KR20140031319A - 압축 공기 에너지 저장 시스템 내의 효율적인 2상 열전달을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

압축 공기 에너지 저장 시스템 내의 효율적인 2상 열전달을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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토레이 오. 맥브라이드
벤자민 볼링거
존 베셋
알렉산더 벨
닥스 캡샤이어
아르네 라벤
애담 라우어딩크
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서스테인쓰, 인크.
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Abstract

다양한 실시예에서, 포말이 에너지를 저장하기 위해 압축되고 그리고/또는 에너지를 회수하기 위해 팽창된다.

Description

압축 공기 에너지 저장 시스템 내의 효율적인 2상 열전달을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR EFFICIENT TWO-PHASE HEAT TRANSFER IN COMPRESSED-AIR ENERGY STORAGE SYSTEMS}
관련 출원
본 출원은 2011년 5월 17일 출원된 미국 가특허 출원 제61/486,937호, 2011년 5월 25일 출원된 미국 가특허 출원 제61/489,762호, 2011년 7월 29일 출원된 미국 가특허 출원 제61/512,981호, 2011년 12월 12일 출원된 미국 가특허 출원 제61/569,528호, 2012년 2월 22일 출원된 미국 가특허 출원 제61/601,641호 및 2012년 4월 4일 출원된 미국 가특허 출원 제61/620,018호의 이득 및 우선권을 주장한다. 이들 출원의 각각의 전체 기재 내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다.
연방 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 NSF에 의해 수여된 IIP-0923633 및 DOE에 의해 수여된 DE-OE0000231 하에서 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 갖는다.
발명의 분야
다양한 실시예에서, 본 발명은 공압, 유압, 발전 및 에너지 저장에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 에너지 저장 및 회수를 위해 공압, 공압/유압 및/또는 유압 실린더를 사용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
압축 가스의 형태로 에너지를 저장하는 것은 긴 역사를 갖고, 구성 요소들은 양호하게 시험되었고 신뢰적인 경향이 있으며, 긴 수명을 갖는다. 압축 가스 또는 압축 공기 에너지 저장(CAES)의 일반적인 원리는 생성된 에너지(예를 들어, 전기 에너지)가 가스(예를 들어, 공기)를 압축하는데 사용되고, 따라서 원래 에너지를 압력 포텐셜 에너지로 변환하고, 이 포텐셜 에너지는 이후에 적절한 메커니즘에 결합된 가스 팽창을 경유하여 유용한 형태로 회수된다(예를 들어, 전기로 다시 변환됨). 압축 가스 에너지 저장의 장점은 낮은 비에너지 비용, 긴 수명, 낮은 유지 복수, 적당한 에너지 밀도 및 양호한 신뢰성이다.
일체의 가스(a body of gas)가 그 환경과 동일한 온도에 있고 팽창이 가스와 그 환경 사이의 열교환 속도에 비해 서서히 발생하면, 가스는 가스가 팽창함에 따라 대략적으로 일정한 온도로 유지될 것이다. 이 프로세스는 "등온(isothermal)" 팽창이라 명명한다. 소정의 온도에서 저장된 다량의 고압 가스의 등온 팽창은 "단열(adiabatic) 팽창", 즉 가스와 그 환경 사이에 어떠한 열도 교환되지 않는 팽창 - 예를 들어, 팽창이 급속하게 또는 단열된 챔버 내에서 발생하기 때문에 - 에서 이루어질 수 있는 것보다 대략적으로 3배 더 많은 일을 회수한다. 가스는 또한 등온적으로 또는 단열적으로 압축될 수도 있다.
압축, 저장 및 팽창의 이상적인 등온 에너지 저장 사이클은 100% 열역학적 효율을 가질 것이다. 이상적인 단열 에너지 저장 사이클은 또한 100% 열역학적 효율을 가질 것이지만, 단열적 접근법에는 다수의 실제적인 단점이 존재한다. 이들 단점은 시스템 내의 더 높은 온도 및 압력 극단의 생성, 저장 기간 중에 열 손실 및 팽창 및 압축 중에 각각 환경적인(예를 들어, 폐열 발전) 열원 및 히트 싱크의 활용 불능성을 포함한다. 등온 시스템에서, 열교환 시스템을 추가하는 비용이 단열 접근법의 어려움을 해결하는 것에 대한 대가가 된다. 어느 경우든, 팽창 가스로부터의 기계적 에너지는 일반적으로 사용 전에 전기 에너지로 변환되어야 한다.
거의 등온 가스 압축 및 팽창을 이용하는 압축 가스의 형태의 에너지를 저장하기 위한 효율적인 신규한 디자인이 2009년 4월 9일 출원된 미국 특허 제7,832,207호('207 특허) 및 2010년 2월 25일 출원된 미국 특허 제7,874,155호('155 특허)에 개시되고 설명되어 있으며, 이들 특허의 기재 내용은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다. '207 및 '155 특허는 요구시에 전기적 에너지를 생성하기 위해 큰 압력 범위에 걸쳐 다단형 실린더 및 증압기(intensifier) 내에서 등온적으로 가스를 팽창하기 위한 시스템 및 기술을 개시하고 있다. 팽창 가스로부터의 기계적 에너지는 전기를 생성하는 유압 펌프/모터 서브시스템을 구동하는데 사용될 수도 있다. '207 및 '155 특허에 개시된 것들과 같은 시스템 및 방법에 채용될 수도 있는 유압-공압식 압력 증대를 위한 시스템 및 기술은 2010년 9월 10일 출원된 미국 특허 제8,037,678호('678 특허)에 개시되고 설명되어 있고, 이 특허의 기재 내용은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.
'207 및 '155 특허에 개시된 시스템에서, 왕복 기계적 운동은 실린더 내의 가스의 팽창에 의해 저장된 것으로부터 에너지의 회수 중에 생성된다. 이 왕복 운동은 예를 들어 '678 특허 뿐만 아니라 2011년 2월 14일 출원된 미국 특허 제8,117,842호('842 특허)에 개시된 바와 같은 다양한 기술에 의해 전기로 변환될 수도 있고, 이 '842 특허의 기재 내용은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다. 에너지를 저장하거나(즉, 저장조 내에 가스를 압축하기 위해 에너지를 사용함) 또는 에너지를 생성하는(즉, 에너지를 방출하기 위해 저장조로부터 가스를 팽창함) 이러한 시스템의 능력은 전기적 및 공압식 기계의 원리와 적당하게 친숙한 숙련자에게 명백할 것이다.
가스와 열교환 액체를 혼합함으로써 가스의 등온 팽창 및 압축을 근사하는 에너지 저장 시스템의 전력 밀도(체적 또는 질량 기반)는, 시스템이 시스템의 체적(m3) 또는 질량(kg)으로 나눈 저장된 형태로 변환하거나 또는 저장 장치로부터의 추출할 수 있는 최대 지속 전력(킬로와트, kW)으로서 정의될 수도 있다. 따라서, 에너지 저장 시스템의 전력 밀도(체적 또는 질량 기반)는 kW/m3 또는 kW/kg의 단위를 가질 수도 있다. 더 높은 전력 밀도를 갖는 에너지 저장 시스템이 일반적으로 더 낮은 전력 밀도를 갖는 다른 상응하는 시스템보다 에너지의 더 경제적인 저장 및 회복이 가능할 것인데, 즉 시스템의 수명 전체에 평균하여 그 사용은 저장되고 회복된 킬로와트-시간당 더 적은 센트(￠/kWh)를 필요로 할 것이다.
전력 밀도는 다수의 기술에 의해 증가될 수도 있는데, 일 이러한 기술은 열 에너지가 열교환 액체와 가스에 의해 교환되는 속도를 증가시키는 것이다. 열교환 액체와 가스 사이의 급속한 열교환을 성취하기 위한 일 기술은 박무(mist) 또는 빗방울로서 가스를 통해 액체를 스프레이하는 것인데, 이는 예를 들어, 단일 실린더 또는 구형과 같은 콤팩트한 형상의 액체의 동일한 체적의 표면적에 비교하여 액체의 소정의 체적의 표면적을 증가시키는 경향이 있다. 그러나, 다수의 용례에서, 더욱 더 급속한 열교환이 바람직하고, 점점 더 작은 열교환 액적 크기(즉, 증가된 열교환 표면적을 위한)가 얻어지는 것이 어렵거나 비실용적일 수도 있다. 따라서, 압축 가스 에너지 저장 및 회수 시스템 내에서 압축될 그리고/또는 팽창될 또는 압축되는 그리고/또는 팽창되는 가스와 열교환 유체 사이의 더 급속의 열교환을 위한 시스템 및 기술에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 실시예는 수성 포말을 형성하기 위해 액체와 가스를 혼합함으로써 실린더 내의 가스의 등온(일정한 온도) 팽창 및 압축을 근사하여, 액체의 표면적을 증가시키고 가스와 급속한 열교환 및 따라서 향상된 전력 밀도를 용이하게 하도록 액체와 가스 사이의 열교환을 채용하는 에너지 저장 및 회수 시스템의 성능을 향상시킨다. 열 에너지는 통상적으로 가스가 더 콤팩트한 형상(예를 들어, 단일 실린더)을 갖는 액체와 접촉하게 될 때 또는 더 콤팩트한 형상(예를 들어, 이들이 매우 작은 경우에도, 회전 타원체)을 갖는 다수의 바디로 분할될 때보다 액체와 가스가 혼합될 때 더 급속하게 교환된다. 가속된 열교환은 전술된 바와 같이, 가스의 등온 팽창 및 압축에 근사하는 에너지 저장 및 회수 시스템에서 유리하다(예를 들어, 더 높은 시스템 전력 밀도를 지원함). 본 발명의 실시예는 포말[예를 들어, 기포(즉, "포말 셀") 크기, 공동 분율]의 특성이 시스템의 작동 중에 변경될 수 있게 하여, 이하에 상세히 설명되는 장점을 제공한다. 여기서, 포말의 공동 분율(또한 "가스 분율"이라 칭함)은 가스에 의해 점유되는 포말의 소정의 체적의 분율로서 정의된다.
수성 포말은 가스의 더 큰 체적 분율이 연속적인 액체 매트릭스 전체에 걸쳐 기포 또는 셀로 분산되는 2상 시스템(즉, 가스와 액체의 모두를 특징으로 하는 시스템)이다[그 전문이 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 제이. 비. 윈터번(J. B. Winterburn 및 피. 제이. 마틴(P. J. Martin), "Mechanisms of ultrasound foam interactions", Asia-Pac. J. Chem. Eng. 2009: 4: 184-190, 설명된 바와 같이]. 이들 가스 기포는 통상적으로 혼합된 계면 활성제, 즉 바람직하게는 액체-가스 계면에 축적되는 표면 활성, 친양쪽성 분자로 본질적으로 이루어지거나 포함하는 물질에 의해 안정화되는 액체 필름에 의해 포함된다. 이들 액체 필름은 통상적으로 이들의 합류점에서 상호 연결되어, 포말 구조체 전체에 걸쳐 연속적인 액체 상태를 형성한다. 특정 포말의 구조는 그 액체 분율에 따라 다양하고, 포말은 이에 따라 2개의 광범위한 클래스로 분할될 수도 있다. "습식 포말"은 두꺼운 액체 필름에 의해 분리된 대략적으로 구형 기포로 본질적으로 이루어진다. 습식 포말의 완벽히 구형인 치밀 패킹된 가스 기포의 한계에서, 기하학적 형상은 포말 내의 공극 분율이 대략 0.74 체적부라는 것을 결정한다. 대략 0.74 초과의 공극 분율을 갖는 포말은 다면체 가스 셀이 얇은 액체막(즉, 벽 또는 멤브레인)에 의해 분리되는 "건식 포말"이다. 본 발명의 실시예는 습식 및/또는 건식 수성 포말을 이용한다.
본 발명의 실시예에서, 공압 압축기-팽창기 실린더(본 명세서에서 "실린더"라 칭함)는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤에 의해 2개의 챔버로 분할되고, 이들 챔버의 적어도 하나(본 명세서에서 "공기 챔버"라 칭함)는 가스 또는 가스-액체 혼합물(예를 들어, 포말)을 포함할 수도 있다. 팽창 또는 압축될 가스는 공기 챔버 내로 도입될 수도 있고, 액체(본 명세서에서, "열교환 액체"라 칭함)는 또한 공기 챔버 내로 도입될 수도 있다. 힘은 공기 챔버 내의 유체에 의해 또는 실린더의 일 단부 내의 적합한 포트를 통해 통과하고 실린더의 외부의 기계적 장치(예를 들어, 크랭크샤프트)에 연결된 실린더 내에 정렬된 로드에 의해 피스톤 상에 인가될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 액체와 가스는 가스가 팽창 또는 압축되는 실린더의 외부의 용기 또는 챔버 내에 포말(즉, 액체와 가스가 "발포됨")을 형성하도록 혼합된다. 특히, 교반되고, 스프레이되거나 다른 방식으로 활력적으로 개질될 때 공기와의 발포를 촉진하는 액체가 사용될 수도 있다. 이러한 액체의 예는 예를 들어 2% 내지 5%의 특정 첨가제(예를 들어, 계면 활성제)를 포함하는 물이고, 이들 중 일부는 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 4월 8일 출원된 미국 특허 출원 제13/082,808호('808 출원)에 설명되어 있다. 포말은 적합한 메커니즘(예를 들어, 밸브가 있는 포트)을 통해 실린더의 공기 챔버에 유입된다. 가스와 액체 사이의 열 에너지의 교환은 가스와 액체가 서로 접촉할 때마다 발생하지만, 포말이 가스와 액체가 서로 접촉하는 표면적을 증가시킬 때 더 급속하게 발생한다. 다양한 작동 상태에서, 실린더의 공기 챔버는 포말을 포함하지 않고, 포말로 부분적으로 충전되고, 또는 포말로 실질적으로 충전될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 액체와 가스가 발포되는 챔버 또는 용기는 높은 압력[예를 들어, 대략적으로 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 가스를 위한 저장조이다. 포말로부터 분리하는 경향이 있는 액체는 저장조의 저부에 축적될 수도 있고, 저장조 내의 포말의 양을 유지하거나 재생하기 위해 스프레이 헤드 또는 다른 포말 생성 메커니즘을 통해 저장조 내로 재순환될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 원하는 온도(예를 들어, 비교적 저온 또는 비교적 고온)에 있는 포말(또는 포말의 분리된 액체 성분)이 그 내부에 에너지를 저장하기 위해 용기 내에 전환될 수도 있다. 여기서, 시스템의 에너지, 예를 들어 용기의 유체 내용물은 시스템이 환경과 열 평형을 이루게 함으로써 이상적으로 수행될 수 있는 최대 일량이다. 여기서, 비교적 저온 또는 고온 액체가 에너지를 저장하기 위해 저장되는 용기는 "열 우물"이라 명명된다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 액체와 가스는 스프레이, 추출, 산포(sparging), 패킹된 베드 또는 고체 포말을 통한 통과, 분무, 현탁된 액적의 스프레이 및/또는 다른 메커니즘을 채용하여 포말을 생성할 수도 있는, 본 명세서에 "혼합 챔버"라 명명되는 전용 장치 내에서 발포된다. 본 명세서에 이용될 때, "산포기(sparger)"가 그와 함께 포말을 형성하기 위해 포말(통상적으로, 더 낮은 액체 함량 포말) 및/또는 가스의 액체 및/또는 포말(통상적으로 더 높은 액체 함량 포말) 내로의 도입을 위한 메커니즘이다.
특정 실시예의 다양한 작동 상태에서, 포말은 포말의 액체 및 가스 성분을 분리하기 위해 용기 또는 챔버(예를 들어, 저장조와 혼합 챔버 사이 또는 일 실린더의 공기 챔버와 다른 실린더의 다른 챔버 사이에 연통하는 유체 경로 내에 배치됨)에 유도될 수도 있다. 이러한 용기 또는 챔버는 본 명세서에서 "분리기"라 명명된다. 포말의 부분적 또는 실질적으로 완전한 분리는 분리기, 실린더, 혼합 챔버, 저장조 및 다른 구성 요소(예를 들어, 튜빙) 내에서 발생할 수도 있다. 분리기 또는 다른 구성 요소 내의 포말로부터 분리된 액체는 열교환기를 통해 통과되어 그 온도를 변경하고, 또는 다른 방식으로 처리되거나 프로세싱되고 시스템의 다른 부분(예를 들어, 혼합 챔버) 내에서 포말의 형성으로 재유도될 수도 있다.
유체 포말은 하나 이상의 스크린, 리들(riddle) 또는 고체 포말(이들 모두는 본 명세서에서 "스크린"이라 명명됨)을 통해 통과되어 포말 품질(예를 들어, 기포 균일성, 평균 기포 크기)을 제어할 수도 있다. 이러한 스크린은 다양한 작동 상태에서 기포 크기의 변경을 허용하기 위해 구성될 수도 있는데, 예를 들어, 실질적으로 접촉하는 2개의 천공된 플레이트가 서로에 대해 슬라이드될 수도 있어, 다양한 크기의 기포의 통과를 허용하는 방식으로 이들의 천공부를 정렬하거나 정렬 해제할 수도 있다. 유체 포말은 포말 내의 셀(기포)의 크기 및 균일도에 영향을 미치기 위해 음향 진동(예를 들어, 초음파)으로 여기될 수도 있다(예를 들어, 혼합 챔버 내에서).
다양한 작동 상태에서, 가스 또는 가스-액체 혼합물은 혼합 챔버 주위로 바이패스될 수도 있다. 예를 들어, 가스가 저장조로부터 팽창될 때, 밸브 및 파이핑은 발포를 위해 혼합 챔버를 통해 가스를 통과시키기 위해 구성될 수도 있다. 그러나, 가스가 저장조 내로 압축될 때, 압축된 가스 또는 포말은 혼합 챔버를 통해서가 아니라, 바이패스(예를 들어, 파이프)를 통해 유도될 수도 있다. 바이패스를 통한 가스의 유도는 혼합 챔버를 통한 유도보다 일반적으로 낮은 에너지를 소산하고, 따라서 시스템 효율을 향상시킬 것이다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 대안적으로 또는 부가적으로, 실린더 외부의 포말 생성을 위해, 포말은 예를 들어 스프레이 헤드 또는 다른 포말 생성 장치를 통해 실린더의 공기 챔버 내로 액체의 직접 분사에 의해 생성될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 포말은 포말의 가스와 액체 성분 사이의 열교환을 가속하기 위해 실린더의 공기 챔버 내의 음향 진동(예를 들어, 초음파)으로 여기될 수도 있다. 음향 진동은 다양한 메커니즘(예를 들어, 기포 또는 셀의 액체-가스 계면에서의 표면파 셋업 또는 막 또는 평탄역 경계를 통한 증가된 유동)을 통해 포말의 가스 및 액체 성분 사이의 이러한 열교환을 가속할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 이하의 구성 요소, 혼합 챔버, 분리기, 바이패스, 스크린, 초음파 발생기, 상이한 압력 범위에 걸쳐 작동하는 2개의 실린더의 조립체 및 다른 구성 요소 중 하나 이상을 포함할 수도 있다. 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 미국 특허 제7,802,426호('426 특허)에 설명된 바와 같이, 압축 또는 팽창을 경험하는 압축성 유체(예를 들어, 가스 또는 포말)는 실린더 외부의 열교환 서브시스템을 통해 연속적으로 또는 설비 내에서 유도될 수도 있다. 열교환 서브시스템은 환경에 열을 배출하고(압축을 경험하는 유체를 냉각하기 위해) 또는 환경으로부터 열을 흡수한다(팽창을 경험하는 유체를 가열하기 위해). 재차, 등온 프로세스가 이 열교환율의 적당한 선택을 경유하여 근사될 수도 있다.
일반적으로, 본 명세서에 설명된 시스템은 높은 효율을 갖는 풀 사이클 에너지 저장 시스템의 부분으로서 팽창 모드 또는 역압축 모드의 모두에서 작동될 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 압축기 및 팽창기의 모두로서 작동되어, 압축 가스의 포텐셜 에너지의 형태로 전기를 저장하고 압축 가스의 포텐셜 에너지로부터 전기를 생성할 수도 있다. 대안적으로, 시스템은 압축기 또는 팽창기로서 독립적으로 작동될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 통상적으로 압축 가스를 이용하는 에너지 저장 시스템에 이용된다. 압축 가스 에너지 저장 시스템에서, 가스는 높은 압력[예를 들어, 대략적으로 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 저장된다. 이 가스는 실린더 내에 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤에 의해(또는 다른 경계 메커니즘에 의해) 분리된 제1 격실(또는 "챔버") 및 제2 격실을 갖는 실린더 내로 팽창될 수도 있다. 샤프트는 피스톤에 결합되고 실린더의 제1 격실 및/또는 제2 격실을 통해 실린더의 단부캡을 넘어 연장될 수도 있고, 전동 메커니즘이 '678 및 '842 특허에 설명된 바와 같이, 샤프트의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 샤프트에 결합될 수도 있다. 더욱이, 모터/발전기가 전동 메커니즘에 결합될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 실린더의 샤프트는 '842 특허에 설명된 바와 같이, 하나 이상의 선형 발전기에 결합될 수도 있다.
'842 특허에 또한 설명된 바와 같이, 소정 시간에 소정량의 가스를 팽창함으로써 생성된 힘의 범위는 다수의 직렬 연결된 실린더 스테이지의 추가를 통해 감소될 수도 있다. 즉, 고압 저장조로부터의 가스가 제1 고압 실린더의 일 챔버 내에서 팽창됨에 따라, 제1 실린더의 다른 챔버로부터의 가스는 제2 저압 실린더의 팽창 챔버에 유도된다. 이 제2 실린더의 저압 챔버로부터의 가스는 환경으로 통기되거나 여전히 더 낮은 압력에서 작동하는 제3 실린더의 팽창 챔버에 유도될 수도 있고, 제3 실린더는 유사하게 제4 실린더에 연결될 수도 있는 등이다.
원리는 특정 용례에 적합하도록 2개 초과의 실린더로 팽창될 수도 있다. 예를 들어, 저장조 압력의 소정 범위에 대한 더 좁은 출력 힘 범위가 예를 들어 대략 3,000 psig(20.68 MPa)와 대략 300 psig(2.07 MPa) 사이에서 작동하는 제1 고압 실린더 및 예를 들어 대략 300 psig(2.07 MPa)와 대략 30 psig(206.8 kPa) 사이에서 작동하는 제2 대체적 저압 실린더를 가짐으로써 성취된다. 2개의 팽창 실린더가 사용될 때, 일 실린더 내의 압력의 범위(따라서, 일 실린더에 의해 생성된 힘의 범위)는 예를 들어 대략 100:1 내지 대략 10:1('842 특허에 설명된 바와 같이)와 같이, 단일 팽창 실린더로 경험된 압력(또는 힘)의 범위에 대한 제곱근으로서 감소된다. 더욱이, '678 특허에 설명된 바와 같이, N개의 적절한 크기의 실린더는 원래 작동 압력 범위 R을 R1 /N으로 감소시킬 수 있다. 이 방식으로 단 형성된 N개의 실린더의 임의의 그룹(여기서, N≥2)이 본 명세서에 실린더 그룹이라 명명된다.
본 발명의 실시예는 비교적 높은 압력에서 액체, 예를 들어 실린더 조립체 내의 등온 팽창 및 압축을 근사하는데 사용된 액체 스프레이 및/또는 수성 포말의 생성을 위한 액체를 효율적으로 순환시키기 위해 용적식 펌프(positive-displacement pump)의 사용을 제공하고, 그 결과 전체 에너지 저장 및 에너지 회수 프로세스의 효율의 이득을 생성한다. 이러한 용적식 펌프는 피스톤-인-튜브형 펌프(piston-in-tube-type pump), 회전형 용적식 펌프(예를 들어, 스크류 펌프, 프로그레시브 캐비티 펌프) 또는 다른 유형의 펌프일 수도 있다. 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 1월 19일 출원된 미국 특허 출원 제13/009,409호('409 출원)에 개시된 바와 같이, 고압 유체의 효율적인 순환이 피스톤의 일 측에서의 유체를 다른 측에서의 유체로부터 분리하는 피스톤 또는 다른 메커니즘을 포함하는 유체 충전 챔버를 갖는 왕복형 이중 작동식 용적식 펌프와 같은 높은 입구 압력 낮은 차등 압력 펌프를 사용하여 또는 스크류 펌프, 프로그레시브 캐비티 펌프 또는 다른 회전형 용적식 펌프를 사용하여 성취될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 회전형 용적식 펌프(예를 들어, 스크류 펌프)를 사용하여 높은 압력[예를 들어, 대략 1,000 제곱인치당 파운드 게이지(psig)(6.89 MPa) 내지 대략 3,000 psig(20.68 MPa) 또는 그 이상]에서 미리 유체의 에너지 효율적 펌핑을 다소 더 높은 압력[예를 들어, 대략 50 psig(344.7 kPa) 초과의 입력 압력]으로 가능하게 한다. 이러한 펌프의 유용한 용례는 이들에 한정되는 것은 아니지만, (1) 압축 가스를 저장하는 용기 내로의 포말, 발포성 액체 또는 액체 스프레이의 도입(결과적인 포말 또는 스프레이는 가스로 또는 가스로부터의 열의 전달을 가능하게 함) 및 (2) 압축 가스를 수용하는 챔버 내로의 포말, 발포성 액체 또는 액체 스프레이의 에너지 효율적 도입(여기서 포말, 발포성 액체 또는 스프레이는 챔버 내의 가스의 대략적으로 등온 팽창 또는 압축을 가능하게 함)을 포함한다.
여기서, 스크류 펌프는 유체를 압축하기 위해 하나 이상의 스크류를 채용하는 용적식 펌프인데, "용적식 펌프"는 유체의 체적으로 포집하고 가능하게는 이와 같이 행할 때에 압축하는 유체가 이동(변위)하는 임의의 장치이고, "스크류"는 그 길이를 따라 연장하는 나선형 리지 또는 나사산을 갖는 로드이다. 통상적으로, 스크류 펌프에서, 스크류는 유체의 하나 이상의 대략적으로 나선형 체적이 스크류의 표면과 상보적 표면 사이에 포집되는 이러한 방식으로 하나 이상의 부속 구성 요소(예를 들어, 하우징 또는 하나 이상의 다른 스크류)에 의해 형성된 상보적 표면과 연동한다. 스크류가 회전함에 따라, 유체는 스크류의 일 단부에 유입되고, 대략적으로 나선형 체적 내에 포집되고, 가능하게는 압축을 경험하는 동안 스크류를 따라 종방향으로 이동되고, 스크류의 다른 단부에서 축출되거나 배출된다. 스크류의 피치가 종방향으로 변경되는 스크류 펌프에서, 스크류와 상보적 표면 사이에 포집된 유체의 체적은 이들이 스크류를 따라 종방향으로 이동함에 따라 압축된다. 유체를 압축하는 스크류 펌프는 통상적으로 스크류 압축기라 명명된다. 단일 스크류, 이중 스크류 및 3중 스크류 펌프, 뿐만 아니라 이러한 펌프 및 압축기의 특성 및 특징을 포함하는 다양한 디자인의 스크류 펌프 및 압축기가 압축기 및 펌프의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 알려져 있을 것이다. 여기서, 용어 "스크류 펌프"는 일반적으로 이중 또는 3중 스크류형의 스크류 압축기를 칭하지만, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 벤델콜벤 펌프(Wendelkolben pump), 나선형 트위스트형 루츠 펌프(Roots pump) 및 편심 스크류 펌프를 포함하는 다른 유형의 스크류 펌프 또는 회전형 용적식 펌프의 사용이 또한 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다.
유체를 압축하는 것이 가능한 스크류 펌프는 원리적으로 역으로 팽창기로서 작동될 수도 있다는 것이 압축기 및 펌프의 원리에 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 이러한 역작동에서, 비교적 높은 압력에서의 유체가 회전 스크류의 일 단부에 유입되고, 스크류와 상보적 표면 사이에 대략 나선형 체적 내에 포집되고, 포집된 체적이 팽창함에 따라 회전 스크류를 따라 종방향으로 이동된다. 이 유체는 그가 유입되었던 압력보다 낮은 압력에서, 그가 유입되었던 단부에 대향하는 스크류의 단부로부터 배출된다.
본 발명의 실시예는 또한 사전 압축기에 의해 압축 모드에서 실린더 그룹의 입구 챔버 내의 최소 또는 시작 압력을 증가시키기 위해 제공된다. 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 5월 18일 출원된 미국 특허 제8,104,274호('274 특허)에 개시된 바와 같이, 실린더 그룹의 입구 챔버 전의 공기의 사전 압축이 압축 가스 에너지 저장 시스템의 전력 밀도를 증가시키는데 사용될 수도 있다. 부가적으로, 대기압 초과의 압력에서 실린더 그룹으로부터의 가스의 통기는 전력 밀도를 증가시킬 수도 있다. 통기된 초대기압 가스 내에 잔류하는 이 포텐셜 에너지의 적어도 일부는 팽창기 장치 내에서 회수될 수도 있다. 시작 압력이 사전 압축기에 의해 증가되는 다양한 실시예에서, 사전 압축기는 로토다이내믹(rotodynamic) 송풍기(예를 들어, 반경방향 원심, 축방향) 또는 용적식 송풍기(예를 들어, 로브형) 또는 펌프(예를 들어, 스크류 펌프)를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더 그룹 통기 압력이 초대기압인 다양한 실시예에서, 팽창기는 양방향식으로 작동된 사전 압축기와 동일한 장치 또는 제2 단방향 장치를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 팽창기로서 사용될 수도 있는 이러한 장치의 예는 로토다이내믹 팽창기(예를 들어, 반경방향 원심, 축방향) 및 용적식 팽창기(예를 들어, 피스톤형) 및 펌프/모터(예를 들어, 스크류 펌프/모터)를 포함한다.
예를 들어, 스크류 펌프가 사전 압축기로서 작동될 때, 일은 펌프를 통해 통과하는 유체를 압축하도록 수행된다. 이 에너지는 펌프 외부의 메커니즘(예를 들어, 전기 모터)에 의해 공급된다. 예를 들어, 스크류 펌프가 팽창기로서 작동될 때, 가스는 펌프 상에서 그리고 펌프가 부착되는 임의의 메커니즘(예를 들어, 발전기) 상에서 일을 수행한다. 더욱이, 압축기로서 작동된 스크류 펌프 내의[또는 압축 전에 포말의 완전한 파괴(즉, 분리)를 회피하기 위해 충분한 용량을 갖는 임의의 다른 사전 압축기 내의] 가스의 압축은 스크류 펌프 및/또는 스크류 펌프 자체 내의 흡기시에 및/또는 전에, 가스의 압축 중에 스크류 펌프 내의 유체의 포집된 나선형 체적을 부분적으로 또는 실질적으로 충전하는 포말 또는 발포성 액체의 도입에 의해 실질적으로 등온적으로 발생하도록 이루어질 수도 있다. 발포성 액체는 가스의 실질적으로 등온 압축을 생성하기 위해 압축을 경험하기 전에 가스와 조합될 수도 있다. 유사하게, 팽창기로서 작동되는 스크류 펌프 내의(또는 팽창 전에 포말의 완전한 파괴를 회피하기 위한 충분한 용량을 갖는 임의의 다른 팽창기 내의) 가스의 팽창은 스크류 펌프 및/또는 스크류 펌프 자체 내의 흡기시에 및/또는 전에, 가스의 팽창 중에 스크류 펌프 내의 유체의 포집된 나선형 체적을 부분적으로 또는 실질적으로 충전하는 포말 또는 발포성 액체의 도입에 의해 실질적으로 등온적으로 발생하도록 이루어질 수도 있다. 열교환 액체의 액적(예를 들어 스크류의 표면 또는 상보적 표면 애의 천공부를 통해 도입된)은 스크류 펌프 내의 가스의 실질적으로 등온 압축 또는 팽창을 실행하기 위해 포말과 조합되거나 포말 대신에 채용될 수도 있다. 사전 압축기로서 또는 사전 팽창기로서 사용된 펌프에서, 실질적으로 등온 작동은 에너지 저장 시스템의 전체 효율을 증가시킬 수도 있다.
실린더 그룹의 입구 챔버 내의 최소 또는 시작 압력을 증가시키는 것은 통상적으로 실린더 그룹 내에서 발생하는 게이지 압력의 범위(따라서, 실린더 그룹에 의해 인가된 힘의 범위)를 감소시킨다. 게이지 압력 범위는 사전 압축의 정도에 직접 비례하여 감소된다. 예를 들어, 대략 1 psig(6.98 kPa)의 비사전 압축된 입구 압력 및 대략 2,500 psig(1.72 MPa)의 최대 압력을 갖는 시스템에 대해, 게이지 압력의 범위는 대략 2500:1이고, 대략 5 psig(34.5 kPa)의 사전 압축된 입구 압력 및 대략 2,500 psig(1.72 MPa)의 최대 압력을 갖는 다른 동일한 시스템에 대해, 게이지 압력의 범위는 최대 1/5이다(즉, 대략 500:1).
부가적으로, 초기 압력에서 입구 챔버 내의 공기의 질량은 대략적으로 절대 압력의 비[예를 들어, 압축 또는 팽창의 폴리트로픽 계수에 따라 대략 19.7 psig/14.7 psig(135.8 kPa/101.4 kPa)]에 의해 비사전 압축 시스템에 대해 사전 압축 시스템 내에서 증가된다. 따라서, 단일 압축 스트로크가 사전 압축이 없는 시스템에서와 동일한 사전 압축을 갖는 시스템 내의 시간량을 소요하면, 비례적으로 더 큰 양의 저장된 에너지를 표현하는 출구 압력[예를 들어, 대략 2,500 psig(1.72 MPa)]에서 압축 공기의 더 큰 질량이 소정 시간 간격에서 생성된다. 달리 말하면, 소정의 실린더에 의한 단일의 완전한 압축에 대해, 더 높은 압축 파워가 사전 압축에 의해 성취된다.
몇몇 송풍기 및 펌프(예를 들어, 스크류 펌프)가 팽창기로서 역으로 작동될 수도 있다는 것이 압축기 및 펌프의 원리에 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 즉, 예를 들어 비교적 고압에서 유체가 회전 스크류의 일 단부에 유입되고, 스크류와 상보적 표면 사이에 대략 나선형 체적 내에 포집되고, 포집된 체적이 팽창함에 따라 회전 스크류를 따라 종방향으로 이동된다. 이 가스는 그가 유입되었던 압력보다 낮은 압력에서, 그가 유입되었던 단부에 대향하는 스크류의 단부로부터 배출된다. 팽창기로서 작동되는 스크류 펌프 내의 가스의 팽창은 스크류 펌프 및/또는 스크류 펌프 자체 내의 흡기시에 및/또는 전에, 가스의 팽창 중에 스크류 펌프 내의 유체의 포집된 나선형 체적을 부분적으로 또는 실질적으로 충전하는 포말 또는 발포성 액체의 도입에 의해 실질적으로 등온적으로 발생하도록 이루어질 수도 있다.
유사한 이유에 의해, 시스템이 압축기로서보다 팽창기로서 작동될 때, 더 높은 팽창 전력이 실린더 그룹의 출구 압력을 대기압보다 상당히 높게 함으로써 성취되는 것이 압축기 및 펌프의 원리에 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 더욱이, 가스가 작용하는 장치(예를 들어, 스크류-펌프 팽창기)를 통해 이 초대기압 출구 가스를 팽창하는 것은 출구 가스의 포텐셜 에너지의 일부가 일로 변환되게 한다. 이 일의 회수는 에너지 저장 시스템의 전체 효율을 증가시킨다.
소정량의 가스의 모든 압축 또는 팽창(여기서, 이러한 압축 또는 팽창은 본 명세서에서 "가스 프로세스"라 명명됨)은 일반적으로 3개의 유형 중 하나, (1) 그 동안에 가스가 그 환경과 열을 교환하지 않고, 따라서 온도가 상승하거나 강하하지 않는 단열, (2) 그 동안에 가스가 일정한 온도로 유지되는 이러한 방식으로 그 환경과 열을 교환하는 등온 및 (3) 그 동안에 가스가 그 환경과 열을 교환하지만, 그 온도가 일정하게 유지되지 않는 폴리트로픽(polytropic) 중 하나이다. 완벽하게 단열 가스 프로세스는 소정의 열이 임의의 가스의 바디와 그 환경 사이에서 항상 교환되기 때문에(이상적인 절연체 및 반사체가 존재하지 않음) 실용적이지 않고, 완벽하게 등온 가스 프로세스는 소정량의 가스와 그 환경의 부분(예를 들어, 액체의 바디) 사이에 열을 흐르게 하기 위해, 0이 아닌 온도차가 가스와 그 환경 사이에 존재해야 하기 때문에 실용적이지 않은데 - 예를 들어, 가스는 열이 액체로 전도될 수도 있게 하기 위해 압축 중에 가열되도록 허용되어야 한다. 따라서, 실세계 가스 프로세스는 통상적으로 폴리트로픽이지만, 이들은 단열 또는 등온 프로세스에 근사할 수도 있다.
이상 기체 법칙은 질량(m), 압력(p), 체적(V) 및 온도(T)를 갖는 소정량의 가스에 대해, pV = mRT로 나타내고, 여기서 R은 기체 상수(공기에 대해 R = 287 J/K·kg)이다. 등온 프로세스에 대해, T는 프로세스 전체에 걸쳐 상수이고, 따라서 pV = C이고, 여기서 C는 소정의 상수이다.
폴리트로픽 프로세스에 대해, 열역학의 과학에 친숙한 숙련자에 명백할 수 있는 바와 같이, 프로세스 전체에 걸쳐 pVn = C이고, 여기서 폴리트로픽 계수라 명명되는 n은 일반적으로 1.0과 1.6 사이의 소정의 상수이다. n=1에 대해, pVn = pV1 = pV = C인데, 즉 프로세스는 등온이다. 일반적으로, n이 1에 근접한(예를 들어, 1.05) 프로세스는 대략적으로 등온으로 간주될 수도 있다.
단열 프로세스에 대해, pVγ = C이고, 여기서 단열 계수라 명명되는 γ는 일정한 체적(CV)에서 그 열 용량에 대한 일정한 압력(CP)에서 가스의 열 용량의 비에 동일하다, 즉 γ = CP/CV. 실제로, γ는 압력에 의존한다. 공기에 대해, 단열 계수 γ는 통상적으로 1.4 내지 1.6이다.
여기서, 본 출원인은 "실질적으로 등온" 가스 프로세스를 n≤1.1을 갖는 것으로서 정의한다. 본 명세서에 설명된 실린더 내에서 수행된 가스 프로세스는 바람직하게는 n≤1.05를 갖는 실질적으로 등온이다. 여기서, 실린더 조립체 또는 저장 용기 내에서 발생하는 가스 프로세스가 "등온"으로서 설명될 때마다, 이 용어는 용어 "실질적으로 등온"과 동의어이다.
소정량의 가스의 압축 또는 팽창시에 행해진 일의 양은 폴리트로픽 계수 n에 따라 실질적으로 변한다. 압축에 대해, 행해진 일의 최저량은 등온 프로세스를 위한 것이고, 최고량은 단열 프로세스를 위한 것이며, 팽창에 대해서는 그 반대이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 압축 가스 에너지 저장 시스템에서 통상적으로 발생하는 것과 같은 가스 프로세스에 대해, 단열, 등온 및 실질적으로 등온 가스 프로세스에 의해 얻어진 최종 온도는 이러한 시스템의 작동성 및 효율에 실용적인 영향을 미치기 위해 충분히 상이하다. 유사하게, 단열, 등온 및 실질적으로 등온 가스 프로세스의 열 효율은 이러한 에너지 저장 시스템의 전체 효율에 대한 실용적인 영향을 미치기 위해 충분히 상이하다. 예를 들어, 20℃의 초기 온도 및 0 psig(대기압)의 초기 압력으로부터 180 psig(1.24 MPa)의 최종 압력으로의 소정량의 가스의 압축을 위해, 가스의 최종 온도(T)는 등온 프로세스에 대해 정확하게 20℃일 것이고, 단열 프로세스에 대해서는 대략 295℃, 폴리트로픽 계수 n=1.1(n=1의 등온 경우에 비해 n의 10% 증가)을 갖는 폴리트로픽 압축에 대해 대략 95℃, 폴리트로픽 계수 n=1.05(n=1의 등온 경우에 비해 n의 5% 증가)를 갖는 폴리트로픽 압축에 대해 대략 60℃일 것이다. 다른 예에서, 180 psig(1.24 MPa)에서 저장조 내로 가스의 압축을 포함하는, 20℃의 초기 온도 및 0 psig(대기압)의 초기 압력으로부터 대략 180 psig(1.24 MPa)의 최종 압력으로 1.6 kg의 공기의 압축을 위해, 등온 압축은 대략 355 kJ의 일을 필요로 하고, 단열 압축은 대략 520 킬로주울의 일을 필요로 하고, 폴리트로픽 계수 n=1.045를 갖는 폴리트로픽 압축은 대략 375 킬로주울의 일을 필요로 하는데, 즉 폴리트로픽 압축은 등온 프로세스보다 대략 5% 더 많은 일을 필요로 하고, 단열 프로세스는 등온 프로세스보다 대략 46% 더 많은 일을 필요로 한다.
식 pVn = C에 n을 실험적으로 적합시킴으로써 본 명세서에 설명된 바와 같은 실린더 조립체 내에서 발생하는 가스 프로세스의 폴리트로픽 계수 n을 추정하는 것이 가능하고, 여기서 예를 들어 실린더 내의 압축 또는 팽창 중에 가스의 압력(p) 및 체적(V)은 모두 피스톤 위치, 공지의 장치 치수 및 압력-트랜스듀서 측정치로부터 시간의 함수로서 측정될 수도 있다. 더욱이, 이상 기체 법칙에 의해, 실린더 내의 온도는 실린더 내에 위치되고 그 유체 내용물에 접촉하는 트랜스듀서(예를 들어, 열전쌍, 저항 열 검출기, 서미스터)에 의한 직접 측정에 대안으로서, p 및 V로부터 추정될 수도 있다. 다수의 경우에, 체적 및 압력을 경유하는 온도의 간접 측정이 온도 트랜스듀서로부터 더 낮은 점 측정보다 전체 체적을 더 고속으로 더 표현할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 온도 측정 및 모니터링은 하나 이상의 트랜스듀서를 경유하여 직접 또는 전술된 바와 같이 간접적으로 수행될 수도 있고, "온도 센서"는 예를 들어, 체적, 압력 및/또는 피스톤-위치 센서와 같은 온도의 간접 측정을 위한 이러한 하나 이상의 트랜스듀서 및/또는 하나 이상의 센서 중 하나일 수도 있다.
압축 가스 내의 포텐셜 에너지를 기계적 및 전기적 에너지로 변환하기 위한 전술된 모든 접근법은, 적절하게 설계되면, 압축 가스 내의 포텐셜 에너지로서 전기 에너지를 저장하기 위해 역으로 작동될 수도 있다. 이 진술의 정확성은 전기 기계, 전력 전자, 공압의 원리 및 열역학의 원리에 적당하게 친숙한 임의의 숙련자에게 명백할 것이기 때문에, 저장조에 에너지를 저장하고 그로부터 에너지를 회수하기 위한 이들 메커니즘의 작동은 각각의 실시예에 대해 설명되지 않을 것이다. 그러나, 이러한 작동이 고려되고 본 발명의 범주 내에 있고, 과도한 실험 없이 간단하게 실현될 수도 있다.
본 명세서에 설명된 시스템 및/또는 포말 기반 열교환, 액체 스프레이 열교환 및/또는 외부 가스 열교환을 채용하는 다른 실시예는 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2010년 1월 20일 출원된 미국 특허 제7,958,731호('731 특허)에 설명된 바와 같이, 폐열 발전을 위해 이들의 열교환 메커니즘을 경유하여 외부 시스템(도시 생략)으로 열 에너지를 견인하거나 전달할 수도 있다.
본 명세서에 설명된 압축 공기 에너지 저장 및 회수 시스템은 바람직하게는 "개방 공기" 시스템, 즉 밀봉된 컨테이너에서 가스의 포획된 체적을 압축하고 팽창하는 시스템(즉, "폐쇄 공기" 시스템)보다는, 압축을 위해 주위 분위기로부터 공기를 흡인하고 팽창 후에 주위 분위기로 공기를 재차 통기하는 시스템이다. 본 명세서에 설명된 시스템은 일반적으로 가스의 압축 또는 팽창을 경유하여 에너지의 저장 및 회수를 위한 하나 이상의 실린더 조립체를 특징으로 한다. 시스템은 또한 (i) 압축 후에 압축 가스의 저장 및 그 팽창을 위한 압축 가스의 공급을 위한 저장조 및 (ii) 팽창 후에 분위기로 팽창 가스를 배출하고 압축을 위한 가스의 공급을 위한 통기구를 또한 포함한다. 저장조는 예를 들어 하나 이상의 압력 용기(즉, 강성 외부를 가질 수도 있고, 또는 팽창 가능할 수도 있는, 금속 또는 플라스틱과 같은 다양한 적합한 재료로 형성될 수도 있는, 압력 용기를 위한 ASME 규제 내에 있을 수도 있지 않을 수도 있는 압축 가스용 컨테이너), 파이프[즉, 유체 도관으로서 또한 기능하고 그리고/또는 유체 도관으로서 간주될 수도 있고, 그 직경을 충분히 초과하는(예를 들어, >100×) 길이를 갖고, 압력 용기를 위한 ASME 규제 내에 있지 않을 수도 있는 압축 가스용 강성 컨테이너] 또는 캐번(cavern)(즉, 통상적으로 지하에 위치된 자연 발생 또는 인공 생성 캐비티)을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 개방 공기 시스템은 통상적으로 폐쇄 공기 시스템에 대한 우수한 에너지 밀도를 제공한다.
더욱이, 본 명세서에 설명된 시스템은 예를 들어 풍력 또는 태양 에너지와 같은 갱신 가능한 에너지의 소스를 동력화하고 회수하는데 유리하게 이용될 수도 있다. 예를 들어, 가스의 압축 중에 저장된 에너지는 예를 들어 풍력 또는 태양 에너지의 간헐적인 갱신 가능한 에너지 소스로부터 기원할 수도 있고, 에너지는 간헐적인 갱신 가능한 에너지 소스가 비기능할 때(즉, 동력화 가능 에너지를 생성하지 않거나 공칭 레벨 미만에서 에너지를 생성함) 가스의 팽창을 경유하여 회수될 수도 있다. 이와 같이, 본 명세서에 설명된 시스템은 이러한 시스템에 의해 생성된 갱신 가능한 에너지를 저장하기 위해, 예를 들어 태양 패널 또는 풍력 터빈에 연결될 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 회수 방법을 특징으로 한다. 제1 포말 팽창비를 갖는 제1 포말이 제1 실린더 조립체에 전달되고, 제1 포말은 제1 실린더 조립체 내에서 팽창되어, 이에 의해 그로부터 에너지를 회수한다. 그 후에, 제2 포말이 제1 실린더 조립체와는 상이한 제2 실린더 조립체에 전달된다. 제2 포말은 제1 포말 팽창비보다 큰 제2 포말 팽창비를 갖는다. 제2 포말은 제2 실린더 조립체 내에서 팽창되어, 이에 의해 그로부터 에너지를 회수한다. 제1 및 제2 실린더 조립체는 바람직하게는 가스 및/또는 포말의 팽창(및 가능하게는 압축)을 위해 이용된 단일 파워 유닛의 부분이다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 팽창된 제2 포말은 제2 실린더 조립체로부터 배출될 수도 있다. 팽창된 제2 포말의 적어도 가스 부분은 주위 분위기로 배출될 수도 있다. 제1 포말의 팽창 후에, 팽창된 제1 포말은 제1 실린더 조립체로부터 배출될 수도 있다. 제2 포말은 팽창된 제1 포말의 적어도 일부(예를 들어, 가스 부분 또는 포말 부분)를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 팽창된 제1 포말은 포말 용기 내로 배출될 수도 있고, 열전달 액체가 포말 용기 내로 도입되어 제2 포말을 형성할 수도 있다. 제1 포말을 팽창한 후에, 팽창된 제1 포말의 적어도 일부는 기체 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 하나 이상의 블레이드, 하나 이상의 전단기, 하나 이상의 배플 및/또는 하나 이상의 원심 분리기에 의한) 및/또는 초음파의 인가를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 포말은 팽창된 제1 포말의 가스 성분 내로 열전달 유체를 도입함으로써 형성될 수도 있다. 팽창된 제1 포말의 액체 성분이 저장될 수도 있다(예를 들어, 저장조 내에). 제1 포말의 질량비는 제2 포말의 질량비와 대략 동일할 수도 있다. 제1 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제1 포말의 팽창 전에 변경될 수도 있다. 제2 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제2 포말의 팽창 전에 변경될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말 의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창될 수도 있다. 제1 포말은 열전달 액체와 압축 가스를 혼합함으로써 형성될 수도 있다. 제1 포말의 공동 분율은 압축 가스 내로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 제1 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 감지된 압력 및/또는 온도에 응답하여 제어될 수도 있다. 제1 포말을 팽창하는 단계 및 제2 포말을 팽창하는 단계는 모두 제1 및 제2 실린더 조립체에 기계적으로 결합된 크랭크샤프트를 구동할 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 방법을 특징으로 한다. 열전달 액체가 가스(예를 들어, 대략적으로 대기압에서의 공기) 내에 분산되어 제1 포말 팽창비를 갖는 제1 포말을 형성한다. 제1 포말은 제1 실린더 조립체 내에서 압축된다. 그 후에, 제2 포말이 제1 실린더 조립체와는 상이한 제2 실린더 조립체에 전달된다. 제2 포말은 제1 포말 팽창비보다 작은 제2 포말 팽창비를 갖는다. 제2 포말은 제2 실린더 조립체 내에서 압축되고, 압축된 제2 포말은 제2 실린더 조립체로부터 배출된다. 압축된 제2 포말의 적어도 가스 성분이 저장된다(예를 들어, 저장조 내에).
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 포말은 제1 실린더 조립체 내에서 제1 포말을 압축하기 전에 제1 실린더 조립체에 전달될 수도 있다. 액체 성분의 적어도 일부가 가스 성분을 저장하기 전에 압축된 제2 포말로부터 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 하나 이상의 블레이드, 하나 이상의 전단기 또는 하나 이상의 배플 및/또는 하나 이상의 원심 분리기에 의한) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 제2 포말의 가스 성분 및 액체 성분의 모두가 저장될 수도 있다(즉, 동일한 저장조 내에 함께 또는 개별 저장조 내에 개별적으로). 제1 실린더 조립체 내의 제1 포말의 압축 후에, 압축된 제1 포말은 제1 실린더 챔버로부터 배출될 수도 있다. 제2 포말은 압축된 제1 포말의 적어도 일부(예를 들어, 가스 부분 또는 포말 부분)를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 제1 포말은 포말 용기(예를 들어, 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드) 내로 배출될 수도 있다. 열전달 액체가 포말 용기 내로 도입되어 제2 포말을 형성할 수도 있다. 제1 포말을 압축한 후에, 압축된 제1 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 하나 이상의 블레이드, 하나 이상의 전단기, 하나 이상의 배플 및/또는 하나 이상의 원심 분리기에 의한) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 포말은 압축된 제1 포말의 가스 성분 내로 열전달 액체를 도입함으로써 형성될 수도 있다. 압축된 제1 포말의 가스 성분 내로 도입된 열전달 액체는 분리된 압축된 제1 포말의 액체 성분의 적어도 일부를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 제1 포말의 액체 성분이 저장될 수도 있다(예를 들어, 저장조 내에). 제1 포말의 질량비는 제2 포말의 질량비에 대략적으로 동일할 수도 있다. 제1 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제1 포말을 압축하기 전에 변경될 수도 있다. 제2 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제2 포말을 압축하기 전에 변경될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 압축될 수도 있다. 제1 포말의 공동 분율은 가스 내로의 열전달 액체의 분산율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 제1 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도가 감지될 수도 있고, 분산율은 감지된 압력 및/또는 온도에 응답하여 제어될 수도 있다. 크랭크샤프트가 구동되어 제1 포말 및 제2 포말을 압축할 수도 있다. 크랭크샤프트는 제1 및 제2 실린더 조립체에 기계적으로 결합될 수도 있다. 제1 포말을 형성하는 단계는 스크린 상에 열전달 액체를 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 실린더 조립체와, 저장조와, (i) 저장조로부터 가스 및 열전달 액체를 수용하고, (ii) 가스와 열전달 액체를 혼합하여 포말을 형성하고, (iii) 포말을 실린더 조립체에 전달하기 위한 혼합 챔버를 포함한다. 혼합 챔버는 실린더 조립체 및 저장조에 선택적으로 유동 접속된다. 혼합 챔버는 가스를 전달하기 위한(그리고, 부가적으로 액체를 전달할 수도 있지만, 통상적으로 저장조의 실질적으로 가스 충전 영역에 연결되어 있음) 제1 도관 및 제1 도관과 상이하고, 열전달 액체를 전달하기 위한(그리고, 부가적으로 가스를 전달할 수도 있지만, 통상적으로 저장조의 실질적으로 액체 충전 영역에 연결되어 있음) 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 접속된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 혼합 챔버는 포말의 적어도 하나의 특성(예를 들어, 포말 셀 크기 및/또는 포말 셀 크기 균일도)을 변경하기 위한 메커니즘을 포함할 수도 있다. 메커니즘은 스크린 및/또는 초음파 에너지의 소스를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말 생성 메커니즘이 혼합 챔버 내의 제1 도관 및/또는 제2 도관에 결합될 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하거나 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 제2 실린더 조립체를 포함할 수도 있다. 분위기로 팽창된 가스를 배출하기 위한 통기구가 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속될 수도 있다. 제어 시스템은 실린더 조립체 내의 실질적으로 등온 압축 및/또는 실질적으로 등온 팽창을 시행하기 위해 실린더 조립체 및/또는 혼합 챔버를 제어할 수도 있다. 센서가 실린더 조립체 및/또는 혼합 챔버 내의 압력을 검출할 수도 있고, 제어 시스템은 센서에 응답할 수도 있다. 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 혼합 챔버 내로의 열전달 액체의 유량을 제어할 수도 있다. 순환 장치(예를 들어, 가변 속도 펌프)가 제2 도관 내에 열전달 액체를 전달할 수도 있다. 가동 경계 메커니즘이 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리할 수도 있다. 크랭크샤프트가 경계 메커니즘에 기계적으로 결합될 수도 있고, 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환할 수도 있다. 모터/발전기가 크랭크샤프트에 결합될 수도 있다. 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 방법을 특징으로 한다. 포말이 실린더 내에서 포말을 제1 압력으로 압축된다. 압축된 포말은 저장조로 전달되고, 여기서 압축된 포말은 대략적으로 제1 압력에서 가스 및 액체 성분으로 적어도 부분적으로 분리된다. 액체 성분의 적어도 일부는 저장조로부터 제거되고, 제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 저장된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제2 압력에서 액체 성분의 적어도 일부를 저장하기 전에, 에너지가 액체 성분의 적어도 일부의 압력을 감소시킴으로써 액체 성분의 적어도 일부로부터 회수될 수도 있다. 크랭크샤프트가 회수된 에너지로 구동될 수도 있다. 크랭크샤프트는 실린더에 기계적으로 결합될 수도 있다. 포말을 압축하기 전에, 포말은 열전달 액체와 가스를 혼합함으로써 형성될 수도 있다. 포말은 실린더에 선택적으로 유동 접속된 포말 용기 내에서 형성될 수도 있다. 포말 용기는 압력 용기, 파이프 및/또는 매니폴드를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말을 형성하는 단계는 스크린 상에 열전달 액체를 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말을 압축하기 전에, 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도가 변경될 수도 있다. 포말의 공동 분율은 가스 내로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 실린더 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다. 저장된 액체 성분의 적어도 일부는 가스와 혼합되어 부가의 포말을 형성할 수도 있고, 이 부가의 포말은 이어서 압축될 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말은 실질적으로 등온적으로 압축될 수도 있다. 포말을 압축하는 단계는 실린더에 결합된 크랭크샤프트를 구동하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 포말은 중력에 기인하여 적어도 부분적으로 분리될 수도 있다. 압축된 포말은 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의한) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 적어도 부분적으로 분리될 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 압축에 의해 에너지를 저장하거나 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 제1 및 제2 실린더 조립체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 제2 실린더 조립체는 제1 실린더 조립체의 압력 작동 범위와는 상이한 압력 작동 범위를 갖는다. 그 내부에 제1 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제1 포말 용기가 제1 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속된다. 그 내부에 제2 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제2 포말 용기가 제1 실린더 조립체 및 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속된다. 그 내부에 제3 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제3 포말 용기가 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 주위 분위기로의 통기구가 제3 포말 용기에 선택적으로 유동 접속될 수도 있다. 압축 가스(예를 들어, 가스로서 또는 포말의 부분으로서)의 저장을 위한 저장조가 제1 포말 용기에 선택적으로 유동 접속될 수도 있다. 시스템은 제1 포말 용기 내의 제1 위치로부터 제1 위치와는 상이한 제1 포말 용기 내의 제2 위치로 포말 및/또는 액체를 전달하기 위한 재순환 메커니즘을 포함할 수도 있다. 제1 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제3 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 특징은 포말 생성 메커니즘, 매니폴드 및 매니폴드에 선택적으로 유동 연결되고, 그 내부의 포말의 팽창 및/또는 압축을 위한 적어도 하나의 실린더 조립체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 포말 생성 메커니즘은 스프레이 챔버, 스프레이 챔버를 통해 유동하는 가스 내로 액체를 분산하기 위한 적어도 하나의 분산 메커니즘 및 적어도 하나의 분산 메커니즘에 유동 결합되고, 액체를 수용하기 위한 저장조를 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 매니폴드는 스프레이 챔버로부터 포말을 수용한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 순환 메커니즘(예를 들어, 팬)이 스프레이 챔버를 통한 가스의 유동을 적어도 부분적으로 형성할 수도 있다. 다른 순환 메커니즘(예를 들어, 가변 속도 펌프와 같은 펌프)이 저장조로부터 적어도 하나의 분산 메커니즘으로 액체를 순환할 수도 있다. 적어도 매니폴드 내의 포말의 형성 중에 매니폴드로부터 가스를 배출하기 위한 밸브가 매니폴드에 연결될 수도 있다. 포말이 스프레이 챔버 내의 분산된 액체로부터 매니폴드 내에 형성되는 스크린이 스프레이 챔버와 매니폴드 사이에 배치될 수도 있다. 분리 챔버가 매니폴드에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 분리 챔버는 포말을 가스 및 액체 성분으로 분리하기 위한 분리 메커니즘을 그 내에 포함할 수도 있다. 분리 챔버는 저장조에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 분리 메커니즘은 초음파 에너지의 소스, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 복수의 실린더 쌍과, 제1 압력 범위 내에서 저압에서 포말을 생성하기 위한 제1 포말 생성 메커니즘과, 제1 포말 생성 메커니즘과는 상이하고, 제2 압력 범위 내에서 고압에서 포말을 생성하기 위한 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 각각의 실린더 쌍은 (i) 제1 압력 범위에 걸쳐 팽창 및/또는 압축을 위한 저압 실린더 및 (ii) 제1 압력 범위와는 상이하고 적어도 중간 압력에서 제1 압력 범위를 중첩하는 제2 압력 범위에 걸쳐 팽창 및/또는 압축을 위한 고압 실린더를 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 저압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드가 (i) 복수의 저압 실린더 및 (ii) 제1 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 고압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드가 (i) 복수의 고압 실린더 및 (ii) 제2 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 제1 포말 생성 메커니즘은 (i) 가스 내에 액체를 분배하기 위한 적어도 하나의 분산 메커니즘 및 (ii) 포말이 분산된 액체로부터 형성되는 스크린을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 포말 생성 메커니즘은 액체의 스프레이, 산포, 분무 또는 교반 중 적어도 하나를 위한 분산 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 시스템은 중간 압력에서 포말을 생성하기 위한 제3 포말 생성 메커니즘을 포함할 수도 있다. 중간압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드가 (i) 복수의 저압 실린더, (ii) 복수의 고압 실린더 및 (iii) 제3 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 팽창을 위한 실린더 조립체와, 실린더 조립체 내에 포말을 도입하기 위한 포말 생성 메커니즘과, 포말 생성 메커니즘에 열전달 유체를 펌핑하기 위한 펌핑 실린더와, 압축 가스의 저장을 위한 제1 저장조와, 열전달 유체의 저장을 위한 제2 저장조를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 실린더 조립체는 그 내부에 제1 가동 경계 메커니즘 및 제1 가동 경계 메커니즘에 결합된 제1 로드를 포함한다. 펌핑 실린더는 그 내부에 제2 가동 경계 메커니즘 및 제2 가동 경계 메커니즘에 결합된 제2 로드를 포함한다. 제1 저장조는 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된다. 제2 저장조는 펌핑 실린더에 선택적으로 유동 연결된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 저장조 및 제2 저장조는 동일한 저장조일 수도 있고 또는 상이한(즉, 별개의) 저장조일 수도 있다. 열전달 서브시스템이 열전달 유체를 열적으로 조절할 수도 있고, 열교환기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 및 제2 로드는 회전 운동으로 제1 및 제2 로드의 왕복 운동을 상호 변환하기 위한 메커니즘에 기계적으로 결합될 수도 있다. 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 크랭크샤프트는 제1 및 제2 로드를 고정 위상 관계로 유지할 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치되거나 실린더 조립체의 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결될 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 저장조는 제2 저장조가 유체를 저장하는 압력과는 상이한 압력에서 유체를 저장할 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 압축 가스가 저장조로부터 그에 선택적으로 유동 연결된 혼합 챔버에 전달된다. 혼합 챔버 내에서, 압축 가스 및 열전달 유체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 제1 포말이 형성된다. 제1 포말이 혼합 챔버로부터 실린더로 전달된다. 제1 포말은 그로부터 에너지를 회수하도록 실린더 내에서 팽창된다. 팽창된 제1 포말이 실린더로부터 제거된다. 제2 포말이 실린더 내에 도입되고, 그 내부에 에너지를 저장하기 위해 실린더 내에서 압축된다. 압축된 제2 포말의 적어도 일부가 저장조에 전달되고, 전달은 혼합 챔버를 바이패스한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제1 포말을 팽창하기 전에 변경된다. 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말을 제2 실린더로 전달하는 단계를 포함하거나 본질적으로 이루어지고, 제2 실린더에서 제1 포말이 더 팽창될 수도 있다. 팽창된 제1 포말은 가스 성분과 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 팽창된 제1 포말은 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 분리될 수도 있다. 팽창된 제1 포말의 액체 성분이 저장될 수도 있다. 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조로 전달하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분을 저장조로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조로 전달하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장조에 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 제2 포말의 적어도 일부는 실린더와 저장조 사이의 바이패스 연결부를 경유하여 저장조에 전달될 수도 있다. 밸브가 저장조로의 전달 중에 혼합 챔버 내로의 압축된 제2 포말의 진입을 실질적으로 방지할 수도 있다. 압축된 제2 포말의 제2 부분은 실린더로부터 혼합 챔버를 경유하여 저장조로 전달될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창된다. 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함할 수도 있고, 실린더 내에서 제1 포말을 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 및/또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템을 구동할 수도 있다. 제1 포말을 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동할 수도 있고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 포말을 형성하는 단계는 혼합 챔버 내로 열전달 액체를 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 포말의 공동 분율은 혼합 챔버 내로 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 실린더 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 회수 방법을 특징으로 한다. 압축 가스 및 열전달 유체를 포함하는 제1 포말이 저장조 내에서 형성되고, 실린더에 전달된다. 제1 포말이 실린더 내에서 팽창하여 그로부터 에너지를 회수하고, 팽창된 제1 포말이 실린더로부터 제거된다. 제2 포말이 실린더 내에서 압축되어 그 내부에 에너지를 저장하고, 압축된 제2 포말의 적어도 일부가 저장조 내에 저장된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 포말을 형성하는 단계는 저장조 내에서 포말 생성 메커니즘을 경유하여 열전달 유체와 압축 가스를 혼합하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열전달 액체(예를 들어, 실질적으로 비발포된 열전달 액체)가 저장조의 영역으로부터 포말 생성 메커니즘으로 순환될 수도 있다. 열전달 액체는 저장조의 외부에서 순환될 수도 있다. 제1 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 제1 포말을 팽창하기 전에 변경될 수도 있다. 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 팽창된 제1 포말은 가스 성분 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 팽창된 제1 포말은 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의한) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 분리될 수도 있다. 팽창된 제1 포말의 액체 성분이 저장될 수도 있다(예를 들어, 저장조 내에). 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 저장조 내에 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분을 저장하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 저장조 내에 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말을 제2 실린더로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있고, 제2 실린더 내에서 제1 포말이 더 팽창될 수도 있다. 제1 포말 및/또는 제2 포말은 실질적으로 등온으로 팽창될 수도 있다. 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함할 수도 있다. 실린더 내에서 제1 포말을 팽창시키는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘(예를 들어, 크랭크샤프트) 및/또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템을 구동할 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스가 실린더 내에 전달된다. 열전달 액체가 실린더 내로 전달되어 그 내부에서 가스와 혼합하고 가스와 열전달 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성한다. 실린더 내에서, 포말은 에너지를 저장하기 위해 압축되고 그리고/또는 에너지를 회수하기 팽창되고, 압축 또는 팽창된 포말은 실린더로부터 배출된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 가스는 저장조로부터 실린더 내로 전달되고, 열전달 액체는 저장조로부터 실린더 내로 전달될 수도 있다. 가스와 열전달 액체는 상이한 입구를 경유하여 실린더 내로 전달될 수도 있다. 포말은 압축되고, 압축된 포말의 적어도 일부가 저장조 내에 저장될 수도 있다. 저장조 내에 압축된 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분을 저장하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 저장조 내에 압축된 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말의 공동 분율은 실린더 내로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 실린더 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다. 포말은 팽창될 수도 있고, 실린더로부터 팽창된 포말을 배출하는 단계는 팽창된 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말은 팽창되고, 실린더로부터 팽창된 포말을 배출하는 단계는 팽창된 포말을 제2 실린더로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있고, 제2 실린더 내에서 팽창된 포말은 더 팽창될 수도 있다. 포말은 팽창될 수도 있고, 팽창된 포말은 가스 성분 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 팽창된 포말은 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 분리될 수도 있다. 포말은 팽창될 수도 있고, 팽창된 포말의 액체 성분은 저장될 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창되거나 압축될 수도 있다. 포말은 팽창될 수도 있고, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함할 수도 있다. 포말을 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘(예를 들어, 크랭크샤프트) 및/또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템을 구동할 수도 있다.
