KR101493126B1 - 급속 등온 가스 팽창 및 압축을 이용한 에너지 저장과 회수를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

급속 등온 가스 팽창 및 압축을 이용한 에너지 저장과 회수를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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로버트 쿡
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Abstract

본 발명은, 회로의 유체측 상의 복합 전기 발전기/모터(332)에 결합된 복합 유체 모터/펌프(330) 및 회로의 가스측 상의 고압 가스 저장고와 통신하는 축적기(316, 317) 및 증강기(318, 319)와 같은 개방된-공기 유압-공압 실린더 어셈블리를 이용하는 에너지 저장 및 회수 시스템(300)에서 가스를 급속하게 등온 팽창 및 등온 압축하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이 시스템은, 팽창 또는 압축 중인 가스를 열적으로 조절하기 위해 실린더 어셈블리 또는 저장고 중 적어도 하나와 통신하는 열 전달 서브시스템을 사용한다.

Description

급속 등온 가스 팽창 및 압축을 이용한 에너지 저장과 회수를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR ENERGY STORAGE AND RECOVERY USING RAPID ISOTHERMAL GAS EXPANSION AND COMPRESSION}
연방 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 NSF에 의해 수여된 IIP-0810590 및 IIP-0923633하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 소정의 권한을 가진다.
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은, 2009년 4월 9일 출원된 미국 특허 출원 제12/421,057호와 2009년 6월 9일 출원된 12/481,235호의 일부 계속 출원(continuation-in-part)인, 2009년 12월 16일 출원된 미국 가출원번호 12/639,703호를 우선권 주장하며, 또한, 2009년 4월 3일 출원된 미국 가출원 제61/166,448호; 2009년 6월 4일 출원된 61/184,166호; 2009년 7월 7일 출원된 61/223,564호; 2009년 7월 21일 출원된 61/227,222호; 및 2009년 10월 15일 출원된 61/251,965호를 우선권 주장하며, 이들 모두는 그 전체를 참조에 의해 본 명세서에 통합한다.
발명의 분야
본 발명은, 압축 가스를 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 가스의 급속한 등온 팽창 및 압축(isothermal expansion and compression)에 의해 이와 같은 시스템 및 방법을 개선하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전기 에너지에 대한 세계의 요구가 증가함에 따라, 기존의 전력 그리드(power grid)는 이러한 요구를 지속적으로 서비스하는 자신의 능력을 넘어서는 부담을 받고 있다. 미국의 어떤 지역에서는, 피크 전력을 만족시키지 못하는 무능력으로 인해 시스템 과부하로 인한 의도하지 않은 절전(brownout) 및 정전(blackout)이 초래되었고 과도한 요구를 분로(shunt)하기 위해 중요치 않은 고객에 대한 의도적인 "순환 정전(rolling blackouts)"까지 하게 되었다. 대부분, 피크 요구는, 사업계나 산업 분야가 장비 가동, 난방, 에어콘 가동, 조명 등을 위해 대량의 전력을 이용하는 주간(및 여름과 같은, 특정 계절) 동안에 발생한다. 따라서, 야간 동안에는, 전력 요구가 종종 상당히 감소하고, 대부분의 지역에서 기존의 전력 그리드는 대개 문제없이 이러한 부하를 처리할 수 있다.
피크 요구치에서의 전력 부족을 해결하기 위해, 사용자들은 가능한 경우 아껴 쓸 것을 요청받는다. 전력 회사들은 종종, 요구를 충족할 생산량을 보충하기 위해 신속하게 배치가능한 가스 터빈을 이용한다. 그러나, 이러한 유닛들은, 천연 가스와 같은 비싼 연료원을 연소하며, 석탄-화력 시스템, 및 기타의 대규모 발전기와 비교해 볼 때 높은 발전 비용을 가진다. 따라서, 보충 소스들은 경제적 단점이 있고, 어떠한 경우든, 성장하는 지역 및 경제에서는 부분적 해결책만 제공할 수 있다. 가장 명백한 해결책은, 비싸고 환경적 부작용을 갖는 새로운 발전소(power plant)의 건설을 포함한다. 또한, 대부분의 발전소는 비교적 지속적인 출력을 생성할 때 가장 효율적으로 동작하기 때문에, 피크 요구와 비-피크 요구간의 차이는 종종, 비-피크 기간 동안, 전력이 비수기 할인률로 판매되기 때문에 야외지의 과도 조명과 같은 낭비적 관행을 초래한다. 따라서, 새로운 발전소 건설을 요구하지 않고 피크 요구 기간 동안에 초과 용량을 제공하도록 발전 설비측에서 구현될 수 있거나 또는 (그리드가 과도한 부담을 받을 때 피크 요구 동안 고객이 스스로 추가 전력을 공급하는 것을 허용하는) 전기 소비자 설비측에서의 소규모 현장에서 구현될 수 있는 방식으로 전력 요구 등락을 해결하는 것이 바람직하다.
발생된 전력의 전달의 균형을 맞추는 능력이 대단히 바람직해지는 또 다른 시나리오는, 간헐적 발전 사이클을 갖는 자급형 발전 시스템(a self-contained generation system)이다. 한 예는 전원 접속(power connection)으로부터 멀리 떨어져 위치된 태양열 패널 어레이(solar panel array)이다. 어레이는 주간의 몇 시간 동안에는 잘 발전하지만, 저광량의 또는 어두운 나머지 시간 동안에는 기능하지 못한다.
각 경우에 있어서, 신속하고 온 디맨드로 추가 용량의 제공 또는 전력 생산의 밸런싱을 맞추는 것은 로컬 백업 발전기에 의해 만족될 수 있다. 그러나, 이와 같은 발전기는 종종 비싸고, 천연 가스나 디젤 연료와 같은 비싼 연료를 사용하며, 고유한 소음과 방출로 인해 환경적으로 해가 된다. 따라서, (비-피크 시간대와 같이) 필요하지 않을 때는 에너지의 저장을 허용하면서 사용자에게 전력을 신속하게 되돌려 전달할 수 있는 기술이 대단히 바람직하다.
추후 전달을 위해 초과 전력을 저장할 수 있는 다양한 기술들이 이용가능하다. 한 갱신가능한 기술은, 초과 전력을 끌어오는 모터에 의해 선회되는 구동되는 플라이휠의 사용을 포함한다. 전력이 필요할 때, 플라이휠의 관성이, 모터 또는 또다른 결합된 발전기에 의해 탭(tap)되어, 그리드 및/또는 고객에서 전력을 되돌려 전달한다. 그러나, 플라이휠 유닛은 제조 및 설치하기에 비싸고, 정기적인 어느 정도의 값비싼 유지 관리를 요구한다.
전력 저장에 대한 또 다른 접근법은 배터리의 이용이다. 많은 대형 배터리는 납 전극과 산성 전해액을 사용하며, 이 컴포넌트들은 환경적으로 위험하다. 배터리는 상당한 전력을 저장하기 위해 종종 어레이를 이루어야하고, 개개의 배터리는 비교적 짧은 수명(전형적으로 3-7년)을 가질 수 있다. 따라서, 배터리 저장 시스템을 유지하기 위해, 많은 수의 무겁고 위험한 배터리 유닛들이 정기적으로 교체되어야 하고, 이들 오래된 배터리들은 재활용되거나 기타의 방식으로 적절하게 처분되어야 한다.
에너지는 또한 울트라커패시터(ultracapacitor)에 저장될 수 있다. 커패시터는 전하를 저장하도록 선 전류(line current)에 의해 충전되고 필요할 때는 신속하게 방전할 수 있다. 전력을 적절한 위상 및 주파수의 AC로 변환하기 위해 적절한 전력 조절 회로(power-conditioning circuits)가 사용된다. 그러나, 상당한 전력을 저장하기 위해서는 이와 같은 커패시터들의 대규모 어레이가 필요하다. 울트라커패시터는 친환경적이고 배터리보다 수명이 길지만, 상당히 더 비싸며, 내부 유전체의 절연파괴 등으로 인해 여전히 주기적인 교체를 요구한다.
추후 전달을 위한 에너지의 저장에 대한 또 다른 접근법은 대형의 압축 공기 저장고의 사용을 포함한다. 배경으로서, 본 명세서에서 참조에 의해 그 전체가 통합되는, Sylvain Lemofouet-Gatsi, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (2006년 10월 20일) (이하에서는 "Lemofouet-Gatsi") 2.2.1절의 "Investigation and Optimization of Hybrid Electricity Storage Systems Based Upon Air and Supercapacitors"라는 제목의 공표된 논문에는, 소위 압축-공기 에너지 저장(CAES; Compressed-Air Energy Storage) 시스템이 도시되고 설명되어 있다. Lemofouet-Gatsi에 의해 진술되는 바와 같이, "CAES의 원리는 통상의 가스 터빈 사이클의 분할로부터 나오며, 여기서, 공기를 2개의 분리된 페이즈로 압축하기 위해 생산된 전력의 대략 66%가 사용된다: 공기를 지하 소금 동굴 내에 압축하기 위해 오프-피크 베이스-로드 설비(off-peak base-load facilities)로부터의 저비용 에너지가 사용되는 압축 페이즈와, 저장 동굴로부터의 미리-압축된 공기가 복열 장치(heat recuperator)를 통해 예열된 다음, 기름 또는 가스와 혼합되고 연소되어 멀티-스테이지 팽창기 터빈에 공급됨으로써 피크 요구 동안에 전기를 생성하는 발전 페이즈. 연소 사이클로부터의 압축 사이클의 이러한 기능적 분리는, CAES 설비가 단순 사이클 천연 가스 발전에 비해 동일한 양의 연료로 3배 많은 에너지를 발생시키는 것을 허용한다.
Lemofouet-Gatsi는 "CAES가 거대하고 값비싼 설치를 동반하지 않고 장시간(1년 이상) 에너지를 저장하는데 사용될 수 있다는 잇점을 가진다"라고 계속 설명하고 있다. 또한 이것은 빠른 기동 시간(9 내지 12 분)을 가지기 때문에 그리드 동작에 적합하고, 감소된 연료 소모로 인해 온실 가스(greenhouse gas)의 방출이 통상의 가스 발전 설비에 비해 낮다. CAES의 주요 단점은 아마도, 이 저장 방법의 사용성을 상당히 제한하는, 지질학적 구조 의존성이다. 또한, 미리-압축된 공기가 팽창 전에 화석 연료 버너로 가열되기 때문에, CAES 발전 설비는 무방출성이 아니다. 게다가, [CAES 설비]는, 인터-쿨러를 통한 압축열의 손실과, 이 손실이 연료 연소에 의한 팽창 동안에 반드시 보상되어야 한다는 것 때문에, 그 효과에 관해 제약이 있다. 종래의 CAES가 여전히 화석 연료 소비에 의존한다는 사실은, 그 RTE(round trip efficiency)를 평가하기 어렵게 만들고, 종래의 무연료 저장 기술들과 비교하기 어렵게 만든다.
전술된 압축 공기 에너지 저장 접근법에 관한 많은 변형이 제안되었으며, 이들 중 일부는 팽창된 공기를 연료가 아니라 전기로 가열하는 것을 꾀하고 있다. 다른 변형은, 가능한 한 많은 열 에너지를 추출하고 회수하기 위해 열 스토리지와의 열 교환을 이용함으로써, 효율성 증가를 꾀하고 있다. 역시 또 다른 접근법은, 사이클의 서로 마주보는 부분들에서 압축기와 발전기 구동으로서 역할하는 압축 가스 구동형 피스톤 모터를 이용한다. 일반적으로, 모터용 작동 유체(working fluid)로서 고도로 압축된 가스를 사용하는 것은, 더 높은 압력에서의 밀봉부 부근에서의 누설의 경향과 급팽창시에 겪는 열적 손실로 인해 다수의 문제점을 제기한다. 열 교환 해결책은 이들 문제점들 중 일부를 처리할 수 있지만, 고압으로부터 대기압으로의 팽창 이전에 압축된 가스를 가열할 필요성에 의해 효율성이 여전히 손실된다.
가스가 에너지 저장에 대한 고도로 효율적인 매체임이 인식되어 왔다. 액체는 압축할 수 없고 추진기 또는 기타의 움직이는 컴포넌트에 걸쳐서 효율적으로 흘러 발전기 샤프트(shaft)를 회전시킨다. 에너지를 저장하기 위해 압축된 가스를 사용하지만 발전기를 구동하기 위해서는 압축된 가스가 아니라 액체, 예를 들어 유압유(hydraulic fluid)를 사용하는 에너지 저장 기술이, 소위, 폐쇄-공기 유압-공압 시스템(closed-air hydraulic-pneumatic system)이다. 이와 같은 시스템은, 가동형(movable) 벽 또는 가요성 블래더 멤브레인(flexible bladder membrane)에 의해 소정 적재량의 유압유로부터 분리되는 소정 적재량의 압축 가스를 갖는 하나 이상의 고압 탱크(축적기)를 이용한다. 유압유는, 복합 전기 모터/발전기에 결합된 양방향 추진기(또는 기타의 유압 모터/펌프)에 결합된다. 추진기의 다른 측은 유압유의 저압 저장고에 접속된다. 저장 페이즈 동안, 전기 모터 및 추진기는, 압축 공기의 압력에 대항하여, 유압유를, 저압 유압유 저장고로부터 고압 탱크(들) 내로 강제한다. 압축불가능한 액체가 탱크를 채우기 때문에, 이것은 공기를 더 작은 공간 내에 강제함으로써 공기를 더 높은 압력으로 압축한다. 발전 페이즈 동안에, 유체 회로는 역으로 작동되고 추진기는 압축된 가스의 압력 하에 고압 탱크(들)로부터 탈출하는 유체에 의해 구동된다.
이러한 폐쇄된-공기 접근법은, 가스가 탱크 내에 밀봉되기 때문에 결코 대기압으로 팽창하거나 대기압으로부터 압축되지 않는다는 잇점을 가진다. 폐쇄된-공기 시스템의 예가, 본 명세서에서 그 전체를 참조용으로 인용하는 미국 특허 제5,579,640호에 도시되고 기술되어 있다. 폐쇄된-공기 시스템은 낮은 에너지 밀도를 갖는 경향이 있다. 즉, 가능한 압축의 양은 탱크 공간의 크기에 의해 제약된다. 또한, 유체가 제거될 때 가스가 완전히 압축해제되지 않기 때문에, 탭될 수 없는 추가적인 에너지가 시스템 내에 여전히 존재한다. 폐쇄된 공기 시스템을 대규모 에너지 저장용으로 바람직하게 만들기 위해, 많은 대형 축적기 탱크가 요구될 것이므로, 시스템을 구현하기 위한 전체 비용을 증가시키고, 그렇게 하기 위한 더 많은 대지를 요구한다.
하이브리드 유압-공압 에너지 저장에 대한 또 다른 접근법은, 개방된-공기 시스템(open-air system)이다. 예시적인 개방된-공기 시스템에서, 압축된 공기는 크고 분리된 고압 탱크(또는 복수의 탱크)에 저장된다. 한 쌍의 축적기가 제공되고, 각각은 가동형 피스톤 벽에 의해 가스측으로부터 분리된 유체측을 가진다. 한 쌍의 (또는 그 이상의) 축적기들의 유체측들은, 추진기/발전기/모터 조합을 통해 서로 결합된다. 축적기들 각각의 공기측은 고압 공기 탱크에 결합되고, 또한 밸브-구동형 대기 통풍구(atmospheric vent)에도 결합된다. 공기 챔버측의 확장하에, 한 축적기 내의 유체는 추진기를 통해 구동되어 전력을 발생시키고, 그 다음, 소비된 유체는, 그 공기측이 이제 대기로 배기된 제2 축적기로 흘러감으로써, 유체가 제2 축적기 내에 모이는 것을 허용한다. 저장 페이즈 동안에, 압축기를 통해 압력 탱크를 직접 재충전하기 위해 전기 에너지가 사용되거나, 압축 탱크를 압축하기 위해 축적기가 역으로 가동될 수 있다. 이러한 개방된-공기 개념의 한 버전이, 본 명세서에서 그 전체를 참조용으로 인용하는 미국 특허 제6,145,311('311 특허)호에 도시되고 기술되어 있다. 개방된-공기 시스템의 이러한 설계의 단점으로는, 가스 누출, 복잡성, 비용, 및 계획된 배치에 따른 잠재적 비실용성이 포함될 수 있다.
추가적으로, 전력 요구 등락을 해결하고 또한 환경적 문제도 해결하고 재생가능한 에너지원을 이용하는 것을 포함하는 해결책이 바람직하다. 재생가능한 에너지에 대한 요구가 증가함에 따라, 일부 재생가능한 에너지원(예를 들어, 바람 및 태양열)의 간헐적 성격은 전기 그리드에 부담을 증가시키고 있다. 재생가능한 에너지 소스에 의해 생산되는 전기의 간헐적 성격을 해결하고, 더 일반적으로는, 생성된 에너지를 피크 요구의 시간대로 이동시키는데 있어서, 에너지 스토리지의 이용은 핵심적 요인이다.
논의된 바와 같이, 압축된 공기의 형태로 에너지를 저장하는 것은 긴 역사를 가지고 있다. 그러나, 압축된 공기 형태의 잠재적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 논의된 방법들의 대부분은 가스를 팽창시키기 위해 터빈을 이용하는데, 이것은 본질적으로 단열 과정(adiabatic process)이다. 가스가 팽창할 때, 열 유입이 없다면 가스는 냉각되며(단열 가스 팽창), 이것은 터빈에서의 가스 팽창의 경우도 마찬가지이다. 단열 가스 팽창의 잇점은, 신속하게 발생할 수 있어서, 그 결과 짧은 시간 프레임에 상당한 양의 에너지를 방출한다는 것이다.
그러나, 만일 가스 팽창이, 열이 가스 내로 유입되는데 걸리는 시간에 비해 느리게 발생한다면, 가스는 팽창시에 비교적 일정한 온도로 유지된다(등온 가스 팽창). 주변 온도로 저장된 고압 가스(예를 들어, 3000 psig 공기)가 등온 팽창되면, 단열 팽창된 주변 온도 가스의 에너지의 약 2.5배를 회수한다. 따라서, 가스를 등온 팽창시키는 것에는 상당한 에너지 잇점이 있다.
종래의 구현에 따른 소정의 압축된 가스 에너지 저장 시스템의 경우, 가스는, 대형 지하 동굴과 같은 고압 고용량 소스로부터 팽창되어, 멀티-스테이지 가스 터빈까지 향한다. 각 동작 스테이지에서 상당한 팽창이 발생하기 때문에, 가스는 각 스테이지에서 냉각된다. 효율을 증가시키기 위해, 가스는 연료와 혼합되고 점화되어, 이것을 더 높은 온도로 예열함으로써, 전력 및 최종 가스 온도를 증가시키게 된다. 그러나, 단열 팽창을 보상하기 위해 화석 연료를 연소할(또는 전기 가열과 같은 또 다른 에너지 소스를 적용할) 필요성은, 이렇게 하지 않았을 경우에 가능한 청정의 무방출성 에너지-저장 및 회수 프로세스라는 목적을 상당히 좌절시킨다.
유압/공압 실린더에 직접적 열교환 서브시스템을 제공하는 것이 기술적으로 가능하지만, 예를 들어, 외부 재킷은 실린더의 두꺼운 벽들을 놓고 볼 때 특별히 효과적이지 않다. 내부화된 열교환 서브시스템을 실린더의 공압측 내에 직접적으로 장착하는 것을 생각해 볼 수 있다; 그러나, 크기 제한은 이와 같은 열 교환기의 효율성을 저하시키고, 내부에 설치된 추가된 서브시스템과 함께 실린더를 밀봉하는 작업이 중요해지며, 종래의 시판중인 컴포넌트의 이용을 어렵게 하거나 불가능하게 한다.
따라서, 종래 기술은, 전력 저장 및 회수에 사용될 수 있고 가스를 등온으로 급속하게 압축하고 팽창할 뿐만 아니라 친환경 방식으로 종래의 더 낮은 비용의 컴포넌트의 이용을 허용하는 기타의 응용을 위한, 시스템 및 방법을 개시하지 않는다.
다양한 실시예에서, 본 발명은, 개방된-공기 유압-공압 배열(open-air hydraulic-pneumatic arrangement)에 기초하고, 수백 대기압의 고압으로부터 대기압으로의 소규모 팽창되는 탱크내 고압 가스를 이용하는, 에너지 저장 시스템을 제공한다. 이 시스템은 크기조정될 수 있고, 가스의 준 등온 팽창 및 압축을 허용하는 속도로 작동될 수 있다. 이 시스템은 또한, 필요하다면 추가적인 축적기 회로와 저장 탱크의 결합을 통해 스케일가능하다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법은, 훨씬 높은 에너지 밀도를 제공하기 위해 수백 대기압으로부터 대기압으로의/으로부터의 효율적인 준-등온 고압축 및 팽창을 허용할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 회로의 가스측 상의 고압 가스 저장고와 통신하는 축적기 및 증강기(intensifier)와, 회로의 유체측 상의 복합 전기 발전기/모터에 결합된 복합 유체 모터/펌프를 연계시키는 적어도 하나의 회로로 구현된 개방된-공기 유압-공압 축적기 및 증강기를 이용한 에너지의 저장과 회수을 위한 시스템을 제공함으로써, 종래 기술의 단점들을 극복한다. 대표적 실시예의 팽창/에너지 회수 모드에서, 제1 회로의 축적기는 먼저 저장고로부터의 고압 가스로 채워지고, 그 다음, 저장고는 축적기의 공기 챔버로부터 차단된다. 이 가스는, 축적기 내의 유체가 전기를 발생시키도록 모터/펌프를 통해 구동되게끔 한다. 배출된 유체는 대향하는 제2 회로 내의 대향하는 증강기 또는 축적기 중 어느 하나 내로 구동되고, 그 공기 챔버는 대기로 배기된다. 축적기 내의 가스가 중간-압력으로 팽창하고, 유체가 배출됨에 따라, 다음으로, 축적기 내의 중간-압력 가스는 소면적의 유체 피스톤 상에 작용하는 대면적 공기 피스톤을 구비한 증강기에 접속된다. 그 다음, 증강기 내의 유체는, 증강기 공기 챔버 내의 중간-압력 가스에도 불구하고, 여전히 높은 유압에서 모터/펌프를 통해 구동된다. 모터/펌프로부터 유체는, 제2 회로의 대향하는 제1 축적기 또는 증강기 내로 배출되고, 그 공기 챔버는, 대응하는 유체 챔버가 배출된 유체로 채워짐에 따라 대기로 배기될 수 있다. 압축/에너지 저장 단계에서, 프로세스는 역전되고, 유체 모터/펌프는 전기 컴포넌트에 의해 구동되어, 유체를 증강기 및 축적기 내로 강제하여 가스를 압축하고 고압하에서 탱크 저장고로 전달한다.
이들 시스템의 전력 출력은, 가스가 얼마나 빨리 등온 팽창할 수 있느냐에 달려 있다. 따라서, 더 빠른 속도로 가스를 등온 팽창/압축하는 능력은 시스템의 더 큰 출력을 가져다 줄 것이다. 이들 시스템에 열 전달 서브시스템을 추가함으로써, 상기 시스템의 전력 밀도가 상당히 증가될 수 있다.
한 양태에서, 본 발명은 가스의 실질적 등온 팽창 및 압축을 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 중간에서 에너지를 전달하는 가동형 기계적 경계 메커니즘에 의해 분리된, 스테지이화된(staged) 공압측 및 유압측을 포함하는 실린더 어셈블리와, 실린더 어셈블리의 공압측과 유체 통신하는 열전달 서브시스템을 포함한다. 가동형 기계적 경계 메커니즘은, 예를 들어, 실린더 내에서의 슬라이딩가능한 이동(예를 들어, 피스톤), 팽창/수축(예를 들어, 블래더), 및/또는 직선 변환기를 이용한 유압측 및 공압측의 기계적 결합이 가능하다.
다양한 실시예들에서, 실린더 어셈블리는 축적기 또는 증강기 중 적어도 하나를 포함한다. 한 실시예에서, 열 전달 서브시스템은, 실린더 어셈블리의 공압측과 유체 통신하며 열 전달 서브시스템 및 열 교환기를 통해 유체를 순환시키기 위한 순환 장치를 더 포함한다. 열 교환기는, 순환 장치 및 실린더 어셈블리의 공압측과 유체 통신하는 제1측과, 실질적으로 일정한 온도를 갖는 액체 소스와 유체 통신하는 제2측을 포함한다. 순환 장치는, 유체를, 실린더 어셈블리의 공압측으로부터, 열 교환기를 통해, 다시 실린더 어셈블리의 공압측으로 순환시킨다. 순환 장치는 양변위 펌프(positive displacement pump)일 수 있으며, 열 교환기는 쉘 및 튜브 타입(shell and tube type) 또는 플레이트 타입(plate type) 열 교환기일 수 있다.
추가적으로, 시스템은, 열 전달 서브시스템을 탈출하는 유체 또는 실린더 어셈블리의 공압측 중 적어도 하나와 통신하는 적어도 하나의 온도 센서와, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 원격 측정을 수신하여 수신된 원격 측정에 적어도 부분적으로 기초하여 열 전달 서브시스템의 동작을 제어하는 제어 시스템을 포함한다. 온도 센서는, 직접적 온도 측정에 의해(예를 들어, 열전쌍 또는 서미스터) 또는 압력, 위치 및/또는 유체 센서에 기초한 간접 측정을 통해 구현될 수 있다.
다른 실시예들에서, 열 전달 서브시스템은 유체 순환 장치 및 열 전달 유체 저장고를 포함한다. 유체 순환 장치는 저장고로부터 실린더 어셈블리의 공압측으로 열 전달 유체를 펌프하도록 배열될 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 전달 서브시스템은, 열 전달 유체를 도입하기 위해 실린더 어셈블리의 공압측에 배치된 분사 메커니즘(spray mechanism)을 포함한다. 분사 메커니즘은 분사 헤드 및/또는 분사 로드(rod)일 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 열적으로 제어된 압축된 유체를 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 스테이지화된 에너지 변환 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 실린더 내에서 슬라이딩가능하게 배치된 피스톤에 의해 분리된 제1 챔버 및 제2 챔버를 포함하는 실린더 어셈블리; 실린더 어셈블리에 결합된 구동 시스템으로서, 팽창 페이즈 동안에 퍼텐셜 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 압축 페이즈 동안에 전기 에너지를 퍼텐셜 에너지로 변환하도록 구성된 상기 구동 시스템; 및 실린더 어셈블리의 제1 챔버 또는 제2 챔버 중 적어도 하나와 유체 통신하는 열 전달 서브시스템을 포함한다.
시스템의 다양한 실시예들에서, 실린더 어셈블리는, 저압 공압 실린더에 유체 결합된(fluidly coupled) 공압 실린더 또는 고압 공압 실린더일 수 있다. 추가적으로, 열 전달 서브시스템은 유체 순환 장치 및 열 전달 유체 저장고를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 유체 순환 장치는, 열 전달 유체를 저장고로부터 실린더 어셈블리의 제1 챔버와 제2 챔버 중 적어도 하나 내로 펌프하도록 배열된다. 열 전달 서브시스템은 또한 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기는, 유체 순환 장치 및 열 전달 유체 저장고와 유체 통신하는 제1측과, 열 전달 유체 소스와 유체 통신하는 제2측을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 유체 순환 장치는, 유체를, 열 전달 유체 저장고로부터, 열 교환기를 통해, 실린더 어셈블리로 순환시킨다. 열 전달 서브시스템은 또한, 열 전달 유체를 도입하기 위해 실린더 어셈블리의 제1 챔버 또는 제2 챔버 중 적어도 하나에 배치된 분사 메커니즘을 포함할 수 있다. 분사 메커니즘은 분사 헤드 및/또는 분사 로드(rod), 또는 이들의 조합일 수 있다. 추가 실시예에서, 시스템은, 열 전달 서브시스템을 탈출하는 유체 또는 실린더 어셈블리의 챔버들 중 적어도 하나와 통신하는 적어도 하나의 온도 센서를 포함한다. 제어 시스템은, 적어도 하나의 온도 센서로부터 원격 특정을 수신하고 수신된 원격 측정에 적어도 부분적으로 기초하여 열 전달 서브시스템의 동작을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
한 실시예에서, 구동 시스템은, 중간에서 에너지를 전달하는 가동형 기계적 경계 메커니즘에 의해 공압 실린더에 기계적으로 결합된 유압 실린더와, 유압 실린더에 유체 결합된 유압 전력 유닛을 포함한다. 유압 전력 유닛은, 전기 모터/발전기를 구동하여 전기 에너지를 회수하도록 구성되고 및/또는 전기 모터/발전기에 의해 구동되어 퍼텐셜 에너지를 저장하도록 구성될 수 있다. 추가적인 구동 시스템이 본 명세서에서 기술되며, 중간에서 에너지를 전달/변환하기 위한 기계적 링크와 함께, 다양한 실린더 어셈블리 및 그 배열을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 열적으로 제어된 압축된 유체, 예를 들어, 열 교환을 겪는 가스를 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템에 관한 것이다. 시스템은 제1 및 제2 결합된 실린더 어셈블리를 포함한다. 시스템은, 복수의 스테이지를 포함하는 적어도 하나의 공압측과, 적어도 하나의 유압측과, 상기 적어도 하나의 공압측과 유체 통신하는 열 전달 서브시스템을 포함한다. 적어도 하나의 공압측과 적어도 하나의 유압측은, 사이에서 에너지를 전달하는 적어도 하나의 가동형 기계적 경계 메커니즘에 의해 분리된다.
한 실시예에서, 제1 실린더 어셈블리는 적어도 하나의 공압 실린더를 포함하고, 제2 실린더 어셈블리는 적어도 하나의 유압 실린더를 포함하며, 제1 및 제2 실린더 어셈블리들은 적어도 하나의 가동형 기계적 경계 메커니즘을 통해 기계적으로 결합된다. 또 다른 실시예에서, 제1 실린더 어셈블리는 제1 압력비에서 기계적 에너지를 전송하는 축적기를 포함하고, 제2 실린더 어셈블리는 제1 압력비보다 큰 제2 압력비에서 기계적 에너지를 전송하는 증강기를 포함한다. 제1 및 제2 실린더 어셈블리는 유체 결합될 수 있다.
