CN108291687A - 可变压力容器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种可变压力容器。该容器包括液体室和气体室以及液体室与气体室之间的可移动屏障。容器具有体积、第一冲程和第二冲程。液体室和气体室各自具有响应于第一冲程和第二冲程而改变的可变体积。气体室具有外部壁，其中，外部壁的至少一部分是导热的并且允许热量通过外部壁传递。液体室与气体室之间的可移动屏障的移动使得液体室的体积和气体室的体积彼此替代。气体室的体积和液体室的体积之和大致恒定并且大致等于可变压力容器的体积。

Description

可变压力容器
技术领域
本公开涉及可变压力容器并且具体地涉及可在能量存储系统中使用的可变压力容器。
背景技术
气体的压缩在许多技术中是非常重要的过程。当压缩或缩小理想气体或接近于理想气体的体积时，除了气体压力增加之外，还会产生热量。当由于气体压缩而产生的热量通过例如与周围环境的热交换从压缩气体去除时，该过程是等温的。
气体的膨胀是与压缩过程相对的过程。在膨胀期间，气体压力降低并且热量通过气体膨胀而消耗。为了实现等温条件，例如通过从周围环境到膨胀气体的传热来供应由膨胀气体消耗的热量。
气体压缩/气体膨胀通常用于压缩空气能量储存系统(CAES)中的能量的储存，等温状态允许能量损失最小化，并且因此最大化整体存储效率。
在实际操作中，真正的或理论上的等温压缩/等温膨胀即使不是不可能的也是困难的。为了实现真正的或理论上的等温压缩/等温膨胀，在压缩气体/膨胀气体与周围环境之间需要存在零温差。这需要无限的传热面积或无限的传热时间或两者。现实的压缩过程/膨胀过程可以在不同程度上接近理论上的等温压缩/等温膨胀。在这里，术语伪等温压缩用于描述等熵与真等温之间的压缩。在伪等温压缩中，一些热量从压缩气体去除，但是该热量比真正等温压缩时要去除的热量少。
最近，PCT申请PCT/CA2013/050972和PCT/CA2015/050137中公开了用于气体的伪等温压缩和膨胀的过程和装置。现有技术参考文献示出了基于使用液体的压缩和膨胀的过程，该液体被泵入到气体/液体压缩设备中并从气体/液体膨胀设备中推出。液体起到“液体活塞”的作用。在现有技术参考文献中，液体和压缩/膨胀气体直接接触(即，存在气-液界面)。在这些公开中，热量通过以下机理中的一个或任何组合从压缩气体传递到周围环境。加热通过压缩设备的壁从压缩气体直接传递到周围环境。热量首先通过气体和液体活塞的界面从气体间接传递到液体活塞，并且然后从液体传递到周围环境。热量首先从气体间接传递到固体散热器，然后从固体散热器传递到液体，并且最后从液体传递到周围环境。此外，传热机理在膨胀期间是相同的，但是热量在相反的反向上(从周围环境朝向膨胀气体)传递。
如上所述，在现有技术参考文献中，存在直接的气液接触。接触气体的液体表面的存在导致了几个问题。以下列出这些问题中的一些。气体在液体中的溶解(在气体压力增加期间)、随后发生溶解的气体从液体释放以及气体气泡的形成(在气体压力下降期间)导致压缩效率和膨胀效率中的每个的降低。当形成液体表面的波动和其他类型的移动且液体起泡时，压缩/膨胀设备的液体的一部分(形成液体活塞)与离开压缩/膨胀设备的气体一起由于(但不限于)压缩/膨胀容器中的液体的移动而损失。当液体的一部分与压缩或膨胀气体一起从压缩/延伸设备排出时，这导致压缩效率/膨胀效率的降低，并且还导致压缩/膨胀设备的液体的损失。起泡可以是以下两个主要过程的结果：气泡通过气液界面夹带在液体中；以及当由于压力下降和/或温度升高而使溶解的气体从液体中释放时形成气泡。本过程与当打开瓶子且饮料上方的压力降低时在碳酸饮料中形成气体(二氧化碳)气泡类似。
因此，提供一种提供改善的传热机理的可变压力容器将是有益的。
发明内容
本公开涉及可变压力容器。该容器包括液体室和气体室以及液体室与气体室之间的可移动屏障。容器具有体积、第一冲程和第二冲程。液体室和气体室各自具有响应于第一冲程和第二冲程而改变的可变体积。气体室具有外部壁，其中，外部壁的至少一部分是导热的并且允许热量通过外部壁的至少一部分传递。液体室与气体室之间的可移动屏障的移动导致液体室的体积和气体室的体积彼此替代。气体室的体积和液体室的体积之和是大致恒定的并且大致等于可变压力容器的体积。