또 다른 부가적인 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스가 복수의 별개의 스테이지 내에서 압축 또는 팽창되고, 각각의 스테이지는 상이한 압력 범위에 걸쳐 수행된다. 스테이지 중 하나 중에, 열은 가스와 가스 내로 도입된 제1 열전달 유체의 별개의 액적 사이에서 교환된다. 스테이지의 다른 하나 중에, 열은 가스와 제2 열전달 유체 사이에서 교환되고, 가스와 제2 열전달 유체는 조합되어 포말을 형성한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 스테이지의 다른 하나 중에 압축 또는 팽창의 후에, 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 분리될 수도 있다. 가스는 압축되고, 그 후에 저장조 내에 저장될 수도 있다. 가스는 팽창되고, 그 후에 주위 분위기로 통기될 수도 있다. 제1 및 제2 열전달 유체는 동일한 액체(예를 들어, 물)를 포함할 수도 있다. 제2 열전달 유체는 발포성 첨가제를 포함할 수도 있다. 제1 열전달 유체의 별개의 액적은 스프레이에 의해 가스 내로 도입될 수도 있다. 제1 열전달 유체의 별개의 액적과 가스 사이의 열교환은 스테이지 중에 팽창 또는 압축을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 가스와 제2 열전달 유체 사이의 포말 내의 열교환은 스테이지 중에 팽창 또는 압축을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 팽창 또는 압축은 실린더 내에서 수행될 수도 있다. 포말은 실린더 내에서 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 생성될 수도 있다. 포말은 실린더의 외부에서 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 생성될 수도 있고, 이어서 포말은 실린더 내로 전달될 수도 있다. 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 포말이 실린더에 진입하기 전에 변경될 수도 있다. 가스는 팽창될 수도 있고, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함할 수도 있다. 실린더 내에서 가스를 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘(예를 들어, 크랭크샤프트) 및/또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 실린더를 구동할 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말을 형성하는 단계는 제2 열전달 유체를 가스 내로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말의 공동 분율은 제2 열전달 유체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 스테이지들 중 적어도 하나 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 2개의 상이한 프로세스가 실린더 내에서 수행되고, 프로세스는 (i) 에너지를 저장하기 위해 가스를 압축하는 것 및 (ii) 에너지를 회수하기 위해 가스를 팽창하는 것을 포함한다. 프로세스들 중 하나 중에, 제1 열전달 유체의 별개의 액적을 그에 도입함으로써 열이 가스와 교환된다. 프로세스들 중 다른 하나 중에, 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 열이 가스와 교환되어 포말이 형성된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 프로세스들 중 다른 하나 후에, 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 수행될 수도 있다. 가스가 압축된 후에, 가스는 저장조 내에 저장될 수도 있다. 가스가 팽창된 후에, 가스는 주위 분위기로 통기될 수도 있다. 제1 및 제2 열전달 유체는 동일한 액체(예를 들어, 물)를 포함할 수도 있다. 제2 열전달 유체는 발포성 첨가제를 포함할 수도 있다. 제1 열전달 유체의 별개의 액적은 스프레이에 의해 가스 내로 도입될 수도 있다. 제1 열전달 유체의 별개의 액적과 가스 사이의 열교환은 프로세스를 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 가스와 제2 열전달 유체 사이의 포말 내의 열교환은 프로세스를 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 포말은 실린더 내에서 가스와 제2 열전달 유체를 혼합함으로써 형성될 수도 있다. 포말은 실린더 외부에서 가스와 제2 열전달 유체를 혼합함으로써 형성될 수도 있고, 이어서 포말은 실린더 내에 전달될 수도 있다. 포말의 평균 셀 크기 및/또는 셀 크기의 균일도는 포말이 실린더에 진입하기 전에 변경될 수도 있다. 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함할 수도 있다. 실린더 내에서 가스를 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘(예를 들어, 크랭크샤프트) 및/또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템을 구동할 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말의 공동 분율은 가스 내로의 제2 열전달 유체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 가스의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 실린더 조립체와, 저장조와, 혼합 챔버와 바이패스 도관을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 저장조는 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된다. 혼합 챔버는 실린더 조립체 및 저장조에 선택적으로 유동 연결되고, 혼합 챔버는 (i) 저장조로부터 가스를 수용하고, (ii) 가스를 열전달 액체와 혼합하여 포말을 형성하고, (iii) 포말을 실린더 조립체에 전달한다. 바이패스 도관은 실린더 조립체를 저장조에 직접적으로 선택적으로 유동 연결하고, 실린더 조립체로부터의 가스 및/또는 포말을 혼합 챔버를 횡단하지 않고 저장조에 전달한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 혼합 챔버는 (i) 가스를 전달하기 위한 제1 도관 및 (ii) 열전달 액체를 전달하기 위한 제1 도관과는 상이한 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 포말의 적어도 하나의 특성(예를 들어, 포말 셀 크기 및/또는 포말 셀 크기 균일도)을 변경하기 위한 메커니즘이 혼합 챔버 내에 배치될 수도 있다. 메커니즘은 스크린 및/또는 초음파 에너지의 소스를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말 생성 메커니즘이 혼합 챔버 내에 배치될 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것을 위한 제2 실린더 조립체를 포함할 수도 있다. 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구가 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 시스템은 실질적으로 등온 압축 및/또는 실질적으로 등온 팽창을 실린더 조립체 내에서 시행하기 위해 실린더 조립체 및/또는 혼합 챔버를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체 및/또는 혼합 챔버 내의 압력을 검출하기 위한 센서를 포함할 수도 있고, 제어 시스템은 센서에 응답할 수도 있다. 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 혼합 챔버 내로의 열전달 액체의 유량을 제어할 수도 있다. 순환 장치(예를 들어, 가변 속도 펌프와 같은 펌프)가 열전달 액체를 혼합 챔버에 전달할 수도 있다. 가동 경계 메커니즘이 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리할 수도 있다. 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트가 경계 메커니즘에 기계적으로 결합될 수도 있다. 모터/발전기가 크랭크샤프트에 결합될 수도 있다. 저장조는 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 실린더 조립체와, 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된 저장조와, 저장조 내에서, 가스와 열전달 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 생성하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 포말의 적어도 하나의 특성(예를 들어, 포말 셀 크기 및/또는 포말 셀 크기 균일도)을 변경하기 위한 메커니즘이 저장조와 실린더 조립체 사이에 배치될 수도 있다. 메커니즘은 스크린 및/또는 초음파 에너지의 소스를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하고 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 제2 실린더 조립체를 포함할 수도 있다. 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구가 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 시스템은 실질적으로 등온 압축 및/또는 실질적으로 등온 팽창을 그 내부에서 시행하도록 실린더 조립체를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 검출하기 위한 센서를 포함할 수도 있고, 제어 시스템은 센서에 응답할 수도 있다. 순환 장치(예를 들어, 가변 속도 펌프)가 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘에 전달할 수도 있다. 도관이 저장조의 저부 영역을 포말 생성 메커니즘과 선택적으로 유동 연결할 수도 있다. 도관은 저장조의 외부로 연장할 수도 있다. 가동 경계 메커니즘이 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리할 수도 있다. 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트가 경계 메커니즘에 기계적으로 결합될 수도 있다. 모터/발전기가 크랭크샤프트에 결합될 수도 있다. 저장조는 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 실린더 조립체와, 저장조와, 실린더 조립체 내에 배치되고, 실린더 조립체 내의 가스 내로 열전달 액체의 도입을 경유하여 포말을 생성하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 실린더 조립체는 (i) 가스를 전달하기 위한 제1 도관 및 (ii) 제1 도관과 상이하고, 포말 생성 메커니즘에 열전달 액체를 전달하기 위한 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 연결된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 포함할 수도 있다. 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구가 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 시스템은 실질적으로 등온 압축 및/또는 실질적으로 등온 팽창을 그 내부에서 시행하도록 실린더 조립체를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 시스템은 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도를 검출하기 위한 센서를 포함할 수도 있고, 제어 시스템은 센서에 응답할 수도 있다. 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 포말 생성 메커니즘을 통한 열전달 액체의 유량을 제어할 수도 있다. 순환 장치(예를 들어, 가변 속도 펌프와 같은 펌프)가 제2 도관 내에 열전달 액체를 전달할 수도 있다. 가동 경계 메커니즘이 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리할 수도 있다. 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트가 경계 메커니즘에 기계적으로 결합될 수도 있다. 모터/발전기가 크랭크샤프트에 결합될 수도 있다. 저장조는 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 실린더 조립체와, 가스와 제1 열전달 액체의 별개의 액적 사이의 열교환을 위해 실린더 조립체 내의 제1 열전달 액체의 별개의 액적을 도입하기 위한 스프레이 메커니즘과, 스프레이 메커니즘으로부터 별개로, 실린더 조립체 내에서 가스와 제2 열전달 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 생성하고 그리고/또는 도입하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 및 제2 열전달 액체는 동일한 액체(예를 들어, 물)를 포함할 수도 있다. 제2 열전달 액체는 발포성 첨가제를 포함할 수도 있다. 스프레이 메커니즘은 스프레이 헤드 및/또는 스프레이 로드를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축 가스의 저장을 위한 저장조(예를 들어, 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번)가 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 팽창된 가스를 주위 분위기로 배출하기 위한 통기구가 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다.
다른 태양에서, (i) 상이한 압력 범위에 걸쳐 각각, 압축에 의해 에너지를 저장하고 그리고/또는 팽창에 의해 에너지를 회수하기 위한 복수의 실린더 조립체와, (ii) 실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결된, 제1 열전달 액체의 별개의 액적을 그 내부에 도입하기 위한 스프레이 메커니즘과, (iii) 실린더 조립체들 중 다른 하나에 선택적으로 유동 연결된, 가스와 제2 열전달 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 그 내부에서 생성 및/또는 도입하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 및 제2 열전달 액체는 동일한 액체(예를 들어, 물)를 포함할 수도 있다. 제2 열전달 액체는 발포성 첨가제를 포함할 수도 있다. 스프레이 메커니즘은 스프레이 헤드 및/또는 스프레이 로드를 포함하거나 본질적으로 포함할 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축된 가스의 저장을 위한 저장조(예를 들어, 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번)가 실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 팽창된 가스를 주위 분위기로 배출하기 위한 통기구가 실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 특징은 에너지 회수 방법을 특징으로 한다. 펌핑 실린더 내에서 피스톤이 구동되어 그로부터 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘으로 전달한다. 압축된 가스가 실린더 조립체 또는 포말 생성 메커니즘에 전달된다. 포말 생성 메커니즘을 경유하여, (i) 포말이 열전달 액체와 압축된 가스를 혼합함으로써 형성되고, (ii) 포말은 실린더 조립체 내에 도입된다. 포말은 실린더 조립체 내에서 팽창되고, 팽창은 실린더 조립체 내에서 피스톤을 구동한다. 팽창된 포말의 적어도 일부는 실린더 조립체로부터 배출된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 압축 가스는 제1 저장조로부터 실린더 조립체로 전달될 수도 있다. 열전달 액체가 제2 저장조로부터 펌핑 실린더로 전달될 수도 있다. 제1 및 제2 저장조는 동일한 저장조일 수도 있다. 팽창된 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 액체 성분은 제1 저장조로 전달될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 수행될 수도 있다. 제2 저장조는 제1 저장조와는 분리되고 별개일 수도 있다. 제1 저장조 내의 저장 압력은 제2 저장조 내의 저장 압력(예를 들어, 대략적으로 대기압일 수도 있음)보다 높을 수도 있다. 팽창된 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리도리 수도 있다. 액체 성분은 제2 저장조로 전달될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 수행될 수도 있다. 열전달 액체는 열전달 액체가 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 열적으로 조절될 수도 있다(즉, 가열되거나 냉각됨). 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치될 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 외부에 배치되고 도관에 의해 그에 연결될 수도 있다. 펌핑 실린더 및 실린더 조립체 내의 피스톤은 동시에 구동될 수도 있다. 팽창된 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 수행될 수도 있다. 실린더 조립체로부터 팽창된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 팽창된 포말의 가스부를 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더 조립체로부터 팽창된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 팽창된 포말 또는 그 가스부를 그 추가의 팽창을 위해 제2 실린더 조립체에 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말의 공동 분율은 포말 생성 메커니즘으로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 실린더 및/또는 포말 생성 메커니즘 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지 저장 방법을 특징으로 한다. 펌핑 실린더 내의 피스톤이 구동되어 그로부터 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘에 전달한다. 가스가 실린더 조립체 또는 포말 생성 메커니즘에 전달된다. 포말 생성 메커니즘을 경유하여, (i) 포말이 열전달 액체를 압축 가스와 혼합함으로써 형성되고 (ii) 포말은 실린더 조립체 내에 도입된다. 실린더 조립체 내에서 피스톤은 구동되어 실린더 조립체 내의 포말을 압축한다. 압축된 포말의 적어도 일부는 실린더 조립체로부터 배출된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말을 제1 저장조로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분을 제1 저장조로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말의 액체 성분을 제2 저장조로 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 및 제2 저장조는 동일한 저장조일 수도 있다. 제2 저장조는 제1 저장조로부터 분리되고 별개일 수도 있다. 제1 저장조 내의 저장 압력은 제2 저장조 내의 저장 압력(예를 들어, 대략 대기압일 수도 있음)보다 높을 수도 있다. 열전달 액체는 열전달 액체가 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 열적으로 조절될 수도 있다(즉, 가열되거나 냉각됨). 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치될 수도 있다. 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 외부에 배치되고 도관에 의해 그에 연결될 수도 있다. 펌핑 실린더 및 실린더 조립체 내의 피스톤은 동시에 구동될 수도 있다. 압축된 포말의 적어도 일부는 가스 및 액체 성분으로 분리될 수도 있다. 분리는 기계적 분리(예를 들어, 블레이드, 전단기, 배플 및/또는 원심 분리기에 의해) 및/또는 초음파 에너지의 인가를 경유하여 수행될 수도 있다. 가스는 주위 분위기로부터 실린더 조립체로 또는 포말 생성 메커니즘으로 전달될 수도 있다. 가스는 제2 실린더 조립체 내의 가스의 압축 후에 제2 실린더 조립체로부터 실린더 조립체로 또는 포말 생성 메커니즘으로 전달될 수도 있다. 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택될 수도 있다. 포말의 공동 분율은 포말 생성 메커니즘으로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제어될 수도 있다. 실린더 및/또는 포말 생성 메커니즘 내의 압력 및/또는 온도가 감지될 수도 있고, 전달율은 그에 응답하여 제어될 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 팽창 중 적어도 하나를 위한 제1 실린더 조립체와, 에너지를 저장하기 위한 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 팽창 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 제1 실린더 조립체는 (i) 제1 실린더, (ii) 제1 실린더 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 제1 실린더로부터 열전달 유체를 순환하기 위한 제1 펌핑 메커니즘 및 (iii) 포말을 형성하기 위해 열전달 유체와 가스를 혼합하고 포말을 제1 실린더 내에 도입하기 위한 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 제2 실린더 조립체는 (i) 제2 실린더, (ii) 제2 실린더 내에 적어도 부분적으로 배치되고 제1 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결되고, 제2 실린더로부터 열전달 유체를 순환하기 위한 제2 펌핑 메커니즘 및 (iii) 포말을 형성하기 위해 열전달 유체와 가스를 혼합하고 포말을 제2 실린더 내에 도입하기 위한 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하고, 제2 포말 생성 메커니즘은 제1 펌핑 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 펌핑 메커니즘은 제1 실린더 내에 배치되어 제1 실린더를 2개의 격실로 분리하는 제1 피스톤, 제1 피스톤에 결합되고 제1 캐비티를 포함하는 제1 피스톤 로드 및 제1 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고 적어도 제1 실린더의 부분을 통해 연장하는 제1 중공 튜브를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 중공 튜브와 제1 피스톤 로드 사이의 상대 운동은 제1 캐비티 내외로 열전달 유체를 순환할 수도 있다. 제2 펌핑 메커니즘은 제2 실린더 내에 배치되어 제2 실린더를 2개의 격실로 분리하는 제2 피스톤, 제2 피스톤에 결합되고 제1 캐비티를 포함하는 제2 피스톤 로드 및 제2 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고 적어도 제2 실린더의 부분을 통해 연장하는 제2 중공 튜브를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 중공 튜브와 제2 피스톤 로드 사이의 상대 운동은 제2 캐비티 내외로 열전달 유체를 순환할 수도 있다. 제1 및 제2 피스톤 로드는 공통 크랭크샤프트에 기계적으로 결합될 수도 있다. 제1 열교환 서브시스템이 제1 포말 생성 메커니즘으로 순환하는 열전달 유체를 열적으로 조절할 수도 있다. 제1 열교환 서브시스템은 열교환기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 열교환 서브시스템은 제1 포말 생성 메커니즘 및 제2 펌핑 메커니즘에 유동 연결될 수도 있다. 제2 열교환 서브시스템이 제2 포말 생성 메커니즘으로 순환하는 열전달 유체를 열적으로 조절할 수도 있다. 제2 열교환 서브시스템은 열교환기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 열교환 서브시스템은 제2 포말 생성 메커니즘 및 제1 펌핑 메커니즘에 유동 연결될 수도 있다. 가스 및/또는 열전달 유체의 저장을 위한 제1 저장조가 제1 및 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 가스 및/또는 열전달 유체의 저장을 위한 제2 저장조가 제1 및 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 제1 저장조의 저장 압력은 제2 저장조의 저장 압력(대략적으로 대기압일 수도 있음)보다 높을 수도 있다. 제1 및/또는 제2 저장조는 제1 및/또는 제2 펌핑 메커니즘에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 제1 포말 생성 메커니즘은 제1 실린더 내에 배치될 수도 있다. 제1 포말 생성 메커니즘은 제1 실린더의 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결될 수도 있다. 제2 포말 생성 메커니즘은 제2 실린더 내에 배치될 수도 있다. 제2 포말 생성 메커니즘은 제2 실린더 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결될 수도 있다. 제1 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기로 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 및/또는 산포기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 (i) 제1 실린더, 제1 펌핑 메커니즘 및 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제1 실린더 조립체 및 (ii) 제2 실린더, 제2 펌핑 메커니즘 및 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제2 실린더 조립체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 회수 시스템을 이용하는 에너지 회수 방법을 특징으로 한다. 팽창 스트로크가 제1 실린더 조립체로 수행되고, 배기 스트로크가 제2 실린더 조립체로 수행된다. 팽창 스트로크는 (i) 제1 포말 생성 메커니즘에서 열전달 유체와 가스를 혼합하여 포말을 형성하고, (ii) 제1 실린더 내에서 포말을 팽창하고, (iii) 제1 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 배기 스트로크는 (i) 제2 실린더로부터 포말 또는 그 가스 성분을 배출하고, (ii) 제2 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제1 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 배기 스트로크는 제1 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제2 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절(예를 들어, 가열)하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 팽창 스트로크는 제2 실린더 조립체로 수행될 수도 있고, 배기 스트로크는 제1 실린더 조립체로 수행될 수도 있다. 팽창 스트로크는 (i) 제2 포말 생성 메커니즘에서 열전달 유체와 가스를 혼합하여 제2 포말을 형성하고, (ii) 제2 실린더 내에서 제2 포말을 팽창하고, (iii) 제2 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 배기 스트로크는 (i) 제1 실린더로부터 포말 또는 그 가스 성분을 배출하고, (ii) 제1 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제2 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 (i) 제1 실린더, 제1 펌핑 메커니즘 및 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제1 실린더 조립체 및 (ii) 제2 실린더, 제2 펌핑 메커니즘 및 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제2 실린더 조립체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 회수 시스템을 이용하는 에너지 저장 방법을 특징으로 한다. 압축 스트로크가 제1 실린더 조립체로 수행된다. 압축 스트로크는 (i) 제1 실린더 내에서, 제1 포말 생성 메커니즘에 의해 생성된 포말을 압축하는 것과, (ii) 제1 펌핑 메커니즘으로 제2 포말 생성 메커니즘으로 열전달 유체를 펌핑하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 압축 스트로크는 제2 실린더 조립체로 수행된다. 압축 스트로크는 (i) 제2 실린더 내에서, 제2 포말 생성 메커니즘에 의해 생성된 제2 포말을 압축하는 것과, (ii) 제2 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제1 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 흡기 스트로크가 제1 실린더 조립체로 수행될 수도 있다. 흡기 스트로크는 (i) 제1 실린더 내에서 가스를 수용하고, (ii) 제1 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 흡기 스트로크가 제2 실린더 조립체로 수행될 수도 있다. 흡기 스트로크는 (i) 제2 실린더 내에 가스를 수용하는 것과, (ii) 제2 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 실린더 조립체의 압축 스트로크는 제2 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제1 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절(예를 들어, 냉각)하는 것을 포함할 수도 있다. 제2 실린더 조립체의 압축 스트로크는 제1 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제2 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절(예를 들어, 냉각)하는 것을 포함할 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 효율적인 전력 수요 응답을 위한 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 (i) 제1 전력 수요 레벨까지의 수요에 응답하여 전력을 공급하기 위한 제1 에너지 저장 시스템과, (ii) 제1 에너지 저장 시스템에 연결되고, 제1 전력 수요 레벨보다 큰 수요에 응답하여 전력을 공급하기 위한 제2 에너지 저장 시스템과, (iii) 제1 및/또는 제2 에너지 저장 시스템의 적어도 일부를 열적으로 조절하여, 이에 의해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템의 총 효율을 증가시키기 위한 열교환 서브시스템을 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 제1 에너지 저장 시스템은 배터리, 플라이휠 및/또는 울트라캐패시터(ultracapacitor)를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 에너지 저장 시스템은 압축 가스(예를 들어, 포말의 형태의)를 팽창함으로써 전력을 공급하는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 및 제2 에너지 저장 시스템은 전력 그리드에 병렬로 접속될 수도 있다. 제1 전력 수요 레벨은 대략 500 kW일 수도 있다. 열교환 서브시스템은, 제2 에너지 저장 시스템 내에서, (i) 팽창 및/또는 압축을 경험하는 가스를 열적으로 조절하거나 가스와 혼합하여 포말을 형성하기 위한 열전달 유체, (ii) 팽창 및/또는 압축을 경험하는 가스 또는 포말 또는 (iii) 팽창 전에 저장조 내에 저장된 가스 또는 포말을 열적으로 조절하기 위해 제1 에너지 저장 시스템으로부터 열 에너지를 회수할 수도 있다. 열교환 서브시스템은 제1 에너지 저장 시스템과 연관된 제1 열교환기와, (i) 제1 열교환기로부터 분리되고, (ii) 제1 열교환기에 선택적으로 유동 연결 가능한 제2 에너지 저장 시스템과 연관된 제2 열교환기를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제1 열교환기는 제1 라디에이터 및/또는 제1 열 우물에 유동 연결될 수도 있고, 제2 열교환기는 제2 라디에이터 및/또는 제2 열 우물에 유동 연결될 수도 있다.
또 다른 부가적인 태양에서, 본 발명의 실시예는 전력 전달의 방법을 특징으로 한다. 시간 가변 전력 수요 레벨이 검출된다. 전력은 전력 수요 레벨이 임계 레벨 미만이거나 같을 때 제1 에너지 저장 시스템으로부터 공급된다. 전력은 전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 클 때 제2 에너지 저장 시스템으로부터 공급된다. 제1 또는 제2 에너지 저장 시스템 중 적어도 하나의 적어도 일부는 열적으로 조절되어(즉, 가열 또는 냉각됨), 이에 의해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템의 총 효율을 증가시킨다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 전력은 단지 전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 낮거나 같을 때에만 제1 에너지 저장 시스템으로부터 공급될 수도 있다. 전력은 단지 전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 클 때에만 제2 에너지 저장 시스템으로부터 공급될 수도 있다. 열적으로 조절하는 단계는 제1 에너지 저장 시스템으로부터 열 에너지를 회수하고 회수된 열 에너지로 제2 에너지 저장 시스템의 적어도 일부를 열적으로 조절하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 제2 에너지 저장 시스템의 적어도 일부를 열적으로 조절하는 단계는 (i) 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 경험하는 가스를 열적으로 조절하기 위한 또는 가스와 혼합하여 포말을 형성하기 위한 열전달 유체, (ii) 팽창 및/또는 압축을 경험하는 가스 또는 포말 및/또는 (iii) 팽창에 앞서 압축 가스 저장조 내에 저장된 가스 또는 포말을 열적으로 조절하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 전력은 공통 버스 라인을 통해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템으로부터 공급될 수도 있다. 제2 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급하는 단계는 가스 및/또는 포말을 팽창하여 그로부터 에너지를 회수하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수의 방법을 특징으로 한다. 가스가 파워 유닛 내에서 압축된다. 열 우물로부터의 열전달 액체가 압축 전 및/또는 중에 가스 내로 도입되고, 열전달 액체는 압축 중에 가스로부터 열 에너지를 흡수한다. 열전달 액체의 적어도 일부가 열 우물로 재차 전달되어 그 내부에 열 에너지를 저장한다. 그 후에, 가스가 파워 유닛 내에서 팽창된다. 열 우물로부터 열전달 액체가 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 도입되고, 가스는 팽창 중에 열전달 액체로부터 열 에너지를 흡수한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 열전달 액체는 가스 내로 열전달 액체를 스프레이함으로써 가스 내로 도입될 수도 있다. 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 열전달 액체의 적어도 일부를 열 우물로 재차 전달하기 전에, 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 압축 전 및/또는 중에 열전달 액체를 도입하는 단계는 압축을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 열전달 액체를 도입하는 단계는 팽창을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지는 열 우물 내에 저장될 수도 있다. 열 에너지는 열 우물과 주위 환경 사이에 교환될 수도 있다. 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 열 우물과 주위 환경 사이에서 교환될 수도 있다. 압축 전 및/또는 중에 가스 내로 도입된 열전달 액체의 온도는 주위 온도 미만일 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 도입된 열전달 액체의 온도는 주위 온도 초과일 수도 있다. 압축 가스는 압축 후에 저장될 수도 있고, 저장된 압축 가스는 팽창 중에 팽창될 수도 있다. 압축 가스를 저장하는 단계는 상승된 온도에서 열전달 유체를 저장하는 것을 포함할 수도 있다. 저장된 열전달 유체는 열 우물에 전달하여, 이에 의해 그 내부에 열 에너지를 저장하는 단계를 포함할 수도 있다. 팽창된 가스는 팽창 후에 분위기로 통기될 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 그 내부에 열전달 유체를 수용하기 위한 열 우물과 함께 사용을 위해 구성된 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 (i) 그 내에서 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과, (ii) 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘으로서, 메커니즘은 열 우물로의 선택적 유체 연결을 위해 구성되는 메커니즘과, (iii) 가스 내로 도입된 열전달 액체를 열 우물 내로 재차 선택적으로 전달하기 위한 도관과, (iv) 파워 유닛과 열 우물에 열적으로 연결되고, 파워 유닛으로부터 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템을 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 시스템은 열 우물 및 주위 환경으로의 열적 연결을 위해 구성된 환경 열교환 시스템을 포함할 수도 있다. 시스템은 (i) 파워 유닛의 작동 상태를 감지하고 (ii) 단지 파워 유닛이 가스를 팽창하지도 압축하지도 않을 때에만 환경 열교환 시스템을 작동하기 위한 제어 시스템을 포함할 수도 있다. 압축 가스의 저장을 위한 저장조가 파워 유닛에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다. 저장조는 그 사이의 열전달 액체의 유동을 가능하게 하기 위해 열 우물로의 선택적 유동 연결을 위해 구성될 수도 있다. 팽창된 가스를 분위기로 통기하기 위한 통기구가 파워 유닛에 선택적으로 유동 연결될 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스가 파워 유닛 내에서 압축 및/또는 팽창된다. 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에, (i) 열전달 액체기 제1 온도에서 열 우물로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체가 열적으로 조절되어, 이에 의해 이를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 하고, (iii) 열적으로 조절된 열전달 액체가 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 가스와 열적으로 조절된 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 및/또는 팽창이 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 압축 및/또는 팽창 후에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계는 열 우물로부터 별개이고 열 우물에 유동 연결되지 않은 제2 열 우물과 열전달 액체 사이의 열 에너지의 전달을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지는 제2 열 우물 내에 저장될 수도 있다. 열 에너지는 제2 열 우물과 주위 환경 사이에 교환될 수도 있다. 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 제2 열 우물과 주위 환경 사이에서 교환될 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 (i) 그 내에서 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과, (ii) 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과, (iii) 메커니즘에 선택적으로 유동 연결되고, 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 열 우물과, (iv) 열 우물로부터 파워 유닛으로 유동하는 열전달 액체를 열적으로 조절하기 위해 열 우물과 파워 유닛 사이에 연결된 열교환기와, (v) 열교환기와 연관되고 열 우물로부터 별개로, 열전달 유체로부터 열 에너지를 저장하고 그리고/또는 열전달 유체에 열 에너지를 공급하기 위한 제2 열 우물을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 도관이 가스 내로 도입된 열전달 액체를 열 우물 내로 재차 전달할 수도 있다. 파워 유닛으로부터 제2 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템이 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결될 수도 있다. 환경 열교환 시스템이 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결될 수도 있다. 열교환기는 제2 열 우물 내에 배치될 수도 있다.
또 다른 부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스가 파워 유닛 내에서 압축 또는 팽창된다. 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에, (i) 열전달 액체가 제1 온도에서 제1 열 우물로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체가 가스 내로 도입되어 그와 열교환하고, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 한다. 열전달 액체는 제1 열 우물로부터 별개이고 제1 열 우물에 유동 연결되지 않은 제2 열 우물에 제2 온도에서 전달된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 및/또는 팽창을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 열전달 액체를 제2 열 우물에 전달하기 전에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지는 제2 열 우물 내에 저장될 수도 있다. 열 에너지가 주위 환경과 제1 열 우물 및/또는 제2 열 우물 사이에서 교환될 수도 있다. 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환될 수도 있다.
일 태양에서, 본 발명의 실시예는 (i) 그 내부에, 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과, (ii) 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과, (iii) 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, (a) 제1 온도에서 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 제1 열 우물 및 (b) 제1 열 우물과는 별개인, 제1 온도와는 상이한 제2 온도에서 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 제2 열 우물을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 (i) 압축 전 및/또는 중에, 열전달 액체를 (a) 제1 열 우물로부터 가스 내로 그리고 (b) 파워 유닛으로부터 제2 열 우물 내로 유도하고, (ii) 팽창 전 및/또는 중에, 열전달 액체를 (a) 제2 열 우물로부터 가스 내로 그리고 (b) 파워 유닛으로부터 제1 열 우물 내로 유도하기 위한 제어 시스템을 또한 포함한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 파워 유닛으로부터 제2 열 우물 내로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템이 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결될 수도 있다. 환경 열교환 시스템이 제1 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결될 수도 있다. 환경 열교환 시스템이 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결될 수도 있다.
다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스가 파워 유닛 내에서 압축 및/또는 팽창된다. 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중의 적어도 하나에, (i) 열전달 액체가 제1 온도에서 저장조로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체는 열적으로 조절되어, 이에 의해 이를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 하고, (iii) 열적으로 조절된 열전달 액체는 가스 내로 도입되어 그와 열교환하게 된다. 열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계는 열전달 액체와, 제3 온도를 갖는 제1 열 우물로부터 (i) 제1 열 우물과는 별개이고 (ii) 제3 온도와는 상이한 제4 온도를 갖는 제2 열 우물로 유동하는 열 저장 액체 사이에서 열 에너지를 교환하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 열전달 액체 및 열 저장 액체는 열전달 액체의 열적 조절 중에 혼합되지 않을 수도 있다. 가스와 열적으로 조절된 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 및/또는 팽창을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 유체와 가스를 포함하거나 본질적으로 포함하는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 압축 및/또는 팽창 후에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다.
또 다른 태양에서, 본 발명의 실시예는 (i) 그 내부에, 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과, (ii) 압축 및/또는 팽창 전 및/또는 중에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과, (iii) 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 저장조와, (iv) 저장조로부터 파워 유닛으로 유동하는 열전달 액체를 열적으로 조절하기 위해 저장조와 파워 유닛 사이에 연결된 열교환기와, (v) 열교환기와 연관되고 저장조와 유동 연결되지 않는, (a) 제1 온도에서 열 저장 액체를 수용하기 위한 제1 열 우물 및 (b) 제1 온도와는 상이한 제2 온도에서 열 저장 액체를 수용하기 위한 제2 열 우물로서, 제1 및 제2 열 우물 사이의 열 저장 액체의 유동은 열전달 유체를 열적으로 조절하는 제2 열 우물을 포함하거나 본질적으로 이루어지는 에너지 저장 및 회수 시스템을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 도관이 가스 내에 도입된 열전달 액체를 저장조 내로 재차 전달할 수도 있다. 파워 유닛으로부터 제2 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템이 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결될 수도 있다. 환경 열교환 시스템이 제1 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결될 수도 있다. 환경 열교환 시스템이 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결될 수도 있다.
부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스는 파워 유닛 내에서 압축된다. 압축 전 및/또는 중에, (i) 열전달 액체는 제1 온도에서 액체 저장조로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체는 가스 내로 도입되어 그와 열교환하게 하고, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되게 한다. 제2 온도에서 열전달 액체와 압축된 가스의 모두는 압축 가스 저장조로 전달된다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 제2 온도에서 열전달 액체 및 압축 가스의 모두를 압축 가스 저장조로 전달하는 단계는 압축 가스 저장조에 포말을 전달하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
방법은 (i) 압축 가스 저장조로부터 파워 유닛에 압축된 가스를 전달하는 단계, (ii) 전력 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계, (iii) 팽창 전 및/또는 중에, (a) 제3 온도에서 압축 가스 저장조로부터 열전달 액체를 배출하고, (b) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계로서, 열교환은 열전달 액체를 제3 온도보다 낮은 제4 온도가 되게 하는 열교환 단계, 및 (iv) 열전달 액체를 액체 저장조로 전달하는 단계를 포함할 수도 있다. 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 팽창을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 열전달 액체를 액체 저장조로 전달하기 전에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지는 압축 가스 저장조 내에 저장될 수도 있다. 열 에너지가 주위 환경과 압축 가스 저장조 사이에 교환될 수도 있다. 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환될 수도 있다.
또 다른 부가의 태양에서, 본 발명의 실시예는 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 및/또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창을 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법을 특징으로 한다. 가스는 파워 유닛 내에서 압축된다. 압축 전 및/또는 중에, (i) 열전달 액체가 제1 온도에서 제1 열 우물로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체는 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 되고, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되게 한다. 압축된 가스는 압축 가스 저장조로 전달된다. 제2 온도에서 열전달 액체는 압축 가스 저장조 및/또는 제1 열 우물과는 별개의 제2 열 우물로 전달될 수도 있다.
방법은 (i) 압축 가스 저장조로부터 파워 유닛으로 압축 가스를 전달하는 단계, (ii) 파워 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계, (iii) 팽창 전 및/또는 중에, (a) 압축 가스 저장조 또는 제2 열 우물 중 적어도 하나로부터 열전달 액체를 배출하고, (b) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열을 교환하는 단계 및 (iv) 열전달 액체를 제1 열 우물에 전달하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 임의의 다양한 상이한 조합으로 이하의 것 중 하나 이상을 합체한다. 파워 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계는 상이한 압력 범위에 각각 걸친 제1 스테이지 및 제2 스테이지에서 압축 가스를 팽창하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열전달 액체는 제1 스테이지에서 팽창 전 및/또는 중에 압축 가스 저장조로부터 배출될 수도 있다. 열전달 액체는 제2 스테이지에서 팽창 전 및/또는 중에 제2 열 우물로부터 배출될 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 팽창을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 팽창 전 및/또는 중에 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 열전달 액체를 제1 열 우물에 전달하기 전에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 단계는 상이한 압력 범위에 각각 걸친 제1 스테이지 및 제2 스테이지에서 가스를 압축하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 열전달 액체는 제1 스테이지에서 압축 후 또는 중에 압축 가스 저장조에 전달될 수도 있다. 열전달 액체는 제2 스테이지에서 압축 후 또는 중에 제2 열 우물에 전달될 수도 있다. 압축 전 및/또는 중에 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축을 실질적으로 등온이 되게 할 수도 있다. 압축 전 및/또는 중에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 압축 전 및/또는 중에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말을 형성할 수도 있다. 포말의 적어도 일부는 제2 온도에서 열전달 액체를 압축 가스 저장조 및/또는 제1 열 우물과는 별개의 제2 열 우물로 전달하기 전에 가스와 열전달 액체로 분리될 수도 있다. 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지가 제2 열 우물 내에 저장될 수도 있다. 열 에너지가 주위 환경과 제1 열 우물 및/또는 제2 열 우물 사이에 교환될 수도 있다. 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환될 수도 있다.
이들 및 다른 목적은 본 발명의 장점 및 특징과 함께, 이하의 상세한 설명, 첨부 도면 및 청구범위의 참조를 통해 더 명백해질 것이다. 더욱이, 본 명세서에 설명된 다양한 실시예의 특징은 서로 배타적인 것은 아니고, 다양한 조합 및 치환으로 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "파이프", "파이핑" 등은 2개의 점 사이에 가스 또는 액체를 전달하도록 정격화된 하나 이상의 도관을 칭할 수도 있다. 따라서, 단수 용어는 적절한 경우에 복수의 평행 도관을 포함하도록 취해져야 한다. 본 명세서에서, 달리 지시되지 않으면, 용어 "액체"와 "물"은 임의의 거의 또는 실질적으로 비압축성 액체를 상호 교환 가능하게 의미하고, 용어 "가스" 및 "공기"는 상호 교환 가능하게 사용되고, 용어 "유체"는 액체, 가스 또는 액체와 가스의 혼합물(예를 들어, 포말)을 칭할 수도 있다. 본 명세서에 사용될 때, 달리 지시되지 않으면, 용어 "대략적으로" 및 "실질적으로"는 ±10%를 의미하고, 몇몇 실시예에서는, ±5%를 의미한다. "밸브"는 유체 경로 또는 저장조 사이의 유체 연통을 제어하기 위한 또는 제어 또는 통기를 선택적으로 허용하기 위한 임의의 메커니즘 또는 구성 요소이다. 용어 "실린더"는 균일하지만 반드시 원형 단면일 필요는 없는 챔버를 칭하고, 이는 챔버의 일 측면의 유체를 다른 측면 상의 유체로부터 분리하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤 또는 다른 메커니즘을 포함할 수도 있어, 챔버의 일 측면으로부터 다음 측면 또는 챔버의 외부의 메커니즘으로 힘/압력의 전달을 허용하면서 챔버의 일 측면으로부터 다른 측면으로의 유체 이동을 방지한다. 챔버의 2개의 단부 중 적어도 하나는 본 명세서에서 "헤드"라 또한 칭하는 단부캡에 의해 폐쇄될 수도 있다. 본 명세서에 이용될 때, "단부캡"은 반드시 실린더의 잔여부로부터 별개의 또는 분리 가능한 구성 요소일 필요는 없지만, 실린더의 단부 부분 자체를 칭할 수도 있다. 로드, 밸브 및 다른 장치가 단부캡을 통해 통과할 수도 있다. "실린더 조립체"는 간단한 실린더이거나 다수의 실린더를 포함할 수도 있고, 부가의 연관된 구성 요소(실린더들 사이의 기계적 링크 장치와 같은)를 갖거나 갖지 않을 수도 있다. 실린더의 샤프트는 '678 및 '842 특허에 설명된 바와 같이, 이후에 전기적 부하(예를 들어, 전력 전자 기기 및/또는 그리드 또는 다른 부하에 직접 부착된 회전형 또는 선형 전기 모터/발전기)에 결합되는 기계적 부하(예를 들어, 유압 모터/펌프 또는 크랭크샤프트)에 유압식으로 또는 기계적으로 결합될 수도 있다. 본 명세서에 사용될 때, 열교환 유체의 "열적 조절"은 열교환 유체가 열 에너지를 교환하는 가스와의 상호 작용으로부터 발생하는 열교환 유체의 온도의 임의의 수정을 포함하지 않고, 오히려 이러한 열적 조절은 일반적으로 다른 수단(예를 들어, 외부 열교환기)에 의한 열교환 유체의 온도의 수정을 칭한다. 용어 "열교환" 및 "열전달"은 일반적으로 본 명세서에 상호 교환 가능하게 이용된다. 달리 지시되지 않으면, 본 명세서에 설명된 모터/펌프는 이들이 양자 모두가 아니라 단지 모터 또는 펌프로서 시스템 작동 중에 이용되면 모터와 펌프의 모두로서 기능하도록 구성되도록 요구되지 않는다. 본 명세서에 설명된 가스 팽창은 연소의 결여시에 수행될 수도 있다(예를 들어, 내연 실린더의 작동에 대조적으로).
도면에서, 유사한 도면 부호는 일반적으로 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다. 실린더, 로드 및 다른 구성 요소는 공압 및 유압 실린더의 기술 분야에 친숙한 모든 숙련자에게 이해 가능할 것인 방식으로 단면도로 도시되어 있다. 또한, 도면은 반드시 실제 축적대로 도시되어 있는 것은 아니고, 대신에 본 발명의 원리를 예시할 때에 강조가 일반적으로 부여되어 있다. 이하의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예가 이하의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 공기 에너지 저장 및 회수 시스템의 주요 구성 요소의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 다중 실린더 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더의 외부의 포말의 생성을 위한 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포말 생성 장치를 바이패스함으로써 실린더 및 설비의 외부의 포말의 생성을 위한 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더의 외부의 용기 내의 포말의 생성을 위한 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더의 내부의 포말의 생성을 위한 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더의 외부의 포말의 생성 및 분리를 위한 2개의 실린더 및 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 등온 가스 팽창시의 액적 스프레이의 에너지 성능에 대한 실험 데이터의 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 등온 가스 팽창시의 포말의 에너지 성능에 대한 실험 데이터의 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 등온 가스 압축시의 액적 스프레이의 에너지 성능에 대한 실험 데이터의 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 등온 가스 압축시의 포말의 에너지 성능에 대한 실험 데이터의 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 사이클 중에 실린더 내에 발포성 액체를 도입하는 2개의 방법에 대해 계산된 스프레이 압력의 그래프이다.
도 15는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 포말 질량비의 범위에 걸친 압축을 위해 계산된 최종 액체 온도 및 최종 압축 압력의 그래프이다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 포말 질량비의 범위를 위해 요구된 바와 같이 계산된 부가의 저장 공간의 그래프이다.
도 17은 비발포성 스프레이를 갖는 유사한 압축의 등온 효율에 비교할 때, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포말을 사용하는 가스 팽창 압축의 등온 효율에 대한 실험 데이터의 플롯이다.
도 18은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 3개의 상이한 질량비를 갖는 포말의 생성 및 분리를 위한 2개의 실린더 및 장치를 갖는 실린더 조립체의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비교적 낮은 질량비를 갖는 포말의 생성을 위한 장치의 개략도이다.
도 20은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비교적 높은 질량비를 갖는 포말의 생성 및 분리를 위한 장치의 개략도이다.
도 21은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비교적 낮은 질량비를 갖는 포말의 생성을 위한 장치의 개략도이다.
도 22는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 중간 질량비를 갖는 포말의 생성을 위한 장치의 개략도이다.
도 23은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 24a 및 도 24b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액체 펌프로서 부가적으로 기능하는 공압 실린더의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 25는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 액체 펌프로서 부가적으로 기능하는 2개의 공압 실린더를 채용하는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 26은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더 헤드 내의 2개의 포핏 밸브의 개략도이다.
도 27은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 28은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시스템 내의 선택된 시간 및 온도 관계를 도시하는 그래프를 동반하는, 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 29는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 압축 가스 에너지 저장 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 30은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 외부 열교환기를 갖는 압축 가스 저장 용기의 개략도이다.
도 31은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 내부 열교환기를 갖는 압축 가스 저장 용기의 개략도이다.
도 32는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이들 주위에 순환하는 유체에 의해 가온 또는 냉각된 압축 가스 저장 용기의 개략도이다.
도 33은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 이들 주위에 순환하는 액체에 의해 가온 또는 냉각된 압축 가스 저장 용기의 개략도이다.
도 34는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 외부 열교환기를 갖는 압축 가스 및 열교환 액체를 저장하는 캐번(cavern)의 개략도이다.
도 35는 발전 설비로부터의 폐열이 시스템 내의 팽창 전 및/또는 중에 저장된 압축 가스를 가열하는데 사용되는 용례를 도시하고 있는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 에너지 저장 및 회수 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 36 및 도 37은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 실린더 조립체 및 하나 이상의 팽창기, 압축기 또는 팽창기/압축기를 구비하는 에너지 저장 및 회수 시스템의 개략도이다.
도 38은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 그 내부의 포말의 형성을 위해 설치된 부스터 펌프의 개략도이다.
도 39 내지 도 44는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 가스의 팽창 및/또는 압축을 위한 실린더 조립체, 뿐만 아니라 하나 이상의 열 우물을 특징으로 하는 다양한 시스템의 개략도이다.
도 45 및 도 46은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 고전력, 단주기 에너지 저장 디바이스가 압축 가스 에너지 저장 시스템과 평행하게 접속되어 있는 에너지 저장 및 회수 시스템의 다양한 구성 요소의 개략도이다.
도 47은 예시적인 24시간 기간 동안 전기 공급 및 수요의 예시적인 플롯이다.
도 48은 도 47의 24시간 기간 동안의 전기 공급 및 수요시에, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 조합형 고전력, 단주기 에너지 저장 디바이스 및 압축 가스 에너지 저장 시스템의 응답의 예시적인 플롯이다.
도 49는 도 47의 24시간 기간 동안 본 발명의 다양한 실시예에 따른 조합형 고전력, 단주기 에너지 저장 디바이스 및 압축 가스 에너지 저장 시스템의 충전 상태의 예시적인 플롯이다.
도 50은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 예시적인 전력 발전 및 소비 네트워크 또는 그리드의 개념도이다.
도 1은 에너지의 저장 및 방출을 위한, 달리 도시되지 않은 더 대형의 시스템의 부분일 수도 있는 예시적인 시스템(100)을 도시한다. 이후의 도면은 이러한 시스템에 대한 본 발명의 실시예의 용례를 명백하게 설명할 것이다. 도 1에 도시된 시스템(100)은 가스를 압축하고 팽창하기 위한 조립체(101)를 특징으로 한다. 팽창/압축 조립체(101)는 가스를 팽창하거나 압축하기 위한 하나 이상의 개별 디바이스(예를 들어, 가동 경계 메커니즘을 각각 수용할 수도 있는 터빈 또는 실린더 조립체) 또는 다단형 일련의 이러한 디바이스, 뿐만 아니라 도 1에 명시적으로 도시되지 않은 부속 디바이스(예를 들어, 밸브)를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수도 있다.
전기 모터/발전기(102)(예를 들어, 회전형 또는 선형 전기 기계)가 팽창/압축 조립체(101)와 물리적으로 통신한다(예를 들어, 유압 펌프, 피스톤 샤프트 또는 기계적 크랭크샤프트를 경유하여). 모터/발전기(102)는 도 1에 명시적으로 도시되어 있지 않은 전기 에너지의 소스 및/또는 싱크(예를 들어, 하나 이상의 풍력 터빈 또는 태양 전지와 같은 재생 가능 에너지의 소스 또는 전기적 분배 그리드)에 전기적으로 접속될 수도 있다.
팽창/압축 조립체(101)는 팽창/압축 조립체(101)로부터 추출된 유체(즉, 가스, 액체 또는 포말과 같은 가스-액체 혼합물)의 온도 및/또는 압력을 변경하고, 유체의 온도 및/또는 압력의 변경 후에, 그 적어도 일부를 팽창/압축 조립체(101)로 복귀시키는 열전달 서브시스템(104)과 유체 연통할 수도 있다. 열전달 서브시스템(104)은 펌프, 밸브 및 그 열전달 기능 및 팽창/압축 조립체(101)로/로부터의 유체의 전달을 보조하는 다른 디바이스(도 1에는 명시적으로 도시되어 있지 않음)를 포함할 수도 있다. 적절하게 작동되면, 열전달 서브시스템(104)은 팽창/압축 조립체(101) 내부의 가스의 실질적으로 등온 압축 및/또는 팽창을 가능하게 한다.
팽창/압축 조립체(101)에는 조립체(101)와 저장조(112)(예를 들어, 하나 이상의 압력 용기, 파이프 및/또는 캐번) 사이의 유체(예를 들어, 가스)의 유동을 제어하는 제어 밸브(108)를 갖는 파이프(106)가 연결된다. 저장조(112)는 저장조(112)로부터 제거된 유체의 온도 및/또는 압력을 변경하고, 유체의 온도 및/또는 압력의 변경 후에, 유체를 저장조(112)로 복귀시키는 열전달 서브시스템(114)과 유체 연통할 수도 있다. 제어 밸브(118)를 갖는 제2 파이프(116)가 팽창/압축 조립체(101)와 그리고 비교적 낮은 압력(예를 들어, 대기압)에서 일체의 가스와 연통하는 통기구(120)와 유체 연통할 수도 있다.
제어 시스템(122)이 팽창/압축 조립체(101), 저장조(112) 및 시스템(100)의 다른 구성 요소 및 시스템(100) 외부의 소스의 임의의 하나로부터 정보 입력을 수신한다. 이들 정보 입력은 시스템(101)의 구성 요소의 압력, 온도 및/또는 다른 특성의 원격 측정된 측정치를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수도 있다. 본 명세서에서 문자 "T"에 의해 일반적으로 나타내는 이러한 정보 입력은 무선으로 또는 와이어를 통해 제어 시스템(122)에 전송된다. 이러한 전송은 도 1에 점선 124, 126으로 나타낸다.
제어 시스템(122)은 조립체(101) 내의 가스의 실질적으로 등온 압축 및/또는 팽창을 가능하게 하기 위해 밸브(108, 118)를 선택적으로 제어할 수도 있다. 본 명세서에서 문자 "C"에 의해 일반적으로 나타내는 제어 신호는 무선으로 또는 와이어를 통해 밸브(108, 118)에 전송된다. 이러한 전송은 도 1에 쇄선 128, 130으로 나타낸다. 제어 시스템(122)은 또한 열전달 조립체(104, 114) 및 도 1에는 명시적으로 도시되어 있지 않은 다른 구성 요소의 작동을 제어할 수도 있다. 이들 목적을 위한 제어 및 원격 측정 신호의 전송은 도 1에는 명시적으로 도시되어 있지 않다.
제어 시스템(122)은 인간-머신 인터페이스를 갖는 임의의 허용 가능한 제어 디바이스일 수도 있다. 예를 들어, 제어 시스템(122)은 컴퓨터 판독 가능 소프트웨어 매체의 형태의 저장된 제어 애플리케이션을 실행하는 컴퓨터(예를 들어, PC형)를 포함할 수도 있다. 더 일반적으로, 제어 시스템(122)은 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 소정의 조합으로서 실현될 수도 있다. 예를 들어, 제어 시스템(122)은 미국 캘리포니아주 산타클라라 소재의 인텔 코포레이션(Intel Corporation)에 의해 제조되는 펜티엄(Pentium), 코어(Core), 아톰(Atom) 또는 셀러론(Celeron) 패밀리의 프로세서, 미국 일리노이주 샴버그 소재의 모토로라 코포레이션(Motorola Corporation)에 의해 제조되는 680x0 및 파워 피씨(Power PC) 패밀리의 프로세서 및/또는 미국 캘리포니아주 서니베일 소재의 어드밴스드 마이크로 디바이시즈 인크(Advanced Micro Devices, Inc.)에 의해 제조되는 애슬론(ATHLON) 라인의 프로세서와 같은 하나 이상의 프로세서를 내장하는 CPU 보드를 갖는 PC와 같은 하나 이상의 컴퓨터 상에서 구현될 수도 있다. 프로세서는 전술된 방법에 관련하는 프로그램 및/또는 데이터를 저장하기 위한 메인 메모리 유닛을 또한 포함할 수도 있다. 메모리는 하나 이상의 응용 주문형 집적 회로(ASIC), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 전기 소거 가능 프로그램 가능 판독 전용 메모리(EEPROM), 프로그램 가능 판독 전용 메모리(PROM), 프로그램 가능 논리 디바이스(PLD) 또는 판독 전용 메모리 디바이스(ROM)와 같은 상업적으로 입수 가능한 하드웨어 상에 상주하는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM) 및/또는 플래시 메모리를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 프로그램은 광학 디스크, 자기 디스크 또는 다른 저장 디바이스와 같은 외장 RAM 및/또는 ROM을 사용하여 제공될 수도 있다.
제어기(122)의 기능이 소프트웨어에 의해 제공되는 실시예에서, 프로그램은 포트란(FORTRAN), 파스칼(PASCAL), 자바(JAVA), C, C++, C#, 리스프(LISP), 펄(PERL), 베이직(BASIC) 또는 임의의 적합한 프로그래밍 언어와 같은 다수의 고레벨 언어 중 임의의 하나로 기록될 수도 있다. 부가적으로, 소프트웨어는 타겟 디바이스 상에 상주하는 마이크로프로세서에 지향된 어셈블리 언어 및/또는 머신 언어로 구현될 수 있다.
전술된 바와 같이, 제어 시스템(122)은 시스템(100)의 동작의 다양한 태양을 모니터링하는 센서로부터 원격 측정을 수신할 수도 있고, 밸브 액추에이터, 밸브, 모터 및 다른 전기 기계/전자 디바이스를 제어하기 위한 신호를 제공할 수도 있다. 제어 시스템(122)은 유선 또는 무선 통신을 경유하여 이러한 센서 및/또는 시스템(100)의 다른 구성 요소(및 본 명세서에 설명된 다른 실시예)와 통신할 수도 있다. 적절한 인터페이스가 센서로부터의 데이터를 제어 시스템(122)(RS-232 또는 네트워크 기반 상호 접속부와 같은)에 의해 판독 가능한 형태로 변환하는데 사용될 수도 있다. 마찬가지로, 인터페이스는 컴퓨터의 제어 신호를 동작을 수행하기 위해 밸브 및 다른 액추에이터에 의해 사용 가능한 형태로 변환한다. 이러한 인터페이스의 설치, 뿐만 아니라 적합한 제어 프로그래밍은 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백하고, 과도한 실험 없이 제공될 수도 있다.
시스템(100)은 통기구(120)를 통해 유입된 가스를 압축하고 이와 같이 압축된 가스를 저장조(112) 내에 저장하기 위해 작동될 수도 있다. 예를 들어, 초기 작동 상태에서, 밸브(108)는 폐쇄되고, 밸브(118)는 개방되어, 소정량의 가스를 팽창/압축 조립체(101) 내로 유입한다. 원하는 양의 가스가 조립체(101) 내에 유입되어 있을 때, 밸브(118)는 폐쇄될 수도 있다. 도 1에는 명시적으로 도시되어 있지 않은 소스(예를 들어, 전기 그리드)에 의해 공급된 에너지를 채용하는 모터/발전기(102)는 이어서, 팽창/압축 조립체(101)에 기계적 동력을 제공하여, 조립체(101) 내의 가스가 압축될 수 있게 한다.
조립체(101) 내의 가스의 압축 중에, 유체(즉, 가스, 액체 또는 가스-액체 혼합물)는 조립체(101)와 열교환 조립체(104) 사이에서 순환될 수도 있다. 열교환 조립체(104)는 조립체(101) 내의 가스의 실질적으로 등온 압축을 가능하게 하기 위한 이러한 방식으로 작동될 수도 있다. 조립체(101) 내의 가스의 압축 중 또는 후에, 밸브(108)는 개방되어 고압 유체(예를 들어, 압축 가스 또는 액체와 압축 가스의 혼합물)가 저장조(112)로 유동하는 것을 가능하게 할 수도 있다. 열교환 조립체(114)는 저장조(112) 내의 유체의 온도 및/또는 압력을 변경하는 이러한 방식으로 임의의 시간에 작동될 수도 있다.
시스템(100)이 모터/발전기(102)에 에너지를 전달하기 위한 이러한 방식으로 팽창/압축 조립체(101) 내의 저장조(112)로부터 압축 가스를 팽창하기 위해 또한 작동될 수도 있는 것이 또한 공압, 유압 및 전기 기계의 작동과 친숙한 모든 숙련자들에게 명백할 것이다.