다양한 실시예에서, 열 전달 서브시스템은, 적어도 하나의 공압측과 유체 통신하며 열 전달 서브시스템 및 열 교환기를 통해 유체를 순환시키기 위한 순환 장치를 포함할 수 있다. 열 교환기는, 순환 장치 및 적어도 하나의 공압측과 유체 통신하는 제1측과, 실질적으로 일정한 온도를 갖는 액체 소스와 유체 통신하는 제2측을 포함할 수 있다. 순환 장치는, 유체를, 적어도 하나의 공압측으로부터, 열 교환기를 통해, 다시 적어도 하나의 공압측으로 순환시킨다. 또한, 시스템은, 시스템의 적어도 하나의 공압측의 스테이지들간을 선택적으로 접속하기 위한 제어 밸브 배열을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 열 전달 서브시스템은 유체 순환 장치와 열 전달 유체 저장고를 포함한다. 유체 순환 장치는, 저장고로부터 시스템의 적어도 하나의 공압측으로 열 전달 유체를 펌프하도록 배열된다. 한 실시예에서, 실린더 어셈블리들 각각은 공압측을 가지며, 이 시스템은 제1 실린더의 공압측과 제2 실린더 어셈블리의 공압측을 유체 순환 장치에 선택적으로 접속하기 위한 제어 밸브 배열을 포함한다. 시스템은 또한, 열 전달 유체를 도입하기 위해 적어도 하나의 공압측에 배치된 분사 메커니즘을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 열적으로 제어된 압축된 유체를 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 중간에서 에너지를 전달하는 기계적 경계 메커니즘에 의해 분리된 공압측과 유압측을 포함하는 적어도 하나의 실린더 어셈블리와, 압축된 가스 소스와, 실린더 어셈블리의 공압측 또는 압축된 가스 소스 중 적어도 하나와 유체 통신하는 열 전달 서브시스템을 포함한다.
본 명세서에서 개시된 본 발명의 이들 및 다른 목적, 잇점 및 특징들은, 이하의 상세한 설명, 첨부된 도면 및 청구항들을 참조하면 명백해질 것이다. 나아가, 본 명세서에서 기술되는 다양한 실시예들은 서로 배타적인 것이 아니며 다양한 조합과 치환으로 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도면에서, 유사한 참조 문자는 일반적으로 상이한 도면들에 걸쳐 동일한 부분을 가리킨다. 또한, 도면들은 반드시 축척비율대로 그려진 것은 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 예시하기 위해 대체로 강조가 이루어졌다. 이하의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기술된다:
도 1은, 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도이다;
도 1a 및 1b는, 도 1의 시스템의 축적기 및 증강기 컴포넌트들의 확대된 개략도이다;
도 2a-2q는 압축 동안에 시스템의 다양한 동작 스테이지를 예시하는 도 1의 시스템의 간략화된 그래픽 표현이다;
도 3a-3m은 팽창 동안에 시스템의 다양한 동작 스테이지를 예시하는 도 1의 시스템의 간략화된 그래픽 표현이다;
도 4는 본 발명의 대안적 실시예에 따른 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도이다;
도 5a-5n은 본 발명의 팽창 페이즈 동안에 다양한 컴포넌트들의 사이클링을 예시하는 도 4의 시스템의 개략도이다;
도 6은 팽창/에너지 회수 사이클과 압축/에너지 저장 사이클 모두에서 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템의 다양한 동작 상태의 일반화된 도면이다;
도 7a-7f는, 본 발명의 대안적 실시예에 따른 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템의 부분적 개략도로서, 팽창 페이즈 동안 시스템의 다양한 동작 스테이지를 예시한다;
도 8은, 도 7a-7f의 시스템에 대한 팽창 페이즈를 예시하는 테이블이다;
도 9는, 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전달 서브시스템을 포함하는 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도이다;
도 9a는, 도 9의 시스템의 열 전달 서브시스템 부분의 확대된 개략도이다;
도 10은, 상이한 동작 파라미터들에서 도 9의 시스템에 의해 얻어진 열 효율의 그래픽 표현이다;
도 11은, 본 발명의 한 실시예에 따른 실린더의 공압측 내에서의 등온 팽창을 용이하게 하는 열 전달 서브시스템을 포함하는 유압/공압 실린더 어셈블리의 개략적 부분 단면도이다;
도 12는, 본 발명의 대안적 실시예에 따른 실린더의 공압측 내에서의 등온 팽창을 용이하게 하는 열 전달 서브시스템을 포함하는 유압/공압 증강기 어셈블리의 개략적 부분 단면도이다;
도 13은, 실린더가 전력 발생 시스템의 일부를 이루는 본 발명의 또 다른 대안적 실시예에 따른 실린더의 공압측 내에서의 등온 팽창을 용이하게 하는 열 전달 서브시스템을 갖는 유압/공압 실린더 어셈블리의 개략적 부분 단면도이다;
도 14a는, 주어진 압력 대 체적에 대하여 실린더 또는 증강기의 공압측 내에서의 가스의 단열 팽창에 기초하여 생성된 일(work)의 양의 그래픽 표현이다;
도 14b는, 주어진 압력 대 체적에 대하여 실린더 또는 증강기의 공압측 내에서의 가스의 이상적 등온 팽창에 기초하여 생성된 일(work)의 양의 그래픽 표현이다;
도 14c는, 주어진 압력 대 체적에 대하여 실린더 또는 증강기의 공압측 내에서의 가스의 준-등온 팽창에 기초하여 생성된 일(work)의 양의 그래픽 표현이다;
도 15는, 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 16은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 17은, 본 발명의 역시 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 18은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 19는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 20a 및 20b는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 21a-21c는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 22a 및 22b는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 22c는, 도 22a 및 22b의 시스템 및 방법에서 사용하기 위한 실린더 어셈블리의 개략적 단면도이다;
도 22d는, 도 22a 및 22b의 시스템 및 방법의 구현을 위한 추정된 물 분사 열 전달 한계의 그래픽 표현이다;
도 23a 및 23b는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다;
도 23c는, 도 23a 및 23b의 시스템 및 방법에서 사용하기 위한 실린더 어셈블리의 개략적 단면도이다;
도 23d는, 도 23a 및 23b의 시스템 및 방법의 구현을 위한 추정된 물 분사 열 전달 한계의 그래픽 표현이다;
도 24a 및 24b는, 도 22 및 23의 시스템 및 방법을 위한 다양한 물 분사 요건의 그래픽 표현이다;
도 25는, 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 본 명세서에서 기술된 본 발명의 선행 실시예들 중 임의의 실시예에서 사용하기 위한 실린더 설계의 부분 단면도로 된 세부 개략적 계획도이다;
도 26은, 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 본 명세서에서 기술된 본 발명의 선행 실시예들 중 임의의 실시예에서 사용하기 위한 실린더 설계의 부분 단면도로 된 세부 개략적 계획도이다;
도 27은, 본 발명의 한 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 압축된 가스를 가열 및 냉각하기 위한 시스템 및 방법에서 사용하기 위한 압축된-가스 저장 서브시스템의 개략도이다;
도 28은, 본 발명의 대안적 실시예에 따른 에너지 저장 시스템에서 압축된 가스를 가열 및 냉각하기 위한 시스템 및 방법에서 사용하기 위한 압축된-가스 저장 서브시스템의 개략도이다;
도 29a 및 29b는, 본 발명의 한 실시예에 따른 열 전달 서브시스템을 포함하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템의 개략도이다;
도 30a-30d는, 본 발명의 대안적 실시예에 따른 열 전달 서브시스템을 포함하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템의 개략도이다;
도 31a-31c는, 본 발명의 또 다른 대안적 실시예에 따른 열 전달 서브시스템을 포함하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템의 개략도이다;
이하에서, 본 발명의 다양한 실시예들이 일반적으로 2-스테이지 시스템, 예를 들어, 단일 축적기 및 단일 증강기, 2개의 축적기 및 2개의 증강기 및 단순화된 밸브 배열을 갖는 배열, 또는 하나 이상의 유압 실린더와 결합된 하나 이상의 공압 실린더를 참조하여 기술된다. 그러나, 본 발명은 임의 갯수의 스테이지와 실린더, 축적기, 증강기 및 밸브 배열의 조합을 포함할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 주어진 임의 차원의 값들은 예시적인 것일 뿐인데, 이것은 본 발명에 따른 시스템은 특정한 응용에 맞게 스케일가능하고 맞춤화가능하기 때문이다. 또한, 용어, 공압, 가스, 및 공기는 교환가능하게 사용되며, 용어, 유압 및 액체도 역시 교환가능하게 사용된다. 유체는 가스 및 액체 양자 모두를 지칭하는데 사용된다.
도 1은, 중립 상태(즉, 모든 밸브가 폐쇄되고 에너지는 저장도 회수도 안되고 있음)의 본 발명에 따른 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 및 회수 시스템(100)의 한 실시예를 도시한다. 시스템(100)은 하나 이상의 고압 가스/공기 저장 탱크(102a, 102b, ... 102n)를 포함한다. 각각의 탱크(102)는 각각 수동 밸브(들)(104a, 104b, ... 104n)를 통해 주 공기 배관(108)에 병렬 연결된다. 밸브(104)는, 본 명세서에서 설명되는 밸브들 모두가 가능하듯, 전기적, 유압적, 또는 공압적으로 작동될 수 있기 때문에, 수동 작동만으로 제한되는 것은 아니다. 탱크(102)에는, 압력 센서(112a, 112b, ... 112n)와 온도 센서(114a, 114b, ... 114n)가 각각 제공된다. 이들 센서들(112, 114)은, 적절한 유무선 접속/통신을 통해 제어 시스템(120)에 의해 모니터링될 수 있는 전기 신호를 출력할 수 있다. 추가적으로, 센서(112, 114)는 시각적 표시자를 포함할 수 있다.
제어 시스템(120)은, 도 4에 관해 더 상세히 기술되겠지만, 인간-기계 인터페이스를 갖춘 임의의 허용할만한 제어 장치일 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템(120)은, 컴퓨터-판독가능한 소프트웨어 매체의 형태로 저장된 제어 애플리케이션을 실행하는 컴퓨터(예를 들어, PC 타입)를 포함할 수 있다. 제어 애플리케이션은, 이하에서 기술되는 다양한 센서로부터 원격 측정을 수신하고, 제어 밸브 액츄에이터, 모터, 및 기타의 필요한 전자기계적/전자적 장치에 적절한 피드백을 제공한다.
시스템(100)은, 축적기(116) 및 증강기(118)와의 주 공개기 배관(108)의 통신을 제어하는 공압 밸브(106a, 106b, 106c, ... 106n)를 더 포함한다. 앞서 언급한 바와 같이, 시스템(100)은, 특정한 응용에 적합하게 임의 갯수와 조합의 축적기(116)와 증강기(118)를 포함할 수 있다. 공압 밸브(106)는 또한, 축적기(116), 증강기(118), 및/또는 주 공기 배관(108)으로부터 공기/가스를 배출하기 위한 통풍구(110)에 접속된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 축적기(116)는, 밀봉 링 및 당업자에게 공지된 (도시되지 않은) 기타의 컴포넌트를 이용한 적절한 밀봉 시스템을 갖춘 가동형 피스톤(movable piston)(136)에 의해 분할된 공기 챔버(140)와 유체 챔버(138)를 포함한다. 대안으로서, 축적기(116)의 공기 챔버와 유체 챔버(140, 138)를 분할하기 위해 블래더 타입, 격막 타입 또는 벨로스(bellows) 타입 장벽이 사용될 수 있다. 피스톤(136)은, 공기 챔버(140)와 대향하는 유체 챔버(138)간의 압력차에 응답하여 축적기 하우징을 따라 움직인다. 이 예에서, 유압유(또는, 물과 같은 또 다른 액체)가 유체 챔버(138)의 음영진 체적으로 표시되어 있다. 축적기(116)는 또한, 시스템(100)으로부터 축적기(116)를 격리하기 위해 사용될 수 있는 선택사항적 셧-오프 밸브(134)를 포함할 수 있다. 밸브(134)는 수동으로 또는 자동으로 작동될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 증강기(118)는, 밀봉 링 및 당업자에게 공지된 (도시되지 않은) 기타의 컴포넌트를 이용한 적절한 밀봉 시스템을 갖춘 가동형 피스톤 어셈블리(142)에 의해 분할된 공기 챔버(144)와 유체 챔버(146)를 포함한다. 축적기 피스톤(136)과 유사하게, 증강기 피스톤(142)은, 공기 챔버(144)와 대향하는 유체 챔버(146) 간의 압력차에 응답하여 증강기 하우징을 따라 움직인다.
그러나, 증강기 피스톤 어셈블리(142)는 실제로 2개의 피스톤: 샤프트, 로드, 또는 기타의 결합 수단(143)에 의해 각각의 유체 피스톤(142b)에 접속된 공기 피스톤(142a)이다. 유체 피스톤(142b)은 공기 피스톤(142a)과 연계하여 움직이지만, 연관된 증강기 유체 챔버(146)에 직접 작용한다. 주목할 점은, 증강기(118)에 대한 공기 챔버의 내부 직경(및/또는 체적)(DAI)은, 축적기(116)에 대한 공기 챔버의 직경(DAA)보다 크다는 것이다. 특히, 증강기 피스톤(142a)의 표면은 축적기 피스톤(136)의 표면적보다 크다. 증강기 유체 피스톤의 직경(DFI)는 축적기 피스톤(136)의 직경(DFA)과 거의 동일하다. 따라서, 이런 식으로, 증강기 피스톤(142a)에 작용하는 더 낮은 공기압은, 축적기 피스톤(136) 상에 작용하는 더 높은 공기압과 유사한, 연관된 유체 챔버(146) 상에 작용하는 유사한 압력을 발생시킨다. 이와 같이, 증강기 공기 챔버(144)와 증강기 유체 챔버(146)의 압력비는, 축적기 공기 챔버(140)와 축적기 유체 챔버(138)의 압력비보다 크다. 한 예에서, 축적기 내의 압력비는 1:1인 반면, 증강기 내의 압력비는 10:1이다. 이들 비율들은, 사용된 축적기 및 증강기의 갯수와 특정한 응용에 따라 달라질 것이다. 이런 식으로, 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 시스템(100)은, 비슷한 레벨의 유압을 발생시키기 위해 적어도 2개 스테이지의 공기압이 이용되는 것을 허용한다. 다시 한번, 유체 챔버(146) 내의 음영진 체적은 유압유를 나타내고, 증강기(118)는 또한, 증강기(118)를 시스템(100)으로부터 격리시키는 선택사항적인 셧-오프 밸브(134)를 포함한다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 축적기(116) 및 증강기(118) 각각은, 각각의 공기 챔버(140, 144) 및 각각의 유체 챔버(138, 146)와 통신하는 온도 센서(122) 및 압력 센서(124)를 포함한다. 이들 센서들은 센서들(112, 114)과 유사하며, 센서 원격 측정을 제어 시스템(120)에 전달하고, 제어 시스템(120)은, 차례로, 밸브 배열을 제어하기 위해 신호들을 전송할 수 있다. 또한, 피스톤(136, 142)은, 피스톤(136, 142)의 현재 위치를 제어 시스템(120)에 보고하는 위치 센서(148)를 포함할 수 있다. 피스톤(136, 142)의 이동 위치 및/또는 속도는, 가스와 유체 양자 모두의 상대적 압력 및 흐름을 판정하기 위해 사용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 시스템(100)은, 축적기(116) 및 증강기(118)의 유압 모터(130)와의 유체 접속의 통신을 제어하는 유압 밸브(128a, 128b 128c, 128d, ... 128n)를 더 포함한다. 유압 밸브(128)와 공압 밸브(106)의 특정한 개수, 타입, 및 배열은, 집합적으로 제어 밸브 배열이라고 언급된다. 또한, 밸브는 일반적으로 단순한 2 방식 밸브(즉, 셧-오프 밸브)로서 기술되지만; 밸브는 본질적으로 공기 및/또는 유체의 흐름을 특정한 방식으로 제어하기 위해 필요하다면 임의의 구성일 수 있다. 축적기(116)와 밸브(128a, 128b) 사이의 유압 배관과, 증강기(118)와 밸브(128c, 128d) 사이의 유압 배관은, 제어 시스템(120)에 정보를 중계하는 흐름 센서(flow sensor, 126)를 포함할 수 있다.
모터/펌프(130)는, 복합 전기 모터 및 발전기 어셈블리(132)를 구동하는, 및 이에 의해 구동되는, 샤프트(131)(또는 기타의 기계적 결합)를 갖는 피스톤-타입 어셈블리일 수 있다. 모터/펌프(130)는 또한, 예를 들어, 추진기, 날개(vane), 또는 기어 타입 어셈블리일 수 있다. 모터/발전기 어셈블리(132)는, 전력 분배 시스템과 상호접속되고, 제어 시스템(120)에 의해 상태와 출력/입력 레벨에 대해 모니터링될 수 있다.
도 1에 도시된 시스템의 한 잇점은, 예를 들어 도 4 및 5의 시스템과는 상반되게, 추가 컴포넌트 없이 예를 들어 3000-300 psig 범위에서 약 2배의 전력 출력을 달성한다는 것이다. 증강기(118)와 축적기(116) 사이에서 앞뒤로 유압유를 움직이는(Shuffle) 것은, 250-3000 psig 압력 범위에서 팽창 또는 압축하면서 2배수의 증강기 및 축적기를 갖는 시스템과 동일한 전력 출력을 허용한다. 또한, 이 시스템 배열은, 펌핑 모드(즉, 압축 페이즈)에 있을 때의 어떤 유압 모터/펌프에 대한 자흡수(self-priming)와 관련된 잠재적 문제를 제거할 수 있다.
도 2a-2q는, 저장 탱크(102)가 고압 공기/가스로 충전되는(즉, 에너지가 저장되는) 압축 페이즈 동안 시스템(100)의 다양한 동작 스테이지를 간략화된 그래픽 방식으로 나타내고 있다. 또한, 단 하나의 저장 탱크(102)가 도시되어 있고 밸브들 및 센서들 중 일부는 명료성을 위해 생략하였다. 또한, 도시된 압력은 단지 참고용이며, 시스템(100)의 특정한 동작 파라미터에 따라 달라질 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은, 공압 밸브(106) 및 유압 밸브(128)가 폐쇄되어 있는 중립 상태에 있다. 셧-오프 밸브(134)는, 축적기(116) 및 증강기(118)를 시스템(100)과 통신하도록 유지하기 위해 모든 동작 스테이지에서 개방되어 있다. 축적기 유체 챔버(138)는 실질적으로 충만되는 반면, 증강기 유체 챔버는 실질적으로 비어 있다. 저장 탱크(102)는, 충전 이전에 전형적으로 저압(약 0 psig)에 있고, 유압 모터/펌프(130)는 정지되어 있다.
도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이, 압축 페이즈가 개시함에 따라, 공압 밸브(106b)가 개방됨으로써, 축적기 공기 챔버(140)와 증강기 공기 챔버(144)간의 유체 통신을 허용하고, 유압 밸브(128a, 128d)가 개방됨으로써, 유압 모터/펌프(130)를 통한 축적기 유체 챔버(138)와 증강기 유체 챔버(146) 간의 유체 통신을 허용한다. 모터/발전기(132)(도 1 참조)는, 모터/펌프(130)를 구동하기 시작하고, 증강기(118)와 축적기(116) 사이의 공기압은, 압력하에서 증강기 유체 챔버(144)로 유체가 구동(drive)됨에 따라, 증가하기 시작한다. 피스톤(142)을 통해 공기 챔버(146)에 압력 또는 기계적 에너지가 전달된다. 축적기 공기 챔버(140) 내의 이러한 공기압의 증가는 축적기(116)의 유체 챔버(138)를 가압함으로써, 가압된 유체를 모터/펌프(130) 주입구에 제공하고, 이것은 자흡수 문제를 제거할 수 있다.
도 2d, 2e, 및 2f에 도시된 바와 같이, 모터/발전기(132)는 모터/펌프(130)를 계속 구동함으로써, 축적기(116)로부터 증강기(118)로 유압유를 전달하고, 이것은, 차례로, 축적기와 증강기 공기 챔버(140, 146) 사이의 공기를 계속 압박한다. 도 2f는 압축 페이즈의 제1 스테이지의 완료를 도시한다. 공압 및 유압 밸브(106, 128)는 모두 폐쇄된다. 증강기(118)의 유체 챔버(144)는 고압(예를 들어, 약 3000 psig)의 유체로 실질적으로 충만되고, 축적기 유체 챔버(138)는 실질적으로 비워지고 중간-범위 압력(예를 들어, 약 250 psig)으로 유지된다. 축적기 및 증강기 공기 챔버(140, 146)의 압력은 중간-범위 압력으로 유지된다.
압축 페이즈의 제2 스테이지의 시작은 도 2g에 도시되어 있으며, 여기서 유압 밸브(128b, 128c)는 개방되고, 공압 밸브(106)은 모두 폐쇄됨으로써, 고압의 증강기 유체 챔버(144)를 모터/펌프(130)와 통신하게 둔다. 증강기 공기 챔버(146) 내에 남아 있는 임의의 가스의 압력은 모터/펌프(130)의 구동을 보조할 것이다. 일단 축적기와 증강기 유체 챔버(138, 144) 사이에서 유압이 대등해지면(도 2h에 도시된 바와 같이), 모터/발전기는 모터/펌프(130)를 구동하기 위해 전기를 끌어 당길 것이고, 또한 축적기 유체 챔버(138)를 압박한다.
도 2i 및 2j에 도시된 바와 같이, 모터/펌프(130)는 축적기 유체 챔버(138)를 계속 압박하고, 이것은 차례로, 축적기 공기 챔버(140)를 압박한다. 증강기 유체 챔버(146)는 저압에 있고, 증강기 공기 챔버(144)는 실질적으로 대기압에 있다. 일단 증강기 공기 챔버(144)가 실질적으로 대기압에 도달하면, 공압 통풍구 밸브(106c)가 개방된다. 수직 배향의 증강기의 경우, 증강기 피스톤(142)의 하중이 필요한 배압(back-pressure)을 모터/펌프(130)에 제공할 수 있고, 이것은, 어떤 모터/펌프에 대한 잠재적 자흡수 문제를 극복할 것이다.
도 2k에 도시된 바와 같이, 모터/펌프(130)는, 축적기 공기 챔버 및 유체 챔버가 시스템(100)에 대해 고압에 있을 때까지, 축적기 유체 챔버(138)와 축적기 공기 챔버(140)를 계속 압박한다. 증강기 유체 챔버(146)는 저압에 있고, 실질적으로 비어 있다. 증강기 공기 챔버(144)는 실질적으로 대기압에 있다. 도 2k는 또한, 축적기 공기 챔버(140)가 시스템(100)에 대해 미리결정된 고압에 도달할 때 제어 밸브 배열에서의 전환(change over)을 도시한다. 공압 밸브(106a)는 개방되어 고압 가스가 저장 탱크(102)에 들어가도록 허용한다.
도 2l은 하나의 압축 사이클의 제2 스테이지의 끝을 도시하며, 여기서, 유압 및 공압 밸브(128, 106) 모두가 폐쇄된다. 시스템(100)은 이제 또 다른 압축 사이클을 개시하며, 여기서, 시스템(100)은 축적기(116)로부터 다시 증강기(118)로 유압유를 실어 나른다.
도 2m은 다음번 압축 사이클의 시작을 도시한다. 공압 밸브(106)는 폐쇄되고 유압 밸브(128a, 128d)는 개방된다. 축적기 유체 챔버(138)에 남아 있는 임의의 가스의 잔여 압력은 처음에 모터/펌프(130)를 구동하여, 전기를 끌어당길 필요성을 제거한다. 도 2n에 도시된 바와 같이, 그리고 도 2g에 관하여 기술된 바와 같이, 일단 축적기 및 증강기 유체 챔버(138, 144) 사이에서 유압이 대등해지면, 모터/발전기(132)는 전기를 끌어 당겨 모터/펌프(130)를 구동하고, 또한 증강기 유체 챔버(144)를 압박할 것이다. 이 스테이지 동안에, 축적기 공기 챔버(140) 압력은 감소하고, 증강기 공기 챔버(146) 압력은 증가한다.
도 2o에 도시된 바와 같이, 축적기 공기 챔버(140)와 증강기 공기 챔버(146)에서의 가스압이 동등할 때, 공압 밸브(106b)는 개방되어, 축적기 공기 챔버(140)와 증강기 공기 챔버(146)를 유체 통신 상태로 둔다. 도 2p 및 2q에 도시된 바와 같이, 모터/펌프(130)는 축적기 유체 챔버(138)로부터 증강기 유체 챔버(146)로 유체를 계속 전달하고, 증강기 유체 챔버(146)를 압박한다. 도 2d-2f에 관해 전술된 바와 같이, 실질적으로 모든 유체가 증강기(118)에 전송되고, 증강기 유체 챔버(146)가 고압에 있고, 증강기 공기 챔버(144)가 중간-범위 압력에 있을 때까지 프로세스는 계속된다. 시스템(100)은, 저장 탱크(102)에 고압 공기 저장을 계속하기 위해 도 2g-2k에서 도시되고 기술된 프로세스를 계속한다. 시스템(100)은, 저장 탱크(102) 내의 원하는 공기압에 도달하기 위해 필요한 만큼 많은 압축 사이클을 수행(즉, 축적기(116)와 증강기(118) 사이에서 유압유의 전달)할 것이다(즉, 완전 압축 페이즈).
도 3a-3m은, 에너지(즉, 저장된 압축 가스)가 회수되는 팽창 페이즈 동안 시스템(100)의 다양한 동작 스테이지를 간략화된 그래픽 방식으로 나타내고 있다. 도 3a-3m은 도 2a-2q에 도시된 것과 동일한 명칭, 심볼, 및 예시 번호를 사용한다. 시스템(100)이 저장 탱크(102)의 공기를 압축하기 위해 사용되는 것으로 기술되지만, 대안으로서, 탱크(102)는 별개의 압축기 유닛에 의해 충전(예를 들어, 초기 충전)될 수 있다는 것에 주목해야 한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은, 공압 밸브(106) 및 유압 밸브(128)가 모두 폐쇄되어 있는 중립 상태에 있다. 압축 페이즈 동안과 동일하게, 셧-오프 밸브(134)는 축적기(116) 및 증강기(118)를 시스템(100)과 통신하게 유지하기 위해 개방된다. 축적기 유체 챔버(138)는 실질적으로 충만되는 반면, 증강기 유체 챔버(146)는 실질적으로 비어 있다. 저장 탱크(102)는 고압(예컨대 3000 psig)에 있고, 유체 모터/펌프(130)는 정지되어 있다.
도 3b는, 공압 밸브(106a, 106c)가 개방되는 팽창 페이즈의 제1 스테이지를 도시한다. 개방된 공압 밸브(106a)는, 고압 저장 탱크(102)를 축적기 공기 챔버(140)와 유체 통신으로 접속하고, 이것은 차례로 축적기 유체 챔버(138)를 압박한다. 개방된 공압 밸브(106c)는 증강기 공기 챔버(146)를 대기압으로 배기한다. 유압 밸브(128a, 128d)는 개방되어 유체가 축적기 유압 챔버(138)로부터 흘러 모터/펌프(130)를 구동하도록 허용하고, 이것은 차례로 모터/발전기(132)를 구동하여, 전기를 생성한다. 생성된 전기는 전력 그리드에 직접 전달되거나, 추후 사용, 예를 들어 최고치 사용 시간 동안의 사용을 위해 저장될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 일단 미리결정된 체적의 가압된 공기가 축적기 공기 챔버(140)에 입장 허가되면(예를 들어, 3000 psig), 공압 밸브(106a)가 폐쇄되어 저장 탱크(102)를 축적기 공기 챔버(140)로부터 격리한다. 도 3c-3F에 도시된 바와 같이, 축적기 공기 챔버(140)의 높은 압력은, 축적기 유압 챔버(138)로부터 모터/펌프(130)를 통해 증강기 유체 챔버(146) 쪽으로 유압유를 계속 구동함으로써, 모터/발전기(132)의 구동과 전기 생성을 계속한다. 유압유가 축적기(116)로부터 증강기(118)로 이송됨에 따라, 축적기 공기 챔버(140) 내의 압력은 감소하고 증강기 공기 챔버(144) 내의 공기는 공압 밸브(106C)를 통해 배기된다.
도 3g는 팽창 페이즈의 제1 스테이지의 완료를 도시한다. 일단 축적기 공기 챔버(140)가 제2 미리결정된 중간-압력(예를 들어, 약 300 psig)에 도달하고 나면, 유압 및 공압 밸브(128, 106) 모두가 폐쇄된다. 축적기 유체 챔버(138), 증강기 유체 챔버(146), 및 증강기 공기 챔버(144) 내의 압력은 대략 대기압이다. 축적기 공기 챔버(140) 내의 압력은 미리결정된 중간-범위 압력으로 유지된다.
도 3h는 팽창 페이즈의 제2 스테이지의 시작을 도시한다. 공압 밸브(106b)는 개방되어 축적기 공기 챔버(140)와 증강기 공기 챔버(144) 사이의 유체 통신을 허용한다. 밸브(106b)가 개방되고 축적기 공기 챔버(140)와 증강기 공기 챔버(144)가 접속될 때 미리결정된 압력은 약간 감소할 것이다. 유압 밸브(128b, 128d)는 개방되어, 증강기 내에 저장된 유압유가 모터/펌프(130)를 통해 축적기 유체 챔버(138)로 이송되는 것을 허용하고, 이것은 차례로, 모터/발전기(132)를 구동하고, 전기를 생성한다. 유체를 증강기 유체 챔버(146)로부터 축적기 유체 챔버(138)로 구동하기 위해 축적기 공기 챔버(140)로부터 증강기 공기 챔버(144)로 이송된 공기는, 축적기 유체 챔버(138)로부터 증강기 유체 챔버(146)로 유체를 구동시킨 공기보다 낮은 압력에 있다. 공기 피스톤(142a)과 유체 피스톤(142b) 간의 면적 차이(예를 들어, 10:1)는 더 낮은 압력의 공기가 유체를 고압의 증강기 유체 챔버(146)로부터 이송하는 것을 허용한다.
도 3i-3k에 도시된 바와 같이, 증강기 공기 챔버(144)의 압력은, 유압유를 증강기 유압 챔버(146)로부터 모터/펌프(130)를 통해 축적기 유체 챔버(138) 쪽으로 계속 구동함으로써, 모터/발전기(132)의 구동과 전기 생성을 계속한다. 유압유가 축적기(116)로부터 증강기(118)로부터 축적기(116)로 이송됨에 따라, 증강기 공기 챔버(144), 증강기 유체 챔버(146), 축적기 공기 챔버(140), 및 축적기 유체 챔버(138) 내의 압력은 감소한다.
도 3L은 팽창 사이클의 제2 스테이지의 끝을 도시하며, 여기서, 실질적으로 유압유 전부가 축적기(116)로 이송되고, 밸브(106, 128) 모두는 폐쇄된다. 또한, 축적기 공기 챔버(140), 축적기 유체 챔버(138), 증강기 공기 챔버(144), 및 증강기 유체 챔버(146)는 모두 낮은 압력이다. 대안적 실시예에서, 유압유는, 저압(예를 들어, 약 0-250 psig) 범위에서 압축 및 팽창하기 위해 2개의 증강기들 사이에서 앞뒤로 운반될 수 있다. 더 낮은 압력에서 저장된 에너지를 이용하기 위해 제2의 증강기와 적절한 밸빙을 이용하는 것은, 추가적인 전기를 생산할 수 있다. 더 낮은 압력에서 저장된 에너지를 이용하기 위해 제2의 증강기와 적절한 밸빙을 이용하는 것은, 가스 저장 탱크로부터의 상당한 깊이의 방출과, 주어진 저장 체적에 대해 추가적인 에너지의 저장 및 회수을 허용할 수 있다.