可移动屏障可具有可响应于第一冲程和第二冲程而为大致恒定的表面面积。可移动屏障可为囊状件。可移动屏障可为柔性的。可移动屏障可为聚合物袋状件。
气体室可由板和可移动屏障限定。板可具有高导热性。板可为金属板、金属合金板、碳复合材料板。
空气室可由内部管和柔性外部囊状件限定。可移动屏障可为波纹管。波纹管可包括位于波纹管内部的波纹管元件以在波纹管完全收缩时占据波纹管的中央部分。
可移动屏障可为多个囊状件。可移动屏障可为长型蛇状柔性管。
压力容器可由壁限定，气体室可至少部分地由可移动屏障限定，并且液体室可为气体室与压力容器的壁之间的体积。
气体室可由板和可移动屏障限定。板可为金属板、金属合金板或碳复合材料板。
气体室可由内部中空圆柱形管和可移动屏障限定。可移动屏障可在内部中空圆柱形管的外部。可移动屏障可在内部中空圆柱形管的内部。
内部中空圆柱形管限定内部体积，并且内部体积可与液体室流动连通并形成液体室的一部分。
内部中空圆柱形管限定内部体积，并且内部体积可与可在压力容器的外部的入口和出口流动连通。内部中空圆柱形管的内部体积可填充有传热流体。
内部中空圆柱形管可由金属、金属合金或碳复合材料制成。
可变压力容器可为大致圆柱形的容器。压力容器可由壁限定，气体室可至少部分地由可移动屏障限定，并且气体室可为液体室与压力容器的壁之间的体积。
可变压力容器可为大致圆柱形的容器，并且可移动屏障可为在其每个端部处附接到大致圆柱形的容器的大致管状的囊状件，并且气体室可由大致管状的囊状件和大致圆柱形的容器限定。
液体室和气体室之间具有界面，并且能够计算界面的传热系数的值为
K＝[P1V1AΔT/δtstroke)]In(p1/p2)
并且在气体压缩过程中，p1是初始气体压力，p2是在压缩之后的最终气体压力，A是传热的表面，ΔT是初始温度与最终温度之间的差，tstroke是压缩冲程的时间，V1是在压缩冲程开始时的气体体积，δ是壁厚度，并且在气体膨胀的过程中，V1是在膨胀循环结束时的气体体积，p1是在气体膨胀开始时的气体压力，p2是在膨胀结束时的最终气体压力，并且界面的材料的传热系数大于或等于所计算的K。
进一步的特征将在以下详细描述的过程中进行描述或将变得显而易见。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式对实施方式进行描述，在附图中：
图1是示出气体在可变体积外壳内部的并且液体在可变体积外壳外部以及附接到泵的可变压力容器的示意图；
图2是与图1中示出的可变压力容器类似的可变压力容器的示意图，但是图2示出了液体在可变体积外壳内部且气体在可变体积外壳外部；
图3是与图1中示出的可变压力容器类似的可变压力容器的示意图，但是图3示出了作为波纹管的可变体积外壳；
图4是与图3中示出的波纹管类似的波纹管的示意图，但是图4示出了完全挤压的波纹管以及位于波纹管的中央部分中的元件；
图5是与图1中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图5示出了以流动连接的多个可变体积外壳；
图6是与图1中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图6示出了作为长型柔性管的可变体积外壳的替代实施方式；
图7是与图1中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图7示出了作为导热板和柔性囊状件的可变体积外壳，并且示出了处于压缩冲程中的泵；
图8是与图1中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图8示出了大致完全压缩的泵；
图9是与图7和图8中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图9示出了处于膨胀冲程中的泵；
图10是与图6中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图10示出了内部中空管和外部套管，并且内部管填充有传热流体并且与可变压力容器外部的入口和出口流动连通；
图11是与图10中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图11示出了与液体流动连通的内部管；
