸汽渦輪機。
42.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述腔室被構(gòu)造為在接收到來自間歇式可再生能源的電力損失的信號時與所述蒸汽源流體連通。
43.一種裝置，包括: 腔室，其與液體回路選擇性流體連通，所述液體回路包括液體； 起泡器，其被構(gòu)造成將氣體的氣泡從壓縮氣體儲存單元引入所述液體；以及第一可動式構(gòu)件，其可旋轉(zhuǎn)，以通過機械連接將在所述液體內(nèi)膨脹的所述氣泡而產(chǎn)生的功輸送出所述腔室， 其中所述液體回路的氣-液分離器被構(gòu)造為接收來自所述腔室的氣-液混合物。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一可動式構(gòu)件包括液體渦輪機。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括離心式渦輪機。
46.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括可逆式渦輪機。
47.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括法蘭西斯(Francis)渦輪機。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括專用渦輪機，所述裝置進一步包括專用壓縮機。
49.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一可動式構(gòu)件包括葉片。
50.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述第一可動式構(gòu)件包括斗葉。
51.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述液體渦輪機包括軸向渦輪機。
52.一種裝置，包括: 元件，其構(gòu)造為在腔室內(nèi)與氣體實現(xiàn)氣-液熱交換； 機械連接，其選擇性構(gòu)造為將動力傳輸至所述腔室內(nèi)，以使可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在所述腔室內(nèi)對氣體進行壓縮，所述機械連接被構(gòu)造為當負荷下降到低于基線時與基線發(fā)電資產(chǎn)進行選擇性連通。
53.根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中當所述負荷上升到高于所述基線時: 所述腔室被構(gòu)造為與壓縮氣體儲存單元進行選擇性流體連通；以及 所述機械連接被構(gòu)造為將所述腔室內(nèi)膨脹的氣體的動力傳輸?shù)剿銮皇抑庵涟l(fā)電機。
54.根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述機械連接與間歇式可再生能源選擇性連通，以使所述可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件壓縮所述腔室內(nèi)的氣體。
55.根據(jù)權(quán)利要求52所述的裝置，其中所述可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件包括渦輪機。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的裝置，其中所述渦輪機包括氣體渦輪機。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的裝置，其中所述渦輪機包括液體渦輪機。
【文檔編號】F02C7/00GK103814199SQ201280045853
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月20日
【發(fā)明者】艾德文·P·小柏林, 史蒂芬·E·克萊恩, 阿米爾侯賽英·波莫薩·阿比克娜, 丹尼爾·A·方, 卡爾·E·斯塔卡夫 申請人:光帆能源公司