도 3m은, 도 3b에 관해 기술된 바와 같이 또 다른 팽창 페이즈의 시작을 도시한다. 시스템(100)은, 전기 생산을 위해 필요하다면, 또는 저장 탱크(102) 내의 압축된 공기가 모두 소진될 때까지 팽창 페이즈를 계속 사이클링할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 한 실시예에 따른 개방된-공기 유압-공압 원리를 이용하는 에너지 저장 시스템(300)의 개략도이다. 시스템(300)은 하나 이상의 고압 가스/공기 저장 탱크(302a, 302b, ... 302n)로 구성된다(갯수는 특정 응용에 적합하게 상당히 가변적임). 각각의 탱크(302a, 302b)는 수동 밸브(들)(304a, 304b, ... 304n)를 통해 주 공기 배관(308)에 병렬 연결된다. 탱크(302a, 302b)에는, 적절한 접속을 통해(여기서는 일반적으로 "제어로(TO CONTROL)"라고 표시하는 화살표로서 도시됨) 시스템 제어기(350)에 의해 모니터링될 수 있는 압력 센서(312a, 312b,... 312n)와 온도 센서(314a, 314b, ... 314n)가 각각 제공된다. 제어기(350)는, 그 동작에 대해 이하에서 더 상세히 기술되며, 인간-기계 인터페이스를 갖춘 임의의 허용가능한 제어 장치일 수 있다. 한 실시예에서, 제어기(350)는, 컴퓨터-판독가능한 소프트웨어 매체의 형태로 저장된 제어 애플리케이션(353)을 실행하는 컴퓨터(351)(예를 들어, PC 타입)를 포함한다. 제어 애플리케이션(353)은, 다양한 센서로부터 원격 측정을 수신하고, 제어 밸브 액츄에이터, 모터, 및 기타의 필요한 전자기계적/전자적 장치에 적절한 피드백을 제공한다. 센서로부터의 데이터를 컴퓨터 제어기(351)에 의해 판독될 수 있는 형태로 변환하기 위해 (RS-232 또는 네트워크-기반의 상호접속과 같은) 적절한 인터페이스가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 이 인터페이스는, 컴퓨터의 제어 신호를, 밸브 및 기타의 액츄에이터가 동작을 수행하기 위해 사용할 수 있는 형태로 변환한다. 이와 같은 인터페이스의 준비는 당업자에게는 자명할 것이다.
탱크(302a, 302b)로부터의 주 공기 배관(308)은, (제어기(350)를 통해) 자동 제어되는 2-위치 밸브(307a, 307b, 307c, 및 306a, 306b, 및 306c)를 통해 한쌍의 멀티-스테이지(이 예에서는 2 스테이지) 축적기/증강기 회로(또는 유압-공압 실린더 회로)(점선 박스 360, 362)에 결합된다. 이들 밸브들은 본 발명의 한 실시예에 따라 각각의 축적기(316 및 317)와 증강기(318 및 319)에 결합된다. 공압 밸브(306a, 307a)는 또한 각각의 대기 통풍구(atmospheric air vent)(310b 및 310a)에 결합된다. 특히, 밸브(306c 및 307c)는 공통 공기 배관(390, 391)을 따라 각각 주 공기 배관(308)과 축적기(316 및 317) 사이에 접속된다. 공압 밸브(306b 및 307b)는 각각의 축적기(316 및 317)와 증강기(318 및 319) 사이에 접속된다. 공압 밸브(306a, 307a)는 공통 배관(390, 391)을 따라 증강기(318 및 319)와 대기 통풍구(310b 및 310a) 사이에 접속된다.
따라서, 탱크(302)로부터의 공기는 각각의 축적기 및 증강기의 공기 챔버측(도면에서는, 축적기(316)에 대한 공기 챔버(340), 축적기(317)에 대한 공기 챔버(341), 증강기(318)에 대한 공기 챔버(344), 및 증강기(319)에 대한 공기 챔버(345)로서 참조됨)과 선택적으로 통신한다. 공기 온도 센서(322) 및 압력 센서(324)는 각각의 공기 챔버(341, 344, 345, 322)와 통신하고, 센서 원격 측정을 제어기(350)에 전달한다.
각각의 축적기(316, 317)의 공기 챔버(340, 341)는, 밀봉 링 및 당업자에게 공지된 기타의 컴포넌트를 이용한 적절한 밀봉 시스템을 갖춘 가동형 피스톤(336, 337)에 의해 에워싸인다. 피스톤(336, 337)은, 공기 챔버(340, 341)와, 각각, 축적기 하우징의 반대측 상의 대향하는 유체 챔버(338, 339) 간의 압력차에 응답하여 축적기 하우징을 따라 움직인다. 이 예에서, 유압유(또는, 물과 같은 다른 액체)가 유체 챔버의 음영진 체적으로 표시되어 있다. 마찬가지로, 각각의 증강기(318, 319)의 공기 챔버(344, 345)는 가동형 피스톤 어셈블리(342, 343)에 의해 에워싸인다. 그러나, 증강기 공기 피스톤(342a, 343a)은 샤프트, 로드, 또는 기타의 결합에 의해 각각의 유체 피스톤(342b, 343b)에 접속된다. 이 유체 피스톤(342b, 343b)은 공기 피스톤(342a, 343a)과 연계하여 움직이지만, 연관된 증강기 유체 챔버(346, 347)에 직접 작용한다. 주목할 점은, 증강기(318, 319)에 대한 공기 챔버의 내부 직경(및/또는 체적)(DAI)은, 동일한 회로(360, 362) 내의 축적기(316, 317)에 대한 공기 챔버의 직경(DAA)보다 크다는 것이다. 특히, 증강기 피스톤(342a, 343a)의 표면적은 축적기 피스톤(336, 337)의 표면적보다 크다. 각각의 증강기 유체 피스톤의 직경(DFI)은 각각의 축적기의 직경(DFA)과 거의 동일하다. 따라서, 이런 식으로, 증강기 피스톤에 작용하는 더 낮은 공기압은, 축적기 피스톤에 작용하는 더 높은 공기압과 유사한 압력을, 연관된 유체 챔버 상에 발생시킨다. 이런 식으로, 이하에서 더 기술되는 바와 같이, 시스템은, 비슷한 레벨의 유압을 발생시키기 위해 적어도 2 스테이지의 압력이 이용되는 것을 허용한다.
한 예에서, 축적기 내의 초기 가스압이 200 대기(ATM)(3000 PSI - 고압)에 있고, 완전 팽창시 20 ATM(300 PSI)의 최종 중간-압력에 있다고 가정하고, 그 다음 증강기 내의 초기 가스압이 20 ATM(최종 압력 1.5-2 ATM(25-30 PSI))이라고 가정하면, 증강기 내의 가스 피스톤의 면적은 축적기 내의 피스톤의 면적의 대략 10배(또는 3.16배 반경)가 될 것이다. 그러나, 초기 고압, 중압, 최종 저압에 대한 정확한 값은, 적어도 부분적으로, 시스템 컴포넌트들의 동작 사양, 시스템의 스케일 및 출력 요건에 따라, 상당히 변동적이다. 따라서, 축적기 및 증강기의 상대적 크기조정은 특정 응용에 적합하게 가변적이다.
각각의 유체 챔버(338, 339, 346, 347)는, 원격 측정을 제어기(350)에 각각 전달하는, 적절한 온도 센서(322) 및 압력 센서(324)와 상호접속된다. 또한, 유체 챔버와 상호접속된 각각의 유체 배관은, 제어기(350)에 데이터를 전달하는 흐름 센서(326)가 구비될 수 있다. 피스톤(336, 337, 342, 및 343)은 제어기(350)에 그들의 현재 위치를 보고하는 위치 센서(348)를 포함할 수 있다. 피스톤의 위치는, 가스와 유체 양자 모두의 상대적 압력 및 흐름을 판정하기 위해 사용될 수 있다. 유체 챔버(338, 339, 346, 347)로부터의 각각의 유체 접속은 한쌍의 병렬의, 자동 제어되는 밸브에 접속된다. 도시된 바와 같이, 유체 챔버(338)(축적기(316))는 밸브쌍(328c 및 328d)에 접속되고; 유체 챔버(339)(축적기(317))는 밸브쌍(329a 및 329b)에 접속되고;유체 챔버(346)(증강기(318))는 밸브쌍(328a 및 328b)에 접속되고;유체 챔버(347)(증강기(319))는 밸브쌍(329c 및 329d)에 접속된다. 각각의 챔버(328b, 328d, 329a, 및 329c)로부터의 한 밸브는 유압 모터/펌프(330)의 한 접속측(372)에 접속된다. 모터/펌프(330)는, 복합 전기 모터/발전기 어셈블리(332)를 구동하는, 및 이에 의해 구동되는, 샤프트(331)(또는 기타의 기계적 결합)를 갖는 피스톤-타입(또는 날개(vane), 추진기, 및 기어를 포함한 기타의 적절한 타입) 어셈블리일 수 있다. 모터/발전기 어셈블리(332)는, 전력 분배 시스템과 상호접속되고, 제어기(350)에 의해 상태와 출력/입력 레벨에 대해 모니터링될 수 있다. 유압 모터/펌프(330)의 다른 접속측(374)은 각각의 밸브쌍(328a, 328c, 329b, 및 329d)의 제2 밸브에 접속된다. 각 쌍 내의 밸브들을 선택적으로 토글링함으로써, 유체는 유압 모터/펌프(330)의 각 측(372, 374) 사이에 접속된다. 대안으로서, 밸브쌍들 일부 또는 전부는, 특정 응용에 적합하게 하나 이상의 3 위치, 4방식 밸브 또는 기타의 밸브 조합으로 대체될 수 있다.
회로(360, 362)의 갯수는 필요한 대로 증가될 수 있다. 추가 회로가, 회로(360, 362)의 컴포넌트들과 동일한 방식으로, 탱크(302)와 유압 모터/펌프(330)의 각 측(372, 374)에 상호접속될 수 있다. 일반적으로, 회로의 갯수는, 한 회로가 유체 구동기로서 동작하는 반면 다른 회로는 구동 회로로부터 유체를 수신하기 위한 저장고로서 동작하도록, 짝수이어야 한다.
선택사항적 축적기(366)는, 유압 모터/펌프(330)의 적어도 한측(예를 들어, 주입구측(372))에 접속된다. 선택사항적 축적기(366)는, 예를 들어, 별도의 유체측(368)과 미리충전된 공기측(370)을 갖춘 폐쇄된-공기-타입 축적기일 수 있다. 이하에서 기술되는 바와 같이, 축적기(366)는 모터/펌프(330)를 통한 유체 흐름의 과도상태를 처리하는 유체 커패시터로서 작용한다. 또 다른 실시예에서, 제2의 선택사항적 축적기 또는 기타의 저압 저장고(371)가 모터/펌프(330)의 유출측(374)과 유체 통신하도록 배치되며, 또한 유체측(371)과 미리충전된 공기측(369)을 포함할 수 있다. 전술된 선택사항적 축적기들은, 본 명세서에서 기술된 시스템들 중 임의의 것과도 함께 사용될 수 있다.
도 4의 개방된-공기 유압-공압 에너지 저장 시스템(300)의 한 실시예의 일반적 배열을 기술하였고, 이제는, 에너지 회수 페이즈 동안의 시스템(300)의 예시적 기능이 도 5a-5N을 참조하여 기술될 것이다. 이러한 동작의 설명을 위해, 도 5a-5N의 시스템(300)의 예시는 간략화되었으며, 제어기(350), 및 밸브, 센서 등과의 상호접속은 생략되었다. 설명된 단계들은 애플리케이션(353)에 의해 설정된 규칙에 기초하여 제어기(350)의 제어와 모니터링 하에 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5a는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 제1 회로의 축적기(316)가 고압 가스 저장 탱크(302)로부터의 고압 가스로 충전되어 있는 시스템(300)의 초기 물리적 상태를 도시하고 있다. 탱크(302)는, 유압 모터/펌프(330)으로의 전력 입력 하의 시스템(300)의 사이클에 의해, 또는 별개의 고압 공기 펌프(376)에 의해, 전압력(full pressure)으로 충전되었다. 이 공기 펌프(376)는, 공기 탱크(302)가 회수 사이클을 역방향으로 실행함으로써 충전될 수 있기 때문에, 선택사항이다. 이 실시예에서의 탱크(302)는 200 ATM(3000 psi) 또는 그 이상의 압력으로 충전될 수 있다. 탱크(302)의 전체적 집합적 체적은 상당히 가변적이며, 부분적으로는, 저장될 에너지량에 의존한다.
도 5a에서, 저장된 에너지의 회수은 제어기(350)에 의해 개시된다. 이 목적을 위해, 공압 밸브(307c)는 개방되어, 축적기(316)의 공기 챔버(340) 내로의 고압 공기의 흐름을 허용한다. 주목할 점은, 압축된 가스 또는 유체의 흐름이 도시된 곳에서, 접속은 점선으로 표시된다는 점이다. 압력의 레벨은 챔버(340)와 통신하는 센서(324)에 의해 보고된다. 압력은 밸브(307c)에 의해 원하는 레벨로 유지된다. 이 압력은 피스톤(336)이 유체 챔버(338) 쪽으로 편향(화살표 800)되도록 함으로써, 압축불가능한 유체에서 필적할만한 압력을 생성한다. 이 때 유체는 밸브(329c 및 329d)에 의해 유체 챔버(338)를 벗어나지 못한다.
도 5b는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5a의 상태에 후속하는 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 밸브들은 개방되어 유체가 제1 회로의 축적기(316)로부터 유체 펌프/모터(330)로 흘러 그로부터 전기를 생성하는 것을 허용한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 공압 밸브(307c)는 개방되어 있다. 공기 챔버(340)에서 미리결정된 압력이 얻어질 때, 유체 밸브(329c)는 제어기에 의해 개방되어, (회수 페이즈 동안에 모터 모드에서 동작하는) 유압 모터/펌프(330)의 주입측(372)으로의 유체의 흐름(화살표 801)을 유발한다. 모터(330)의 움직임은 전기 모터/발전기(332)를 발전 모드로 구동하여, 용어 "전력 출력(POWER OUT)"으로 도시된 바와 같이 설비나 그리드에 전력을 제공한다. 유압 모터/펌프(330)의 유출측(374)으로부터의 유체 흐름(화살표 803)을 흡수하기 위해, 제어기(350)에 의해 유체 챔버(339)에게 유체 밸브(328c)가 개방되어 유체를 대향하는 축적기(317) 쪽으로 라우팅한다. 유체가 그 에너지가 모터/펌프(330)로 이송된 후에 축적기(317)를 충전하는 것을 허용하기 위해, 공압 통풍구 밸브(306a, 306b)를 개방함으로써 공기 챔버(341)가 배기된다. 이것은, 피스톤(337)이 유체의 진입에 응답하여 이동(화살표 805)함에 따라, 챔버(341) 내의 공기가 통풍구(310b)를 통해 대기로 빠져 나가는 것을 허용한다.
도 5c는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5b의 상태에 후속한 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 축적기(316)는 유체를 유체 모터/펌프(330) 쪽으로 보내는 반면, 제2 회로의 축적기(317)는, 그 공기 챔버(341)의 가스가 대기로 배기됨에 따라, 모터/펌프(330)로부터의 배출된 유체를 수신한다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 미리결정된 양의 가스가 고압 탱크(302)로부터 축적기(316)로 흐르는 것이 허용되고, 제어기(350)는 이제 공압 밸브(307c)를 폐쇄한다. 다른 밸브들은 개방으로 유지되어 유체가 모터/펌프(330)를 통해 축적기(316)에 의해 계속 구동될 수 있다.
도 5d는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5c의 상태에 후속한 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 축적기(316)는 유체를 유체 모터/펌프(330) 쪽으로 계속 보내는 반면, 제2 회로의 축적기(317)는, 그 공기 챔버(341)의 가스가 대기로 배기됨에 따라, 모터/펌프(330)로부터의 배출된 유체를 계속 수신한다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 동작은 계속되고, 여기서 축적기 피스톤(136)은, 탱크(302)에 의해 축적기 공기 챔버(340) 내에 위치한 가스압의 적재량에 기초하여 추가 유체를 모터/펌프(330) 쪽으로 구동(화살표 800)한다. 유체는 대향하는 축적기의 피스톤(337)이 이동하게끔 하여(화살표 805), 통풍구(310b)를 통해 공기를 배기한다.
도 5e는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5d의 상태에 후속한 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 축적기(316)는 유체 챔버(338) 내의 유체를 거의 배출하였고, 공기 챔버(340) 내의 가스는 고압으로부터 거의 중간-압력으로 팽창되었다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 축적기(316)의 공기 챔버(340) 내의 가스 적재분은, 공기 통풍구(310b)를 통해 공기를 배출하면서 모터/펌프(330)를 통해 유체를 계속 구동(화살표 800, 801)했다. 가스는, 에너지 회수 사이클의 이 부분 동안에 고압으로부터 중간-압력으로 팽창하였다. 결과적으로, 유체는 고압으로부터 중간-압력까지 변화했다. 축적기를 적절하게 크기조정함으로써, 팽창의 속도가 제어될 수 있다.
이것은 열 전달의 중요한 파라미터 부분이다. 최대 효율을 위해, 팽창은 실질적으로 등온을 유지해야 한다. 즉, 환경으로부터의 열이 팽창에 의해 소실된 열을 대체한다. 일반적으로, 등온 압축 및 팽창은, 특히 압축된 가스가 장기간 동안 저장되는 경우, 높은 왕복 시스템 효율을 유지하기 위해 중요하다. 본 명세서에서 설명된 시스템의 다양한 실시예들에서, 열 전달은 축적기 및/또는 증강기의 벽을 통해 발생하거나, 또는 열 전달 메커니즘은 환경 또는 기타의 소스로부터 열을 흡수하거나 열을 방출하기 위해 팽창 또는 압축하는 가스에 작용할 수 있다. 이러한 열 전달의 속도는, 열적 시상수를 결정하는데 사용될 수 있는 축적기/증강기의 열 속성 및 특성에 의해 지배된다. 만일 축적기/증강기 내의 가스의 압축이 열적 시상수에 비해 느리게 발생한다면, 가스의 압축에 의해 생성된 열은 축적기/증강기 벽을 통해 주변으로 전달되고, 가스는 거의 일정한 온도로 유지될 것이다. 마찬가지로, 만일 축적기/증강기 내의 가스의 팽창이 열적 시상수에 비해 느리게 발생한다면, 가스의 팽창에 의해 흡수된 열은 주변으로부터 축적기/증강기 벽을 통해 가스에 전달되고, 가스는 거의 일정한 온도로 유지될 것이다. 만일 가스가 압축 및 팽창 동안에 비교적 일정한 온도로 유지된다면, 압축 동안에 가스로부터 주변으로 전달된 열 에너지의 양은, 팽창 동안에 주변으로부터 가스로의 열 전달을 통해 회수된 열 에너지의 양과 동일할 것이다. 이러한 속성이 도 4에서 Q와 화살표로 표시되어 있다. 주목하는 바와 같이, 등온 팽창/압축을 유지하기 위해 다양한 메커니즘이 채용될 수 있다. 한 예에서, 축적기가 수조(water bath)에 잠기거나 물/유체 흐름이 축적기 및 증강기 주변을 순환할 수 있다. 대안으로서 축적기가 가열/냉각 코일로 둘러싸이거나 따뜻한 공기의 흐름을 축적기/증강기에 불어 줄 수 있다. 그러나, 축적기로의 및 축적기로부터의 열의 집단류(mass flow) 전달을 허용하는 임의의 기술이 채용될 수 있다.
도 5f는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5e의 상태에 후속한 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 축적기(316)는 유체 챔버(338) 내의 유체를 배출했고, 공기 챔버(340) 내의 가스는 고압으로부터 중간-압력으로 팽창했으며, 밸브들은 제1 회로와 제2 회로 상에서 모두 잠시 폐쇄된 한편, 선택사항적 축적기(366)는 사이클들간의 전기 모터/발전기(332)의 동작을 유지하기 위해 모터/펌프(330)를 통해 유체를 전달한다. 도 5F에 도시된 바와 같이, 축적기(316)의 피스톤(336)은, 공기 챔버(340)의 가스가 완전히 팽창함(예를 들어, 중간-압력 20 ATM까지)에 따라 유체 챔버(338) 바깥으로 모든 유체를 구동한다. 유체 밸브(329c 및 328c)는 제어기(350)에 의해 폐쇄된다. 사실상, 밸브의 개폐는, 모터/펌프(330)를 통한 흐름이 유지되도록 주의 깊게 시간조절된다. 그러나, 선택사항적 구현에서, 유체 압력에서의 짧은 중단은, 배출 유체 흐름(720)으로서 모터/펌프(330)를 통해 저압의 제2 선택사항적 축적기(도 4의 367)로 향하는 선택사항적 축적기(도 4의 366)로부터의 가압된 유체 흐름(710)에 의해 수용될 수 있다. 한 실시예에서, 배출 흐름은 제1 축적기(366)를 재충전하기 위해 사용되는 간단한 저압 저장고로 향할 수 있다. 대안으로서, 배출 흐름은 저압의 제2 선택사항적 축적기(도 4의 367)로 향할 수 있으며, 이것은 (압축기를 구동하는) 초과 전기 또는 유체로 채워진 저장 탱크(302)로부터의 공기압에 의해 후속해서 가압된다. 대안으로서, 더 많은 수의 축적기/증강기 회로(예를 들어, 3개 이상)가 시스템(300)에서 병렬로 사용되는 경우, 그들의 팽창 사이클이 어긋나 한번에 단 하나의 회로만이 폐쇄되어, 다른 회로들로부터의 실질적으로 연속적인 흐름을 허용할 수 있다.
도 5g는, 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5f의 상태에 후속한 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 공압 밸브(307b, 306a)가 개방되어 제1 회로의 축적기(316)의 공기 챔버(340)로부터의 중간-압력 가스가 제1 회로의 증강기(318)의 공기 챔버(344)로 흘러가는 것을 허용하는 한편, 제1 회로의 증강기(318)로부터의 유체는 모터/펌프(330) 쪽으로 향하고, 배출된 유체는, 그 공기 챔버(345)가 대기로 배기된 제2 회로의 증강기(319)의 유체 챔버(347)를 채운다. 도 5g에 도시된 바와 같이, 공압 밸브(307b)가 개방되는 한편, 탱크 유출 밸브(307c)는 폐쇄되어 유지된다. 따라서, 축적기(316)의 공기 챔버(340)의 체적은 증강기(318)의 공기 챔버(344)에 결합된다. 축적기의 공기압은, 탱크(302)의 초기 적재분보다 꽤 아래의 중간-압력 레벨로 감소되었다. 따라서, 공기는 밸브(307b)를 통해 증강기(318)의 공기 챔버(344)로 흐른다(화살표 810). 이것은 공기 피스톤(342a)을 구동한다(화살표 830). 공기-접촉 피스톤(342a)의 면적은 축적기(316)의 피스톤(336)의 면적보다 크기 때문에, 더 낮은 공기압은 여전히, 증강기(318)의, 더 작은 면적의 결합된 유체 피스톤(342b) 상에 실질적으로 등가의 더 높은 유체 압력을 생성한다. 그리하여 유체 챔버(346) 내의 유체는, 압력 하에, 개방된 유체 밸브(329a)를 통해(화살표 840) 모터/펌프(330)의 주입측(372) 내로 흐른다. 모터/펌프(330)의 유출 유체는 이제-개방된 유체 밸브(328a)를 통해 대향하는 증강기(319)로 향한다(화살표 850). 유체는 증강기(319)의 유체 챔버(347)에 들어가서, 유체 피스톤(343b)(그리고 상호접속된 가스 피스톤(343a))을 편향시킨다(화살표 860). 증강기(319)의 공기 챔버(345) 내의 임의의 가스는, 이제 개방된 통풍구 밸브(306a)를 거쳐 통풍구(310b)를 통해 대기로 배기된다. 축적기(316) 내의 중간-레벨 가스압은 증강기(318)로 향하고(화살표 820), 그 피스톤(342a)은 결합된 더 작은 직경의 유체 피스톤(342b)을 이용하여 챔버(346)로부터의 유체를 구동한다. 회수 스테이지의 이 부분은, 더 낮은 가스압에도 불구하고 상당히 높은 유체 압력을 유지함으로써, 주어진 모터에 대한 최적의 동작 효율성을 유지하기 위해서는 바람직하게도, 모터/펌프(330)가 미리결정된 범위 내의 유체 압력 내에서 계속 동작하는 것을 보장한다. 주목할 점은, 이 실시예의 멀티-스테이지 회로는, 모터/펌프(330)에 전달되는 유압유의 동작 압력 범위를, 고압 탱크에 의해 제공되는 팽창 가스 적재분 내의 넓은 범위의 압력에도 불구하고, 미리결정된 레벨보다 높게 효과적으로 제한한다.
도 5h는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5g의 상태에 후속한 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 증강기(318)는 제1 회로의 축적기(316)로부터의 중간-압력 가스에 기초하여 유체를 유체 모터/펌프(330) 쪽으로 보내는 반면, 제2 회로의 증강기(319)는, 그 공기 챔버(345)의 가스가 대기로 배기됨에 따라, 모터/펌프(330)로부터의 배출된 유체를 수신한다. 도 5H에 도시된 바와 같이, 증강기(318) 내의 가스는 중간-압력으로부터 저압으로의 팽창을 계속한다. 역으로, 각각, 결합된 공기 및 유체 피스톤(342a 및 342b) 간의 크기 차이는, 유압이 고압 및 중간-압력 사이에서 변동하게 한다. 이런 식으로, 모터/펌프 동작 효율이 유지된다.
도 5i는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5h의 상태에 후속하는 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 증강기(318)는 유체 챔버(346) 내의 유체를 거의 배출하였고, 제1 회로의 축적기(316)로부터 전달된 공기 챔버(344) 내의 가스는 중간-압력으로부터 거의 저압으로 팽창되었다. 도 5H와 관련하여 논의된 바와 같이, 증강기(318) 내의 가스는 중간-압력으로부터 저압으로의 팽창을 계속한다. 다시 한번, 각각, 결합된 공기 및 유체 피스톤(342a 및 342b) 간의 크기 차이는, 모터/펌프 동작 효율을 유지하기 위해, 유압이 고압 및 중간-압력 사이에서 변동하게 한다.
도 5j는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5i의 상태에 후속하는 시스템(300)의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 증강기(318)는 유체 챔버(346) 내의 유체를 본질적으로 배출하였고, 제1 회로의 축적기(316)로부터 전달된 공기 챔버(344) 내의 가스는 중간-압력으로부터 저압으로 팽창되었다. 도 5J에 도시된 바와 같이, 증강기의 피스톤(342)은 풀 스토로크(full stroke)에 도달하는 한편, 유체는 유체 챔버(346)에서 고압으로부터 중간-압력으로 완전히 구동된다. 마찬가지로, 대향하는 증강기의 유체 챔버(347)는 모터/펌프(330)의 유출측(374)으로부터의 유체로 채워졌다.
도 5k는 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5j의 상태에 후속한 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제1 회로의 증강기(318)는 유체 챔버(346) 내의 유체를 배출했고, 공기 챔버(344) 내의 가스는 저압으로 팽창했으며, 밸브들은, 축적기와 증강기 유체 챔버(339, 347)가 이제 유체로 채워진 제2 회로에서의 팽창 사이클로의 전환을 준비하기 위해, 제1 회로와 제2 회로 상에서 모두 순간적으로 폐쇄되었다. 이 때, 선택사항적 축적기(366)는 사이클들간에 모터/발전기(332)의 동작을 유지하기 위해 모터/펌프(330)를 통해 유체를 전달할 수 있다. 도 5k에 도시된 바와 같이, 회로(362)의 축적기(316)와 증강기(318) 사이에 위치한 공압 밸브(307b)가 폐쇄된다. 이 때 회수 스테이지의 상기 언급된 부분에서, 도 5a에서 개시된 가스 적재분은 비교적 점진적인 등온 팽창 특성을 동반한 채 2개 스테이지를 통해 완전히 팽창된 한편, 모터/펌프(330)는 원하는 동작 압력 범위 내에서 유체 흐름을 수신하였다. 공압 밸브(307b)와 함께, 유체 밸브(329a 및 328a)(및 유출 가스 밸브(307a))는 순간적으로 폐쇄된다. 전술된 선택사항적 축적기(366) 및/또는 다른 상호접속된 공압/유압 축적기/증강기 회로는 모터/펌프(330)를 통한 미리결정된 유체 흐름을 유지할 수 있는 한편, 대상 회로(360, 362)의 밸브들은 순간적으로 폐쇄된다. 이 때, 선택사항적 축적기 및 저장고(366, 367)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 모터/펌프(330)를 거쳐, 저장고 또는 저압 축적기(배출 유체 흐름 720)로의 가압 유체의 지속적 흐름(710)을 제공할 수 있다. 이전의 가스 적재분에서의 압력의 전체 범위가 시스템(300)에 의해 이용되고 있다.
도 5l은 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5k의 상태에 후속한 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제2 회로의 축적기(317)는 팽창 회로로서의 제2 회로로의 전환의 일부로서 고압 탱크(302)로부터의 고압 가스로 충전되는 반면, 제1 회로는 배출된 유체를 수신하고, 선택사항적 축적기(366)가 사이클들간에 모터/발전기의 동작을 유지하기 위해 모터/펌프(330)를 통해 유체를 전달하는 동안 대기로 배기된다. 도 5L에 도시된 바와 같이, 사이클은 대향하는 축적기(317)에 전달되는 탱크(302)로부터의 고압(약간 더 낮은) 가스의 새로운 적재를 계속한다. 도시된 바와 같이, 공압 밸브(306c)는 이제 제어기(350)에 의해 개방되어, 소정 적재분의 비교적 고압 가스가 축적기(317)의 공기 챔버(341) 내로 흘러가는 것(화살표 815)을 허용하고, 이것은 공기 챔버(341) 내에 대응하는 고압 적재분을 구축한다.