图12是与图11中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图12还包括与泵的连接件，使得来自泵的液体与内部管直接流动连通。
图13是与图12中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图13还包括用于可变压力容器的流体夹套；
图14是与图12中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图14还包括加热和冷却翅片；
图15是与图12中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图15还包括液体出口；
图16是与图10中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图16示出了外部中空管和内部套筒；
图17是与图1中示出的可变压力容器类似的示意图，但是图17示出了由柔性屏障和可变压力容器的壁限定的、填充有空气的可变体积外壳。
具体实施方式
当压缩气体(即，气体的体积减小)时，气体的压力升高并产生热量。当气体膨胀(即，气体的体积增加)时，气体的压力降低同时气体消耗热量。以理论上100％的效率压缩和膨胀气体的一个方法是通过等温地压缩和膨胀气体。在等温压缩和等温膨胀中，在压缩期间产生的热量完全地且同时地传递到周围环境(在压缩期间)，并且在膨胀期间由气体消耗的热量完全地且同时地从周围环境传递(在膨胀期间)。因此，在等温压缩或等温膨胀期间，压缩气体或膨胀气体的温度在压缩或膨胀过程期间保持恒定。
本公开目的在于降低压缩/膨胀气体与用于压缩或膨胀气体的(液体活塞的)液体的直接接触的负面影响。
本公开基于使用具有可变体积、将压缩/膨胀液体(液体活塞)与待压缩或膨胀的气体分离的外壳或容器。可变体积(可收缩的)外壳的壁(以及此外可能的一些填充元件和/或内部和/或外部翅片)用于在压缩气体或膨胀气体与液体活塞的液体之间传递热量。
参考图1，可变压力容器通常用10表示。可变压缩容器10用于压缩和/或膨胀。可变压力容器包括液体室12和气体室14。液体室12与液压缸16或另一类型的泵设备流动连通。液体室12与气体室14之间存在可移动屏障。可变压力容器10存在许多可能的不同的配置。可变压力容器10具有第一冲程和第二冲程。在第一冲程期间，液体从液体室12抽出并且空气被吸入到空气室或气体室14中。在第二冲程期间，空气被推出空气室14、进入到接收罐18中。将由本领域技术人员理解的是，本文中描述的过程是两冲程过程，其中，第一冲程是压缩冲程，并且另一冲程是膨胀冲程。在下文，将根据上下文使用通用术语第一冲程和第二冲程以及更具体的压缩冲程和膨胀冲程。
在图1中示出的配置中，柔性(可变体积)外壳20由液体室12中的液体(液体活塞)围绕。柔性外壳20是液体室12与气体室14之间的可移动屏障。柔性外壳20可为塑料袋状件或任何其他类型的聚合物袋状件。柔性外壳20对于气体和液体应为化学稳定的，并且柔性外壳20应该是足够柔性的，使得当柔性外壳20受到挤压时，大部分空气可以被挤出或排出。柔性外壳20限定空气室14。液体室12是可变压力容器10的壁27与柔性外壳20之间的体积。在气体压缩的过程中，在第一冲程期间，当液体通过连接件22从可变压力容器10中的液体室12回缩时，作为气体室14的柔性外壳20通过阀24(其可为止回阀)填充低压气体。
当可变压力容器10用于气体膨胀时，一定量的压缩气体被引入到空气室，并且空气室由于其膨胀而将液体从液体室12排出。流出液体室12的液体用于在分离的往复运动单元16(例如，液压缸)或旋转(例如，液体电动机)单元(未示出)中产生机械能。
在压缩期间通过压缩气体产生的热量传递到液体室12中的液体或传递到可变压力容器10外部的周围环境，并且从液体室12中的液体传递在膨胀期间通过膨胀气体消耗的热量。
在气体压缩的情况下，在第一冲程期间，接收罐18与气体室14之间的阀26关闭，而阀24打开。在下一步骤或第二冲程中，液体通过连接件22推回到可变压力容器10的液体室12中，从而增加空气室14内的气体的压力。当空气室14中的压力变得接近于接收气体罐18中的压力时，阀26(其可为止回阀)打开，并且压缩气体提填充罐18。在该冲程期间，阀24关闭。然后，通过开始步骤一或第一冲程并且随后进行步骤二或第二冲程来重复气体压缩的过程。