도 2는 저장조(222)(도 1에서 112) 및 분위기로의 통기구(223)(도 1에서 120)와 연통하는 실린더 조립체(201)[즉, 도 1의 조립체(101)의 실시예]를 특징으로 하는 예시적인 시스템(200)을 도시한다. 도 2에 도시된 예시적인 시스템(200)에서, 실린더 조립체(201)는 그 내부에 활주 가능하게 배치된 피스톤(202)을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 피스톤(202)은 실린더 조립체(201)를 다수의 챔버로 분할하는 상이한 경계 메커니즘으로 대체되고, 또는 피스톤(202)은 완전히 결여되고, 실린더 조립체(201)는 "액체 피스톤"이다. 실린더 조립체(201)는 예를 들어 2개의 공압 챔버 또는 하나의 공압 챔버와 하나의 유압 챔버로 분할될 수도 있다. 피스톤(202)은 피스톤(202)으로부터 연장하는 유체 출구(212)를 갖는 중심 천공된 유체 통로를 포함할 수도 있는 로드(204)에 연결된다. 로드(204)는 또한 예를 들어 도시되지 않은 기계적 부하(예를 들어, 크랭크샤프트 또는 유압 시스템)에 부착된다. 실린더 조립체(201)는 가스의 실질적으로 등온 압축/팽창을 가능하게 하기 위한 순환 펌프(214) 및 스프레이 메커니즘(210)을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진 열전달 서브시스템(224)과 액체 연통한다. 펌프(214)에 의해 순환된 열전달 유체는 열교환기(203)(예를 들어, 튜브 인 쉘 또는 평행 플레이트형 열교환기)를 통해 통과될 수도 있다. 스프레이 메커니즘(210)은 하나 이상의 스프레이 헤드[예를 들어, 실린더 조립체(201)의 일 단부에 배치됨] 및/또는 스프레이 로드[예를 들어, 실린더 조립체(201)의 중심축의 적어도 일부를 따라 연장함]를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수도 있다. 다른 실시예에서, 스프레이 메커니즘(210)은 생략되고, 액적의 스프레이보다는 포말이 생성되어 실린더 조립체(201) 내의 가스의 압축 및 팽창 중에 액체와 가스 사이의 열교환을 용이하게 한다. 포말은 실린더 조립체(201) 외부의 메커니즘(도시 생략, 이하에 더 상세히 설명됨) 내의 열교환 액체에 의해 가스를 발포하고 이어서 결과적인 포말을 실린더 조립체(201) 내로 주입함으로써 생성될 수도 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 포말은 포말 생성 메커니즘(예를 들어, 스프레이 헤드, 회전 블레이드, 하나 이상의 노즐)을 통해 실린더 조립체(201) 내로 열교환 액체의 분사에 의해 실린더 조립체(201) 내부에서 생성되어, 실린더 조립체(201)의 공압 챔버를 부분적으로 또는 완전히 충전할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 액적 및 포말은 실린더 조립체(201) 내로 동시에 그리고/또는 순차적으로 도입될 수도 있다. 다양한 실시예는 포말의 특성(예를 들어, 기포 크기)을 제어하기 위한 그리고 포말을 파괴하고, 분리하고 그리고/또는 재생성하기 위한 메커니즘(도 2에는 도시되지 않음)을 특징으로 할 수도 있다.
시스템(200)은 저장조(222)와 실린더 조립체(201)와 연통하는 제1 제어 밸브(220)(도 1에서 108) 및 통기구(223)와 실린더 조립체(201)와 연통하는 제2 제어 밸브(221)(도 1에서 118)를 더 포함한다. 제어 시스템(226)(도 1에서 122)이 예를 들어 실린더 조립체(201) 및/또는 저장조(222)로부터의 다양한 시스템 입력(예를 들어, 압력, 온도, 피스톤 위치 및/또는 유체 상태)에 기초하여 밸브(222, 221)의 작동을 제어할 수도 있다. 열전달 유체[액체 또는 펌프(214)에 의해 순환됨]가 파이프(213)를 통해 진입한다. 파이프(213)는, (a) 저압 유체 소스[예를 들어, 통기구(223)가 연결되어 있는 압력에서의 유체 저장조(도시 생략) 또는 열 우물(242)]에 연결되고, (b) 고압 소스[예를 들어, 저장조(222)의 압력에서 유체 저장조(도시 생략)]에 연결되고, (c) 압축 프로세스 중에 저압에 그리고 팽창 프로세스 중에 고압에 선택적으로 연결되고(도시되지 않은 밸브 장치를 사용하여), (d) 연결부(212)를 경유하여 실린더(201) 내의 압력 변화 유체(208)에 연결되고, 또는 (e) 이들 옵션의 몇몇 조합일 수도 있다.
초기 상태에서, 실린더 조립체(201)는 가스(206)[예를 들어, 밸브(221) 및 통기구(223)를 경유하여 실린더 조립체(201)로 도입된 공기] 및 열전달 유체(208)[예를 들어 물 또는 다른 적합한 액체를 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수도 있음]를 포함할 수도 있다. 가스(206)가 실린더 조립체(201)에 진입할 때, 피스톤(202)은 가스(206)를 상승된 압력[예를 들어, 대략 3,000 psi(20.68 MPa)]으로 압축하도록 작동된다. 열전달 유체[반드시 동일한 일체의 열전달 유체(208)는 아님]가 파이프(213)로부터 펌프(214)로 유동한다. 펌프(214)는 '409 출원에 설명되어 있는 바와 같이, 실린더 조립체(201) 내의 압력보다 다소 높은 압력[예를 들어, 최대 대략 3,015 psig(20.79 MPa)]으로 열교환 유체의 압력을 상승시킬 수도 있다. 대안적으로 또는 조합하여, 본 발명의 실시예는 그 전체 기재 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는, 2011년 8월 17일 출원된 미국 특허 출원 제13/211,440호('440 출원)에 상세히 설명된 바와 같이 열교환기 또는 유체 저장조를 통해 단지 비교적 저압 유체만을 통과시킴으로써 실린더 조립체(201) 내의 고압 가스에 열(즉, 열에너지)을 추가하거나, 또는 그로부터 열을 제거한다.
열전달 유체는 이어서 파이프(216)를 통해 송출되고, 여기서 열교환기(203)(여기서, 그 온도가 변경됨)를 통해, 이어서 파이프(218)를 통해 스프레이 메커니즘(210)으로 통과될 수도 있다. 이와 같이 순환된 열전달 유체는 액체 또는 포말을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수도 있다. 스프레이 메커니즘(210)은 도시된 바와 같이 실린더 조립체(201) 내에 배치되고, 저장 용기(222) 또는 통기구(223) 내에 위치되고, 또는 파이프(218) 또는 실린더 조립체를 저장 용기(222) 또는 통기구(223)에 연결하는 파이프와 같은 실린더 조립체 주위의 파이프 또는 매니폴드 내에 위치될 수도 있다. 스프레이 메커니즘(210)은 압축 중에 통기구(223) 또는 연결 파이프 내에서 작동될 수도 있고, 개별 스프레이 메커니즘은 팽창 중에 저장 용기(222) 또는 연결 파이프 내에서 작동될 수도 있다. 스프레이 메커니즘(210)(및/또는 임의의 부가의 스프레이 메커니즘)으로부터의 열전달 스프레이(211) 및/또는 실린더 조립체(101) 내부 또는 외부의 메커니즘으로부터의 포말은 실린더 조립체(201) 내의 가스(206)의 실질적으로 등온 압축을 가능하게 한다.
몇몇 실시예에서, 열교환기(203)는 저압[예를 들어, 실린더 조립체(201) 내의 압축 또는 팽창 스트로크의 최대 압력보다 낮은 압력]에서 열전달 유체를 조절하도록 구성되고, 열전달 유체는 '440 출원에 상세히 설명된 바와 같이, 스트로크들 사이에서 또는 단지 스트로크의 부분 중에 열적으로 조절된다. 본 발명의 실시예는 예를 들어, 그 전체 기재 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 9월 16일 출원된 미국 특허 출원 제13/234,239호('239 출원)에 설명된 바와 같이 실린더 조립체 내부의(예를 들어, 그 피스톤 로드 내에 적어도 부분적으로 배치됨) 펌프(예를 들어, 침지형 보어 펌프, 축류 펌프 또는 다른 인라인식 펌프) 및/또는 비굴곡을 위해 구성된 튜브 또는 스트로우의 사용을 통해 작동 중에 굴곡하는 호스의 사용 없이 열전달 유체의 순환을 위해 구성된다.
압축 스트로크의 종료시에 또는 거의 종료시에, 제어 시스템(226)은 밸브(220)를 개방하여 압축 가스(206)를 저장조(222)에 유입하게 한다. 밸브(220, 221)의 작동은 실린더 조립체(201) 내의 피스톤 위치, 저장 용기(222) 내의 압력, 실린더 조립체(201) 내의 압력 및/또는 실린더 조립체(201) 내의 온도와 같은 제어 시스템(226)으로의 다양한 입력에 의해 제어될 수도 있다.
전술된 바와 같이, 제어 시스템(226)은 예를 들어 실린더 조립체(201) 내로의 가스의 도입 및 외로의 가스의 배기, 압축 및/또는 팽창의 속도 및/또는 감지된 조건들에 응답하여 열교환 서브시스템의 동작에 대한 제어를 경유하여, 실질적으로 등온 작동, 즉 실린더 조립체(201)의 가스의 팽창 및/또는 압축을 실시할 수도 있다. 예를 들어, 제어 시스템(226)은 실린더 조립체(201) 내의 가스 및/또는 열교환 유체의 온도를 측정하기 위해 실린더 조립체(201) 내에 또는 상에 배치된 하나 이상의 센서에 응답하여, 감지된 온도 편차를 실시간으로 보상하기 위해 전술된 시스템 구성 요소 중 하나 이상을 작동하는 제어 신호를 발행함으로써 온도의 편차에 응답할 수도 있다. 예를 들어, 실린더 조립체(201) 내의 온도 증가에 응답하여, 제어 시스템(226)은 열교환 유체(208)의 스프레이(211)의 유량을 증가시키기 위한 명령을 발행할 수도 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 실린더 조립체(201)(또는 그 챔버)는 제2 실린더의 공압 챔버와 유체 연통하는 시스템에 적용될 수도 있다(예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이). 이 제2 실린더는 이어서 제3 실린더 등과 유사하게 연통할 수도 있다. 임의의 수의 실린더가 이 방식으로 결합될 수도 있다. 이들 실린더는 병렬 또는 직렬 구성으로 연결될 수도 있는데, 여기서 압축 및 팽창이 다단으로 행해진다.
열교환기(203)의 유체 회로는 물, 냉각제 혼합물, 수성 포말 또는 임의의 다른 허용 가능한 열교환 매체로 충전될 수도 있다. 대안 실시예에서, 공기 또는 냉매와 같은 가스가 열교환 매체로서 사용된다. 일반적으로, 유체는 폐루프 또는 개루프에서 이러한 유체의 대형 저장조에 도관에 의해 안내된다. 개루프의 일 예는 주위 물이 흡인되고 배출수가 예를 들어 강의 하류의 상이한 위치로 전달되는 우물 또는 수체(body of water)이다. 폐루프 실시예에서, 냉각 타워가 열교환기로의 복귀를 위해 공기를 통해 물을 순환할 수도 있다. 마찬가지로, 물은 다른 사이클을 위한 열교환기로 복귀하기 전에 유체 유동을 주위 온도로 복귀시키도록 역 열교환이 발생하는 연속적인 파이핑의 침지된 또는 매립된 코일을 통해 통과할 수도 있다.
다양한 실시예에서, 열교환 유체는 '731 특허에 설명되어 있는 바와 같이, 열교환기(203)의 외부 열교환측의 유체 입구(238) 및 유체 출구(240)를 히트-엔진 발전소, 폐열을 갖는 산업 프로세스, 히트 펌프 및/또는 공간 가열 또는 냉각을 필요로 하는 빌딩과 같은 설비에 연결함으로써 가열 또는 냉각 요구를 위해 조정되고(즉, 예열되고 그리고/또는 미리 냉각됨) 또는 사용된다. 대안적으로, 열교환기(203)의 외부 열교환측은 도 2에 도시된 바와 같이 열 우물(242)에 연결될 수 있다. 열 우물(242)은 시스템과 함께 사용을 위한 일정 온도 열 유체 소스로서 작용하는 대형 물 저장조를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 대안적으로, 물 저장조는 전술된 바와 같이, 설비 내에 내장된 다른 열교환기를 경유하여 산업 프로세스 등으로부터 폐열에 열적으로 결합될 수도 있다. 이는 열교환 유체가 에너지 저장/변환 시스템 내의 가열/냉각 매체로서 이후의 사용을 위해, 구성에 따라, 열교환 유체가 결합된 프로세스로부터/프로세스로 열을 획득하거나 축출하게 한다. 대안적으로, 열 우물(242)은 열 우물(242)이 에너지 저장 매체의 단일 바디를 포함하는 시스템과 비교할 때 시스템(200)의 에너지를 증가시키기 위해, 대조적인 에너지 상태에서 통상적으로 유지되는 2개 이상의 에너지 저장 매체의 바디, 예를 들어 고온수 열 우물 및 저온수 열 우물을 포함할 수도 있다. 물 이외의 저장 매체가 열 우물(242)에 이용될 수도 있고, 온도 변화, 위상 변화 또는 양자 모두가 에너지를 저장하고 방출하기 위해 열 우물(242)의 저장 매체에 의해 이용될 수도 있다. 분위기, 지면 및/또는 환경의 다른 구성 요소로의 열 또는 유체 링크(도시 생략)가 또한 시스템(200) 내에 포함될 수도 있어, 질량, 열 에너지 또는 양자 모두가 열 우물(242)에 추가되거나 그로부터 제거될 수 있게 한다. 더욱이, 도 2에 도시된 바와 같이, 열전달 서브시스템(224)은 열 우물(242)과 직접 유체를 상호 교환하지 않지만, 다른 실시예에서, 유체는 유체들 사이의 분리를 유지하는 어떠한 열교환기도 갖지 않고 열전달 서브시스템(224)과 열 우물(242) 사이에 직접 통과된다.
도 3은 기계적 에너지를 압축 가스의 포텐셜 에너지로 효율적으로 변환(즉, 저장)하고, 다른 작동 모드에서 압축 가스의 포텐셜 에너지를 기계적 일로 효율적으로 변환(즉, 회수)하기 위해 공압 실린더(302)를 채용하는 예시적인 시스템(300)의 주요 구성 요소의 개략도이다. 공압 실린더(302)는 실린더(302)의 내부를 말단 챔버(306) 및 기단 챔버(308)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(304)을 포함할 수도 있다. 연관된 파이프(312) 및 양방향성 밸브(316)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)은 원하는 바에 따라 고압 저장조(320)로부터의 가스가 챔버(306)에 유입하는 것을 가능하게 한다. 연관된 파이프(322) 및 양방향성 밸브(324)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)은 원하는 바에 따라 챔버(306)로부터의 가스가 통기구(326)를 통해 주위 분위기로 배출되는 것을 가능하게 한다. 대안 실시예에서, 통기구(326)는 부가의 더 저압 공압 실린더(또는 실린더의 공압 챔버)에 의해 대체된다. 포트 또는 포트들(도시 생략)은 챔버(308)의 내부가 항상 주위 분위기와 자유롭게 통신하는 것을 가능하게 한다. 대안 실시예에서, 실린더(302)는 이중 작동식이고, 챔버(308)는 챔버(306)와 마찬가지로 다양한 작동 상태에서 유체를 유입 및 배출하기 위해 설치된다. 로드(330)의 말단 단부는 피스톤(304)에 결합된다. 로드(330)는 '678 및 '842 특허에 설명된 바와 같이 선형 기계적 운동을 유용한 일로 변환하기 위해 크랭크샤프트, 유압 실린더 또는 다른 메커니즘에 연결될 수도 있다.
에너지 회수 또는 팽창 작동 모드에서, 저장조(320)는 고압 공기(또는 다른 가스)(332)와 소정량의 열전달 유체(334)로 충전된다. 열전달 유체(334)는 수성 포말 또는 스프레이되거나 다른 방식으로 작동될 때 발포하는 경향이 있는 액체일 수도 있다. 수성 포말의 액체 성분 또는 발포하는 경향이 있는 액체는 2% 내지 5%의 특정 첨가제를 갖는 물을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있고, 이들 첨가제는 또한 부식 방지, 마모 방지(윤활성), 생체 성장 방지(살생물제), 동결점 수정(동결 방지) 및/또는 표면 장력 수정의 기능을 제공할 수도 있다. 첨가제는 미네랄 오일과 같은 윤활 유체의 마이크로 에멀전, 글리콜(예를 들어, 프로필렌 글리콜)과 같은 제제의 용액 또는 가용성 합성제(예를 들어, 에탄올아민)를 포함할 수도 있다. 이러한 첨가제는 액체 표면 장력을 감소시키고 스프레이될 때 상당한 발포를 유도하는 경향이 있다. 미네랄 오일의 마이크로-에멀전으로 부분적으로 이루어지는 Mecagreen 127(미국 미시건주 Condat Corporation으로부터 입수 가능함)과, 가용성 에탄올아민으로 부분적으로 이루어지는 Quintolubric 807-WP(미국 펜실배니아주 Quaker Chemical Corporation으로부터 입수 가능함)와 같은 상업적으로 입수 가능한 유체가 물 내에서 대략 5% 용액으로 사용될 수도 있다. 프로필렌 글리콜로 부분적으로 이루어지는 Cryo-tek 100/Al(미국 뉴저지주 Hercules Chemical Company로부터 입수 가능함)을 포함하는 다른 첨가제가 더 높은 농도(물 내에서 50% 용액과 같은)에서 사용될 수도 있다. 이들 유체는 스프레이되는 동안 발포를 향상시키고 저장조 내에 있을 때 소포(defoaming)를 가속하도록 더 수정될 수도 있다.
열전달 유체(334)는 높은 입구 압력, 낮은 전력 소비 펌프(336)('731 특허에 설명된 것과 같은)를 경유하여 저장조(320) 내에서 순환될 수도 있다. 다양한 실시예에서, 유체(334)는 저장조(320)의 저부로부터 파이핑(338)을 경유하여 제거되고, 펌프(336)를 경유하여 열교환기(340)를 통해 순환되고, 파이핑(342) 및 스프레이 헤드(344)(또는 다른 적합한 메커니즘)를 경유하여 저장조(320)의 상부 내로 재차 도입될 수도 있다(예를 들어, 스프레이됨). 가스의 제거 또는 첨가[예를 들어, 파이프(312)를 경유하는]에 기인하는 저장조(320) 내의 압력의 임의의 변화는 일반적으로 저장조(320) 내의 가스(332)의 온도의 변화를 야기하는 경향이 있다. 저장조 가스(332) 전체에 걸쳐 유체(334)를 스프레이하고 그리고/또는 발포함으로써, 열은 열전달 유체(334)와의 열교환을 경유하여 가스(332)에 추가되거나 그로부터 제거될 수도 있다. 열교환기(340)를 통해 열전달 유체(334)를 순환함으로써, 유체(334) 및 가스(332)의 온도는 실질적으로 일정하게(즉, 등온) 유지될 수도 있다. 거의 주위 압력에서 역류 열교환 유체(346)는, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 거의 주위 온도 열 우물(도시 생략) 또는 열 에너지의 소스(예를 들어, 폐열 소스) 또는 싱크(예를 들어, 저온 수원)로부터 순환될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 저장조(320)는 분리되지 않거나 또는 그 가스 및 액체 성분으로 부분적으로 분리된 수성 포말을 포함한다. 이러한 실시예에서, 펌프(336)는 포말 자체 또는 포말의 분리된 액체 성분 또는 양자 모두를 순환시킬 수도 있고, 저장조(320) 내로의 유체의 재순환은 도 3에는 도시되지 않은 장치에 의해 포말의 재생성을 포함할 수도 있다.
에너지 회수 또는 팽창 작동 모드에서, 소정량의 가스는 피스톤(304)이 그 스트로크의 거의 상부 또는 상부[예를 들어, 실린더(302)의 "상사점"]에 있을 때 밸브(316) 및 파이프(312)를 경유하여 실린더(302)의 상부 챔버(306) 내로 도입될 수도 있다. 피스톤(304) 및 그 로드(330)는 이어서 하향으로 이동할 것이다[실린더(302)는 임의적으로 배향될 수도 있지만, 본 예시적인 실시예에서 수직으로 배향되어 도시되어 있음]. 열교환 유체(334)는 파이프(352) 및 방향성 밸브(354)를 통해 선택적 펌프(350)를 경유하여 동시에 챔버(306) 내로 도입될 수도 있다[대안적으로, 압력 강하는 펌프(350)가 요구되지 않도록 라인(312) 내에 도입될 수도 있음]. 이 열교환 유체(334)는 포말(360)을 생성하는 이러한 방식으로 하나 이상의 스프레이 노즐(356)을 경유하여 챔버(306) 내로 스프레이될 수도 있다. [몇몇 실시예에서, 포말(360)은 포말 형태로 챔버(306) 내로 직접 도입된다.] 포말(360)은 전체 챔버(306)를 완전히 충전할 수도 있지만, 도 3에는 단지 예시적인 목적으로, 단지 부분적으로 챔버(306)를 충전하는 것으로서 도시되어 있다. 여기서, 용어 "포말"은 (a) 단지 포말 또는 (b) 다른 비발포 상태(예를 들어, 액적)의 포말과 열교환 액체의 임의의 다양한 혼합물을 나타낸다. 더욱이, 몇몇 비발포 액체(도시 생략)가 챔버(306)의 저부에 축적될 수도 있고, 임의의 이러한 액체는 일반적으로 본 명세서에서 챔버(306) 내의 포말(360)과 관련하여 포함된다.
시스템(300)은 압력, 피스톤 위치 및/또는 온도 센서(도시 생략)를 구비하고 제어 시스템(362)을 경유하여 제어된다. 피스톤(304)의 미리 정해진 위치에서, 소정량의 가스(332) 및 열전달 유체(334)가 챔버(306) 내로 유입되어 있고, 밸브(316) 및 밸브(354)가 폐쇄된다. [밸브(316, 354)는, 각각이 원하는 유체의 양에 기초하여 제어 밸브를 갖기 때문에, 동시에 또는 상이한 시간에 폐쇄될 수도 있다.] 챔버(306) 내의 가스는 이어서 자유 팽창을 경험하여, 피스톤(304)을 하향으로 계속 구동한다. 이 팽창 중에, 포말(360)의 결여시에, 가스는 온도가 실질적으로 감소하는 경향이 있을 것이다. 포말(360)이 챔버를 거의 또는 완전히 충전한 상태에서, 챔버(306) 내의 가스의 온도 및 열전달 유체(360)의 온도는 열교환을 경유하여 서로 근접하는 경향이 있다. 포말(360)의 액체 성분(예를 들어, 하나 이상의 첨가제를 갖는 물)의 열 용량은 가스(예를 들어, 공기)의 것보다 훨씬 더 높을 수도 있어 가스와 액체의 온도가 심지어 다수회 가스 팽창[예를 들어, 250 psig(1.38 MPa) 내지 거의 대기압 또는 다른 실시예에서, 3,000 psig(20.68 MPa) 내지 250 psig(1.38 MPa)]에 걸쳐 실질적으로 변경되지 않는다(즉, 실질적으로 등온임).
피스톤(304)이 그 스트로크의 종료(하사점)에 도달할 때, 챔버(306) 내의 가스는 미리 정해진 낮은 압력(예를 들어, 거의 대기압)으로 팽창될 것이다. 밸브(324)가 이어서 개방되어, 챔버(306)로부터 가스가 파이프(322) 및 통기구(326)(여기에 예시된 바와 같이)를 통해 대기로 또는 다른 실시예에서 파이프(322)를 경유하여 팽창 프로세스 내의 다음 스테이지(예를 들어, 개별 실린더 내의 챔버)로 통기되게 할 것이다. 밸브(324)는 피스톤이 상향(즉, 복귀) 스트로크를 경험함에 따라 개방 유지되어 챔버(306)를 비운다. 포말(360)의 일부 또는 실질적으로 모두는 또한 파이프(322)를 경유하여 챔버(306) 외로 가압된다. 분리기(도시 생략) 또는 중력 분리와 같은 다른 수단이 바람직하게는 소포된(즉, 첨가제를 갖거나 갖지 않는 간단한 액체) 열전달 유체를 회수하고, 이를 파이프(366)를 경유하여 저장조(364) 내로 유도하는데 사용된다.
피스톤(304)이 스트로크의 상부에 재차 도달할 때, 프로세스는 용기(320)로부터 밸브(316, 354)를 경유하여 유입된 가스(332) 및 열전달 유체(334)로 반복된다. 부가의 열전달 유체가 저장조(320) 내에서 요구되면, 이는 저장조(364)로부터 파이핑(367) 및 선택적 펌프/모터(368)를 경유하여 저장조(320) 내로 재차 펌핑될 수도 있다. 일 작동 모드에서, 펌프(368)는 저장조(320) 내의 압력이 실질적으로 일정하게 유지되도록 저장조(320)를 연속적으로 재충전하는데 사용될 수도 있다. 즉, 가스가 저장조(320)로부터 제거됨에 따라, 열전달 유체(334)는 저장조(320) 내에 일정한 압력을 유지하도록 첨가된다. 다른 실시예에서, 펌프(368)는 사용되지 않거나 간헐적으로 사용되고, 저장조(320) 내의 압력은 에너지 회수 프로세스 중에 계속 감소하고[즉, 저장조(320)로부터의 가스의 제거를 수반함], 제어 시스템(362)은 피스톤(304)이 그 스트로크의 종료에 도달할 때 대략적으로 동일한 종료 압력에 도달하기 위해 이에 따라 밸브(316, 354)의 타이밍을 변경한다. 에너지 회수 프로세스는 저장조(320)가 압축 가스(332)가 거의 비워질 때까지 계속될 수도 있고, 이 때 에너지 저장 프로세스는 압축 가스(332)로 저장조(320)를 재충전하는데 사용될 수도 있다. 다른 실시예에서, 에너지 회수 및 에너지 저장 프로세스는 작업자 요구에 기초하여 교번된다.
에너지 저장 또는 에너지 압축 작동 모드에서, 저장조(320)는 또한 통상적으로 소정량의 열전달 유체(334)를 포함하기 때문에, 저장조(320)는 통상적으로 고압 가스(332)가 적어도 부분적으로 고갈된다. 저장조(364)는 낮은 압력[예를 들어, 실린더(302)의 압축 단계를 위한 흡기 압력으로서 기능하는 대기압 또는 소정의 다른 낮은 압력]에 있고, 소정량의 열전달 유체(370)를 수용한다.
열전달 유체(370)는 저전력 소비 펌프(372)를 경유하여 저장조(364) 내에서 순환될 수도 있다. 다양한 실시예에서, 유체(370)는 파이핑(367)을 경유하여 저장조(364)의 저부로부터 제거되고, 펌프(372)를 경유하여 열교환기(374)를 통해 순환되고, 파이핑(376) 및 스프레이 헤드(378)(또는 다른 적합한 메커니즘)를 경유하여 저장조(364)의 상부 내로 재차 도입될 수도 있다(예를 들어, 스프레이됨). 저장조 가스(380) 전체에 걸쳐 유체(370)를 스프레이함으로써, 열은 가스로부터 열전달 유체(370)를 경유하여 첨가되거나 제거될 수도 있다. 열교환기(374)를 통해 열전달 유체(370)를 순환시킴으로써, 유체(370) 및 가스(380)의 온도가 거의 일정하게 유지될 수도 있다(즉, 등온). 거의 주위 압력에서 역류 열교환 유체(382)는 거의 주위 온도 열 우물(도시 생략) 또는 열 에너지의 소스(예를 들어, 폐열 소스) 또는 싱크(예를 들어, 저온 수원)로부터 순환될 수도 있다. 일 실시예에서, 역류 열교환 유체(382)는 높은 온도에 있어 팽창 중에 에너지 회수를 증가시키고 그리고/또는 역류 열교환 유체(382)는 낮은 온도에 있어 압축 중에 에너지 사용을 감소시킨다.
에너지 저장 또는 압축 작동 모드에서, 피스톤(304)이 실린더(302)의 상사점 부근에 있을 때 시작하여 소정량의 저압 가스가 밸브(324) 및 파이프(322)를 경유하여 실린더(302)의 상부 챔버(306) 내로 도입된다. 저압 가스는 주위 대기압으로부터 올 수도 있고[예를 들어, 본 명세서에 예시된 바와 같이 통기구(326)를 통해 유입될 수도 있음] 또는 이전의 압축 스테이지와 같은 압축 가스의 소스로부터 올 수도 있다. 흡기 스트로크 중에, 피스톤(304) 및 그 로드(330)는 하향으로 이동하여, 가스를 흡인할 것이다. 열전달 유체(370)는 파이프(386) 및 방향성 밸브(388)를 통해 선택적 펌프(384)를 경유하여 동시에 챔버(306) 내로 도입될 수도 있다[대안적으로, 펌프(384)가 요구되지 않도록 압력 강하가 라인(386) 내에 도입될 수도 있음]. 이 열교환 유체(370)는 포말(360)을 생성하기 위한 이러한 방식으로 하나 이상의 스프레이 노즐(390)을 경유하여 챔버(306) 내에 도입될 수도 있다(예를 들어, 스프레이됨). 이 포말(360)은 흡기 스트로크의 종료에 의해 부분적으로 또는 완전하게 챔버(306)를 충전할 수도 있고, 단지 예시적인 목적으로만, 포말(360)은 단지 부분적으로 챔버(306)를 충전하는 것으로서 도 3에 도시된다. 흡기 스트로크의 종료시에, 피스톤(304)은 스트로크 종료 위치(하사점)에 도달하고, 챔버(306)는 낮은 압력(예를 들어, 대기압)에서 공기 및 열교환 액체로부터 생성된 포말(360)로 충전된다.
스트로크의 종료시에, 피스톤(304)이 스트로크 종료 위치에 있는 상태에서, 밸브(324)는 폐쇄된다. 밸브(388)는 또한 반드시 밸브(324)와 동시에는 아니라, 미리 정해진 양의 열전달 유체(370)가 유입된 후에 폐쇄되어, 포말(360)을 생성한다. 열전달 유체(370)의 양은 압축될 공기의 체적, 압축의 비 및/또는 열전달 유체의 열 용량에 기초할 수도 있다. 다음에, 피스톤(304) 및 로드(330)는 기계적 수단(예를 들어, 유압 유체, 유압 실린더, 기계적 크랭크샤프트)을 경유하여 상향으로 구동되어 챔버(306) 내에서 가스를 압축한다.
이 압축 중에, 포말(360)의 결여시에, 챔버(306) 내의 가스는 온도가 실질적으로 증가하는 경향이 있을 것이다. 포말(360)이 적어도 부분적으로 챔버를 충전한 상태에서, 챔버(306) 내의 가스의 온도 및 포말(360)의 액체 성분의 온도는 열교환을 경유하여 평형화되는 경향이 있을 것이다. 포말(360)의 유체 성분(예를 들어, 하나 이상의 첨가제를 갖는 물)의 열 용량은 가스(예를 들어, 공기)의 것보다 훨씬 높을 수도 있어 가스와 유체의 온도가 실질적으로 변하지 않고 다수회 가스 압축[예를 들어, 거의 대기압 내지 250 psig(1.38 MPa) 또는 다른 실시예에서 250 psig(1.38 MPa) 내지 3,000 psig(20.68 MPa)]에 걸쳐 심지어 거의 등온이 된다.
챔버(306) 내의 가스[포말(360)의 가스 성분을 포함하거나 본질적으로 이루어지는]는 적합한 압력, 예를 들어 저장조(320) 내의 압력에 대략 동일한 압력으로 압축되고, 이 때 밸브(316)가 개방된다. 그 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 포함하는 포말(360)이 이어서 피스톤(304)과 로드(330)의 계속적인 상향 이동에 의해 밸브(316)와 파이프(312)를 통해 저장조(320) 내로 전달된다.
피스톤(304)이 재차 스트로크의 상부에 도달할 때, 프로세스는 저압 가스 및 열전달 유체(370)가 밸브(324, 388)를 경유하여 통기구(326) 및 저장조(364)로부터 유입되는 상태로 반복된다. 부가의 열전달 유체가 저장조(364) 내에 요구되면, 이는 저장조(320)로부터 파이핑(367) 및 선택적 펌프/모터(368)를 경유하여 저장조(364)로 복귀될 수도 있다. 모터(368)로부터 회수된 전력은 피스톤(304) 및 로드(330)를 구동하기 위한 기계적 메커니즘을 구동하는 것을 돕는데 사용될 수도 있고 또는 전기 모터/발전기(도시 생략)를 경유하여 전력으로 변환될 수도 있다. 일 작동 모드에서, 모터(368)는 저장조(320)가 가스로 충전되는 동안, 저장조(320) 내의 압력이 실질적으로 일정하게 유지되는 이러한 방식으로 연속적으로 운전될 수도 있다. 즉, 가스가 저장조(320)에 첨가될 때, 열전달 유체(334)는 저장조(320)로부터 제거되어 저장조(320) 내에 실질적으로 일정한 압력을 유지한다. 다른 실시예에서, 모터(368)는 사용되지 않거나 간헐적으로 사용되고, 저장조(320) 내의 압력은 에너지 저장 프로세스 중에 계속 증가하고, 제어 시스템(362)은 이에 따라 밸브(316, 388)의 타이밍을 변경하여, 피스톤(304)이 스트로크의 저부에 도달할 때 원하는 종료 압력(예를 들어, 대기압)이 챔버(306) 내에서 얻어지게 된다. 에너지 저장 프로세스는 저장조(320)가 최대 저장 압력[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)]에서 압축 가스(332)로 충전될 수도 있을 때까지 계속되고, 그 시간 후에 시스템은 에너지 회수 프로세스를 수행할 준비가 된다. 다양한 실시예에서, 시스템은 저장조(320)가 단지 압축 가스로(332)로 부분적으로 충전될 때, 최대 저장 압력 또는 대기압과 최대 저장 압력 사이의 중간의 소정 저장 압력에서 에너지 회수 프로세스를 개시할 수도 있다. 다른 실시예에서, 에너지 회수 및 에너지 저장 프로세스는 작업자 요구에 기초하여 변경된다.
도 4는 적어도 2개의 조립체(402, 406)[즉, 도 1의 조립체(101)의 실시예, 예를 들어 도 2의 실린더 조립체(201)] 및 각각의 실린더 조립체(402, 406)와 연관된 열전달 서브시스템(404, 408)[예를 들어, 도 2의 서브시스템(224)]을 특징으로 하는 예시적인 시스템(400)을 도시한다. 부가적으로, 시스템은 쇄선에 의해 지시된 바와 같이 열전달 서브시스템(404, 408) 중 하나 또는 모두와 연관될 수도 있는 열 우물(410)[예를 들어, 도 2의 열 우물(242)]을 포함한다.
조립체(402)는 비교적 높은 압력[예를 들어, 대략 3,000 psig(20.68 MPa)]에서 유체를 유지하는 것이 가능한 저장조(412)(예를 들어, 도 1의 112 및 도 2의 222)와 선택적으로 유체 연통한다. 조립체(406)는 생략 마크(422)에 의해 지시된 바와 같이 조립체(402, 406) 사이의 선택적 부가의 실린더 조립체 및/또는 조립체(402)와 선택적으로 유체 연통한다. 조립체(406)는 분위기 통기구(420)(예를 들어, 도 1의 120, 도 2의 223)와 선택적으로 유체 연통한다.
시스템(400)은 저장조(412) 내의 저장을 위해 조립체(406, 402)를 통해 단계식으로 고압으로 분위기 압력에서 공기[통기구(420)를 통해 시스템(400)에 유입된]를 압축할 수도 있다. 시스템(400)은 또한 분위기로부터 통기구(420)를 통해 통기하기 위해 조립체(402, 406)를 통해 단계식으로 낮은 압력[예를 들어, 대략 5 psig(34.5 kPa)]으로 저장조(412) 내의 높은 압력으로부터 공기를 팽창할 수도 있다.
그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 4월 6일 출원된 미국 특허 출원 제13/080,914호('914 출원)에 설명된 바와 같이, 고압[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)]와 저압[예를 들어, 5 psig(34.5 kPa)] 사이의 가스의 팽창 또는 압축을 위해 사용된 N개의 실린더 조립체의 그룹에서, 시스템은 고압 극단과 저압 사이의 중간의 N-1 압력에서 가스를 포함할 것이다. 여기서, 각각의 이러한 중간 압력은 "중간압"이라 명명된다. 예시적인 시스템(400)에서, N=2 및 N-1=1이고, 따라서 시스템(400) 내에 하나의 중간압[예를 들어, 팽창 중에 대략 250 psig(1.38 MPa)]이 존재한다. 시스템의 다양한 작동 상태에서, 중간압은 직렬 연결된 실린더 그룹[예를 들어, 조립체(402, 406)의 실린더]의 임의의 챔버 내에서 그리고 임의의 밸브, 파이핑 및 이들 챔버와 유체 연통하는 다른 장치 내에서 발생할 수도 있다. 예시적인 시스템(400)에서, 여기서 "중간압(P1)"으로 나타낸 중간압은 조립체(402, 406) 사이의 중간의 밸브, 파이핑 및 다른 장치에서 주로 발생한다.
조립체(402)는 고압 조립체인데, 즉 조립체(402)는 조립체(402)로의 전달을 위해 중간압(P1)으로 가스를 팽창하기 위해 저장조(412)로부터 고압에서 가스를 유입할 수도 있고, 그리고/또는 저장조(412)로의 전달을 위해 고압으로 가스를 압축하기 위해 조립체(406)로부터 중간압(P1)에서 가스를 유입할 수도 있다. 조립체(406)는 저압 조립체인데, 즉 조립체(406)는 통기구(420)로의 전달을 위해 저압으로 가스를 팽창하기 위해 조립체(402)로부터 중간압(P1)에서 가스를 유입할 수도 있고, 그리고/또는 조립체(402)로의 전달을 위해 중간압(P1)으로 가스를 압축하기 위해 통기구(420)로부터 저압에서 가스를 유입할 수도 있다.
시스템(400)에서, 연장된 실린더 조립체(402)는 중간압 조립체(414)를 경유하여 연장된 실린더 조립체(406)와 연통한다. 여기서, "중간압 조립체"는 가스가 그를 통해 또는 그 내로 통과하는 밸브, 파이핑, 챔버 및 다른 구성 요소와 유체 연통하여 배치된 가스의 저장조를 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 저장조 내의 가스는 특정 중간압 조립체가 제공되도록 의도되는 대략 중간압에 있다. 저장조는 저장조가 유체 연통하는 밸브, 파이핑, 챔버 및 다른 구성 요소 내에서의 것과 대략적으로 동일한 중간압 가스의 체적이 그 압력을 실질적으로 변경하지 않고 저장조에 진입 또는 진출할 수도 있도록 충분히 크다. 부가적으로, 중간압 조립체는 맥동 댐핑, 부가의 열전달 용량, 유체 분리를 제공하고 및/또는 서브시스템(404 및/또는 408)의 부분 또는 전체와 같은 하나 이상의 열전달 서브시스템을 수용할 수도 있다. '914 출원에 설명된 바와 같이, 중간압 조립체는 예를 들어, 도 4의 시스템(400)과 같은 공압 실린더 조립체를 채용하는 시스템의 다양한 구성 요소 내의 사공간의 양을 실질적으로 감소시킬 수도 있다. 사공간의 감소는 전체 시스템 효율을 증가시키는 경향이 있다.
대안적으로 또는 그와 함께, 중간압 조립체(414)를 바이패스하는 파이프 및 밸브(도 4에는 도시되어 있지 않음)는 유체가 조립체(402)와 조립체(406) 사이에 직접 통과할 수 있게 할 수도 있다. 밸브(416, 418, 424, 426)는 조립체(402, 406, 412, 414) 사이의 유체의 통과를 제어한다.
제어 시스템(428)(예를 들어, 도 1의 122, 도 2의 226, 도 3의 362)은 조립체(402, 406), 중간압 조립체(414), 저장조(412), 열 우물(410), 열전달 서브시스템(404, 408) 및/또는 시스템(420)을 둘러싸는 환경으로부터 다양한 시스템 입력(예를 들어, 압력, 온도, 피스톤 위치 및/또는 유체 상태)에 기초하여 예를 들어 시스템(400)의 모든 밸브의 작동을 제어할 수도 있다.
시스템(400)과 유사하지만 1개, 2개 또는 그 이상의 중간압 연장된 실린더 조립체에 의해 상이한 시스템이 부가의 과도한 실험 없이 안출될 수도 있다는 것이 공압 기계의 분야에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 시스템(400)에 속하는 본 명세서의 모든 설명은 생략 마크(422)에 의해 지시된 바와 같이 실질적인 수정 없이 이러한 N-실린더 시스템에 적용될 수도 있다는 것이 또한 명백할 것이다. 이러한 N-실린더 시스템은, 본 명세서에 더 설명되지는 않지만, 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다. '678 특허에 개시되고 설명된 바와 같이, N개의 적절한 크기의 실린더(여기서, N≥2)는 원래(단일-실린더) 작동 유체 압력 범위 R을 R1/N으로 감소시킬 수도 있고, 대응적으로 단일-실린더 시스템에서 작용하는 힘의 범위에 비교하여 N-실린더 시스템 내의 각각의 실린더에 작용하는 힘의 범위를 감소시킬 수도 있다. 이러한 및 다른 장점은, '678 특허에 설명되어 있는 바와 같이, N-실린더 시스템에서 실현될 수도 있다. 부가적으로, 다수의 동일한 실린더가 병렬로 추가되고 생략 마크(432, 436)에 의해 지시된 바와 같이 실린더 조립체(402, 406)를 갖는 공통 또는 개별 구동 메커니즘(도시 생략)에 부착될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공압 실린더(502)(부분 단면도로 도시됨)를 사용하는 에너지 저장 및 회수를 위한 가스의 대략적인 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위한 시스템(500)의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 실린더(502)는 통상적으로 실린더(502)를 2개의 챔버(506, 508)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(504)을 포함한다. 저장조(510)는 고압[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 가스를 포함하고, 저장조(510)는 또한 소정량의 열교환 액체(512)를 포함할 수도 있다. 열교환 액체(512)는 액체의 발포 경향을 증가시키는[예를 들어, 액체(512)의 표면 장력을 낮춤으로써] 첨가제를 함유할 수도 있다. 첨가제는 계면 활성제(예를 들어, 설포네이트), 미네랄 오일과 같은 윤활 유체의 마이크로-에멀전, 글리콜(예를 들어, 프로필렌 글리콜)과 같은 제제의 용액 또는 가용성 합성제(예를 들어, 에탄올아민)를 포함할 수도 있다. 설포네이트와 같은 발포성 제제(예를 들어, 미국 일리노이주 Stepan Company로부터 입수 가능한 Bio-Soft D-40과 같은 선형 알킬 벤젠 설포네이트)가 첨가될 수도 있고, 또는 소방 포말 농축물(예를 들어, 미국 텍사스주의 ChemGuard로부터 입수 가능한 것들과 같은 플루오로계면활성제 제품)과 같은 상업적으로 입수 가능한 발포성 농축물이 사용될 수도 있다. 이러한 첨가제는 스프레이될 때 물의 액체 표면 장력을 감소시키고 실질적인 발포를 유도하는 경향이 있다. 미네랄 오일의 마이크로-에멀전으로 부분적으로 이루어지는 Mecagreen 127(미국 미시건주 Condat Corporation으로부터 입수 가능함) 및 가용성 에탄올아민으로 부분적으로 이루어지는 Quintolubric 807-WP(미국 펜실배니아주 Quaker Chemical Corporation으로부터 입수 가능함)와 같은 상업적으로 입수 가능한 유체가 물 내에서 대략 5% 용액으로 사용될 수도 있다. 프로필렌 글리콜로 부분적으로 이루어지는 Cryo-tek 100/Al(미국 뉴저지주 Hercules Chemical Company로부터 입수 가능함)을 포함하는 다른 첨가제가 더 높은 농도(물 내에서 50% 용액과 같은)에서 사용될 수도 있다. 이들 유체는 스프레이되는 동안 발포를 향상시키고 저장조 내에 있을 때 소포를 가속하기 위해 더 수정될 수도 있다.
펌프(514) 및 파이핑(516)은 본 명세서에서 "혼합 챔버"(518)라 명명된 장치에 열교환 액체를 반송할 수도 있다. 저장조(510)로부터의 가스는 또한 혼합 챔버(518)로 반송될 수도 있다[파이핑(520)을 경유하여]. 혼합 챔버(518) 내에서, 포말 생성 메커니즘(522)은 혼합 챔버(518) 내부에 포말 A라 명명된 특정 등급(즉, 기포 크기 분산, 평균 기포 크기, 공동 분율)의 포말(524)을 생성하기 위해 파이핑(516)에 의해 반송된 액체와 저장조(510)로부터의 가스를 조합한다.
혼합 챔버(518)는 포말 구조를 변경하거나 균질화하기 위한 스크린(526) 또는 다른 메커니즘(예를 들어, 초음파의 소스)을 포함할 수도 있다. 스크린(526)은 예를 들어 혼합 챔버(518)의 출구 또는 출구 부근에 위치될 수도 있다. 스크린(526)을 통해 통과된 포말은 포말 A로부터 상이한 기포 크기 및 다른 특성을 가질 수도 있고, 본 명세서에서 포말 B(528)라 명명된다. 다른 실시예에서, 스크린(526)은 생략되어, 포말 A가 챔버(506)로의 의도적인 변경 없이 전달되게 된다.
혼합 챔버(518)의 출구는 파이핑(530)으로부터의 유체가 실린더(502)의 상부 챔버(공기 챔버)(506)에 진입하는 것을 허용하는 밸브(532)(예를 들어, 포핏형 밸브)에 의해 게이트되는 실린더(502) 내의 포트에 파이핑(530)에 의해 연결된다. 밸브(도시 생략)는 저장조(510)로부터 파이핑(520)을 통해 혼합 챔버(518)로의, 그리고 혼합 챔버(518)로부터 파이핑(528)을 통한 실린더(502)의 상부 챔버(506)로의 가스의 유동을 제어할 수도 있다. 다른 밸브(534)(예를 들어, 포핏형 밸브)가 상부 챔버(506)를 시스템(500)의 다른 구성 요소, 예를 들어 부가의 분리기 장치(도시 생략), 다른 실린더(도시 생략)의 상부 챔버 또는 주위 분위기(도시 생략)로의 통기구와 연통하게 한다.
저장조(510)의 체적은 혼합 챔버(518)와 실린더(502)의 체적에 비해 클 수도 있다(예를 들어, 적어도 대략 4배 더 큼). 포말 A 및 포말 B는 바람직하게는 시스템(500)의 통상의 주기적 작동의 시간 스케일의 부분 또는 전체에 걸쳐 포말을 통계적으로 안정하게 하는데, 예를 들어 120 RPM 시스템(즉, 회전당 0.5초), 포말은 5.5초 또는 대략적으로 회전 시간보다 5배 큰 시간 후에 실질적으로 불변(예를 들어, 10% 미만 배수) 유지될 수도 있다.
저장조(510) 내에 저장된 가스가 에너지를 방출하기 위해 팽창되는 절차의 초기 작동 상태에서, 밸브(532)는 개방되고, 밸브(534)는 폐쇄되고, 피스톤(504)은 실린더(502)의 상사점 부근에 있다[즉, 실린더(502)의 상부를 향해]. 저장조(510)로부터의 가스는 저장조(510)로부터의 액체가 펌프(514)에 의해 혼합 챔버(518)로 펌핑되는 동안 파이핑(520)을 통해 혼합 챔버(518)로 유동하도록 허용된다. 따라서 혼합 챔버(518)로 반송된 가스와 액체는 포말 생성 메커니즘(522)에 의해 조합되어 포말 A(524)를 형성하고, 이 포말은 혼합 챔버(518)의 메인 챔버를 부분적으로 또는 실질적으로 충전한다. 혼합 챔버(518)를 나와서, 포말 A는 스크린(526)을 통해 통과하고, 이에 의해 포말 B로 변경된다. 저장조(510) 내에 저장된 가스와 대략 동일한 압력에 있는 포말 B는 밸브(532)를 통해 챔버(506) 내로 통과한다. 챔버(506) 내에서, 포말 B는 피스톤(504)에 연결되고 실린더(502)의 하부 단부캡을 통해 슬라이드 가능하게 통과하는 로드(536)에 의해 실린더(502)의 외부의 메커니즘(예를 들어, 도시되지 않은 발전기)에 통신될 수도 있는 피스톤(504)에 힘을 인가한다.
챔버(506) 내의 포말의 가스 성분은 피스톤(504)과 로드(536)가 하향으로 이동함에 따라 팽창한다. 피스톤(504)의 하향 운동의 소정의 시점에, 저장조(510)로부터 혼합 챔버(518) 내로 그리고 그로부터(포말 B의 가스 성분으로서) 챔버(506) 내로의 가스의 유동은 밸브(도시 생략)의 적절한 작동에 의해 종료될 수도 있다. 챔버(506) 내의 포말의 가스 성분이 팽창함에 따라, 열이 그에 전달되지 않으면, 이상 기체 법칙에 따라 온도를 감소시키는 경향이 있을 수 있지만, 챔버(506) 내의 포말의 액체 성분이 챔버(506) 내의 포말의 가스 성분보다 높은 온도에 있으면, 열이 액체 성분으로부터 가스 성분으로 전달되는 경향이 있을 것이다. 따라서, 챔버(506) 내의 포말의 가스 성분의 온도는 가스 성분이 팽창함에 따라 일정하게 유지되는 경향이 있을 것이다(대략 등온으로).
피스톤(504)이 실린더(502)의 하사점에 접근할 때(즉, 대략적으로 그 운동 한계로 하강 이동함), 밸브(532)는 폐쇄될 수도 있고, 밸브(534)는 개방될 수도 있어, 챔버(506) 내의 팽창된 가스가 부가의 팽창을 위해 실린더(502)로부터 시스템(500)의 소정의 다른 구성 요소, 예를 들어 다른 실린더의 통기구 또는 챔버로 통과하게 한다.
몇몇 실시예에서, 펌프(514)는 가변 속도 펌프인데, 즉 저장조(510)로부터 포말 생성 메커니즘(522)으로 더 느린 또는 더 빠른 속도로 액체(512)를 전달하기 위해 작동될 수도 있고, 제어 시스템(도시 생략)으로부터 신호에 응답할 수도 있다. 액체(512)가 펌프(514)에 의해 발포 메커니즘(522)으로 전달되는 속도가 가스가 저장조(510)로부터 파이핑(520)을 통해 메커니즘(522)으로 반송되는 속도에 비해 증가되면, 메커니즘(522)에 의해 생성된 포말의 공동 분율은 감소될 수도 있다. 메커니즘(522)에 의해 생성된 포말(포말 A)은 비교적 낮은 공동 분율을 갖고, 챔버(506)에 반송된 포말(포말 B)은 일반적으로 또한 비교적 낮은 공동 분율을 갖는 경향이 있을 것이다. 포말의 공동 분율이 낮을 때, 더 많은 포말이 액체로 이루어지고, 따라서 더 많은 열 에너지가 가스 및 액체 성분이 서로 열평형을 이루게 되기 전에(즉, 상대 온도의 변화를 정지함) 포말의 가스 성분과 포말의 액체 성분 사이에서 교환될 수도 있다. 비교적 높은 밀도(예를 들어, 주위 온도, 고압)에서 가스가 저장조(510)로부터 챔버(506)로 전달될 때, 더 낮은 공동 분율을 갖는 포말을 생성하여, 포말의 액체 분율이 포말의 가스 분율과 대응적으로 더 큰 양의 열 에너지를 교환하는 것을 가능하게 하는 것이 유리할 수도 있다.
본 명세서의 이후의 도면에 도시된 모든 펌프는 또한 가변 속도 펌프일 수도 있고, 제어 시스템으로부터 신호에 기초하여 제어될 수 있다. 제어 시스템으로부터의 신호는 하나 이상의 이전의 압축 및/또는 팽창의 사이클로부터 시스템 성능(예를 들어, 가스 온도 및/또는 압력, 사이클 시간 등) 측정에 기초할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 액체의 영역의 표면을 증가시키는, 예를 들어 액체(512)의 스프레이로의 변환의 대안적인 방법에 의해 요구될 수 있는 것보다 적은 에너지의 투자를 갖고 소정량의 열교환 액체(512)의 표면적이 상당히 증가될 수 있게 함으로써[실린더(502) 내의 팽창 또는 압축을 경험하는 가스와 액체(512) 사이의 대응적으로 가속된 열전달을 갖고] 압축 가스를 사용하는 에너지의 저장 및 회수를 위한 시스템(500)의 효율을 증가시킨다.
다른 실시예에서, 저장조(510)는 도 5에 도시된 바와 같이 고압 저장조보다는 분리기이다. 이러한 실시예에서, 분리기가 고압 가스 저장조 뿐만 아니라 혼합 챔버(518)와 유체 연통하여 배치되게 하는 도 5에 도시되지 않은 파이핑, 밸브 및 다른 구성 요소가 공급된다. 이 유형의 배열은 도 9를 참조하여 도시되고 설명될 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 공압 실린더(604)(부분 단면도로 도시됨)를 사용하여 에너지 저장 및 회수를 위해 가스의 대략적인 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위한 시스템(600)의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 시스템(600)은 시스템(600)이 바이패스 파이프(638)를 포함하는 것을 제외하고는 도 5의 시스템(500)과 유사하다. 더욱이, 2개의 밸브(640, 642)가 도 6에 명시적으로 도시되어 있다. 바이패스 파이프(638)는 이하와 같이 채용될 수도 있는데, (1) 가스가 저장조(610)로부터 방출되고, 혼합 챔버(618) 내에서 열교환 액체(612)와 혼합되고, 실린더(604)의 챔버(606)로 반송되어 그 내부에서 팽창될 때, 밸브(640)는 폐쇄될 것이고 밸브(642)는 개방되고, (2) 가스가 실린더(604)의 챔버(606) 내에서 압축되어 있고 저장을 위해 저장조(610)로 반송될 때, 밸브(640)는 개방될 것이고 밸브(642)는 폐쇄된다. 밸브(642) 및 스크린(626)을 통해 그리고 포말 생성 메커니즘(622) 주위로 통과하는 유체에 의한 것보다 적은 마찰이 밸브(640) 및 바이패스 파이프(638)를 통해 통과하는 유체에 의해 마주치게 되는 경향이 있을 것이다. 다른 실시예에서, 밸브(642)는 생략되어, 유체가 혼합 챔버(618)에 의해 제시된 더 높은 저항에 의해 바이패스 파이프(638)를 통해 유도되게 하고, 밸브(640)는 가스가 팽창 모드에서 방출될 때 유체 유동을 방지하는 체크 밸브이다. 챔버(606)로부터 더 낮은 저항 경로[즉, 바이패스 파이프(638)]를 경유하여 저장조(610)로의 유체의 방향은 이러한 유동 중에 더 낮은 마찰 손실 및 따라서 시스템(600)을 위한 더 높은 효율을 야기하는 경향이 있을 것이다.
다른 실시예에서, 저장조(610)는 도 6에 도시된 바와 같이 고압 저장조보다는 분리기이다. 이러한 실시예에서, 분리기가 고압 가스 저장조와 뿐만 아니라 혼합 챔버(618) 및 바이패스 파이프(638)와 유체 연통하여 배치되게 하는 파이핑, 밸브 및 도 6에 도시되지 않은 다른 구성 요소가 공급된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공압 실린더(702)(부분 단면도로 도시됨)를 사용하여 에너지 저장 및 회수를 위해 가스의 대략적인 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위한 시스템(700)의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 시스템(700)은 시스템(700)이 혼합 챔버(518)를 생략하고 대신에 저장조(710) 내부에서 포말을 생성하는 것을 제외하고는 도 5의 시스템(500)과 유사하다. 시스템(700)에서, 펌프(714)는 열교환 액체(712)를 저장조(710) 내부의 포말 생성 메커니즘(722)(예를 들어, 하나 이상의 스프레이 노즐)으로 순환시킨다. 저장조(710)는 펌프(714) 및 메커니즘(722)에 의해, 초기 또는 원래 특성의 포말[포말 A(724)]에 의해 부분적으로 또는 완전히 충전될 수도 있다. 저장조(710)는 실린더(702) 내의 밸브-게이트 포트(744)와 파이프(720)를 경유하여 유체 연통하여 배치될 수도 있다. 밸브(도시 생략)는 파이프(720)를 통한 유체의 유동을 지배할 수도 있다. 파이프(720) 내부에 있지만 저장조(710)와 실린더(702)의 챔버(706) 사이의 유체 유동의 경로의 임의의 위치에 위치 가능한 도 7에 도시된 선택적 스크린(726)(또는 초음파 소스와 같은 다른 적합한 메커니즘)이 포말 A(724)를 포말 B(728)로 변경하는 기능을 하여, 기포 크기 분산 및 평균 기포 크기와 같은 특성을 조절한다.
다른 실시예에서, 저장조(710)는 도 7에 도시된 바와 같이 고압 저장조보다는 분리기이다. 이러한 실시예에서, 분리기가 고압 가스 저장조와 뿐만 아니라 실린더(702)와 유체 연통하여 배치되게 하는 파이핑, 밸브 및 도 7에 도시되지 않은 다른 구성 요소가 공급될 것이다. 다른 실시예에서, 도 6에 도시된 것과 유사한 바이패스 파이프가 스크린(726)을 통해 통과하지 않고 실린더(702)로부터 저장조(710)로 유체가 통과하게 하기 위해 시스템(700)에 추가된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공압 실린더(802)(부분 단면도로 도시됨)를 사용하여 에너지 저장 및 회수를 위해 가스의 대략적인 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위한 시스템(800)의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 시스템(800)은 시스템(800)이 혼합 챔버(518)를 생략하고 대신에 실린더(802)의 공기 챔버(806) 내부에서 포말을 생성하는 것을 제외하고는 도 5의 시스템(500)과 유사하다. 시스템(800)에서, 펌프(814)는 챔버(806) 내에 또는 챔버와 연통하는(예를 들어, 포트를 통해) 포말 생성 메커니즘(822)(예를 들어, 실린더 내로 및/또는 유입된 공기가 통과하는 스크린 상에 분사하는 하나 이상의 스프레이 노즐)으로 열교환 액체(812)를 순환시킨다. 챔버(806)는 펌프(814) 및 메커니즘(822)에 의해[그리고 저장조(810)로부터 포트(844)를 통해 파이프(820)를 경유하여 공급된 가스에 의해] 포말로 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 충전될 수도 있다. 저장조(810)는 실린더(802) 내의 밸브 게이트 포트(844)와 파이프(820)를 경유하여 유체 연통하여 배치될 수도 있다. 밸브(도시 생략)는 파이프(820)를 통한 유체의 유동을 지배할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 2개의 공압 실린더(902, 904)(부분 단면도로 도시됨)를 사용하여 에너지 저장 및 회수를 위해 가스의 대략적인 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위한 시스템의 구성 요소를 도시하는 개략도이다. 더 고압 실린더(902)가 제1 분리기(906) 및/또는 제2 분리기(908)와 유체 연통하여 배치될 수도 있고, 더 저압 실린더(902)가 제2 분리기(908) 및/또는 제3 분리기(910)와 유체 연통하여 배치될 수도 있다. 제1 분리기(906)는 고압 가스 저장조(도시 생략)와 유체 연통하여 배치될 수도 있다. 제3 분리기(910)는 공기가 환경과 교환되게 하는 통기구(도시 생략)와 유체 연통하여 배치될 수도 있다. 제1 분리기(906)와 고압 실린더(902) 사이 또는 고압 실린더(902)와 제2 분리기(908) 사이 또는 제2 분리기(908)와 저압 실린더(904) 사이 또는 저압 실린더(904)와 제3 분리기(910) 사이에서 통과하는 유체는 혼합 챔버(912, 914, 916, 918) 또는 바이패스 파이프(920, 922, 924, 926)를 통해 유도될 수도 있다. 고압 저장조, 통기구, 실린더(902, 904), 혼합 챔버(912, 914, 916, 918)와 바이패스 파이프(920, 922, 924, 926) 사이의 유체 연통을 제어하기 위한 장치는 밸브, 파이핑 및 도 9에 도시되지 않은 다른 구성 요소를 포함할 수도 있다. 다른 실시예에서, 바이패스 파이프(920, 922, 924, 926) 및/또는 도 9에는 도시되지 않은 부가의 바이패스 파이프는 유체가 분리기(906, 908, 910)를 바이패스하게 한다.
저장조로부터 가스의 팽창 중에, 가스는 먼저 고압 실린더(902) 내에서 부분적으로 팽창될 수도 있어, 그 포텐셜 탄성 에너지의 일부가 실린더(902)의 외부의 메커니즘(도시 생략)에 의해 회수되게 하고, 이어서 저압 실린더(904) 내에서 더 팽창되어, 그 포텐셜 탄성 에너지의 대부분 또는 실질적으로 모든 나머지가 회수되게 한다. 저장을 위한 가스의 압축 중에, 가스는 더 저압 실린더(904) 내에서 부분적으로 압축될 수도 있고 이어서 더 고압 실린더(902) 내에서 더 압축될 수도 있다.