도 5m은 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5l의 상태에 후속하는 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 밸브들은 개방되어 유체가 제2 회로의 축적기(317)로부터 유체 펌프/모터(330)로 흘러 그로부터 전기를 생성하는 것을 허용하는 한편, 그 공기 챔버(340)가 대기로 배기되는 제1 회로의 축적기(316)는 모터/펌프(330)로부터 배출된 유체를 수신한다. 도 5m에 도시된 바와 같이, 공압 밸브(306c)가 폐쇄되고, 회로(360, 362)의 유체측 상의 유체 밸브(328d 및 329d)가 개방되어, 축적기 피스톤(337)이 적재된 공기 챔버(341)의 압력 하에 이동하는 것(화살표 816)을 허용한다. 이것은 압력하에 유체가 모터/펌프(330)의 주입측(372)을 통과하게 하고(화살표 817), 그 다음 유출측(374)을 통과하게 한다. 배출된 유체는 이제 축적기(316)의 유체 챔버(338)로 향한다(화살표 818). 공압 밸브(307a 및 307b)는 개방되었고, 축적기(316)의 공기 챔버(340) 내의 저압 공기가 통풍구(310a)를 통해 대기로 배기되는 것(화살표 819)을 허용한다. 이런 식으로, 축적기(316)의 피스톤(336)은, 모터/펌프 유출구(374)로부터의 유체를 수용하는데에 저항없이 이동할 수 있다(화살표 821).
도 5n은 도 4의 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도로서, 도 5m의 상태에 후속한 시스템의 물리적 상태를 도시하며, 여기서, 제2 회로(362)의 축적기(317)는 유체를 유체 모터/펌프(330) 쪽으로 계속 보내는 반면, 제1 회로의 축적기(316)는, 그 공기 챔버(340)의 가스가 대기로 배기됨에 따라, 모터/펌프(330)로부터의 배출된 유체를 계속 수신하고, 사이클은 결국 중간-압력 공기를 제2 회로의 증강기(319)로 보냄으로써 그 내부의 유체를 배출한다. 도 5N에 도시된 바와 같이, 축적기(317) 내의 고압 가스 적재분은 공기 챔버(341) 내에서 더욱 팽창한다(화살표 816). 결국, 공기 챔버(341) 내의 적재분은 완전히 팽창된다. 그 다음, 공기 챔버(341) 내의 중간-압력 적재분은 개방된 공압 밸브(306b)를 통해 증강기(319)에 결합되고, 이것은 대향하는 증강기(318)를 유출구(374)로부터 보내진 유체로 채운다. 프로세스는, 소정량의 에너지가 회수되거나 탱크(302) 내의 압력이 미리결정된 레벨 아래로 떨어질 때까지 반복된다.
시스템(300)은, 도 4 및 5a-5n에 관하여 기술된 바와 같이, 모터/펌프(330)를 펌프 모드에서 구동하기 위해 발전기/모터(332)에 동력을 공급함으로써 탱크(302) 내의 가스를 압축하도록 역으로 작동될 수 있다는 것은 명백하다. 이 경우, 전술된 프로세스는 역순으로 발생하고, 구동된 유체는 차례로 공기 시스템의 양쪽 스테이지 내에서 압축을 유발한다. 즉, 공기는, 주변으로부터 증강기 내로 끌어 당겨진 후에 먼저 중간-압력으로 압축된다. 이 중간-압력 공기는, 그 다음, 축적기의 공기 챔버로 향하고, 여기서 유체는 공기가 고압으로 압축되도록 강제한다. 그 다음, 고압 공기는 탱크(302) 내로 강제된다. 이 압축/에너지 저장 스테이지와 전술된 팽창/에너지 회수 스테이지 양자 모두는 도 6에 도시된 일반적 시스템 상태도를 참조하여 논의된다.
주목할 점은, 전술된 시스템(100, 300)(하나 이상의 스테이지)에서, 압축 및 팽창 사이클은, 현재 중간-압력 레벨보다 높은 압력(예를 들어, 20 ATM 보다 높은 압력)에 있는 저장 탱크(302) 내의 가스의 존재시에 압축 및 팽창 사이클이 예견된다는 것이다. 시스템(300)의 경우, 예를 들어, 저장 탱크(302) 내의 보편적 압력(prevailing pressure)이 (예를 들어, 탱크 센서(312, 314)에 의해 감지된 레벨에 기초하여) 중간-압력 레벨 아래로 떨어지면, 밸브들은 압축 및 팽창을 위해 증강기만을 채용하도록 제어기에 의해 구성될 수 있다. 즉, 증강기 상의 더 큰 면적의 가스 피스톤을 이용하여 더 낮은 가스압이 수용되는 한편, 더 높은 압력은 축적기(316, 317)의 더 작은 면적의 피스톤을 채용한다.
상태도를 논의하기 이전에, 본 발명에 따른 전술된 시스템의 한 잇점은 다양한 종래 시스템과는 달리, 이 시스템은 일반적으로 시판되는 컴포넌트들을 이용하여 구현될 수 있다는 것임에 주목해야 한다. 10 내지 500kW의 전력 출력을 갖는 시스템의 예에서, 예를 들어, 고압 저장 탱크는 표준 강철 또는 복합 주면형 압력 용기(예를 들어, Compressed Natural Gas 5500-psi 강철 실린더)를 이용하여 구현될 수 있다. 축적기들은 가동형 피스톤을 갖는 표준 강철 또는 복합 압력 실린더를 이용하여 구현될 수 있다(예를 들어 4인치 내경 피스톤 축적기). 예시적 축적기들과 유사한 특성을 갖는 증강기들(압력 부스터/증배기)이 구현될 수 있다(예를 들어, 오하이오 클리버랜드의 Parker-Hannifin사에 의해 시판되는 14인치 부스터 직경 및 4인치 구경 단작용 압력 부스터). 유체 모터/펌프는, 표준 고효율 축방향 피스톤, 방사형 피스톤, 또는 기어-기반의 유압 모터/펌프일 수 있으며, 그 연관된 전기 발전기는 또한 다양한 산업 공급업체로부터 시판중에 있다. 밸브, 배관, 및 부품들은 마찬가지로 지정된 특성과 함께 시판되고 있다.
시스템의 다양한 실시예들에서 예시적인 시퀀스의 물리적 단계들을 논의하였고, 이하에서는 팽창/에너지 회수 모드와 압축/에너지 저장 모드 양자 모두에서 시스템(300)에 대한 동작 상태의 더 일반적 논의를 할 것이다. 이제 도 6을 참조한다.
특히, 도 6은, 다양한 압력, 온도, 피스톤-위치, 및/또는 흐름 센서들의 보고된 상태에 기초한 에너지 사이클(회수/팽창 또는 저장/압축)의 방향에 기초하여 시스템의 밸브들과 모터/발전기를 작동시키기 위해 제어 애플리케이션(353)에 의해 채용될 수 있는 일반화된 상태도(600)를 도시한다. 베이스 상태 1(610)은, 모든 밸브들이 폐쇄되고 시스템이 가스를 압축하지도 팽창시키지도 않는 시스템의 상태이다. 제1 축적기 및 증강기(예를 들어, 316, 318)는 최대 체적의 유압유로 채워지고, 제2 축적기 및 증강기(예를 들어, 317, 319)는, 대기압보다 높은 압력일 수도 있고 아닐 수도 있는, 최대 체적의 공기로 채워진다. 베이스 상태 1에 대응하는 물리적 시스템 상태가 도 5a에 도시되어 있다. 역으로, 도 6의 베이스 상태 2(620)는, 모든 밸브들이 폐쇄되고 시스템이 가스를 압축하지도 팽창시키지도 않는 시스템의 상태이다. 제2 축적기 및 증강기는 최대 체적의 유압유로 채워지고, 제1 축적기 및 증강기는, 대기압보다 높은 압력일 수도 있고 아닐 수도 있는, 최대 체적의 공기로 채워진다. 베이스 상태 2에 대응하는 물리적 시스템 상태가 도 5K에 도시되어 있다.
도 6의 도면에 더 도시된 바와 같이, 베이스 상태 1 및 베이스 상태 2 각각은 단일 스테이지 압축(Single Stage Compression)(630)이라 불리는 상태에 링크된다. 이 일반적 상태는, 에너지를 저장하기 위해 가스가 압축되고 저장 탱크(302) 내의 압력이 중간-압력 레벨보다 작을 때 발생하는, 시스템의 일련의 상태를 나타낸다. 가스는 (예를 들어, 주변으로부터) 증강기(현재 베이스 상태에 따라 318 또는 319) 내로의 입장이 허용되고, 그 다음 유압유를 그 증강기 내로 구동함으로써 가압된다. 증강기 내의 가스의 압력이 저장 탱크(302) 내의 압력에 도달할 때, 가스는 저장 탱크(302) 내로의 입장이 허용된다. 이 프로세스는 다른 증강기에 대해 반복되고, 시스템은 원래의 베이스 상태(610 또는 620)로 복귀한다.
도 6에 도시된 2 스테이지 압축(632)은, 에너지를 저장하기 위해 2 스테이지에서 가스가 압축되고 저장 탱크(302) 내의 압력이 중간-압력 레벨보다 클 때 발생하는, 시스템의 일련의 상태를 나타낸다. 압축의 제1 스테이지는 증강기(318 또는 319)에서 발생하고, 여기서, 가스는 (예를 들어, 환경으로부터) 대략 대기압으로 허용된 후에 중간-압력으로 가압된다. 압축의 제2 스테이지는 축적기(316 또는 317)에서 발생하고, 여기서, 가스는 저장 탱크(302) 내의 압력으로 압축된 다음, 저장 탱크(302) 내로 흘러가는 것이 허용된다. 2 스테이지 압축에 후속하여, 시스템은, 교차 프로세스 화살표(634)로 도면에 나타낸 바와 같이, 현재의 베이스 상태로부터 다른 베이스 상태로 복귀한다.
단일 상태 팽창(640)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 저장된 에너지를 회수하기 위해 가스가 팽창되고 저장 탱크(302) 내의 압력이 중간-압력 레벨보다 작을 때 발생하는, 시스템의 일련의 상태를 나타낸다. 저장 탱크(302)로부터의 소정량의 가스는 증강기(318 또는 319) 내로 직접 흘러가는 것이 허용된다. 그 다음, 이 가스는 증강기에서 팽창하여, 유압유를 유압 모터/펌프(330)를 거쳐 제2 증강기 내로 강제하고, 여기서, 배출된 유체는 가스측을 대기(또는 또 다른 저압 환경)로 개방한 채 피스톤을 이동시킨다. 그 다음 단일 스테이지 팽창 프로세스가 제2 증강기에 대해 반복되고, 그 후, 시스템은 원래의 베이스 상태(610 또는 620)로 복귀한다.
마찬가지로, 도 6에 도시된 2 스테이지 팽창(642)은, 저장된 에너지를 회수하기 위해 2 스테이지에서 가스가 팽창되고 저장 탱크 내의 압력이 중간-압력 레벨보다 클 때 발생하는, 시스템의 일련의 상태를 나타낸다. 저장 탱크(302)로부터의 소정량의 가스는 축적기(316 또는 317) 내로의 입장이 허용되고, 여기서 가스는 중간-압력으로 팽창하여, 유압유를 유압 모터/펌프(330)를 거쳐 제2 축적기 내로 강제한다. 그 다음, 가스는 대응하는 증강기(318 또는 319) 내로의 입장이 허용되고, 여기서 가스는 준 대기압으로 팽창하여, 유압유를 유압 모터/펌프(330)를 거쳐 제2 증강기 내로 강제한다. 2-스테이지 팽창을 포함한 일련의 상태가 전술된 도 5a-5N에 도시되어 있다. 2 스테이지 팽창에 후속하여, 시스템은, 교차 프로세스 화살표(644)로 나타낸 바와 같이, 다른 베이스 상태(610 또는 620)로 복귀한다.
에너지를 저장 및 회수하기 위한 전술된 시스템은, 등온 특성을 유지하는데 도움을 주는 소정 기간에 걸친 가스의 점진적 팽창을 허용한다는 점에서 매우 효율적임이 명백할 것이다. 시스템은 특히, 시스템 컴포넌트들을 통한 더 점진적인 열 전달을 허용하는 2개 이상의 별개의 스테이지에서 이러한 압축/팽창을 제공함으로써, 고압과 준 대기압 사이에서의 가스의 큰 팽창과 압축(및 부수적 열 전달)을 처리한다. 따라서, 시스템을 운영하는데 외부 에너지(예를 들어, 가스 가열 등)가 거의 요구되지 않아, 시스템을 더욱 친환경적으로 만들고, 시판중인 컴포넌트들로 구현될 수 있게 하고, 다양한 에너지의 저장/회수 요구를 충족하도록 스케일가능하게 만든다. 그러나, 도 9를 참조하여 기술되는 바와 같이 열 전달 서브시스템을 병합함으로써 전술된 시스템의 효율성을 더욱 개선하는 것이 가능하다.
도 7a-7f는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템의 팽창/압축 사이클링의 대안적 시스템/방법의 주요 시스템을 도시하며, 여기서 시스템(400)은 적어도 3개의 축적기(416a, 416b, 416c), 적어도 하나의 증강기(418), 및 2개의 모터/펌프(430a, 430b)를 포함한다. 압축된 가스 저장 탱크, 밸브, 센서 등은 명료성을 위해 도시되지 않는다. 도 7a-7f는, 다양한 팽창 스테이지(스테이지 101-106) 동안의 축적기(416), 증강기(418), 및 모터/펌프(430)의 동작을 도시한다. 시스템(400)은 스테이지(106)가 완료된 후 스테이지(101)로 복귀한다.
도면에 도시된 바와 같이, 표기 D, F. AI, 및 F2는 축적기 또는 증강기가 구동(D) 중인지 또는 충전(filling)(F) 중인지를 나타내고, 축적기에 대한 추가 라벨의 경우 AI는 축적기 대 증강기 - 증강기 공기측에 부착되어 이것을 구동하는 축적기 공기측 - 을 나타내고, F2는 표준 충전 속도의 2배속 충전을 나타낸다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 레이아웃은, 3개의 동등한 크기의 유압-공압 축적기(416a, 416b, 416c), 축적기 용량의 약 1/3 용량의 유압 유체측(446)을 갖는 하나의 증강기(418), 및 2개의 유압 모터/펌프(430a, 430b)로 구성된다.
도 7a는 스테이지 또는 시간례(time instance)(101)를 나타내며, 여기서, 축적기(416a)는 압력 용기로부터의 고압 가스로 구동되고 있다. (현재의 용기 압력에 기초하여) 특정량의 압축된 가스가 입장허용된 후에, 밸브는 폐쇄되어, 압력 용기를 접속해제할 것이고, 도 7b 및 7c(즉, 스테이지 102 및 103)에 도시된 바와 같이, 고압 가스는 축적기(416a)에서 계속 팽창할 것이다. 축적기(416b)에는 유압유가 없고, 그 공기 챔버(440b)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다. 축적기(416a) 내의 가스의 팽창은 유압유를 축적기 밖으로 구동함으로써, 유압 모터(430a)를 구동하고, 모터(430a)의 출력은 축적기(416b)를 유압유로 다시 채운다. 101에 도시된 이 시점에서, 축적기(416c)는 가스가 2 단위의 시간 동안 이미 팽창되고 있는 상태에 있으며, 증강기(418)를 채우면서 모터(430b)를 계속 구동하고 있다. 증강기(418)에는, 축적기(416b)와 유사하게, 유압유가 없고, 그 공기 챔버(444)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다.
도 7b에 도시된 시간례(102)를 계속하면, 축적기(416a)의 공기 챔버(440a)는 계속 팽창함으로써, 유체를 유체 챔버(438a) 밖으로 강제하고, 모터/펌프(430a)를 구동하며, 축적기(416b)를 채운다. 이제 축적기(416c)에는 유압유가 없지만, 여전히 중간-압력을 유지한다. 축적기(416c)의 공기 챔버(440c)는 이제 증강기(418)의 공기 챔버(444)에 접속된다. 증강기(418)에는 이제 유압유가 가득 차고, 축적기(416c) 내의 중간-압력 가스는 증강기(418)를 구동하고, 이것은 중간-압력 가스의 증강을 고압 유압유에 제공한다. 고압 유압유는 모터/펌프(430b)를 구동하고, 모터/펌프(430b)의 출력은 적절한 밸빙을 통해 축적기(416b)에 접속되어 축적기(416b)를 채운다. 따라서, 축적기(416b)는, 단일 팽창 유압 공압 장치(축적기 또는 증강기)가 충전용 유체를 제공할 때의 통상 속도보다 2배속으로 채워진다.
도 7c에 도시된 시간례(103)에서, 시스템(400)은 스테이지(101)와 유사한 상태로 복귀하지만, 동등한 스테이지에서 상이한 축적기를 갖는다. 축적기(416b)는 이제 유압유로 가득 차고, 압력 용기로부터의 고압 가스로 구동되고 있다. (현재 용기 압력에 기초하여) 특정량의 압축된 가스가 입장 허용된 후에, 밸브는 폐쇄되어, 압력 용기를 접속해제할 것이다. 고압 가스는 스테이지(104 및 105)에 도시된 바와 같이 축적기(416b)에서 팽창을 계속할 것이다. 축적기(416c)에는 유압유가 없고, 공기 챔버(440c)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다. 축적기(416b) 내의 가스의 팽창은 유압유를 축적기 밖으로 구동함으로써, 유압 모터/펌프(430b)를 구동하고, 모터의 출력은 적절한 밸빙을 통해 축적기(416c)를 유압유로 다시 채운다. 103에 도시된 시점에서, 축적기(416a)는 가스가 2 단위의 시간 동안 이미 팽창되고 있는 상태에 있으며, 이제는 증강기(418)를 채우면서 모터/펌프(430a)를 계속 구동하고 있다. 증강기(418)에는, 축적기(416c)와 유사하게, 다시 한번 유압유가 없고, 공기 챔버(444)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다.
도 7d에 도시된 시간례(104)를 계속하면, 축적기(416b)의 공기 챔버(440b)는 계속 팽창함으로써, 유체를 유체 챔버(438b) 밖으로 강제하고, 모터/펌프(430a)를 구동하며, 축적기(416c)를 채운다. 이제 축적기(416a)에는 유압유가 없지만, 중간-압력을 유지한다. 축적기(416a)의 공기 챔버(440a)는 이제 증강기(418)의 공기 챔버(444)에 접속된다. 증강기(418)에는 이제 유압유가 가득차고, 축적기(416a) 내의 중간-압력 가스는 증강기(418)를 구동하고, 이것은 중간-압력 가스의 증강을 고압 유압유에 제공한다. 고압 유압유는 모터/펌프(430b)를 구동하고, 모터/펌프(430b)의 출력은 적절한 밸빙을 통해 축적기(416c)에 접속되어 축적기(416c)를 채운다. 따라서, 축적기(416c)는, 단일 팽창 유압 공압 장치(축적기 또는 증강기)가 충전용 유체를 제공할 때의 통상 속도보다 2배속으로 채워진다.
도 7e에 도시된 시간례(105)에서, 시스템(400)은 스테이지(103)와 유사한 상태로 복귀하지만, 동등한 스테이지에서 상이한 축적기를 갖는다. 축적기(416c)는 이제 유압유로 가득차고, 압력 용기로부터의 고압 가스로 구동되고 있다. (현재 용기 압력에 기초하여) 특정량의 압축된 가스가 입장 허용된 후에, 밸브는 폐쇄되어, 압력 용기를 접속해제할 것이다. 고압 가스는 축적기(416c)에서 팽창을 계속할 것이다. 축적기(416a)에는 유압유가 없고, 그 공기 챔버(440a)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다. 축적기(416c) 내의 가스의 팽창은 유압유를 축적기 밖으로 구동함으로써, 유압 모터/펌프(430b)를 구동하고, 모터의 출력은 적절한 밸빙을 통해 증강기(418)를 유압유로 다시 채운다. 105에 도시된 시점에서, 축적기(416b)는 가스가 2단위의 시간 동안 이미 팽창되고 있는 상태에 있으며, 적절한 밸빙을 통해 축적기(416a)를 유압유로 채우면서 모터/펌프(430a)를 계속 구동하고 있다. 증강기(418)에는, 축적기(416a)와 유사하게, 다시 한번 유압유가 없고, 그 공기 챔버(444)는 가압되지 않으며 대기로 배기되고 있다.
도 7F에 도시된 시간례(106)를 계속하면, 축적기(416c)의 공기 챔버(440c)는 계속 팽창함으로써, 유체를 유체 챔버(438c) 밖으로 강제하고, 모터/펌프(430b)를 구동하며, 축적기(416a)를 채운다. 이제 축적기(416b)에는 유압유가 없지만, 중간-압력을 유지한다. 축적기(416b)의 공기 챔버(440b)는 이제 증강기(418)의 공기 챔버(444)에 접속된다. 증강기(418)에는 이제 유압유가 가득차고, 축적기(416b) 내의 중간-압력 가스는 증강기(418)를 구동하고, 이것은 중간-압력 가스의 증강을 고압 유압유에 제공한다. 고압 유압유는 모터/펌프(430a)를 구동하고, 모터/펌프(430a)의 출력은 적절한 밸빙을 통해 축적기(416a)에 접속되어 축적기(416a)를 채운다. 따라서, 축적기(416a)는, 단일 팽창 유압 공압 장치(축적기 또는 증강기)가 충전용 유체를 제공할 때의 통상 속도보다 2배속으로 채워진다. 106에 도시된 상태들에 후속하여, 시스템은 101에 도시된 상태로 복귀하고 사이클은 계속된다.
도 8은, 3축적기 1증강기 시스템에 대하여 도 7a-7F에 예시되고 전술된 팽창 계획을 예시하는 테이블이다. 사이클을 통해, 2개의 유압-공압 장치(2개의 축적기, 또는 하나의 증강기 + 하나의 축적기)가 항상 팽창하고 있고, 2개의 모터가 항상 구동되고 있지만, 팽창의 상이한 시점들에서, 전체 전력은 비교적 일정하게 유지된다는 점에 주목해야 한다.
도 9는 대체로, 열적으로 제어된 압축된 유체를 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템으로서, 예를 들어, 도 1, 4, 및 7에 관하여 전술된 것들과 같은 본 발명의 다양한 실시예들을 병합하는, 시스템을 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 시스템(900)은 5개의 고압 가스/공기 저장 탱크(902a-902e)를 포함한다. 탱크(902a 및 902b) 및 탱크(902c 및 902d)는, 각각 수동 밸브(904a, 904b 및 904c, 904d)를 통해 병렬로 연결된다. 탱크(902e)는 또한 수동 셧-오프 밸브(904e)를 포함한다. 탱크(902)는 공압 2식(즉, 셧-오프) 밸브(906a, 906b, 906c)를 통해 주 공기 배관(908)에 연결된다. 탱크 출력 배관은 압력 센서(912a, 912b, 912c)를 포함한다. 배관/탱크(902)는 또한 온도 센서를 포함할 수 있다. 다양한 센서들이, 도 1 및 4에 관하여 전술된 바와 같은, 적절한 접속을 통해 시스템 제어기(960)에 의해 모니터링될 수 있다. 주 공기 배관(908)은, 자동 제어되는 공압 셧-오프 밸브(907a, 907b)를 통해 한 쌍의 멀티-스테이지(이 예에서는 2 스테이지) 축적기 회로에 결합된다. 이들 밸브들(907a, 907b)은 각각의 축적기(916 및 917)에 결합된다. 축적기들(916, 917)의 공기 챔버들(940, 941)은, 자동 제어되는 공압 셧-오프(907c, 907d)를 통해 증강기(918, 919)의 공기 챔버(944, 945)에 접속된다. 공압 셧-오프 밸브들(907e, 907f)은 또한, 각각의 축적기와 증강기 공기 챔버들을 접속하는 공기 배관에 결합되고, 각각의 대기 통풍구(910a, 910b)에도 결합된다. 이러한 배열은, 다양한 탱크(902)로부터의 공기가 축적기 공기 챔버(944, 945) 중 어느 하나에 선택적으로 향하도록 허용한다. 또한, 다양한 공기 배관 및 공기 챔버들은, 센서 원격 측정을 제어기(960)에 전달하는 압력 및 온도 센서들(922, 924)을 포함할 수 있다.
시스템(900)은 또한, 축적기 및 증강기(916-919)의 공기 챔버(940, 941, 944, 945)와 유체 통신하는 2개의 열 전달 서브시스템(950)과, 가스의 개선된 등온 팽창 및 압축을 제공하는 고압 저장 탱크(902)를 포함한다. 열 전달 서브시스템(950) 중 하나의 간략화된 개략도가 도 9a에 더 상세히 도시되어 있다. 각각의 열 전달 서브시스템(950)은, 순환 장치(952), 적어도 하나의 열 교환기(954), 및 공압 밸브(956)를 포함한다. 하나의 순환 장치(952), 2개의 열 교환기(954), 및 2개의 공압 밸브(956)가 도 9 및 9a에 도시되어 있지만, 순환 장치(952), 열 교환기(954), 및 밸브(956)의 갯수와 타입은 특정 응용에 적합하게 달라질 수 있다. 열 전달 서브시스템(950)의 다양한 컴포넌트와 동작이 이하에서 더 상세히 설명된다. 일반적으로, 한 실시예에서, 순환 장치(952)는 3000 PSI 또는 그 이상까지 이르는 압력에서 동작할 수 있는 양변위 펌프(positive displacement pump)이고, 2개의 열 교환기(954)는, 3000 PSI 또는 그 이상에 이르는 압력에서 동작할 수 있는 쉘 내 튜브 타입(또한 쉘 및 튜브 타입이라고도 알려짐) 열 교환기(954)이다. 열 교환기(954)들은, 직렬로 접속될 수도 있지만, 병렬 접속된 것으로 도시되어 있다. 열 교환기(954)들은 동일하거나 상이한 열 교환 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 열 교환기(954)들은 병렬 접속되고, 제1 열 교환기(954A)는 열 전달 면적 X를 가지며, 제2 열 교환기(954B)는 열 전달 면적 2X를 가지며, 제어 밸브 배열은, 상이한 열 전달 면적(예를 들어, X, 2X, 3X)을 얻고 그에 따라 상이한 열 효율성을 얻도록 열 교환기(954)들 중 하나 또는 양쪽에 가스 흐름을 선택적으로 보내기 위해 사용될 수 있다.
시스템(950)의 기본적 동작이 도 9a를 참조하여 기술된다. 도시된 바와 같이, 시스템(950)은, 예를 들어, 기계적으로 결합된 전기 모터(953)에 의해 구동될 수 있는 순환 장치(952)를 포함한다. 순환 장치를 구동하기 위한 다른 타입의 수단들이 고려될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 순환 장치(952)는, 축적기, 체크 밸브(check valve), 및 액츄에이터의 조합일 수 있다. 순환 장치(952)는, 3식, 2위치 공압 밸브(956B)를 통해 공기 챔버(940, 944)들 각각과 유체 통신하며, 밸브(956B)의 위치에 따라 어느 한 공기 챔버(940, 944)로부터 가스를 끌어 당긴다. 순환 장치(952)는 공기 챔버(940, 944)로부터 열 교환기(954)로 가스를 순환시킨다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 2개의 열 교환기(954)가, 열 교환기(954A), 열 교환기(954B), 또는 양자 모두로의 가스의 흐름을 규제할 수 있는 일련의 공압 셧-오프 밸브(907G-907J)와 병렬 접속된다. 또한, 열 교환기(954)를 바이패스하는데 사용될 수 있는 바이패스 공압 셧-오프 밸브(907K)도 포함된다(즉, 열 전달 서브시스템(950)은 어느 쪽의 열 교환기를 통해 가스를 순환시키지 않고도 작동될 수 있다). 사용시, 가스는 열 교환기(954)의 제1측을 통해 흐르는 반면, 일정한 온도의 유체 소스는 열 교환기(954)의 제2측을 통해 흐른다. 유체 소스는 가스를 주변 온도로 유지하도록 제어된다. 예를 들어, 압축 동안 가스의 온도가 증가함에 따라, 가스는 열 교환기(954)를 통해 보내질 수 있는 반면, (주변 온도 또는 더 차가운 온도의) 유체 소스는 가스로부터 열을 제거하기 위해 열 교환기(954)를 통해 역으로 흐른다. 열 교환기(954)의 가스 출력은, 열적으로 제어된 가스를 밸브(956A)의 위치에 따라 어느 한 공기 챔버(940, 944)에 복귀시키는 3식, 2위치 공압 밸브(956A)를 통해 공기 챔버(940, 944)들 각각과 유체 통신한다. 공압 밸브(956)는, 어느 유압 실린더로부터 가스가 열적으로 제어될지를 제어하는데 이용된다.
다양한 컴포넌트들의 선택은, 예를 들어, 유체 흐름, 열 전달 요건, 및 위치에 관한 특정한 응용에 따라 달라질 것이다. 또한, 공압 밸브는 전기적, 유압적, 공압적, 또는 수동으로 작동될 수 있다. 또한, 열 전달 서브시스템(950)은, 제어기(960)와 연계하여, 다양한 밸브(907, 956)의 동작, 그에 따라, 열 전달 서브시스템(950)의 동작을 제어하는, 적어도 하나의 온도 센서(922)를 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 열 전달 서브시스템은, 2개의 열 교환기가 직렬로 접속되어 있는 도시되고 설명되는 바와 같은 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템에 사용된다. 열 전달 서브시스템의 동작이, 4인치 구경을 갖는 1.5 갤런 용량의 피스톤 축적기의 동작에 관하여 기술된다. 한 예에서, 시스템은, 2900 PSI로부터 350 PSI로의 가스의 10초간 팽창 동안에 1-1.5 kW의 전력을 생산할 수 있다. 하나는 0.11 m2의 열 교환 면적을 가지며 다른 하나의 0.22 m2의 열 교환 면적을 갖는, (WI, Oconomowoc, Sentry Equipment Corp.에 의해 시판되는) 2개의 쉘 내 튜브(tube-in-shell) 열 교환 유닛이 축적기의 공기 챔버와 유체 통신한다. 열 교환기들의 배열을 제외하고, 시스템은 도 9a에 도시된 것과 유사하며, 셧-오프 밸브들은 열 교환 역 흐름을 제어하기 위해 사용될 수 있고, 따라서, 어떠한 열 교환도 제공하지 않거나, 하나의 열 교환기(즉, .11 m2 또는 .22 m2의 열 교환 면적)와의 열 교환을 제공하거나, 양쪽 열 교환기(즉, 0.33 m2의 열 교환 면적)와의 열 교환을 제공할 수 있다.
시스템(900, 950)의 동작 동안에, 고압 공기가 축적기(916)로부터 끌어 당겨져, 순환 장치(952)에 의해 열 교환기(954)를 통해 순환된다. 구체적으로, 일단 축적기(916)가 유압유로 채워지고 피스톤이 실린더의 최상부(top)에 위치하고 나면, 가스 순환/열 교환기 서브회로 및 축적기의 공기측 나머지 체적은 3000 PSI 공기로 채워진다. 셧-오프 밸브(907G-907J)는, 있다면, 어느 열 교환기를 사용할지를 선택하는데 이용된다. 일단 이것이 완료되고 나면, 순환 장치(952)는 열 교환기 역 흐름시에 턴온된다. 추가적인 열 전달 서브시스템이 도 11-23을 참조하여 이하에서 기술된다.