液压缸16包括向内和向外移动的往复式活塞28。液压缸16或另一类型的泵设备用于在压缩冲程期间通过连接件22将液体泵入到可变压力容器10的液体室12中，并且在回缩冲程期间接收来自液体室12的液体。
气体膨胀的过程与气体压缩的过程类似。在膨胀过程期间，在第一步骤或第一冲程中，来自压缩气体罐18的一定量的压缩气体通过阀26引入到柔性外壳20。在此时，阀24关闭。举例来说，引入到可变体积外壳20(袋状件)的压缩气体的体积可选择为，使得可变体积外壳20中的压力将达到接近于膨胀冲程结束时的期望最终压力。压缩空气将液体推出液体室12，从而产生使液体流出连接件22并流入到液压缸16中的机械能。在第二步骤或第二冲程中，液体通过连接件22泵入到液体室14中，从而通过阀24排出膨胀气体；阀26关闭。然后，重复第一冲程和第二冲程。因此，本文中描述的可变压力容器可以用于能量存储系统中。
图2与图1中示出的可变压力容器类似，但是柔性外壳20是液体室12，并且空气室14由柔性外壳20与可变压力容器10的壁27之间的体积限定。步骤或冲程与以上关于图1所描述的相同。在气体压缩的情况下，在压缩冲程(步骤1)结束时，柔性外壳20外部的大多数或所有的气体被推到接收罐或接收容器18，因此几乎没有气体保留在柔性外壳20外部的空气室14中。
优选地，空气室14与液体室12之间的界面具有大的表面面积并且界面的一种或多种材料具有高导热性。大的表面面积和高导热性有助于通过外壳壁的传热。可以以不同的方式增加界面的表面面积，其中的一些在图3至图6中示出并且仅以示例的方式示出。其他可能的界面在图7至图17中示出并且仅以示例的方式示出。
图3示出了当外壳30具有波纹管的形状时的实施方式。波纹管30设计成使得在压缩循环结束时(或在膨胀循环开始时)，波纹管内部的气体的体积最小。图4中示出了这种设计的示例。在本实施方式中，元件32占据完全挤压的波纹管30的中央部分处的体积，从而减少在压缩循环结束时以及膨胀循环开始时留在波纹管30中的气体量。
图5示出了彼此平行连接的多个相互连接的柔性袋状件34形式的外壳。如所能够看出的，本实施方式的优点在于其增加了表面面积。增加的表面面积可以提供更好的传热。然而，本实施方式的缺点在于，它更难以将空气完全排出空气室14。
图6示出了当外壳是蛇状长柔性管36时的实施方式，安装在可变压力容器10中的蛇状长柔性管36与动物腹部中的肠类似。管36的表面可为光滑的或非光滑的。如上文中所讨论的，外壳设计的最重要的条件之一是在压缩循环结束时或膨胀循环开始时完全排出气体或接近于完全排出气体。
如上文中所讨论的，现有技术专利申请PCT/CA2013/050972和PCT/CA2015/050137公开的压缩空气能量储存系统基于通过将液压液体从泵或液压缸移动到压缩容器来压缩空气。将由本领域技术人员理解的是，当膨胀单元中注入的压缩气体膨胀并将液压液体从膨胀单元移动到一个或多个液压缸中时，也可以使用相同的系统进行气体(空气)膨胀。现有技术公开了一种电动机/发电机的旋转运动到液压缸的往复运动的机械转换器。替代地，旋转电动机/发电机和转换器可以由线性电动机代替，从而驱动液压缸。压缩/膨胀系统的最重要的元件之一是用于同时压缩/膨胀并且传热的单元或压缩容器。这两个PCT申请公开了可以用于本申请中的多级液体活塞压缩或膨胀容器。此外，这两个PCT申请公开了一种组合的液压缸和压缩/膨胀容器，两者均装在单个圆柱形容器中。该特征也可以在本申请中使用。
图7至图9中示出了可变压缩容器10的替代实施方式。图7至图9中示出了压缩循环/膨胀循环的不同的阶段。
柔性外壳20的重要性质在于其柔性，在图1至图6中示出的实施方式中，柔性外壳20、柔性袋状件34、柔性波纹管30和柔性管36可由塑料或橡胶制成。隔离气体室和液体室的壁的传热系数的值可以根据以下公式进行计算：
K＝[P1V1AΔT/δtstroke)]In(P1/p2) (1)
其中，在气体压缩的过程中，p1是初始气体压力，p2是在压缩之后的最终气体压力，A是传热的表面，ΔT是初始温度与最终温度之间的差值，tstroke是压缩冲程的时间，V1是压缩冲程开始时的气体体积，δ是壁厚度。