시스템(900)은 가스와 열교환 액체 사이의 열교환을 용이하게 하기 위해 포말을 사용하여 가스의 대략적으로 등온 압축 및 팽창을 성취하기 위해 도 5 및/또는 도 6에 도시된 것들과 유사한 배열을 포함한다.
3개의 분리기[예를 들어, 제1 분리기(906)]의 각각은 배플[예를 들어, 배플(928)] 또는 그 가스 및 액체 성분으로의 유체 포말의 파괴 또는 분리를 촉진하기 위한 다른 내부 메커니즘을 포함할 수도 있다. 포말 내로의 스프레이 또는 포말의 기계적 전단과 같은 다른 기술(도시 생략)이 분리기 내의 포말 열화를 촉진하기 위해 채용될 수도 있다. 분리된 액체(930, 932, 934)는 펌프(936, 938, 940, 942)에 의해 신선한 포말의 형성시에 사용된 혼합 챔버(912, 914, 916, 918)(바람직하게는 일체형 스크린을 가짐)로 반송될 수도 있다.
밸브(944, 946, 948, 950, 952, 954, 956, 958)는 혼합 챔버(912, 914, 916, 918) 또는 바이패스 파이프(920, 922, 924, 926)를 통해 분리기(906, 908, 910)와 실린더(902, 904) 사이에서 통과하는 액체를 유도하는데 사용될 수도 있다. 실린더(902, 904) 내에서, 밸브(964, 966, 968, 970)(예를 들어, 포핏 밸브)는 유체의 진입 및 진출을 제어한다. 바람직하게는, 펌프(936, 938, 940, 942)는 단지 포말이 이들 각각의 혼합 챔버(912, 914, 916, 918) 내에서 생성될 때에만 운전한다.
일반적으로, 실린더(902, 904)의 공기 챔버(960, 962)로 반송되는 가스 - 거기서 팽창되거나 압축됨 - 는 열교환 액체로 발포되게 하기 위해 혼합 챔버를 통해 유도되어, 등온 프로세스를 근사하는 목적으로 팽창 또는 압축 중에 액체와 가스 사이에서 열교환이 발생할 수 있게 한다.
고압 저장조(도시 생략)가 에너지를 해제하기 위해 시스템(900) 내에서 팽창되는 절차의 초기 작동 상태에서, 고압 실린더(902)의 피스톤(972)은 대략적으로 상사점에 있을 수도 있고, 저압 실린더(904)의 피스톤(974)은 하사점에 있을 수도 있고[상대 피스톤 위치(972, 974)가 임의적으로 페이징될 수도 있지만], 더 저압 실린더(904)의 상부 챔버(962)는 팽창 모드에서 낮은 압력에서 포말로 완전히 또는 부분적으로 충전되고, 선택적 바이패스 밸브(944, 952)는 폐쇄되고, 선택적 바이패스 밸브(948, 956)는 개방되어, 혼합 챔버(912, 916) 및 선택적 밸브(946, 954)를 통한 유동은 허용하지만, 선택적 밸브(950, 958)의 폐쇄에 의해 혼합 챔버(914, 918)를 통한 유동을 바이패스한다. 높은 압력에서의 가스는 고압 저장조로부터, 분리기(906)를 통해 혼합 챔버(912) 내로 유동하도록 허용되고, 여기서 열교환 액체(930)와 조합되어 포말을 형성한다. 이 포말은, 혼합 챔버(912) 내부의 스크린을 통해 선택적으로 통과한 후에, 밸브(946) 및 밸브(964)를 통해 고압 실린더(902)의 챔버(960) 내로 유동하고, 여기서 유체가 부분적으로 또는 완전히 충전된다. 챔버(960) 내에서, 포말은 실린더(902) 외부의 메커니즘에 연통할 수도 있는 피스톤(972) 상에 힘을 인가한다.
챔버(960) 내의 포말의 가스 성분은 피스톤(972)이 하향으로 이동함에 따라 팽창한다. 피스톤(972)의 하향 운동에서 몇몇 시점에, 저장조로부터, 분리기(906)를 통해 혼합 챔버(912) 내로의, 거기서(포말의 가스 성분으로서) 챔버(960) 내로의 가스의 유동은 밸브(964)의 폐쇄에 의해 종료될 수도 있다. 도 5의 시스템(500)의 실린더 내의 팽창 포말에서와 같이, 챔버(960) 내의 포말의 가스 성분의 온도는 가스 성분이 팽창함에 따라 일정하게 유지되는(대략적으로 등온) 경향이 있을 것이다.
저압 실린더(904)의 피스톤(974)은 전술된 피스톤(972)의 하향 운동과 동시에 하사점으로부터 상향으로 이동될 수도 있어, 챔버(962) 내의 저압 포말을 바이패스 밸브(956) 및 파이프(926)를 통해 분리기(910) 내로 축출한다. 분리기(910) 내에서, 포말의 액체 성분은 침전되고 일체의 액체(934)로서 축적한다. 챔버(962)로부터 분리기(910)로 통과하는 포말의 가스 성분은 분리기 외부로 외부 통기구(도시 생략)로 진행하고 환경으로 방출된다. 개별 액체와 공기로의 포말의 침전 시간을 가속하기 위한 그리고 통기 공기로부터 액체를 제거하기 위한 부가의 메커니즘(도시 생략)이 또한 포함될 수도 있다. 간략하게, 고압 실린더(902)는 저압 실린더(904)가 배기 스트로크를 수행하는 동안 흡기 스트로크를 수행할 수도 있다.
고압 실린더(902)의 피스톤(972)이 실린더(902)의 하사점에 도달하고 피스톤(974)이 저압 실린더(904)의 상사점에 도달할 때, 고압 실린더(902)의 챔버(960)는 중간 압력[예를 들어, 300 psi(2.07 MPa)]에서 가스를 수용한다. 이후에 밸브(966)는 개방될 수도 있고, 고압 실린더(902)의 피스톤(972)은 상향으로 이동하기 시작할 수도 있고, 밸브(968)는 개방될 수도 있고 저압 실린더(904)의 피스톤(974)은 하향으로 이동하기 시작할 수도 있다. 동시에, 펌프(940)가 운전하여, 열교환 액체(932)를 혼합 챔버(916)로 반송하여 발포한다. 이들 조건 하에서, 중간 압력에서의 가스는 고압 실린더(902)의 챔버(960)로부터, 바이패스 파이프(922)를 통해 분리기(908) 내로 유동한다. 실린더(902, 904)는 위상 불일치가 될 필요는 없지만, 위상 불일치 시나리오에서, 중간압 가스는 분리기(908)로부터 혼합 챔버(916)를 통해 저압 실린더(904)의 챔버(962) 내로 (열교환 액체와 발포됨) 유동하고, 여기서 하향으로 이동하는 피스톤(974) 상에서 일을 수행한다. 간략하게, 고압 실린더(902)는 저압 실린더(904)가 흡기 스트로크를 수행하는 동안 배기 스트로크를 수행할 수도 있다.
전술된 일련의 작동은 주기적으로 반복될 수도 있어, 대략적으로 등온 방식으로 저장조로부터 임의의 원하는 양의 가스를 팽창시킨다는 것이 공압 및 유압 기계의 분야에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 시스템(900)은 통기구를 통해 유입된 가스를 등온 압축하고 압축 가스를 고압 저장조로 전달하는 일련의 작동 상태를 취할 수도 있고, 이 일련의 상태는 또한 주기적으로 반복될 수도 있어, 임의의 원하는 양의 가스를 저장조 내로 압축한다는 것이 또한 명백할 것이다. 이러한 작동(뿐만 아니라, 도 9와 관련하여 설명된 것들)은 더 많은 수의 실린더를 경유하여 수행될 수도 있고, 다수의 실린더가 병렬로 팽창 또는 압축될 수도 있고, 또는 3개 이상의 스테이지(하나 이상의 실린더의 각각)가 가스를 직렬로 팽창 또는 압축하는데 이용될 수도 있다.
일반적으로, 압축 및 팽창의 모두 중에, 시스템(900)은 포말이 공기 챔버(960, 962)로 유입될 수도 있게 하기 위해, 실린더로부터 배기되는 유체가 바이패스 튜브(920, 922, 924, 926)를 통해 유도되고 실린더에 의해 흡인되는 유체는 혼합 챔버(912, 914, 916, 918)를 통해 유도되도록 작동될 수도 있다. 더욱이, 혼합 챔버(912, 914, 916, 918) 및 펌프(936, 938, 940, 942)의 내부의 스크린(또는 다른 적합한 포말 변경 메커니즘)은 시스템(900)의 효율을 최적화하는 방식으로 작동될 수도 있다(예를 들어, 최소 압력 강하에서 연속적인 유동). 혼합 챔버는 일부 또는 모든 혼합 챔버 내에서 혼합하는 포말에 반대로 미세한 액적 스프레이를 위해 사용될 수도 있는데, 예를 들어 저압 챔버(918)는 챔버 내의 공기 내의 소형 액적의 박무(예를 들어, 100 미크론 평균 직경 이하)를 현탁하는데 사용될 수도 있고, 반면 다른 챔버(912, 914, 916)는 수성 포말의 현탁액을 생성하는데 사용될 수도 있다. 일부 또는 모든 혼합 챔버(912, 914, 916, 918)는 도 8에 도시된 바와 같이 실린더 내로의 직접 분사로 대체될 수도 있다. 일부 또는 모든 직접 분사 포말 발생기(예를 들어, 도 8의 822)는 노즐의 어레이와 같은 직접 분사 스프레이 발생기로 대체될 수도 있는데, 예를 들어 저압 실린더(904) 내의 직접 분사 메커니즘(도시 생략)은 소형 액적의 박무(예를 들어, 100 미크론 평균 직경 이하)를 현탁하는데 사용될 수도 있고, 반면에 고압 실린더(902) 내의 직접 분사 메커니즘(도시 생략)은 수성 포말을 생성하는데 사용될 수도 있다. 실린더(902 및/또는 904)는 2개의 직접 분사 메커니즘, 즉 압축을 위한 하나 및 팽창을 위한 하나를 가질 수도 있고, 하나의 이러한 메커니즘은 스프레이를 위한 것일 수도 있고 하나는 포말 생성을 위한 것을 수도 있다.
도 10은 발포성 첨가제를 갖지 않는 수돗물의 스프레이를 사용하여 가스 팽창 프로세스의 등온 효율에 대한 실험 데이터의 플롯이다. 도 10에 플롯팅된 모든 팽창은 3,000 psig(20.68 MPa)에서 시작하여 250 psig(1.38 MPa)에서 종료되었고, 8-인치 내경 및 52-인치 스트로크 길이를 갖는 10-갤런 실린더 내에서 발생하였다. 각각의 기호(즉, 원, 삼각형 또는 정사각형)는 실린더를 구비하는 에너지 변환 시스템의 단일 운전의 등온 효율을 플롯팅한다. 출력 전력의 3개의 상이한 레이트(37 kW, 50 kW 및 70 kW)에서의 팽창이 도 10에 플롯팅되어 있다. 수직축은 팽창의 등온 효율, 즉 등온 팽창을 경유하여 소정량의 가스로부터 이론적으로 추출 가능한 에너지와 비교하여 단일 실제 팽창 중에 추출되는 에너지의 분율에 대응한다. 온도가 감소하는 팽창은 일반적으로 이상적인 등온 팽창보다 낮은 에너지를 산출하고, 따라서 100% 등온 효율 미만을 야기한다. 예를 들어, 동일한 압력 범위에 걸친 단열 팽창은 이상적인 등온 팽창의 에너지의 대략 50%를 야기할 것이고, 따라서 대략 50% 등온 효율을 갖는다.
등온 효율이 도 10에 플롯팅되어 있는 팽창시에, 열교환 스프레이는 팽창의 시작시에 개시되고, 팽창 가스가 미리 정해진 임계 압력 또는 "스프레이 종료 압력"에 도달할 때 정지된다. 도 10의 수평축은 이 스프레이 종료 압력에 대응한다. 시작 가스 압력은 도 10의 모든 팽창에 대해 동일하기 때문에, 더 낮은 압력이 더 늦은 시간에 실린더 내에서 얻어지는 경향이 있고, 각각의 출력 전력 레벨에 대해, 더 낮은 스프레이 종료 압력(수평축에서 좌측)은 통상적으로 더 긴 스프레이 기간(증가된 스프레이 시간)에 대응한다.
도 10에 도시된 바와 같이 그리고 "증가하는 스프레이 시간"으로 표기된 화살표가 강조하는 바와 같이, 이 실험 셋업에 대해 그리고 열교환 스프레이 액체로서 발포성 첨가제가 없는 수돗물을 사용하여, 효율이 스프레이 종료 압력으로 감소하는(즉, 스프레이 시간으로 증가함) 명백한 경향이 있다. 본 발명의 범주를 한정하지 않고, 이 경향은 실린더 내의 열교환 액체와 가스 사이의 열전달이 단지 액체와 가스가 더 큰 표면적에 걸쳐 서로 접촉하는 동안에만 상당한 레이트로 발생하기 때문에 발생하는 것으로 고려된다. 비발포성 스프레이에 대해, 액체와 가스는 단지 스프레이가 생성되고 액적이 가스를 통해 낙하하는 동안에만 더 큰 표면적에 걸쳐 접촉한다. 열교환은 스프레이가 생성을 정지한 직후에 상당히 느려진다. 따라서, 전체 팽창 또는 대부분의 팽창 전체에 걸친 스프레이는 등온 팽창에 더 가까운 근사 및 따라서 더 높은 등온 효율을 허용한다.
도 11은 2.5 체적 %의 발포성 첨가제(본 예시적인 실시예에서, 적어도 부분적으로 에탄올아민을 포함함)를 갖는 수돗물의 스프레이를 사용하는 가스 팽창 프로세스의 등온 효율에 대한 실험 데이터의 플롯이다. 플롯의 축들은 도 10에 대해 전술된 바와 같다. 출력 전력(50 kW 및 70 kW)의 2개의 상이한 레이트에서의 팽창이 도 11에 플롯팅된다.
도 11에 도시된 바와 같이 그리고 "증가하는 스프레이 시간"으로 표기된 화살표가 강조하는 바와 같이, 이 실험 셋업에 대해 그리고 열교환 스프레이 액체로서 2.5% 발포성 첨가제를 갖는 수돗물을 사용하여, 존재하는 경우, 효율이 스프레이 종료 압력으로 감소하는(즉, 스프레이 시간으로 증가함) 약간의 경향이 있다. 더욱이, 발포성 열교환 스프레이를 이용하여 얻어진 등온 효율은 비발포성 스프레이로 얻어진 것들(도 10)보다 더 높은 경향이 있다. 본 발명의 범주를 한정하지 않고, 이 경향의 물리적 기반은 발포성 스프레이에 대해, 스프레이가 활발하게 생성되는 동안 뿐만 아니라 최종적인 액체-가스 혼합물이 실질적으로 실린더 내에 포말로서 지속되는 한, 액체와 가스가 더 큰 표면적에 걸쳐 접촉한다는 것으로 고려된다. 따라서, 상당한 열교환이 스프레이가 생성을 정지한 후에도 계속될 수도 있다. 그 결과가 도 11에 플롯팅되어 있는 실험에 사용된 2.5% 물-첨가제 혼합물에 대해, 실린더 내의 팽창 챔버의 전체 체적은 스프레이의 개시 후에 곧(즉, 팽창 스트로크의 기간의 작은 분율) 포말로 충전된다. 더 긴 스프레이 시간(더 작은 스프레이 종료 압력)은 비교적 적은 부가적인 열전달을 생성하면서 부가의 에너지를 소비하기 때문에 더 낮은 등온 효율과 연관될 수도 있다. 따라서, 도 11에 플롯팅된 데이터에 속하는 실험 조건 하에서, 최고 효율 사이클이 최단 스프레이 기간으로 성취된다. 현저하게, 도 11에 도시된 조건 하에서 얻어진 최고 효율(대략 97%)은 도 10에 도시된 조건 하에서, 즉 비발포성 스프레이로 얻어진 최고 효율(대략 95.6%)보다 높다. 하나 이상의 발포성 첨가제(예를 들어, 본 예시적인 실시예에 이용된 것 이외의 첨가제)의 더 큰 또는 작은 농도에서, 다른 경향이 관찰될 수도 있는데, 예를 들어 매우 낮은 첨가제 농도에서 발포는 2.5% 농도에서 관찰된 효과를 생성하지 않도록 매우 약간일 수도 있고, 이 경우에 도 10의 것들에 더 가깝게 유사한 데이터가 얻어질 수도 있다.
도 12는 발포성 첨가제가 없는 수돗물의 스프레이를 사용하는 가스 압축 프로세스의 등온 효율에 대한 실험 데이터의 플롯이다. 도 12에 플롯된 모든 압축은 250 psig(1.38 MPa)에서 시작되고 3,000 psig(20.68 MPa)에서 종료되었고, 8-인치 내경 및 52-인치 스트로크 길이를 갖는 10-갤런 실린더 내에서 발생하였다. 각각의 기호(즉, 다이아몬드, 정사각형 또는 삼각형)는 에너지 변환 시스템의 단일 운전의 등온 효율을 플롯팅한다. 출력 전력의 3개의 상이한 레이트(37 kW, 50 kW 및 70 kW)에서의 압축이 도 12에 플롯팅되어 있다. 수직축은 압축의 등온 효율, 즉 동일한 체적으로 동일한 양의 가스를 압축하기 위해 실제 측정된 에너지와 비교된 등온 압축을 경유하여 소정량의 가스를 특정 체적으로 압축하는데(소정의 시작 압력 및 체적으로부터) 요구되는 에너지의 분율에 대응한다. 온도가 증가하는 압축은 일반적으로 이상적인 등온 압축보다 많은 에너지를 요구하고, 따라서 100% 등온 효율 미만을 야기한다. 예를 들어, 10 갤런(37.8 l)의 250 psig(1.38 MPa) 가스의 2 갤런(7.6 l)의 체적으로의 단열 압축은 통상적으로 동일한 체적으로의 이상적인 등온 압축의 에너지의 대략 170%를 요구하고, 따라서 대략적으로 60%(즉, 100/170) 등온 효율을 가질 것이다.
등온 효율이 도 12에 플롯팅되어 있는 압축시에, 열교환 스프레이는 압축의 시작시에 개시되고, 소정의 미리 정해진 임계 압력 또는 "스프레이 종료 압력"에서 정지된다. 도 12의 수평축은 이 스프레이 종료 압력을 표현한다. 시작 및 종료 가스 압력은 도 12의 모든 팽창에 대해 동일하기 때문에, 더 낮은 압력이 더 이른 시간에 실린더 내에서 얻어지고, 따라서, 더 낮은 스프레이 종료 압력(수평축에서 좌측)은 더 짧은 스프레이 기간(감소된 스프레이 시간)에 대응한다.
도 12에 플롯팅된 데이터가 도시하는 바와 같이 그리고 "증가하는 스프레이 시간"으로 표기된 화살표가 강조하는 바와 같이, 열교환 스프레이 액체로서 발포성 첨가제가 없는 수돗물을 사용하여, 효율이 스프레이 종료 압력으로 최대 약 2,000 psi(13.79 MPa)의 스프레이 압력까지 증가하는(즉, 스프레이 시간으로 증가함) 경향이 있다. 본 발명의 범주를 한정하지 않고, 이 경향의 물리적 기반은 실린더 내의 열교환 액체와 가스 사이의 열전달이 단지 액체와 가스가 더 큰 표면적에 걸쳐 서로 접촉하는 동안에만 상당한 레이트로 발생한다는 것으로 고려된다. 비발포성 스프레이에 대해, 액체와 가스는 단지 스프레이가 생성되고 그 액적이 가스를 통해 낙하하는 동안에만 더 큰 표면적에 걸쳐 접촉한다. 상당한 열교환은 스프레이가 생성을 정지한 직후에 정지한다. 전체 압축(또는 도 12에 플롯팅된 압축에 대해, 대부분의 압축) 전체에 걸친 스프레이는 등온 압축에 더 가까운 근사 및 따라서 더 높은 등온 효율을 허용한다.
도 13은 2.5 체적 %의 발포성 첨가제(도 11의 데이터를 생성하는데 이용된 동일한 발포성 첨가제)를 갖는 수돗물의 스프레이를 사용하는 가스 팽창 프로세스의 등온 효율에 대한 실험 데이터의 플롯이다. 플롯의 축들은 도 10, 도 11 및 도 12에 대해 전술된 바와 같다. 출력(50 kW 및 70 kW)의 2개의 상이한 레이트에서의 압축이 도 13에 플롯팅된다.
도 13에 도시된 바와 같이 그리고 "증가하는 스프레이 시간"으로 표기된 화살표가 강조하는 바와 같이, 이 실험 시스템에서 열교환 스프레이 액체로서 2.5% 발포성 첨가제를 갖는 수돗물을 사용하여, 등온 압축 효율은 스프레이 종료 압력에 대략 독립적이다. 본 발명의 범주를 한정하지 않고, 이 독립성의 물리적 기반은 발포성 스프레이에 대해, 스프레이가 생성되는 동안 뿐만 아니라 액체-가스 혼합물이 실린더 내에 포말의 형태로서 지속되는 한, 액체와 가스가 더 큰 표면적에 걸쳐 접촉한다는 것으로 고려된다. 따라서, 상당한 열교환이 스프레이가 생성을 정지한 후에도 계속된다. 그 결과가 도 13에 플롯팅되어 있는 실험에 사용된 2.5% 혼합물에 대해, 실린더 내의 팽창 챔버의 전체 체적은 스프레이의 개시 후에 곧(즉, 팽창 스트로크의 기간의 작은 분율) 포말로 충전된다. 도 13에 도시된 실험 조건 하에서, 최고 효율 사이클이 최단 스프레이 기간, 뿐만 아니라 최장 스프레이 기간으로 성취된다. 현저하게, 도 13에 도시된 조건 하에서 얻어진 최고 효율(98% 초과)은 도 12에 도시된 조건 하에서, 즉 비발포성 스프레이로 얻어진 최고 효율(대략 96%)보다 상당히 높다. 하나 이상의 발포성 첨가제의 더 큰 또는 작은 농도에서, 다른 경향이 관찰될 수도 있는데, 예를 들어 매우 낮은 농도(또는 다른 첨가제의 다른 농도)에서 발포는 2.5% 농도에서 관찰된 효과를 생성하지 않도록 매우 약간일 수도 있고, 이 경우에 도 12의 것들에 더 가깝게 유사한 데이터가 얻어질 수도 있다.
비교적 짧은 스프레이 시간을 갖는 발포성 스프레이 액체를 사용함으로써 높은 등온 효율을 성취하는 것은 스프레이 생성에 전용된 기생 에너지가 더 연장된 스프레이 기간에 대해 감소되는 장점을 갖는다. 압축 중에, 짧은 초기 스프레이 기간은 일반적으로 압축의 이후의 부분에 압력에 비교하여 스프레이되는 실린더 챔버 내의 낮은 가스 압력을 극복해야 하는데, 이는 또한 스프레이 에너지를 절약한다. 팽창 중에, 챔버 내의 가스보다 고온인 물이 일반적으로 등온 팽창을 성취하도록 스프레이될 때, 가스가 초기 압력에 있을 때의 스프레이는 단지 그 초기 압력에서 물[예를 들어, 도 3의 저장조(320) 내의 물]에 대한 작은 압력 증가 및 따라서 낮은 펌핑 전력만을 요구하고, 반면에 물이 그 초기 압력(예를 들어, 저장조 압력)으로부터 훨씬 더 낮은 실린더 압력으로 스프레이되면, 에너지는 스프레이 프로세스 중에 유체의 스로틀링시에 손실될 수도 있다. 포말을 생성하는 첨가제는 동시에 윤활성을 증가시키고 부식을 방지하는 것과 같은 하나 이상의 다른 이득을 생성할 수도 있다.
포말의 에너지 효율적 생성의 다른 고려 사항은 (1) 압력차를 가로지르는 액체의 순환시의 에너지 손실을 최소화하기 위해, 포말이 압축 또는 팽창에 대한 공압 실린더의 공기 챔버로의 유입 전에 생성되어야 하는지(본 명세서에 "발포-전"또는 "후-분사" 접근법이라 명명됨) 또는 공압 실린더의 챔버 내로 직접 생성되어야 하는지(본 명세서에서 "발포-중" 또는 "직접 분사" 접근법이라 명명됨), (2) 포말의 어느 액체-대-가스 질량비가 열교환, 펌핑 에너지 및 다른 효율 고려 사항을 최적화하기 위한 것인지이다. 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 예시적인 시스템은 발포-전 시스템이고, 도 8에 도시된 예시적인 시스템은 발포-중 시스템이다.
도 14는 발포-전 접근법을 발포-중 접근법에 비교하는, 시간의 함수로서 공압 실린더의 공기 챔버 내로 포말 또는 발포성 액체의 분사 및 생성시에 소비된 계산된 에너지의 예시적인 그래프이다. 유압의 기본 원리에 의해, 발포 에너지(Wfoam)(즉, 기계적 교반이 발포를 유도하기 위해 채용되면, 포말을 형성하기 위해 액체와 가스를 혼합하는 장치를 통해 발포성 액체를 가압함으로써 소정량의 포말을 생성하는데 요구되는 에너지)는 발포된 액체의 체적(Vliquid)에 발포 장치를 통한 그 통과시에 발포된 액체에 의해 경험된 압력의 변화(ΔPfoaming)를 곱한 값에 의해 결정되는데, 즉 Wfoam = Vliquid × ΔPfoaming이다. 여기서, Vliquid 및 ΔPfoaming이 시간에 따라 변하는 경우에, 소정의 시간 간격에 걸친 총 발포 에너지 Wfoam는 그 간격에 걸친 Vliquid × ΔPfoaming의 적분에 의해 제공되는데, 즉 Wfoam = ∫Vliquid × ΔPfoamingdt이다(여기서, 적분의 한계는 명시적으로 지시되어 있지 않음). Vliquid가 일정하고 ΔPfoaming이 시간에 따라 변하면, Wfoam = Vliquid × ∫ΔPfoamingdt이다. 소정량의 가스에 대한 소정의 가스-대-액체 질량비에 대해, Vliquid는 고정되고, 따라서 Wfoam을 최소화하기 위해, 평균 ΔPfoaming이 최소화되어야 한다.
일반적으로, 발포-중(즉, 직접 분사) 접근법에 대해, ΔPfoaming은 발포성 액체가 분사되는 가스의 압력과 발포 액체의 소스 압력 사이의 차이에 의해 제공되기 때문에, ΔPfoaming은 실린더 조립체 내의 피스톤 스트로크 전체에 걸쳐 변한다. 발포성 액체의 소스의 압력은 일반적으로 대략적으로 일정하고, 반면에 실린더 조립체 내에서 압축 또는 팽창을 경험하는 가스의 압력은 실질적으로 변경된다. 예를 들어 압축 스트로크 중에 실린더 조립체 내의 포말의 생성은 따라서 증가하는 압력차(증가하는 ΔPfoaming)에 대해 실린더 조립체의 공기 챔버 내로 발포성 액체를 가압하는 것을 수반한다.
도 14의 그래프에서, 수직축 "차등 스프레이 압력"은 ΔPfoaming에 대응하고, 수평축은 시간에 대응한다. ΔPfoaming 대 시간으로 플롯팅한 곡선 아래의 면적은 ∫ΔPfoamingdt이다. 따라서, Wfoam = Vliquid × ∫ΔPfoamingdt이고, Vliquid가 일정하게 추정되면, 소정의 가스 팽창 또는 압축 프로세스에 대한 발포 에너지 Wfoam은 그 프로세스에 대한 시간 곡선에 대한 ΔPfoaming 아래의 면적에 비례할 것이다.
도 14의 그래프의 실선은 대략 0 psig에서 시작하는 소정량의 가스의 발포-중(즉, 직접 분사) 압축에 대한 ΔPfoaming을 도시한다. 실린더 조립체의 공기 챔버 내의 압력이 증가할 때, ΔPfoaming은 증가한다(그래프 내의 상승 곡선). 포말 생성이 압축이 완료된 후의 시간 기간 중에 계속되면, ΔPfoaming은 그 시간 기간 동안 대략적으로 일정할 것이다(대략 0.8 단위에 동일한 시간으로부터 1.0 단위에 동일한 시간까지 그래프 내의 실선 곡선의 편평한 부분). 도 14의 그래프의 실선 라인 아래의 면적은 ∫ΔPfoamingdt이고, 따라서 Wfoam = Vliquid × ∫ΔPfoamingdt에 의해, 이 예시적인 압축 프로세스에 대한 발포 에너지 Wfoam은 실선 아래의 면적에 비례한다.
유사하게, 도 14의 그래프의 점선은 대략 0 psig에서 시작하는 소정량의 가스의 발포-전(즉, 후-분사) 압축에 대한 ΔPfoaming을 도시한다. 가스의 양 및 압축 프로세스의 다른 특징은 그래프의 실선에 의해 표현된 압축에 대한 것들과 동일하다. 발포-전 프로세스에서, 포말은 압축될 가스가 실린더 조립체의 공기 챔버 내로 유입됨에 따라 낮은 압력에서 생성된다. ΔPfoaming은 발포-전 프로세스에 대해 포말 생성 전체에 걸쳐 낮고 일정하다(그래프에서 수평 점선). 명백하게, 그래프의 점선 아래의 면적(즉, 이 예시적인 발포-전 압축 프로세스에 대해 발포 에너지 Wfoam에 동일한 ∫ΔPfoamingdt)은 그래프의 실선 아래의 면적보다 작다. 따라서, 발포 에너지 Wfoam은 상응하는 발포-중 압축 프로세스보다 발포-전 압축 프로세스에 대해 더 작다.
포말이 실린더 조립체의 외부의 포말 생성기에서 생성되는(예를 들어, 도 5에서와 같이) 발포-전 프로세스에서, 생성된 포말은 실린더 조립체의 공기 챔버 내로 밸브(예를 들어, 포핏 밸브)를 통해 유입되어야 한다. 팽창 또는 압축 중에, 밸브를 통한 실린더 조립체 내로의 통과는 포말에 대한 소정의 압력 강하 및 따라서 소정의 에너지 손실을 수반할 것이다. 그러나, 실린더 조립체의 공기 챔버로부터 유체의 진입 또는 진출을 지배하는 밸브(예를 들어, 포핏 밸브)를 통한 압력 강하는 일반적으로 포말 생성 장치를 통한 압력 강하보다 낮을 것이다. 따라서, 발포-전 프로세스는 일반적으로 발포-중 프로세스보다 더 낮은 에너지 손실 및 따라서 더 높은 효율을 실현할 것이다.
더욱이, 스프레이-중 프로세스에서, 압축 또는 팽창 중에, 포말 생성은 그 기간 및 타이밍이 실린더 조립체의 작용에 의해 결정되는 에피소드 또는 시간 간격에 발생해야 한다. 스프레이-전 프로세스에서, 포말은 실린더 조립체의 각각의 압축 또는 팽창 스트로크 중에 뿐만 아니라, 연속적으로 생성되거나 재생성될 수도 있고(예를 들어, 대형 포말 생성기 또는 포말 생성기에 부착된 저장조 내에서). 더 긴 시간 기간에 걸쳐 포말 생성을 수행하는 것은 더 급속한 발포에 비교하여 ΔPfoaming을 더 낮추는 경향이 있어, 추가의 효율 이득이 실현되게 한다.
도 15의 그래프는 포말 질량비의 범위에 대한 예시적인 압축 프로세스의 세트 및 예시적인 압축 프로세스의 세트를 경험하는 포말의 액체 성분의 계산된 온도 변화를 플롯팅한다. 도 15의 그래프의 수직축은 압축을 경험하는 포말의 액체 성분의 온도 변화에 대응하고, 그래프의 수평축은 압축을 경험하는 포말의 질량비, 즉 포말의 단위 체적당 액체의 질량(mw) 대 포말의 단위 체적당 가스의 질량(ma)의 비에 대응한다. (질량비 mw/ma는 가스 성분의 소정 분율이 액체 성분 내로 용해하거나 액체 성분으로부터 증발하여 ma를 변경할 수도 있을 때 또는 액체 성분의 소정 분율이 가스 성분 내로 증발하거나 가스 성분으로부터 응축하여 mw를 변경할 수도 있을 때를 제외하고는 압력에 따라 변하지 않는다. 도 15의 예시적인 그래프는 이들이 비교적 작은 효과만을 갖기 때문에 액체 성분의 용해된 가스 및 증기-액체 상변화의 효과는 무시한다.)
압축성 가스 및 대략 비압축성 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 포말이 압축될 때, 포말의 체적의 변화는 가스 성분의 압축에 기인한다. 전술된 바와 같이, 압축을 경험하는 가스는 가열하는 경향이 있다. 압축을 경험하는 포말의 가스 성분의 상승하는 온도는 열 에너지가 포말의 액체 성분으로 전달되게 한다. 질량비 mw/ma가 클수록, 가스의 각각의 질량 단위에 대한 열 에너지를 흡수하기 위해 이용 가능한 액체의 질량이 크고, 포말의 압력의 소정의 전체 변화에 대한 액체의 온도(T)의 최종적인 변화가 낮다. 액체의 최종 T는 일반적으로 초기 포말 온도, 포말의 가스 및 액체 성분의 열전달 계수, 가스와 액체의 열 용량, 포말 질량비, 포말 시작 압력 및 포말 종료 압력의 함수이다. 도 15의 그래프에서, 단지 질량비 및 포말 종료 압력만이 변경된다.
압축을 경험하는 다양한 가상 포말의 액체 성분의 온도의 변화(ΔT)는 도 15의 그래프에 일련의 곡선에 의해 표현되어 있다. 압축은 저압 실린더(LP) 및 제2 상태 고압 실린더(HP)에 대해 도시된다. LP 실린더에 대해, 압축은 제1 압축 스테이지에 대해, 대략 0 psig에서 시작하고 대략 180 psig(1.24 MPa)에서 시작한다(TLP로서 도시되고 표기됨). 후속의 고압 제2 압축 스테이지에 대해, 3개의 시나리오가 도시되어 있는데, (1) 180 psig(1.24 MPa)로부터 850 psig(5.86 MPa)의 제1 고압으로의 압축(THP(P=850 psi )), (2) 180 psig(1.24 MPa)로부터 3000 psig(20.68 MPa)의 제1 고압으로의 압축(THP(P=3000 psi )) 및 (3) (1)과 (2)의 평균이다. 간단화를 위해, 액체는 가상 압축에서 부닥치는 임의의 압력 및 온도 조건 하에서 비등 또는 동결하지 않는 것으로 가정된다. 그래프의 제1(하부) 실선은 질량비 mw/ma의 범위를 가로지르는 LP 압축의 최종 온도를 표현하고, 점선은 850 psig(5.86 MPa)로의 포말 압축 후에 최종 액체 온도를 표현하고, 쇄선은 3,000 psig(20.68 MPa)로의 압축 후에 최종 액체 온도를 표현하고, 점선과 쇄선 사이의 실선은 850 psig(5.86 MPa)과 3,000 psig(20.68 MPa) 최종 온도의 평균을 표현한다.
도 15의 그래프의 모든 4개의 곡선은 대략적으로 쌍곡선 특성을 가져, mw/ma가 0으로 진행함에 따라 단열 조건에 접근하고, mw/ma가 무한대로 진행함에 따라 0에 접근한다. 낮은 mw/ma(0에 접근)는 부닥칠 수 있는 온도 극단에 기인하여 바람직하지 않다는 것이 열역학, 액체 및 혼합 상태 시스템의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자에게 명백할 것이다. 높은 온도는 액체의 비등(예를 들어, 액체가 포말로부터 분리되고 그 압력이 감소될 때), 계면 활성제 화합물의 파괴 또는 다른 바람직하지 않은 효과를 유도할 수도 있다. 유사하게, 큰 mw/ma(무한대에 접근)는 압력의 포텐셜 에너지가 저장되지 않은 액체의 큰 분율의 펌핑을 필요로 하고, 또한 mw/ma가 증가함에 따라, "포말"이 더 이상 유지될 수 없고 오히려 가스의 기포가 존재하는 액체의 질량이 생성되는 지점에 도달할 것이다. 과도하게 높은 mw/ma의 다른 단점 중에서, 피스톤은 이러한 혼합물의 단지 약간의 압출만을 실행하는 것이 가능할 것이다. 압축 가스 에너지 저장 시스템의 효율적인 작동은 일반적으로 작동 유체(예를 들어, 2-상 혼합물)가 상당히 압축 가능하지 않은 경우에 실행 가능하지 않다. 따라서, 도 15의 그래프는 예를 들어, mw/ma = 2의 부근에서 적당한 질량비(mw/ma)를 갖는 포말은 압축 가스 에너지 저장 시스템에 이용될 때 가장 효율적인 가능성이 있다는 결론을 지지한다. 이러한 질량비는 예를 들어, 1 대 4, 더 바람직하게는 1.5 대 3의 질량비를 포함한다.
압축 가스 에너지 저장 시스템 내의 2개의 유체 상태의 전개(예를 들어, 포말 내의 액체와 가스)는 포말로서 혼합되거나 액체, 포말 및 가스 분율로 분리된 액체 뿐만 아니라 압축 가스의 저장을 수반할 수도 있지만, 단지 압축 가스는 상당한 압력 포텐셜 에너지를 저장한다. 액체의 저장은 에너지 저장 시스템을 위한 부가의 또는 기생 비용을 구성할 수도 있는데, 과도한 열교환 액체가 저장되면, 에너지 저장 시스템의 비용 효용성은 감소될 수도 있다. 대량의 압축 가스의 저장을 위해, 저장 비용은 심지어 총 시스템 비용을 지배할 수도 있고, 이러한 경우에 대량의 액체를 저장하는 비용은 과중할 수도 있다. 도 16의 그래프는 3,000 psig(20.68 MPa)의 최대 압력을 갖는 압축 가스 에너지 저장 시스템에 대한 포말 질량비(mw/ma)의 함수로서 가스 저장 체적(즉, 저장조 내의 가스만에 대한 저장조 체적에 대한 가스를 갖는 압력 저장조 내에 액체가 저장되는 2-상 시스템에 대한 부가의 저장 체적)의 분율로서 부가의 액체 체적을 도시하고 있다. 0의 질량비에 대해, 0의 액체 저장이 존재한다. 5의 질량비에 대해, 가스 체적보다 대략 1.2배 더 많은 액체 체적이 저장되어야 한다. 대략 2의 질량비에 대해, 저장되어야 하는 가스의 양의 대략 절반 정도인 액체의 체적이 저장되어야 한다. 도 16은, 도 15와 마찬가지로, 2의 부근의 질량비가 효율적인 비용 효과적인 압축 가스 에너지 저장 시스템의 작동을 지원할 가능성이 있다는 결론을 지지한다.
도 17은 대략 3,000 psig(20.68 MPa)와 대략 250 psig(1.38 MPa) 사이의 급속한 가스 팽창 중에 실질적으로 등온 가스 순환을 유지하는데 있어서 수성 포말과 액적 스프레이의 활력적인 성능 성능을 비교하는 실험 데이터의 그래프이다. 데이터는 고압 시험 스탠드에서 발생하는 등온 가스 팽창에 대해 도시되어 있다. 그래프 상의 각각의 기호는 단일의 등온 팽창을 표현한다. 액체와 공기 사이의 열교환은 이들 실험에서 4개의 방법, (1) 압축 중에 가스 내의 물 액적 스프레이(가득찬 원), (2) 팽창 전에 가스 내의 물 액적 스프레이(가득찬 삼각형), (3) 팽창 중에 가스 내의 수성 포말 스프레이(개방 원) 및 (4) "포말 사전 스프레이"라 또한 명명하는 팽창 전의 가스 내의 수성 포말 스프레이(개방 삼각형)에 의해 성취된다.
도 17의 그래프의 수직축은 등온 효율, 즉 팽창 가스에 의해 수행된 일을 이상적인 등온 팽창에 의해 예측되는 일로 나눈 값이다. 도 17의 그래프의 수평축은 상대 스프레이 일, 즉 액적 또는 포말의 스프레이를 생성하는데 요구되는 일(예를 들어, 스프레이 헤드를 통해 액체를 가압함으로써)을 팽창 중에 가스에 의해 수행된 총 일로 나눈 값이다. 예를 들어, 소정의 팽창 실험에서, 300 kJ의 일이 등온 팽창 가스에 의해 수행되고 3 kJ의 일이 그 팽창 중에 생성된 포말을 생성하도록 요구되면, 그 실험에 대한 상대 스프레이 일은 0.01(3 kJ 나누기 300 kJ)이다. 낮은 상대 스프레이 일이 전체 시스템 효율을 증가시키기 때문에 바람직한데, 스프레이 일은 일반적으로 등온 에너지 저장 및 회수 시스템에 대한 기생 부하이다. 스프레이 펌핑 일은 스프레이된 체적에 압력 강하를 곱한 값에 관련되고, 예를 들어 액체와 가스 사이의 표면적 및 근접도를 최대화함으로써 스프레이된 액체와 팽창 또는 압축 가스 사이의 급속한 열전달을 촉진하는 고품질 스프레이 또는 수성 포말을 생성하기 위해 파이프 및 노즐을 통해 유체를 가압하는데 요구되는 일이다.
도 17의 그래프의 제3 실험 변수는 플롯팅된 실험 점들과 숫자를 연관시킴으로써 포말 사전 스프레이 실험(개방 삼각형)에 대해 지시되어 있다. 각각의 사전 스프레이 점에 의한 숫자는 그 실험에 대한 포말 질량비를 지정한다. 여기서, 포말 질량비는 수성 포말의 소정의 체적에서 액체 질량 대 가스 질량의 비로서 정의된다. 예를 들어, 소정의 포말의 입방 미터가 2 kg의 액체와 1 kg의 가스를 포함하면, 그 포말의 질량비는 2.0(2 kg 나누기 1 kg)이다. 질량비는 그래프의 모든 지점에 대해 지시될 수 있지만, 간단화를 위해 단지 포말 사전 스프레이에 대해서만 도시되어 있다.
도 17의 그래프는 등온 압축 가스 에너지 저장 및 생성 시스템에서 열전달을 위한 포말의 전개에 대한 다수의 진술을 지지한다. 첫째로, 유사 세트의 실험 조건을 위한 물 스프레이 기술에 대한 것보다 더 높은 등온 효율(예를 들어, 대략적으로 2 내지 5의 등온 효율 퍼센트 점)이 포말 사전 스프레이를 사용하여 성취 가능하다. (이 진술은 또한 도 15의 그래프에 의해 지지된다.) 둘째로, 대부분의 포말 사전 스프레이 실험은 낮은 상대 스프레이 일 뿐만 아니라 높은 등온 효율을 갖는데, 상대 스프레이 일 0.02의 부근에 군집되어 있는 포말 사전 스프레이 실험 점의 집단 및 0.92와 0.95 사이에 군집되어 있는 등온 효율을 주목하라. 셋째로, 비교적 높은 등온 효율(대략적으로 0.94)이 포말 사전 스프레이에 의해, 대부분의 경우에 비교적 낮은 질량비(1.8 내지 5.5)에 의해 성취되고, 재차 상대 스프레이 일 0.2 부근의 집단, 등온 효율 0.92 내지 0.95를 주목하라.
포말은 큰 액체-가스 표면 접촉 면적을 포함하여, 2개의 상태(액체와 가스) 사이의 열전달을 용이하게 한다. 등온 가스 팽창 또는 압축 중에 열전달을 위한 포말의 사용은 액적 스프레이와 같은 비포말 기반 기술에 비해 다수의 장점을 제공한다. 이들 장점은 이하를 포함한다. (1) 소정의 액체-가스 표면 접촉 면적(및 대응 열전달율)에 대해, 포말이 통상적으로 스프레이보다 상당히 낮은 에너지를 사용하여 생성될 수도 있다. (2) 열교환 액체에 추가하는 것이 유리할 수도 있는 부식 방지제 및/또는 다른 제제가 고유의 계면 활성(발포) 특성을 가질 수도 있다. 따라서, 열전달을 위한 포말을 포함하는 다수의 장점이 단지 몇개의 첨가제(또는 단지 1개)를 함유하는 열교환 액체를 사용하여 성취될 수도 있다. (3) 액적은 가스를 급속하게 침전(수분 증발)시키는 경향이 있고, 반면 포말은 계면 활성제 또는 발포 거동에 책임이 있는 다른 물질의 특성에 따라 비교적 지속성이 있을 수도 있다. 따라서, 액적과는 달리, 포말은 가스가 실린더 챔버 내에서 팽창 또는 압축을 경험하는 동안 또는 챔버 내로의 가스의 전달 전에 및/또는 동시에 가스 내에 분사될 수도 있다. 포말 생성은 따라서 예를 들어 액적 스프레이를 생성하기 위한 실린더 내의 스프레이 헤드의 배치에 비교할 때, 실린더의 외부에 위치될 수도 있다. 실린더의 외부의 포말 생성의 위치는 실린더 내부 체적을 증가시키는 것과 포말 생성 메커니즘에 대한 크기 제약을 완화하는 것을 포함하는 다수의 장점을 갖는다. 실린더 외부에 포말 생성을 위치시키는 것은 또한 실린더의 작동과 반드시 동기화될 필요는 없는 연속적인 또는 일시적인 포말 생성을 가능하게 하고, 반면에 실린더 내부의 포말 또는 스프레이 생성은 실린더의 작동과 동기되는 경향이 있다. 소정량의 발포성 액체가 실린더 챔버 내로의 가스의 유입 중 또는 전에 소정량의 가스에 첨가될 수도 있어, 실린더 챔버를 포말로 실질적으로 충전한다. 가스가 실린더 챔버 내에서 팽창되거나 압축됨에 따라, 포말은 이에 대응하여 팽창 또는 압축되어, 팽창 또는 압축 전체에 걸쳐 실린더 챔버를 실질적으로 계속 충전한다. 여기서, 본 출원인은 실린더 스트로크 시간에 대해 지속적인 포말이 채용되는데, 즉 팽창 및 압축이 소정의 시스템에서 발생하는 시간 스케일에 걸쳐 상당히 배수되지 않는 포말이 채용되는 것으로 가정한다. 팽창 또는 압축 전체에 걸친 포말 지속성은 가스 및 액체 상태 사이의 열전달이 팽창 또는 압축 전체에 걸쳐 발생하는 것을 가능하게 함으로써 등온식으로 용이하게 된다. (4) 그 결과가 도 17에 도시되어 있는 실험에서, 단지 포말 실험은 높은 등온 효율, 낮은 상대 스프레이 일 및 낮은 질량비를 동시에 성취하는데, 최고 등온 효율(대략적으로, 0.935)을 갖는 스프레이 액적 실험은 10 초과의 질량비(그래프에 도시되어 있지 않음) 및 대략 0.035 내지 0.095의 상대 스프레이 일을 갖고, 반면에 다수의 포말 사전 스프레이 실험은 0.035 미만의 상대 스프레이 일 및 3.6 내지 5.5의 질량비를 갖는 상응하는 또는 더 높은 등온 효율을 갖는다. 일반적으로, 포말 사전 스프레이는 도 17에 그래프로 나타낸 일련의 실험에서 검사된 다른 방법에서 행해지는 것보다 낮은 질량비를 갖는 더 높은 등온 효율 및 낮은 상대 스프레이 일을 성취한다. 더 낮은 질량비는 소정의 체적의 실린더에서, 소정의 등온 효율 및 소정의 시작 압력(팽창시) 또는 종료 압력(압축시)에 대해, 더 적은 비압축성 액체 및 더 많은 가스가 실린더 챔버 내에 존재함에 따라, 더 낮은 질량비가 더 높은 질량비에서 행해지는 것보다 더 많은 가스가 단일 사이클에서 압축되거나 팽창되게 하기 때문에 유리하다. 실린더 사이클 당 더 많은 가스를 처리하는 것은 전체 시스템 파워 밀도를 상승시킨다. 낮은 질량비의 부가의 장점은 이하와 같이 발생하는데, 실린더 챔버 내로 유체의 분사 중에 또는 실린더 챔버로부터 유체의 축출 중에, 압력 강하가 수반하는 시스템 비효율과 함께 밸브를 통해 발생한다. 밸브를 통한 소정의 유량에서, 압력 강하는 밸브를 통해 통과하는 유체의 질량 밀도에 대략적으로 비례한다. 포말의 평균 질량 밀도는 더 낮은 질량비를 갖는 포말에 대해 더 낮다. 따라서, 실린더 내외로의 포말의 통과 중에 스로틀링 손실은 더 낮은 질량비를 갖는 포말에 대해 더 낮다.
질량비는 포말의 팽창 또는 압축 중에 폐쇄된 실린더 내에서 대략 일정하게 유지된다. 포말 내의 기포는 팽창 중에 성장하고 압축 중에 수축하는 경향이 있지만, 액체 성분의 기체-액체 상태 변화와 가스의 용액으로부터 나오는 또는 용해하는 것으로부터 발생하는 효과와는 별개로, 액체 및 가스 성분의 질량은 일반적으로 고정 유지된다.
도 18은 달리 도시되어 있지 않은 에너지 저장 및 생성을 위한 더 대형의 시스템의 부분일 수도 있는 시스템(1800)의 개략도이다. 시스템(1800)은 3개의 상이한 팽창비를 갖는 포말(1812, 1814, 1816)의 생성 및 분리를 위한 2개의 실린더(1802, 1804) 및 장치(1806, 1808, 1810)를 갖는다. 여기서, 포말의 "팽창비"는 소정량의 포말의 총 체적을 포말의 그 체적의 액체 성분의 체적으로 나눈 값이다. 예를 들어, 1 입방 미터의 포말이 0.1 입방 미터의 액체를 포함하면, 포말의 팽창비는 10.0(1 입방 미터 나누기 0.1 입방 미터)이다. 질량비와는 달리, 팽창비는 포말이 팽창 또는 압축됨에 따라 일정하게 유지되는 경향은 없다. 오히려, 팽창비는 포말이 압축됨에 따라 감소하고 팽창됨에 따라 증가하는 경향이 있다.
각각의 포말 생성 장치(1806, 1808, 1810)는 포말 용기(1818, 1820, 1822, 각각) 및 재순환 펌프(1824, 1826, 1828, 각각)를 특징으로 한다. 실린더(1802)는 비교적 높은 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa) 내지 대략 3,000 psig(20.68 MPa)]의 범위에서 작동하고, 실린더(1804)는 비교적 낮은 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa) 내지 대략 0 psig]의 범위에서 작동한다. 각각의 포말 용기(1818, 1820, 1822)는 개별 압력 용기(도 18에 도시된 바와 같이), 실린더(또는 그 부분)에 연결된 파이핑 및/또는 실린더(또는 그 부분)에 연결된 매니폴드를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수 있다.
시스템(1800)이 팽창기로서 작동될 때, 저장조(도시 생략)로부터 가스는 높은 압력에서 고압 포말 용기(1818)로 유입될 수도 있다. 거기서 가스는 원하는 질량비를 갖는 수성 포말을 형성하기 위해(또는 미리 존재하는 포말을 강화하기 위해) 열교환 액체와 조합된다. 포말은 실린더(1802)로 전달 전에 고압 포말 용기(1818) 내에서 축적되고, 생성됨에 따라 고압 실린더(1802)로 통과될 수도 있고, 또는 이들 축적 및 통과의 양자 모두가 행해질 수도 있다. 수성 포말을 형성하기 위해 열교환 액체와 가스를 조합하기 위한 메커니즘은 도 18에는 도시되어 있지 않고, 예시적인 메커니즘이 이후의 도면에 도시될 것이다. 포말 파괴에 기인하여 고압 포말 용기(1818) 내에 축적하는 액체는 펌프(1824)에 의해 용기(1818) 내로 재순환될 수도 있다. 다른 실시예에서, 펌프(1824)는 역전될 수도 있고, 공기 또는 용기(1818)의 상부에 더 근접부로부터 덜 조밀한 포말이 용기(1818)의 저부 내로 펌핑되어 포말을 재생성할 수도 있다(예를 들어, 산포 프로세스). 시스템(1800)이 팽창기로서 작동될 때, 고압 용기(1818)로부터의 높은 압력에서 포말이 실린더(1802)의 상부 챔버(1830)에 유입된다. 포말은 챔버(1830) 내에서 팽창하여, 일정한 질량비를 유지하지만 그 팽창비를 증가시킨다(예를 들어, 대략 5 내지 대략 15의 팩터만큼). 중간 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa)]으로의 챔버(1830) 내에서 가스의 팽창 후에, 포말은 피스톤(1832)의 복귀 스트로크에 의해 챔버(1830)로부터 압박된다. 챔버(1830)를 벗어나는 포말은 포말 용기(1820)로 전달된다. 포말 용기(1820) 내에서, 포말은 재순환 펌프(1826)를 포함하는 것과 같은 적절한 메커니즘에 의해 재구성될 수도 있다. 포말은 실린더(1804)로 전달 전에 중간압 용기(1820) 내에 축적되고, 생성/유지됨에 따라 실린더(1804)로 통과될 수도 있고, 또는 축적 및 통과의 양자 모두가 행해질 수도 있다. 중간압 포말 용기(1820)는 시스템(1800)의 중간 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa)]에서 포말을 수용하여 생성한다.
중간압 포말 용기(1820)로부터의 포말은 저압 실린더(1804)의 상부 챔버(1834)에 유입된다. 포말은 챔버(1834) 내에서 팽창하여, 팽창 중에 일정한 질량비를 유지하지만 그 팽창비가 증가한다(예를 들어, 대략 10 내지 대략 15의 팩터만큼). 낮은 압력[예를 들어, 대략 5 psig(34.5 kPa)]로의 챔버(1834) 내의 가스의 팽창 후에, 포말은 피스톤(1836)의 복귀 스트로크에 의해 챔버(1834)로부터 압박된다. 챔버(1830)를 벗어나는 포말은 저압 포말 용기(1822) 내로 통과한다. 저압 포말 용기(1822) 내에서, 포말은 그 액체 및 가스 성분으로 분리되어, 저압 가스가 실질적으로 시스템(1800)으로부터 열교환 액체의 손실 없이 통기구(1838)를 통해 배출될 수도 있게 된다.
시스템(1800)이 압축기로서 작동될 때, 환경으로부터의 가스는 낮은 압력(예를 들어, 대기압)에서 저압 포말 용기(1822)로 유입될 수도 있다. 거기서 가스는 원하는 질량비를 갖는 수성 포말을 형성하도록 열교환 액체와 조합된다. 포말은 실린더(1804)로의 전달 전에 저압 포말 용기(1822) 내에 축적되고, 생성됨에 따라 저압 실린더(1804)로 통과되거나, 축적 및 통과의 양자 모두를 행할 수도 있다. 포말 파괴에 기인하여 저압 포말 용기(1822) 내에 축적하는 액체는 펌프(1828)에 의해 용기(1822) 내에서 재순환될 수도 있다. 시스템(1800)이 압축기로서 작동될 때, 용기(1822)로부터 낮은 압력에서의 포말은 실린더(1804)의 상부 챔버(1834)에 유입된다. 포말은 챔버(1834) 내에서 압축되어, 일정한 질량비를 보유하지만 그 팽창비를 증가시킨다. 중간 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa)]으로의 챔버(1834) 내에서 가스의 팽창 후에, 포말은 챔버(1834)로부터 배출된다. 챔버(1834)를 벗어나는 포말은 중압 포말 용기(1820)로 전달된다. 포말 용기(1820) 내에서, 포말은 예를 들어 재순환 펌프(1826)를 포함하는 것과 같은 적절한 메커니즘에 의해 재구성될 수도 있다. 포말은 실린더(1802)로 전달 전에 중간압 용기(1820) 내에 축적되고, 생성/유지됨에 따라 실린더(1802)로 통과될 수도 있고, 또는 축적 및 통과의 양자 모두가 행해질 수도 있다.
중간압 포말 용기(1820)로부터의 포말은 고압 실린더(1802)의 상부 챔버(1830)에 유입된다. 포말은 챔버(1830) 내에서 팽창하여, 압축 중에 일정한 질량비를 유지하지만 그 팽창비가 감소한다. 높은 압력[예를 들어, 대략 3,000 psig(20.68 MPa)]로의 챔버(1830) 내의 가스의 압축 중 또는 후에, 포말은 챔버(1830)를 나오고 고압 포말 용기(1818)를 경유하여 고압 저장조(도 18에 도시되어 있지 않음) 내로 통과한다. 고압 포말 용기(1818) 내에서, 포말은 그 액체 및 가스 성분으로 분리되어, 고압 가스가 실질적으로 시스템(1800)으로부터 열교환 액체의 손실 없이 고압 저장조로 전달될 수도 있게 된다. 대안적으로 또는 결합하여, 포말은 용기(1818)로부터 고압 저장조로 통과될 수도 있고, 거기서 수성 포말로서 저장되고, 그 액체 및 가스 성분으로 분리되거나 또는 부분적인 이러한 분리 하에 있다.
실린더(1802, 1804) 및 포말 생성 장치(1806, 1808, 1810)는 도 18에는 도시되지 않은 열교환 서브시스템을 통해 유체를 순환시킬 수도 있고, 그리고/또는 도 18에는 도시되지 않은 단일 또는 다수의 열 우물과 연통할 수도 있다.
도 19는 적당한 액체 대 공기 질량비(예를 들어, 2:1)에 대응하는 높은 팽창비(예를 들어, 400:1)를 갖는 낮은 압력(예를 들어, 대략 대기압)에서 포말의 생성을 위한 장치를 포함하는 예시적인 시스템(1900)의 개략도이다. 시스템(1900)은 가스의 등온 팽창 및 압축을 위해, 수직으로 배향된 실린더 배열에서 상부로부터 볼 때 단면도로 도시된 3개의 2-실린더 서브시스템(1902, 1904, 1906)을 포함한다. 3개의 2-실린더 서브시스템의 예시적인 시스템(1900)의 도시는 예시적인 것이고, 다른 수의 서브시스템 - 여기서 각각의 서브시스템은 1개, 3개 또는 그 이상의 실린더를 포함함 - 이 또한 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다. 2-실린더 시스템(1902, 1904, 1906)의 각각은 고압 실린더(1908, 1910, 1912, 각각) 및 저압 실린더(1914, 1916, 1918, 각각)를 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 포말의 생성을 위한 장치는 스프레이 챔버(1920), 스크린(1922), 포말(도 19 및 본 명세서의 다른 부분에서 점각에 의해 통상적으로 표현되어 있음)을 저압 실린더(1914, 1916, 1918)로 안내하는 매니폴드(1924), 팬(1926) 및 그 기능이 이하에 설명될 선택적 통기구 및 볼 밸브(1928)를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 장치 내의 포말의 생성 중에, 낮은(예를 들어, 대략 대기압) 압력에서의 공기는 입구(1930)를 통해 스프레이 챔버(1920)로 유입된다. 공기는 팬(1926)(또는 다른 적합한 메커니즘)에 의해 스크린(1922)을 향해 가속된다. 저장조(1932), 포말 용기 또는 다른 소스로부터의 유체는 팬(1930)에 의해 가속된 가스의 유동 내에 배치되는 하나 이상의 스프레이 헤드(1936)(또는 다른 적합한 분산 메커니즘)에 펌프(1934)에 의해 펌핑된다. 스프레이 헤드(1936)로부터의 스프레이(1938)는 스크린(1922)(예를 들어, 금속 메시, 그물, 고형 발포 재료)을 향해 유도된다. 스크린(1922)을 통해 통과하여, 공기와 스프레이(1938)는 수성 포말(1940)을 형성하도록 조합된다. 포말(1940)은 적합한 밸브 및 파이프(도시 생략)를 경유하여 저압 실린더(1914, 1916, 1918)의 챔버 내로 유도될 수도 있다.
매니폴드(1924)가 초기에 포말을 포함하지 않는 시동 작동 모드에서, 가스는 매니폴드(1924)가 실질적으로 또는 완전히 포말(1940)로 충전될 때까지 포말의 생성 중에 밸브(1928) 외부로[저압 실린더(1914, 1916, 1918) 내로보다는] 유도될 수도 있고, 그 후에 밸브(1928)는 폐쇄되고, 포말(1940)은 저압 실린더(1914, 1916, 1918) 내로 유도될 수도 있다. 밸브(1928)는 다양한 실시예에서, 통기구(도시 생략)에 연결되고, 임의의 액체 흡기물이 유체 저장조(1932)로 복귀하는 것을 허용하는 연결부를 갖고, 그리고/또는 입구(1930)로 재차 연결될 수도 있다.
도 19에 도시된 포말 생성 장치[스프레이 챔버(1920), 스크린(1922) 및 매니폴드(1924)를 포함함]의 생성 용량은 장치가 포말을 공급하는 실린더 또는 실린더들을 위한 평균 포말 흡기 유동 또는 피크 포말 흡기 유동에 대응하도록 치수 설정될 수도 있다. 여기서, 포말 생성기의 생성 용량은 단위 시간당 생성될 수 있는 포말의 체적(m3/sec)이다. 저장조로부터의 급속한 포말 유동 또는 포말의 미리 생성된 바디는 유동하는 포말을 부분적으로 또는 전체적으로 파괴하는 전단력을 수반할 수도 있어, 충분한 속도에서 포말을 생성하는 것이 이러한 전단력을 완화시킬 수도 있다. 본 명세서에 도시된 것들 및 본 명세서에 도시되지 않은 실시예에서 다른 포말 생성기가 또한 피크 유량을 수용하고 전단력에 기인하여 포말의 분리를 완화하기 위해 치수 설정될 수도 있다.