축적기(916)에서의 가스 팽창 동안에, 3식 밸브(956)이 도 9a에 도시된 바와 같이 작동되고 가스가 팽창한다. 열 전달 서브시스템(950) 상에 위치한 온도 트랜스듀서/센서들 뿐만 아니라, 축적기(916)의 가스측 상의 압력 및 온도 트랜스듀서/센서가, 팽창 동안에 모니터링된다. 가스 팽창의 열역학적 효율성은, 알려진 체적의 가스를 완벽하게 등온적 방식으로 팽창시킴으로써 얻어질 수 있는 이론적 에너지 출력에 대해 총 유체 전력 에너지 출력을 비교할 때, 결정될 수 있다.
전체 일(work) 출력 및 열 효율은, 유압유 유속과 열 교환기 면적을 조정함으로써 제어될 수 있다. 도 10은, 시스템(900, 950)의 이 실시예에 대한 전력 출력, 열 효율, 및 열 교환기 표면적 간의 관계를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 전력 출력과 효율 간에는 맞바꿈(trade-off)이 있다. 열 교환 면적을 증가시킴으로써(예를 들어, 열 전달 서브시스템(950)에 열 교환기를 추가함으로써), 전력 출력 범위에 걸쳐 더 높은 열적 효율성이 달성된다. 이 실시예에서, 평균 전력 출력 ~1.0 kW에 대해 양쪽의 열 교환기(954)를 이용할 때에 90%보다 높은 열 효율이 달성될 수 있다. 열 교환기를 통한 가스 순환 속도를 증가시키는 것은 또한 추가적인 효율을 제공할 것이다. 전술된 내용에 기초하여, 비용 및 크기를 전력 출력 및 효율과 밸런싱함으로써, 시스템 설계를 최적화하도록 컴포넌트들의 선택과 크기조정이 달성될 수 있다.
시스템(900)의 기본적인 동작 및 배열은 실질적으로 시스템(100 및 300)과 유사하지만; 본 명세서에서 기술되는 바와 같이, 유압 밸브의 배열에서 차이점이 있다. 기본적인 스테이지화된 유압-공압 에너지 변환 시스템(900)의 나머지 설명을 위해 도 9를 다시 참조하면, 각각의 축적기(916, 917)의 공기 챔버(940, 941)는, 밀봉 링 및 당업자에게 공지된 기타의 컴포넌트를 이용한 적절한 밀봉 시스템을 갖춘 가동형 피스톤(936, 937)에 의해 에워싸인다. 피스톤(936, 937)은, 공기 챔버(940, 941)와, 각각, 축적기 하우징의 반대측 상의 대향하는 유체 챔버(938, 939) 간의 압력차에 응답하여 축적기 하우징을 따라 움직인다. 마찬가지로, 각각의 증강기(918, 919)의 공기 챔버(944, 945)는 또한, 가동형 피스톤 어셈블리(942, 943)에 의해 에워싸인다. 그러나, 피스톤 어셈블리(942, 943)는, 샤프트, 로드, 또는 기타의 결합에 의해, 연계하여 움직이는 각각의 유체 피스톤에 접속된 공기 피스톤을 포함한다. 피스톤 직경 간의 차이는, 공기 피스톤에 작용하는 더 낮은 공기압이, 축적기 피스톤에 작용하는 더 높은 공기압과 유사한 압력을, 연관된 유체 챔버 상에 생성하는 것을 허용한다. 이런 식으로, 그리고 전술된 바와 같이, 시스템은, 비슷한 레벨의 유압을 발생시키기 위해 적어도 2 스테이지의 압력이 이용되는 것을 허용한다.
축적기 유체 챔버(938, 939)는, 유압 밸브(928a)를 통해 유압 모터/펌프 배열(930)에 상호접속된다. 유압 모터/펌프 배열(930)은 제1 포트(931)와 제2 포트(933)를 포함한다. 배열(930)은 또한, 통상 개방된 셧-오프 밸브(925), 압력 경감 밸브(927), 및 모터/펌프 배열(930)의 동작을 더욱 제어할 수 있는 3 체크 밸브(929)를 포함한, 수개의 선택사항적 밸브를 포함한다. 예를 들어, 체크 밸브(929a, 929b)는 모터/펌프의 누출 포트로부터 저압의 포트(931, 933)로 유체 흐름을 보낸다. 또한, 밸브(925, 929c)는 모터/펌프가 팽창 사이클 동안에 급정지하는 것을 방지한다.
유압 밸브(928a)는, 전기적으로 작동되고, 작동되지 않은 상태에서는 밸브(928a)를 통한 어떠한 흐름도 불가능한 중심 폐쇄 위치로 스프링 복귀되는 3-위치, 4-방식 방향성 밸브로서 도시되어 있다. 방향성 밸브(928a)는, 축적기 유체 챔버(938, 939)로부터 모터/펌프 배열(930)의 제1 포트(931) 또는 제2 포트(933) 중 어느 하나로 유체 흐름을 제어한다. 이 배열은, 축적기 유체 챔버(938, 939) 중 어느 하나로부터의 유체가 하나의 밸브를 통해 모터/펌프(930)를 시계방향 또는 반시계 방향으로 구동하는 것을 허용한다.
증강기 유체 챔버(946, 947)는 또한, 유압 밸브(928b)를 통해 유압 모터/펌프 배열(930)에 상호접속된다. 유압 밸브(928b)는, 전기적으로 작동되고, 작동되지 않은 상태에서는 밸브(928b)를 통한 어떠한 흐름도 불가능한 중심 폐쇄 위치로 스프링 복귀되는 3-위치, 4-방식 방향성 밸브이다. 방향성 밸브(928b)는, 증강기 유체 챔버(946, 947)로부터 모터/펌프 배열(930)의 제1 포트(931) 또는 제2 포트(933) 중 어느 하나로 유체 흐름을 제어한다. 이 배열은 증강기 유체 챔버(946, 947) 중 어느 하나로부터의 유체가 하나의 밸브를 통해 모터/펌프(930)를 시계방향 또는 반시계 방향으로 구동하는 것을 허용한다.
모터/펌프(930)는, 모터/펌프(930)를 구동하거나 이에 의해 구동되는 전기적 발전기/모터에 결합될 수 있다. 앞서 기술된 실시예에 관하여 논의된 바와 같이, 모터/발전기 어셈블리는, 전력 분배 시스템과 상호접속되고, 제어기(960)에 의해 상태와 출력/입력 레벨에 대해 모니터링될 수 있다.
또한, 유체 배관 및 유체 챔버는, 제어기(960)에 센서 원격 측정을 전달하고 및/또는 동작 상태의 시각적 표시를 제공하는, 압력, 온도, 또는 흐름 센서 및/또는 표시자(922, 924)를 포함할 수 있다. 또한, 피스톤(936, 937, 942, 및 943)은, 그들의 현재 위치를 제어기(960)에 보고하는 위치 센서(948)를 포함할 수 있다. 피스톤의 위치는, 가스와 유체 양자 모두의 상대적 압력 및 흐름을 판정하기 위해 사용될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 간략화된 한 실시예에 따른 등온-팽창 유압/공압 시스템의 실시예이다. 이 시스템은, 가동형(이중 화살표 1140) 피스톤(1103) 또는 가스를 유체로부터 격리하는 기타의 힘/압력-전달 장벽에 의해 분리된, 가스 챔버 또는 "공압측"(1102)과 유체 챔버 또는 "유압측"(1104)을 포함하는 실린더(1101)로 구성된다. 실린더(1101)는, 이하에서 기술되는 추가적 포트들을 수용하도록 수정된, 종래의 시판되는 컴포넌트일 수 있다. 이하에서 더 상세히 기술되는 바와 같이, 본 명세서에서 기술되는 실시예들 중 임의의 실시예는, 전술된 에너지 저장 및 회수 시스템의 유압 및 공압 회로 내의 축적기 또는 증강기(예를 들어, 축적기(316), 증강기(318))로서 구현될 수 있다. 실린더(1101)는, 밸브(1106)를 통해 폐쇄될 수 있고 공압 회로나 기타 임의의 공압 소스/저장 시스템과 접속하는 1차 가스 포트(1105)를 포함한다. 실린더(1101)는, 밸브(1108)에 의해 폐쇄될 수 있는 1차 유체 포트(1107)를 더 포함한다. 이 유체 포트는, 전술된 저장 시스템의 유압 회로 내의 또는 기타 임의의 저장고와 접속한다.
이제 열 전달 서브시스템(1150)을 참조하면, 실린더(1101)는, 파이핑(1111)을 통해 가스 순환기(1152)에 접속되는 하나 이상의 가스 순환 출력 포트(1110)를 가진다. 주목할 점은, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "파이프", "파이핑" 등은, 두 지점 사이에서 가스 또는 기타의 유체를 운반하기 위해 평가된 하나 이상의 도관을 말하는 것이다. 따라서, 단수형의 이 용어는 적절한 경우 복수의 병렬 도관들을 포함하는 것으로 여겨져야 한다. 가스 순환기(1152)는 종래의 또는 맞춤화된 로우-헤드 공압 펌프, 팬, 또는 가스를 순환시키기 위한 기타 임의의 장치일 수 있다. 가스 순환기(1152)는 밀봉되어야 하고 가스 챔버(1102) 내에서 고려되는 압력들에서의 동작을 위해 평가되어야 한다. 따라서, 가스 순환기(1152)는 파이핑(1111) 및 이를 통해 가스의 미리결정된 흐름(1130)을 생성한다. 가스 순환기(1152)는 전력 소스로부터의 전기에 의해 또는 유체 모터와 같은 또 다른 구동 메커니즘에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 순환기(1152)의 집단류 속도 및 온/오프 기능은, 순환기(1152)를 위한 전원 상에 작용하는 제어기(1160)에 의해 제어될 수 있다. 제어기(1160)는, 본 명세서에서 기술되는 열-교환 프로시져를 실행하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어-기반의 시스템일 수 있다. 가스 순환기(1152)의 출력은 파이프(1114)를 통해 열 교환기(1154)의 가스 입력(1115)에 접속된다.
실시예의 열 교환기(1154)는, 또 다른 집단류(유체)로의 압력 도관 내에 포함된 고압 가스 흐름으로부터/으로 에너지가 효율적으로 전달되도록 허용하는 임의의 허용가능한 설계일 수 있다. 열 교환 속도는, 적어도 부분적으로, 가스 및 유체의 상대적 유속, 가스와 유체 간의 교환 표면적, 및 그들 계면의 열 전도성에 기초한다. 특히, 가스 흐름은 유체 역류(1117)(화살표 1126)에 의해 열 교환기(1154)에서 가열되는데, 이 유체 역류는, 주변 온도의 열 교환기(1154)의 유체 입력(1118)에 들어가서, 파이핑(1114) 내의 가스와 온도가 같거나 거의 같은 유체 출구(1119)에서 열 교환기(1154)를 빠져 나온다. 열 교환기(1154)의 가스 출구(1120)에서의 가스 흐름은 주변 온도 또는 대략 주변 온도이고, 파이핑(1121)을 경유하여 하나 이상의 가스 순환 입력 포트(1122)를 통해 가스 챔버(1102)로 되돌아간다. "주변"이라는 것은, 주변 환경의 온도, 또는 시스템의 효율적인 성능이 달성될 수 있는 또 다른 원하는 온도를 의미한다. 순환 입력 포트(1122)에서 실린더의 가스 챔버(1102)로 재진입하는 주변 온도 가스는 가스 챔버(1102) 내의 가스와 혼합되어, 가스 챔버(1102) 내의 유체의 온도를 주변 온도에 더욱 가깝게 만든다.
제어기(1160)는, 챔버(1102) 내의 가스와 열적으로 통신하는 종래 설계의 온도 센서(1113B)를 이용하여, 예를 들어, 가스 챔버(1102) 내에 포함된 가스의 보편적 온도(prevailing temperature)(T)에 기초하여 열 교환의 속도를 관리한다. 센서(1113B)는, 열 교환기 가스 입력 포트(1110)에 있거나 이에 인접한 위치를 포함한, 실린더를 따른 임의의 위치에 놓일 수 있다. 제어기(1160)는 실린더 센서로부터 값 T를 읽고, 이것을, 시스템 환경 내의 어떤 다른 곳에 위치한 센서(1113C)로부터 유도된 주변 온도 값(TA)과 비교한다. T가 TA보다 클 때, 열 전달 서브시스템(1150)은 온도차에 부분적으로 의존할 수 있는 속도로 (순환기(1152)를 가동함으로써) 가스를 이동시키도록 지시받는다(따라서, 교환은, 원하는 설정을 오버슈팅하거나 언더슈팅하지 않는다). 더 복잡한 제어 알고리즘에 의해 사용될 수 있는 추가 원격 측정을 제공하기 위해 열 교환 서브시스템 내의 다양한 위치들에 추가 센서들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 열 교환기로부터의 출력 가스 온도(TO)는, 유출 포트(1122)의 상류에 놓여 있는 센서(1113A)에 의해 측정될 수 있다.
열 교환기의 유체 회로는 물, 냉각수 혼합물, 및/또는 임의의 허용가능한 열전달 매체로 채워질 수 있다. 대안적 실시예에서, 공기 또는 냉각제와 같은 가스가 열 전달 매체로서 사용될 수 있다. 일반적으로, 유체는 폐쇄 또는 개방 루프로 도관에 의해 이와 같은 유체의 대용량 저장고에 라우팅된다. 개방 루프의 한 예는 주변 물을 끌어오는 우물(well) 또는 물줄기(body of water)이며, 배출수는 상이한 위치, 예를 들어, 강의 하류에 전달된다. 폐쇄 루프 실시예에서, 냉각 타워는, 열 교환기로의 복귀를 위해 물을 공기를 통해 순환시킬 수 있다. 마찬가지로, 물은 연속적 파이핑의 잠수되거나 매립된 코일을 통과할 수 있으며, 그 곳에서, 유체 흐름이 또 다른 사이클을 위해 열 교환기로 되돌아가기 전에 유체 흐름을 주변 온도로 복귀시키기 위해 역 열교환이 발생한다.
본 발명의 등온 동작은 열역학적으로 2방향에서 작동한다는 것이 역시 명백할 것이다. 가스는 팽창 동안에는 유체에 의해 주변 온도로 데워지는 반면, 가스는 압축 동안에는, 압축을 통해 상당한 내부 열이 생성될 수 있기 때문에, 열 교환기에 의해 주변 온도로 냉각될 수 있다. 따라서, 열 교환기 컴포넌트들은, 진입하는 가스나 벗어나는 유체가 겪을 것으로 예상되는 온도 범위를 처리하기 위해, 평가되어야 한다. 게다가, 열 교환기는 유압/공압 실린더의 외부이므로, 편리한 아무데나 위치할 수 있으며 높은 속도의 열 교환을 전달하기 위해 필요하다면 크기조정될 수 있다. 또한, 이것은, 직접적인 탭핑이나, 기존의 시판중인 유압/공압 실린더의 베이스단에 용이하게 설치되는 포트에 의해, 실린더에 부착될 수 있다.
이제, 본 발명의 간략화된 한 실시예에 따른 등온-팽창 유압/공압 시스템의 제2 실시예를 상세히 도시하는 도 12를 참조한다. 이 실시예에서, 열 전달 서브시스템(1250)은 전술된 열 전달 서브시스템(950, 1150)과 유사하거나 동일하다. 따라서, 유사한 컴포넌트가 채용되는 경우, 이들에게는 유사한 참조 번호가 주어진다. 이 실시예의 예시적 시스템은, 피스톤 어셈블리(1203)에 의해 분리된 가스 챔버(1202)와 유체 챔버(1204)를 포함하는 실린더 어셈블리(1201)로 구성된 "증강기"를 포함한다. 이 배열에서 피스톤 어셈블리(1203)는, 샤프트(1212)에 의해 더 작은 직경/면적의 유압 피스톤(1214)에 결속된 더 큰 직경/면적의 공압 피스톤 부재(1210)로 구성된다. 따라서 대응하는 가스 챔버(1202)는 유체 챔버(1204)보다 단면적이 더 크며, 가동형(이중 화살표 1220) 피스톤 어셈블리(1203)에 의해 분리된다. 피스톤 어셈블리(1203)의 상대적 크기는, 실린더(1201)의 각 측에서의 차등적 압력 반응으로 이어진다. 즉, 가스 챔버(1202) 내의 압력은, 각 피스톤 부재(1210, 1214)의 상대적 표면적의 함수로서 유체 챔버 내의 압력에 대해, 어떤 미리결정된 정도만큼 저하될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 명세서에서 기술되는 실시예들 중 임의의 실시예는, 전술된 에너지 저장 및 회수 시스템의 유압 및 공압 회로 내의 축적기 또는 증강기로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 증강기 실린더(1201)는, 전술된 시스템에서 도 11의 실린더(1101)와 함께 스테이지로서 사용될 수 있다. 이들 시스템 또는 또 다른 응용과 인터페이스하기 위해, 실린더(1201)는, 밸브(1206)를 통해 폐쇄될 수 있는 1차 가스 포트(1205)와, 밸브(1208)에 의해 폐쇄될 수 있는 1차 유체 포트(1207)를 포함할 수 있다.
이제 열 전달 서브시스템(1250)을 참조하면, 증강기 실린더(1201)는 또한, 파이핑(1211)을 통해 가스 순환기(1252)에 접속되는 하나 이상의 가스 순환 출력 포트(1210)를 가진다. 다시 한번, 가스 순환기(1252)는 종래의 또는 맞춤화된 로우-헤드 공압 펌프, 팬, 또는 가스를 순환시키기 위한 기타 임의의 장치일 수 있다. 가스 순환기(1252)는 밀봉되어야 하고 가스 챔버(1202) 내에서 고려되는 압력들에서의 동작을 위해 평가되어야 한다. 따라서, 가스 순환기(1252)는 파이핑(1211) 및 이를 통해 가스의 미리결정된 흐름(화살표 1230)를 생성한다. 가스 순환기(1252)는 전력 소스로부터의 전기에 의해 또는 유체 모터와 같은 또 다른 구동 메커니즘에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 순환기(1252)의 집단류 속도 및 온/오프 기능은, 순환기(1252)를 위한 전원 상에 작용하는 제어기(1260)에 의해 제어될 수 있다. 제어기(1260)는, 본 명세서에서 기술되는 열-교환 프로시져를 실행하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어-기반의 시스템일 수 있다. 가스 순환기(1252)의 출력은 파이프(1214)를 통해 열 교환기(1254)의 가스 입력(1215)에 접속된다.
다시 한번, 가스 흐름은 유체 역류(1217)(화살표 1226)에 의해 열 교환기(1254)에서 가열되는데, 이 유체 역류는, 주변 온도의 열 교환기(1254)의 유체 입력(1218)에 들어가서, 파이핑(1214) 내의 가스와 온도가 같거나 거의 같은 유체 출구(1219)에서 열 교환기(1254)를 빠져 나온다. 열 교환기(1254)의 가스 출구(1220)에서의 가스 흐름은 대략 주변 온도이고, 파이핑(1221)을 경유하여 하나 이상의 가스 순환 입력 포트(1222)를 통해 가스 챔버(1202)로 되돌아간다. "주변"이라는 것은, 주변 환경의 온도, 또는 시스템의 효율적인 성능이 달성될 수 있는 또 다른 원하는 온도를 의미한다. 순환 입력 포트(1222)에서 실린더의 가스 챔버(1202)로 재진입하는 주변 온도 가스는, 가스 챔버(1202) 내의 가스와 혼합되어, 가스 챔버(1202) 내의 유체의 온도를 주변 온도에 더욱 가깝게 만든다. 다시 한번, 열 전달 서브시스템(1250)은, 도 12의 증강기와 연계하여 사용될 때, 도 11에 도시된 실시예의 실린더의 가스 챔버(1102)와는 열역학적으로 상이할 수 있는 증강기의 가스 챔버(1202)의 성능을 수용하도록 특별히 크기조정 및 배열될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 양 실시예들에서의 열 교환기의 기본적 구조와 기능은 대체로 유사한 것으로 생각된다. 마찬가지로, 제어기(1260)는 증강기 실린더의 성능 곡선에 대처하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 챔버 센서(1213B), 주변 온도 센서(1213C), 및 교환기 출력 센서(1213A)의 온도 판독은 도 11의 센서들(1113)에 관하여 설명된 것과 유사하다. 이 실시예에서 다양한 대안적 센서 배치가 명시적으로 고려될 수 있다.
이제 도 13을 참조하면, 도 13은 퍼텐셜 회로(1370)와 연계하여 도 11에서 도시되고 설명된 열 전달 서브시스템(1150) 및 실린더(1101)를 도시한다. 이 실시예는, 실린더(1101)의 일(work) 수행 능력을 도시한다. 전술된 증강기(1201)는 도 13에 도시된 방식으로 작업을 수행하도록 마찬가지로 배열될 수 있다. 요약하면, 가스 챔버(1102) 내의 가압된 가스가 팽창함에 따라, 가스는 도시된 바와 같이 피스톤 어셈블리(1103)(도 12의 실시예에서는 피스톤 어셈블리(1203) 상에)에 일을 행하고, 피스톤 어셈블리(1103)는 유체 챔버(1104)(또는 유체 챔버(1204))에 일을 행함으로써, 유체를 유체 챔버(1104)(1204) 밖으로 강제한다. 유체 챔버(1104)(1204) 바깥으로 강제된 유체는, 파이핑(1371)을 통해 종래 설계의 유압 모터(1372)로 흘러, 유압 모터(1372)가 샤프트(1373)를 구동하게 한다. 샤프트(1373)는 전기 모터/발전기(1374)를 구동하여, 전기를 생성한다. 유압 모터(1372)에 진입하는 유체는 모터를 벗어나 유체 수용기(1375) 내로 흘러간다. 이와 같은 방식으로, 가스 챔버(1102)(1202) 내의 가스의 팽창에 의해 해방된 에너지는 전기 에너지로 변환된다. 가스는 전술된 바와 같이 고압 저장 탱크 어레이로부터 공급될 수 있다. 물론, 열 전달 서브시스템은, 팽창 프로세스 동안에 전술된 방식으로, 가스 챔버(1102)(1202) 내에서 주변 온도를 유지한다.
비슷한 방식으로, 전기 에너지가 가스를 압축하는데 이용될 수 있고, 이로써 에너지를 저장한다. 전기 모터/발전기(1374)에 공급된 전기 에너지는 샤프트(1373)를 구동하고, 샤프트(1373)는 차례로 유체 모터(1372)를 역으로 구동한다. 이 동작은 유체를 유체 수용기(1375)로부터 파이핑(1371) 내로, 나아가, 실린더(1101)의 유체 챔버(1104)(1204) 내로 강제한다. 유체가 유체 챔버(1104)(1204)에 진입함에 따라, 이것은 피스톤 어셈블리(1103)에 일을 행하고, 그럼으로써 이것은 가스 챔버(1102)(1202) 내의 가스에 일을 행한다, 즉, 가스를 압축한다. 열 전달 서브시스템(1150)은, 압축에 의해 생성된 열을 제거하고 센서(1113)(1213)의 제어기(1160)(1260)에 의한 적절한 판독과 순환기(1152)(1252)의 쓰로틀링에 의해, 온도를 주변 또는 준-주변 온도로 유지하기 위해 사용될 수 있다.
이제, 실린더 또는 증강기가 가스를 단열적, 등온적, 또는 준 등온적으로 팽창시킬 때 일을 행하는 능력을 각각 도시하는 도 14a, 14b, 및 14c를 참조한다. 먼저 도 14a를 참조하면, 만일 가스 챔버 내의 가스가, 가스로의 사실상 어떠한 열 입력도 없을 정도로 신속하게 초기 압력(502) 및 초기 체적(504)으로부터 팽창한다면, 가스는, 가스가 대기압(508) 및 단열 최종 체적(510a)에 도달할 때까지 단열 곡선(506a)을 따라 단열 팽창한다. 이 단열 팽창에 의해 수행되는 일은 음영진 영역(512a)이다. 명확히, 곡선의 작은 부분이 음영지게 되고, 이것은 수행된 일의 더 작은 양과 에너지의 비효율적인 전달을 나타낸다.
역으로, 도 14b에 도시된 바와 같이, 만일 가스 챔버 내의 가스가, 가스로의 완벽한 열 전달이 있을 정도로 느리게 초기 압력(502) 및 초기 체적(504)으로부터 팽창한다면, 가스는 일정한 온도로 유지될 것이고 등온 팽창할 것이며, 가스가 대기압(508) 및 등온 최종 체적(510b)에 도달할 때까지 등온 곡선(506b)을 따를 것이다. 이 등온 팽창에 의해 수행되는 일은 음영진 영역(512b)이다. 등온 팽창(506b)에 의해 수행되는 일(512b)는 단열 팽창(506a)에 의해 달성되는 일(512a)보다 상당히 크다. 실제 가스 팽창은 등온과 단열 사이에 존재한다.
본 발명에 따른 열 전달 서브시스템(950, 1150, 1250)은, 도 14c의 그래프에 의해 표시된 바와 같은 적어도 대략적으로 또는 거의 완전한 등온 팽창의 생성을 고려한다. 가스 챔버 내의 가스는, 가스가 대기 압력(508) 및 실제 최종 체적(510c)에 도달할 때까지, 실제 팽창 곡선(506c)을 따라 초기 압력(502)과 초기 체적(504)으로부터 팽창한다. 이 팽창에 의해 수행되는 일은 음영진 영역(512c)이다. 만일 실제 팽창(506c)가 준-등온이면, 수행된 실제 일(512c)은 (도 14b의 영역 비교시) 등온 일(512b)과 대략적으로 같을 것이다. 실제 일(512c)을 완벽한 등온 일(512b)로 나눈 비율이, 도 10의 y-축 상에 플롯팅된 바와 같은 팽창의 열 효율이다.
시스템의 전력 출력은, 가스 팽창에 의해 행해진 일을 가스를 팽창시키는데 걸린 시간으로 나눈 값과 동일하다. 전력 출력을 증가시키기 위해, 팽창 시간이 감소될 필요성이 있다. 팽창 시간이 감소함에 따라, 가스로의 열 전달은 감소될 것이고, 팽창은 더욱 단열적이 될 것이고, 실제 일 출력은 더 작아질, 즉, 단열 일 출력에 더 가까울 것이다. 여기서 설명되는 본 발명에서, 가스로의 열 전달은, 1차 공기 챔버에 대해 외부적이지만 이와 유체 통신하는 회로에서 열 전달이 발생할 수 있는 표면적 뿐만 아니라 가스가 열 교환 표면적 위로 지나가는 속도를 증가시킴으로써 증가된다. 이러한 배열은, 가스로부터의/가스로의 연 전달을 증가시키며, 팽창 시간이 감소하더라도 일 출력이 일정하게 유지되고 또한 등온 일 출력과 거의 같게 유지되는 것을 허용함으로써, 결과적으로 전력 출력이 높아진다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법은 시판중인 컴포넌트들의 사용을 가능케 하며, 이들은 외부적으로 위치할 수 있기 때문에, 시스템의 공간 내에서 편리한 아무 곳이나 적절하게 크기조정되고 배치될 수 있다.
열 교환기의 설계와 펌프의 유속은, 열 전달 요구를 충족시키기 위해 적절한 열 교환 표면적과 유속이 제공되도록, 주어진 팽창 또는 압축 사이클 동안에 각각의 실린더에 의해 흡수되거나 생성된 열의 양의 실험적 계산에 기초할 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 마찬가지로, 적절하게 크기조정된 열 교환기는, 필요한 열 전달을 측정하고 적절한 표면적과 유속을 제공함으로써, 적어도 부분적으로 실험적 기술을 통해 유도될 수 있다.
도 15는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 시스템 및 방법의 개략도이다. 이전에 설명된 시스템 및 방법은, 하나의 유압-공압 축적기를 일련의 길고 좁은 피스톤-기반의 축적기(1517)로 대체함으로써 열 전달을 개선하도록 수정될 수 있다. 이들 피스톤-기반 축적기의 공기측 및 유압유측은, 하나의 공기 입력/출력(1532) 및 하나의 유압유 입력/출력(1532)을 갖는 단일 축적기를 흉내 내도록 그 끝에서 (예를 들어, 지지봉으로 고정된 절삭가공된 금속 블록(1521)에 의해) 서로 결속된다. 한 묶음의 피스톤-기반의 축적기들(1517)이 쉘(1523) 내에 포함되고, 이 쉘은 열 전달을 촉진하기 위해 공기 팽창 또는 압축 동안에 (예를 들어, 쉘 내 튜브형 열 교환기와 유사하게) 한 묶음의 축적기(1517)를 지나 순환될 수 있는 유체(예를 들어, 물)를 포함할 수 있다. 이러한 전체 묶음 및 쉘 배열은 수정된 축적기(1516)를 형성한다. 쉘(1523)로부터의 유체 입력(1527) 및 유체 출력(1529)은, 환경적 열 교환기까지, 또는 처리열, 냉각수 또는 기타의 열 교환 매체 소스까지 이어질 수 있다.
수정된 증강기(1518)가 또한 도 15에 도시되어 있다. 증강기의 기능은 전술된 것과 동일하다; 그러나, 팽창되는(또는 압축되고 있는) 공기간 열 교환은, 한 묶음의 길고 좁은 저압 피스톤-기반의 축적기(1519)의 추가에 의해 촉진된다. 이 축적기들(1519)의 묶음은 공기로의 촉진된 열 전달을 허용한다. 피스톤-기반의 축적기(1519) 묶음으로부터의 유압유는 (팽창하는 공기의 압력과 동일한) 저압이다. 이 압력은, 유압유 대 유압유 증강기(부스터)(1520)에서 강화되어, 팽창/압축 동안 열 교환을 위한 증가된 표면적을 제외하고는, 전술된 공기-대-유압유 증강기의 역할을 흉내 낸다. 수정된 축적기(1516)와 유사하게, 이러한 피스톤-기반의 축적기(1519) 묶음은 쉘(1525)에 포함되고, 부스터와 함께, 하나의 공기 입력/출력(1531) 및 하나의 유압유 입력/출력(1533)을 갖는 단일 증강기를 흉내 낸다. 쉘(1525)은 열 전달을 촉진하기 위해 공기 팽창 또는 압축 동안에 한 묶음의 축적기(1519)를 지나 순환될 수 있는 유체(예를 들어, 물)를 포함할 수 있다. 쉘(1525)로부터의 유체 입력(1526) 및 유체 출력(1528)은, 환경적 열 교환기까지, 또는 처리열, 냉각수 또는 기타의 열 교환 매체 소스까지 이어질 수 있다.