在气体膨胀过程中，V1是膨胀循环结束时的气体体积，p1是气体膨胀开始时的气体压力，p2是膨胀结束时的最终气体压力。其余符号与压缩过程中相同。屏障的材料的常数K的绝对值应该大于或等于所计算的K。
将由本领域技术人员理解的是，通过使用非常小的δ壁厚度，诸如具有低传热系数的聚合物的材料可以实现通过可移动屏障的良好的传热。替代地，对于诸如金属、金属合金、或金属复合材料或碳纤维复合材料的材料，可使用更大的δ壁厚度。
将由本领域技术人员理解的是，聚合物材料具有比其他材料低的导热率。通常，具有较高导热率的材料(诸如，金属，金属复合材料或碳复合材料、或金属合金)的柔性较差。因此，使用两种材料的柔性外壳可为最佳的。图7至图17示出了其中气体与液体之间的或气体与周围环境之间的界面的至少一部分由高导热物质制成的实施方式。高导热物质可为具有高导热率的金属或另一物质。
图7至图9示出了这种解决方案的示例，其中，气体室14与液体12通过两件式分离器分离，该两件式分离器包括通常具有低导热率的柔性囊状件40以及非十分柔性但高导热率的壁42。囊状件40和壁42通过气密连接件44连接。
图7至图9示出了气体压缩的不同的阶段。图7具体示出了气体压缩的压缩阶段。在此阶段，止回阀46关闭。在第一阶段开始时，止回阀48也关闭。液压缸16的活塞28回缩(在图中向左移动)。这使得缸16中的液压流体(液体)朝向可变压缩容器10移动(流体的运动以箭头50示出)。液体室12中的液体的体积的增加引起囊状件40的收缩，从而导致气体室14中的气体的压缩。一旦气体的压力变得接近于压缩空气储存容器18中的压力，止回阀48打开，从而允许压缩空气进入容器18(由箭头52示出)。液体的总体积被选择成使得囊状件40在活塞28完全回缩时几乎完全收缩(几乎将所有气体排放到容器18中)。图8中示出了该点(完成活塞回缩)。
一旦活塞28完全回缩(到达图8中所示的活塞28的左极限)，几乎所有的气体都被转移到容器18，并且止回阀48关闭。如图9中所示，在此点之后，活塞28反向其移动方向并且开始伸出(向右移动)。在此阶段，止回阀46打开；止回阀48关闭。离开液体室12的液体(遵循箭头54)的体积由通过止回阀46进入囊状件40的新鲜气体代替。新鲜气体输入的过程一直持续到活塞28到达其完全伸出处(右侧极限)。然后，活塞再次开始回缩，并且通过返回到第一阶段(由图7表示)重复压缩循环。
将由本领域技术人员理解的是，止回阀48和46仅作为示例，并且还可使用其他阀，诸如，螺线管阀。
可以使用图7至图9中示出的相同的单元执行气体膨胀。然而，在膨胀期间，阀48和46不是止回阀，而是诸如螺线管的可控阀。第一步骤或膨胀是将一定量的压缩气体从压缩气体储存容器18添加到囊状件40。刚好在活塞28的回缩开始时(图9)，阀48打开一段时间，使得预定量的压缩气体进入囊状件40。PCT/CA2013/050972和PCT/CA2015/050137中公开了压缩气体的量。压缩气体将来自液体室12的液体推向缸16(箭头56)，从而移动(伸出)活塞28、产生机械运动。一旦活塞完全伸出，活塞就开始回缩(图7)。在回缩开始时，阀46打开并且膨胀气体被推出囊状件40。在活塞28的整个回缩循环期间(直到活塞到达其左极限)，阀46保持打开，并且阀48保持关闭。然后，如上所述，膨胀循环通过活塞开始伸出并且阀46短暂打开以向囊状件添加一定量的压缩气体而重复。
图10中示出了可变压缩容器10的替代实施方式。在这里，高导热材料具有管60的形状，管60具有圆形截面、矩形截面或其他截面。管60由柔性囊状件62的套筒围绕。管和囊状件通过连接件64气密连接。以上参考图7至图9解释的气体压缩的三个阶段在这里是类似的。热量通过管60的壁在压缩(或膨胀)气体与管60的内部体积中的流体66之间传递。流体66可为气体或液体。管60的内部体积与液体室12中的液体分离。传热流体66通过连接件68进入，并且通过连接件70离开。在图10中示出的单元中执行的膨胀过程遵循以上描述的阶段。
图11示出了图10中示出的可变压缩容器的修改。在图11中，传热内部管60的两个端部均敞开，并且管60由来自液体室12的液体填充。因此，热量在气体室14中的气体与液体室12中的液体之间传递。