도 20은 적당한 액체 대 공기 질량비(예를 들어, 2:1)에 대응하는 높은 팽창비(예를 들어, 400:1)를 갖는 낮은 압력(예를 들어, 대략 대기압)에서 수성 포말의 생성 및 분리를 위한 장치를 특징으로 하는 예시적인 시스템(2000)의 개략도이다. 시스템(2000)은 가스의 등온 팽창 및 압축을 위해, 수직으로 배향된 실린더 배열로 상부로부터 볼 때 단면도로 도시된 3개의 2-실린더 서브시스템(2002, 2004, 2006)을 포함한다. 3개의 2-실린더 서브시스템의 예시적인 시스템(2000)의 도시는 예시적이고, 다른 수의 서브시스템 - 여기서, 각각의 서브시스템은 1개, 3개 또는 그 이상의 실린더를 포함함 - 이 또한 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다.
2-실린더 시스템(2002, 2004, 2006)의 각각은 고압 실린더(2008, 2010, 2012, 각각) 및 저압 실린더(2014, 2016, 2018, 각각)를 포함한다. 포말의 생성을 위한 장치는 3개의 챔버, 스프레이 챔버(2020), 저압 실린더(2014, 2016, 2018)에 포말을 안내하는 매니폴드(2022) 및 분리 챔버(2024)를 포함한다. 스프레이 챔버(2020)는 스크린(2024)에 의해 매니폴드(2022)로부터 분할되고, 팬(2026), 하나 이상의 스프레이 헤드(2028) 및 스프레이 챔버(2020) 내로의 가스의 통과를 차단하거나 허용하는 것이 가능한 루버(louver) 또는 플랩(flap)(2030)을 포함할 수도 있다. 루버(2030)는 매니폴드(2022) 상에 도시된 화살표의 반대 방향으로 역류를 방지하는 공기 체크 밸브로서 작용할 수도 있다. 매니폴드(2022)는 매니폴드(2022)로부터 분리 챔버(2024) 내로의 가스 및/또는 포말(2034)의 통과를 차단하거나 허용하는 것이 가능한 루버 또는 플랩(2032)에 의해 분리 챔버(2024)로부터 분리된다. 분리 챔버(2024)는 포말(2034)을 가스 성분 및 액체 성분(2038)으로 분리하는 포말 파괴 메커니즘(2036)을 포함한다. 도 20에서, 포말 파괴 메커니즘(2036)은 회전 휘스크(whisk)이고, 포말의 파괴를 위한 다른 방법 및 메커니즘(예를 들어, 다른 형태의 기계적 교반, 스크린, 필터, 초음파)이 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다. 분리 챔버(2024) 내의 액체(2038)는 파이핑(2040)에 의해 저장조(2042)로 반송되고, 그로부터 신선한 포말(2034) 내로 재순환을 위해 파이핑(2046)을 통해 스프레이 헤드(2028)로 펌프(2044)에 의해 펌핑될 수도 있다. 분위기 통기구 또는 개구(2048)가 포말(2034)의 생성 중에 스프레이 챔버(2020) 내로의 저압 가스의 진입 및 포말(2034)의 파괴 중에 분리 챔버(2024)로부터의 저압 가스의 진출을 허용한다. 스프레이 챔버(2020) 내로의 가스의 진입 중에, 선택적 세척 필터(2050)가 분위기 공기 내의 미립자 및/또는 다른 오염물의 스프레이 챔버(2020) 내로의 유입을 방지한다. 분리 챔버(2024)로부터의 가스의 진출 중에, 선택적 합체 필터(2052)가 포말, 물 액적 및 증기로부터 잔류 액체를 제거하여, 거의 어떠한 액체도 통기구(2048)로 통과되지 않을 것을 보장한다. 다양한 다른 실시예에서, 개별 통기구는 시스템(2000) 내로의 가스의 진입 및 외로의 가스의 진출을 위해 제공될 수도 있다. 또한, 다양한 다른 실시예에서, 필터(2050, 2052)는 도 20에 도시된 장치의 외부에 위치될 수도 있다(예를 들어, 다양한 다른 실시예에 제공된 개별 통기구로 이어지는 파이프 내에).
압축기로서의 시스템(2000)의 작동 중에(예를 들어, 압축 공기의 압력 포텐셜 에너지로서의 에너지의 저장을 위해), 공기가 통기구(2048)를 통해 유입되고, 필터(2050)를 통해 통과하고, 스프레이 헤드(2028) 및 스크린(2024)을 향해 팬(2026)에 의해 가속된다. 액체는 스프레이 헤드(2028)를 통해 펌핑된다. [선택적으로, 팬(2026)은 생략될 수도 있고, 기류가 실린더 피스톤 운동을 경유하여 생성될 수도 있다.] 공기와 섞인 스프레이(2054)는 스크린(2024)을 타격한다. 비교적 높은 팽창비를 갖는 포말(2034)이 스크린(2024)을 통해 섞인 공기와 액체의 통과에 의해 생성된다. 매니폴드(2022)는 포말(2034)을 저압 실린더(2014, 2016, 2018)로 안내하고, 여기서 포말(2034)은 적절한 밸브(도 20에는 도시되어 있지 않음)에 의해 유입된다. 저압 실린더(2014, 2016, 2018) 내부의 포말(2034)은 이어서 중간 압력[예를 들어, 대략 300 psig(2.07 MPa)]으로 압축되고, 그 후에 포말은 고압 실린더(2008, 2010, 2012)로, 그리고 가능하게는 도 20에는 도시되지 않은 다른 장치로 또는 다른 장치를 통해 전달된다. 부가적으로, 팬(2026), 스프레이(2054) 및 스크린(2024)에 의해 생성된 포말 유동의 양은 과잉의 포말이 생성될 수도 있도록 실린더(2014, 2016, 2018)의 요구 유량을 초과할 수도 있다(예를 들어, 유량을 실린더의 최고 요구된 흡기 유동으로 치수 설정함으로써). 이 과잉의 포말은 루버(2032), 포말 파괴 메커니즘(2036) 및 분리 챔버(2024)를 통해 흐름으로써 재순환될 수도 있다.
팽창기로서 시스템(2000)의 작동 중에(예를 들어, 압축 공기의 압력 포텐셜 에너지로부터 에너지를 생성하기 위해), 루버(2030)는 통상적으로 포말 생성 장비(2024, 2028, 2026)를 통한 역류를 방지하도록 폐쇄될 것이다. 실린더 쌍(2002, 2004, 2006) 내의 공기의 팽창 후에, 낮은 압력[예를 들어, 순간적으로 대략 5 psig(34.5 kPa), 이어서 그 후에 대략 대기압]에서의 포말(2034)은 저압 실린더(2014, 2016, 2018)를 나오고, 매니폴드(2022)를 통해 통과하고, 분리 챔버(2024)에 진입한다. 분리 챔버(2024)에서, 저압 포말(2034)은 포말 파괴 메커니즘(2036)을 만나고, 그 가스 및 액체(2038) 성분으로 분리된다. 이 분리는 완전하지 않을 수도 있지만, 최소한 포말 팽창비는 극적으로 감소될 것이다(예를 들어, 400:1 팽창비 포말로부터 2:1 팽창비 포말 및 공기). 액체(2038)(또는 저팽창비 포말)는 저장조(2042)로 반송되고, 가스 성분은 합체 필터(2052)를 통해 통과하고 통기구(2048)를 통해 통기된다.
도 21은 적당한 액체 대 공기 질량비(예를 들어, 2:1)에 대응하는 낮은 팽창비(예를 들어, 8:1 내지 2:1)를 갖는 높은 압력[예를 들어, 750 내지 3,000 psig(5.17 내지 20.68 MPa)]에서 포말의 생성을 위한 장치를 특징으로 하는 예시적인 시스템(2100)의 개략도이다. 시스템(2100)은 가스의 등온 팽창 및 압축을 위해, 수직으로 배향된 실린더 배열에서 상부로부터 볼 때 단면도로 도시된 3개의 2-실린더 서브시스템(2102, 2104, 2106)을 포함한다. 3개의 2-실린더 서브시스템의 예시적인 시스템(2100)의 도시는 예시적인 것이고, 다른 수의 서브시스템 - 여기서 각각의 서브시스템은 1개, 3개 또는 그 이상의 실린더를 포함함 - 이 또한 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다. 2-실린더 시스템(2102, 2104, 2106)의 각각은 고압 실린더(2108, 2110, 2112, 각각) 및 저압 실린더(2114, 2116, 2118, 각각)를 포함한다. 포말의 생성을 위한 장치는 스프레이 챔버(2120), 선택적 통기구 및 볼 밸브(2122) 및 고압 실린더(2108, 2110, 2112)로 수성 포말(2126)을 안내하는 매니폴드(2124)를 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 펌프(2128)가 저장조 또는 다른 소스(2130)로부터 하나 이상의 스프레이 헤드 또는 스프레이 챔버(2120) 내의 다른 적합한 분산 메커니즘(도시 생략)으로 액체(또는 선택적으로 공기 또는 액체 및 공기)를 펌핑한다. 높은 압력에서의 공기는 파이핑(2132)에 의해 스프레이 챔버(2120)로 안내된다. 스프레이 챔버를 통한 고압 공기의 통과는 스프레이(2134)와 공기를 혼합하여, 포말(2126)을 형성한다. 고압 및 저팽창비에서 포말 생성은 강인하고, 포말은 (i) 스크린[도 12에 도시된 스크린(1224)과 같은]의 사용 및/또는 (ii) 강제 공기 유동[예를 들어, 포말은 실린더(2108, 2110, 2112) 피스톤 이동 및/또는 팬의 결여시에 생성될 수도 있음]을 갖거나 갖지 않고 생성될 수도 있다. 스프레이(2134)는 모두 액체, 모두 공기 또는 액체와 공기의 혼합물일 수도 있고, 수평으로, 수직 상향으로, 수직 하향으로 또는 스프레이 챔버(2120) 내의 다른 배열에 따라 스프레이될 수도 있다. 다른 실시예에서, 고압 및 저팽창비 포말은 예를 들어 스프레이 챔버(2120) 내에 매립된 회전 추진기의 사용을 통해, 액체와 공기의 기계적 교반에 의해 생성될 수도 있다. 포말(2126)은 적합한 밸브 및 파이프(도시 생략)를 경유하여 고압 실린더(2108, 2110, 2112)의 챔버 내로 유도될 수도 있다. 저장조(2130)는 가능하게는 단지 파이핑의 위치에 의해서만 분리된[예를 들어, 2132는 저장조의 상부에 연결되고, 2130은 저장조의 저부에 있어 대부분의 고압 공기가 2132를 통해 유도되고 대부분의 고압 액체가 펌프(2128)를 통해 유도됨] 고압 공기[파이핑(2132)에서]를 위한 소스와 동일한 장치일 수도 있다. 2132를 통해 유동하는 유체는 대부분 포말일 수도 있고, 챔버(2120)는 단지 수성 포말을 리프레시하고, 균질화하고, 팽창비를 변경하거나 다른 방식으로 세밀화하도록 작용할 수도 있다.
매니폴드(2124)가 초기에 포말을 포함하지 않는 시동 작동 모드에서, 가스는 매니폴드(2124)가 실질적으로 또는 완전히 포말(2126)로 충전될 때까지 포말의 생성 중에 밸브(2122) 외부로[고압 실린더(2108, 2110, 2112) 내로보다는] 유도될 수도 있고, 그 후에 밸브(2122)는 폐쇄될 수도 있고, 포말(2126)은 고압 실린더(2108, 2110, 2112) 내로 유도될 수도 있다. 밸브(2122) 외로 유도된 고압 가스 또는 포말은 저장조(2130) 내로, 파이프(2132), 스프레이 챔버(2120) 내로 재차 재순환되거나 다른 방식으로 재순환될 수도 있다. 펌프(도시 생략)가 파이프(2132)로부터 밸브(2122)를 통해 유체를 흡인하고, 이어서 재순환 루프에서 유체를 저장조(2130), 파이프(2132) 또는 스프레이 챔버(2120)로 복귀시킨다.
도 22는 적당한 액체 대 공기 질량비(예를 들어, 2:1)에 대응하는 중간 팽창비(예를 들어, 36:1 내지 28:1)를 갖는 중간 압력[예를 들어, 200 내지 300 psig(1.38 내지 2.07 MPa)]에서 포말의 생성을 위한 장치를 특징으로 하는 예시적인 시스템(2200)의 개략도이다. 시스템(2200)은 가스의 등온 팽창 및 압축을 위해, 수직으로 배향된 실린더 배열에서 상부로부터 볼 때 단면도로 도시된 3개의 2-실린더 서브시스템(2202, 2204, 2206)을 포함한다. 3개의 2-실린더 서브시스템의 예시적인 시스템(2200)의 도시는 예시적인 것이고, 다른 수의 서브시스템 - 여기서 각각의 서브시스템은 1개, 3개 또는 그 이상의 실린더를 포함함 - 이 또한 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다. 2-실린더 시스템(2202, 2204, 2206)의 각각은 고압 실린더(2208, 2210, 2212, 각각) 및 저압 실린더(2214, 2216, 2218, 각각)를 포함한다. 포말의 생성을 위한 장치는 조합형 스프레이 챔버와, 포말(2222)이 생성되거나 재생성되고 고압 실린더(2208, 2210, 2212)로부터 저압 실린더(2214, 2216, 2218)로(팽창 중에) 또는 저압 실린더(2214, 2216, 2218)로부터 고압 실린더(2208, 2210, 2212)로(압축 중에) 포말(2222)을 안내하는 매니폴드(2220)를 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
팽창 또는 압축 중에, 중간 압력에서 중간 팽창비를 갖는 포말이 챔버/매니폴드(2220)에 진입한다. 펌프(2224)가 유체[예를 들어, 챔버/매니폴드(2220) 내의 포말로부터 분리된 공기, 포말 또는 액체]를 흡인하고, 노즐 또는 헤드(2226)(또는 다른 적합한 분산 메커니즘)를 통해 유체를 재차 챔버/매니폴드(2220) 내로 분사한다. 분사된 유체(2228)는 적합한 밸브 및 파이프(도시 생략)를 경유하여 고압 실린더(2208, 2210, 2212) 또는 저압 실린더(2214, 2216, 2218)의 챔버 내로 유도될 수도 있는 충분히 안정한 수성 포말(2222)의 형태로 챔버/매니폴드(2220) 내에 존재한다. 도시되지 않은 부가의 구성 요소가 스크린, 메시 또는 고형 포말과 같은 포말의 생성을 돕는데 사용될 수도 있다.
다양한 실시예는 형성될 수도 있는 열교환 액체 또는 포말의 순환을 위한 효율적인 펌핑 체계를 채용한다. 도 23은 가스를 압축하거나 팽창하는 예시적인 시스템(2300)을 도시한다. 시스템(2300)은 실린더(2304)의 내부를 말단 챔버(2308)와 기단 챔버(2310)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(2306)을 포함하는 공압 실린더(2304)를 채용한다. 연관된 파이프(2312) 및 양방향성 밸브(2314)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)은 원하는 바에 따라 고압 저장조(2316)로부터의 가스가 챔버(2308)와 교환되는 것을 가능하게 한다. 고압 저장조는 분리기로서 작용할 수도 있고, 여기서 포말의 액체 성분이 포말의 가스 성분으로부터 분리될 수도 있다. 대안 실시예에서, 별개의 분리기(도시 생략) 구성 요소가 액체와 가스를 분리하도록 채용될 수도 있고, 배플, 기계적 전단 요소, 메시, 초음파 전단 요소 및/또는 다른 이러한 요소를 포함하는 분리 및 포말 파괴를 용이하게 하기 위한 요소를 포함할 수도 있다. 연관된 파이프(2318) 및 양방향성 밸브(2320)를 갖는 실린더(2304)의 공기 챔버의 단부캡 내의 포트 또는 포트들(도시 생략)은 챔버(2308)로부터의 유체가 원하는 바에 따라 통기구(2322)를 통해 주위 분위기로부터 유입되거나 주위 분위기로 배출되는 것을 가능하게 한다. 도시되지 않은 대안 실시예에서, 통기구(2322)는 하나 이상의 부가의 공압 실린더로 대체된다. 도시되지 않은 포트 또는 포트들은 공압 실린더(2304)의 하부 챔버(2310)의 내부가 주위 분위기와 항상 자유롭게 연통하는 것을 가능하게 한다. 대안 실시예에서, 실린더(2304)는 이중 작용식이고, 챔버(2310)는 챔버(2308)와 마찬가지로, 다양한 작동 상태에서, 고압 또는 저압 저장조 및/또는 부가의 실린더와 유체를 교환하도록 설치된다.
로드(2324)의 말단 단부[즉, 도 23의 실린더(2304)의 예시적인 수직 배향에 대해 상단부]가 피스톤(2306)에 결합된다. 로드(2324)의 기단(하) 단부는 선형 기계적 동력 및 회전 기계적 동력을 상호 변환하기 위해, 하나 이상의 유압 실린더 또는 크랭크샤프트(도시 생략)와 같은 몇몇 메커니즘에 연결될 수도 있다.
에너지 회수 또는 팽창 작동 모드에서, 저장조(2316)는 고압 유체(2326) 및 소정량의 열전달 유체(2328)로 충전된다. 유체(2326)는 가스 또는 포말로 본질적으로 또는 주로 이루어질 수도 있다. 열교환 유체(2328)는 스프레이되거나 몇몇 다른 방식으로 작용될 때 발포하는 경향이 있는 액체일 수도 있다. 용기(2316)의 저부에 도시되어 있는 열교환 유체(2328)의 축적물은 액체 또는 포말로 본질적으로 또는 주로 이루어질 수도 있다. 피스톤(2306)이 그 스트로크의 상부[즉, 실린더(2304)의 "상사점"] 부근 또는 상부에 있을 때, 소정량의 가스가 밸브(2314)와 파이프(2312)를 경유하여 실린더(2304)의 상부 챔버(2308) 내로 도입되기 시작할 수도 있다. 피스톤(2306) 및 그 로드(2324)는 이어서 하향으로 이동할 것이다[실린더(2304)는 임의로 배향될 수도 있지만, 본 예시적인 실시예에서는 수직으로 배향되어 도시되어 있음]. 열교환 유체(2328)는 하나 이상의 스프레이 헤드(2330)를 경유하여 챔버(2308) 내로 분사될 수도 있다. 도 23에 도시된 스프레이 헤드(2330)는 단지 예시적인 것이고, 다른 장치(예를 들어, 하나 이상의 노즐 또는 회전 블레이드)가 열교환 유체를 공기 챔버(2308) 내로 도입하는데 사용될 수도 있다. 도 23의 예시적인 실시예에서, 포말이 메커니즘[예를 들어, 스프레이 헤드(2330)]을 통한 유체의 분사에 의해 실린더(2304) 내에 생성되거나 재생될 수 있고, 다양한 다른 실시예에서, 포말은 실린더(2304)의 외부에 생성된다(도 23에 도시되지 않은 메커니즘에 의해). 열교환 유체(액체 또는 포말)는 챔버(2308)를 부분적으로 또는 완전히 충전할 수도 있다. 유체(2332)(액체 또는 포말)의 축적물이 피스톤(2306)의 상부면 상에서 발생할 수도 있다.
시스템(2300)은 압력, 피스톤 위치 및/또는 온도 센서(도시 생략)를 구비하고 제어 시스템(도시 생략)을 경유하여 제어된다. 시스템(2300)은 또한 스프레이 헤드(2330)로의 압축 열교환 유체의 공급을 위한 펌프 실린더(2334)를 특징으로 한다. 펌프 실린더(2334)는 실린더(2334)의 내부를 상부 챔버(2338)와 하부 챔버(2340)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(2336)을 포함한다. 열교환 유체는 펌프 실린더(2334)의 상부 챔버(2338)를 부분적으로 또는 완전히 충전할 수도 있다. 연관된 파이프(2342)와 양방향성 밸브(2344)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)은 저압 저장조(2348)로부터의 유체(2346)를 원하는 바에 따라 챔버(2338)와 교환하는 것을 가능하게 한다. 저장조는 포말 저장조로서 그리고/또는 포말의 가스 성분으로부터 포말의 액체 성분을 분할하는 분리기로서 작용할 수도 있다. 도시되지 않은 포트 또는 포트들은 펌프 실린더(2334)의 하부 챔버(2340)의 내부가 항상 주위 분위기와 자유롭게 연통하는 것을 가능하게 한다. 피스톤(2336)은 로드(2350)에 결합된다. 공압 실린더(2304)의 로드(2324)와 펌프 실린더(2334)의 로드(2350)는 예를 들어, 이들을 고정 위상 관계로 유지하는[예를 들어, 로드(2350)는 로드(2324)가 그 최대 하향 변위에 도달할 때마다 그 최대 상향 변위에 도달할 수도 있음] 크랭크샤프트와 같은 단일 기계적 장치(도시 생략)에 결합될 수도 있다. 펌프 실린더(2334)는 임의로 배향될 수도 있지만, 본 예시적인 실시예에서 수직으로 배향되어 도시되어 있다.
저압 저장조(2348) 내의 열교환 유체(2346)는 고압 저장조(2316) 내의 열교환 유체(2328), 공압 실린더(2304) 내의 유체(2332)의 축적물 및 펌프 실린더(2334)의 상부 챔버(2338) 내의 유체와 혼합 가능하고 그리고/또는 교환 가능하다. 즉, 모든 이들 일체의 유체는 도 23에는 명료화를 위해 개별적으로 표기되어 있지만, 시스템(2300)의 작동 도중에 서로 뿐만 아니라 시스템(2300)의 파이프, 밸브 및 다른 구성 요소 내에 존재하는 임의의 열교환 유체와 섞이고 교환될 수도 있다. 바람직하게는, 도 23의 2개의 저장조(2316, 2348) 내의 열교환 유체의 축적물(2328, 2346)은 비발포된(그러나, 발포성) 열교환 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어진다.
시스템(2300)의 2개의 작동 방법, 즉 "개루프 방법" 및 "폐루프 방법"이 이하에 설명된다. 본 명세서에 설명된 2개의 방법은 그에 따라 시스템(2300)이 작동될 수도 있는 방법의 포괄이 아니라 예시이다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같은 이들 2개의 작동 방법의 다양한 단계의 상대 타이밍 또는 페이징은 예시적이고, 상대 타이밍 또는 페이징의 다른 패턴이 고려되고 본 발명의 범주 내에 있다.
본 명세서에 설명된 시스템(2300)의 이들 2개의 작동 방법의 각각(즉, 폐루프 방법 및 개루프 방법)은 가스가 에너지를 저장하기 위해 압축되는 압축 모드와, 가스가 에너지를 방출하기 위해 팽창되는 팽창 모드를 갖는다.
개루프 작동 방법: 압축 모드
본 명세서에서 "개루프 압축" 작동 방법이라 명명하는 시스템(2300)의 일 작동 모드의 초기 상태에서, 피스톤(2306)은 공압 실린더(2304)의 상사점에 있고, 피스톤(2336)은 펌프 실린더(2334)의 상사점에 있다. 밸브(2314, 2346, 2352)는 폐쇄되고, 밸브(2320, 2344)는 개방된다. 피스톤(2306) 및 피스톤(2336)은 하향으로 이동하여, 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 소정량의 저압 가스를, 저압 저장조(2348)로부터 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)로 소정량의 열교환 유체(2346)(바람직하게는, 액체)를 유입한다. 가스로 챔버(2308)의 충전 상태에서, 그 최하측 운동 한계(즉, "하사점" 위치)로의 피스톤(2306)의 하향 운동은 실린더(2304)의 "흡기 스트로크"를 구성한다. 열교환 유체로의 챔버(2338)의 충전 상태에서, 그 최하측 운동 한계(즉, "하사점" 위치)로의 피스톤(2336)의 하향 운동은 펌프 실린더(2334)의 "흡기 스트로크"를 구성한다.
밸브(2320, 2344)는 이어서 폐쇄될 수도 있고 밸브(2346)는 개방될 수도 있고, 피스톤(2306, 2336)은 이들의 각각의 실린더 내에서 상향 스트로크를 시작할 수도 있다. 피스톤(2306)의 상향 운동은 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내의 유체를 압축하는 경향이 있고, 피스톤(2336)의 상향 운동은 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)로부터 유체를 축출하는 경향이 있다. 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)로부터 축출된 유체는 밸브(2346)와 유체의 온도를 변경할 수도 있는 선택적 열교환기(2354)를 통해 통과한다. 유체는 이어서 스프레이 헤드(2330)를 통해 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 통과하여, 스프레이(2356)를 형성한다. 유체(2356)는 포말로서 챔버(2308)에 진입하거나 챔버(2308) 내의 가스와 섞임으로써 포말을 형성한다. 유체(2356)는 챔버(2308)를 부분적으로 또는 완전히 충전할 수도 있고, 피스톤(2306)의 정상부에 유체(2332)의 축적물을 형성할 수도 있다. 유체(2332)의 축적물은 챔버(2308) 내의 포말로부터 분리된 액체 또는 포말을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
피스톤(2306)의 상향(압축) 스트로크의 미리 정해진 시점에서, 밸브(2314)가 개방될 수도 있어, 가능하게는 열교환 유체(2332)(예를 들어, 포말의 액체 성분으로서)를 포함하는 압축 유체가 파이핑(2312)을 통해 고압 저장조(2316) 내로 유동하게 한다. 피스톤(2306)에 의해 챔버(2308)로부터 축출된 열교환 유체(2332)는 고압 저장조(2316) 내의 유체(2328)의 축적물을 형성하거나 축적물에 추가될 수도 있다. 유체(2328)의 축적물은 저장조(2316) 내의 포말로부터 분리된 열교환 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
압축 가스 및 유체의 저장조(2316) 내로의 배출 상태에서, 그 운동 한계(상사점)로의 피스톤(2306)의 상향 운동은 공압 실린더(2304)의 "압축 스트로크"를 구성한다. 시스템(2300)의 개루프 작동 방법에서 완전한 압축 스트로크는 저압 저장조(2348) 외부로, 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)를 통해, 선택적 열교환기(2354)를 통해, 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 그리고 고압 저장조(2316) 내로 연속적으로 열교환 유체(바람직하게는 액체)(2346)의 1방향 또는 "개루프" 통과를 수반한다. 전술된 바와 같이 개루프 압축 모드에서 시스템(2300)의 하나 이상의 연속적인 사이클 중에, 열교환 액체(2328)는 고압 저장조(2316) 내에 축적될 수도 있다.
폐루프 작동 방법의 압축 모드에 대한 전술된 작동의 시퀀스는 예시적인 것이고, 본 실시예 및 다른 실시예에서 변경될 수도 있다. 이하에 다른 모드 및 작동 방법에 대해 설명된 작동의 시퀀스는 또한 예시적인 것이고, 다른 실시예들에서 변경될 수도 있다.
개루프 작동 방법: 팽창 모드
본 명세서에서 "개루프 팽창" 작동 모드라 명명하는 시스템(2300)의 다른 작동 모드의 초기 상태에서, 피스톤(2306)은 공압 실린더(2304)의 상사점에 있고, 피스톤(2336)은 펌프 실린더(2334)의 하사점에 있다. 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)는 열교환 유체(바람직하게는, 액체)로 충전된다. 밸브(2320, 2344, 2352)는 폐쇄되고, 밸브(2314, 2346)는 개방된다. 피스톤(2306)은 하향으로 이동하여, 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 소정량의 고압 가스를 유입한다. 동시에, 펌프 실린더(2334)의 피스톤(2336)은 상향으로 이동한다. 챔버(2338)로부터의 열교환 유체는 밸브(2346), 선택적 열교환기(2354) 및 스프레이 헤드(2330)를 통해 통과하여 공압 실린더의 챔버(2308)에 진입한다. 소정의 후속의 미리 정해진 시점에, 밸브(2314)는 폐쇄되고 피스톤(2306)은 그 하향 운동을 계속하고 피스톤(2336)은 그 상향 운동을 계속한다.
저장조(2316)로부터의 고압 가스(또는 포말)의 챔버(2308) 내로의 도입 중 및 후에 공압 실린더(2304)의 상사점으로부터 하사점으로의 피스톤(2306)의 운동은 본 명세서에서 공압 실린더(2304)의 "팽창 스트로크"라 명명한다. 펌프 실린더(2334)의 하사점으로부터 상사점으로의 피스톤(2336)의 운동은 펌프 실린더(2334)의 "펌핑 스트로크"라 명명한다. 공압 실린더(2304)의 팽창 스트로크와 펌프 실린더(2334)의 펌핑 스트로크, 뿐만 아니라 본 명세서에 설명된 본 실시예 및 다른 실시예의 다른 실린더 스트로크들은 동일한 주기를 가질 수도 있고, 동시에 시작 및 종료될 수도 있고, 또는 상이한 주기를 가질 수도 있고, 동시에 시작하거나 종료하지 않을 수도 있다.
팽창 스트로크 및 펌핑 스트로크의 완료 후에, 밸브(2314, 2346)는 폐쇄될 수도 있고, 밸브(2320, 2352)는 개방될 수도 있다. 공압 실린더의 피스톤(2306)은 이어서 챔버(2308) 내의 유체가 축출되는 동안 하사점으로부터 상사점으로 이동한다. 바람직하게는, 축출된 유체는 포말을 포함하거나 본질적으로 포말로 이루어지고 용기(2348)로 들어가고, 여기서 유체는 그 가스 및 액체 성분으로 분리되어 그 가스 성분이 통기구(2322)를 통해 배출될 수도 있게 되고 그 액체 성분(2332)은 저압 저장조(2348) 내에 액체(2346)로서 축적될 수도 있다. 챔버(2308)로부터 저압 가스 및 액체의 축출을 갖는 하사점으로부터 상사점으로의 피스톤(2306)의 상향 운동은 실린더(2304)의 "배기 스트로크"를 구성한다. 동시에, 실린더(2334)는 흡기 스트로크를 수행하는데, 즉 피스톤(2336)은 상사점으로부터 하사점으로 이동하고, 챔버(2336)는 고압 저장조(2316)로부터 열교환 유체(바람직하게는, 액체)(2328)로 충전된다.
시스템(2300)의 개루프 작동 방법시에 실린더(2304)의 팽창 스트로크는 고압 저장조(2316) 외부로, 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)를 통해, 선택적 열교환기(2354)를 통해, 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 그리고 저압 저장조(2348) 내로 연속적으로 열교환 유체(2328)의 1방향 또는 "개루프" 통과를 수반한다. 개루프 팽창 모드에서 시스템(2300)의 하나 이상의 연속적인 사이클 중에, 열교환 유체(2328)는 고압 저장조(2316)로부터 제거되고 저압 저장조(2348) 내에 액체(2346)로서 축적된다. 개루프 압축 모드에서 시스템(2300)의 작동 기간은 고압 저장조(2316) 내의 열교환 액체의 축적물(2328)을 유발하는 경향이 있을 것이고, 개루프 팽창 모드에서 시스템(2300)의 후속의 작동 모드는 고압 저장조(2316)로부터 열교환 액체의 축적물(2328)을 제거하고 이를 저압 저장조(2348)로 복귀시키는 경향이 있을 것이다.
폐루프 작동 방법: 압축 모드
본 명세서에서 "폐루프 압축" 작동 방법이라 명명하는 시스템(2300)의 다른 작동 모드의 초기 상태에서, 피스톤(2306)은 공압 실린더(2304)의 상사점에 있고, 피스톤(2336)은 펌프 실린더(2334)의 상사점에 있다. 밸브(2314, 2344, 2346)는 폐쇄되고, 밸브(2320, 2352)는 개방된다. 피스톤(2306) 및 피스톤(2336)은 하향으로 이동하여, 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 소정량의 저압 유체(가스 또는 포말)를, 고압 저장조(2316)로부터 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338) 내로 소정량의 열교환 유체(바람직하게는, 액체)(2328)를 유입한다. 공압 실린더(2304)는 흡기 스트로크를 수행하고, 펌프 실린더(2334)는 흡기 스트로크를 수행한다.
밸브(2320, 2352)는 이어서 폐쇄되고 밸브(2346)는 개방될 수도 있고, 피스톤(2306, 2336)은 이들의 각각의 실린더 내에서 상향 스트로크를 시작할 수도 있다. 피스톤(2306)의 상향 운동은 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내에 유체를 압축하는 경향이 있고, 피스톤(2336)의 상향 운동은 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)로부터 유체를 축출하는 경향이 있다. 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)로부터 축출된 유체는 밸브(2346) 및 유체의 온도를 변경할 수도 있는 선택적 열교환기(2354)를 통해 통과한다. 유체는 이어서 스프레이 헤드(2330)를 통해 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 통과한다. 유체는 챔버(2308)를 포말로 부분적으로 또는 완전히 충전할 수도 있다. 유체의 축적물(2332)은 피스톤(2306)의 정상부에 형성될 수도 있다. 피스톤(2306)의 상향(압축) 스트로크의 미리 정해진 시점에서, 밸브(2314)가 개방될 수도 있어, 압축 가스 및/또는 포말을 파이핑(2312)을 통해 고압 저장조(2316) 내로 유동하게 한다. 피스톤(2306)에 의해 챔버(2308)로부터 축출된 열교환 유체(2332)는 고압 저장조(2316) 내의 유체(2328)의 축적물을 형성할 수도 있다. 유체(2328)의 축적물은 포말 또는 저장조(2316) 내의 포말로부터 분리된 액체를 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
압축 유체의 저장조(2316) 내로의 축출 상태에서, 그 운동 한계(상사점)로의 피스톤(2306)의 상향 운동은 공압 실린더(2304)의 "압축 스트로크"를 구성한다. 시스템(2300)의 폐루프 작동 방법에서 압축 스트로크는 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 외부로, 고압 저장조(2316) 내로, 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338) 내로, 선택적 열교환기(2354)를 통해 그리고 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 연속적으로 열교환 유체(바람직하게는, 액체)(2328)의 순환성 또는 폐루프 통과를 수반한다.
폐루프 작동 방법: 팽창 모드
본 명세서에서 "폐루프 팽창" 작동 모드라 명명하는 시스템(2300)의 다른 작동 모드의 초기 상태에서, 피스톤(2306)은 공압 실린더(2304)의 상사점에 있고, 피스톤(2336)은 펌프 실린더(2334)의 하사점에 있다. 공압 실린더(2334)의 챔버(2338)는 열교환 유체로 충전된다. 밸브(2320, 2344, 2352)는 폐쇄되고, 밸브(2314, 2346)는 개방된다. 피스톤(2306)은 하향으로 이동하여, 공압 실린더의 챔버(2308) 내로 소정량의 고압 가스(또는 포말)를 유입한다. 동시에, 피스톤(2336)은 상향으로 이동한다. 챔버(2338)로부터 열교환 유체(바람직하게는, 액체)는 밸브(2346), 선택적 열교환기(2354) 및 스프레이 헤드(2330)를 통해 통과하여 공압 실린더의 챔버(2308)에 진입한다. 소정의 후속의 미리 정해진 시점에, 밸브(2314)는 폐쇄될 수도 있고 피스톤(2306)은 그 하향 운동을 계속하고 피스톤(2336)은 그 상향 운동을 계속한다. 공압 실린더(2304)는 팽창 스트로크를 수행하고, 펌프 실린더(2334)는 펌핑 스트로크를 수행한다.
실린더(2304)의 팽창 스트로크 및 펌프 실린더(2334)의 펌핑 스트로크의 완료 후에, 밸브(2314, 2346)는 폐쇄될 수도 있고 밸브(2320, 2352)는 개방될 수도 있다. 공압 실린더(2304)의 피스톤(2306)은 이어서 챔버(2308) 내의 저압 유체가 파이프(2318)를 통해 축출되는 동안 하사점으로부터 상사점으로 이동한다. 바람직하게는, 축출된 유체는 포말을 포함하거나 본질적으로 이루어지고 용기(2348)에 진입하고, 여기서 유체는 그 가스 및 액체 성분으로 분리되어 그 가스 성분이 통기구(2322)를 통해 배출될 수도 있게 되고 그 액체 성분(2332)은 저압 저장조(2348) 내의 액체(2346)로서 축적될 수도 있다. 공압 실린더(2304)는 배기 스트로크를 수행한다. 동시에, 펌프 실린더(2334)는 흡기 스트로크를 수행한다.
시스템(2300)의 폐루프 작동 방법에서 팽창 스트로크는 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 외부로, 저압 저장조(2348) 내로, 펌프 실린더(2334)의 챔버(2338)를 통해, 선택적 열교환기(2354)를 통해 그리고 공압 실린더(2304)의 챔버(2308) 내로 연속적으로 열교환 유체(2332)의 순환성 또는 "폐루프" 통과를 수반한다.
다양한 다른 실시예가 에너지 저장 시스템에서 열교환 유체(예를 들어, 포말 또는 발포성 액체)를 효율적으로 순환시키기 위해 펌프로서 또한 작용하는 공압 실린더를 채용한다. 도 24a 및 도 24b는 가스를 압축하거나 팽창하고 동시에 액체 펌프로서 작용하는 공압 실린더(2400)를 도시하고 있다. 도 24a는 실린더(2400)의 일 작동 상태를 도시하고, 도 24b는 실린더(2400)의 다른 작동 상태를 도시한다.
실린더(2400)는 실린더(2400)의 내부를 말단(상부) 챔버(2408)와 기단(하부) 챔버(2410)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(2406)을 포함한다. 연관된 파이핑(2412) 및 양방향성 밸브(2414, 2416)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)이 상부 챔버(2408)를 (a) 고압 유체 저장조(도시 생략, 문자 "HP"에 의해 지시되어 있음) 또는 (b) 저압 유체 저장조(도시 생략, 문자 "LP"에 의해 지시되어 있음)와 유체 연통하여 배치하는 것을 가능하게 한다. LP 저장조는 저압에서 액체를 수용할 수도 있고, 그 기체 부분은 통기구(도시 생략)를 통해 주위 분위기와 자유롭게 연통할 수도 있다. 포트 또는 포트들(도시 생략)은 저압(예를 들어, 주위 분위기)에서, 가스와 연속적으로 유체 연통하여 제1 실린더의 하부 챔버(2410)를 배치한다. 실린더(2400)는 단면이 원통형일 수 있는 튜브(2418)를 포함하고, 실린더(2400)의 상부 단부캡에 그 상단부에서 연결된다. 튜브(2418)는 중공형이고, 열교환 액체로 충전될 수도 있다. 피스톤(2406)은 열교환 액체로 충전될 수도 있는 본 명세서에서 로드 캐비티(2420)라 명명하는 중심 천공된 중공 또는 캐비티(2420)를 포함하는 로드(2422)에 연결된다. 튜브(2418)는 그 기단(하부) 단부에서 개방되어 있고, 튜브(2418) 내의 캐비티가 로드 캐비티(2420)와 일정하게 유체 연통하도록[예를 들어, 피스톤(2406)이 하사점에 있을 때에도] 충분히 길다. 가스켓(2424)은 로드(2422) 및 피스톤(2406)이 이동하여 튜브(2418) 및 로드(2422)의 연통 캐비티와 상부 챔버(2408) 사이에 유체 연통을 방지함에 따라 튜브(2418)를 로드(2422) 내에서 신축하게 한다. 피스톤(2406)과 로드(2422)가 상향으로 이동할 때, 도 24a에 도시된 바와 같이, 튜브(2418)와 로드(2422) 내의 연통 캐비티의 총 체적은 감소하여, 연통 캐비티 내에서 유체를 압축하고 이를 연통 캐비티로부터 튜브(2418)를 통해 축출하는 경향이 있다. 피스톤(2406)과 로드(2422)가 하향으로 이동할 때, 도 24b에 도시된 바와 같이, 튜브(2418)와 로드(2422) 내의 연통 캐비티의 총 체적이 증가하여, 연통 캐비티 내의 유체의 압력을 낮추고 그리고/또는 튜브(2418)를 통해 연통 캐비티 내로 유체를 유입하는 경향이 있을 것이다. 실린더의 로드 내로 펌프를 일체화함으로써, 더 높은 효율이 개별 또는 부가의 크랭크샤프트 스로우(throw) 또는 다른 기계적 구동 연결부를 제거함으로써 성취될 수도 있다.
도 25는 가스를 압축 및/또는 팽창하기 위해 도 24a 및 도 24b에 도시된 유형의 2개의 실린더를 채용하는 시스템(2500)을 도시한다. 도 23의 시스템(2300)과는 달리, 시스템(2500)은 열교환 액체를 효율적으로 순환시키기 위해, 별개의 또는 개별 워터 펌프[예를 들어, 도 23의 펌프 실린더(2334)]를 채용하지 않는다.
시스템(2500)은 2개의 실린더(2402, 2404)(이하, 제1 실린더 및 제2 실린더라 명명함)를 채용하고, 양 실린더(2402, 2404)는 도 24a 및 도 24b에 도시된 실린더(2400)와 유사하다. 제2 실린더(2404)는 제2 실린더(2404)의 내부를 말단(상부) 챔버(2428)와 기단(하부) 챔버(2430)로 분할하는 슬라이드 가능하게 배치된 피스톤(2426)을 포함한다. 연관된 파이프(2432) 및 양방향성 밸브(2434, 2436)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)이 상부 챔버(2428)를 (a) 바람직하게는, 제1 실린더(2402)가 밸브(2414)를 통해 연결될 수도 있는 것과 도일한 고압 유체 저장조(도시 생략, 문자 "HP"에 의해 지시되어 있음) 또는 (b) 바람직하게는, 제1 실린더(2402)가 밸브(2416)를 통해 연결될 수도 있는 것과 동일한 저압 유체 저장조(도시 생략, 문자 "LP"에 의해 지시되어 있음)와 유체 연통하여 배치하는 것을 가능하게 한다. LP 저장조는 저압에서 액체를 수용할 수도 있고, 그 기체 부분은 통기구(도시 생략)를 통해 주위 분위기와 자유롭게 연통할 수도 있다. 포트 또는 포트들(도시 생략)은 저압(예를 들어, 주위 분위기)에서, 가스와 연속적으로 유체 연통하여 하부 챔버(2430)를 배치한다.
실린더(2404)는 또한 실린더(2402)와 마찬가지로, 단면이 원통형일 수도 있고 실린더(2404)의 말단 단부캡에 그 상단부에서 연결되는 중공 튜브(2438)를 합체한다. 튜브(2438)의 내부는 열교환 액체로 충전될 수도 있다. 피스톤(2426)은 열교환 액체로 충전될 수도 있는 중앙 천공된 로드 캐비티(2440)를 포함하는 로드(2442)에 연결된다. 튜브(2438)는 그 하단부에서 개방되어 있고 튜브(2438) 내의 캐비티는 로드 캐비티(2440)와 유체 연통한다. 가스켓(2443)은 로드(2442)와 피스톤(2426)이 이동하여 튜브(2438)와 로드(2442)의 연통 캐비티와 상부 챔버(2428) 사이의 유체 연통을 방지함에 따라 튜브(2438)가 로드(2442) 내에서 신축하게 한다. 피스톤(2426)과 로드(2442)가 상향으로 이동할 때, 튜브(2438)와 로드(2442) 내의 연통 캐비티의 총 체적은 감소하여, 그 내부의 액체를 압축하는 경향이 있을 것이다.
제1 실린더(2402) 내의 튜브(2418)의 상단부는 양방향성 밸브(2444, 2446, 2448)에 연결된다. 밸브(2444)는 고압 저장조(HP)와 유체 연통하여 튜브(2418)를 배치할 수도 있고, 밸브(2446)는 저압 저장조(LP)와 유체 연통하여 튜브(2418)의 내부를 배치할 수도 있고, 밸브(2448)는 튜브(2418)의 내부로부터, 선택적 열교환기(2450)를 통해 그리고 그로부터 제2 실린더(2404)의 챔버(2428) 내의 스프레이 헤드(2452)로 유체가 유동하게 할 수 있다. 스프레이 헤드(2452)를 통해 통과하는 발포성 액체(2454)가 챔버(2428)에 진입한다. 도 25에 도시된 스프레이 헤드(2452, 2464)는 단지 예시적인 것이고, 다른 디바이스(예를 들어, 회전 블레이드)가 공기 챔버(2408, 2428) 내로 열교환 유체를 도입하는데 사용될 수도 있다. 도 25의 예시적인 실시예에서, 포말은 적절한 메커니즘[예를 들어, 스프레이 헤드(2452, 2464)]을 통해 유체의 분사에 의해 실린더(2402, 2404) 내에 생성되거나 재생될 수도 있고, 다양한 다른 실시예에서, 포말은 도 25에는 도시되지 않은 메커니즘에 의해 실린더(2402, 2404)(본 명세서에서 다른 부분에서 설명되는 바와 같이)의 외부에서 생성된다.
유사하게, 실린더(2404) 내의 튜브(2438)의 상단부는 양방향성 밸브(2456, 2458, 2460)에 연결된다. 밸브(2456)는 바람직하게는 튜브(2418)가 밸브(2444)를 경유하여 연통하는 것과 동일한 고압 저장조(HP)와 유체 연통하여 튜브(2438)를 배치할 수도 있고, 밸브(2458)는 바람직하게는 튜브(2418)가 밸브(2446)를 경유하여 연통하는 것과 동일한 저압 저장조(LP)와 유체 연통하여 튜브(2438)의 내부를 배치할 수도 있고, 밸브(2460)는 튜브(2438)의 내부로부터 선택적 열교환기(2462)를 통해, 그리고 그로부터 실린더(2402)의 챔버(2408) 내의 스프레이 헤드(2464)로 유체가 유동할 수 있게 할 수도 있다. 스프레이 헤드(2464)를 통해 통과하는 액체는 챔버(2408)에 진입하여, 바람직하게는 챔버(2408) 내에 포말을 형성한다.
밸브(2444, 2456)는 열교환 액체가 중력의 영향 하에서 침전(예를 들어, 포말로부터 분리됨)하고 따라서 가스 또는 포말보다는 액체의 통과를 제어하는 경향이 있을 수도 있는 HP 저장조의 부분과 유체 연통을 허용한다.
시스템(2500)은 압력, 피스톤 위치 및/또는 온도 센서(도시 생략)를 구비하고, 제어 시스템(도시 생략)을 경유하여 제어된다. 로드(2422, 2442)의 기단(하부) 단부는 '678 및 '842 특허에 설명된 바와 같이, 선형 기계적 동력 및 회전형 기계적 동력을 상호 변환하기 위해, 하나 이상의 유압 실린더 또는 공통 크랭크샤프트(도시 생략)와 같은 메커니즘에 연결될 수도 있다.
시스템(2500)은, 제1 실린더(2402)의 로드(2422) 내의 캐비티(2420)가 챔버(2428) 내의 가스의 팽창 또는 압축 중에 제2 실린더(2404)의 챔버(2428) 내로 열교환 유체를 구동하는 펌프로서 작용하고, 제2 실린더(2404)의 로드(2442) 내의 캐비티(2440)가 챔버(2408) 내의 가스의 팽창 또는 압축 중에 제1 실린더(2402)의 챔버(2408) 내로 열교환 액체를 구동하는 펌프로서 작용하는 이러한 방식으로 작동될 수도 있다. 열교환 액체를 순환시키기 위한 별개의 또는 개별의 펌프는 이 방법에 의해 불필요하게 된다.
도 23의 시스템(2300)과 마찬가지로, 시스템(2500)은 적어도 2개의 작동 방법, 즉 "개루프 방법" 및 "폐루프 방법"에 따라 작동될 수도 있다. 이들 2개의 작동 방법은 그에 따라 시스템(2500)이 작동될 수도 있는 방법의 포괄이 아니라 예시적인 것이다. 시스템(2500)의 이들 2개의 작동 방법(즉, 폐루프 방법 및 개루프 방법)의 각각은 가스가 에너지를 저장하기 위해 압축되는 압축 모드와, 가스가 에너지를 방출하기 위해 팽창되는 팽창 모드를 갖는다.
개루프 작동 방법: 팽창 모드
본 명세서에서 "개루프 팽창" 작동 방법이라 명명하는 시스템(2500)의 일 작동 모드에서, 제2 실린더(2404)는 팽창 스트로크를 수행하고, 반면 제1 실린더(2402)는 배기 스트로크를 수행하고 발포성 열교환 액체를 제2 실린더(2404) 내로 스프레이하는데, 2개의 실린더는 이어서 역할을 역전할 수도 있고, 시스템(2500)에 의한 가스의 팽창이 요구되는 한 흡기 및 팽창 스트로크를 교번할 수도 있다.
개루프 팽창 작동 방법의 초기 작동 상태에서, 제1 실린더(2402)의 피스톤(2406)은 하사점에 있고, 제2 실린더(2404)의 피스톤(2426)은 상사점에 있다. 밸브(2416, 2448, 2458, 2434)는 개방되고, 모든 다른 밸브는 폐쇄된다. 밸브(2416)는 피스톤(2406)이 상향(배기) 스트로크를 수행하는 동안 저압 공기가 제1 실린더(2402)의 챔버(2408)로 배출되게 하고, 밸브(2448)는 제1 실린더(2402)의 로드 캐비티(2420)로부터, 선택적 열교환기(2450)를 통해, 그리고 제2 실린더(2404)의 스프레이 헤드(2452)를 통해 열교환 액체가 유동하게 하여, 바람직하게는 그 내부에 포말(2454)을 형성하고, 밸브(2458)는 열교환 유체가 저압(LP) 저장조로부터 제2 실린더(2404)의 로드 캐비티(2440)에 진입하게 하고, 밸브(2434)는 고압 저장조로부터의 가스가 제2 실린더(2404)의 상부 챔버(2428)에 진입하게 한다. 이 초기 작동 상태에서, 액체 축적물(2466)은 피스톤(2406)의 정상부에 존재할 수도 있고, 피스톤(2426)의 정상부의 액체 축적물(2468)은 약간 있거나 결여된다. 이 초기 작동 상태 후에, 포말(2454)은 챔버(2428) 내의 가스의 등온 팽창을 가능하게 할 수도 있고, 피스톤(2426)의 정상부에 유체 축적물(2468)을 형성할 수도 있다.
제2 실린더(2404)의 팽창 스트로크 중의 미리 정해진 시점에, 밸브(2434)는 폐쇄될 수도 있어, 상부 챔버(2428)로의 더 고압의 가스의 유입을 방지한다. 챔버(2428)에 이미 유입된 가스는 계속 팽창할 것이고, 피스톤(2426)과 그 연관된 로드(2442)는 이들의 하사점에 도달할 때까지 하향으로 이동한다. 동시에, 피스톤(2406)과 그 연관된 로드(2422)는 상사점으로 이동하여, 배기 스트로크를 수행한다. 제1 실린더(2402)의 피스톤(2406)의 정상부의 임의의 액체 축적물(2466)은 배기 스트로크의 후반부 중에 LP 저장조 내로 축출될 것이다.
밸브(2414, 2460, 2436, 2446)를 개방하고 모든 다른 밸브를 폐쇄함으로써, 시스템(2500)은 이어서, 2개의 실린더의 역할이 역전되는 것, 즉 제1 실린더(2402)가 팽창 스트로크를 실행하도록 준비되고 제2 실린더(2404)는 배기 스트로크를 실행하도록 준비되는 것을 제외하고는, 전술된 개루프 팽창 작동 방법의 초기 작동 상태에 유사한 작동 상태에 배치될 수도 있다. 제1 실린더(2402)가 가스를 팽창시키는 팽창 사이클은 제2 실린더(2404)가 가스를 팽창시키는 팽창 사이클과 무한하게(HP 저장조의 용량에 의해 제한됨) 교번될 수도 있다.
제2 실린더(2404)가 팽창 스트로크를 수행할 때, 저압에서 열교환 유체는 밸브(2458)를 통해 제2 실린더(2404)의 로드 캐비티(2440)를 충전한다. 동시에, 제1 실린더(2402)의 로드 캐비티(2420) 내의 열교환 유체는 압축되고 밸브(2448)를 통해 축출된다. 따라서, 제1 실린더(2402)는 그 배기 스트로크 중에, 제2 실린더가 팽창 스트로크를 수행함에 따라 제2 실린더(2402)에 열교환 액체를 공급하는 펌프로서 작용한다. 유사하게, 제1 실린더(2402)가 동시 팽창 스트로크를 수행하는 동안 제2 실린더(2404)가 배기 스트로크를 수행할 때, 제2 실린더(2404)는 제1 실린더(2402)에 열교환 액체를 공급하는 펌프로서 작용한다.
개루프 작동 모드 : 압축 모드
본 명세서에서 "개루프 압축" 작동 모드라 명명하는 시스템(2500)의 다른 작동 모드에서, 2개의 실린더(2402, 2404)는 서로의 상부 챔버(2408, 2428) 내에 열교환 유체를 분사하면서 동시 압축 스트로크를 수행한다. 2개의 실린더는 이어서 열교환 액체로 이들의 로드 챔버(2420, 2440)를 재충전하면서 동시 가스 흡기 스트로크를 수행한다.
개루프 압축 모드의 초기 작동 상태에서, 피스톤(2406, 2426)은 모두 이들의 각각의 실린더(2402, 2404)의 하사점에 있고, 피스톤(2406, 2426)의 정상부의 임의의 액체 축적물(2466, 2468)은 약간이거나 결여되어 있다. 밸브(2448, 2460)는 개방되고, 모든 다른 밸브는 폐쇄된다. 실린더의 상부 챔버(2408, 2428)는 저압에서 가스를 수용한다. 피스톤(2406, 2426) 및 이들의 연관된 로드(2422, 2442)는 상향으로 이동하기 시작하여, 실린더(2402, 2404)의 상부 챔버(2408, 2428) 내의 유체를 압축하는 경향이 있다. 로드 캐비티(2420, 2440)로부터 축출된 열교환 액체는 튜브(2418, 2438), 밸브(2448, 2460), 선택적 열교환기(2450, 2462) 및 스프레이 헤드(2464, 2452)를 통해 통과하여, 유체[바람직하게는, 예를 들어 포말(2454)과 같은 포말로서]를 챔버(2408, 2428) 내로 분사한다. 이 포말은 챔버(2408, 2428) 내의 가스의 등온 팽창을 가능하게 할 수도 있고, 피스톤(2406, 2426)의 정상부에 유체(포말 및/또는 액체) 축적물(2466, 2468)을 형성할 수도 있다. 피스톤(2406, 2426)의 동시 압축 스트로크의 미리 정해진 시점에, 밸브(2414, 2434)는 개방될 수도 있어, 압축 유체(가스 또는 포말)를 고압(HP) 저장조(도시 생략) 내로 유동하게 한다. 피스톤(2406, 2426)에 의해 챔버(2408, 2428)로부터 축출된 열교환 유체(2466, 2468)는 유체(예를 들어, 분리된 액체)의 축적물이 HP 저장조 내에 형성되게 할 수도 있다.
피스톤(2406, 2426)은 피스톤(2406, 2426)이 이들의 각각의 실린더(2402, 2404)의 상사점에 있을 때까지 2개의 실린더(2402, 2404)에 의해 실행된 동시 압축 스트로크 중에 상향으로 이동한다. 후속의 작동 상태에서, 밸브(2416, 2446, 2458, 2436)는 개방되고 모든 다른 밸브는 폐쇄되고, 피스톤(2406, 2426) 및 이들의 연관된 로드(2422, 2442)는 이들이 그 각각의 실린더(2402, 2404)의 하사점에 도달할 때까지 하향으로 이동하여, 상부 챔버(2408, 2428)를 저압 가스로 충전하고 로드 캐비티(2420, 2440)를 저압(LP) 저장조로부터의 저압 열교환 액체로 충전하여, 따라서 다른 동시 압축 스트로크를 위해 시스템을 준비한다.
시스템(2500)의 개루프 작동 방법의 압축 스트로크는 LP 저장조의 외부로, 실린더(2402, 2404)의 로드 캐비티(2420, 2440) 내로, 스프레이 헤드(2464, 2452)를 통해 실린더(2402, 2404)의 상부 챔버(2408, 2428) 내로, 그리고 그로부터 HP 저장조 내로 연속적으로 열교환 유체의 1방향 또는 "개루프" 통과를 수반한다. 개루프 압축 모드에서 시스템(2500)의 하나 이상의 연속적인 사이클 중에, 열교환 액체는 따라서 LP 저장조로부터 제거되고, HP 저장조 내에 축적된다. 개루프 압축 모드(예를 들어, 다수의 이러한 사이클)의 시스템(2500)의 작동 기간은 HP 저장조 내의 열교환 액체의 축적을 유발하는 경향이 있을 수 있는데, 개루프 팽창 모드에서 시스템(2500)의 후속의 작동 모드는 HP 저장조로부터 열교환 액체의 축적물을 제거하고 이를 LP 저장조로 복귀시키는 경향이 있을 것이다.
시스템(2500)은 또한 팽창 및 압축 모드의 모두를 갖는 폐루프 방법에 따라 작동될 수도 있다는 것이 유압 기계류의 분야에 합리적으로 양호하게 정통하고 있는 임의의 숙련자들에게 명백할 것이다. 이러한 작동 방법은 (i) 각각의 압축 중에 축적된 열교환 액체(2466, 2468)를 HP 저장조 내로 시프트하고 LP 저장조로부터보다는 HP 저장조로부터 실린더(2402, 2404)의 로드 캐비티(2420, 2440)를 재충전하고, 그리고/또는 (ii) 각각의 팽창 중에 축적된 열교환 액체(2466, 2468)를 LP 저장조 내로 시프트하고 HP 저장조로부터보다는 LP 저장조로부터 실린더(2402, 2404)의 로드 캐비티(2420, 2440)를 재충전할 것이다.
가스 팽창/압축 및 열교환 유체 펌핑의 모두를 위한 실린더(2402, 2404)의 사용은 에너지 저장 및 회수 시스템 내의 메커니즘의 수의 감소에 기인하여, 열교환 유체의 순환을 위한 별개의 또는 개별의 펌프를 채용하는 시스템에 비교할 때 시스템 효율 및 신뢰성을 증가시킬 수도 있다.
유체(예를 들어, 포말)가 밸브를 통해 공압 실린더의 공기 챔버에 진입하거나 진출하려고 할 때, 전술된 바와 같이, 통과에 의해 수반되는 에너지 손실이 최소화될 수 있게 하기 위해, 밸브를 통한 압력 강하는 최소화되는 것이 바람직하다. 더욱이, 밸브를 통해 통과될 유체가 포말이면, 포말이 그 액체 성분 및 가스 성분으로 분리되는 것을 방지하기 위해, 또는 포말 내의 기포의 크기가 비의도적으로 변경되는 것을 방지하기 위해, 포말에 작용하는 전단력을 최소화하는 것이 유리할 수도 있다. 더욱이, 액체 상태 뿐만 아니라 기체 상태(예를 들어, 액체와 가스 사이의 열교환을 위해 포말을 채용하는 실린더 내에서)가 공압 실린더의 공기 챔버 내에 존재하는 경우에, 밸브는 실린더 내의 과압으로부터 구성 요소로의 손상을 방지하기 위해 수동으로 체크 개방되는 것이, 즉 하이드로락(hydrolock) 이벤트가 바람직하다. 하이드로락 보호에 의해 포말의 고효율 저전단 유동을 가능하게 하는 밸브 디자인은 2011년 11월 30일 출원된 미국 특허 출원 제13/307,163호('163 출원)에 설명되어 있고, 이 출원의 전체 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 합체되어 있고, 본 발명의 실시예에 이용될 수도 있다.
도 26은 '163 출원에 설명된 유형의 2개의 밸브(2602, 2604), 즉 고압측 밸브(2602) 및 저압측 밸브(2604)를 특징으로 하는 공압 실린더 헤드(2600)의 개략도이다. 고압측 밸브(2602)는 실린더 공기 챔버 내의 과압을 완화하기 위해 수동으로 체크 개방하는(즉, 하이드로락) 풀 개방식(pull-to-open) 밸브이다. 저압측 밸브(2604)는 압력이 외부보다 실린더 내부에서 더 낮을 때(예를 들어, 흡기 스트로크 중에) 수동으로 체크 개방하는 푸시 개방식 밸브이다. 밸브(2602, 2604)는 밸브를 통한 압력 강하(및 따라서 에너지 손실)를 최소화하기 위해 신속한 작용 및 높은 리프트를 갖고(즉, 개방 위치에서 밸브 부재와 밸브 시트 사이의 유동을 허용하는 큰 면적을 갖고) 설계될 수도 있다. 높은 리프트는 또한 실린더의 공기 챔버 내로 또는 외부로 유동하는 포말 상의 전단력을 감소시키고, 포말 완전성으로 보존한다.