도 16은, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다;. 이 셋업에서, 도 15에 기술된 시스템은, 비용을 감소시키고, 길고 좁은 직경의 피스톤-기반의 축적기들의 직경이 더욱 감소함에 따른 피스톤 마찰의 문제를 감소시키도록 수정된다. 이 실시예에서, 일련의 길고 좁은 유체-충전된(예를 들어, 물) 튜브(1617)가 도 15의 많은 피스톤-기반의 축적기(1517)들을 대신하여 사용된다. 이런 식으로, 튜브는 더 이상, 고정밀 직경으로 연마되고 피스톤 이동을 위해 곧을 필요가 없어서, 비용이 상당히 감축된다. 도 15에 도시된 것과 유사하게, 이들 한 묶음의 유체-충전된 튜브(1617)들은, 하나의 공기 입력/출력(1630) 및 하나의 유압유 입력/출력(1632)을 갖는 단일 튜브(피스톤 없는 축적기)를 흉내 내기 위해, 끝단에서 서로 결속된다. 한 묶음의 튜브들(1617)은 쉘(1623) 내에 포함되고, 이 쉘은 열 전달을 촉진하기 위해 공기 팽창 또는 압축 동안에 한 묶음의 튜브들(1617)을 지나 순환될 수 있는 저압의 유체(예를 들어, 물)를 포함할 수 있다. 이러한 전체 묶음 및 쉘 배열은 수정된 축적기(1616)를 형성한다. 쉘(1623)로부터의 입력(1627) 및 출력(1629)은, 환경적 열 교환기까지, 또는 처리 열, 냉각수 또는 기타의 열 교환 매체 소스까지 이어질 수 있다. 또한, 유체(예를 들어, 물)-대-유압유 피스톤-기반의 축적기(1622)는, 축적기(1616) 내의 유체(물)로부터 유압유로 압력을 전송하는데 사용될 수 있어서, 유압유 내의 공기에 대한 걱정거리를 제거한다.
수정된 증강기(1618)가 또한 도 16에 도시되어 있다. 증강기(1618)의 기능은 전술된 것과 동일하다; 그러나, 팽창되는(또는 압축되고 있는) 공기간 열 교환은, 한 묶음의 길고 좁은 저압 튜브(피스톤 없는 축적기)(1619)의 추가에 의해 촉진된다. 이 축적기들(1619)의 묶음은 공기로의 촉진된 열 전달을 허용한다. 피스톤-기반의 축적기(1619) 묶음으로부터의 유압유는 (팽창하는 공기의 압력과 동일한) 저압이다. 이 압력은, 유압유-대-유압유 증강기(부스터)(1620)에서 강화되어, 도 15에서 기술된 증강기(1518)과 비교하여 저감된 비용 및 마찰과, 팽창/압축 동안 열 교환을 위한 증가된 표면적을 제외하고는, 전술된 공기-대-유압유 증강기의 역할을 흉내 낸다. 수정된 축적기(1616)와 유사하게, 이러한 피스톤-기반의 축적기(1619) 묶음은 쉘(1625)에 포함되고, 부스터(1620)와 함께, 하나의 공기 입력/출력(1631) 및 하나의 유압유 입력/출력(1633)을 갖는 단일 증강기를 흉내 낸다. 쉘(1625)은 열 전달을 촉진하기 위해 공기 팽창 또는 압축 동안에 한 묶음의 축적기(1619)를 지나 순환될 수 있는 유체(예를 들어, 물)를 포함할 수 있다. 쉘(1625)로부터의 유체 입력(1626) 및 유체 출력(1628)은, 환경적 열 교환기까지, 또는 처리열, 냉각수 또는 기타의 열 교환 매체 소스까지 이어질 수 있다.
도 17은, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 도 11의 시스템은, 죽은 공기 공간(dead air space)을 제거하고 액체-대-액체 열 교환기를 이용함으로써 열 전달을 잠재적으로 개선시키도록 수정된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 공기 순환기(1152)는 공압-유압 실린더(1101)의 공기 공간에 접속된다. 공기 순환기 시스템의 한 가능한 단점은, 일부 "죽은 공기 공간"이 존재하고 유용한 일의 추출없이 일부 공기 팽창을 함으로써 에너지 효율을 낮출 수 있다는 점이다.
도 11에 도시된 실린더(1101)와 유사하게, 실린더(1701)는, 밸브를 통해 폐쇄될 수 있고 공압 회로나 기타 임의의 공압 소스/저장 시스템과 접속하는 1차 가스 포트(1705)를 포함한다. 실린더(1701)는, 밸브에 의해 폐쇄될 수 있는 1차 유체 포트(1707)를 더 포함한다. 이 유체 포트는, 전술된 저장 시스템의 유압 회로 내의 유체 소스 또는 기타 임의의 저장고와 접속한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 물 순환기(1752)가 공압-유압 실린더(축적기 또는 증강기)(1701)의 공압측(1702)에 부착된다. 피스톤(1701)이 완전히 최상부에 있을 때(예를 들어, 유압측(1704)이 유압유로 채워질 때) 죽은 공간이 존재하지 않도록(예를 들어, 열 전달 서브시스템(1750)(즉, 순환기(1752) 및 열 교환기(1754))이 유체로 채워짐), 충분한 액체(예를 들어, 물)가 1702의 공압측에 추가된다. 추가적으로, 피스톤이 완전히 바닥부에 있을 때(예를 들어, 유압측(1704)에는 유압유가 없음) 실린더(1701)의 바닥으로부터 액체가 끌어 당겨질 수 있도록, 충분한 여분의 액체가 공압측(1702)에 존재한다. 실린더(1701)에서 가스가 팽창(또는 압축)됨에 따라, 액체는 액체-대-액체 열 교환기(1754)를 거쳐 액체 순환기(1752)에 의해 순환되며, 이 교환기는, 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(1722) 및 출력(1724)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다. (팽창하는 가스와 유사한 압력의) 순환기(1752)에 의해 순환되는 액체는, 열 교환기(1754)를 통과한 후에 공압측(1702) 내로 되살포되어, 액체와 팽창하는 공기간의 열 교환을 증가시킨다. 전체적으로, 이 방법은 죽은 공간 체적이 압축불가능한 액체로 채워지는 것을 허용하여, 열 교환기 체적이 크도 되고 편리한 아무 곳에나 배치될 수 있다. 모든 열 교환기를 제거함으로써, 에너지 저장 시스템의 전체 효율이 증가될 수 있다. 마찬가지로, 액체-대-액체 열 교환기는 공기-대-액체 열 교환기보다 더 효율적인 경향이 있기 때문에, 열 전달이 개선될 수 있다. 이 특정한 배열에서, 유압 공압 실린더(1701)는, 실린더(1701)의 길이방향 베이스 상의 액체 풀이 순환기(1752) 내로 지속적으로 끌어 당겨지도록 수평으로 배향될 것임에 주목해야 한다.
도 18은, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 도 11의 시스템은, 다시 한번, 죽은 공기 공간(dead air space)을 제거하고, 도 17과 관련하여 기술된 것과 유사한 방식으로 액체-대-액체 열 교환기를 이용함으로써 열 전달을 잠재적으로 개선시키도록 수정된다. 또한, 실린더(1801)는, 밸브를 통해 폐쇄될 수 있고 공압 회로나 기타 임의의 공압 소스/저장 시스템에 접속할 수 있는 1차 가스 포트(1805)와, 밸브에 의해 폐쇄될 수 있고 전술된 저장 시스템의 공압 회로 내의 유체 소스나 기타 임의의 유체 저장고와 접속될 수 있는 1차 유체 포트(1807)를 포함할 수 있다.
그러나, 도 18에 도시된 열 전달 서브시스템은, 액체가 실린더(1801)의 공압측(1802)의 전체 체적에 걸쳐 분사되어, 액체가 엔드캡(end cap)으로부터만 분사되는 도 17에 비해, 액체와 팽창 가스간의 열 교환을 증가시키도록, 유압-공압 실린더(축적기 또는 증강기)(1801)의 피스톤에 부착된 중공 로드(hollow rod)(1803)를 포함한다. 로드(1803)는 실린더(1801)의 공압측(1802)에 부착되어, 가압된 저장고 또는 용기(1813)(예를 들어, 실린더(1801)에 부착된 엔드캡을 갖춘 금속 튜브) 내의 액체가 실린더(1801) 내의 가스보다 약간 더 높은 압력으로 펌핑될 수 있도록 밀봉(1811)을 통해 이어진다.
실린더(1801)에서 가스가 팽창(또는 압축)됨에 따라, 액체는 액체-대-액체 열 교환기(1854)를 거쳐 순환기(1852)에 의해 순환되며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(1822) 및 출력(1824)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다. 대안으로서, 액체-대-공기 열 교환기가 사용될 수 있다. 액체는 열 교환기(1854)를 통해 순환기(1852)에 의해 순환된 다음, 길이를 따라 뚫린 구멍을 갖는 로드(1803)를 통해 실린더(1801)의 공압측(1802) 내로 되분사된다. 전체적으로, 이 셋업은 죽은 공간 체적이 압축불가능한 액체로 채워지는 것을 허용하고, 따라서 열 교환기 체적이 크도 되고 편리한 아무 곳에나 배치될 수 있다. 마찬가지로, 액체-대-액체 열 교환기는 공기-대-액체 열 교환기보다 더 효율적인 경향이 있기 때문에, 열 전달이 개선될 수 있다. 분사 로드(1803)를 추가함으로써, 액체는 전체 액체 체적을 통해 분사될 수 있어서 도 17에 도시된 셋업에 비해 열 전달을 증가시킨다.
도 19는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 시스템은, 죽은 공기 공간(dead air space)을 제거하고, 도 18에 관해 전술된 것과 비슷한 방식으로 액체-대-액체 열 교환기를 이용함으로써 열 전달을 잠재적으로 개선시키도록 배열된다. 도 19에 도시된 바와 같이, 열 전달 서브시스템(1950)은, 공기 팽창이 발생하는 액체(예를 들어, 물)을 포함하는 별개의 압력 저장고 또는 용기(1958)를 포함한다. 저장고(1958)에서 가스가 팽창함(압축됨)에 따라, 액체는 액체-대-유압유 실린더(1901) 내로 강제된다. 저장고(1958) 및 실린더(1901) 내의 액체(예를 들어, 물)는 또한, 열 교환기(1954)를 거쳐 순환기(1952)를 통해 순환되고, 용기(1958) 내로 되분사되어, 팽창하는(압축되는) 공기와 액체 사이의 열 교환을 허용한다. 전체적으로, 이 실시예는 죽은 공간 체적이 압축불가능한 액체로 채워지는 것을 허용하고, 따라서, 열 교환기 체적이 크도 되고 편리한 아무 곳에나 배치될 수 있다. 마찬가지로, 액체-대-액체 열 교환기는 공기-대-액체 열 교환기보다 더 효율적인 경향이 있기 때문에, 열 전달이 개선될 수 있다. 별개의 더 큰 액체 저장고(1958)를 추가함으로써, 액체는 전체 가스 체적을 통해 분사될 수 있어서 도 17에 도시된 셋업에 비해 열 전달을 증가시킨다.
도 20a 및 20b는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 시스템은, 죽은 공기 공간(dead air space)을 제거하고, 도 11에 관해 전술된 것과 유사한 타입의 열 전달 서브시스템을 이용하도록 배열된다. 도 11에 도시된 실린더(1101)와 유사하게, 실린더(2001)는, 밸브를 통해 폐쇄될 수 있고 공압 회로나 기타 임의의 공압 소스/저장 시스템과 접속하는 1차 가스 포트(2005)를 포함한다. 실린더(2001)는, 밸브에 의해 폐쇄될 수 있는 1차 유체 포트(2007)를 더 포함한다. 이 유체 포트는, 전술된 저장 시스템의 유압 회로 내의 또는 기타 임의의 저장고의 유체 소스와 접속한다. 또한, 실린더(2001)에서 가스가 팽창(또는 압축)됨에 따라, 가스는 공기-대-액체 열 교환기(2054)를 거쳐 순환기(2052)에 의해 순환되며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(2022) 및 출력(2024)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
도 20a에 도시된 바와 같이, 피스톤이 최상부에 있을 때(예를 들어, 유압측(2004)이 유압유로 채워질 때) 죽은 공간이 존재하지 않도록(예를 들어, 열 전달 서브시스템(2050)(즉, 순환기(2052) 및 열 교환기(2054))이 액체로 채워짐), 충분한 양의 액체(예를 들어, 물)가 실린더(2001)의 공압측(2002)에 추가된다. 순환기(2052)는 액체(예를 들어, 공기)와 공기 양자 모두를 순환시킬 수 있어야 한다. 팽창의 제1 부분 동안에, 액체와 공기의 혼합물이 열 교환기(2054)를 통해 순환된다. 그러나, 실린더(2001)는 수직으로 장착되기 때문에, 중력은 순환기(2052)에서 액체를 비우는 경향이 있고, 대개는 도 20b에 도시된 팽창 사이클의 나머지 동안에 공기가 순환될 것이다. 전체적으로, 이 셋업은 죽은 공간 체적이 압축불가능한 액체로 채워지는 것을 허용하고, 따라서, 열 교환기 체적이 크도 되고 편리한 아무곳에나 배치될 수 있다.
도 21a-21c는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 시스템은, 죽은 공기 공간(dead air space)을 제거하고, 도 11에 관해 전술된 것과 유사한 타입의 열 전달 서브시스템을 이용하도록 배열된다. 또한, 이 셋업은 초기에 공기 순환기(2152)와 열 교환기(2154)를 채우는 액체로부터 에너지를 회수하고 저장하기 위해 보조 축적기(2110)를 이용한다. 도 11에 도시된 실린더(1101)와 유사하게, 실린더(2101)는, 밸브를 통해 폐쇄될 수 있고 공압 회로나 기타 임의의 공압 소스/저장 시스템과 접속하는 1차 가스 포트(2105)를 포함한다. 실린더(2101)는, 밸브에 의해 폐쇄될 수 있는 1차 유체 포트(2107a)를 더 포함한다. 이 유체 포트(2107a)는, 전술된 저장 시스템의 유압 회로 내의 유체 소스 또는 기타 임의의 저장고와 접속한다. 보조 축적기(2110)는 또한, 밸브에 의해 폐쇄될 수 있고 유체 소스에 접속된 유체 포트(2107b)를 포함한다. 또한, 실린더(2101)에서 가스가 팽창(또는 압축)됨에 따라, 가스는 또한, 공기-대-액체 열 교환기(2154)를 거쳐 순환기(2152)에 의해 순환되며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리 열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(2122) 및 출력(2124)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
추가적으로, 도 20a 및 20b에 도시된 셋업과는 반대로, 순환기(2152)는 거의 전부의 공기를 순환시키지만 액체는 아니다. 도 21a에 도시된 바와 같이, 피스톤이 완전히 최상부에 있을 때(예를 들어, 유압측(2104)이 유압유로 채워질 때) 죽은 공간이 존재하지 않도록(예를 들어, 열 전달 서브시스템(2150)(즉, 순환기(2152) 및 열 교환기(2154))이 액체로 채워짐), 충분한 액체(예를 들어, 물)가 실린더(2101)의 공압측(2102)에 추가된다. 팽창의 제1 부분 동안에, 액체는, 보조 축적기(2110)를 거쳐 도 21b에 도시된 바와 같이 순환기(2152)와 열 교환기(2154) 밖으로 구동되고 전력을 생산하는데 이용된다. 보조 축적기(2110)에서 액체가 비워지고 압축된 가스가 채워질 때, 밸브들은 도 21c에 도시된 바와 같이 폐쇄되고 팽창 및 공기 순환이 도 11에 관해 전술된 바와 같이 계속된다. 전체적으로, 이 방법은 죽은 공간 체적이 압축불가능한 액체로 채워지는 것을 허용하고, 따라서, 열 교환기 체적이 크도 되고 아무 곳에나 배치될 수 있다. 마찬가지로, 공기 순환기(2152)와 열 교환기(2154)가 압축된 가스로 채워질 때 유용한 일이 추출되어, 전체 효율이 증가된다.
도 22a 및 22b는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 수직 배향된 유압-공압 실린더(축적기 또는 증강기)(2201) 내로 물이 아래쪽으로 분사되고, 유압측(2203)은 가동형 피스톤(2204)에 의해 공압측(2202)으로부터 분리되어 있다. 도 22a는, 압축된 공기 팽창의 사이클 이전 상태의 열 전달 서브시스템(2250)과 유체 통신하는 실린더(2201)를 도시한다. 주목해야 할 점은, 피스톤(2204)이 도 22a에 도시된 바와 같이 완전히 최상부에 있을 때 실린더(2201)의 공기측(2202)은 액체로 완전히 채워져, 어떠한 공기 공간도 남기지 않는다(마찬가지로, 순환기(2252)와 열 교환기(2254)는 액체로 채워진다)는 것이다.
2220으로 표시되어 있지만 도시되지는 않은 압력 용기 내의 저장된 압축 공기는 밸브(2221)를 통해 공기 포트(2205)를 거쳐 실린더(2201) 내로 입장 허용된다. 압축된 가스가 실린더(2201) 내로 팽창함에 따라, 유압유는 압력하에서 유체 포트(2207)를 거쳐, 2211로 표시된 바와 같은 (도 1 및 4에 관해 도시되고 설명된 유압 모터와 같은) 나머지 유압 시스템으로 강제된다. 팽창(또는 압축) 동안에, 열 교환 액체(예를 들어, 물)가, 액체-대-액체 열 교환기(2254)를 거쳐 펌프(2252)와 같은 순환기에 의해 저장고(2230)로부터 끌어 당겨지며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리 열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(2222) 및 출력(2224)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
도 22b에 도시된 바와 같이, (팽창 가스의 압력과 유사한 압력의) 펌프(2252)에 의해 순환되는 액체(예를 들어, 물)는 분사 헤드(2260)를 통해 실린더(2201)의 공압측(2202) 내로 (분사 라인 2262로 도시된 바와 같이) 분사된다. 전체적으로, 이 방법은, 펌프와 액체-대-액체 열 교환기를 이용하면서 분사된 액체(예를 들어, 물)와 팽창(또는 압축) 중인 공기 간의 열 교환의 효율적 수단을 허용한다. 주목해야 할 점은, 이 특정한 배열에서, 열 교환 액체가 중력에 의해 낙하하도록 유압 공압 실린더(2201)가 수직으로 배향될 것이라는 점이다. 사이클의 끝에서, 실린더(2201)는 리셋되고, 프로세스에서, 공압측(2202)에 추가된 열 교환 액체는 펌프(2252)를 통해 제거되어, 저장고(2230)를 재충전하고 후속 사이클링에 대해 실린더(2201)를 준비시킨다.
도 22c는 분사 헤드(2260)에 관하여 더 상세히 실린더(2201)를 도시한다. 이 설계에서, 분사 헤드(2260)는 수직으로 배향된 실린더에서 샤워기 헤드처럼 이용된다. 도시된 실시예에서, 노즐(2261)은 분사 헤드(2260)의 전면(face)에 걸쳐 고르게 분포하지만; 노즐의 특정한 배열과 크기는 특정 응용에 적합하게 변할 수 있다. 분사 헤드(2260)의 노즐(2261)이 엔드캡 영역에 걸쳐 고르게 분포할 때, 전체 공기 체적(공압측 2202)이 물 분사(2262)에 노출된다. 전술된 바와 같이, 열 전달 서브시스템은, 공기압보다 약간 높은 압력의 포트(2271)를 통해 물을 공압측(2202) 내로 순환/주입한 다음, 주변 압력의 복귀 행정(return stroke)의 끝에서 그 물을 제거한다.
전술된 바와 같이, 분사의 특정한 동작 파라미터들은 특정한 응용에 적합하게 변할 것이다. 특정한 압력 범위, 분사 방향, 및 분사 특성에 대하여, 열 전달 성능이 모델링을 통해 근사화될 수 있다. 300 psi로 팽창하는 3000 psi 공기를 구비한 8" 직경, 10 갤런의 실린더를 이용한 예시적인 실시예를 고려하면, 등온 팽창을 유지하기에 충분한 열 전달을 달성하기 위해 필요한 다양한 수적(drop) 크기 및 분사 특성을 위해, 필요한 물 분사 흐름 속도가 계산될 수 있다. 도 22d는, 300 및 3000 psi의 공기와 분사 액체 간의 각각의 온도(degree) 차이에 대한 흐름 속도(GPM 단위)당 계산된 열 전달 전력(kW 단위)을 나타낸다. X 마크를 갖는 라인은, 분사가 수적(drop)으로 분쇄되는 체제(체제 1)에 대한 상대적 열 전달을 도시한다. 계산은, 열 전달에 대한 보수적 값과, 재순환 없는 수적을 가정하지만, 체제1에 대한 열 전달의 보수적 추정치를 제공한다. 마크가 없는 라인은, 분사가 실린더 길이에 대해 응집된 제트(jet)로 유지되는 체제(체제 2)에 대한 상대적 열 전달을 도시한다. 계산은, 열 전달에 대한 보수적 값과, 임팩트 후 재순환 없음을 가정하지만, 체제2에 대한 열 전달의 보수적 추정치를 제공한다. 실제 분사는, 제트와 순수 수적 형성 사이에 있을 것이며, 2개의 체제는 예상된 실험 수행에 관한 보수적 상한값과 고정된 하한값을 제공한다. ℃당 GPM(분당 갤런)당 0.1kW 요건을 고려하면, 2mm 아래의 수적 크기는 주어진 흐름 속도에 대해 충분한 열 전달을 제공하며, 0.1mm 아래의 제트 크기는 충분한 열 전달을 제공한다.
일반적으로, 도 22d는, 분사 헤드(도 22c 참조)와 수직-배향된 10 갤런 8" 직경 실린더에 대한 상이한 압력에서, 액체 분사와 공기간의 각각의 섭씨 온도차와 요구되는 흐름 속도에 의해 정규화된, 달성된 열 전달 전력 레벨(kW)을 나타낸다. 더 높은 수치는 액체 분사와 공기간의 더 효율적인(소정 온도차에서 주어진 흐름 속도에 대해 더 많은 열 전달) 열 전달을 나타낸다. 또한, 특정한 직경의 제트를 제공하기 위해 요구되는 상대적 홀(hole) 수가 그래픽으로 도시되어 있다. 분사 헤드에서 요구되는 분사 홀의 갯수를 최소화하는 것은 분사가 수적으로 분쇄될 것을 요구한다. 수적으로의 분사의 분쇄-대-응집성 제트는, 노즐과 유체 역학 상의 간단한 가정을 이용하여 이론적으로 추정될 수 있다. 일반적으로, 분쇄는 더 높은 공기압 및 더 높은 흐름 속도(즉, 노즐 양단의 더 높은 압력 강하)에서 더욱 우세하게 발생한다. 고압에서의 분쇄는, 특정한 노즐, 기하학적 형상, 유체, 및 공기압과 함께 실험적으로 분석될 수 있다.
일반적으로, 0.2 내지 2.0 mm의 노즐이 고압 공기 실린더(3000 내지 300 psi)에 대해 적절하다. 기계적 또는 레이저 천공된 실린더형 노즐 형상을 이용하여 수적으로의 중간 내지 완전한 분사 분쇄를 제공하기 위해 노즐당 0.2 내지 1.0 liter/min의 흐름 속도가 이 범위에서는 충분하다. 예를 들어, 25 gpm에서 동작하는 0.9 mm 홀 직경의 250개 노즐을 갖는 분사 헤드는, 10 갤런 실린더에서 3000-대-300 psi로 팽창(또는 압축)하는 공기로의 50kW 이상의 열 전달을 제공할 것으로 예상된다. 이와 같은 분사 열 전달 구현을 위한 펌핑 전력은, 열 전달 전력의 1%보다 작도록 결정되었다. 분사 기술을 이용한 열 전달 서브시스템에 관한 추가적인 특정한 예시적인 세부사항이 도 24a 및 24b에 관하여 논의된다.
도 23a 및 22b는, 개방된-공기 스테이지화된 유압-공압 시스템에서 팽창하는(또는 압축되고 있는) 가스로의 촉진된 열 전달을 위한 또 다른 대안적 시스템 및 방법의 개략도이다. 이 셋업에서, 임의 배향된 실린더(2301) 내에 방사상으로 물이 분사된다. 실린더(2301)의 배향은 액체 분사에 대해 중요한 것은 아니며, 도 23a 및 23b에서는 수평 방향으로 도시되어 있다. 유압-공압 실린더(축적기 또는 증강기)(2301)는 가동형 피스톤(2304)에 의해 공압측(2302)으로부터 분리된 유압측(2303)을 가진다. 도 23a는, 압축된 공기 팽창의 사이클 이전 상태의 열 전달 서브시스템(2350)과 유체 통신하는 실린더(2301)를 도시한다. 주목해야 할 점은, 도 23a에 도시된 바와 같이 피스톤(2304)이 완전히 물러나 있을 때(즉, 유압측(2303)이 액체로 채워짐) 실린더(2301) 내의 공압측(2302) 상에는 어떠한 공기 공간도 없다(즉, 순환기(2352) 및 열 교환기(2354)가 액체가 채워짐)는 것이다.
2320으로 표시되어 있지만 도시되지는 않은 압력 용기 내의 저장된 압축 공기는 밸브(2321)를 경유하여 공기 포트(2305)를 통해 실린더(2301) 내로 입장 허용된다. 압축된 가스가 실린더(2301) 내로 팽창할 때, 유압유는 압력하에서 유체 포트(2307)를 거쳐, 2311로 표시된 바와 같은 (도 1 및 4에 관해 도시되고 설명된 유압 모터와 같은) 나머지 유압 시스템으로 강제된다. 팽창(또는 압축) 동안에, 열 교환 액체(예를 들어, 물)가, 액체-대-액체 열 교환기(2354)를 거쳐 펌프(2352)와 같은 순환기에 의해 저장고(2330)로부터 끌어 당겨지며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(2322) 및 출력(2324)을 갖는 쉘 내 튜브 셋업일 수 있다. 도 23b에 도시된 바와 같이, (팽창 가스의 압력과 유사한 압력의) 펌프(2352)에 의해 순환되는 액체(예를 들어, 물)는 분사 로드(2360)를 통해 실린더(2301)의 공압측(2302) 내로 (분사 라인 2362로 도시된 바와 같이) 분사된다. 분사 로드(2360)는 이 예에서는 실린더(2301)의 중심에 고정된 것으로 도시되어 있고, 중공 피스톤 로드(2308)는 열 교환 액체(예를 들어, 물)를 유압측(2303)으로부터 분리시키고 있다. 가동형 피스톤(2304)이 이동됨에 따라(예를 들어, 도 23b에서 왼쪽으로), 유압유를 실린더(2301)의 바깥으로 강제하고, 중공 피스톤 로드(2308)는 실린더(2301) 바깥으로 연장되어 분사 로드(2360)의 더 많은 부분을 노출시켜, 전체 공압측(2302)이 분사 라인(2362)에 의해 표시된 바와 같은 열 교환 분사에 노출된다. 전체적으로, 이 방법은, 펌프와 액체-대-액체 열 교환기를 이용하면서 분사된 액체(예를 들어, 물)와 팽창(또는 압축) 중인 공기 간의 열 교환의 효율적 수단을 허용한다. 주목해야 할 점은, 이 특정한 배열에서, 유압-공압 실린더는 임의의 방식으로 배향될 수 있고, 중력에 의해 낙하하는 열 교환 액체에 의존하지 않는다는 점이다. 사이클의 끝에서, 실린더(2301)는 리셋되고, 프로세스에서, 공압측(2302)에 추가된 열 교환 액체는 펌프(2352)를 통해 제거되어, 저장고(2330)를 재충전하고 후속 사이클링에 대해 실린더(2301)를 준비시킨다.
도 23c는 분사 로드(2360)에 관하여 실린더(2301)를 더 상세히 도시한다. 이 설계에서, 실린더(2301)의 공기 체적(공압측(2302)) 전체에 걸쳐 방사상으로 바깥으로 물 분사를 지향시키기 위해 분사 로드(2360)(예를 들어, 많은 구멍을 갖는 중공 스테인레스 스틸 튜브)가 사용된다. 도시된 실시예에서, 노즐(2361)은 분사 로드(2360)의 길이를 따라 고르게 분포하지만; 노즐의 특정한 배열과 크기는 특정 응용에 적합하게 변할 수 있다. 물은 압력하의 공압측(2302)의 바닥으로부터 지속적으로 제거되거나, 주변 압력의 복귀 행정의 끝에서 제거될 수 있다. 이 배열은, (예를 들어, 위치 센서에 대해) 중심 천공 피스톤 로드의 흔한 실시를 이용한다. 전술된 바와 같이, 열 전달 서브시스템(2350)은 공기압보다 약간 높은 압력의 포트(2371)를 통해 물을 공압측(2302) 내로 순환/주입한 다음, 주변 압력의 복귀 행정의 끝에서 그 물을 제거한다.
전술된 바와 같이, 분사의 특정한 동작 파라미터들은 특정한 응용에 적합하게 변할 것이다. 특정한 압력 범위, 분사 방향, 및 분사 특성에 대하여, 열 전달 성능이 모델링을 통해 근사화될 수 있다. 300 psi로 팽창하는 3000 psi 공기를 구비한 8" 직경, 10 갤런의 실린더를 이용한 예시적인 실시예를 고려하면, 등온 팽창을 유지하기에 충분한 열 전달을 달성하기 위해 필요한 다양한 수적(drop) 크기 및 분사 특성에 대해, 물 분사 흐름 속도가 계산될 수 있다. 도 23d는, 300 및 3000 psi의 공기와 분사 액체 간 각각의 온도(degree) 차이에 대한 흐름 속도(GPM 단위)당 계산된 열 전달 전력(kW 단위)을 나타낸다. X 마크를 갖는 라인은, 분사가 수적(drop)으로 분쇄되는 체제(체제 1)에 대한 상대적 열 전달을 도시한다. 계산은, 열 전달에 대한 보수적 값과, 재순환 없는 수적을 가정하지만, 체제1에 대한 열 전달의 보수적 추정치를 제공한다. 마크가 없는 라인은, 분사가 실린더 길이에 대해 응집된 제트로 유지되는 체제(체제 2)에 대한 상대적 열 전달을 도시한다. 계산은, 열 전달에 대한 보수적 값과, 임팩트 후 재순환 없음을 가장하지만, 체제2에 대한 열 전달의 보수적 추정치를 제공한다. 실제 분사는, 제트와 순수 수적 형성 사이에 있을 것이며, 2개의 체제는 예상된 실험 수행에 관한 보수적 상한값과 고정된 하한값을 제공한다. ℃당 GPM(분당 갤런)당 0.1kW 요건을 고려하면, 2mm 아래의 수적 크기는 주어진 흐름 속도에 대해 충분한 열 전달을 제공하며, 0.1mm 아래의 제트 크기는 충분한 열 전달을 제공한다.