图12示出了图11中示出的可变压缩容器的进一步修改。在本实施方式中，液压缸16通过连接器72连接到内部管60。然后，内部管60中的液体与液体室12中的液体流动连通。本实施方式将提供与图10和图11中示出的实施方式的传热特性不同的传热特性。
如上文中所讨论的，由于液体(在压缩期间)加热或(在膨胀期间)冷却，因此(在压缩期间)去除热量或(在膨胀期间)添加热量。理想的是，在压缩和膨胀两者期间均保持液体室12中的液体的大致恒定的温度。如上文中所讨论的，气体室14中的气体与液体室12中的液体之间将存在传热。通过可变压缩容器10的壁27，可变压缩容器10中的液体和/或气体与大气之间也将存在传热。图13和图14示出了改善通过壁27的传热的两种可能的方式。图13示出了通过使用由流体76冷却或加热的夹套74来通过可变压力容器10的壁27去除液体室12中的液体的热量或将热量添加到液体室12中的液体。图14示出了其中可变压力容器10的壁27包含翅片78或类似元件的实施方式，其中，翅片78或类似元件有助于将热量更好的传递到周围大气或从周围大气更好的传递热量。
图15示出了其中液体室12中的液体周期性地抽出到指向外部传热单元(未示出)的端口80或从指向外部传热单元(未示出)的端口80周期性地添加液体的实施方式。通过端口80抽出和添加的液体的量应该大致相同。当液体室12中的液体的压力低时，优选在活塞伸出期间(当单元用于气体压缩时)或在回缩期间(当单元用于气体膨胀时)通过端口80添加或抽出液体。
图16中示出了柔性囊状件82和传热管或元件84的组合的另一实施方式。如图10至图15的实施方式中那样，管84用作传热元件。热量也在气体室14中的气体与液体室12中的液体之间传递。然而，柔性管形式的柔性囊状件82位于传热管84的内部。囊状件82和传热管84通过连接件86气密连接。
将由本领域技术人员理解的是，空气室14可具有任何形状。空气室14承受比压缩气体的最高压力高(在压缩期间)或比膨胀气体的初始压力高(在膨胀期间)的压力。
在图17中示出的实施方式中，气体室14由柔性囊状件90和可变压缩容器10的壁27限定。囊状件90用于将气体室14中的压缩气体/膨胀气体与液体室12中的液压液体分离。囊状件90使用附接件92附接到可变压缩容器10的内壁27。囊状件90与可变压力容器10的壁27之间的附接件92是气密的。端口94用于输入空气，并且端口96用于输出空气。端口94和96分别连接到阀46和48。端口98用于将可变压力容器10连接到液压缸16。
在当活塞28收缩(在图17中，从左向右移动)时的气体压缩的情况下，液压液体从液压缸16流入到液体室12中，从而使得空气室14中的气体的体积减小。当活塞28伸出(在图17中，从右向左移动)时，液压液体从液体室12流入到液压缸16中，并且空气室14中的气体的体积增加。当活塞28完全回缩时，气体室14中剩余气体的体积尽可能低。在本文中，由于所公开的单元可以用于压缩不同的气体(包括空气)，因此单词“气体”和“空气”能够交换使用。
以下参考图17中的实施方式详细描述了作为能量存储设备使用的可变压缩容器10。然而，将由本领域技术人员理解的是，本文中描述的其他实施方式也将以类似的方式使用。
1.气体压缩
当图17中示出的单元作为气体压缩单元工作时，液压缸16的活塞28通过旋转电动机移动，该转动电动机连接到机械转换器(未示出)，该机械转换器使得电动机的旋转运动转换成往复运动。将电动机的旋转运动转换到往复运动的转换器驱动活塞28。阀46允许气体仅朝向囊状件90流动，而阀48仅允许气体远离囊状件流动。阀46和48可为止回阀、螺线管阀或其他类型的阀。
步骤1.1：当活塞28伸出(在图17中从右向左移动)时，活塞28将来自压缩容器的液压液体抽入到液压缸中。这使得囊状件90膨胀且由来自端口94和阀46的新鲜空气填充囊状件。在液压缸伸出期间，阀46打开。在液压缸伸出期间，阀48关闭。
步骤1.2：在下一步骤中，活塞运动反向(即，开始回缩)，并且因此，液压液体从液压缸16流动到压缩液体室12中。在第二步骤期间，阀46关闭。步骤1.2.1：起初，阀48关闭。由于液压液体的流入，囊状件90收缩，从而压缩空气室14中的气体。步骤1.2.2：在达到所需的气体压缩压力之后，阀48打开，并且压缩空气通过端口96和阀48离开囊状件进入到压缩气体储存容器中。在活塞28达到其完全回缩之后，重复第一步骤，随后再次进行第二步骤，以此类推。在压缩期间(步骤1.2.1)，压缩气体产生热量。为了保持气体的等温(或，在现实生活中，接近于等温)条件，几乎所有产生的热量需要从压缩气体传递到可变压缩容器10的壁27。然后，在压缩单元外部，热量从外部壁27传递到周围大气或传递到可变压缩容器10周围的传热液体。为了改善外部热量传递，压缩容器的外部壁可具有以上描述的增加传热面积的翅片或其他元件，从而增加传热速率。