도 27은 본 발명의 다양한 실시예를 구체화하는 예시적인 압축 공기 에너지 저장 시스템(2700)의 부분의 개략도이다. 시스템(2700)은 소정의 중간 압력[예를 들어, 대략적으로 200 psig(1.38 MPa)]와 소정의 높은 압력[예를 들어, 대략적으로 3,000 psig(20.68 MPa)] 사이에서 가스를 팽창시키고 압축시키는 고압 공압 실린더 조립체(2702)(도 27에 HP로 표기됨), 소정의 낮은 압력(예를 들어, 대략적으로 0 psig)과 소정의 중간 압력[예를 들어, 대략적으로 200 psig(1.38 MPa)] 사이에서 가스를 팽창시키고 압축시키는 저압 공압 실린더 조립체(2704), 통상적으로 시스템의 중간 압력에서 유체(예를 들어, 가스, 열교환 액체, 포말 또는 분리된 가스와 액체)를 수용하는 중간압 용기(2706)(도 27에 MPV라 표기됨), 높은 압력 및 온화하게 상승된 온도(예를 들어, 50℃)에서 유체를 저장하고 따라서 압력 포텐셜 에너지 및 열 에너지의 모두의 저장조로서 작용하는 것이 가능한 저장조(2708) 또는 저장조의 상호 연통하는 세트(예를 들어, 고압 가스의 저장 또는 운반을 위해 정격된 파이핑의 밀봉된 길이), 비교적 낮은 온도(예를 들어, 20℃)에서 적절한 양의 열교환 액체를 유지하는 것이 가능한 저장 용기/스프레이 저장조(2710)(예를 들어, 탱크)를 포함한다. 스프레이 저장조(2710)는 바람직하게는 저압 포말을 액체 성분 및 가스 성분으로 분리하고 가스 성분을 분위기(점선 화살표 2712에 의해 지시됨)로 통기하기 위한 메커니즘을 포함한다. 도 27에서, 점선 화살표는 적절한 파이핑을 통한 가스의 양방향성 이동을 표현하고, 실선 화살표는 적절한 파이핑을 통한 액체의 양방향성 이동을 표현하고 있고, 점선 및 실선 화살표의 쌍(2714, 2716, 2718, 2720)은 시스템(2700)의 다양한 구성 요소들 사이의 가스와 액체의 이동을 지시하고 있다. 스프레이 저장조(2710)는 저압 실린더(2704)와 액체 및 가스의 모두(예를 들어, 액체와 가스의 개별 유동으로서 또는 수성 포말의 단일 유동으로서)를 교환할 수도 있고, 저압 실린더(2704)는 중간압 용기(2706)와 액체 및 가스를 교환할 수도 있고, 중간압 용기(2706)는 고압 실린더(2702)와 액체 및 가스를 교환할 수도 있고, 고압 실린더(2702)는 고압 저장조(2708)와 액체 및 가스를 교환할 수도 있다.
도 27에서, 고압 실린더(2702), 중간압 용기(2706) 및 저압 용기(2704)는 "파워 유닛"의 부분, 즉 열 및 압력 포텐셜 에너지를 기계적 일 및 전기 에너지로 상호 변환하는 에너지 저장 시스템(2700)의 서브시스템이다. 고압 저장조(2708) 내의 따뜻한 고압 유체로부터 열 및 압력 포텐셜 에너지가 전기 에너지로 변환되는 작동 모드에서, 소정량의 유체가 고압 저장조(2708)로부터 고압 실린더(2702)로 전달된다. 유체는 통상적으로 대략적으로 동일한 온도 및 압력에 있는 가스와 액체의 모두를 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 가스와 액체는 고압 실린더(2702)로의 유입에 앞서 포말로 조합될 수도 있고 또는 실린더(2702) 내에서 발포될 수도 있다. 실린더(2702)는 원래 높은 압력[예를 들어, 약 3,000 psig(20.68 MPa)]으로부터 중간 압력[200 psig(1.38 MPa)]으로 그 내용물[예를 들어, 실린더(2702)의 공기 챔버를 실질적으로 또는 완전히 충전하는 포말]을 팽창시킨다. 실린더(2702)에 의해 포말의 가스 성분이 팽창하여, 실린더(2702) 내의 이동 피스톤 상의 작업을 수행함에 따라, 이는 냉각하는 경향이 있지만, 포말의 가스 성분과 액체 성분 사이에 온도차가 나타남에 따라, 열 에너지가 액체로부터 가스 성분으로 흐른다. 온도차가 클수록, 액체로부터 가스로 열 에너지의 흐름이 더 빠른 경향이 있을 것이다. 따라서, 실린더(2702) 내의 수성 포말 구조 내의 액체와 가스의 섞임은 포말의 가스 성분의 실질적으로 등온 팽창을 허용하는 경향이 있을 것이고, 실린더(2702)에 유입된 액체 내의 열 에너지의 부분을 기계적 일로 효율적으로 변환한다.
실린더(2702)의 내용물이 시스템(2700)의 중간 압력에 도달할 때, 중간 압력에서 액체와 가스(예를 들어, 포말)는 중간압 용기(2706)에 전달된다(화살표 2718). 중간압 용기는 액체와 가스를 저장하고, 포말을 재생성하기 위한 또는 포말을 그 가스 성분과 액체 성분으로 분리하기 위한 설비를 제공한다. 중간압 용기(2706)가 중간 압력에서 충분한 양의 가스를 수용할 때마다, 소정량의 가스가 중간압 용기(2706)로부터 저압 실린더(2704)로 전달된다. 가스는 중간압 용기(2706)로부터 열교환 액체와 섞여서 저압 실린더(2704)의 공기 챔버를 실질적으로 또는 완전히 충전하는 포말을 형성한다. 고압 실린더(2702) 내에 있을 때, 포말의 액체 성분이 가스의 팽창을 대략적으로 등온이 되게 하는 경향이 있기 때문에, 단지 상이한 압력 범위를 가로질러, 저압 실린더(2704) 내의 가스가 팽창되어, 실린더(2704)에 의한 이동 피스톤 상에 작업을 수행한다. 저압 실린더(2704) 내의 가스의 팽창 후에, 실린더(2704) 내의 액체와 가스는 비교적 낮은 온도 및 대략적으로 대기압에 있고, 이어서 스프레이 저장조 및 포말 분리기(2710)로 전달된다(화살표 2714). 포말의 저압 가스 성분은 분위기로 통기되고(화살표 2712), 포말의 저압 액체 성분은 보유된다. 보유된 액체가 시스템(2700)이 에너지 생성 모드에서 작동되려고 할 때에 시스템(2700)의 주위(환경) 온도보다 더 낮으면, 스프레이 저장조(2710) 내의 액체는 고압 저장조(2708) 내의 고온 액체의 저장에서와 같이, 에너지(포텐셜 일)의 저장을 구성한다. 저장조(2708, 2710)는 이들의 내용물이 주위 환경의 온도를 향해 가온되거나 냉각됨에 따라 발생하는 에너지의 손실을 느리게 하기 위해 절연될 수도 있다. 압축 및/또는 팽창 스테이지의 수, 즉 도 27에 도시된 2개의 스테이지는 예시적이다. 부가의 팽창 및 압축 스테이지 및 중간압 용기는 압력 범위를 더 분할하도록 추가될 수도 있다[예를 들어, 3개의 압축/팽창 스테이지 - 0 내지 80 psig(0.56 MPa), 80 psig(0.56 MPa) 내지 500 psig(3.48 MPa) 내지 3000 psig(20.68 MPa), 대략적으로 80 psig(0.56 MPa) 내지 500 psig(3.48 MPa)에서의 중간 압력 용기를 가짐].
유사하게, 시스템(2700)은 분위기 공기를 유입하고(화살표 2712) 이를 실린더(2704, 2702) 내에서 순차적으로 압축함으로써 에너지를 저장할 수도 있다. 도 28은 도 27에 미리 도시된 시스템(2700)의 부분의 개략도를 도시하고, 가상 2단 압축의 스테이지를 부분적으로 설명하기 위해 시간 대 온도 그래프(2800)가 첨부되어 있다. 그래프(2800)의 부분으로부터 시스템(2700)의 개략도의 부분으로 수렴하는 얇은 라인의 쌍은 그래프(2800)의 부분이 시스템(2700)의 어느 부분에서 발생하는 온도 변화를 표현하는지를 지시하고 있다. 그래프(2800)에서, 점선은 가스의 온도를 표현하고, 실선은 열교환 액체의 온도를 표현한다.
그래프(2800)는 저압 실린더(2704) 내의 압축 스트로크의 시작인 시간 T=0에서 시작한다. 실린더는 포말을 포함하고, 이 포말의 가스 성분과 액체 성분은 모두 동일한 낮은 압력(대략적으로 대기압) 및 동일한 비교적 낮은 온도(대략적으로, 25℃)에 있다. T=0 밀리초(ms) 내지 대략 T=290 ms에, 포말은 실린더(2704) 내에서 압축된다. 가스의 상승하는 온도는 점선 곡선(2804)에 의해 표현되어 있다. 가스의 온도가 상승함에 따라, 열은 그 온도가 실선 곡선(2806)에 의해 표현되어 있는 포말의 액체 성분으로 전달된다. 곡선(2804)은 가스의 온도가 일정하지 않은 것, 즉 가스의 압축이 순수하게 등온은 아니지만, 가스가 단열적인 압축을 경험하는 경우에 발생할 온도 변화에 비교하여 실질적으로 또는 대략적으로 등온인 것을 명백히 도시하고 있다. 단열의 경우에, 가스의 온도는 대략적으로 55℃가 아니라, 대략적으로 295℃로 상승할 것이다. 따라서, 실린더(2704) 내에서 가스에 의해 경험된 압축 프로세스는 적절하게는 n=1.05 미만의 폴리트로픽 계수를 갖고 단열 경우에 비한 상당한 효율 이득을 실현하는 "실질적으로 등온"이라 명명할 수도 있다. 이들 이득은 이들이 완벽하게 등온 압축(무한 시간을 취할 수 있음)에 대해 있을 수 있는 것만큼 크지는 않다.
실선 라인(2806)과 점선 라인(2805)(각각 액체 및 가스 온도) 사이의 차이는 후속의 팽창 중에 회수될 수 없는 손실 에너지를 표현한다. 이 손실 에너지의 최소화는 프로세스 시간 상수(이 경우에, 압축은 약 290 ms에서 발생함)가 열전달 시간 상수보다 상당히 작을 때 성취된다. 열전달 시간 상수는 부분적으로는 표면적과 압축 또는 팽창 가스와 액체 사이의 근접도에 의존한다. 소형 액적 또는 포말 매트릭스가 이 표면적을 최대화한다. 일반적으로, 회전 타원체형 액적이 포말 셀의 매트릭스보다 큰 표면적을 가질 것이고, 따라서 포말 매트릭스는 낮은 열전달 시간 상수, 저손실 에너지 및 더 효율적인 에너지 저장 시스템을 야기할 수도 있다.
도 28의 그래프(2800)는 가스와 액체 혼합물이 중간압 용기로 전달됨에 따라 대략 T=290 ms에서 압축이 중단하는 것을 도시하고 있다. 가스는 대략 T=290 ms로부터 대략 T=300 ms로 점선 곡선(2804)의 가파른 강하에 의해 도시된 바와 같이 액체의 온도를 신속하게 근사한다. 실린더(2704) 내의 포말(및 분리된 액체)은 이어서 중간압 용기(2706) 내에 수용된다. 포말은 대략적으로 일정한 압력 및 온도에서 중간압 용기 내에서 재생성될 수도 있고(LP 또는 HP 실린더로부터의 단일 흡기 또는 배기 중에 압력의 큰 변동을 방지하기 위해 가능하게는 충분히 크게 치수 설정된 중간압 용기의 크기에 따라) HP 실린더(2702)에 전달될 수도 있다. 대략적으로 T=700 ms에, HP 실린더(2702)의 공기 챔버는 포말로 실질적으로 또는 완전히 충전되고 압축 스트로크가 시작된다. LP 실린더(2704) 내의 압축에 유사하게, 포말의 가스 성분의 온도는 점선 곡선(2810)에 의해 도시된 바와 같이 상승하고(이러한 온도 상승은 단열 압축의 경우에 비교하여 상당히 완화됨), 포말의 액체 성분의 온도는 실선 곡선(2812)에 의해 도시된 바와 같이 상승하고, 포말의 가스 성분 및 액체 성분의 온도는 대략적으로 T=950 ms 내지 대략적으로 T=1000 ms로 점선 곡선(2810)에서 급격한 강하에 의해 도시된 바와 같이 압축이 정지한 후에 신속하게 평형화된다. 실선 라인(2812)과 점선 라인(2810)(각각 액체 및 가스 온도) 사이의 차이는 후속의 팽창 중에 회수될 수 없는 손실 에너지를 표현한다. 그 후, HP 실린더(2702)의 액체 및 가스 내용물은 고압 저장조 및 열 우물(2708) 내에 저장되어, 실선 곡선(2814)에 의해 도시된 바와 같이 대략적으로 일정한 온도 및 압력에서 잔류한다.
따라서, 시스템(2700)은 가스의 팽창 및 압축 중에 가스가 발포된 열교환 액체를 에너지 저장 매체로서 그리고 가스의 신속한 대략 등온 팽창 및 압축을 가능하게 하도록 사용한다. 더욱이, 다양한 외부 소스(예를 들어, 태양열, 연료 연소 발전소로부터의 폐열)로부터 열이 저장조(2708) 내의 유체로 전달될 수 있다. 이에 따라, 저장조(2708) 내의 유체에 추가된 열 에너지는 실린더(2702, 2704) 내에서의 유용한 일로서, 그리고 이에 따라 시스템(2700)으로부터의 전력 출력으로서 부분적으로 실현될 수 있다. 다른 실시예에서, 추가의 열 에너지는 달리 열병합의 형태로서 환경으로 낭비되는 발전소 등의 소스로부터의 저급 열의 형태로 저장조(2708) 내의 유체에 전달될 수 있어, 후속 팽창 중에 이용 가능한 에너지를 추가로 증가시키거나 유지할 수 있다. 또한, 그러한 소스로부터의 저급 열(도시 생략)의 열 에너지는 회수 가능한 에너지를 증가시키도록 열교환기(도시 생략)를 통해 팽창 중에 중압 용기(2706)로 전달될 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시예를 통합하는, 도 27 및 도 28의 시스템(2700)과 관련하여 약간 유사한 예시적인 압축 공기 에너지 저장 시스템(2900)의 일부의 개략도이다. 시스템(2900)은 약간의 중간압[예를 들어, 대략 200 psig(1.38 MPa)]과 약간의 고압[예를 들어, 대략 3,000 psig(20.68 MPa)] 사이에서 가스를 팽창 및 압축하는 고압 공압 실린더 조립체(2902)(도 29에서 HP로 표시함), 약간의 저압(예를 들어, 대략 0 psig)과 약간의 중간압[예를 들어, 대략 200 psig(1.38 MPa)] 사이에서 가스를 팽창 및 압축하는 저압 공압 실린더 조립체(2904), 시스템의 중간압에서 통상적으로 유체(예를 들어, 가스, 열교환 액체, 포말, 또는 분리된 가스와 액체)를 수용하는 중간압 용기(2906)(도 29에 MPV로 표시함), 유체를 고압 및 상승된 온도(예를 들어, 50℃)로 저장하고, 이에 따라 압력 위치 에너지 및 열 에너지의 저장부로서 작용할 수 있는 저장조(2908) 또는 저장 용기들(예를 들어, 고압 가스의 저장 또는 운반을 위한 밀봉된 길이의 배관)의 상호 연통 세트, 적절한 양의 열교환 액체를 비교적 낮은 온도(예를 들어, 20℃)로 유지할 수 있는 저장 용기/스프레이 저장조(2910)(예를 들어, 탱크)를 포함한다. 스프레이 저장조(2910)는 바람직하게는 저압 포말을 액체와 가스 성분으로 분리하고 가스를 대기(점선 화살표 2912로 지시함)로 배출하기 위한 메커니즘을 포함한다. 도 29에서, 점선 화살표는 적절한 배관을 통한 가스의 양방향 운동을 나타내고 실선 화살표는 적절한 배관을 통한 액체의 양방향 운동을 나타낸다.
시스템(2900)은 또한 포말(예를 들어, 고압 포말)을 액체와 가스 성분으로 분리시키는 하나 이상의 메커니즘을 특징으로 하는 고압 분리 용기(2922)를 포함한다. 저장조(2908, 2910, 2926)는 그 내용물이 주위 환경의 온도를 가열 또는 냉각시킬 때에 발생하는 엑서지 손실을 느리게 하도록 절연될 수 있다. 스프레이 저장조(2910)는 액체와 가스를 (예를 들어, 액체와 가스의 별개의 유동으로서 또는 수성 포말의 단일 유동으로서) 저압 실린더(2904)와 교환할 수 있고, 저압 실린더(2904)는 액체와 가스를 중간압 실린더(2906)와 교환할 수 있으며, 중간압 실린더(2906)는 액체와 가스를 고압 실린더(2902)와 교환할 수 있고, 고압 실린더(2702)는 가스를 고압 저장조(2908)와 그리고 [펌프/모터(2924)를 통해] 액체를 저압 열 우물(2926)(예를 들어, 절연된 대기압 탱크)과 교환할 수 있다.
시스템(2700)과 같이, 시스템(2900)은 압축(에너지 저장) 또는 팽창(에너지 발생) 모드에서 작동될 수 있다. 시스템(2900)의 압축 작동 모드 중에, 가스는 시스템(2700)에 대해 전술한 바와 같이 저압 실린더(2904), 중간압 용기(2906), 및 고압 용기(2902)를 통해 단계적으로 압축된다. HP 실린더(2902)에서의 압축 후에, 고압 실린더(2902)로부터의 액체와 가스(부분적으로 또는 실질적으로 포말의 형태)는 분리 용기(2922)로 지향되고, 여기서 포말의 액체와 가스 성분은 적절한 메커니즘(예를 들어, 배플, 중력, 회전 블레이드, 초음파, 원심력, 및/또는 다른 그러한 메커니즘)에 의해 분리된다. 포말의 분리된 가스 성분은 분리 용기(2922)로부터 저장 용기(2908)로 지향되고, 비교적 고압[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)] 및 고온(예를 들어, 50℃)의 분리된 열교환 액체 성분은 분리 용기(2922)로부터 펌프/모터(2924)를 통해 적절한 양의 열교환 액체를 상승된 온도 및 저압으로 유지할 수 있는 저압 저장 용기(2926)(예를 들어, 탱크)로 지향된다. 열교환 액체의 압력은 분리 용기(2922)로부터 펌프/모터(2924)를 통해 저장 용기(2926)를 향한 통과 중에 감소되고, 펌프/모터를 모터로서 구동하여, 유용한 에너지를 발생시킨다(상승된 압력으로 액체의 압축 중에 사용되는 이 에너지 부분을 회수함). 변형예에서, 고압 저장조(2908)는 가스 저장부로서 그리고 액체/가스 분리기로서 모두 사용될 수 있고, 액체는 수성 포말의 액체 부분의 중력 배수 후에 가스 저장조의 저점으로부터 제거된다. 이 실시예에서, 분리 용기(2922)는 저장조(2908)와 별개의 요소가 아니다. 일 실시예에서, 저장조(2908)는 수성 포말의 비교적 신속한 중력 배수를 용이하게 하는 큰 수평 표면적을 갖는 수평 파이프 필드이다.
시스템(2900)의 에너지 발생(팽창) 작동 모드 중에, 용기(2926)로부터의 저압의 그리고 가능하게는 상승된 온도의 열교환 액체는 펌프/모터(2924)를 통해 지향된다. 펌프 모드로 작동되는 펌프/모터(2924)는 액체의 압력을 포말로서 저장조(2908)로부터의 고압[예를 들어, 대략 3,000 psig(20.68 MPa)]의 가스와 액체의 조합을 허용하기에 충분한 레벨로 상승시킨다. 포말은 저장조(2908) 내에서, 용기(2922) 내에서, 용기(2922)와 별개의 메커니즘에서 그리고 고압 실린더(2902)의 외측에서, 또는 고압 실린더(2902) 내측에서 형성될 수 있다. 이어서, HP 실린더(2902), 중간압 용기(2906), 및 저압 용기(2904)에서 가스의 단계식 팽창이 시스템(2700)에 대해 전술한 바와 같이 진행된다.
따라서, 시스템(2900)은 가스의 팽창 및 압축 중에 가스가 발포된 열교환 액체를 에너지 저장 매체로서 그리고 가스의 신속한 실질적으로 등온 팽창 및 압축을 가능하게 하도록 사용한다. 시스템(2700)과 달리, 시스템(2900)은 고압 가스와 열교환 액체를 모두 저장하도록 단일 용기(또는 상호 연결된 용기 세트)를 사용하지 않는다. 이는 보다 작은 체적의 고압 저장부가 요구된다는 이점을 갖고, 시스템(2900)의 고온측에서 요구되는 전체 저장 체적[즉, 용기(2926) 내의 고온 액체와 용기(2908) 내의 고온 고압 가스의 저장]은 시스템(2700)에 대한 것과 대략 동일하지만, 용기(2926)가 저압이기 때문에, 고압 용기(2908)보다 단위 체적 당 더 저렴할 것으로 보인다.
더욱이, 다양한 외부 소스(예를 들어, 태양열, 연료 연소 발전소로부터의 폐열)로부터의 열이 [고압 저장조(2700 또는 2908)의 내용물에 대한 열의 전달에 비해] 비교적 쉽게 열 우물(2926) 내의 액체로 전달될 수 있는데, 그 이유는 고압을 견디는 열교환 메커니즘이 그러한 열 회수에 필요하지 않기 때문이다. 따라서, 열 우물(2926)에 추가되는 열 에너지는 부분적으로 실린더(2902, 2904)의 유용한 일로서, 그리고 이에 따라 시스템(2900)으로부터의 열병합된 전력 출력으로서 실현될 수 있다. 전체 저장 비용 및/또는 열병합이 보다 낮기 때문에, 압축 모드에서 분리 용기(2922)로부터 열 우물(2926) 내의 저압으로 고압의 액체를 전달하고 열 우물(2926)로부터의 저압 액체를 팽창 모드 중에 HP 실린더(2902) 내에서 가스로 발포하는 고압으로 펌핑함으로써 수반되는 에너지 손실을 더 많이 보상할 수 있다.
고압 가스의 저장을 위해 고정된 체적의 저장조를 채용하는 압축 가스 에너지 저장 시스템의 발생 모드 중에, 가스는 고압 저장조로부터 연속적으로 또는 배치(batch) 방식으로 점진적으로 배기되므로, 그 위치 에너지는 부분적으로 기계적 또는 전기적 에너지로서 실현될 수 있다. 고압 저장조의 그러한 점진적인 배기 중에, 저장조 내에서 가스의 압력 및 온도는 대략적인 단열 방식으로 감소하는 경향이 있다. 열역학의 원리에 친숙한 숙련자에게 명백한 바와 같이, 이 대략적인 단열 압력 및 온도 감소는 낮은 이용 가능한 압력으로 인한 회수 가능한 에너지의 손실 및/또는 온도 혼합으로 인한 엑서지 손실을 수반한다. 유사하게, 압축 가스 에너지 저장 시스템의 저장 모드 중에, 가스는 고압 저장조로 연속적으로 또는 배치 방식으로 점진적으로 운반되므로, 그 위치 에너지가 저장될 수 있다. 고압 저장조를 향한 가스의 그러한 점진적인 운반 중에, 저장조 내의 가스의 압력 및 온도는, 더 높은 압력을 압축하는 대응하는 증가된 일 및/또는 불일치되는 온도로 인한 혼합 엑서지 손실과 함께 대략적인 단열 방식으로 증가하는 경향이 있다.
고압 저장조로부터 가스의 배기 또는 고압 저장조로 가스의 운반 중에 엑서지 손실을 방지하기 위하여, 고안 저장조 내에서 압축 또는 팽창을 받는 가스와 열교환 액체 간의 열교환을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 고압 저장조 내에서 가스와 액체 간의 열교환은 고압 저장조를 포말로 부분적으로 또는 실질적으로 충전시킴으로써 달성될 수 있는데, 여기서 포말의 액체 성분은 열교환 액체이다. 포말의 액체 성분은 포말의 가스 성분에 대한 열 에너지를 포기하거나 가스 성분으로부터 열 에너지를 흡수하는 경향이 있어, 시스템의 저장 또는 발생 작동 모드 중에 고압 저장조 내에서 압력의 대략적인 단열 증가 또는 감소를 가능하게 한다. 포말의 액체 성분, 또는 포말 혼합물의 온도는 또한 환경으로부터 열을 발산하거나 환경 또는 일부 열병합 열의 소스로부터 열을 회수하는, 고압 저장조 외측의 열교환 메커니즘(열교환기)에 의해 변경될 수 있다. 포말 또는 분리된 액체가 고압 저장조 외측의 열교환기를 통해 순환될 수 있다. 다른 실시예에서, 열교환 매체(예를 들어, 핀이 있는 튜브)는 고압 저장조의 내부에 제공될 수 있어, 외부 열교환 유체(예를 들어, 주위 공기)는 외부 열교환기로 순환되는 고압의 내용물이 아닌 그 내용물과 혼합하는 일 없이 고압 저장조 내로 순환될 수 있다. 가스 전용 고압 저장조 내에 저장된 압축 가스와의 열교환을 위한 기법은 2011년 4월 27일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/094,960호('960 출원)에 설명되어 있고, 이 출원의 전체 개시는 본 명세서에 참조로 합체된다. 이 손실되는 엑서지의 최소화는 처리 시간 상수가 열전달 시간 상수보다 상당히 낮을 때에 달성된다. 일반적으로, 저장조 내의 압축 또는 팽창은 실린더 및 파워 유닛 내보다 훨씬 느린 시간 상수에서 발생한다. 예를 들어, 저장조 내에서 750 psig 내지 3,000 psig(5.17 내지 20.68 MPa)의 가스의 압축은 대략 1 시간 걸릴 수 있다. 열전달 시간 상수는 부분적으로 표면적 및 압축 또는 팽창 가스와 액체 간의 근접도에 따라 좌우된다. 작은 액적 또는 포말 매트릭스는 이 표면적을 최대화시킨다. 일반적으로, 장구형 액적은 포말 셀보다 낮은 표면적을 갖고, 이에 따라 포말 매트릭스는 더 낮은 열교환 시간 상수, 적은 손실 엑서지, 및 보다 효율적인 에너지 저장 시스템을 초래할 수 있다. 저장조의 열교환을 위해, 더 낮은 품질의 포말 또는 낮은 품질의 또는 간헐적인 스프레이 또는 순환이 원하는 열전달 시간 상수(예를 들어, 실질적으로 1 시간보다 낮은 시간 상수)를 달성하는 데에 충분할 수 있다.
도 30은 저장조로부터 가스의 배기 또는 저장조에 대한 가스의 운반 중에 저장조 내에서 대략적인 압력의 등온 변화를 달성하거나, 열교환기의 사용을 통해 열병합 또는 다른 소스로부터 저장조 내의 가스에 에너지를 추가하도록 고압 저장조로부터 유체를 순환시키는 예시적인 메커니즘의 개략도이다. 저장조(3002a 내지 3002d)로부터의 유체는 순환 장치로서 작동하는 펌프(3006)를 이용하여 열교환기(3004)를 통해 순환된다. 순환되는 유체는 가스, 또는 열교환 액체, 또는 가스와 액체를 모두 포함하는 포말일 수 있다. 펌프(3006)는 '409 출원에서 상세히 설명되는 바와 같이, 순환에 충분한 작은 압력 변화로, 그러나 고압을 견딜 수 있는 하우징 내에서 작동한다. 펌프(3006)는 그 압력을 실질적으로 증가시키는 일 없이[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa) 공기에 대해 50 psi(344.7 kPa)] 열교환기(3004)를 통해 고압 유체를 순환시킨다. 이어서, 유체는 가능하게는 저장조(3002a 내지 3002d) 내에 포말 또는 다른 2상 혼합물(예를 들어, 액적의 스프레이)을 재발생시키는 메커니즘을 통해 저장조(3002a 내지 3002d)내로 재분사된다. 이 방식에서, 저장된 압축 가스의 온도는 밸브(3010)를 폐쇄한 상태에서 밸브(3008)를 개방시킴으로써 제어될 수 있고(예를 들어, 상승되거나, 하강되거나, 대략 일정하게 유지되거나, 대략 내부 액체 온도와 동일할 수 있고), 밸브(3008)를 폐쇄하고 밸브(3010)를 개방시킴으로써 팽창[저장조(3002a 내지 3002d)로부터 가스의 방출] 중에 가열되거나 압축[저장조(3002a 내지 3002d)에 대한 가스의 운반] 중에 냉각될 수 있다. 밸브(3010)는 개방될 때에 도 27의 시스템(2700) 등의 에너지 저장 시스템과 유체 연통하도록 서브시스템(3000)을 배치한다. 열교환기(3004)는 임의의 종류의 표준 열교환기 설계일 수 있고, 도 30에는 고압 공기 입구 및 출구 포트(3012, 3014)와 저압 쉘 포트(3016, 3018)(외부 가열 또는 냉각 소스에 연결될 수 있음)를 갖는 다중 포트 열교환기이다.
다른 실시예에서, 포말은 저장조(3002a 내지 3002d)로부터 열교환기(3004)를 통해 순환된다. 열교환기(3004)의 외부 루프를 통해 순환되는 유체는 다양한 실시예에서 가스, 액체, 또는 포말일 수 있다. 저장조(3002a 내지 3002d)는 도 30에서 수평 위치로 도시되어 있지만 다른 배향이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 31은 팽창 또는 압축 전 및/또는 중에 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지의 전달을 촉진시키도록 에너지 저장 시스템에서 압축 가스의 가열 및 냉각을 위한 예시적이고 대안적인 압축 가스 저장조 서브시스템(3100)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 저장조(3102, 3104) 내에 저장된 유체로 그리고 유체로부터 열 에너지의 전달은 펌프(3106)를 이용한 액체 순환을 통해 촉진된다. 액체 펌프(3106)는 순환 및 스프레이(및/또는 포말 발생)에 충분한 작은 압력 변화로, 그러나 고압을 견딜 수 있는 하우징 내에서 작동한다. 즉, 펌프는 열교환기(3108)를 통해 고압의 물(또는 다른 적절한 열전달 유체)을 순환시키고 그 압력을 실질적으로 증가시키는 일 없이 저장조(3102, 3104)로 액체를 도입한다[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)의 저장된 압축 가스 내에서 순환 및 스프레이를 위해 50 psi(344.7 kPa) 증가]. 열교환기는 다른 실시예에서 생략되거나 우회될 수 있다. 열교환기(3108)는 임의의 종류의 표준 열교환기 설계일 수 있고, 여기서는 고압 액체 입구 및 출구 포트(3112, 3114)와 저압 쉘 액체 포트(3116, 3118)를 갖는 다중 포트 열교환기가 예시되어 있다. 쉘 포트(3116, 3118)는 제2 열교환기, 열 우물, 또는 몇몇의 다른 유체 바디와 연통하게 할 수 있다.
저장조(3102, 3104) 내의 열교환은 용기(3102, 3104) 내로 액체(예를 들어, 물)의 활발한 스프레이 또는 발포에 의해 촉진된다. 여기서, "스프레이"는 액체를 액적으로 분할하는 방식으로 액체에 기계적으로 작용하는 메커니즘(예를 들어, 작은 오리피스, 공학적 노즐, 스프레이를 충돌 핀 또는 플레이트로 지향시키는 메커니즘)을 통한 액체의 임의의 통과를 지칭한다. "발포"는 발포를 형성하도록 가스와 혼합시키는 메커니즘을 통한 액체의 임의의 통과를 지칭한다. 그러한 메커니즘은 초음파를 생성하거나 초음파에 의해 작용되는 표면에 액체가 지향되는 계획을 포함하고, 그 표면은 파괴 또는 발포를 생성하도록 액체를 진동시킨다. 그러한 모든 메커니즘이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 도 31의 예시적인 시스템은 스프레이/발포 메커니즘으로서 다수 천공된 로드(스프레이 로드)를 도시한다. 도 31에 도시된 바와 같이, 천공된 로드(3120, 3122)는 저장조(3102, 3104) 내에 설치될 수 있다. 천공된 로드(3120, 3122)는 저장조(3102, 3104)의 상부를 따라 또는 상부에, (도 31에 예시된 바와 같이) 저장조의 중간부를 따라, 및/또는 저장조의 바닥을 따라(예를 들어, 스프레이 타입 구조) 배치될 수 있다. 로드(3120, 3122)는 저장조(3102, 3104)의 길이의 일부 또는 전부를 통해 연장될 수 있다. 펌프(3106)는 액체 압력을 저장조 압력 이상으로 증가시킴으로써, 액체는 화살표(3124, 3126)로 도시된 바와 같이 액티브하게 순환되고 로드(3120, 3122)로부터 스프레이/발포된다. 저장조(3102, 3104) 내로의 스프레이 및/또는 발포의 경우, 저장조(3102, 3104) 내측의 가스 내에서 액체의 액적 또는 발포 매트릭스가 발생하여, 액체와 가스 간에 효율적인 열전달을 가능하게 한다. 발포는 저장조(3102, 3104)를 부분적으로 또는 실질적으로 채울 수 있다. 시간 경과에 따라, 포말은 분리되어, 저장조(3102, 3104)의 바닥에 액체의 축적물(3128, 3130)을 생성하는 경향이 있다. 이에 따라 축적된 액체는 포트(3132, 3134) 및 관련 배관(3136)을 통해 제거될 수 있다. 배관(3136)은 액체를 열교환기(3108)로 복귀시키고, 이를 통해 액체(3128, 3130)는 폐루프 물 순환 및 스프레이/발포 시스템의 일부로서 순환된다. 밸브(3110)는 개방될 때에 서브시스템(3100)을 도 27의 시스템(2700) 등의 에너지 저장 시스템과 유체 연통하게 배치한다.
다양한 다른 실시예에서, 포말 또는 가스는 열교환기(3108)를 통해 저장조(3102, 3104)로부터 순환된다. 열교환기(3108)의 외측 루프를 통해 순환되는 유체는 다양한 실시예에서 가스, 액체 또는 포말일 수 있다. 포트(3132, 3134)는 예를 들어 가스(예를 들어, 살포 장치에서) 또는 분리된 액체를 우선적으로 끌어당기는 대신에 포말을 끌어당기도록 저장조(3102, 3104)의 상부 또는 측면에 배치될 수 있다. 저장조(3102, 3104)와 그 내부 스프레이 메커니즘(3120, 3122)이 도 31에서 수평 위치에 도시되어 있지만, 다른 배향이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 2개의 저장조(3102, 3104)가 도 31에 도시되어 있지만, 예를 들어 파이프라인과 자연적 또는 인공적 캐번과 같이 다른 갯수의 저장조가 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 32는 팽창 또는 압축 전 및/또는 중에 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지의 전달을 촉진시키도록 에너지 저장 시스템에서 압축 가스의 가열 및 냉각을 위한 대안적인 압축 공기 저장조 서브시스템(3200)의 개략도이다. 저장조(3202) 내에 저장된 압축 가스로 및/또는 압축 가스로부터 열 에너지 전달은 엔클로저(3204)와 공기 순환 팬(3206)을 이용한 유체 순환을 통해 촉진된다. 저장조(3202)는 또한 저장조(3202)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전하는 포말을 형성하도록 분리되거나 저장조(3202) 내의 가스와 혼합될 수 있는 열교환 액체를 포함할 수 있다. 분리된 액체, 포말, 및 포말에 통합되지 않은 가스는 저장조(3202)에 그리고 본 명세서에서 도시된 모든 다른 고압 저장조에 공존할 수 있다. 서브시스템(3200)에서, 유체(예를 들어, 공기)는 흡입 개구(예를 들어, 통기구; 3208)를 통해 엔클로저(3204)에 진입한다. 유체는 저장조(3202) 내의 압축 가스와 상이한 온도로 있을 수 있다. 저장조(3202)는 저장조들 둘레 및 그 사이에서 유체의 실질적인 순환을 허용하는 장치 내에 있다. 저장조(3202) 둘레 및 그 사이에서 순환하는 유체는 통기구(3208)를 통해 진입한 유체가 저장조(3202) 내의 유체보다 낮은 온도에 있다면 저장조(3202)로부터 열 에너지를 얻는다. 유사하게, 저장조(3202)는 순환하는 유체가 저장조(3202) 내의 유체보다 높은 온도에 있다면 통기구(3208)를 통해 진입하는 유체로부터 열 에너지를 얻는다. 저장조(3202) 둘레 및 그 사이에서 순환된 유체는 도 32에 예시적으로 팬으로서 나타낸 배기 장치(예를 들어, 펌프, 팬)(3206)에 의해 엔클로저(3204)로부터 통상적으로 끌어당겨진다. 장치(3206)에 의해 배기된 가스는 하나 이상의 덕트(도시 생략)에 의해 한정되고, 그 온도를 변화시키도록 열교환 시스템을 통해 순환되어, 덕트를 통해 통기구(3208)로 복귀될 수 있다. 엔클로저(3204)의 외부는 절연될 수 있다. 흡입 개구(3208)에 진입한 유체는 가열 또는 냉각되어 저장조(3202) 및 그 내부 내용물의 온도를 변화시킬 수 있다. 그러한 가열의 소스는 열 발전소 또는 산업적 프로세스 등의 소스로부터의 폐열일 수 있고, 태양 가열 또는 연료 연소식 가열 요소 등의 직접적인 소스일 수 있다.
밸브 및 배관(도시 생략)은 저장조(3202)의 내용물을 도 27의 시스템(2700) 등의 에너지 저장 시스템과 유체 연통시키도록 배치할 수 있다. 저장조(3202)는 도 32에 수평 위치로 도시되어 있지만, 다른 배향이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 6개의 저장조(3202)가 도 32에 도시되어 있지만, 다른 갯수의 저장조 뿐만 아니라 다른 타입의 가스 저장조가 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 33은 팽창 또는 압축 전 및/또는 중에 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지의 전달을 촉진시키도록 에너지 저장 시스템에서 압축 가스의 가열 및 냉각에 사용하기 위한 또 다른 압축 가스 저장조 서브시스템(3300)의 개략도이다. 저장조(3302) 내에 저장된 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지 전달은 엔클로저(3304) 내에서 하나 이상의 유체(예를 들어, 물, 수성 포말)의 순환을 통해 그리고 엔클로저(3304)로 유체를 허용하고 엔클로저로부터 유체를 제거하는 배관(3306, 3308)을 이용하여 촉진된다. 저장조(3302)는 또한 열교환 액체를 수용할 수 있고, 열교환 액체는 분리되거나 저장조(3302) 내의 가스와 혼합되어 저장조(3302)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전하는 포말을 형성할 수 있다. 도 33에 도시된 예시적인 서브시스템(3300)에서, 엔클로저(3304) 내의 유체 레벨(3310)은 긴밀하게 이격된 수직 라인에 의해 지시된다. 유체는 파이프(3306)를 통해 엔클로저(3304)에 진입한다. 유체는 저장조(3302) 내의 유체의 온도와 상이한 온도로 될 수 있다. 저장조(3302)는 바람직하게는 저장조 둘레 및 그 사이에서 물(또는 다른 유체)의 실질적인 순환을 허용하는 장치 내에 있다. 저장조(3202) 둘레 및 그 사이에서 순환하는 유체는 파이프(3306)를 통해 진입한 유체가 저장조(3202) 내의 유체보다 낮은 온도에 있다면 저장조(3202)로부터 열 에너지를 얻는다. 유사하게, 저장조(3202)는 파이프(3306)를 통해 진입한 유체가 저장조(3202) 내의 유체보다 높은 온도에 있다면 유체로부터 열 에너지를 얻는다. 저장조(3202) 둘레 및 그 사이에서 순환된 유체는 파이프(3308)를 통해 엔클로저로부터 제거된다. 파이프(3308)를 통해 제거된 유체는 그 온도를 변화시키도록 열교환 시스템(도 33에 도시되지 않음)을 통해 순환되어 파이프(3306)를 통해 엔클로저(3304)로 복귀될 수 있다.
밸브 및 배관(도시 생략)은 저장조(3302)의 내용물을 도 27의 시스템(2700) 등의 에너지 저장 시스템과 유체 연통시키도록 배치할 수 있다. 저장조(3302)는 도 33에 수평 위치로 도시되어 있지만, 다른 배향이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 6개의 저장조(3302)가 도 33에 도시되어 있지만, 다른 갯수의 저장조가 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 34는 팽창 또는 압축 전 및/또는 중에 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지의 전달을 촉진시키도록 에너지 저장 시스템에서 압축 가스의 가열 및 냉각을 위한 다른 압축 공기 저장조 서브시스템(3400)을 예시한다. 캐번(3402)(예를 들어, 지하에 위치될 수 있는 자연적으로 생기거나 인공적으로 만들어진 캐번) 등의 압축 저장조에 저장된 압축 가스로 그리고 압축 가스로부터 열 에너지 전달은 액체 펌프(3404) 및 열교환기(3406)를 이용한 액체 순환을 통해 촉진된다. 캐번(3402)은 또한 열교환 액체를 수용할 수 있고, 열교환 액체는 분리되거나 캐번(3402) 내의 가스와 혼합되어 캐번(3402)을 부분적으로 또는 전체적으로 채우는 포말을 형성할 수 있다. 액체 또는 포말(3420)이 캐번(3402)의 바닥에 고일 수 있다. 펌프(3404)는 순환 및 스프레이/포말 발생에 충분한 작은 압력 변화로, 그러나 고압을 견딜 수 있는 하우징 내에서 작동하고, 펌프(3404)는 고압 유체를 열교환기(3406)를 통해 그리고 그 다음에 스프레이/포말 발생 메커니즘(3408)으로 순환시키고, 유체의 압력을 실질적으로 증가시키는 일 없이[3,000 psi(20.68 MPa)의 저장된 압축 공기 내에서 순환 및 스프레이를 위한 50 psi(344.7 kPa) 증가] 캐번(3402) 내측에 발포 스프레이(3410)를 생성시킨다. 이 방식에서, 저장된 압축 가스는 저장 캐번(3402)의 액티브 액체 모니터링을 허용할 수 있는 유체 순환 및 스프레이/발포 방법을 이용하여 미리 가열(또는 미리 냉각)될 수 있다. 2상 열교환은 팽창 전에 미리 가열 및/또는 압축 전에 미리 냉각으로서 발생할 수 있다. 순환은 열교환기(3406)없이 행해질 수 있고 팽창 또는 압축 중에 실질적으로 동일한 온도로 열교환 액체 및 가스를 유지하는 역할을 할 수 있다. 펌프(3404)는 액체 또는 포말(3420) 내에 침지되거나 액체 또는 포말(3420)의 외측에 있을 수 있다. 열교환기(3406)는 임의의 표준 열교환기 설계일 수 있고, 여기서는 고압 액체 입구 및 출구 포트(3412, 3414)와 저압 쉘 액체 포트(3416, 3418)를 갖는 다중 포트 열교환기가 예시되어 있다. 쉘 포트(3416, 3418)는 제2 열교환기 또는 열 우물 또는 몇몇의 다른 유체 바디와 연통하게 할 수 있다,.
저장 캐번(3402) 내의 열교환은 캐번(3402) 내로 액체(예를 들어, 하나 이상의 발포 첨가제를 갖는 물)의 액티브 스프레이 또는 포말 발생(3410)에 의해 촉진된다. 도 34에는 하나 이상의 천공된 스프레이 헤드(3408)가 저장 캐번(3402) 내에 설치되는 계획이 예시되어 있다. 펌프(3404)는 유체가 확실하게 순환되고 스프레이 헤드(3408)로부터 스프레이되도록 유체 압력을 캐번 압력 이상으로 증가시킨다. 포말은 캐번(3402)의 체적을 부분적으로 또는 전체적으로 충전할 수 있다. 포말 분리로 인해, 액체 및/또는 포말(3420)이 캐번(3402)의 바닥에 축적되고 배관(3422)을 통해 제거될 수 있다. 배관(3422)은 액체 및/또는 포말(3420)을 펌프(3404) 및 열교환기(3406)로 복귀시키고, 이를 통해 액체 및/또는 포말은 폐루프 유체 순환 및 포말 발생 및/또는 포말 재발생 시스템의 일부로서 순환된다. 밸브 또는 밸브들과 배관(도시 생략)이 캐번(3402)을 도 27의 시스템(2700) 등의 에너지 저장 시스템과 유체 연통시키도록 배치할 수 있다.
캐번(3402)이 충분한 크기이면, 실질적인 질량의 액체 및/또는 포말(3420)이 캐번(3402)의 바닥에 축적하도록 허용될 수 있다. 이 경우에, 액체 및/또는 포말(3420)의 이 질량은 또한 캐번(3402) 내에 수용되는 공기와 비교적 느리게 열을 교환할 수 있고 열 저장조로서 사용될 수 있다.
수직 캐번 형태 및 스프레이 헤드 타입의 내부 포말 발생 메커니즘(3408)이 도 34에 도시되어 있지만, 다른 배향 및 스프레이 또는 포말 발생 메커니즘(예를 들어, 스프레이 로드, 다중 노즐)이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다. 스프레이 헤드(3408)는 축적하는 액체 및/또는 포말(3420)로 공기의 살포를 허용하여 캐번(3402) 내에 포말을 형성 또는 재발생시키도록 캐번의 바닥에 배치될 수 있다. 단일의 캐번(3402)이 도 34에 도시되어 있지만, 다른 갯수의 캐번 및 캐번과 기타 형태의 가스 저장부(예를 들어, 압력 용기 및/또는 파이프)가 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.
도 35는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 에너지 저장 및 회수 시스템의 다양한 구성요소의 다이어그램이다. 예시된 시스템은 열 에너지가 회수에 이용되고, 주변으로부터 취출되며, 사용에 필요하고, 및/또는 냉각을 위해 제거될 수 있는 설비(3500)를 포함하거나 그러한 설비로 본질적으로 이루어진다. 예시적인 설비(3500)는 화석 연료 기반 발전소(예를 들어, 석탄, 천연 가스); 핵, 태양열, 및 지열 등의 다른 열기관 기반 발전소; 폐열이 있는 산업적 프로세스; 열 펌프, 열원, 및 히트 싱크; 공간 가열 또는 냉각을 필요로 하는 빌딩; 및 환경적으로 냉각된 물의 소스를 포함한다. 도 35에서, 예시적인 목적을 위해, 표준 열교환 유닛(3504)을 통해 여분의 열 에너지가 회수될 수 있는 발전소(3502)가 도시되어 있다. 발전소(3502)로부터 발생된 전력(3506)은 작업자에 의해 결정되는 바와 같이 압축 가스 에너지 저장 시스템(3508)을 구동하고(예를 들어, 전력에 대한 시장의 수요가 낮을 때에), 저장조(3510) 내에 압축 가스의 형태로 에너지를 저장한다. 에너지는 또한 열 에너지 또는 환경 온도 미만으로 냉각되거나 그 이상으로 가온된 액체의 엑서지로서 저장될 수 있고, 이들 액체는 압축 가스(예를 들어, 포말로서 혼합되는)를 수용하는 동일한 용기 내에 배치되거나, 가스로부터 분리되어 별개의 용기 내에 저장될 수 있다. 전력 증가의 요구 시에, 이 저장된 에너지는 압축 가스 에너지 저장 시스템(3508) 내에서 팽창(예를 들어, 단계식 팽창)을 받아 사용[예를 들어, 전력 그리드 운반(3512)]을 위해 전력을 발생시킨다. 발전소(3502)로부터 회수된 열 에너지는 중간압 용기 내에서 팽창 전 또는 중에 또는 팽창/압축 단계들 사이에 저장된 압축 공기를 예열하고 및/또는 열교환 유체와 가스를 가열하도록 압축 가스 저장조(3510)(또는 다른 압축 저장부)의 열교환 서브시스템에 사용되어, 소정 체적의 압축 가스에 의해 행해지는 일을 증가시키고 시스템 효율 및/또는 성능을 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에 예시되지는 않았지만, 차가운 환경, 지면 루프, 물 루프, 또는 다른 저온 저장조와의 열교환에 의해 냉각된 물은 추가의 압축 전 및 중에 압축 가스를 미리 냉각하고 및/또는 연속적으로 냉각시키도록 열교환 서브시스템에 사용되어, 시스템 효율 및/또는 성능을 향상시킬 수 있다. 모든 그러한 상황에서, 시스템의 성능 및/또는 가치가 크게 향상될 수 있다.
도 36은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 예정된 압력 범위에 걸쳐서 가스를 실질적으로 등온 압축 또는 팽창하는 예시적인 시스템(3600)을 도시한다. 시스템(3600)은 실린더(3602)의 내부를 가스 충전 챔버(또한, 공기 챔버 또는 공압 챔버로 명명됨)(3606)와 액체 충전, 즉 유압 챔버(3608)로 분할하는 가동 피스톤(3604)(또는 기타 적절한 경계 메커니즘)을 수용하는 실린더(3602)를 포함한다. 대안적으로, 챔버(3608)는 가스 충전될 수 있고, 및/또는 공기 챔버(3606)는 가스, 액체 및 포말 중 하나 이상을 수용할 수 있다. '155 특허에 설명된 바와 같이 및/또는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(3606 및/또는 3608) 내에 일체형 열교환 메커니즘이 통상적으로 존재한다. 도 36에 도시된 예시적인 실시예에서, 스프레이 헤드(3610)는 유체의 스프레이(3612)를 실린더(3602)의 상부 챔버(3606)로 분사한다. 이 스프레이(3612)는 가스와 열교환 액체를 모두 포함하는 수성 포말을 포함하거나 그러한 수성 포말로 본질적으로 이루어지거나, 수성 포말을 형성하도록 공기 챔버(3606) 내에서 가스와 혼합하는 액체로 이루어진다. 포말(3614)은 공기 챔버(2606)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전한다. 포말(3614)의 부분 분리가 또한 발생하여 액체가 피스톤(3604)의 상부에 축적하게 할 수 있다. 밸브(3622, 3632)를 갖는 포트(3620, 3630)는 원할 때에 가스가 챔버(3606)로 유입되거나 챔버로부터 배기되게 한다. 관련 파이프 및 밸브(도시 생략)를 갖는 포트 또는 포트들(도시 생략)은 유체가 원할 때에 챔버(3608)로 유입되거나 취출되게 한다.
공기 팽창 중에, 챔버(3606) 내의 가스가 팽창하여 피스톤(3604)에 일을 수행한다. 챔버(3606) 내의 가스가 팽창함에 따라, 그 온도가 떨어지는 경향이 있고, 열 에너지가 가스로부터 챔버(3606) 내의 열전달 액체[예를 들어, 챔버(3606)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전하는 포말의 액체 성분]로 전달된다. 챔버(3606) 내의 액체로부터 가스에 대한 열 에너지의 전달은 피스톤(3604) 상의 팽창 가스에 의해 수행되는 일의 양을 증가시킨다. 챔버(3606) 내의 가스가 팽창함에 따라, 그 온도가 떨어지는 경향이 있고, 열 에너지는 챔버(3606) 내의 열전달 액체[예를 들어, 챔버(3606)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전하는 포말의 액체 성분]로부터 가스로 전달된다. 챔버(3606) 내의 액체로부터 가스로의 열 에너지의 전달은 피스톤(3604) 상의 팽창 가스에 의해 수행되는 일의 양을 증가시킨다.
공기 압축 중에, 피스톤(3604)은 상방으로 이동하고 이에 따라 챔버(3606) 내의 가스를 압축한다. 챔버(3606) 내의 가스가 압축될 때에, 그 온도는 상승하는 경향이 있고, 열 에너지는 가스로부터 챔버(3606) 내의 열전달 액체[예를 들어, 챔버(3606)를 부분적으로 또는 전체적으로 충전하는 포말의 액체 성분]로 전달된다. 가스로부터 챔버(3606) 내의 액체로의 열 에너지의 전달은 피스톤(3604)이 팽창 가스에 수행해야 하는 일의 양을 감소시킨다. 챔버(3606) 내의 가스로부터 액체로 열 에너지의 전달은 가스를 압축하기 위하여 피스톤(3604)이 챔버(3606) 내의 가스에 수행하는 일의 양을 감소시킨다.
압축을 위한 실린더(3602)를 준비하기 위하여, 실린더(3602)의 상단 근처에서 또는 상단에서 피스톤(3604)에 의해 시작하는 하향 스트로크 중에 저압 가스가 지점(3634)으로부터 밸브(3632) 및 포트(3630)를 통해 상부 챔버(3606) 내로 유입된다. 가스는 챔버(3606)에 대한 진입 전에, 중에, 또는 후에 포말을 형성하도록 액체와 혼합될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 지점(3634)에서 입구 압력은 대기압 또는 대기압 근처의 가스를 입구/통기구(3640)를 통해 흡인하는 송풍기(예를 들어, 로브 타입) 또는 펌프/압축기(예를 들어, 스크류 펌프)(3642)에 의해 대기압 위로 상승된다. 펌프/압축기(3642)에 의한 압축은 주로 단열일 수 있고, 대안적으로 펌프/압축기(3642)는, 예를 들어 스크류 펌프(3642) 내에서 압축 및/또는 팽창을 받는 공기 내로 열교환 포말 및/또는 액적의 도입을 허용하여 스크류 펌프(3642) 내에서 실질적으로 등온 압축 및/또는 팽창을 가능하게 하는 스크류 펌프를 포함할 수 있다. 이어서, 포말은 스크류 펌프(3642)에 의해 챔버(3606)로 펌핑될 수 있다. 더욱이, 도 36에 도시된 바와 같이, 스크류 펌프(3642)는 양방향 팽창기/압축기일 수 있으므로, 본 명세서에서 아래의 "압축기(3642)" 및 "팽창기(3642)"에 대한 참조는 단일의 양방향 스크류 펌프 유닛을 지칭할 수 있다. 압축기(3642)의 출구는 지점(3634)에서 예정된 최소 시스템 압력 근처 또는 해당 압력[즉, 압축기(3642)에 의해 가능화되고 실린더(3602)에 대해 입구 압력으로서 기능하는]의 저압 용기(3650)에 부착되어 압축기(3642)가 거의 일정한 전력에서 연속적으로 작동할 수 있도록 버퍼를 제공할 수 있다. 저압 용기(3650)는 위에서 그리고 '155 특허에서 설명된 바와 같이 일체형 열교환기를 수용할 수 있다. 압축의 준비로서 하향(흡입) 스트로크의 바닥에서 또는 그 근처에서, 피스톤(3604)은 실린더(3602)의 바닥에 또는 그 근처에 있고 챔버(3606)는 압축기(3642)와 밸브(3632)에 의해 예정된 압력에서 가스(및/또는 포말)에 의해 충전되고, 밸브(3632)가 폐쇄된다. 상향 압축 스트로크가 이어진다. 지점(3624)에서의 압력[예를 들어, 저장조(222)와 같은 고압 저장조 또는 다단 시스템 내의 더 높은 압력의 실린더 내의 압력]에 동일할 수 있는 예정된 고압에서, 밸브(3622)가 개방되어, 챔버(3606)를 포트(3620)를 통해 지점(3624)에 연결시킨다. 이어서, 압축 가스 및/또는 포말은 피스톤(3604)이 실린더(3606)의 상단에 또는 그 근처에 있을 때까지 밸브(3622)를 통해 지점(3624)으로 압박되고, 이때에 밸브(3622)가 폐쇄되며 프로세스가 다른 흡입 스트로크에 의해 반복된다.
달리 시스템(3600)과 동일하지만 압축기(3642)가 없는 시스템과 비교하여, 시스템(3600) 내에 압축기(3642)의 존재는 더 많은 양(질량)의 가스가 실린더(3602) 내의 피스톤(3604)의 단일 업스트로크에서 압축되게 할 수 있다. 압축기(3642)에 의해 단일 스트로크에서 행해지는 압축의 일은 압축기(3642)가 없을 때보다 커서 더 많은 가스가 지점(3624)으로 압축된다.
압축기(3642)에 의한 주로 단열 압축과 실린더(3602) 내의 실질적으로 등온 압축을 위한 전체 압축의 효율은 통상적으로 전술한 바와 같이 전체 압력 범위에 걸쳐 완전히 실린더(3602) 내에서의 실질적인 등온 압축보다 작다. 압축기(3642)에 의한 실질적으로 등온 압축과 실린더(3602) 내의 실질적으로 등온 압축을 위한 전체 압축의 효율은 통상적으로 전체 압력 범위에 걸쳐 완전히 실린더(3602) 내에서의 실질적인 등온 압축보다 작다. 따라서, 압축기(3642)의 추가는 일반적으로 효율의 비용으로 시스템(3600의 출력[즉, 시스템(3600)이 일을 압축 가스의 위치 에너지로 변형시키는 속도]를 증가시킨다. 최적인 출력과 효율간의 트레이드오프의 정도는 통상적으로 시스템(3600)이 사용되는 용례에 따라 변경된다. 또한, 포트(3620)에서 소정의 출구 압력을 위해, 실린더(3602)의 챔버(3606) 내의 보다 높은 시작 압력은 스트로크의 과정 중에 실린더(3602)가 작용하는 압력 범위(출구 압력 대 입구 압력의 비율)를 감소시키고, 위에서 검토한 바와 같이, 이는 또한 피스톤(3604)에 부착되고 그 지하 단부가 실린더(3602) 밖으로 연장하는 로드(3618)에 작용하는 힘의 범위를 좁게 한다. 힘의 범위를 좁게 하면, 전술한 바와 같이 시스템(3600)에서 작용하는 모터/제너레이터(도시 생략)에 의한 전기 에너지의 보다 효율적인 전환을 다시 가능하게 한다.
팽창 중에, 고압의 예정된 양의 압축 가스 및/또는 포말이 지점(3624)으로부터[예를 들어, 도 2의 저장조(222) 등의 저장 용기로부터 또는 도 27의 시스템(2700) 등의 다단 시스템의 고압 실린더로부터] 밸브(3622)와 포트(3620)를 통해 챔버(3606) 내로 유입된다. 유입된 가스 및/또는 포말의 양은 하향 스트로크[즉, 피스톤(3604)이 실린더(3602)의 바닥에 도달할 때에]에서 완전히 팽창한 후에, 가스 및/또는 포말이 통상적으로 초대기압[예를 들어, 대략 5 psig(344.7 kPa)]인 예정된 최소 시스템 압력에 도달하도록 제어 시스템[예를 들어, 도 1의 제어 시스템(122)]에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 가스 도입을 계량하도록 실린더(3602) 내의 가스 유량 및/또는 압력을 측정하는 하나 이상의 센서에 응답할 수 있다. 실린더(3602)의 상향 복귀 스트로크 시에, 상기 가스가 밸브(3632)를 통해 지점(3634)로 배기된다.
본 발명의 다양한 실시예에서, 지점 3634에서 배관은 팽창기(3642)에 부착되고, 팽창기는 가압 가스 유동을 회전 운동으로 변환하며, 이러한 실시예에서, 팽창기(3642)를 통한 가스 유동은 실린더 내의 팽창에 의해 생성된 양에 추가로 파워를 생성한다. 팽창기(3642)를 통한 팽창은 주로 단열적일 수 있으며, 대안적으로, 팽창기(3642)는 팽창기(3642) 내에서 팽창을 받는 공기 내로 열 교환 포말 및/또는 액적의 도입을 허용하여, 팽창기(3642) 내의 공기의 실질적 등온 팽창을 가능하게 한다. 팽창기(3642)를 통한 팽창 이후, 가스(또는 포말의 가스 성분)는 통기구(3640)를 통해 대기로 배기될 수 있다. 추가로, 도 36에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 최소 시스템 압력의 또는 그 부근의 저압 용기(3650)(즉, 실린더(3602)의 출구 압력으로서 기능하는 팽창기(3642)에 입력된 대기압을 초과한 압력)는 또한 지점 3634에서 연결되어 팽창기(3642)가 거의 일정한 파워로 지속적으로 동작할 수 있도록 버퍼를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이, 저압 용기(3650)는 통합된 열 교환 메커니즘을 포함할 수 있다.
대기압을 초과한 압력에서 실린더(3602) 내의 팽창 스트로크를 종료시킴으로써, 더 많은 양(질량)의 가스가 실린더(3602) 내의 피스톤(3604)의 단일 하향 스트로크에서 팽창될 수 있다. 이 단일 스트로크에서 수행되는 팽창의 일(거리에 걸쳐 작용하는 더 높은 힘)은 다른 방식에서 그 동안 더 작은 양의 가스가 팽창되는(동일 거리에 걸쳐 더 작은 힘이 작용하는) 동일한 스트로크에 의해 수행되는 일의 양보다 높다. 또한, 팽창기(3642)가 사용되는 경우, 추가적 파워가 생성될 수 있으며, 이는 팽창 스트로크의 종점에서 챔버(3606) 내의 초대기압 가스가 대기에 직접적으로 통기되는 경우에는 소실된다. 실린더(3602) 내의 주로 등온 팽창과 조합된 팽창기(3642) 내의 주로 단열 팽창의 전체 효율은 통상적으로 엔진 압력 범위에 걸친 실린더(3602) 완전히 내부에서의 근사 등온 팽창의 효율보다 작다. 팽창기(3642)에 의한 실질적 등온 팽창 및 실린더(3602) 내의 실질적 등온 팽창을 위한 총 팽창의 효율도 전체 압력 범위에 걸친 완전히 실린더(3602) 내부에서의 실질적 등온 팽창보다 작다. 따라서, 팽창기(3642)와 조합된 초대기압 통기 압력의 사용은 일반적으로 효율을 대가로 하여 파워를 추가한다. 최적인 효율과 파워 사이의 절충 정도는 통상적으로 시스템(3600)이 사용되는 용례에 따라 변한다. 추가적으로, 실린더(3602)의 통기 압력이 높을수록 실린더(3602)가 주어진 출구 압력을 위해 작용하는 압력 범위가 감소되며(즉, 범위는 출구/입구 압력), 그래서, 파워 전달의 효율의 소정 이득이 더 좁은 압력(그리고 이에 따른 힘) 범위에 걸쳐 실린더(3602)를 동작시킴으로써 달성될 수 있다.