일반적으로, 도 23d는, 분사 로드(도 23c 참조)와 수평-배향된 10 갤런 8" 직경 실린더에 대한 상이한 압력에서, 액체 분사와 공기간의 각각의 섭씨 온도차와 요구되는 흐름 속도에 의해 정규화된, 달성된 열 전달 전력 레벨(kW)을 나타낸다. 더 높은 수치는 액체 분사와 공기간의 더 효율적인(소정 온도차에서 주어진 흐름 속도에 대해 더 많은 열 전달) 열 전달을 나타낸다. 또한, 특정한 직경의 제트를 제공하기 위해 요구되는 상대적 홀(hole) 수가 그래픽으로 도시되어 있다. 분사 로드에서 요구되는 분사 홀의 갯수를 최소화하는 것은 분사가 수적으로 분쇄될 것을 요구한다. 수적으로의 분사의 분쇄-대-응집성 제트는, 노즐과 유체 역학 상의 간단한 가정을 이용하여 이론적으로 추정될 수 있다. 일반적으로, 분쇄는 더 높은 공기압 및 더 높은 흐름 속도(즉, 노즐 양단의 더 높은 압력 강하)에서 더욱 우세하게 발생한다. 고압에서의 분쇄는, 특정한 노즐, 기하학적 형상, 유체, 및 공기압과 함께 실험적으로 분석될 수 있다.
분사 헤드 배열에 관하여 전술된 바와 같이, 0.2 내지 2.0 mm의 노즐 크기가 고압 공기 실린더(3000 대 300 psi)에 대해 적절하다. 기계적 또는 레이저 천공된 실린더형 노즐 형상을 이용하여 수적으로의 중간 내지 완전한 분사 분쇄를 제공하기 위해 노즐당 0.2 내지 1.0 liter/min의 흐름 속도가 이 범위에서는 충분하다. 분사 기술을 이용한 열 전달 서브시스템에 관한 추가적인 특정한 예시적인 세부사항이 도 24a 및 24b에 관하여 논의된다.
일반적으로, 도 22 및 23에 도시된 배열에 대하여, 액체 분사 열 전달은, 기껏해야 사소하게 수정한, 공압 및 유압/공압 실린더와 같은 시판중인 압력 용기를 이용하여 구현될 수 있다. 마찬가지로, 열 교환기는 시판중인 고압 컴포넌트로부터 구성될 수 있어서, 전체 시스템의 비용과 복잡성을 감소시킨다. 1차 열 교환기 영역은 유압/공압 용기 외부에 있기 때문에, 죽은 공간 체적은 본질적으로 압축불가능한 액체로 채워지고, 열 교환기 체적은 크도 되며 편리한 아무 곳에나 배치될 수 있다. 또한, 열 교환기는 공통의 파이프 비품과 함께 용기에 부착될 수 있다.
분사 열 전달 서브시스템에 대한 기본적인 설계 기준은, 열 전달을 최대화하면서, 주로 액체 분사 펌핑 전력에 관한, 사용되는 동작 에너지(즉, 기생 손실)를 최소화하는 것이다. 실제 열 전달 성능이 실험적으로 결정되는 반면, 이론적 분석은, 주어진 펌핑 전력과 물의 유속에 대한 최대 열 전달이 발생하는 영역을 표시한다. 액체 분사와 주변 공기간의 열 전달이 표면적에 의존하기 때문에, 본 명세서에서 논의되는 분석은 전술된 2개 분사 체제를 이용하였다: 1) 수적 열 전달 및 2) 물 제트 열 전달.
체제1에서, 분사는 수적으로 분쇄되어, 큰 전체 표면적을 제공한다. 체제1은 표면적에 대한 상한, 그에 따라 주어진 세트의 다른 가정에 대한 열 전달이라 간주될 수 있다. 체제2에서, 분사는 응집된 제트 또는 스트림으로 유지되어, 주어진 체적의 물에 대해 훨씬 낮은 표면적을 제공한다. 체제2는 표면적에 대한 하한, 그에 따라 주어진 세트의 다른 가정에 대한 열 전달이라 간주될 수 있다.
분사는 주어진 세트의 조건에 대해 수적들로 분쇄되는 체제1의 경우, 2mm 보다 작은 수적 크기는, 도 24a에 도시된 바와 같이, 허용가능한 낮은 유속(예를 들어, <10 GPM °C/kW)에 대해 충분한 열 전달 성능을 제공할 수 있음을 알 수 있다. 도 24a는, 1 킬로와트의 열 전달을 달성하기 위해 상이한 압력의 공기와 액체 분사 수적 간의 각각의 섭씨 온도차에 대해 요구되는 유속을 나타낸다. 더 낮은 숫자는, 액체 분사 수적과 공기간의 더 효율적인(소정 온도차에서 주어진 양의 열 전달에 대한 더 낮은 유속) 열 전달을 나타낸다. 도 24a에 예시된 주어진 세트의 조건에 대해, 약 2mm 보다 낮은 수적 직경이 바람직하다. 도 24b는, 도 24a의 그래프의 확대된 부분으로서, 예시된 주어진 세트의 조건에 대해, 약 0.5 mm 아래의 수적 직경이 주어진 유속에 대해 추가적인 열 전달 혜택을 더 이상 제공하지 못하고 있음을 나타낸다.
수적 크기가 더 작아짐에 따라, 결국 수적의 종단 속도는, 수적이 전체 실린더 체적을 커버하기에는 너무 느리게 하강할 정도로 충분히 작아진다(예를 들어, <100 microns). 따라서, 여기서 예시된 주어진 세트의 조건에 대해, 증가하는 유속에 따라 증가하는 펌핑 전력을 최소화하면서 열 전달을 최대화하기 위해, 약 0.1mm와 2.0 mm 사이의 수적 크기가 선호되는 것으로 간주될 수 있다. 액체 분사가 응집성 제트로 유지되는 체제2에 대해 유사한 분석이 수행될 수 있다. 유사한 열 전달 성능을 제공하기 위해 더 높은 유속 및/또는 더 좁은 직경의 제트가 필요하다.
도 25는, 압축된 가스를 이용하여 에너지를 저장하고 회수하기 위한 전술된 개방된-공기 유압-공압 시스템들 중 임의의 시스템에서 사용하기 위한 실린더 설계의 세부화된 개략도이다. 특히, 도 25에서 부분 단면도로 도시된 실린더(2501)는, 수직 실린더 내로 물이 아래쪽으로 분사되는 도 22에 관하여 기술된 것과 유사한 분사 헤드 배열(2560)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 수직 배향된 유압-공압 실린더(2501)는 가동형 피스톤(2504)에 의해 공압측(2502)으로부터 분리된 유압측(2503)을 가진다. 실린더(2501)는 또한, 통상 지지봉 또는 기타의 공지된 기계적 수단을 통해 접속된, 연마된 원통형 튜브(2561)의 어느 한 끝단에 장착된, 2개의 엔드캡(예를 들어, 절삭가공된 강철 블록)(2563, 2565)을 포함한다. 피스톤(2504)은, 슬라이드 가능하게 배치되고 밀봉부(2567)를 통해 튜브(2561)와 밀봉되어 맞물린다. 엔드 캡(2565)은 단일의 또는 복수의 포트(2585)와 더불어 절삭가공되고, 이것은 유압유의 흐름을 허용한다. 엔드 캡(2563)은 단일의 또는 복수의 포트(2586)와 더불어 절삭가공되고, 이것은 공기 및/또는 열 교환 유체의 진입을 허용한다. 포트(2585, 2586)는 나삿니 접속을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위 내에서 다른 타입(예를 들어, 플랜지형)의 포트/접속이 고려될 수 있다.
또한, 필요하다면 변위 트랜스듀서(2574)를 통한 위치 측정과 외부 쿠션(2575)을 통한 피스톤 댐핑을 허용하는, 가동형 피스톤(2504)에 부착될 수 있는 선택사항적 피스톤 로드(2570)가 도시되어 있다. 피스톤 로드(2570)는, 로드 밀봉부(2572)를 갖는 절삭가공된 홀을 통해 유압측(2503)의 내외로 움직인다. 이 예에서 분사 헤드(2560)는, 엔드 캡(2563) 내에 삽입되고 예를 들어 블라인드 고정 잠금장치(2573)를 통해 열 교환 액체(예를 들어, 물) 포트(2571)에 부착된다. 다른 기계적 잠금수단이 고려될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 있다.
도 26은, 압축된 가스를 이용한 에너지 저장 및 회수을 위한 전술된 개방된-공기 유압-공압 시스템들 중 임의의 시스템에서 사용하기 위한 실린더 설계의 세부화된 개략도이다. 특히, 도 26에서 부분 단면도로 도시된 실린더(2601)는, 설치된 분사 로드를 통해 임의-배향된 실린더 내로 물이 방사형으로 분사되는 도 23에 관하여 기술된 것과 유사한 분사 로드 배열(2660)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 임의 배향된 유압-공압 실린더(2601)는 가동형 피스톤(2604)에 의해 공압측(2602)으로부터 분리된 유압측(2603)을 포함한다. 실린더(2601)는 또한, 통상 지지봉 또는 기타의 공지된 기계적 수단을 통해 접속된, 연마된 원통형 튜브(2661)의 어느 한 끝단에 장착된, 2개의 엔드캡(예를 들어, 절삭가공된 강철 블록)(2663, 2665)을 포함한다. 피스톤(2604)은, 슬라이드 가능하게 배치되고 밀봉부(2667)를 통해 튜브(2661)와 밀봉되어 맞물린다. 엔드 캡(2665)은 단일의 또는 복수의 포트(2685)와 더불어 절삭가공되고, 이것은 유압유의 흐름을 허용한다. 엔드 캡(2663)은 단일의 또는 복수의 포트(2686)와 더불어 절삭가공되고, 이것은 공기 및/또는 열 교환 액체의 진입을 허용할 수 있다. 포트(2685, 2686)는 나삿니 접속을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 범위 내에서 다른 타입(예를 들어, 플랜지형)의 포트/접속이 고려될 수 있다.
중공 피스톤 로드(2608)는 가동형 피스톤(2604)에 부착되어, 실린더(2601)에 고정되고 동축 배향된 분사 로드(2660) 위를 슬라이드한다. 분사 로드(2660)는 피스톤(2604) 내의 절삭가공된 홀(2669)을 통해 연장된다. 피스톤(2604)은 분사 로드(2660)의 길이를 따라 자유롭게 움직이도록 구성된다. 가동형 피스톤(2604)이 엔드 캡(2665)을 향해 이동함에 따라, 중공 로드(2608)는 실린더(2601) 바깥으로 연장되어 분사 로드(2660)의 더 많은 부분을 노출시켜, 전체 공압측(2602)이 열 교환 분사에 노출된다(예를 들어, 도 23b 참조). 이 예에서 분사 로드(2660)는 엔드 캡(2663)에 부착되고 열 교환 액체 포트(2671)와 유체 통신한다. 도 26에 도시된 바와 같이, 포트(2671)는 엔드 캡(2663)에 기계적으로 결합되어 밀봉되지만, 포트(2671)는 또한 엔드 캡(2663) 내의 절삭가공된 나삿니 접속일 수 있다. 중공 피스톤 로드(2608)는 또한, 변위 트랜스듀서(2674)를 통한 위치 측정과 외부 쿠션(2675)을 통한 피스톤 댐핑을 허용한다. 도 26에 도시된 바와 같이, 피스톤 로드(2608)는, 로드 밀봉부(2672)를 갖는 절삭가공된 홀을 통해 유압측(2603)의 내외로 움직인다.
주목해야 할 점은, 도 9-13 및 15-23에 관하여 전술된 열 전달 서브시스템은, 고압 가스 저장 시스템(예를 들어, 저장 탱크(902))과 연계하여, 도 27 및 28에 도시된 바와 같이, 그 내부에 저장된 가압된 가스를 열적으로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 이들 시스템은 전술된 것과 동일한 방식으로 배열 및 동작된다.
도 27은, 예를 들어, 팽창 이전에 또는 팽창 동안에 압축된 가스로의 열 에너지의 전달을 촉진하기 위해, 본 명세서에서 기술된 압축된 가스 에너지 저장 시스템에서 사용할 가스 저장 시스템(2701)과 연계한 열 전달 서브시스템(2750)의 사용을 도시한다. 압력 용기(2702a-2702d)로부터의 압축된 가스는, 순환기로서 동작하는 공기 펌프(2752)를 이용하여 열 교환기(2754)를 통해 순환된다. 공기 펌프(2752)는 순환을 위해 충분한 작은 압력 변화와 함께 동작하지만, 고압을 견딜 수 있는 하우징 내에 있다. 공기 펌프(2752)는, 고압 공기를, 그 압력을 실질적으로 증가시키지 않고(예를 들어, 3000 psi 공기에 대해 50 psi 증가) 열 교환기(2754)를 통해 순환시킨다. 이런 식으로, 저장된 압축된 공기는, 밸브(2706)를 폐쇄한 채 밸브(2704)를 개방함으로써 미리가열(또는 미리냉각)될 수 있으며, 2704를 폐쇄하고 2706을 개방함으로써 팽창 동안에 가열되고 압축 동안에 냉각될 수 있다. 열 교환기(2754)는 임의 종류의 표준 열-교환기 설계일 수 있으나, 여기서는 고압 공기 주입 및 유출 포트(2721a 및 2721b)와 저압 쉘 물 포트(2722a 및 2722b)를 갖춘 쉘 내 튜브 타입 열 교환기로서 예시되었다.
도 28은, 팽창 이전에 또는 팽창 동안에 압축된 가스로의 열 에너지의 전달을 촉진하기 위해, 본 명세서에서 기술된 에너지 저장 시스템 내의 압축된 가스와 함께 사용할 가스 저장 시스템(2801)과 연계한 열 전달 서브시스템(2850)의 사용을 도시한다. 이 실시예에서, 압력 용기(2802a-2802b) 내의 저장된 압축된 가스로의 및 이로부터의 열 에너지 전달은, 물 펌프(2852) 및 열 교환기(2854)를 이용한 물 순환 계획을 통해 촉진된다. 물 펌프(2852)는 순환을 위해 충분한 작은 압력 변화와 함께 동작하지만, 고압을 견딜 수 있는 하우징 내에 있다. 물 펌프(2852)는 열 교환기(2854)를 통해 고압의 물을 순환시키고, 물을, 실질적으로 그 압력을 증가시키지 않고(예를 들어, 3000 psi 저장된 압축된 공기 내의 순환 및 분사에 대해 100 psi 증가) 압력 용기(2802) 내로 분사한다. 이런 식으로, 저장된 압축된 공기는, 압력 용기(2802)의 능동적 물 모니터링을 또한 허용하는 물 순환 및 분사 방법을 이용하여 미리가열(또는 미리냉각)될 수 있다.
분사 열 교환은, 밸브(2806)가 개방될 때 시스템에서 압축 이전의 미리-냉각 또는 팽창 이전의 미리-가열 양자 모두로서 발생할 수 있다. 열 교환기(2854)는 임의 종류의 표준 열-교환기 설계일 수 있으나, 여기서는 고압 물 주입 및 유출 포트(2821a 및 2721b)와 저압 쉘 물 포트(2822a 및 2822b)를 갖춘 쉘 내 튜브 타입 열 교환기로서 예시되었다. 액체-대-액체 열 교환기는 공기-대-액체 열 교환기보다 더 효율적인 경향이 있기 때문에, 액체-대-액체 열 교환기의 이용에 의해 열 교환기 크기가 감축되고 및/또는 열 전달이 개선될 수 있다. 압력 용기(2802) 내의 열 교환은, 압력 용기(2802) 내로의 액체(예를 들어, 물)의 능동적 분사에 의해 촉진된다.
도 28에 도시된 바와 같이, 각각의 압력 용기(2802a, 2802b) 내에 구멍 뚫린 분사 로드(2811a, 2811b)가 설치된다. 물 펌프(2852)는, 물이 능동적으로 순환되고 화살표(2812a, 2812b)로 도시된 바와 같이 로드(2811a, 2811b) 바깥으로 분사되도록, 물 압력을 용기 압력보다 높게 증가시킨다. 압력 용기(2802)의 용적 전체에 걸쳐 분사한 후에, 물은 용기(2802)의 바닥에 가라 앉은(2813a, 2813b 참조) 다음, 배수 포트(2814a, 2814b)를 통해 제거된다. 물은, 폐루프 물 순환 및 분사 시스템의 일부로서 열 교환기(2854)를 통해 순환될 수 있다.
에너지 저장 및 회수을 위한 대안적 시스템 및 방법이 도 29-31을 참조하여 기술된다. 이들 시스템 및 방법은, 전술된 에너지 저장 및 회수 시스템과 유사하지만, 증강기와 같은 하나의 공압-유압 실린더가 아니 기계적 경계 메커니즘에 의해 서로 기계적으로 결합된, 구분된 공압 및 유압이 없는-피스톤 실린더를 사용한다. 이들 시스템은, 팽창(또는 압축) 중인 가스를 제어하기 위한 열 전달 서브시스템이 유압 회로로부터 분리되는 것을 허용한다. 또한, 실린더에 의해 생성된 힘을 추가하도록(또는 실린더 상에 작용하는 힘을 공유하도록) 하나 이상의 공압 실린더 및/또는 하나 이상의 유압 실린더를 기계적으로 결합함으로써, 유체 압력 범위가 좁아져, 유압 모터/펌프의 더 효율적인 동작을 허용한다.
도 29-31에 관하여 전술된 시스템 및 방법은 일반적으로, 실린더 어셈블리들을 기계적으로 결합시키고 하나의 실린더 어셈블리에 의해 생성된 선형 이동을 다른 실린더 어셈블리에 기계적으로 결합시키는 기계적 경계 메커니즘을 이용하여 2개 이상의 실린더 어셈블리 사이에서 기계적 에너지를 전송하는 원리에 기초하여 동작한다. 한 실시예에서, 제1 실린더 어셈블리의 선형 이동은, 실린더의 한 챔버에서 팽창하여 실린더 내에서의 피스톤을 이동시키는 가스의 결과이다. 제2 실린더 어셈블리에서 변환된 선형 이동은, 제2 실린더 어셈블리 내의 피스톤의 선형 이동이 유체를 실린더 밖으로 그리고 유압 모터쪽으로 구동하기 때문에, 유압 모터의 회전 운동으로 변환된다. 회전 운동은 회전 전기 발전기를 이용하여 전기로 변환된다.
도 29-31에 관하여 기술된 실린더 어셈블리에서 사용할 압축된 가스 에너지 저장 시스템의 기본적 운동은 다음과 같다: 가스는, 챔버의 한 측상의 가스를 다른측과 분리시킴으로써 한 챔버로부터 다른 챔버로의 힘/압력의 전달을 허용하면서 한 챔버로부터 다른 챔버로의 가스 이동을 방지하는, 피스톤이나 기타의 메커니즘을 포함하는 원통형 챔버(즉, 공압 실린더 어셈블리) 내로 팽창된다. 피스톤에 부착되고 피스톤으로부터 연장되는 샤프트는, 유압 실린더의 샤프트에 힘을 전달하고 또한 피스톤에 의해 2개 챔버로 분리된 적절하게 크기조정된 기계적 경계 메커니즘에 부착된다. 한 실시예에서, 유압 실린더의 피스톤의 활성 면적은 공압 피스톤의 면적보다 작아서, 그 결과, 피스톤 면적에서의 차이에 비례하여 압력(즉, 공압 실린더에서 팽창을 겪는 챔버 내의 압력에 대한, 유압 실린더에서 압축을 겪는 챔버 내의 압력의 비율)이 증강된다. 유압 실린더에서 가압된 유압유는, 전기를 생성하기 위하여 회전 전기 모터/발전기의 샤프트에 부착된 샤프트를 갖는, 고정 변위 또는 가변 변위의 유압 모터/펌프를 회전시키기 위해 사용될 수 있다. 전술된 것과 같은 연 전달 서브시스템은, 최대 효율을 달성하기 위해 가능한 한 거의 등온으로 가스를 팽창/압축하는 이들 압축된 가스 에너지 저장 시스템과 결합될 수 있다.
도 29a 및 29b는, 전기를 생산하도록 유압 모터/발전기를 구동하기 위해(즉, 가스 팽창) 단일의 복동식(double-acting) 유압 실린더에 결합된 2개의 직렬 접속된 복동식 공압 실린더를 작동시키기 위해 압축된 가스를 이용하기 위한 시스템의 개략도이다. 만일 모터/발전기가 발전기가 아니라 모터로서 동작된다면, 가압된 저장된 가스를 생성하기 위해(즉, 가스 압축) 동일한 메커니즘이 채용될 수 있다. 도 29a는, 동작의 제1 페이즈의 시스템을 도시하고 도 29b는 동작의 제2 페이즈의 시스템을 도시하며, 여기서, 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 공압 실린더들의 고압측 및 저압측은 역전되고 유압 모터 샤프트 이동의 방향은 역전된다.
일반적으로 가스의 팽창은, 저압 및 고압 공압 실린더를 이용하여, 복수의 스테이지에서 발생한다. 예를 들어, 도 29a에 도시된 바와 같은 2개의 공압 실린더의 경우, 고압 가스는 고압 공압 실린더에서 최대 압력(예를 들어, 3000 PSI)로부터 어떤 중간-압력(예를 들어, 300 PSI)로 팽창된 다음, 이 중간-압력 가스는 별개의 저압 실린더에서 더욱 팽창된다(예를 들어, 300 PSI에서 30 PSI). 이들 2개 스테이지는 유압 실린더의 샤프트에 힘을 전달하는 공통의 기계적 경계 메커니즘에 결합된다. 2개의 공압 피스톤들 각각이 그 이동 범위의 한계에 도달할 때, 반대 방향으로의 피스톤 움직임을 생성하도록 고압 가스를 실린더의 2개 챔버로 지향시키거나 실린더의 2개 챔버로부터 저압 가스를 배기하기 위해 밸브 또는 기타의 메커니즘이 조정될 수 있다. 이러한 타입의 복동식 장치에서, 어떠한 퇴거 행정 또는 무동력 행정도 존재하지 않는다, 즉, 행정은 양쪽 방향에서 동력이 제공된다.
공압 실린더에 의해 구동되고 있는 유압 실린더의 챔버들은, 복귀 행정 동안에 가압된 유압유를 생성하기 위해 밸브 또는 기타의 메커니즘에 의해 유사하게 조정될 수 있다. 게다가, 유압 실린더의 어느 챔버가 가압된 유체를 생성하고 있는지에 관계없이 그 유체에 의해 동일한 방향으로 유압 모터/펌프가 구동되도록, 체크 밸브 또는 기타의 메커니즘이 배열될 수 있다. 이와 같은 시스템에서 회전하는 유압 모터/펌프와 전기적 모터/발전기는 피스톤 이동이 역전될 때 그들의 회전 방향을 역전시키지 않아, 플라이휠과 같은 단기적 에너지 저장 장치의 추가와 더불어, 결과적인 시스템이 전기를 지속적으로(즉, 피스톤 역전 동안 중단없이) 생산하도록 만들어질 수 있다.
도 29a에 도시된 바와 같이, 시스템(2900)은, 피스톤(2904)에 의해 2개의 챔버(2902, 2903)로 분할된 제1 공압 실린더(2901)로 구성된다. 예시된 실시예에서 수평 배향으로 도시되어 있지만 임의 배향될 수 있는 실린더(2901)는, 파이핑(2906)과 밸브들(2907, 2908)을 통해 압축된 저장고 또는 저장 시스템(2909)에 접속되는 하나 이상의 가스 순환 포트(2905)를 가진다. 공압 실린더(2901)는 파이핑(2910, 2911)과 밸브들(2912, 2913)을 통해 첫번째보다 저압에서 동작하는 제2 공압 실린더(2914)에 접속된다. 양쪽 실린더들(2901, 2914)은 복동식이며 직렬(공압적으로) 및 병렬로(기계적으로) 부착된다. 2개 실린더(2901, 2914)의 직렬 부착은, 고압 실린더(2901)의 더 낮은 압력의 챔버로부터의 가스가 저압 실린더(2914)의 더 높은 압력의 챔버로 향한다는 것을 의미한다.
저장고(2909)로부터의 가압된 가스는 복동식 실린더(2901)의 피스톤(2904)을 구동한다. 고압 실린더(2901)의 더 낮은 압력측(2903)으로부터의 중간-압력 가스는, 밸브(2912)를 통해 저압 실린더(2914)의 더 높은 압력 챔버(2915)로 수송된다. 가스는, 더 낮음 압력의 실린더(2914)의 더 낮은 압력의 챔버(2916)로부터 밸브(2917)를 통해 통풍구(2918)로 수송된다. 이러한 배열의 기능은 실린더들이 함께 동작하는 압력의 범위를 감소시키는 것이다.
2개의 실린더(2901, 2914)의 피스톤 샤프트(2920, 2919)는, 기계적 경계 메커니즘(1921)을 화살표(2922)에 의해 표시된 방향으로 이동시키도록 함께 동작한다. 기계적 경계 메커니즘은 또한 ,유압 실린더(2924)의 피스톤 샤프트(2923)에 접속된다. 기계적 경계 메커니즘(2921)에 의해 추진되는 유압 실린더(2924)의 피스톤(2925)은 챔버(2926) 내의 유압유를 압축한다. 이 가압된 유압유는, 파이핑(2927)을 통해, 그 샤프트가 전기 모터/발전기를 구동시키는 고정-변위 또는 가변 변위의 유압 모터/펌프를 통해 (화살표에 의해 도시된) 한 방향으로 유체가 흐르도록 허용하는 체크 밸브(2928) 배열로 수송된다. 편의를 위해, 유압 펌프/모터 및 전기 모터/발전기의 조합은 하나의 유압 전력 유닛(2929)으로서 도시되어 있다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프(2929)의 출력으로부터 유압 순환 포트(2931)를 통해 유압 실린더(2924)의 더 낮은 압력의 챔버(2930)으로 안내된다.
이제, 밸브들(2907, 2913 및 2932)이 개방되고 밸브들(2908, 2912, 및 2917)이 폐쇄되어 있는, 제2 동작 상태의 도 29a의 시스템(2900)을 도시하는 도 29b를 참조한다. 이 상태에서, 가스는, 고압 저장고(2909)로부터 밸브(2907)를 통해 고압 공압 실린더(2901)의 챔버(2903)로 흐른다. 더 낮은 압력의 가스는 다른 챔버(2902)로부터 밸브(2913)를 통해 더 낮은 압력의 공압 실린더(2914)의 챔버(2916)로 흐른다. 2개 실린더의 피스톤 샤프트(2919, 2920)는, 기계적 경계 메커니즘(2921)을 화살표(2922)에 의해 표시된 방향으로 이동시키도록 함께 동작한다. 기계적 경계 메커니즘(2921)은 또한, 샤프트(2919, 2920)의 이동을 유압 실린더(2924)의 피스톤 샤프트(2923)로 변환한다. 기계적 경계 메커니즘(2921)에 의해 추진되는 유압 실린더(2924)의 피스톤(2925)은 챔버(2930) 내의 유압유를 압축한다. 이 가압된 유압유는, 파이핑(2933)을 통해 전술된 체크 밸브(2928) 배열과 유압 전력 유닛(2929)으로 수송된다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프(2929)의 출력으로부터 유압 순환 포트(2935)를 통해 유압 실린더(2924)의 더 낮은 압력의 챔버(2926)로 안내된다.
도 29a 및 29b에 도시된 바와 같이, 유압 실린더(2924)의 2개 챔버들의 행정 체적은, 샤프트(2923)의 체적만큼 상이하다. 도 29a 및 29b에 도시된 2개의 행정 방향 동안 실린더(2924)로부터 축출된 유체 체적에서의 결과적 불균형은, 펌프(미도시)에 의해, 또는 실린더(2924)의 양쪽 챔버들(2926, 2930)의 전체 길이를 통한 샤프트(2923)에 의해 연장에 의해, 2개 행정의 체적이 동일하도록 교정될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 명세서에서 기술된 다양한 에너지 저장 및 회수 시스템의 효율은 열 전달 서브시스템을 이용함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 도 29a 및 29b에 도시된 시스템(2900)은, 전술된 것과 유사한 열 전달 서브시스템(2950)을 포함한다. 일반적으로, 열 전달 서브시스템(2950)은 유체 순환기(2952) 및 열 교환기(2954)를 포함한다. 서브시스템(2950)은 또한, A 및 B로서 식별된 실린더들(2901, 2914) 상의 가스 포트 쌍을 통해 공압 실린더들(2901, 2914)의 하나 이상의 챔버들에 서브시스템(2950)을 선택적으로 접속하는 2개의 방향성 제어 밸브(2956, 2958)를 포함한다. 전형적으로, 포트 A 및 B는, 공압 실린더들의 단부/엔드 캡 상에 위치한다. 예를 들어, 밸브들(2956, 2958)은, 챔버(2903) 내에서 팽창하는 가스를 열적으로 제어하도록 서브시스템(2950)을 가스 팽창 동안에 챔버(2903)와 유체 통신하게끔 두도록 위치될 수 있다. 가스는, 전술된 방법들 중 임의의 방법에 의해 열적으로 제어될 수 있다, 예를 들어, 선택된 챔버로부터의 가스는 열 교환기를 통해 순환될 수 있다. 대안으로서, 열 교환 액체는 선택된 가스 챔버를 통해 순환될 수 있고, 열 교환을 위한 전술된 분사 배열들 중 임의의 것이 사용될 수 있다. 팽창(또는 압축) 동안에, 열 교환 액체(예를 들어, 물)가, 순환기(2954)에 의해 (도시되지는 않았지만, 도 22에 관해 전술된 것과 유사한) 저장고로부터 끌어 당겨져, 액체-대-액체 버전의 열 교환기(2954)를 통해 순환될 수 있으며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(2960) 및 출력(2962)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
도 30a-30d는, 하나의 공압 실린더 및 2개의 유압 실린더를 갖도록 수정된 도 29의 시스템의 대안적 실시예를 도시한다. 유체 압력의 감소된 범위는, 결과적으로 증가된 모터/펌프 및 모터/발전기 효율과 더불어, 2개 이상의 유압 실린더를 이용함으로써 얻어질 수 있다. 이들 2개의 실린더들은 공압 실린더와 힘을 통신하기 위한 전술된 기계적 경계 메커니즘에 접속된다. 2개 유압 실린더의 챔버들은, 어느 한 실린더가 적절한 조절에 의해 그 샤프트가 이동될 때 어떠한 저항도 보이지 않도록 설정될 수 있는 방식으로, 밸브, 배관, 및 기타의 메커니즘에 부착된다.
도 30a는, 양쪽 유압 피스톤들이 유압유를 압축하고 있는 동작 페이즈에 있는 시스템을 도시한다. 이러한 배열의 효과는, 공압 실린더 내의 가압된 가스에 의해 생성된 힘이 팽창과 함께 감소하고 저장고에 저장된 가스의 압력이 감소함에 따라 유압 모터에 전달되는 유체 압력의 범위를 감소시키는 것이다. 도 30b는, 유압 실린더들 중 단 하나가 유압유를 압축하고 있는 동작 페이즈에 있는 시스템을 도시한다. 도 30c는, 샤프트의 방향과 더불어 유압 실린더들의 고압측 및 저압측이 역전되고 더 작은 구경의 유압 실린더만이 유압유를 압축하고 있는 동작 페이즈의 시스템을 도시한다. 도 30d는, 도 30c와 유사하지만, 양쪽 실린더가 유압유를 압축하고 있는 동작의 페이즈에 있는 시스템을 도시한다.