2.气体膨胀
当图17中示出的单元作为气体膨胀单元工作时，液压缸16的活塞28通过将活塞的往复运动转换到发电机的旋转运动的转换器(未示出)为发电机供应机械能。将活塞的往复运动转换到电动机的旋转运动的转换器由活塞28驱动。替代地，线性发电机可以通过液压缸驱动。
步骤2.1：在此步骤期间，活塞28伸出。步骤2.1.1：在气体膨胀过程的第一部分中(图17)，阀46短暂地打开以允许一定量的压缩空气从压缩空气储存容器进入到囊状件90中。阀46是螺线管或其他类型的可控阀。步骤2.1.2：一旦足够的压缩空气进入囊状件90，阀46就关闭。先前(PCT/CA2013/050972和PCT/CA2015/050137)描述了所需的压缩气体体积。引入到空气室14的压缩空气迫使囊状件90膨胀，并且使液压液体通过端口98从空气室14流到液压缸16中，从而使活塞28伸出(在图2中，朝向左边移动活塞)。
步骤2.2：在第二步骤(气体排放)中，活塞回缩，并且因此，液压液体从液压缸16流入到膨胀空气室14中。因此，囊状件90收缩，从而通过端口96和阀48将空气推出囊状件。阀48是螺线管或其他类型的可控阀。阀48在活塞28的整个回缩循环期间(步骤2.2)打开并且在活塞伸出循环(步骤2.1)期间关闭。在完成第二步骤(活塞28回缩)之后，重复第一步骤，随后再次进行第二步骤，以此类推。在气体膨胀(步骤2.1.2)期间，膨胀气体消耗热量。为了保持气体的等温(或，在现实生活中，接近于等温)条件，消耗的热量需要从膨胀空气室14外部的周围环境供应到空气室14的壁，并且然后供应到膨胀气体。为了改善外部传热，膨胀空气室14的外部壁可具有增加传热面积的翅片或其他元件，从而增加传热速率。
一般来说，本文中描述的系统是指可变压力容器。本公开的各种实施方式和方面将参考以下讨论的细节进行描述。以下描述和附图是对本公开的说明，并且不应被解释为限制本公开。描述了许多具体细节以提供对本公开的各种实施方式的透彻理解。然而，在某些情况下，不对众所周知的或常规的细节进行描述以提供对本公开的实施方式的简要讨论。
如本文中所使用的，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”应被解释为包含性的和开放式的，而不是排他性的。具体地，当在本说明书和权利要求书中使用时，术语“包括(comprises)”和“包括(comprising)”及它们的变型表示包括特定的特征、步骤或组件。这些术语不应被解释成排除其他特征、步骤或组件的存在。

Claims (27)

1.可变压力容器，具有体积、第一冲程和第二冲程，所述可变压力容器包括：
液体室，具有响应于所述第一冲程和所述第二冲程而改变的可变体积；
气体室，具有响应于所述第一冲程和所述第二冲程而改变的可变体积，所述气体室具有外部壁，其中，所述外部壁的至少一部分是导热的并允许热量通过所述外部壁的至少一部分传递；以及
可移动屏障，在所述液体室与所述气体室之间，并且其中，所述可移动屏障的移动使得所述液体室的体积和所述气体室的体积彼此替代，并且所述气体室的体积加上所述液体室的体积是大致恒定的并且大致等于所述可变压力容器的体积。
2.根据权利要求1所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障具有响应于所述第一冲程和所述第二冲程而大致恒定的表面面积。
3.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是囊状件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是柔性的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是聚合物袋状件。