제어 시스템(예를 들어, 도 1의 제어 시스템(122)은 실린더(3602)의 동작의 최소 초대기압과 근사 대기압 사이의 팽창기/팽창기(3642)에서의 실질적 단열 압축 및/또는 팽창과 초대기압의 특정 범위에 걸친 실린더(3602) 내의 가스의 실질적 등온 팽창 및/또는 압축을 집행하도록 실린더(3602)와 압축기/팽창기(3642)를 제어할 수 있다. 예로서, 제어 시스템은 예를 들어, 이들 구성 요소와 연계된 다양한 포트 및/또는 밸브에 대한 제어를 통해 팽창기/팽창기(3642)와 실린더(3602) 외부로의 가스 및/또는 포말의 배기 및 실린더(3602) 내로의 가스 및/또는 포말의 도입을 감독할 수 있다. 제어 시스템은 이들 구성 요소 내의 가스의 압력을 측정하기 위해 팽창기/팽창기(3642) 및/또는 실린더(3602) 상에 또는 그 내부에 배치된 하나 이상의 센서에 응답하고, 이에 따라, 시스템(3600) 내에서 가스의 이동을 감독할 수 있다. 상술한 바와 같이, 실린더(3602) 내의 실질적 등온 압축 및/또는 팽창의 제어는 또한 가스로 열교환 액체를 발포시킬 수 있는 연계된 열 전달 서브시스템에 걸친 제어를 수반할 수 있다. 이러한 열 전달 서브시스템은 팽창기/팽창기(3642) 내의 실질적 단열 또는 실질적 등온 압축 및/또는 팽창 동안 꺼지거나 유휴 상태가 될 수 있다.
도 37은 예시적 시스템(3700)을 도시하며, 이는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 미리 정해진 압력 범위에 걸쳐 가스를 실질적으로 등온 압축 또는 팽창시킨다. 시스템(3700)은 도 36의 시스템(3600)에 도시된 동일한 실질적 등온 실린더 스테이지를 사용하지만, 팽창 및 압축을 위한 분리된, 그리고 병렬적인 제어 밸브와 다른 구성 요소의 세트를 특징으로 한다. 시스템(3700)은 액체 충전(유압) 챔버(3708)와 가스 충전(공압) 챔버(3706)로 실린더(3702)의 내부를 분할하는 가동 피스톤(3704)을 수용하는 실린더(3702)를 포함한다. 대안적으로, 챔버(3706, 3708) 양자 모두는 가스로 충전되어 있다. 통합된 열 교환 메커니즘은 도 36에 도시된 바와 같은 및/또는 '155 특허에 개시된 바와 같은 챔버(3706 및/또는 3708) 내에 존재할 수 있다. 예시적 실시예에서, 스프레이 헤드(3710)는 열 교환 액체의 스프레이(3712)를 형성하고, 그에 의해, 실린더(3702)의 상부 챔버(3706) 내의 가스로 포말을 형성한다. 다른 실시예에서, 스프레이 헤드(3710)는 실린더(3702) 외측에 위치될 수 있다. 이 스프레이(3712)는 피스톤(3704)의 상단에 액체(3714)의 축적을 생성할 수 있다. 밸브(3722, 3732)를 갖는 포트(3720, 3730)는 가스가 필요에 따라 챔버(3706)에 도입되거나 그로부터 배기될 수 있게 한다. 연계된 배관 및 밸브(미도시)를 갖는 포트 또는 포트들(미도시)은 필요에 따라 유체가 챔버(3708)에 도입되거나 그로부터 인출될 수 있게 한다.
공기 팽창 동안, 챔버(3706) 내의 가스 및/또는 포말이 팽창하여, 피스톤(3704) 상에 일을 수행한다. 챔버(3706) 내의 가스가 팽창할 때, 그 온도는 떨어지는 경향이 있다. 팽창 동안 스프레이(3712)가 적절한 온도(예를 들어, 압축이 시작되기 이전에 챔버(3706) 내의 가스의 온도)로 챔버(3706)에 진입하는 경우, 이때, 포말의 액체 성분은 챔버(3706) 내의 가스보다 팽창 동안 더 높은 온도에 있고, 포말의 액체 성분은 챔버(3706) 내의 가스에 열 에너지를 전달한다. 포말의 액체 성분으로부터 챔버(3706) 내의 가스로의 열 에너지의 전달은 피스톤(3704) 상의 팽창하는 가스에 의해 수행되는 일의 양을 증가시킨다. 사실상, 포말의 액체 성분으로부터 챔버(3706) 내의 가스로의 이 열 에너지 전달은 스프레이(3712) 내의 열 에너지 중 일부를 일로 변환할 수 있게 한다.
공기 압축 동안, 피스톤(3704)이 상방으로 이동하고, 따라서, 챔버(3706) 내의 가스를 압축시킨다. 챔버(3706) 내의 가스가 피스톤(3704)에 의해 압축되는 동안, 그 온도가 상승하는 경향이 있다. 압축 동안 액체 스프레이(3712)가 적절한 온도(예를 들어, 압축이 시작되기 이전의 챔버(3706) 내의 가스의 온도)로 챔버(3706)에 진입하는 경우, 이때, 챔버(3706) 내의 가스는 포말의 액체 성분보다 압축 동안 더 높은 온도에 있으며, 챔버(3706) 내의 가스는 포말의 액체 성분에 열 에너지를 전달한다. 챔버(3706) 내의 가스로부터의 포말의 액체 성분으로의 열 에너지의 전달은 피스톤(3704)이 가스를 압축하기 위해 챔버(3706) 내의 가스 상에 수행하여야만 하는 일의 양을 감소시킨다.
실린더(3702)의 상단 또는 그 부근에 피스톤(3704)이 있는 상태에서 시작하는 하향 스트로크(압축 스트로크에 대한 준비) 동안, 저압 가스가 지점 3734로부터 밸브(3730)(여기서는 체크 밸브로 도시됨)를 통해, 그리고, 포트(3730)를 통해, 상부챔버(3706) 내로 도입된다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 지점 3734에서의 입구 압력은 입구/통기구(3741)를 통해 대기압 또는 근사 대기압 가스를 흡인하는 압축기(3740)(예를 들어, 스크류 펌프(3740))에 의해 대기압을 초과하여 상승된다. 압축기(3740)에 의한 압축은 주로 단열성이며, 대안적으로, 압축기(3740)는 압축기(3740) 내에서 압축을 받는 공기 내로 열 교환 포말 및/또는 액적의 도입을 허용함으로써 압축기(3740) 내의 공기의 실질적 등온 압축을 가능하게 한다. 도 37의 예시적 예에 도시된 바와 같이, 압축기(3740)는 양방향 팽창기/압축기일 필요는 없으며, 팽창 모드 동안 꺼지거나 유휴 상태가 될 수 있는 단방향 장치로서 구현될 수 있다. 압축기(3740)의 출구는 사후 냉각기 또는 다른 열 교환 시스템(미도시)을 포함할 수 있으며, 압축기(3740)가 압축 모드 동안 실질적으로 일정한 파워에서 지속적으로 동작할 수 있도록 버퍼를 제공하기 위해 지점 3734에서 미리 정해진 최소 시스템 압력에서 또는 그 부근에서 저압 용기(3750)에 부착될 수 있다. 저압 용기(3750)는 상술한 바와 같이 통합된 열 교환을 포함할 수 있다. 피스톤(3704)이 실린더(3702)의 저부에 또는 그 부근에 있는 하향 스트로크의 저부에서 또는 저부 부근에서, 챔버(3706)는 압축기(3740) 및 밸브(3730)의 작용에 의해 미리 정해진 압력에서 유체(예를 들어, 포말)로 충전되며, 밸브(3730)가 폐쇄되고, 상향 압축 스트로크가 수행된다. 대안적으로, 도시된 바와 같이, 밸브(3730)는 체크 밸브로서 동작하고, 상향 압축 스트로크가 지점 3734에서의 압력을 초과하여 챔버(206)를 가압하자마자 폐쇄된다. 바람직하게는 지점 3724에서의(예를 들어, 다단 시스템의 고압 실린더 또는 저장조(222) 같은 저장조로부터) 압력과 같은 미리 정해진 높은 압력에서, 밸브(3720)(여기서는 체크 밸브로서 도시됨)가 개방되어 포트(3720)를 통해 지점(3724)에 챔버(3706)를 연결한다. 밸브(3720)가 폐쇄되고 처리가 다른 흡기 스트로크로 반복될 때, 피스톤(3704)이 실린더(3706)의 상단에 또는 그 부근에 있게 될 때까지, 가압된 유체가 그 후 밸브(3720)를 통해 지점(3724)으로 밀어 넣어진다. 대안적으로, 도 37에 도시된 바와 같이, 밸브(3720)는 체크 밸브로서 동작하고, 상향 압축 스트로크가 챔버(3706)를 지점 3724에서의 압력을 초과하여 가압하자마자 개방되고 하향 흡기 스트로크가 지점 3724의 압력 미만으로 챔버(3706) 내의 압력을 감소시키기 시작하자마자 폐쇄된다.
압축기(3740)를 사용하면, 압축기(3740)를 사용하지 않고 압축될 수 있는 것보다 실린더(3702) 내에서 피스톤(3704)의 단일 상향 스트로크에서 더 많은 양(질량)의 가스가 압축될 수 있다. 이 단일 스트로크에서 수행되는 압축 일은 압축기(3740) 없이 보다 더 높고, 더 많은 가스가 지점 3724로 압축된다. 압축기(3740) 내의 주로 단열성 압축과, 실린더(3702) 내의 주로 등온 압축을 위한 전체 압축의 효율은 전체 압력 범위에 걸친 완전히 실린더(3702) 내에서의 실질적 등온 압축보다 작은 경향이 있다. 압축기(3740)에 의한 실질적 등온 압축과 실린더(3702) 내에서의 실질적 등온 압축을 위한 전체 압축의 효율도 통상적으로 전체 압력 범위에 걸친 완전히 실린더(3702) 내에서의 실질적 등온 압축보다 작다. 따라서, 압축기(3740)의 추가는 통상적으로 효율을 대가로 파워를 추가한다. 통상적으로, 실린더(3702) 내의 더 높은 초대기압 시작 압력은 주어진 출구 압력을 위해 실린더(3702)가 작용하는 압력 범위(즉, 범위는 출구/입구 압력)를 감소시키며, 그래서, 파워 전달의 효율의 일부 이득이 더 좁은 압력(그리고, 이에 따른 힘) 범위에 걸쳐 실린더(3702)를 동작시킴으로써 달성될 수 있다.
팽창 동안, 고압에서 미리 정해진 양의 압축된 가스가 밸브(3722) 및 포트(3720)를 통해 챔버(3706) 내로 지점(3724)으로부터(예를 들어, 다단 시스템에서의 고압 실린더 또는 저장조(222) 같은 저장조로부터) 도입된다. 도 37에 예시된 바와 같이, 밸브(3722)는 단방향성 밸브일 수 있으며, 즉, 단지 한 방향으로의 유동에 최적화될 수 있다. 하향 스트로크시의 완전한 팽창이후(즉, 피스톤(3704)이 실린더(3702)의 저부에 도달한 이후), 가스가 실린더 압축 및/또는 팽창을 위한 미리 정해진 최소 시스템 압력[예를 들어, 대략 5 psig(344.7 kPa)]에 가스가 도달하도록 도입된 가스의 양이 제어 시스템(122)에 의해 설정될 수 있다. 실린더(3702)의 상향 복귀 스트로크시, 이 가스는 밸브(3732)를 통해 지점 3736으로 배기된다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 지점 3736은 가압된 가스 유동을 회전 운동으로 변환시키는 팽창기(3742)에 부착될 수 있으며, 그에 의해, 일을 수행하고, 실린더(들) 내에서 팽창에 의해 생성된 양을 초과하여 추가적 파워를 생성할 수 있다. 예시적 예에 도시된 바와 같이, 팽창기(3742)는 양방향 팽창기/압축기일 필요는 없으며, 압축 모드 동안 꺼지거나 유휴 상태가 될 수 있는 단방향성 팽창기로서 구현될 수 있다. 팽창기(3742)를 통한 팽창은 원심 또는 축 터빈형 팽창기에 의해 달성되는 것 같이 주로 단열성일 수 있고, 대안적으로, 팽창기(3742)는 팽창기(3742) 내에서 팽창을 받는 공기 내로 열 교환 포말 및/또는 액적을 도입하여 팽창기(3742) 내의 공기의 실질적 단열 팽창을 가능하게 할 수 있다. 팽창기(3742)를 통한 팽창 이후, 가스는 통기구(3741)를 통해 대기로 배기될 수 있다. 또한, 이러한 예시적 실시예에 도시된 바와 같이, 미리 정해진 최소 시스템 압력에서 또는 그 부근에서의 저압 용기(3752)도 지점 3736에 연결되어 팽창기(3742)가 실질적으로 일정한 파워로 지속적으로 동작할 수 있도록 버퍼를 제공할 수 있다. 저압 용기(3752)는 상술한 바와 같이 통합된 열 교환을 포함할 수 있다.
대기압을 초과한 압력에서 실린더(3702) 내의 팽창 스트로크를 종료시킴으로써, 더 많은 양(질량)의 가스가 실린더(3702) 내의 피스톤(3704)의 단일 하향 스트로크에서 팽창될 수 있다. 이 단일 스트로크에서 수행되는 팽창의 일은 더 적은 가스로 수행되는 것보다 통상적으로 더 높다. 또한, 팽창기(3742)에 의해, 추가적 파워가 생성될 수 있으며, 이는 초대기압 가스가 대기에 직접적으로 통기되는 경우에는 소실된다. 팽창기(3750) 내의 주로 단열 팽창과 실린더(3702) 내의 주로 등온 팽창을 위한 전체 팽창의 효율은 전체 압력 범위에 걸친 완전히 실린더(3702) 내에서의 실질적 등온 팽창보다 작을 수 있다. 팽창기(3742)에 의한 실질적 등온 팽창과 실린더(3702) 내의 실질적 등온 압축의 전체 팽창의 효율 또한 통상적으로 전체 압력 범위에 걸친 완전히 실린더(3702) 내에서의 실질적 등온 압축보다 작다. 따라서, 더 높은 통기 압력의 추가는 통상적으로 효율을 대가로 파워를 추가한다. 최적인 효율과 파워 사이의 절충의 정도는 시스템(3700)이 사용되는 용례에 따라 변한다. (예로서, 특정 저압에서, 팽창기의 비용은 회복된 파워에 무용할 수 있으며, 이 경우에, 용기(3752) 및 팽창기(3742)는 유리하게 생략될 수 있다). 추가적으로, 실린더(3702)의 더 높은 통기 압력은 통상적으로 실린더(3702)가 주어진 출구 압력을 위해 동작하는 압력 범위를 감소시키며, 결과적으로, 파워 전달의 효율의 이득은 더 좁은 압력(그리고, 이에 따른 힘) 범위에 걸쳐 실린더(3702)를 동작시킴으로써 달성될 수 있다.
추가적으로, 포트(3730)에서의 더 높은 통기 압력은 실린더(3702)가 스트로크의 과정 동안 작용하는 압력 범위(입구 압력에 대한 출구 압력의 비율)를 감소시키며, 이는 또한 로드(3718)에 작용하는 힘의 범위를 좁아지게 한다. 순차적으로, 힘의 범위의 이러한 협소화는 모터/발전기(미도시)에 의한 전기 에너지로의 시스템(3700)에 의해 수행된 일의 더욱 효율적인 변환을 가능하게 한다.
이제, 본 발명의 다른 예시적 실시예를 도시하는 도 38을 참조한다. 체적(3800)(예를 들어, 가스 또는 포말로 충전된 파이프라인, 유체 저장조, 가스 저장조 및 공압 챔버)은 압력(Ps)의 유체를 수용한다. 마찰 손실 및 유체 운동의 생성시 수행된 일에 기인하여, 이 압력(Ps)은 유체가 체적(3800) 내로 주입되는 압력(Pi)보다 작을 수 있다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 압력(Pi)은 간단히 체적(3800)으로부터 추출된 유체를 상승시키기 위해 바람직한, Ps 보다 높은 소정의 압력일 수 있다. Ps 보다 높은 임의의 압력(예를 들어, Pi)으로 체적(3800) 내로 또는 다른 체적(3804) 내로 지속적으로 유체를 펌핑하기 위해, 스크류 펌프(3802)는 스크류 펌프의 카툰에 의해 도 38에서 기호화된 부스터 펌프로서 설치될 수 있다. 스크류 펌프(3802)는 압력 Ps에서 체적(3800)으로부터 도입 유체를 취입하고, 체적(3800) 내로 또는 제2 체적(3804) 내로 다시 주입하기 위해 압력 Pi에서 유체를 출력한다(도 38에 도시됨).
스크류 펌프는 부스터 또는 순환 펌프를 사용하는 본 명세서에 설명된 임의의 예시적 메커니즘의 부스터 또는 순환 펌프로서 사용될 수 있다. 이러한 용례에서, 스크류 펌프는 스크류 펌프 내에서 압축 및/또는 팽창을 받는 공기 내로의 열 교환 포말 및/또는 액적의 도입을 허용함으로써, 스크류 펌프 내의 공기의 실질적 등온 압축 및/또는 팽창을 가능하게 하는 장치의 특징일 수 있다. 이렇게 생성된 포말은 스크류 펌프로부터 공압 실린더, 분리기, 저장조 또는 에너지 저장 시스템의 다른 구성 요소로의 배관에 의해 전달될 수 있다.
도 39는 파워 유닛(3902)(가스의 압축 및 팽창을 위한 실린더 조립체 유닛을 포함), 실린더 열 교환 시스템(3904), 환경으로부터 공기를 흡인하고 그로부터 공기를 배기하기 위한 통기구(3905), 높은 압력[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 유체(예를 들어, 공기 및/또는 물)를 보유할 수 있는 유체 저장조(3906), 열 에너지를 저장 및 회수하기 위한 열 우물(3908)(예를 들어, 물 덩어리), 파워 유닛(3902)의 기계적 및/또는 전기적 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열 교환 시스템(3910) 및 환경과 열 에너지를 교환하기 위한 환경 열 교환 시스템(3912)(예를 들어, 공기, 땅)을 특징으로 하는 예시적 시스템(3900)을 도시한다. 라인(3914, 3916, 3918, 3919, 3920, 3922, 3924 및 3926)은 라인이 연결하는 구성 요소 사이에서 가스, 액체 및/또는 열 에너지를 교환하기 위한 배관, 밸브 및 다른 장치를 도시한다. 실린더 열 교환 시스템(3904)은 포말 및/또는 스프레이를 생성 또는 다른 방식으로 처리하기 위한, 유체의 압력을 변경하기 위한, 그리고, 실린더 열 교환 시스템(3904)이 유체 연통하는 다양한 구성 요소(예를 들어, 저장조(3906), 파워 유닛(3902), 열 우물(3908)) 사이의 유체 전달을 라우팅하기 위한 구성 요소들을 특징으로 하며, 후속 도면에 도시된 실린더 열 교환 시스템은 유사한 기능을 수행하는 구성 요소를 포함할 수 있다. 도 39에서, 그리고, 후속 도면에서, 파워 유닛(3902)은 단면으로 도시된, 크랭크샤프트에 연결된 단일 스프레이 또는 포말 냉각 공압 실린더(상단에서)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 이 도면은 단지 예시적이고 개념적인 것이며, 열, 가스 탄성 포텐셜, 기계적 및 전기적 에너지의 상호변환을 위해 시스템(3900)(또는 본 명세서에 도시된 다른 예시적 시스템)에서 사용될 수 있는 메커니즘을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 본 명세서에서 도시되지 않은 다른 실시예에서, 파워 유닛(3902)은 다수의 실린더를 포함하며, 기계적 및 전기적 에너지의 상호변환은 유압 시스템, 선형 제너레이터 및 도 39 및 본 명세서의 일부 다른 도면에 도시된 실린더-크랭크샤프트 조합에 대한 다른 대안을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 다양한 실시예에서, 시스템(3900)에서 열 교환 및 열 에너지 저장 재료로서 사용되는 물은 하나 이상의 첨가물을 포함하거나, 다른 유체(예를 들어, 오일)로 대체된다. 또한, 비유체 또는 다상 재료(예를 들어, 수성 포말)를 포함하는 물 이외의 재료가 열 우물(3908)의 에너지 저장 매체로서 사용될 수 있다. 본 명세서의 모든 도면에 도시된 파워 유닛, 열 교환 액체 및 열 우물은 예시적이며 비제한적이다. 또한, 본 명세서에 설명된 모든 예시적 시스템에서, 환경적 열 교환 유닛 및 폐열 열 교환 유닛은 어디에 도시되어 있든 선택적이다.
시스템(3900)의 가능한 동작 모드는 팽창 모드 및 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 낮은(예를 들어, 대기압) 압력의 가스(예를 들어, 공기)의 양이 파워 유닛(3902)의 실린더 조립체로 주변 또는 중간 온도에서 도입된다. 실린더 조립체 내의 가스의 압축은 열 교환 시스템(3904)을 통해 열 우물(3908)로부터 흡인된 액체를 발포시키는 스프레이의 가스 내로의 도입에 의해 실질적 등온으로 유지되며, 그에 의해, 파워 유닛(3902) 내에 포말을 형성한다. 열 우물(3908) 내의 물은 여기서 압축 모드 사이클의 시점에서의 비교적 낮은 온도(예를 들어, 상온)가 되는 것으로 추정되며, 하나 이상의 발포 첨가제를 포함할 수 있다(대안적으로, 첨가물(들)은 열 교환 시스템(3904)에 의해 추가될 수 있다). 압력을 받는 포말의 액체 성분은 압축 동안 얻어진 열 에너지를 갖는, 열 우물(3908)로부터 물이 흡인되는 것 보다 높은 온도에서 열 우물(3908)에 실린더 열 교환 시스템(3904)을 통해 복귀될 수 있다. 실린더 조립체의 각 압축 스트로크의 종점에서 또는 그 부근에서, 높은 압력과 대략 상온의 가스가 고압 저장조(3906)로의 배관을 통해 전달된다.
단일 실린더 압축 사이클 또는 일련의 실린더 압축 사이클의 전반에 걸쳐, 열 우물(3908)로의 가열된 물의 복귀는 일반적으로 열 우물(3908) 내의 물의 온도를 상승시키는 경향이 있다. 열 우물(3908)이 단일 물 덩어리인 경우, 이때, 이 덩어리의 온도는 상승하는 경향이 있으며, 열 우물(3908)이 하나 이상의 온수 저장조와 하나 이상의 냉수 저장조를 포함하는 경우, 하나 이상의 온수 저장조 내의 물의 온도(그리고, 이에 따른 열 우물(3908)의 내용물의 평균 온도)는 상승하는 경향이 있다. 사실상, 파워 유닛(3902) 내에서 압축을 받는 가스 상에 수행되는 기계적 일로서 발생된 일부 에너지는 열 우물(3908) 내에 열 에너지로서 저장된다.
시스템(3900)의 팽창 모드에서(예를 들어, 상술한 압축 사이클에 후속한 팽창 사이클에서), 고압의 가스는 저장조(3906)로부터 파워 유닛(3902)으로 전달될 수 있으며, 여기서, 이는 팽창함으로써 피스톤 상에 일을 수행한다. 가스가 실린더 내에서 팽창할 때 또는 그 이전에, 발포 가능한 액체는 실린더 열 교환 시스템(3904)을 통해 열 우물(3908)로부터 파워 유닛(3902)으로 전달될 수 있다. 이 액체(예를 들어, 하나 이상의 첨가물을 갖는 물)는 이전 압축 사이클 동안 또는 다른 프로세스에 의해 열 우물(3908)로의 열 에너지의 전달에 기인해 비교적 높은 온도일 수 있다. 열 우물(3908)로부터의 물은 팽창하는 가스와 포말을 형성함으로써 가스가 냉각될 때 가스에 열을 전달하고, 따라서, 팽창을 실질적으로 등온으로 유지하고 가스가 피스톤 상에 더 많은 일을 수행하게 하는 경향이 있다. 사실상, 열 우물(3908)에 저장된 열 에너지는 시스템(3908)의 팽창 사이클 동안 파워 유닛(3902)에서 일로 변환될 수 있다. 열 우물(3908) 내에 저장된 열 에너지는 파워 유닛(3902)의 압축 사이클로부터 도입될 수 있거나 다른 소스로부터 도입될 수 있으며, 특히, 폐열 열 교환 유닛(3910)이 파워 유닛(3902)의 기계적 및 전기적 구성 요소로부터 열 우물(3908)로 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 도 39에 도시되어 있지 않은 다른 소스로부터의 열도 열 우물(3908)로 전달될 수 있다.
열 우물(3908)의 온도는 환경 열 교환 유닛(3912)을 통해 열 우물(3908)로부터 환경(예를 들어, 대기 또는 땅)으로 열을 흘림으로써 그에 대한 열의 추가(예를 들어, 실린더 열 교환 시스템(3904)을 통해)에도 불구하고 감소하거나 일정하게 유지될 수 있다. 파워 유닛(3902)으로부터의 폐열도 환경 열 교환 유닛(3912)을 통해 흘려질 수 있다. 예로서, 일련의 팽창 사이클의 종점에서, 열 우물(3908) 내의 물의 온도가 후속하는 일련의 압축 사이클에 사용하기 위해 충분히 낮지 않은 경우, 열은 비활성 인터벌, 즉, 저장조(3906)가 저장된 가압된 가스를 포함하지만 시스템(3900)은 발전기로서 사용되지 않는 기간 동안 환경 열 교환 유닛(3912)을 통해 열 우물(3908)로부터 환경으로 흘려질 수 있다. 비활성 인터벌 동안 시스템(3900)이 원치 않는 열을 느리게 흘릴 수 있게 하도록 설계된 환경적 열 교환 유닛(3912)은 시스템(3900)의 활성 동작 동안 열을 신속하게(실시간으로)흘리도록 설계된 것보다 작거나 저렴한 경향이 있어서 시스템(3900)의 비용을 감소시킨다. 열 우물(3908)의 사용은 환경으로의 폐열 에너지의 열 이동을 가능하게 하며, 이는 특정 양의 열 에너지가 소산되는 시간의 장기화 및 파워 유닛의 동작 시간과는 다른 시간에 열 교환이 이루어질 수 있게 하여 더 최적의 환경 온도(열 소산을 위해 더 차가운 밤의 온도)를 사용할 수 있게 한다는 양자 모두에 기인하여 환경 열 교환 유닛이 더 작아지게 한다는 장점을 가질 수 있다. 또한, 저장조(3906) 및 파워 유닛(3902)에서 압축되는 가스로부터의 원치 않는 열 및 파워 유닛(3902)의 기계적 및 전자적 비효율성으로부터의 열은 모두 단일 환경 열 교환 유닛(3912)에 의해 환경으로 흘려질 수 있어서 다양한 서브시스템의 온도를 제어하기 위해 다수의 열 교환 유닛을 사용하는 비견할만한 시스템에 비해 추가적 비용 및 단순성의 장점을 실현한다.
시스템(3900)의 가스 팽창 사이클 동안, 환경 열 교환 유닛(3912)을 통해 환경으로부터 수확된 열을 열 우물(3908)에 추가함으로써 열 우물(3908)로부터의 열의 제거 또는 손실에도 불구하고 열 우물(3908)의 온도는 증가되거나 일정하게 유지될 수 있다. 가스 압축 사이클 동안, 환경 열 교환 유닛(3912)을 통해 열 우물(3908)로부터 환경으로 열을 흘리는 것에 의해 열 우물(3908)로의 열의 추가에도 불구하고 열 우물(3908)의 온도는 감소되거나 일정하게 유지될 수 있다. 열 우물(3908)의 이러한 온도 관리는 효율의 이유로 또는 예로서, 결빙 또는 비등으로부터 열 우물(3908) 내의 물을 유지하기 위해 바람직할 수 있다.
일련의 압축 사이클에서 압축을 받는 포말로부터 열 우물(3908)에 에너지를 전달하는 것은 일반적으로 후속하는 일련의 팽창 사이클에서 사용하기 위해 고온의 물의 덩어리를 생성하는 경향이 있으며, 일련의 팽창 사이클에서 팽창을 받는 포말에 열 우물(3908)로부터 에너지를 전달하는 것은 일반적으로 후속하는 압축 사이클에 사용하기 위해 저온 물의 덩어리를 생성하는 경향이 있다. 팽창 동안 또는 팽창 이전의 스프레잉을 위해 열 우물(3908) 내의 대체로 주변 보다 더 뜨거운 액체의 저장조, 및, 압축 동안 또는 그 이전의 스프레잉을 위해 열 우물(3908) 내의 대체로 주변 보다 더 차가운 액체 저장조를 유지함으로써, 에너지 저장 및 생성 시스템(3900)의 효율은 발포 액체가 항상 상온인 다른 비견할만한 시스템의 것에 비해 증가될 수 있다. 또한, 가열기, 냉동 또는 열 펌프 장치를 원하는 온도 극단을 얻기 위해 사용하는 대신 팽창 및 압축을 받는 가스로부터 얻어진 열 에너지를 저장함으로써 열 우물(3908)의 고온 및 저온 극단을 획득하는 것은 기생 에너지 지출을 감소시킬 수 있고, 결과적으로, 시스템(3900)의 전체 효율을 증가시킨다.
폐열 열교환 유닛(3910)을 통한 파워 유닛(3902)의 기계적 및 전자적 비효율성으로부터의 열 포획 및 후속 팽창 사이클에서의 일로의 부분적 변환을 위한 열 우물(3908)로의 이러한 열의 전달은 통상적으로 또한 시스템(3900)의 전체 효율을 증가시키는 경향이 있다.
일부 실시예에서, 열 우물(3908)은 고압 및 고온의 액체의 저장을 위한 용기(미도시)를 포함하고, 추가적으로 또는 대안적으로, 고압 및 고온의 액체는 고온 및 고압의 가스와 함께 용기(3906) 내에 저장될 수 있다. 이들 및 다른 고온 액체의 덩어리는 실질적 등온 가스 압축을 달성하기 위해 시스템(3900)의 팽창 사이클 동안 사용될 수 있다.
도 40은 파워 유닛(4002), 실린더 열 교환 시스템(4004), 환경으로부터 그리고 그로부터의 공기의 흡인 및 배기를 위한 통기구(4005), 고압[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 유체(예를 들어, 공기 및 물)를 보유할 수 있는 저장조(4006), 열 에너지의 저장 및 회수를 위한 열 우물(4008)(예를 들어, 물 덩어리), 파워 유닛(4002)의 기계적 및 전자적 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열 교환 시스템(4010), 환경(예를 들어, 공기, 땅)과 열 에너지를 교환할 수 있는 환경 열 교환 시스템(4012), 스프레이 액체(포말 생성을 위한) 저장조(4028) 및 일 측에서 열 우물(3908)에 유체 연결되고, 다른 측에서 스프레이 저장조(4028)에 유체 연결되는 스프레이-우물 간 열 교환 유닛(4030)을 특징으로 하는 예시적 시스템(4000)을 도시한다. 또한, 시스템(4000)은 선택적 보조 환경 열 교환 유닛(4032)을 포함할 수 있다.
시스템(4000)의 가능한 동작 모드는 팽창 모드와 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 낮은 압력(예를 들어, 대기압)의 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 상온 또는 중간 온도에서 배관(4019)을 통해 통기구(4005)로부터 파워 유닛(4002)의 실린더 조립체로 도입된다. 실린더 조립체의 압력은 실린더 열 교환 시스템(4004)과 스프레이-우물 간 열 교환 유닛(4030)을 통해 스프레이 저장조(4028)로부터 흡인된 발포 액체(예를 들어, 하나 이상의 첨가물을 갖는 물)의 스프레이의 가스 내로의 도입에 의해 실질적으로 등온으로 유지된다. 스프레이 저장조(4028) 내의 물은 여기서 비교적 낮은 온도(예를 들어, 상온)가 되는 것으로 가정된다. 압축을 받는(및/또는 그 이전의) 가스를 통해 스프레이된 물은 실린더 열 교환 시스템(4004)을 통해, 압축을 받는 가스로부터 얻어진 열 에너지를 갖는 스프레이 저장조(4028)로부터의 물보다 고온으로 스프레이 저장조(4028)로 복귀된다. 따라서, 스프레이 저장조(4028) 내의 물의 온도는 통상적으로 파워 유닛(4002)의 압축 사이클에 의해 증가되는 경향이 있다. 그러나, 스프레이 저장조(4028)로부터의 물이 스프레이-우물 간 열 교환기(4030)를 통과할 때, 열은 스프레이 유체로부터 열 우물(4008)로 전달됨으로써 스프레이 유체의 온도를 감소시킬 수 있다. 따라서, 파워 유닛(4002)의 압축 사이클에 의해 스프레이 저장조(4028)에 추가된 열은 따라서 열 우물(4008)에 후속 압축 사이클 동안 전달됨으로써 저장조(4028) 내의 스프레이 액체의 온도가 대략 일정하게 유지될 수 있게 한다.
시스템(4000)은 열 우물(4008)의 내용물의 온도 관리와 파워 유닛(4002)으로부터의 폐열의 일로의 부분적 변환을 포함하는, 도 39의 시스템(3900)을 위해 이미 상술된 장점을 실현할 수 있다. 추가적으로, 시스템(4000)에서, 열 우물(4008) 내의 열 저장 액체는 스프레이 액체와 혼합되지 않으며, 열 우물(4008) 내의 액체의 양은 스프레이 액체의 양보다 현저히 클 수 있다. 시스템(4000) 내에서의 열 저장 액체와 스프레이 액체의 분리는 파워 유닛(4002) 내부에 스프레이된 임의의 액체가 바람직하게는 비교적 높은 순도의 상태로 유지되어(하나 이상의 발포 첨가물의 존재에도 불구하고) 스프레이 오염물이 파워 유닛(4002)의 구성 요소의 성능을 열화시키지 않기 때문에 유리할 수 있다. 시스템(4000) 내의 열 저장 액체는 파워 유닛(4002)의 내부로 스프레이되지 않으며, 따라서, 스프레이 액체만큼 높은 순도의 상태로 유지될 필요가 없다. 고 순도 상태의 스프레이 액체의 비교적 작은 체적을 유지하는 것은 일반적으로 열 우물(4008)의 내용물이 스프레이 액체로서 사용되는 경우에 바람직한(열 우물(3908)의 내용물이 시스템(3900) 내부에 있을 때), 고 순도 상태로 열 우물(4008)의 비교적 큰 체적을 유지하는 것보다 저렴하다. 또한, 스프레이 액체는 열 저장 액체로부터 생략될 수 있는 첨가물을 포함할 수 있으며, 시스템(3900)의 동작에 비해 시스템(4000)의 동작에서 경제적 이득의 다른 기회를 얻는다. 추가적으로, 열 교환기(4030)는 열 우물(4008)에 내장될 수 있고, 열 우물(4008)의 내용물은 고체(예를 들어, 자갈), 상 변화 재료(예를 들어, 파라핀 왁스) 또는 소정의 다른 열 저장 재료(예를 들어, 오일, 세라믹)일 수 있다.
도 41은 파워 유닛(4102)(가스의 압축 및 팽창을 위한 실린더 조립체 유닛을 포함), 실린더 열 교환 시스템(4104), 환경으로 그리고 환경으로부터 공기를 흡인 및 배기하기 위한 통기구(4105), 고압[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]의 유체(예를 들어, 공기 및 물)를 보유할 수 있는 저장조(4106), 고온 열 우물(4108)(예를 들어, 물의 단열된 덩어리), 저온 열 우물(4113)(예를 들어, 제2 단열된 물의 덩어리), 파워 유닛(4102)의 기계적 및 전자 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열 교환 시스템(4110), 일 측에서 고온 열 우물(4108)에 연결되고, 다른 측에서 폐열 열 교환 시스템(4110)에 결합된 폐열-우물 열 교환 시스템(4112), 환경(예를 들어, 공기, 땅)과 열 에너지를 교환할 수 있는 제1 환경 열 교환 시스템(4132) 및 역시 환경과 열 에너지를 교환할 수 있는 제2 환경 열 교환 시스템(4136)을 특징으로 하는 예시적 시스템(4100)을 도시한다.
시스템(4100)의 가능한 동작 모드는 팽창 모드 및 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 저압(예를 들어, 대기압)의 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 통기구(4105)로부터 상온 또는 중간 온도에서 파워 유닛(4102)의 실린더 조립체에 도입된다. 압축은 실린더 열 교환 시스템(4104)을 통해 차가운 저온 열 우물(4113)로부터 흡인된 물의 스프레이의 가스 내로 도입됨으로써 실린더 조립체 내에 포말을 형성하는 것에 의해 실질적으로 등온으로 유지된다. 압축을 받는 또는 그 이전의 가스를 통해 이렇게 스프레이된 물은, 압축을 받는 가스로부터 얻어진 열 에너지를 갖는, 실린더 열 교환 시스템(4104)을 통해 저온 열 우물(4113)로부터 인출되는 물보다 높은 온도에서 고온 열 우물(4108)로 복귀된다. 따라서, 물은 파워 유닛(4102)의 압축 사이클 동안 저온 열 우물(4113)로부터 고온 열 우물(4108)로 전달되는 경향이 있다.
유사하게, 시스템(4100)의 팽창 모드에서, 비교적 고압[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]의 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 상온 또는 중간 온도에서 파워 유닛(4102)의 실린더 조립체로 도입된다. 팽창은 실린더 열 교환 시스템(4104)을 통해 고온 열 우물(4108)로부터 흡인된 물의 스프레이를 가스 내로 도입하여 실린더 조립체 내에 포말을 형성함으로써 실질적으로 등온으로 유지된다. 팽창 동안 이렇게 가스 내로 스프레이된 물은 실린더 열 교환 시스템(4104)을 통해 물보다 낮은 온도의 저온 열 우물(4113)로 복귀되고, 상기 물은 고온 열 우물(4108)로부터 흡인되고, 스프레이된 물은 팽창을 받는 가스에 열 에너지를 부여한다. 따라서, 파워 유닛(4102)의 팽창 사이클 동안 물은 고온 열 우물(4108)로부터 저온 열 우물(44113)로 전달되는 경향이 있다.
환경 열 교환기(4132, 4136)는 시스템(3900, 4000)의 열 우물에 대해 이미 상술한 바와 같이 압축 및 팽창 모드 양자 모두에서 열 우물(4108, 4113)의 온도가 유지될 수 있게 한다. 폐열 열 교환 유닛(4110)으로부터의 열은 폐열-우물 간 열 교환 시스템(4112)에 의해 고온 열 우물(4108)로 전달되거나, 추가적 환경 열 교환 시스템(미도시)에 의해 환경으로 전달될 수 있다.
시스템(4100)은 열 우물(4108, 4113)의 내용물의 온도 관리 및 파워 유닛(4102)으로부터의 폐열의 일로의 부분적 변환을 포함하는, 시스템(3900, 4000)을 위해 이미 상술된 장점을 실현할 수 있다. 또한, 열역학적 원리에 적당한 지식이 있는 당업자는 (바람직하게는) 열개의 온도로 두 개의 열 우물(4108, 4113)을 유지하는 것은 엔트로피를 감소시키고(고온 및 저온 스트림의 혼합으로 인해), 시스템(4100)의 에너지(추출가능한 일)를 증가시켜서 시스템(4100)의 동작이 단지 단일 열 우물을 갖는 시스템(예를 들어, 시스템(4000))의 동작에 비해 더욱 효율적일 수 있게 한다. 또한, 열은 저온 열 우물(4113)의 온도를 변경하지 않고 임의의 소스로부터 고온 열 우물(4108)에 추가될 수 있고, 열은 고온 열 우물(4108)의 온도를 변경하지 않고 저온 열 우물(4113)로부터 전달될 수 있다(예를 들어, 환경 열 교환기(4136)에 의해).
도 42는 파워 유닛(4202)(가스의 압축 및 팽창을 위한 실린더 조립체 유닛을 포함), 실린더 열 교환 시스템(4204), 환경으로부터 공기를 흡인하고 그로부터 공기를 배기하기 위한 통기구(4205), 높은 압력[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]에서 유체(예를 들어, 공기 및/또는 물)를 보유할 수 있는 유체 저장조(4206), 고온 열 우물(4208)(예를 들어, 물의 단열된 덩어리), 저온 열 우물(4234)(예를 들어, 제2 단열된 물의 덩어리), 파워 유닛(4202)의 기계적 및 전자 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열 교환 시스템(4210), 일 측에서 고온 열 우물(4208)에 연결되고, 다른 측에서 폐열 열 교환 시스템(4210)에 결합된 폐열-우물 열 교환 시스템(4212), 스프레이 저장조(4228), 일 측에서 고온 열 우물(4208)과 저온 열 우물(4234)에 유체 연결되고, 다른 측에서 스프레이 저장조(4228)에 유체 연결되어 있는 스프레이-우물 간 열 교환 유닛(4230), 환경(예를 들어, 공기, 땅)과 열 에너지를 교환할 수 있는 제1 환경 열 교환 시스템(4232) 및 역시 환경과 열 에너지를 교환할 수 있는 제2 환경 열 교환 시스템(4236)을 특징으로 하는 예시적 시스템(4200)을 도시한다.
시스템(4200)의 가능한 동작 모드는 팽창 모드와 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 낮은 압력(예를 들어, 대기압)의 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 통기구(4205)로부터 상온 또는 중간 온도에서 파워 유닛(4202)의 실린더 조립체에 도입된다. 압축은 스프레이-우물 열 교환기(4230) 및 실린더 열 교환 시스템(4204)을 통해 스프레이 저장조(4228)로부터 흡인된 물의 스프레이를 가스에 도입하여 실린더 조립체 내에 포말을 형성함으로써 실질적으로 등온으로 유지된다. 스프레이 저장조(4228) 내의 물은 여기서 압축 모드 사이클의 시작점에서 비교적 낮은 온도(예를 들어, 상온)인 것으로 가정된다. 압축을 받는 또는 압축 이전의 가스를 통해 이렇게 스프레이된 물은 스프레이 열 교환 유닛(4204)을 통해, 압축을 받는 가스로부터 열 에너지를 취득한 스프레이 저장조(4228)로부터 흡인된 물보다 높은 온도로 스프레이 저장조(4228)에 복귀될 수 있다. 스프레이 저장조(4228) 내의 물의 온도는 따라서 파워 유닛(4202)의 압축 사이클에 의해 증가되는 경향이 있다. 그러나, 스프레이 저장조(4228)로부터의 스프레이 액체가 스프레이 열 교환 유닛(4204)으로의 그 경로 상에서 스프레이-대 우물 열 교환기(4230)의 일 측부를 통과하기 때문에, 열은 스프레이 열 교환 유닛(4230)의 다른 측부를 통해 저온 열 우물(4234)로부터 고온 열 우물(4208)로 통과하는 열 우물 액체에 스프레이 액체로부터 전달될 수 있으며, 그에 의해, 스프레이 액체의 온도를 감소시키고 고온 열 우물(4208) 내의 액체의 온도를 증가시키는 경향이 있다. 파워 유닛(4202)의 압축 사이클에 의해 스프레이 저장조(4228)에 추가된 열 에너지는 따라서 후속 압축 사이클 동안 고온 열 우물(4208)로 전달되고, 저장조(4228) 내의 스프레이 액체의 온도는 따라서 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
유사하게, 시스템(4200)의 팽창 모드에서, 비교적 높은 압력[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)]의 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 파워 유닛(4202)의 실린더 조립체에 상온 또는 중간 온도로 도입된다. 팽창은 실린더 열 교환 시스템(4204) 및 스프레이-우물 간 열 교환 유닛(4230)을 통해 스프레이 저장조(4228)로부터 흡인된 물의 스프레이를 가스 내에 도입함으로써 실린더 조립체 내에 포말을 형성하여 실질적으로 등온으로 유지된다. 스프레이 저장조(4228) 내의 물은 여기서, 압축 모드 사이클의 시작점에서 비교적 높은 온도(예를 들어, 약 60℃ 이상)인 것으로 가정된다. 압축을 받는 가스 또는 압축 이전의 가스를 통해 이렇게 스프레이되는 물은 팽창을 받는 가스에 열 에너지를 부여하는 스프레이 저장조(4228)로부터 흡인되는 물보다 낮은 온도로 스프레이 열 교환 유닛(4204)을 통해 스프레이 저장조(4228)로 복귀될 수 있다. 스프레이 저장조(4228) 내의 물의 온도는 따라서 파워 유닛(4202)의 압축 사이클에 의해 감소되는 경향이 있다. 그러나, 스프레이 저장조(4228)로부터 스프레이 액체가 스프레이-우물 간 열 교환기(4230)의 일 측부를 통과할 때, 고온 열 우물(4208)로부터 저온 우물(4234)로 스프레이-우물 간 열 교환기(4230)의 다른 측부를 통과하는 유체로부터 스프레이 액체에 열이 전달되어 스프레이 액체의 온도를 증가시키고 고온 열 우물(4208)로부터 저온 열 우물(4234)로 이동되는 액체의 온도를 감소시킬 수 있다. 파워 유닛(4202)의 팽창 사이클에 의해 스프레이 저장조(4228)로부터 제거되는 열은 따라서 각각의 후속 압축 사이클 동안 고온 열 우물(4208)로부터 열을 추출함으로써 복구될 수 있고, 저장조(4228) 내의 스프레이 액체의 온도는 대략 일정하게 유지될 수 있다.
환경 열교환기(4232, 4236)는 열 우물(4208, 4234)의 온도가 시스템(3900, 4000)의 열 우물에 대해 미리 전술된 바와 같이 팽창 및 압축 모드의 모두에서 관리되는 것을 가능하게 한다. 열교환기(4230)를 통한 유동의 방향은 역류를 유지하기 위해 부가의 밸브 및 파이핑(도시 생략)을 경유하여 압축 모드와 팽창 모드 사이에서 스위칭할 때 역전될 수도 있다. 또한, 폐열 열교환 유닛(4210)으로부터의 열은 폐열 대 우물 열교환 시스템(4212)에 의해 파워 유닛(4202)으로부터 고온 열 우물(4208)로 전달될 수도 있다.
시스템(4200)은 열 우물(4208, 4234)의 내용물의 온도 관리 및 파워 유닛(4202)으로부터 폐열의 일로의 부분 변환을 포함하는, 시스템(3900, 4000, 4100)에 대해 미리 전술된 장점을 실현할 수도 있다는 것이 열역학의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 또한, (바람직하게는) 별개의 온도에 있는 2개의 열 우물(4208, 4234)의 유지는 시스템(4200)의 엔트로피를 감소시키고 에너지(추출 가능한 일)를 증가시켜, 시스템(4200)의 작동이 단지 단일의 열 우물만을 갖는 시스템[예를 들어, 시스템(4000)]의 작동보다 잠재적으로 더 효율적이게 한다. 시스템(4100)에서와 같이, 열은 저온 열 우물(4234) 또는 스프레이 저장조(4228)의 온도를 변경하지 않고 임의의 소스로부터 고온 열 우물(4208)에 추가될 수도 있고, 열은 고온 열 우물(4208) 또는 스프레이 저장조(4228)의 온도를 변경하지 않고 저온 열 우물(4234)[예를 들어, 환경 열교환기(4236)에 의해] 외부로 전달될 수도 있다. 부가적으로, 시스템(4200)에서, 열 우물(4208, 4234) 내의 열 저장 액체는 스프레이 액체와 혼합되지 않고, 열 우물(4208, 4234) 내의 액체의 양은 스프레이 액체의 양보다 상당히 클 수도 있다. 시스템(4200) 내의 열 저장 액체 및 스프레이 액체의 분리는 파워 유닛(4202) 내부에 스프레이된 임의의 액체가 바람직하게는 비교적 높은 순도의 상태로 유지되어 스프레이 오염물이 파워 유닛(4202)의 구성 요소의 성능을 열화하지 않게 되기 때문에 유리할 수도 있다. 시스템(4200) 내의 열 저장 액체는 파워 유닛(4202) 내부에 스프레이되지 않고, 따라서 스프레이 액체만큼 높은 순도의 상태로서 유지될 필요가 없다. 높은 순도의 상태의 스프레이 액체의 비교적 작은 체적의 유지는 일반적으로 높은 순도의 상태로 열 우물(4208, 4234)의 비교적 큰 체적을 유지하는 것보다 비용이 적다. 더욱이, 스프레이 액체는 열 저장 액체로부터 생략될 수도 있는 첨가제를 포함할 수도 있고, 시스템(4200)의 작동에서 경제적 이득을 위한 다른 기회[예를 들어, 시스템(4100)의 작동에 비교할 때]가 있다. 부가적으로, 열교환기(4230)는 열 우물(4208 및/또는 4234) 내에 매립될 수도 있고, 열 우물(4208 및/또는 4234)의 내용물은 고체(예를 들어, 자갈), 위상 변화 재료(예를 들어, 파라핀 왁스) 또는 소정의 다른 열 저장 재료(예를 들어, 오일, 세라믹)일 수도 있다.
도 43은 파워 유닛(4302)(가스의 압축 및 팽창을 위한 실린더 조립체 유닛을 포함함), 실린더 열교환 시스템(4304), 높은 압력[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)] 및 비교적 높은 온도에서 가스와 액체의 모두를 유지하는 것이 가능한 저장조(4306), 파워 유닛(4302)의 기계적 및 전자 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열교환 시스템(4310), 일 측에서 고압 유체 저장조(4306)에 결합되고 다른 측에서 폐열 열교환 시스템(4310)에 결합된 폐열 우물 열교환 시스템(4312), 예를 들어 수체를 포함하거나 본질적으로 이루어진 저온 열 우물(4334), 환경(예를 들어, 지면)과 열 에너지를 교환하는 것이 가능한 제1 환경 열교환 시스템(4332) 및 환경과 열 에너지를 교환하는 것이 또한 가능한 제2 환경 열교환 시스템(4338)을 특징으로 하는 예시적인 시스템(4300)을 도시한다. 고온 고압 저장조(4306)는 고온 열 우물의 기능과 고압 가스 저장조의 기능을 조합하고, 단일 유닛(예를 들어, 절연된 압력 탱크, 절연된 파이프인, 암염과 같은 지하 지질학적 형성물)일 수도 있다.
시스템(4300)의 가능한 작동 모드는 팽창 모드 및 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 낮은(예를 들어, 대기) 압력에서 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 주위 또는 적당한 온도에서 통기구(4305)로부터 파워 유닛(4302)의 실린더 조립체로 유입된다. 가스의 압축은 저온 열 우물(4334)로부터 실린더 열교환 시스템(4304)을 경유하여 흡인된 물의 스프레이의 가스 내로의 도입에 의해 실질적으로 등온으로 유지된다. 따라서 압축을 경험하는 또는 압축 전에 가스 내로 스프레이되는 물은 압축 가스와 함께, 실린더 열교환 시스템(4304)을 경유하여, 압축을 경험하는 가스로부터 얻어진 열 에너지를 갖는 저온 열 우물(4334)로부터 물이 흡인되는 것보다 더 높은 압력 및 온도에서 고온 고압 저장조(4306)로 유도될 수도 있다. 따라서, 물은 파워 유닛(4302)의 압축 사이클 중에 저온 우물(4334)로부터 고온 고압 저장조(4306)로 전달되는 경향이 있을 것이다.
유사하게, 시스템(4300)의 팽창 모드에서, 비교적 높은 압력[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)] 및 비교적 높은 온도에서 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 고온 고압 저장조(4306)로부터 파워 유닛(4302)의 실린더 조립체로 전달된다. 실린더 조립체가 가스를 팽창함에 따라, 가스의 온도는 감소하는 경향이 있고, 이 감소의 정도는 가스와의 포말 형성에 의해 제한되고, 팽창은 바람직하게는 실질적으로 등온으로 유지된다. 시스템(4300)의 팽창 모드에서, 스프레이 액체는 고온 고압 저장조(4306)로부터 실린더 열교환 시스템(4304)을 경유하여 흡인된 물(예를 들어, 하나 이상의 발포성 첨가제를 갖는)을 포함하거나 본질적으로 이루어진다. 팽창 사이클의 종료시에, 이 액체는 팽창을 경험하거나 팽창 전에 가스 내로 스프레이될 때보다 낮은 온도 및 압력에 있는 경향이 있을 것이고, 액체는 팽창을 경험하는 가스에 열 에너지를 부여하고, 실린더 열교환 시스템(4304)을 경유하여 저온 열 우물(4334)에 유도될 수도 있다. 비교적 낮은 온도 및 압력에서 팽창된 가스는 통기구(4305)를 경유하여 파워 유닛(4302)으로부터의 환경으로 통기될 수도 있다. 액체는 따라서 파워 유닛(4302)의 팽창 사이클 중에 고온 고압 저장조(4306)로부터 저온 열 우물(4334)로 전달되는 경향이 있을 것이다.
환경 열교환기(4332, 4338)는 저온 열 우물(4334) 및 고온 고압 저장조(4306)의 온도가 환경 열교환기와 연통하는 열 우물에 대해 미리 전술된 바와 같이 팽창 및 압축 모드의 모두에서 관리될 수 있게 한다. 폐열 열교환 유닛(4310)으로부터의 열은 폐열 우물 열교환기(4312)를 경유하여 고온 고압 저장조(4306)로 전달될 수도 있다. 다른 실시예에서, 이들 열교환기의 일부 또는 모두는 제거된다.
시스템(4300)은 열 우물(4334) 및 고온 고압 저장조(4306)의 내용물의 온도 관리 및 파워 유닛(4302)으로부터 폐열의 일로의 부분 변환을 포함하는 시스템(3900, 4000, 4100, 4200)에 대해 미리 전술된 장점을 실현할 수도 있다. 시스템(4100, 4200)에서와 같이, (바람직하게는) 별개의 온도에서 2개의 수체[즉, 저온 열 우물(4334) 내의 그리고 고온 고압 저장조(4306) 내의]의 유지는 엔트로피를 감소시키고 시스템(4300)의 에너지(추출 가능한 일)를 증가시켜, 시스템(4300)의 작동을 단지 단일의 열 우물만을 갖는 시스템[예를 들어, 시스템(4000)]의 작동보다 잠재적으로 더 효율적이게 한다는 것이 열역학의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 더욱이, 증가하는 압력에 의한 물의 비등점의 상승에 기인하여, 시스템(4300)은 고온 고압 저장조(4306) 내에 저장된 물의 상한(비증발) 온도 한계가 시스템(4200)의 고온 열 우물(4208)과 같은 비압축 고온 열 우물 내에 저장된 물의 상한 온도 한계보다 높은 부가의 장점을 제공한다. 시스템의 에너지는 시스템 내의 액체의 2개의 수체 사이의 온도차가 증가될 때 증가하고, 따라서 예를 들어, 시스템(4300)의 몇몇 작동 조건에서, 시스템(4300) 내의 고온 및 저온 액체의 수체들 사이의 온도차가 시스템(4200)의 고온 및 저온 액체의 수체들 사이의 온도차보다 클 수도 있기 때문에, 시스템(4300)의 고온 및 저온 액체의 수체의 에너지는 시스템(4200) 내의 유사한 양의 고온 및 저온 액체의 에너지보다 높을 수도 있다는 것이 열역학의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다.
도 44는 상이한 압력의 범위에 걸쳐 가스를 각각 압축하거나 팽창하는(즉, 2개 이상의 스테이지 압축기 및 팽창기 파워 유닛) 2개 이상의 상이한 실린더 조립체(상이한 직경을 가질 수도 있음)를 포함할 수도 있는 파워 유닛(4402)(가스의 압축 및 팽창을 위한 실린더 조립체 유닛을 포함함), 실린더 열교환 시스템(4404), 높은 압력[예를 들어, 3,000 psig(20.68 MPa)] 및 비교적 높은 온도에서 가스와 액체의 모두를 유지하는 것이 가능한 저장조(4406), 낮은 압력(예를 들어, 대기압)에서 절연된 수체를 포함하거나 본질적으로 이루어진 고온 열 우물(4408), 수체를 또한 포함하거나 본질적으로 이루어지는 저온 열 우물(4434), 파워 유닛(4402)의 기계적 및 전자 구성 요소에 의해 생성된 폐열에 결합된 폐열 열교환 시스템(4410), 일 측에서 고온 열 우물(4408)에 결합되고 다른 측에서 폐열 열교환 시스템(4410)에 결합된 폐열 우물 열교환 시스템(4412), 환경(예를 들어, 공기, 지면)과 열 에너지를 교환하는 것이 가능한 제1 환경 열교환 시스템(4432) 및 환경(예를 들어, 공기, 지면)과 열 에너지를 교환하는 것이 또한 가능한 제2 환경 열교환 시스템(4436)을 특징으로 하는 예시적인 시스템(4400)을 도시한다. 고온 고압 저장조(4406)는 고온 열 우물의 기능과 고압 가스 저장조의 기능을 조합한다.
시스템(4400)의 가능한 작동 모드는 팽창 모드 및 압축 모드를 포함한다. 압축 모드에서, 비교적 낮은(예를 들어, 대기) 압력에서 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 주위 또는 적당한 온도에서 통기구(4405)를 경유하여 파워 유닛(4402)의 실린더 조립체로 유입된다. 파워 유닛(4402)의 실린더 조립체가 가스를 압축함에 따라, 압축은 저온 열 우물(4434)로부터 실린더 열교환 시스템(4404)을 경유하여 흡인된 물의 스프레이의 가스 내로의 도입에 의해 실질적으로 등온으로 유지되어, 이에 의해 실린더 조립체 내에 포말을 형성한다. 따라서 압축을 경험하는 또는 압축 전에 가스 내로 스프레이되는 물은 압축 가스와 함께, 실린더 열교환 시스템(4404)을 경유하여, 압축을 경험하는 가스로부터 얻어진 열 에너지를 갖는 저온 열 우물(4434)로부터 물이 흡인되는 것보다 더 높은 압력 및 온도에서 고온 고압 저장조(4406)로 유도될 수도 있다. 일부 또는 모든 스프레이 물은 또한 실린더 열교환 시스템(4404)을 경유하여 저압 고온 열 우물(4408)로 유도될 수도 있다. 따라서, 물은 파워 유닛(4402)의 압축 사이클 중에 저온 우물(4434)로부터 고온 고압 저장조(4406) 및/또는 저압 고온 열 우물(4408)로 전달되는 경향이 있을 것이다.
유사하게, 시스템(4400)의 팽창 모드에서, 비교적 높은 압력[예를 들어, 3,000 psi(20.68 MPa)] 및 비교적 높은 온도에서 소정량의 가스(예를 들어, 공기)가 고온 고압 저장조(4406)로부터 파워 유닛(4402)의 실린더 조립체로 전달된다. 실린더 조립체가 가스를 팽창함에 따라, 팽창은 고온 고압 저장조(4406)로부터 실린더 열교환 시스템(4404)을 경유하여 흡인된 물의 스프레이의 가스 내로의 도입에 의해 실질적으로 등온으로 유지되어, 이에 의해 실린더 조립체 내에 포말을 형성한다. 가스가 더 낮은 온도로 팽창됨에 따라, 스프레이는 저압 고온 열 우물(4408)로부터 흡인된 물로부터 부분적으로 또는 심지어 완전히 형성될 수도 있다. 팽창을 경험하거나 팽창 전에 가스를 통해 스프레이된 물은 비교적 낮은 압력 및 온도에서 실린더 열교환 시스템(4404)을 경유하여 저온 열 우물(4434)에 유도될 수도 있어, 팽창을 경험하는 가스에 열 에너지를 부여한다. 팽창된 가스는 파워 유닛(4402)으로부터 통기구(4405)를 경유하여 환경으로 통기될 수도 있다. 물은 따라서 파워 유닛(4402)의 팽창 사이클 중에 고온 고압 저장조(4406) 및/또는 저압 고온 열 우물(4408)로부터 저온 열 우물(4434)로 전달되는 경향이 있을 것이다.
환경 열교환기(4436, 4432)는 저온 열 우물(4434) 및 저압 고온 저장조(4408)의 온도가 시스템(3900, 4000, 4100, 4200, 4300)의 열 우물에 대해 미리 전술된 바와 같이 팽창 및 압축 모드의 모두에서 관리될 수 있게 한다. 폐열 열교환 유닛(4410)으로부터의 열은 폐열 우물 열교환 시스템(4412)을 경유하여 저압 고온 열 우물(4408)로 전달될 수도 있다.
시스템(4400)은 열 우물(4408, 4434)의 내용물의 온도 관리 및 파워 유닛(4402)으로부터 폐열의 일로의 부분 변환을 포함하는 시스템(3900, 4000, 4100, 4200, 4300)에 대해 미리 전술된 장점을 실현할 수도 있다. 시스템(4100, 4200, 4300)에서와 같이, (바람직하게는) 별개의 온도에서 액체의 2개 이상의 수체[즉, 저온 열 우물(4434), 고온 열 우물(4408) 내의 그리고 고온 고압 저장조(4406) 내의]의 유지는 엔트로피를 감소시키고 시스템(4400)의 에너지(추출 가능한 일)를 증가시켜, 시스템(4400)의 작동을 단지 단일의 열 우물만을 갖는 시스템[예를 들어, 시스템(400)]의 작동보다 잠재적으로 더 효율적이게 한다는 것이 엔트로피열역학의 원리에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다. 증가하는 압력에 의한 물의 비등점의 상승에 기인하여, 시스템(4400)은 (도 43의 시스템(4300)에서와 같이) 고온 고압 저장조(4406) 내에 저장된 물의 상한(비증발) 온도 한계가 고온 열 우물(4408)과 같은 비압축 고온 열 우물 내에 저장된 물의 상한 온도 한계보다 높은 장점을 제공한다. 더욱이, 시스템(4400)은, 폐열이 시스템(4300)에서와 같이 고압 폐열 우물 열교환기(4312)보다는, 저압 폐열 우물 열 교환기(4412)를 사용하여 파워 유닛(4402)으로부터 저압 고온 열 우물(4408)로 전달될 수도 있는 부가의 장점을 제공한다. 저압 폐열 우물 열교환기(4412)는 고압 폐열 우물 열교환기보다 비용이 적은 경향이 있을 것이다.