도 30a에 도시된 시스템(3000)은 전술된 시스템(2900)과 유사하며, 하나의 복동식 공압 실린더(3001)와 2개의 복동식 유압 실린더(3024a, 3024b)를 포함하고, 하나의 유압 실린더(2024a)는 다른 실린더(3024b) 보다 더 큰 구경을 가진다. 도시된 동작 상태에서, 저장고(3009)로부터의 가압된 가스는 공압 실린더(3001)의 하나의 챔버(3002)로 들어가서, 공압 실린더(3001) 내에 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(3005)을 구동한다. 공압 실린더(3001)의 다른 챔버(3003)로부터의 저압 가스는, 밸브(3007)를 통해 통풍구(3008)로 수송된다. 공압 실린더(3001) 내에 배치된 피스톤(3005)로부터 연장되는 샤프트(3019)는, 기계적으로 결합된 기계적 경계 메커니즘(3021)을 화살표(3022)에 의해 표시된 방향으로 이동시킨다. 기계적 경계 메커니즘(3021)은 또한, 복동식 유압 실린더(3024a, 3024b)의 피스톤 샤프트(3023a, 3023b)에 접속된다.
도시된 동작의 현재 상태에서, 밸브들(3014a 및 3014b)은, 유체가 유압 전력 유닛(3029)으로 흐르는 것을 허용한다. 양쪽 실린더(3024a, 3024b)로부터의 가압된 유체는, 파이핑(3015)을 통해 체크 밸브(3028) 배열과, 모터/발전기에 결합된 유압 펌프/모터에 접속되어 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 유압 실린더(3024a, 3024b)의 더 낮은 압력의 챔버(3016a, 3016b)로 안내된다. 2개의 유압 실린더(3024a, 3024b)의 고압 챔버(3026a, 3026b) 내의 유체는 하나의 압력에 있고, 저압 챔버(3016a, 3016b) 내의 유체도 또한 하나의 압력에 있다. 사실상, 2개의 실린더(3024a, 3024b)는, 그 피스톤 면적이 2개 실린더의 피스톤 면적의 합과 동일하고, 공압 피스톤(3001)으로부터의 주어진 구동력에 대한 그 동작 압력이 단독으로 작용하는 어느 한 유압 실린더의 것보다 비례적으로 더 낮은, 하나의 실린더처럼 작용한다.
이제, 도 30a의 시스템(3000)의 동작의 또 다른 상태를 도시하는 도 30b를 참조한다. 공압 실린더(3001)의 작용 및 모든 피스톤들의 이동 방향은 도 30a에서와 동일하다. 도시된 동작 상태에서, 앞서 폐쇄된 밸브(3033)는, 더 큰 구경의 유압 실린더(3024a)의 2개 챔버(3016a, 3026a) 사이에서 유체가 자유로이 흐르도록 허용하기 위해 개방됨으로써, 피스톤(3025a)의 이동에 최소한의 저항을 나타낸다. 더 작은 구경의 실린더(3024b)로부터의 가압된 유체는, 파이핑(3015)을 통해 앞서 언급된 배열의 체크 밸브(3028)와 유압 전력 유닛(3029)으로 안내되어, 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 더 작은 구경의 유압 실린더(3024b)의 더 낮은 압력의 챔버(3016b)로 안내된다. 사실상, 더 작은 피스톤 면적을 갖는 작용 유압 실린더(3024b)는, 더 큰 유효 피스톤 면적과 함께 양쪽의 유압 실린더(3024a, 3024b)가 작용하고 있는 도 30a에 도시된 상태에서보다, 주어진 힘에 대해 더 높은 유체 압력을 제공한다. 유압 실린더들 중 하나를 디스에이블시키는 밸브 작동을 통해, 좁은 유압유 압력 범위가 얻어진다.
이제, 도 30a 및 30B의 시스템(3000)의 동작의 또 다른 상태를 도시하는 도 30c를 참조한다. 도시된 동작 상태에서, 저장고(3009)로부터의 가압된 가스는 공압 실린더(3001)의 챔버(3003)로 들어가서, 그 피스톤(3005)을 구동한다. 공압 실린더(3001)의 다른측(3002)으로부터의 저압 가스는, 밸브(3035)를 통해 통풍구(3008)로 수송된다. 유압 실린더(3024a, 3024b)의 피스톤(3023a, 3203b) 상의 기계적 경계 메커니즘(3021)의 작용은, 화살표(3022)로 표시된 바와 같이, 도 30b에 도시된 방향과 반대 방향이다.
도 30a에서와 같이, 밸브(3014a, 3014b)가 개방되고 유체가 유압 전력 유닛(3029)으로 흐르는 것을 허용한다. 양쪽 유압 실린더(3024a, 3024b)로부터의 가압된 유체는, 파이핑(3015)을 통해 전술된 배열의 체크 밸브(3028)와 유압 전력 유닛(3029)로 안내되어, 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 유압 실린더(3024a, 3024b)의 더 낮은 압력의 챔버(3026a, 3026b)로 안내된다. 2개의 유압 실린더(3024a, 3024b)의 고압 챔버(3016a, 3016b) 내의 유체는 하나의 압력에 있고, 저압 챔버(3026a, 3026b) 내의 유체도 또한 하나의 압력에 있다. 사실상, 2개의 유압 실린더(3024a, 3024b)는, 그 피스톤 면적이 2개 실린더의 피스톤 면적의 합과 같고, 공압 피스톤(3001)으로부터의 주어진 구동력에 대한 그 동작 압력이 단독으로 작용하는 어느 한 유압 실린더(3024a, 3024b)의 것보다 비례적으로 더 낮은, 하나의 실린더처럼 작용한다.
이제, 도 30a-30c의 시스템(3000)의 동작의 또 다른 상태를 도시하는 도 30d를 참조한다. 공압 실린더(3001)의 작용 및 모든 움직이는 피스톤들의 이동 방향은 도 30c에서와 동일하다. 도시된 동작 상태에서, 앞서 폐쇄된 밸브(3033)는, 더 큰 구경의 유압 실린더(3024a)의 2개 챔버(3026a, 3016a) 사이에서 유체가 자유로이 흐르도록 허용하기 위해 개방됨으로써, 피스톤(3025a)의 이동에 최소한의 저항을 나타낸다. 더 작은 구경의 실린더(3024b)로부터의 가압된 유체는, 파이핑(3015)을 통해 전술된 배열의 체크 밸브(3028)와 유압 전력 유닛(3029)으로 안내되어, 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 더 작은 구경의 유압 실린더(3024b)의 더 낮은 압력의 챔버(3026b)로 안내된다. 사실상, 더 작은 피스톤 면적을 갖는 작용 유압 실린더(3024b)는, 더 큰 유효 피스톤 면적과 함께 양쪽의 유압 실린더가 작용하고 있는 도 30c에 도시된 상태보다, 주어진 힘에 대해 더 높은 유체 압력을 제공한다. 유압 실린더들 중 하나를 디스에이블시키는 밸브 작동을 통해, 좁은 유압유 압력 범위가 얻어진다.
(3024a 및 3024b는 동일한 직경의 실린더가 아님을 고려하여) 또 다른 유효 유압 피스톤 면적을 제공하여 주어진 공기 압력 범위에 대한 유압유 범위를 다소 더 감소시키게끔 디스에이블될 수 있도록 하는 식으로 추가 밸빙이 실린더(3024b)에 부가될 수 있다. 마찬가지로, 주어진 공기 압력 범위에 대한 유압유 범위를 실질적으로 더욱 감소시키도록 추가의 유압 실린더 및 밸브 배열이 부가될 수 있다.
2개 이상의 유압 실린더가 하나의 공압 실린더에 의해 구동되는, 전술된 예시적 시스템(3000)의 동작은 다음과 같다: 소정량의 고압 가스가 그 실린더의 한 챔버 내에 도입되었고, 가스가 팽창하기 시작함에 따라, 피스톤을 이동시키고, 피스톤 샤프트와 기계적 경계 메커니즘에 의해 2개의 유압 실린더의 피스톤 샤프트에 힘이 전달된다고 가정하자. 팽창 페이즈 동안의 임의의 시점에서, 유압은, 힘을, 작용 유압 피스톤 면적으로 나눈 것과 같을 것이다. 행정(stroke)의 시작에서, 공압 실린더 내의 가스가 막 팽창하기 시작할 때, 이것은 최대의 힘을 생성하고 있고; 이 힘은 (마찰 손실을 무시하면) 유압 실린더들의 결합된 총 피스톤 면적에 작용하여, 소정의 유압 출력 압력 HPmax를 생성한다.
공압 실린더 내의 가스가 계속 팽창함에 따라, 이것은 감소하는 힘을 가한다. 결과적으로, 활성 실린더들의 압축 챔버에서 발생되는 압력은 감소한다. 프로세스의 소정 시점에서, 유압 실린더들 중 하나에 부착된 밸브 및 기타의 메커니즘은, 유체가 그 2개 챔버들 사이에서 자유로이 흘러, 피스톤의 움직임에 어떠한 저항도 제공하지 않도록(다시 한번, 마찰 손실 무시) 조정된다. 따라서 공압 실린더에 의해 발생된 힘에 의해 구동되는 유효 피스톤 면적은, 양쪽 유압 실린더들의 피스톤 면적으로부터 하나의 유압 실린더의 피스톤 면적으로 감소한다. 면적에서의 이러한 감소와 더불어, 주어진 힘에 대한 출력 유압에서의 증가가 오게 된다. 만일 스위칭 포인트가 주의 깊게 선택된다면, 스위칭 직후의 유압 출력 압력은 HPmax로 복귀한다. 예를 들어, 2개의 동일한 유입 실린더가 사용되는 경우, 스위칭 압력은 절반의 압력 포인트에 있게 될 것이다.
공압 실린더 내의 가스가 계속 팽창함에 따라, 공압 실린더에 의해 발생되는 압력은 감소한다. 공압 실린더가 행정의 끝에 도달할 때, 발생된 힘은 최소이고, 따라서 유압 출력 압력은 HPmin이다. 유압 실린더 피스톤 면적의 적절하게 선택된 비율에 대하여, 2개의 유압 실린더를 이용하여 달성되는 유압 범위 HR = HPmax/HPmin은 하나의 공압 실린더로 달성되는 범위 HR의 제곱근(square root)일 것이다. 이 주장의 증명은 다음과 같다.
고압 HPmax로부터 저압 HPmin까지의 주어진 출력 유압 범위 HR1, 즉, HR1 = HPmax/HPmin이 동등한 크기 HR2의 2개의 압력 범위로 세분된다고 하자. 첫 번째 범위는 HPmax로부터 아래로 어떤 중간 압력 HPI이고, 두 번째는 HPI로부터 아래로 HPmin이다. 따라서, HR2 = HPmax/HPI = HPI/HPmin이다. 이러한 비율 항등식으로부터, HPI = (HPmax/HPmin)1/2이다. HR2=HPmax/HPI에서 HPI을 대체하면, HR2=HPmax/(HPmax/HPmin)1/2 = (HPmaxHPmin)1/2 = HR1 1 /2이다.
(공압 실린더에 의해 발생된 주어진 최대 힘에 대해) HPmax는 2개의 유압 실린더의 결합된 피스톤 면적(HA1 + HA2)에 의해 결정되는 반면, HPI는 제2 실린더를 비활성화할 때(즉, 힘이 감소함에 따라 어떤 힘 레벨에서)의 선택과 하나의 작용 실린더 HA1의 면적에 의해 함께 결정되므로, 원하는 중간 출력 압력을 생성하도록 스위칭 힘 포인트 및 HA1을 선택하는 것이 가능하다. 적절한 실린더 크기조정과 스위칭 포인트의 선택을 통해, 제3의 실린더/스테이지의 추가는 동작 압력 범위를 세제곱근으로서 감소시키는 등등임을 마찬가지로 보일 수 있다. 일반적으로, N개의 적절하게 크기조정된 실린더는 원래의 동작 압력 범위 HR1을 HR11 /N으로 저감시킬 것이다.
또한, 복수의 공압 실린더를 이용하는(즉, 공기 팽창을 복수의 스테이지로 분할하는) 시스템에 대하여, 유압 범위는 더욱 저감될 수 있다. 주어진 팽창에 대해 M개의 적절하게 크기조정된 공압 실린더(즉, 공압 공기 스테이지)에 대하여, 단일 행정의 원래의 공압 동작 압력 범위 PR1은 PR1 1 /M으로 저감될 수 있다. 주어진 유압 실린더 배열에 대하여 출력 유압 범위는 각 행정에 대한 공압 동작 압력 범위에 직접적으로 비례하기 때문에, M개의 공압 실린더를 N개의 유압 실린더와 동시에 결합하는 것은, 1/(N*M) 자승(power)으로의 압력 범위 감소를 실현할 수 있다.
또한, 도 30a-30d에 도시된 시스템(3000)은, 전술된 것과 유사한 열 전달 서브시스템(3050)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 열 전달 서브시스템(3050)은 유체 순환기(3052) 및 열 교환기(3054)를 포함한다. 서브시스템(3050)은 또한, A 및 B로서 식별된 실린더(3001) 상의 가스 포트 쌍을 통해 공압 실린더들(3001)의 하나 이상의 챔버들에 서브시스템(3050)을 선택적으로 접속하는 2개의 방향성 제어 밸브(3056, 3058)를 포함한다. 예를 들어, 밸브들(3056, 3058)은, 챔버(3003) 내에서 팽창하는 가스를 열적으로 제어하도록 서브시스템(3050)을 가스 팽창 동안에 챔버(3003)와 유체 통신하게끔 두도록 위치될 수 있다. 가스는 전술된 방법들 중 임의의 방법에 의해 열적으로 제어될 수 있다. 팽창(또는 압축) 동안에, 열 교환 액체(예를 들어, 물)는 순환기(3054)에 의해 (도 22에 관하여 전술된 것과 유사하지만, 도시되지는 않은) 저장고로부터 끌어 당겨져, 액체-대-액체 버전의 열 교환기(3054)를 통해 순환될 수 있고, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리 열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 주이어지는 쉘로부터의 입력(3060) 및 출력(3062)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
도 31a-31c는, 도 30의 시스템의 대안적 실시예로서, 2개의 나란한 유압 실린더들이 2개의 텔레스코픽(telescopic) 유압 실린더로 대체되어 있는 실시예를 도시한다. 도 31a는, 내측의 더 작은 구경의 유압 실린더만이 유압유를 압축하고 있는 동작 페이즈의 시스템을 도시한다. 이러한 배열의 효과는, 공압 실린더 내의 가압된 가스에 의해 생성된 힘이 팽창과 함께 감소하고 저장고에 저장된 가스의 압력이 감소함에 따라, 유압 모터에 전달되는 유압의 범위를 감소시키는 것이다. 도 31b는, 내측 실린더 피스톤이 그 이동 방향에서 한계까지 이동했고 더 이상 유압유를 압축하고 있지 않으며, 외측의 더 큰 구경의 실린더가 유압유를 압축하고 있으며, 완전-연장된 내측 실린더가 더 큰 구경의 실린더의 피스톤 샤프트로서 역할하고 있는 동작 페이즈의 시스템을 도시한다. 도 31c는, 실린더와 모터의 움직임 방향이 역전되고 내측의 더 작은 구경의 실린더만이 유압유를 압축하고 있는 동작 페이즈의 시스템을 도시한다.
도 31a에 도시된 시스템(3100)은 전술된 것과 유사하며, 하나의 복동식 공압 실린더(3101)와 2개의 복동식 유압 실린더(3124a, 3124b)를 포함하고, 하나의 실린더(3124b)는 다른 실린더(3124a)의 내부에 텔레스코픽 배치된다. 도시된 동작 상태에서, 저장고(3109)로부터의 가압된 가스는 공압 실린더(3101)의 챔버(3102)로 들어가서, 공압 실린더(3101) 내에 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(3105)을 구동한다. 공압 실린더(3101)의 다른 챔버(3103)로부터의 저압 가스는, 밸브(3107)를 통해 통풍구(3108)로 이송된다. 공압 실린더(3101) 내에 배치된 피스톤(3105)으로부터 연장되는 샤프트(3119)는, 기계적으로 결합된 기계적 경계 메커니즘(3121)을 화살표(3122)에 의해 표시된 방향으로 이동시킨다. 기계적 경계 메커니즘(3121)은 또한, 텔레스코픽 배열된 복동식 유압 실린더(3124a, 3124b)의 피스톤 샤프트(3123)에 접속된다.
도시된 동작 상태에서, 더 작은 구경의 실린더(3124b) 전체는 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)의 더 큰 피스톤(3125a)의 샤프트(3123)로서 작용한다. 피스톤(3125a)과 더 작은 구경의 실린더(3124b)(즉, 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)의 샤프트)는 기계적 경계 메커니즘(3121)에 의해 화살표(3122)에 의해 표시된 방향으로 이동된다. 더 큰 구경의 실린더(3124a)의 더 높은 압력의 챔버(3126a)로부터의 압축된 유압유는, 밸브(3120)를 통해 체크 밸브(3128) 배열과 유압 전력 유닛(3129)으로 안내되어, 전기를 생산한다. 저압의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 밸브(3118)를 통해 유압 실린더(3124a)의 더 낮은 압력의 챔버(3116a)로 안내된다. 이 동작 상태에서, 더 작은 구경의 실린더(3124b)의 피스톤(3125b)은 이에 관해 정지되어 있고, 챔버(3116b, 3126b)의 어느 쪽으로의 유체 출입도 없다.
이제, 도 31a의 시스템(3100)의 동작의 또 다른 상태를 도시하는 도 31b를 참조한다. 공압 실린더(3101)의 작용 및 피스톤의 이동 방향은 도 31a에서와 동일하다. 도 31b에서 피스톤(3125a)와 더 작은 구경의 실린더(3124b)(즉, 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)의 샤프트)는 그 이동 범위의 극단으로 이동했고 더 큰 구경의 실린더(3124a)에 대한 상대적인 이동을 정지하였다. 밸브들은, 더 작은 구경의 실린더(3124b)의 피스톤(3125b)이 작용하도록 이제 개방되었다. 더 작은 구경의 실린더(3124b)의 더 높은 압력의 챔버(3126b)로부터의 가압된 유체는, 밸브(3133)를 통해 앞서 언급된 배열의 체크 밸브(3128)와 유압 전력 유닛(3129)으로 안내되어, 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 밸브(3135)를 통해 더 작은 구경의 유압 실린더(3124b)의 더 낮은 압력의 챔버(3116b)로 안내된다. 이런 식으로, 유압측 상의 유효 피스톤 면적은 공기 팽창 동안에 변화되어, 주어진 공기 압력 범위에 대한 유압 범위를 좁힌다.
이제, 도 31a 및 31b의 시스템(3100)의 또 다른 동작의 또 다른 상태를 도시하는 도 31c를 참조한다. 공압 실린더(3101)의 작용 및 피스톤들의 이동 방향은 도 31a에 도시된 것과는 역전된다. 도 31a에서와 같이, 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)만이 활성이다. 더 작은 구경의 실린더(3124b)의 피스톤(3124b)은 정지되어 있고, 챔버(3116b, 3126b)의 어느 쪽으로의 유체 출입도 없다. 더 큰 구경의 실린더(3124a)의 더 높은 압력의 챔버(3116a)로부터의 압축된 유압유는, 밸브(3118)을 통해 앞서 언급된 배열의 체크 밸브(3128)와 유압 전력 유닛(3129)으로 가서, 전기를 생산한다. 더 낮은 압력의 유압유는, 유압 모터/펌프의 출력으로부터 밸브(3120)를 통해 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)의 더 낮은 압력의 챔버(3126a)로 안내된다.
추가적으로, 시스템(3100)의 역시 또 다른 동작 상태에서, 피스톤(3125a)과 더 작은 구경의 유압 실린더(3124b)(즉, 더 큰 구경의 유압 실린더(3124a)의 샤프트)는 도 31c에 표시된 방향으로 할 수 있는 한 멀리 이동했다. 그 다음, 도 31b에서와 같이, 반대쪽 이동 방향에서, 더 작은 구경의 유압 실린더(3124b)는 모터/발전기(3129)를 구동하는 활성 실린더가 된다.
점진적으로 더 낮은 압력에서 동작하는 실린더들을, 공압측, 유압측 또는 양측 상의 2개 이상의 실린더에 직렬로(공압 및/또는 유압) 및 병렬로 또는 텔레스코픽 방식으로(기계적으로) 추가하는 원리가 실행될 수 있다는 것이 또한 명백하다.
또한, 도 31a-31c에 도시된 시스템(3100)은, 전술된 것과 유사한 열 전달 서브시스템(3150)을 포함한다. 일반적으로, 열 전달 서브시스템(3150)은 유체 순환기(3152) 및 열 교환기(3154)를 포함한다. 서브시스템(3150)은 또한, A 및 B로서 식별된 실린더(3101) 상의 가스 포트 쌍을 통해 공압 실린더(3101)의 하나 이상의 챔버들에 서브시스템(3150)을 선택적으로 접속하는 2개의 방향성 제어 밸브(3156, 3158)를 포함한다. 예를 들어, 밸브들(3156, 3158)은, 챔버(3103) 내에서 팽창하는 가스를 열적으로 제어하도록 서브시스템(3150)을 가스 팽창 동안에 챔버(3103)와 유체 통신하게끔 두도록 위치될 수 있다. 가스는 전술된 방법들 중 임의의 방법에 의해 열적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 팽창(또는 압축) 동안에, 열 교환 액체(예를 들어, 물)가, 순환기(3154)에 의해 (도 22에 관하여 전술된 것과 유사하지만, 도시되지는 않은) 저장고로부터 끌어 당겨져, 액체-대-액체 버전의 열 교환기(3154)를 통해 순환될 수 있으며, 이 교환기는 환경적 열 교환기까지 또는 처리열, 냉각수, 또는 기타의 외부 열 교환 매체의 소스에까지 이어지는 쉘로부터의 입력(3160) 및 출력(3162)을 갖는 쉘 및 튜브 타입일 수 있다.
본 발명의 소정 실시예들을 기술하였지만, 여기서 개시된 개념들을 포함하는 다른 실시예들이 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 설명된 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이지 제한적인 것이 아니라고 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 등온 가스 팽창 및 압축을 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 다중 스테이지 에너지 변환 시스템(multiple-stage energy conversion system)으로서,
    제1 챔버와 제2 챔버를 포함하는 실린더 어셈블리 - 상기 챔버들은 상기 실린더 내에 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤에 의해 분리됨 -;
    상기 실린더 어셈블리에 결합된 구동 시스템 - 상기 구동 시스템은 퍼텐셜 에너지(potential energy)를 전기 에너지로 변환하기 위한 팽창 페이즈(expansion phase) 및 전기 에너지를 퍼텐셜 에너지로 변환하기 위한 압축 페이즈를 수행하도록 구성됨 -; 및
    상기 실린더 어셈블리의 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버 중 적어도 하나의 챔버와 유체를 교환하도록 구성된 열 전달 서브시스템
    을 포함하고,
    상기 열 전달 서브시스템은,
    유체 순환 장치; 및
    열 전달 유체의 저장고
    를 더 포함하고,
    상기 유체 순환 장치는 열 전달 유체를, 상기 저장고로부터 상기 실린더 어셈블리의 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버 중 적어도 하나의 챔버 내로 펌프하도록 구성된, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 실린더 어셈블리는 공압 실린더(pneumatic cylinder)를 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 실린더 어셈블리의 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버 중 적어도 하나의 챔버에 배치되어 상기 열 전달 유체를 도입하기 위한 분사 메커니즘(spray mechanism)을 더 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분사 메커니즘은 분사 헤드(spray head) 또는 분사 로드(spray rod) 중 적어도 하나인, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 서브시스템은 열 교환기를 더 포함하고, 상기 열 교환기는,
    상기 유체 순환 장치 및 상기 열 전달 유체의 저장고와 유체를 교환하도록 구성된 제1측; 및
    열 전달 유체의 소스와 유체를 교환하도록 구성된 제2측
    을 포함하고,
    상기 유체 순환 장치는, 유체를 상기 열 전달 유체의 저장고로부터 상기 열 교환기를 통해 상기 실린더 어셈블리로 순환시키는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 구동 시스템은,
    가동형 기계적 경계 메커니즘(movable mechanical boundary mechanism)에 의해 상기 공압 실린더에 기계적으로 결합된 유압 실린더 - 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 유압 실린더와 상기 공압 실린더 사이에서 에너지를 전달하고, 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 유압 실린더와 상기 공압 실린더를 기계적으로 결합시켜, 하나의 실린더에 의해 생성된 선형 이동을 다른 실린더에 대해 변환시킴 -; 및
    상기 유압 실린더에 결합되어 상기 유압 실린더와 유체를 교환하고, 전기 에너지를 회수하기 위해 전기 모터 또는 발전기를 구동하며, 퍼텐셜 에너지를 저장하기 위해 상기 전기 모터 또는 발전기에 의해 구동되도록 구성된, 유압으로 작동하는 전력 유닛(hydraulic power unit)
    을 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 실린더 어셈블리는, 저압 공압 실린더에 결합되어 상기 저압 공압 실린더와 유체를 교환하는 고압 공압 실린더를 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 서브시스템을 탈출하는 유체 또는 상기 실린더 어셈블리의 챔버들 중 적어도 하나의 온도를 결정하도록 구성된 적어도 하나의 온도 센서를 더 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 온도 센서로부터 원격 측정치(telemetry)를 수신하여 상기 수신된 원격 측정치에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 열 전달 서브시스템의 동작을 제어하는 제어 시스템을 더 포함하는, 다중 스테이지 에너지 변환 시스템.
  11. 등온 가스 팽창 및 압축을 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템(multiple-stage hydraulic-pneumatic energy conversion system)으로서,
    제1 실린더 어셈블리 및 제2 실린더 어셈블리 - 상기 제1 실린더 어셈블리 및 상기 제2 실린더 어셈블리 각각은 복수의 스테이지를 수행하는 적어도 하나의 공압측 및 적어도 하나의 유압측을 포함하고, 상기 적어도 하나의 공압측 및 상기 적어도 하나의 유압측은 적어도 하나의 가동형 기계적 경계 메커니즘에 의해 분리되고, 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 공압측과 상기 유압측 사이에서 에너지를 전달하고, 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 유압측과 상기 공압측을 기계적으로 결합시켜, 상기 유압측과 상기 공압측 중 한쪽에 의해 생성된 선형 이동을 상기 유압측과 상기 공압측 중 다른 쪽에 대해 변환시킴 -; 및
    상기 적어도 하나의 공압측과 유체를 교환하도록 구성된 열 전달 서브시스템
    을 포함하고,
    상기 열 전달 서브시스템은,
    유체 순환 장치; 및
    열 전달 유체의 저장고
    를 더 포함하고,
    상기 유체 순환 장치는 상기 저장고로부터 상기 시스템의 적어도 하나의 공압측 내로 열 전달 유체를 펌프하도록 구성된, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 실린더 어셈블리는 적어도 하나의 공압 실린더를 포함하고, 상기 제2 실린더 어셈블리는 적어도 하나의 유압 실린더를 포함하며, 상기 제1 실린더 어셈블리와 상기 제2 실린더 어셈블리는 상기 적어도 하나의 가동형 기계적 경계 메커니즘을 통해 기계적으로 결합된, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 실린더 어셈블리는 제1 압력 비율로 기계적 에너지를 전달하는 축적기(accumulator)를 포함하고, 상기 제2 실린더 어셈블리는 제2 압력 비율로 기계적 에너지를 전달하는 증강기(intensifier)를 포함하고, 상기 제1 압력 비율은 상기 제1 실린더 어셈블리의 공압측의 압력과 상기 제1 실린더 어셈블리의 유압측의 압력의 비율이고, 상기 제2 압력 비율은 상기 제2 실린더 어셈블리의 공압측의 압력과 상기 제2 실린더 어셈블리의 유압측의 압력의 비율이며, 상기 제2 압력 비율은 상기 제1 압력 비율보다 큰, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 실린더 어셈블리와 상기 제2 실린더 어셈블리는 서로 유체를 교환하도록 결합된, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 열 전달 서브시스템은,
    상기 적어도 하나의 공압측과 유체를 교환하도록 구성되어, 상기 열 전달 서브시스템을 통해 유체를 순환시키기 위한 순환 장치; 및
    열 교환기
    를 더 포함하고,
    상기 열 교환기는, 상기 순환 장치 및 상기 적어도 하나의 공압측과 유체를 교환하도록 구성된 제1측; 및
    실질적으로 일정한 온도를 갖는 액체 소스와 유체를 교환하도록 구성된 제2측
    을 포함하고,
    상기 순환 장치는, 유체를 상기 적어도 하나의 공압측으로부터 상기 열 교환기를 통해 다시 상기 적어도 하나의 공압측으로 순환시키는, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 시스템의 적어도 하나의 공압측의 스테이지들 사이에서 선택적으로 접속하기 위한 제어 밸브 배열을 더 포함하는, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서, 상기 실린더 어셈블리들 각각은 공압측을 가지며,
    상기 시스템은, 상기 제1 실린더 어셈블리의 공압측과 상기 제2 실린더 어셈블리의 공압측을 상기 유체 순환 장치에 선택적으로 접속하기 위한 제어 밸브 배열을 더 포함하는, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공압측에 배치되어 상기 열 전달 유체를 도입하기 위한 분사 메커니즘을 더 포함하는, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
  20. 등온 가스 팽창 및 압축을 이용하여 전기 에너지를 저장하고 회수하는 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템으로서,
    가동형 기계적 경계 메커니즘에 의해 분리된 공압측과 유압측을 포함하는 적어도 하나의 실린더 어셈블리 - 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 공압측과 상기 유압측 사이에서 에너지를 전달하고, 상기 가동형 기계적 경계 메커니즘은 상기 유압측과 상기 공압측을 기계적으로 결합시켜, 상기 유압측과 상기 공압측 중 한쪽에 의해 생성된 선형 이동을 상기 유압측과 상기 공압측 중 다른 쪽에 대해 변환시킴 -;
    압축된 가스의 소스; 및
    상기 실린더 어셈블리의 공압측 또는 상기 압축된 가스의 소스 중 적어도 하나와 유체를 교환하도록 구성된 열 전달 서브시스템
    을 포함하고,
    상기 열 전달 서브시스템은,
    유체 순환 장치; 및
    열 전달 유체의 저장고
    를 더 포함하고,
    상기 유체 순환 장치는 상기 저장고로부터 상기 시스템의 적어도 하나의 공압측 내로 열 전달 유체를 펌프하도록 구성된, 다중 스테이지 유압-공압 에너지 변환 시스템.
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