6.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，所述气体室由板和所述可移动屏障限定。
7.根据权利要求6所述的可变压力容器，其中，所述板具有高导热性。
8.根据权利要求6所述的可变压力容器，其中，所述板是金属板、金属合金板或碳复合材料板。
9.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，空气室由内部管和柔性外部囊状件限定。
10.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是波纹管。
11.根据权利要求10所述的可变压力容器，还包括：
波纹管元件，位于所述波纹管内部，以在所述波纹管完全收缩时占据所述波纹管的中央部分。
12.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是多个囊状件。
13.根据权利要求1或2所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障是长型蛇状柔性管。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的可变压力容器，其中，所述压力容器由壁限定，所述气体室至少部分地由所述可移动屏障限定，并且所述液体室是所述气体室与所述压力容器的壁之间的体积。
15.根据权利要求14所述的可变压力容器，其中，所述气体室由板和所述可移动屏障限定。
16.根据权利要求15所述的可变压力容器，其中，所述板是金属板、金属合金板或碳复合材料板。
17.根据权利要求14所述的可变压力容器，其中，所述气体室由内部中空圆柱形管和可移动屏障限定。
18.根据权利要求17所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障在所述内部中空圆柱形管的外部。
19.根据权利要求17所述的可变压力容器，其中，所述可移动屏障在所述内部中空圆柱形管的内部。
20.根据权利要求18或19所述的可变压力容器，其中，所述内部中空圆柱形管限定内部体积，并且所述内部体积与所述液体室流动连通并形成所述液体室的一部分。
21.根据权利要求18所述的可变压力容器，其中，所述内部中空圆柱形管限定内部体积，并且所述内部体积与所述压力容器外部的入口和出口流动连通。
22.根据权利要求21所述的可变压力容器，其中，所述内部中空圆柱形管的内部体积填充有传热流体。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的可变压力容器，其中，所述内部中空圆柱形管由金属、金属合金或碳复合材料制成。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的可变压力容器，其中，所述可变压力容器是大致圆柱形的容器。
25.根据权利要求1至13中任一项所述的可变压力容器，其中，所述压力容器由壁限定，所述气体室至少部分地由所述可移动屏障限定，并且所述气体室是所述液体室与所述压力容器的壁之间的体积。
26.根据权利要求25所述的可变压力容器，其中，所述可变压力容器是大致圆柱形的容器，并且所述可移动屏障是在所述可移动屏障的每个端部处附接到所述大致圆柱形的容器的大致管状的囊状件，并且所述气体室由所述大致管状的囊状件和所述大致圆柱形的容器限定。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的可变压力容器，其中，所述液体室和所述气体室之间具有界面，并且能够计算所述界面的传热系数的值为
K＝[p1V1AΔT/δtstroke)]ln(p1/p2)
并且在气体压缩过程中，p1是初始气体压力，p2是在压缩之后的最终气体压力，A是传热的表面，ΔT是初始温度与最终温度之间的差，tstroke是压缩冲程的时间，V1是在所述压缩冲程开始时的气体体积，δ是壁厚度，并且在气体膨胀的过程中，V1是在所述膨胀循环结束时的气体体积，p1是在所述气体膨胀开始时的气体压力，p2是在所述膨胀结束时的最终气体压力，并且所述界面的材料的传热系数大于或等于所计算的K。
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