파워 유닛(4402)이 2개의 상이한 직경 실린더(도시 생략)를 포함하는 경우에, 제1 더 저압 범위에 걸쳐 가스를 압축하는 실린더(C1) 및 제2의 더 고압 범위에 걸쳐 가스를 압축하는 제2 실린더(C2) 장점[예를 들어, 시스템(4400)의 증가된 전체 효율]이 C1 내의 실질적으로 등온 압축의 종료시에 성취된 온도에서(및 선택적으로 또한 중간 압력에서) 저압 고온 열 우물(4408)을 유지함으로써 시스템(4400)의 압축 작동 모드에서 실현될 수도 있다. 즉, 저압 고온 열 우물(4408)은 고압 고온 저장조(4406)의 내용물보다 낮은 온도에서 유지될 수도 있다. 이는 압축 중 또는 전에 도입된 스프레이의 양이 저장조(4406) 내의 압력이 순차적인 압축 사이클에 걸쳐 증가함에 따라 C1 및 C2에서 독립적으로 조정될 수 있게 한다. 또한, 저등급 폐열(예를 들어, 도시되지 않은 열 발전소로부터)이 이용 가능하면, 이는 열교환기를 경유하여 저압 저온 고온 열 우물로 전달될 수도 있어, 유효 전체 시스템 효율을 증가시킨다. 다단 압축/팽창 프로세스의 중간점에서 작동하는 저압 고온 열 우물(4408)의 온도는 이용 가능한 온도(예를 들어, 대략 40℃, 60℃ 등)에서 폐열의 사용을 위해 최적일 수도 있고, 반면 고압 고온 저장조(4406)는 통상의 폐열 온도의 사용을 허용하지 않을 수도 있는 실질적으로 더 높은 온도(예를 들어, 대략 80℃, 120℃ 등)에서 유지될 수도 있다. 더 높은 온도에서 다단 압축/팽창 프로세스를 작동함으로써, 감소된 물 스프레이 체적이 사용될 수도 있어, 저장 체적 및 시스템 효율을 증가시킨다(예를 들어, 2상 유동을 통과시키기 위해 밸브 손실을 감소시킴). 유사한 장점이 시스템(4400)의 팽창 모드에서 실현될 수도 있다는 것이 열역학에 적당하게 친숙한 숙련자들에게 명백할 것이다.
도 45는 하나 이상의 배터리(4508) 및/또는 다른 고전력 단기간 에너지 저장 장치(예를 들어, 1시간의 저장 미만, 예를 들어 15분을 갖는 에너지 저장 장치)가 압축 가스 에너지 저장 시스템(4502)과 병렬로 연결되어 사용을 위한 전력을 생성하는[예를 들어, 전력 그리드 전달(4500)] 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 에너지 저장 시스템(4502)은 본 명세서의 다른 부분에 개시된 예시적인 저장 시스템과 유사할 수도 있다. 배터리(4508)는 저전력 수요(예를 들어, 500 kW 미만)의 기간 중에 저장된 에너지를 제공하도록 구성되고, 압축 가스 에너지 저장 시스템(4502)은 증가된 전력 수요 변동(예를 들어, 500 kW 초과)의 기간 중에 저장된 에너지를 제공하도록 구성된다. 일 예에서, 도 45에 도시된 태양 발전 및 에너지 저장 시스템을 포함하는 발전 설비의 조작자는 2,000 kW의 일정한 전력 레벨을 유지하기 위한 지불을 수신한다. 일 순간에, 구름이 어레이의 부분을 그늘지게 함에 따라 태양 발전은 2,000 kW로부터 1,900 kW로 강하한다. 측정된 전력 출력은 구름이 어레이를 그늘지게 함에 따라 0 내지 100 kW의 레이트에서 배터리(4508)가 방전하는 것을 요구함으로써 요구된 일정한 전력 레벨에 유지될 수도 있다. 다른 순간에, 폭풍우가 그 지역을 통과하고 태양 발전은 연장된 시간 기간 동안 1000 kW에서 500 kW로 강하한다. 측정된 전력 출력은 구름이 어레이를 그늘지게 함에 따라 압축 가스 에너지 저장 시스템(4502)이 1000 내지 1500 kW의 레이트에서 방전하는 것을 요구함으로써 일정한 전력 레벨로 유지될 수도 있다. 증가된 전력(예를 들어, 500 kW 초과)에 대한 요구시에, 저장조(4504) 내에 압축 가스의 형태의 저장된 에너지는 사용을 위한 전력을 생성하기 위해[예를 들어, 전력 그리드 전달(4500)] 압축 가스 에너지 저장 시스템(4502) 내에서 팽창을 경험한다. 배터리(4508)로부터의 임의의 과잉의 열 에너지는 열교환 유닛(4506)을 통해 회수 가능할 수도 있다. 배터리(4508)로부터 회수된 열 에너지는 압축 가스 저장조(4504)(또는 다른 압축 저장조)의 열교환 서브시스템에 사용될 수도 있어 저장된 압축 가스를 예열하고 그리고/또는 팽창 중에 열교환 유체와 가스를 가열하여, 압축 가스의 소정의 체적에 의해 행해진 일을 증가시키고, 따라서 시스템 효율 및/또는 성능을 향상시킨다. 예를 들어, 회수된 열 에너지는 '960 출원에 설명된 바와 같이 저장된 압축 가스 및/또는 팽창 및/또는 압축을 경험하는 가스를 열적으로 조절하도록 이용될 수도 있다.
고전력 단기간 에너지 저장 장치(4508)의 응답 시간은 전력 레벨 및 수요의 변화에 마이크로초 이내에 응답하도록 최적화될 수도 있다. 전력 응답의 레이트는 제어 시스템의 데이터 취득 레이트에 기초하여 대략 일 밀리초로 제한될 수도 있지만, 1초 미만에 응답하도록 즉시 구성될 수 있다.
도 46은 저장된 압축 가스(도시 생략)를 갖는 하나 이상의 저장조를 포함하는 압축 가스 에너지 저장 시스템(4610)이 전기 모터(4612)에 연결되는 일체형 시스템(4600)을 도시한다. 더 높은 전력 수요 변동(예를 들어, 500 kW 초과)의 기간 중에, 압축 가스 에너지 저장 시스템(4610)은 저장된 에너지를 갖는 모터(4612)를 제공하도록 방전된다. 모터(4612)는 저장된 에너지를 전력으로 변환한다. 몇몇 실시예에서, 동기 속도(예를 들어, 1800 RPM)에서 운전하는 동기 전기 기계에 대해, 어떠한 전력 전자 기기도 요구되지 않는다. 다른 실시예에서, 가변 속도 전기 기계에 대해, 도 46에 도시된 바와 같이, 전력은 공통 DC 버스 라인(4606)을 통해 전력을 송출하기 전에 AC로부터 DC로 전류를 변환하는 부하측 전력 전자 기기(4608)에 송출된다. 전력은 이어서 사용을 위해[예를 들어, 전력 그리드(4602)에 의해] 라인측 전력 전자 기기(4604)(DC로부터 AC)로 송출될 수도 있다. 저전력 수요 변동(예를 들어, 500 kW 미만)의 기간 중에, 하나 이상의 배터리(4650) 및/또는 다른 고전력 단기간 에너지 저장 장치(예를 들어, 플라이휠 및/또는 울트라캐패시터)는 사용을 위해 전력을 제공하도록 방전된다. 배터리와 같은 DC 장치에서, 전기 출력은 동일한 라인측 전력 전자 기기에 접속될 수도 있다. 예를 들어, 전력은 사용을 위해 송출되기 전에[예를 들어, 전력 그리드(4602)] 배터리(4650)로부터 공통 DC 버스 라인(4606)을 통해 라인측 전력 전자 기기(4604)로 방전될 수도 있다.
다양한 실시예에서, 배터리(4650)는 열교환기(4648), 라디에이터(4634), 펌프(4630)를 갖는 배터리 입구 파이프(4632), 유체 제어 밸브(4628) 및 유체 제어 밸브(4636)를 갖는 배터리 복귀 파이프(4638)를 특징으로 하는 냉각 시스템에 연결된다. 유사하게, 압축 가스 에너지 저장 시스템(4610)은 열교환기(4614), 라디에이터(4620), 펌프(4616)를 갖는 입구 파이프(4622), 유체 제어 밸브(4618) 및 유체 제어 밸브(4624)를 갖는 복귀 파이프(4626)를 특징으로 하는 열교환 서브시스템에 연결된다. 라디에이터(4620)는 대안적으로 또는 부가적으로 열 우물을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다. 배터리 입구 파이프(4632)는 파이프(4642)를 경유하여 입구 파이프(4622)에 연결될 수도 있다. 마찬가지로, 배터리 복귀 파이프(4638)는 파이프(4640)를 경유하여 복귀 파이프(4626)에 연결될 수도 있다. 파이프(4642, 4640)는 유체 제어 밸브(4644, 4646)를 각각 포함할 수도 있다.
압축 가스 에너지 저장 시스템(4610)이 그리드에 전력을 제공하도록 방전되는(예를 들어, 수요가 500 kW 초과만큼 공급을 초과함) 작동 상태에서, 밸브(4628)는 폐쇄되고, 밸브(4644)는 개방되어 배터리 입구 파이프(4632)로부터 열전달 유체가 파이프(4642)를 경유하여 입구 파이프(4622)로 송출되게 한다. 열전달 유체는 열교환기(4614), 복귀 파이프(4626) 및 라디에이터(4620)를 통해 펌프(4616)를 경유하여 순환된다. 열교환 서브시스템에서 순환 중에, 배터리(4650) 냉각 시스템으로부터의 폐열이 압축 가스 저장 시스템(4610) 내에서의 팽창 전 및/또는 중에 압축 가스를 가열하는데 사용된다(예를 들어, 가스와 가열된 열전달 유체 사이의 포말의 형성에 의해). 저장 시스템(4610) 전력 밀도는 이에 의해 증가되고 그리고/또는 전체 효율이 향상된다.
배터리(4650)가 그리드에 전력을 제공하도록 방전되는(예를 들어, 수요가 500 kW 미만만큼 공급을 초과함) 다른 상태에서, 밸브(4644, 4646)는 폐쇄되고, 열교환기(4648), 배터리 입구 파이프(4622), 펌프(4630), 라디에이터(4634) 및 배터리 복귀 파이프(4638)는 압축 가스 에너지 저장 시스템(4610)의 열교환 서브시스템에 독립적인 폐루프 배터리 냉각 시스템을 형성한다. 다른 작동 모드에서, 배터리(4650)로부터 폐열은 열 우물(4620)로 유도될 수도 있고, 여기서 열 에너지는 압축 가스 저장 시스템(4610)의 작동 중에 더 늦은 시간에 사용되도록 저장될 수도 있다.
도 47은 예시적인 24-시간 기간 동안 전기 공급 및 수요의 예시적인 플롯이다. 공급 곡선은 일정한 기저부하 전력의 소스 및 예시적인 태양열 설비에 기초하고, 반면에 전기 수요는 예시적인 날짜로부터 시뮬레이션된 데이터에 기초한다. 전기 수요는 통상적으로 저녁 동안에 낮고 낮 동안에 높다. 도 47에 도시된 예시적인 플롯에서, 수요는 대략 15시간(900분) 내지 24시간(1440분) 공급을 초과한다.
도 48은 소정의 24-시간 기간 동안 전기 공급 및 수요에 대한 조합된 고전력 단기간 에너지 저장 장치 및 압축 가스 에너지 저장 시스템의 효과의 예시적인 플롯이다. 도 48에 도시된 예시적인 플롯에서, 0분에서, 수요는 대략 200 kW만큼 공급을 초과하였다. 고전력 단기간 에너지 저장 장치는 500 kW 미만의 과잉의 수요값에 부합하도록 전력을 방전하도록 구성된다. 따라서, 고전력 단기간 에너지 저장 장치는 과잉의 수요의 범위가 200 kW 내지 0 kW인 0분 내지 60분의 방전 상태에서 도시되어 있다. 60분 내지 120분에, 공급은 500 kW 미만만큼 수요를 초과한다. 따라서, 고전력 에너지 저장 장치는 최대 전력이 -500 kW에 도달할 때까지 충전 상태(도 48에 음의 값으로 도시됨)로 도시된다.
압축 가스 에너지 저장 시스템은 500 kW 초과의 과잉의 수요값에 부합하도록 전력을 방전하도록 구성된다. (일 실시예에서, 다중 1 MW 시스템이 다중 파워 유닛을 채용함으로써 500 kW 초과의 임의의 전력을 처리하기 위한 더 대형의 시스템으로서 작용하고, 예를 들어 2개의 1 MW 시스템은 500 내지 2000 kW의 전력 레벨을 처리할 수도 있다.) 도 47에 도시된 예시적인 플롯에서, 공급이 500 kW 이상의 범위에서 수요를 초과할 때, 과잉의 전력은 압축 가스 에너지 저장 시스템을 충전하는데 사용된다(즉, 압축 가스의 형태로 에너지를 저장함). 따라서, 압축 가스 저장 시스템은 과잉의 전력이 500 kW 미만으로 강하할 때(도 48에 음의 값으로서 도시됨) 120분 내지 540분의 충전 상태에서 도시된다. 과잉의 전력이 500 kW 미만으로 강하할 때, 고전력 에너지 저장 장치가 인계받고, 따라서 540분 내지 600분에 충전 상태(도 48에 음의 값으로서 도시됨)로 도시된다.
600분 내지 900분의 범위의 기간 중에, 공급은 500 kW 미만 값을 변경함으로써 수요를 초과하고, 따라서 고전력 단기간 에너지 저장 장치는 값이 500 kW 미만일 때 충전 상태로 도시된다. 부가적으로, 특정 범위 내에 고전력 단기간 에너지 저장 장치의 충전 상태를 유지하기 위해, 압축 가스 에너지 저장 장치는 고전력 단기간 에너지 저장 장치가 설정 최대값(예를 들어, 도 48에 도시된 바와 같이 900 kWh)을 초과할 때마다 -500 kW에서 충전 상태로, 또는 고전력 단기간 에너지 저장 장치가 설정 최소값(예를 들어, 도 48에 도시된 바와 같이, 100 kWh) 미만으로 강하할 때마다 500 kW에서 방전 상태에 도시된다. 수요가 900분 내지 1440분에 공급을 초과할 때, 고전력 단기간 에너지 저장 장치는 최초 500 kW 수요 기간 동안 방전된다. 그 후에, 압축 가스 에너지 저장 시스템이 인계받아 수요가 500 kW 이상만큼 공급을 초과하는 기간 동안 전력을 방전한다.
도 49는 조합형 고전력 단기간 에너지 저장 장치 및 도 47 및 도 48에 도시된 소정의 24-시간 기간 동안 압축 가스 에너지 저장 시스템에 대한 충전 상태의 예시적인 플롯이다. 이 시뮬레이션된 시나리오에서, 10 MWh의 저장 용량을 갖는 2 MW 압축 가스 에너지 저장 시스템은 최대 1 MWh의 저장 용량을 갖는 500 kW 단기간 에너지 저장 장치와 병렬로 작동한다. 고전력 단기간 에너지 저장 장치의 충전 상태가 900 kWh(최대 용량의 90%)를 초과할 때마다, 저장된 에너지의 부분은 그리드 또는 압축 가스 에너지 저장 시스템에 방전된다. 고전력 단기간 에너지 저장 장치의 충전 상태가 100 kWh(최대 용량의 10%) 미만으로 강하할 때마다, 고전력 단기간 에너지 저장 장치는 그리드 또는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 경유하여 재충전된다. 이 방식으로, 고전력 단기간 에너지 저장 장치의 충전 상태는 압축 가스 에너지 저장 시스템이 벌크 에너지 저장 및 회수를 제공하는 동안 최적의 범위 내에 유지될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 발전 재산이 그 부하가 시간 경과에 따라 변경될 수도 있고(예를 들어, 날짜에 따라) 몇몇 발전 재산의 전력 출력이 변경될 수도 있는(예를 들어, 바람 조건, 구름 조건, 기계적 파괴, 전송 라인 고장, 원자로 코어의 스케쥴링된 연료 재공급을 위한 마개에 따라) 그리드에 접속되는 광범위한 설정에 적용될 수도 있다. 이들 용례의 일부는 이하에 더 설명된다.
본 발명의 실시예는 또한 다양한 "계기 배후(behind the meter)" 설정으로 적용될 수도 있는데, 즉 전력 사용자의 전력으로의 액세스 또는 전력의 비용이 시간 경과에 따라 변경하는(예를 들어, 날짜에 따라) 경우에 사용자가 소정 시간에 압축 공기 에너지 저장 시스템을 사용하여 에너지를 구매하여 저장하고 다른 시간에 저장 시스템을 사용하여 전력을 발전하는 것이 유리하다.
도 50은 통상의 기저부하 발전소(5002), 초고전압 전송 라인(5004), 전송 서브스테이션(5006), 지역적 고전압 전송 라인(5008), 그 자신의 승압 변압기(5012)를 갖는 대형 전력 부하(5010), 예를 들어 서브스테이션(5006)에서 전송 라인(5015)에 의해 네트워크에 접속된 중앙 집중형 갱신 가능한 발전기(5014)(예를 들어, 태양 패널, 풍력 터빈), 지역 전송 라인(5018), 분배 서브스테이션(5020), 국부 분배 라인(5022), 소형 스케일 전력 부하(5024)(예를 들어, 가정) 및 다양한 지점에서(양방향 화살표에 의해 지시된 바와 같이) 네트워크(5000)의 다른 구성 요소와 에너지를 교환할 수도 있는 등온 압축 공기 저장(ICAESTM) 시스템(5026, 5028, 5030, 5032, 5034)의 예시적인 전력 발전 및 소비 네트워크 또는 그리드(5000)의 개념도이다. 이러한 ICAES 시스템은 실린더 조립체의 작동의 열 효율 및 속도(따라서, 전력 밀도)를 증가시키기 위해 포말 기반 열전달을 채용하는 것들을 포함하는 본 명세서에서 다른 부분에 설명된 예시적인 에너지 저장 시스템의 임의의 하나 이상을 포함하거나 본질적으로 이루어질 수도 있다.
전력 라인, 서브스테이션, 부하 및 ICAES 시스템의 단일 표현은 동일한 유형의 가능한 다수의 복잡하게 상호 접속된 유닛에 대해, 도 50의 개념도에 표현되어 있는데, 즉 네트워크(5000)는 도 50에 표현된 바와 같이 네트워크(5000)보다 훨씬 더 복잡할 수도 있고 도 50에 표현되지 않은 구성 요소(예를 들어, 천연 가스에 의해 점화된 피크 발전기)를 포함할 수도 있는 실세계 네트워크(전력 그리드)의 클래스의 구성 요소의 개략적 표현이다. 그럼에도 불구하고, 도 50에 지시된 관계는 더 복잡한 실세계 네트워크 내의 구성 요소들 사이의 관계를 정확하게 표현할 수도 있다.
네트워크(5000) 내의 ICAES의 용례는 적어도 4개의 주 카테고리, (1) 통상의 발전, (2) 갱신 가능한 발전 및 폐열 발전, (3) 전송 및 네트워크 서비스 및 (4) 최종 사용자 지원으로 분류될 수도 있다.
통상의 전력 발전
ICAES(5026)가 통상의 발전소(5002)에서 승압 변압기의 저압측에 접속되는 경우에, 다수의 기능이 ICAES(5026)에 의해 수행될 수도 있다. ICAES(5026) 및 발전소(5002)의 저전압(국부) 전기 시스템과의 그 전기 접속부의 작동은 자동 제어부(예를 들어, 디지털 컴퓨터), 인간 제어기 또는 양자 모두를 포함하거나 본질적으로 이루어지는 제어 시스템(도시 생략)에 의해 지배된다. 다양한 소스로부터 유도된 신호는 ICAES(5026)의 제어 시스템으로 유도될 수도 있다. 이러한 신호는 네트워크(500)에 결합된 다른 발전 소스[통상의(5002) 및 갱신 가능한(5014)]의 이용 가능성 및 출력, 부하(예를 들어, 5010, 5024)의 크기 및 위치, 네트워크(5000) 전체에 걸쳐 모든 유형의 발전기[예를 들어, 지리학적으로 분산된 방식으로 부하(5010, 5024)와 동일 장소에 위치된 지붕 태양 패널과 같은 도 50에는 표현되지 않은 발전기를 포함함)의 이용 가능성 및 출력의 최근의 변화, 부하(5010, 5024)의 크기의 최근의 변화, ICAES 시스템 및 다른 저장 시스템(예를 들어, 수력 발전 저장조)에 저장된 에너지의 정량적 추정치, 부하가 위치되어 있는 지역의 온도의 정량적 예측(예를 들어, 내셔널 웨더 서비스로부터) 및 날씨의 다른 태양, 지리학적으로 관련된 지역에 걸친 최근의 날씨 이벤트(예를 들어, 강수량)에 기초하는 갱신 가능한(예를 들어, 수력 발전) 발전 용량의 예측, 네트워크(5000)와 다른 네트워크 사이의 전력의 교환을 위한 순간적인 시장 가격, 네트워크(5000)로의 임박한 물리적 문제(예를 들어, 폭풍우), 전송 설비(5004)의 작동 상태 및 부하 등을 설명하는 측정된, 전자 코딩된 원격 전송된(보고된) 정보를 포함한다.
제어기는 그가 수신하는 신호에 대해 ICAES(5026)의 작동에 대한 판정에 기초한다. 예를 들어, 통상의 발전기(5002)로부터[또는 전송 라인(5004)을 경유하여 네트워크(5000) 내의 다른 부분으로부터] 에너지는 부하에 대한 발전 용량의 잉여가 존재할 때(예를 들어, 야간에)의 시간에 ICAES(5026)에 저장될 수도 있다. 이러한 시간에, 수요에 대한 발전 용량의 부족이 존재할 때(예를 들어, 거의 정오 부근의 피크 수요 중에) 또는 더 고가의 발전기(예를 들어, 가스 점화식 피크 발전기)가 반드시 수요에 부합하도록 동작할 필요가 있을 때, 에너지는 ICAES(5026)로부터 회수되고 네트워크(5000)를 통해 부하에 전송될 수도 있다. 이러한 전기 에너지 시프팅은 더 고가의 피크 발전기의 작동을 제거하거나 완화함으로써 네트워크(5000) 내의 에너지 비용을 감소시킬 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 특정 발전기와 연관된 ICAES(5026)는 네트워크(5000) 내의 하나 이상의 다른 발전기(도시 생략)가 이용 불가능해질 때(예를 들어, 기계적 고장 또는 스케쥴링된 연료 재공급에 기인하여) 추출될 수 있는 보존 용량으로서 작용할 수도 있고 또는 감소된 용량으로서 작동해야 한다(예를 들어, 수력 발전 설비에서 낮은 물 레벨에 기인하여).
대안적으로 또는 부가적으로, 에너지는 네트워크(5000) 전체에 걸친 부하(5024, 5010)의 증가에 응답하여 ICAES(5026)로부터 추출될 수도 있다. 이러한 부하의 증가는 일상적일 수도 있고(예를 들어, 수요시에 일상적으로 피크임) 또는 특이하다[예를 들어, 더 큰 수의 더 작은 부하의 통계적 변동에 기인하여 또는 라인 상에서 오는 큰 사용자(5010)에 기인하여]. 이러한 용례는 일반적으로 "부하 추종"의 형태로 명명될 수도 있다.
갱신 가능한 전력 발전
상당한 크기(즉, 풍력 발전 시설 또는 다른 비분산형 발전기)의 갱신 가능한 발전기(5014)와 동시에 배치된 ICAES(5028)는 전송 라인(5015)을 통한 그 출력의 구매자에 의해 보여지는 바와 같이 이들의 전력 출력의 간헐성을 감소시킴으로써 이러한 발전기에 의해 제공된 전력의 값을 증가시킬 수 있다. 즉, 전력을 위한 수요가 낮거나 갱신 가능한 발전기(5014)에 의한 발전이 비교적 높을 때의 기간 동안, 갱신 가능한 발전기(5014)에 의해 생성된 일부 또는 모든 전기가 ICAES(5028)에 저장될 수도 있다. 전력의 수요(및/또는 가격)가 높을 때 또는 갱신 가능한 발전기(5014)에 의한 발전이 비교적 낮을 때의 기간에, 에너지는 ICAES(5028)로부터 회수되고 전력 라인(5015)을 경유하여 네트워크(5000)에 전송될 수도 있다. 규칙적인 스케쥴로 ICAES(5028)로부터의 에너지의 회수는 일반적으로 에너지 시간 시프팅이라 명명되고, 발전기(5014)의 출력 간헐성을 완화하기 위한 ICAES(5028)의 사용은 일반적으로 발전기의 안정화(firming)라 명명된다. 다수의 실세계 네트워크에서, 주어진 발전기로부터 에너지의 유닛당 값은 그 에너지의 요구시 이용 가능성에 부분적으로 조절되는데, 갱신 가능한 발전기(5014)로부터의 에너지의 단일성의 이용 가능성은 ICAES(5028)를 통해 발전기(5014)의 출력의 부분적 버퍼링에 의해 증가되기 때문에, 갱신 가능한 발전기(5014)의 출력을 안정화하기 위한 ICAES(5028)의 사용이 유리할 수도 있다.
전송 및 네트워크 서비스
적절한 전자 제어 신호에 의해, ICAES(5026)의 제어기는 네트워크(5000) 전체에 걸쳐 위치될 수도 있는 ICAES 유닛(5026, 5028, 5030, 5032, 5034) 및 다른 에너지 저장 시스템을 동시에 또는 독립적으로 제어할 수도 있다. ICAES 유닛은 도 50에 지시된 일부 또는 전체 지점 및/또는 도 50에 도시되지 않은 부가의 지점에서 네트워크(5000)에 부착될 수도 있다. 네트워크(5000) 전체에 걸친 ICAES 유닛 및 다른 저장 유닛의 동시의 원격 제어는 예를 들어 다양한 전송 및 네트워크 서비스를 제공하고, 항상 네트워크 전체에 걸쳐 부하에 대한 발전기(저장 유닛을 포함함)의 최저 비용 정합을 가능하게 할 수도 있고, 총 부하가 네트워크(5000)의 발전 용량을 초과하면, 공급 수요 오정합에 기인하는 경제적 및 다른 손실의 최소화를 가능하게 할 수도 있다. 네트워크(5000)의 부분 전체에 걸쳐 전송 라인 상의 전압이 강하하게 할 수도 있는 부하(5024, 5010)의 단기 변동은 네트워크(5000)에 에너지를 추가하기 위해 ICAES 유닛[예를 들어, 유닛(5034, 5030)]의 급속한 활성화에 의해 완화될 수도 있다. 이러한 급속 응답 발전기의 활성화는 일반적으로 전압 지원이라 명명될 수도 있다.
몇몇 전송 라인(예를 들어, 5018)이 과부하될 때, 즉, 이들이 안전하게 전달하는 것이 가능하지만(예를 들어, 부하(5024)에서) 여전히 수요가 증가하는 만큼 또는 거의 그만큼을 전달할 때, 제어기는 과부하된 전송 라인을 통해 부가의 전력의 전송을 위한 필요성을 제거하기 위해 저장 장치[예를 들어, ICAES(5034)]로부터 에너지가 추출될 수 있게 한다. 이러한 전송 지원은 네트워크(5000) 내의 특정 전송 라인의 용량의 스케쥴링된 업그레이드가 연기될 수 있게 할 수도 있다. 일시적인 전송 혼잡의 완화가 또한 이러한 수단에 의해 제공될 수도 있다.
개별 서브스테이션(예를 들어, 5006, 5020)으로의 전력은 광범한 전력 정전 중에 그에 부착된 ICAES 유닛(예를 들어, 5030, 5034)에 의해 공급될 수도 있어, 현장 작동 및 따라서 더 고속의 네트워크 복구를 지원한다.
최종 사용자
그리드(예를 들어, 5032, 5034) 내에 분산된 ICAES 유닛에 저장된 에너지는 장거리 전송 라인(예를 들어, 5004, 5008)이 불능화되거나 오버로드될 때 또는 1차 발전기(예를 들어, 5002)가 불능화되거나 다른 정전 조건에 있을 때, 국부적인 부하에 전력을 일시적으로 공급하는데 사용될 수도 있다. 부하의 국부적인 네트워크의 이러한 전력 공급은 일반적으로 아일랜딩(islanding)이라 명명한다. 거주 이웃, 산업적 공원, 대형 빌딩, 군사 기지, 큰 단일 사용자(예를 들어, 5010) 및 다른 국부적인 부하의 아일랜딩이 ICAES 유닛에 의해 가능화되거나 지원될 수도 있다.
단일의 큰 사용자(5010)를 위한 사용 시간 관리가 ICAES(5032)에 의해 가능화될 수도 있다. 즉, 에너지는 가격이 낮을 때(예를 들어, 밤에) 그리드로부터 사용자(5010)에 의해 구매되고, ICAES(5032)에 저장되고, 이어서 가격이 높을 때(예를 들어, 낮 동안) 저장 장치로부터 추출될 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, ICAES(5032)는 전력 품질이 사용자(5010)에 대해 높아 네트워크(5000)로부터 전력의 품질 또는 이용 가능성의 변동에 의해 수반된 경제적 손실(예를 들어, 데이터 손실)에 대해 보호하는 것을 보장할 수도 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, ICAES(5032) 내의 에너지의 저장 및 그로부터 에너지의 회수는 사용자(5010)가 수요 변화 및 사용 시간을 관리하는 방식으로 그 수요 프로파일을 형상화하는 것을 가능하게 할 수도 있다.
본 발명의 모든 이들 용례, 뿐만 아니라 본 명세서에 명시적으로 설명되지 않은 다른 것들이 고려된다.
일반적으로, 본 명세서에 설명된 시스템은 높은 효율을 갖는 풀 사이클 에너지 저장 시스템의 부분으로서 역 압축 모드 및 팽창 모드의 모두로 작동될 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 압축기 및 팽창기의 모두로서 작동될 수도 있어, 압축 가스의 포텐셜 에너지의 형태로 전기를 저장하고 압축 가스의 포텐셜 에너지로부터 전기를 생성한다. 대안적으로, 시스템은 압축기 또는 팽창기로서 독립적으로 작동될 수도 있다.
본 발명의 실시예는 작동 중에, 그 전문이 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는 2011년 8월 30일 출원된 미국 특허 출원 제13/221,563호에 설명된 바와 같이, 압축 가스의 형태로 저장되고 그리고/또는 압축 가스의 팽창으로부터 회수된 에너지를 예를 들어 상승된 질량체의 중력 포텐셜 에너지로 변환할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 시스템은 '914 출원 및 그 전문이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2011년 4월 6일 출원된 미국 특허 출원 제13/080,910호에 설명된 바와 같이, 하나 이상의 실린더 조립체 및/또는 다른 구성 요소 내의 사공간을 최소화하거나 제거하기 위해 실질적으로 비압축성 유체 및/또는 하나 이상의 압축 저장조를 이용할 수도 있다. 이들 출원에 또한 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 실린더 조립체로부터 열교환 구성 요소(예를 들어, 이들에 및/또는 실린더 조립체와 이러한 구성 요소 사이에 연결된 열교환기, 펌프 및/또는 파이프) 내로의 압축성 유체(예를 들어, 가스 또는 포말)의 유동을 실질적으로 방지하기 위한 메커니즘을 구비할 수도 있고, 이에 의해 열교환 구성 요소 내의 사공간의 형성을 실질적으로 방지할 수도 있다. 예를 들어, 다양한 실시예는 실린더 조립체 내로 열교환 유체를 도입하는 스프레이 생성 또는 포말 생성 메커니즘 내의 노즐들 중 하나 이상의 상류측에 하나 이상의 체크 밸브를 구비한다.
본 명세서에 이용된 용어 및 표현은 한정이 아니라 설명의 용어로서 사용된 것이고, 이러한 용어 및 표현의 사용시에, 도시되고 설명된 특징들 또는 이들의 부분의 임의의 등가물의 배제의 의도는 없지만, 다양한 수정이 청구된 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것이 인식된다.

Claims (451)

  1. 에너지 회수 방법이며,
    제1 실린더 조립체에 제1 포말을 전달하는 단계로서, 제1 포말은 제1 포말 팽창비를 갖는 제1 포말 전달 단계와,
    제1 실린더 조립체 내에서 제1 포말을 팽창시켜 에너지를 회수하는 단계와,
    그 후에, 제1 실린더 조립체와는 상이한 제2 실린더 조립체로 제2 포말을 전달하는 단계로서, 제2 포말은 제1 포말 팽창비보다 큰 제2 포말 팽창비를 갖는 제2 포말 전달 단계와,
    제2 실린더 조립체 내에서 제2 포말을 팽창시켜 에너지를 회수하는 단계를 포함하는 에너지 회수 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 실린더 조립체로부터 팽창된 제2 포말을 배출하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  3. 제2항에 있어서, 팽창된 제2 포말의 적어도 가스 부분은 주위 분위기로 배출되는 에너지 회수 방법.
  4. 제1항에 있어서, (i) 제1 포말의 팽창 후에, 팽창된 제1 포말은 제1 실린더 조립체로부터 배출되고, (ii) 제2 포말은 팽창된 제1 포말의 적어도 일부를 포함하는 에너지 회수 방법.
  5. 제4항에 있어서, 팽창된 제1 포말은 포말 용기 내로 배출되고, 포말 용기 내에서 열전달 액체를 순환시켜 제2 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    제1 포말을 팽창한 후에, 팽창된 제1 포말의 적어도 일부를 기체 및 액체 성분으로 분리하는 단계, 및
    팽창된 제1 포말의 가스 성분 내로 열전달 유체를 도입함으로써 제2 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  7. 제6항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  8. 제7항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  9. 제6항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 액체 성분을 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  10. 제1항에 있어서, 제1 포말의 질량비는 제2 포말의 질량비와 대략 동일한 에너지 회수 방법.
  11. 제1항에 있어서, 제1 포말의 팽창 전에 제1 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  12. 제1항에 있어서, 제2 포말의 팽창 전에 제2 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  13. 제1항에 있어서, 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 회수 방법.
  14. 제1항에 있어서, 제2 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 회수 방법.
  15. 제1항에 있어서, 제1 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창되고, 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창되는 에너지 회수 방법.
  16. 제1항에 있어서, 열전달 액체와 압축 가스를 혼합함으로써 제1 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  17. 제16항에 있어서, 압축 가스로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제1 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제1 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 회수 방법.
  19. 제1항에 있어서, 제1 포말을 팽창하는 단계 및 제2 포말을 팽창하는 단계는 모두 제1 및 제2 실린더 조립체에 기계적으로 결합된 크랭크샤프트를 구동하는 에너지 회수 방법.
  20. 에너지 저장 방법이며,
    제1 포말 팽창비를 갖는 제1 포말을 형성하기 위해 가스 내에 열전달 액체를 분산하는 단계와,
    제1 실린더 조립체 내에 제1 포말을 압축하는 단계와,
    그 후에 제1 실린더 조립체와는 상이한 제2 실린더 조립체로 제2 포말을 전달하는 단계로서, 제2 포말은 제1 포말 팽창비보다 작은 제2 포말 팽창비를 갖는 제2 포말 전달 단계와,
    제2 실린더 조립체 내에 제2 포말을 압축하는 단계와,
    제2 실린더 조립체로부터 압축된 제2 포말을 배출하는 단계와,
    압축된 제2 포말의 적어도 가스 성분을 저장하는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  21. 제20항에 있어서, 가스는 대략 대기압에서 공기를 포함하는 에너지 저장 방법.
  22. 제20항에 있어서, 제1 실린더 조립체 내에서 제1 포말을 압축하기 전에 제1 실린더 조립체에 제1 포말을 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  23. 제20항에 있어서, 가스 성분을 저장하기 전에 압축된 제2 포말로부터 액체 성분의 적어도 일부를 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  24. 제23항에 있어서, 액체 성분의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  25. 제24항에 있어서, 액체 성분의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  26. 제20항에 있어서, 압축된 제2 포말의 적어도 가스 성분을 저장하는 단계는 압축된 제2 포말의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장하는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  27. 제26항에 있어서, 가스 및 액체 성분은 동일한 저장조 내에 저장되는 에너지 저장 방법.
  28. 제20항에 있어서, (i) 제1 실린더 조립체 내의 제1 포말의 압축 후에, 압축된 제1 포말은 제1 실린더 챔버로부터 배출되고, (ii) 제2 포말은 압축된 제1 포말의 적어도 일부를 포함하는 에너지 저장 방법.
  29. 제28항에 있어서, 압축된 제1 포말은 포말 용기 내로 배출되고, 포말 용기 내로 열전달 액체를 도입하여 제2 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  30. 제20항에 있어서,
    제1 포말을 압축한 후에, 압축된 제1 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계, 및
    압축된 제1 포말의 가스 성분 내로 열전달 액체를 도입함으로써 제2 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  31. 제30항에 있어서, 압축된 제1 포말의 가스 성분 내로 도입된 열전달 액체는 분리된 압축된 제1 포말의 액체 성분의 적어도 일부를 포함하는 에너지 저장 방법.
  32. 제30항에 있어서, 압축된 제1 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  33. 제32항에 있어서, 압축된 제1 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  34. 제30항에 있어서, 압축된 제1 포말의 액체 성분을 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  35. 제20항에 있어서, 제1 포말의 질량비는 제2 포말의 질량비에 대략적으로 동일한 에너지 저장 방법.
  36. 제20항에 있어서, 제1 포말을 압축하기 전에 제1 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  37. 제20항에 있어서, 제2 포말을 압축하기 전에 제2 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  38. 제20항에 있어서, 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 방법.
  39. 제20항에 있어서, 제2 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 방법.
  40. 제20항에 있어서, 제1 포말은 실질적으로 등온적으로 압축되고, 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 압축되는 에너지 저장 방법.
  41. 제20항에 있어서, 가스 내로의 열전달 액체의 분산율을 제어함으로써 제1 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  42. 제41항에 있어서, 제1 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 분산율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 방법.
  43. 제20항에 있어서, 제1 포말을 압축하고 제2 포말을 압축하기 위해, 제1 및 제2 실린더 조립체에 기계적으로 결합된 크랭크샤프트를 구동하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  44. 제20항에 있어서, 제1 포말을 형성하는 단계는 스크린 상에 열전달 액체를 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  45. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하거나 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체와,
    저장조와,
    실린더 조립체 및 저장조에 선택적으로 유동 접속되고, (i) 저장조로부터 가스 및 열전달 액체를 수용하고, (ii) 가스와 열전달 액체를 혼합하여 포말을 형성하고, (iii) 포말을 실린더 조립체에 전달하기 위한 혼합 챔버를 포함하고,
    혼합 챔버는 (i) 가스를 전달하기 위한 제1 도관 및 (ii) 제1 도관과 상이하고, 열전달 액체를 전달하기 위한 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 접속되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  46. 제45항에 있어서, 혼합 챔버 내에서, 포말의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  47. 제46항에 있어서, 메커니즘은 스크린 또는 초음파 에너지의 소스 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  48. 제46항에 있어서, 적어도 하나의 특성은 포말 셀 크기 또는 포말 셀 크기 균일도 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  49. 제45항에 있어서, 혼합 챔버 내의 제1 도관 또는 제2 도관 중 적어도 하나에 결합된 포말 생성 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  50. 제49항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  51. 제45항에 있어서, 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  52. 제51항에 있어서, 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속된 분위기로 팽창된 가스를 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  53. 제45항에 있어서, 실린더 조립체 내의 실질적으로 등온 압축 또는 실질적으로 등온 팽창 중 적어도 하나를 시행하기 위해 실린더 조립체 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  54. 제53항에 있어서, 실린더 조립체 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나 내의 압력을 검출하기 위한 센서를 더 포함하고, 제어 시스템은 센서에 응답하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 혼합 챔버 내로의 열전달 액체의 유량을 제어하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  56. 제45항에 있어서, 제2 도관 내에 열전달 액체를 전달하기 위한 순환 장치를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 순환 장치는 가변 속도 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  58. 제45항에 있어서,
    (i) 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리하는 가동 경계 메커니즘, 및
    (ii) 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해, 경계 메커니즘에 기계적으로 결합된 크랭크샤프트를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  59. 제58항에 있어서, 크랭크샤프트에 결합된 모터/발전기를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  60. 제45항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  61. 제45항에 있어서, 제1 도관은 또한 액체를 전달하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  62. 제45항에 있어서, 제2 도관은 또한 가스를 전달하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  63. 에너지 저장 방법이며,
    실린더 내에서 포말을 제1 압력으로 압축하는 단계와,
    압축된 포말을 저장조로 전달하는 단계로서, 그 내부의 압축된 포말은 대략적으로 제1 압력에서 가스 및 액체 성분으로 적어도 부분적으로 분리하는 전달 단계와,
    저장조로부터 액체 성분의 적어도 일부를 제거하는 단계와,
    제1 압력보다 낮은 제2 압력에서 액체 성분의 적어도 일부를 저장하는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  64. 제63항에 있어서, 제2 압력에서 액체 성분의 적어도 일부를 저장하기 전에, 액체 성분의 적어도 일부의 압력을 감소시킴으로써 액체 성분의 적어도 일부로부터 에너지를 회수하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  65. 제64항에 있어서, 회수된 에너지로 크랭크샤프트를 구동하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  66. 제65항에 있어서, 크랭크샤프트는 실린더에 기계적으로 결합되는 에너지 저장 방법.
  67. 제63항에 있어서, 포말을 압축하기 전에, 열전달 액체와 가스를 혼합함으로써 포말을 형성하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  68. 제67항에 있어서, 포말은 실린더에 선택적으로 유동 접속된 포말 용기 내에서 형성되고, 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 방법.
  69. 제67항에 있어서, 포말을 형성하는 단계는 스크린 상에 열전달 액체를 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  70. 제67항에 있어서, 포말을 압축하기 전에, 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  71. 제67항에 있어서, 가스 내로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  72. 제71항에 있어서, 실린더 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 방법.
  73. 제63항에 있어서,
    저장된 액체 성분의 적어도 일부를 가스와 혼합하여 부가의 포말을 형성하는 단계, 및
    부가의 포말을 압축하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  74. 제63항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 방법.
  75. 제63항에 있어서, 포말은 실질적으로 등온적으로 압축되는 에너지 저장 방법.
  76. 제63항에 있어서, 포말을 압축하는 단계는 실린더에 결합된 크랭크샤프트를 구동하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  77. 제63항에 있어서, 압축된 포말은 중력에 기인하여 적어도 부분적으로 분리되는 에너지 저장 방법.
  78. 제63항에 있어서, 압축된 포말은 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 적어도 부분적으로 분리되는 에너지 저장 방법.
  79. 제78항에 있어서, 압축된 포말은 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 적어도 부분적으로 분리되는 에너지 저장 방법.
  80. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제1 실린더 조립체와,
    제1 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속되고, 그 내부에 제1 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제1 포말 용기와,
    제1 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속되고, 그 내부에 제2 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제2 포말 용기와,
    제2 포말 용기에 선택적으로 유동 접속되고, 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체로서, 제2 실린더 조립체는 제1 실린더 조립체의 압력 작동 범위와는 상이한 압력 작동 범위를 갖는 제2 실린더 조립체와,
    제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 접속되고, 그 내부에 제3 포말의 중간 저장 또는 형성 중 적어도 하나를 위한 제3 포말 용기를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  81. 제80항에 있어서, 제3 포말 용기에 선택적으로 유동 접속된 주위 분위기로의 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  82. 제80항에 있어서, 제1 포말 용기에 선택적으로 유동 접속된, 압축 가스의 저장을 위한 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  83. 제80항에 있어서, 제1 포말 용기 내의 제1 위치로부터 제1 위치와는 상이한 제1 포말 용기 내의 제2 위치로 포말 또는 액체 중 적어도 하나를 전달하기 위한 재순환 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  84. 제80항에 있어서, 제1 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  85. 제80항에 있어서, 제2 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  86. 제80항에 있어서, 제3 포말 용기는 압력 용기, 파이프 또는 매니폴드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  87. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    (a) 포말 생성 메커니즘으로서,
    스프레이 챔버,
    스프레이 챔버를 통해 유동하는 가스 내로 액체를 분산하기 위한 적어도 하나의 분산 메커니즘, 및
    적어도 하나의 분산 메커니즘에 유동 결합되고, 액체를 수용하기 위한 저장조
    를 포함하는 포말 생성 메커니즘과,
    (b) 스프레이 챔버로부터 포말을 수용하기 위한 매니폴드와,
    (c) 매니폴드에 선택적으로 유동 연결되고, 그 내부의 포말의 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 위한 적어도 하나의 실린더 조립체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  88. 제87항에 있어서, 스프레이 챔버를 통한 가스의 유동을 적어도 부분적으로 형성하기 위한 순환 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  89. 제88항에 있어서, 순환 메커니즘은 팬을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  90. 제87항에 있어서, 저장조로부터 적어도 하나의 분산 메커니즘으로 액체를 순환하기 위한 순환 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  91. 제90항에 있어서, 순환 메커니즘은 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  92. 제91항에 있어서, 펌프는 가변 속도 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  93. 제87항에 있어서, 매니폴드에 연결되고, 적어도 매니폴드 내의 포말의 형성 중에 매니폴드로부터 가스를 배출하기 위한 밸브를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  94. 제87항에 있어서, 스프레이 챔버와 매니폴드 사이에 배치되고, 포말이 스프레이 챔버 내의 분산된 액체로부터 매니폴드 내에 형성되는 스크린을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  95. 제87항에 있어서, 매니폴드에 선택적으로 유동 연결되는 분리 챔버를 더 포함하고, 분리 챔버는 포말을 가스 및 액체 성분으로 분리하기 위한 분리 메커니즘을 그 내에 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  96. 제95항에 있어서, 분리 챔버는 저장조에 선택적으로 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  97. 제95항에 있어서, 분리 메커니즘은 초음파 에너지의 소스, 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  98. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    (i) 제1 압력 범위에 걸쳐 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 위한 저압 실린더 및 (ii) 제1 압력 범위와는 상이하고 적어도 중간 압력에서 제1 압력 범위를 중첩하는 제2 압력 범위에 걸쳐 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 위한 고압 실린더를 각각 포함하는 복수의 실린더 쌍과,
    제1 압력 범위 내에서 저압에서 포말을 생성하기 위한 제1 포말 생성 메커니즘과,
    제1 포말 생성 메커니즘과는 상이하고, 제2 압력 범위 내에서 고압에서 포말을 생성하기 위한 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  99. 제98항에 있어서, (i) 복수의 저압 실린더 및 (ii) 제1 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, 저압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  100. 제98항에 있어서, (i) 복수의 고압 실린더 및 (ii) 제2 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, 고압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  101. 제98항에 있어서, 제1 포말 생성 메커니즘은 (i) 가스 내에 액체를 분배하기 위한 적어도 하나의 분산 메커니즘 및 (ii) 포말이 분산된 액체로부터 형성되는 스크린을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  102. 제98항에 있어서, 제2 포말 생성 메커니즘은 액체의 스프레이, 산포, 분무 또는 교반 중 적어도 하나를 위한 분산 메커니즘을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  103. 제98항에 있어서, 중간 압력에서 포말을 생성하기 위한 제3 포말 생성 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  104. 제103항에 있어서, (i) 복수의 저압 실린더, (ii) 복수의 고압 실린더 및 (iii) 제3 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, 중간압에서 포말의 중간 저장을 위한 매니폴드를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  105. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    에너지를 저장하기 위한 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체로서, 실린더 조립체는 그 내부에 제1 가동 경계 메커니즘 및 제1 가동 경계 메커니즘에 결합된 제1 로드를 포함하는 실린더 조립체와,
    실린더 조립체 내에 포말을 도입하기 위한 포말 생성 메커니즘과,
    포말 생성 메커니즘에 열전달 유체를 펌핑하기 위한 펌핑 실린더로서, 펌핑 실린더는 그 내부에 제2 가동 경계 메커니즘 및 제2 가동 경계 메커니즘에 결합된 제2 로드를 포함하는 펌핑 실린더와,
    실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 압축 가스의 저장을 위한 제1 저장조와,
    펌핑 실린더에 선택적으로 유동 연결된, 열전달 유체의 저장을 위한 제2 저장조를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  106. 제105항에 있어서, 제1 저장조 및 제2 저장조는 동일한 에너지 저장 및 회수 시스템.
  107. 제105항에 있어서, 제1 저장조 및 제2 저장조는 상이한 에너지 저장 및 회수 시스템.
  108. 제105항에 있어서, 열전달 유체를 열적으로 조절하기 위한 열전달 서브시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  109. 제108항에 있어서, 열전달 서브시스템은 열교환기를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  110. 제105항에 있어서, 제1 및 제2 로드는 회전 운동으로 제1 및 제2 로드의 왕복 운동을 상호 변환하기 위한 메커니즘에 기계적으로 결합되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  111. 제110항에 있어서, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  112. 제111항에 있어서, 크랭크샤프트는 제1 및 제2 로드를 고정 위상 관계로 유지하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  113. 제105항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  114. 제105항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체의 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  115. 제105항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  116. 제105항에 있어서, 제1 저장조는 제2 저장조가 유체를 저장하는 압력과는 상이한 압력에서 유체를 저장하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  117. 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    저장조로부터 그에 선택적으로 유동 연결된 혼합 챔버에 압축 가스를 전달하는 단계와,
    혼합 챔버 내에서, 압축 가스 및 열전달 유체를 포함하는 제1 포말을 형성하는 단계와,
    혼합 챔버로부터 실린더로 제1 포말을 전달하는 단계와,
    그로부터 에너지를 회수하도록 실린더 내에서 제1 포말을 팽창하는 단계와,
    실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계와,
    실린더 내에 제2 포말을 도입하는 단계와,
    그 내부에 에너지를 저장하기 위해 실린더 내에서 제2 포말을 압축하는 단계와,
    압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조에 전달하는 단계로서, 전달은 혼합 챔버를 바이패스하는 전달 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  118. 제117항에 있어서, 제1 포말을 팽창하기 전에 제1 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  119. 제117항에 있어서, 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  120. 제117항에 있어서, 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말을 제2 실린더로 전달하는 단계를 포함하고, 제2 실린더 내에서 팽창된 제1 포말을 팽창하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  121. 제117항에 있어서, 팽창된 제1 포말을 가스 성분과 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  122. 제121항에 있어서, 팽창된 제1 포말은 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  123. 제122항에 있어서, 팽창된 제1 포말은 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  124. 제117항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 액체 성분을 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  125. 제117항에 있어서, 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는
    에너지 저장 및 회수 방법.
  126. 제117항에 있어서, 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조로 전달하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분을 저장조로 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  127. 제117항에 있어서, 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조로 전달하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장조에 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  128. 제117항에 있어서, 압축된 제2 포말의 적어도 일부는 실린더와 저장조 사이의 바이패스 연결부를 경유하여 저장조에 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  129. 제128항에 있어서, 밸브는 저장조로의 전달 중에 혼합 챔버 내로의 압축된 제2 포말의 진입을 실질적으로 방지하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  130. 제128항에 있어서, 압축된 제2 포말의 제2 부분은 실린더로부터 혼합 챔버를 경유하여 저장조로 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  131. 제117항에 있어서, 제1 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창되고, 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 압축되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  132. 제117항에 있어서, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함하고, 실린더 내에서 제1 포말을 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템 중 적어도 하나를 구동하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  133. 제132항에 있어서, 제1 포말을 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동하고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  134. 제117항에 있어서, 제1 포말을 형성하는 단계는 혼합 챔버 내로 열전달 액체를 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  135. 제134항에 있어서, 혼합 챔버 내로 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 제1 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  136. 제135항에 있어서, 실린더 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  137. 에너지 회수 방법이며,
    저장조 내에서, 압축 가스 및 열전달 유체를 포함하는 제1 포말을 형성하는 단계와,
    제1 포말을 실린더에 전달하는 단계와,
    실린더 내에서 제1 포말을 팽창하여 그로부터 에너지를 회수하는 단계와,
    실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계와,
    실린더 내에서 제2 포말을 압축하여 그 내부에 에너지를 저장하는 단계와,
    압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장조 내에 저장하는 단계를 포함하는 에너지 회수 방법.
  138. 제137항에 있어서, 저장조 내에서 제1 포말을 형성하는 단계는 포말 생성 메커니즘을 경유하여 열전달 유체와 압축 가스를 혼합하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  139. 제138항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 회수 방법.
  140. 제138항에 있어서, 저장조의 영역으로부터 포말 생성 메커니즘으로 열전달 액체를 순환시키는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  141. 제140항에 있어서, 열전달 액체는 저장조의 외부에서 순환되는 에너지 회수 방법.
  142. 제137항에 있어서, 제1 포말을 팽창하기 전에 제1 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  143. 제137항에 있어서, 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  144. 제137항에 있어서, 팽창된 제1 포말을 가스 성분 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  145. 제144항에 있어서, 팽창된 제1 포말은 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  146. 제145항에 있어서, 팽창된 제1 포말은 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  147. 제137항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 액체 성분을 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  148. 제147항에 있어서, 팽창된 제1 포말의 액체 성분은 저장조 내에 저장되는 에너지 회수 방법.
  149. 제137항에 있어서, 제1 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 회수 방법.
  150. 제137항에 있어서, 저장조 내에 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분을 저장하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  151. 제137항에 있어서, 저장조 내에 압축된 제2 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 제2 포말의 적어도 일부의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  152. 제137항에 있어서, 실린더로부터 팽창된 제1 포말을 제거하는 단계는 팽창된 제1 포말을 제2 실린더로 전달하는 것을 포함하고, 제2 실린더 내에서 팽창된 제1 포말을 팽창하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  153. 제137항에 있어서, 제1 포말은 실질적으로 등온으로 팽창되고, 제2 포말은 실질적으로 등온적으로 압축되는 에너지 회수 방법.
  154. 제137항에 있어서, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함하고, 실린더 내에서 제1 포말을 팽창시키는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템 중 적어도 하나를 구동하는 에너지 회수 방법.
  155. 제154항에 있어서, 제1 포말을 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동하고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 회수 방법.
  156. 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    실린더 내에 가스를 전달하는 단계와,
    열전달 액체를 실린더 내로 전달하여 그 내부에서 가스와 혼합하고 가스와 열전달 액체를 포함하는 포말을 형성하는 단계와,
    실린더 내에서, 에너지를 저장하기 위해 포말을 압축하거나 에너지를 회수하기 위해 포말을 팽창하는 것 중 적어도 하나의 단계와,
    실린더로부터 압축 또는 팽창된 포말을 배출하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  157. 제156항에 있어서, 가스는 저장조로부터 실린더 내로 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  158. 제157항에 있어서, 열전달 액체는 저장조로부터 실린더 내로 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  159. 제156항에 있어서, 가스와 열전달 액체는 상이한 입구를 경유하여 실린더 내로 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  160. 제156항에 있어서, 포말은 압축되고, 저장조 내에 압축된 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  161. 제160항에 있어서, 저장조 내에 압축된 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분을 저장하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  162. 제160항에 있어서, 저장조 내에 압축된 포말의 적어도 일부를 저장하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분 및 액체 성분의 모두를 저장하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  163. 제156항에 있어서, 실린더 내로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  164. 제163항에 있어서, 실린더 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  165. 제156항에 있어서, 포말은 팽창되고, 실린더로부터 팽창된 포말을 배출하는 단계는 팽창된 포말의 가스 성분을 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  166. 제156항에 있어서, 포말은 팽창되고, 실린더로부터 팽창된 포말을 배출하는 단계는 팽창된 포말을 제2 실린더로 전달하는 것을 포함하고, 제2 실린더 내에서 팽창된 포말을 팽창하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  167. 제156항에 있어서, 포말은 팽창되고, 팽창된 포말을 가스 성분 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  168. 제167항에 있어서, 팽창된 포말은 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  169. 제168항에 있어서, 팽창된 포말은 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  170. 제156항에 있어서, 포말은 팽창되고, 팽창된 포말의 액체 성분을 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  171. 제156항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  172. 제156항에 있어서, 포말은 실질적으로 등온적으로 팽창되거나 압축되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  173. 제156항에 있어서, 포말은 팽창되고, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함하고, 포말을 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템 중 적어도 하나를 구동하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  174. 제173항에 있어서, 포말을 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동하고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  175. 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    복수의 별개의 스테이지 내에서 에너지를 저장하기 위해 가스를 압축하는 것 또는 에너지를 회수하기 위해 가스를 팽창하는 것 중 적어도 하나의 단계로서, 각각의 스테이지는 상이한 압력 범위에 걸쳐 수행되는 단계를 포함하고,
    (i) 스테이지 중 하나 중에, 열은 가스와 가스 내로 도입된 제1 열전달 유체의 별개의 액적 사이에서 교환되고, (ii) 스테이지의 다른 하나 중에, 열은 가스와 제2 열전달 유체 사이에서 교환되고, 가스와 제2 열전달 유체는 조합되어 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  176. 제175항에 있어서, 스테이지의 다른 하나 중에 압축 또는 팽창의 적어도 하나 후에, 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  177. 제176항에 있어서, 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  178. 제177항에 있어서, 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  179. 제175항에 있어서, 가스는 압축되고, 그 후에 저장조 내에 가스를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  180. 제175항에 있어서, 가스는 팽창되고, 그 후에 주위 분위기로 가스를 통기하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  181. 제175항에 있어서, 제1 및 제2 열전달 유체는 동일한 액체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  182. 제181항에 있어서, 제2 열전달 유체는 발포성 첨가제를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  183. 제175항에 있어서, 제1 열전달 유체의 별개의 액적은 스프레이에 의해 가스 내로 도입되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  184. 제175항에 있어서, 제1 열전달 유체의 별개의 액적과 가스 사이의 열교환은 스테이지들 중 하나 중에 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  185. 제175항에 있어서, 가스와 제2 열전달 유체 사이의 포말 내의 열교환은 스테이지들 중 다른 하나 중에 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  186. 제175항에 있어서, 스테이지들 중 다른 하나 중에 팽창 또는 압축 중 적어도 하나는 실린더 내에서 수행되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  187. 제186항에 있어서, 실린더 내에서 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 포말을 생성하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  188. 제186항에 있어서, (i) 실린더의 외부에서 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 포말을 생성하는 단계, 및 (ii) 포말을 실린더 내로 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  189. 제188항에 있어서, 포말이 실린더에 진입하기 전에 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  190. 제186항에 있어서, 가스는 팽창되고, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함하고, 실린더 내에서 가스를 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 실린더 중 적어도 하나를 구동하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  191. 제190항에 있어서, 가스를 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동하고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  192. 제191항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  193. 제175항에 있어서, 포말을 형성하는 단계는 제2 열전달 유체를 가스 내로 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  194. 제193항에 있어서, 제2 열전달 유체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  195. 제194항에 있어서, 스테이지들 중 적어도 하나 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  196. 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    실린더 내에서 2개의 상이한 프로세스를 수행하는 단계로서, 프로세스는 (i) 에너지를 저장하기 위해 가스를 압축하는 것 및 (ii) 에너지를 회수하기 위해 가스를 팽창하는 것을 포함하는 2개의 상이한 프로세스 수행 단계와,
    프로세스들 중 하나 중에, 제1 열전달 유체의 별개의 액적을 그에 도입함으로써 가스와 열을 교환하는 단계와,
    프로세스들 중 다른 하나 중에, 제2 열전달 유체와 가스를 혼합함으로써 가스와 열을 교환하여 포말을 형성하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  197. 제196항에 있어서, 프로세스들 중 다른 하나 후에, 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  198. 제197항에 있어서, 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  199. 제198항에 있어서, 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  200. 제196항에 있어서, 가스의 압축 후에, 저장조 내에 가스를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  201. 제196항에 있어서, 가스의 팽창 후에, 가스를 주위 분위기로 통기하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  202. 제196항에 있어서, 제1 및 제2 열전달 유체는 동일한 액체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  203. 제202항에 있어서, 제2 열전달 유체는 발포성 첨가제를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  204. 제196항에 있어서, 제1 열전달 유체의 별개의 액적은 스프레이에 의해 가스 내로 도입되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  205. 제196항에 있어서, 제1 열전달 유체의 별개의 액적과 가스 사이의 열교환은 프로세스들 중 하나를 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  206. 제196항에 있어서, 가스와 제2 열전달 유체 사이의 포말 내의 열교환은 프로세스들 중 다른 하나를 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  207. 제196항에 있어서, 포말은 실린더 내에서 가스와 제2 열전달 유체를 혼합함으로써 형성되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  208. 제196항에 있어서, 포말은 실린더 외부에서 가스와 제2 열전달 유체를 혼합함으로써 형성되고, 실린더 내에 포말을 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  209. 제208항에 있어서, 포말이 실린더에 진입하기 전에 포말의 평균 셀 크기 또는 셀 크기의 균일도 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  210. 제196항에 있어서, 실린더는 그 내부에 피스톤을 포함하고, 실린더 내에서 가스를 팽창하는 단계는 (i) 피스톤에 기계적으로 결합된 메커니즘 또는 (ii) 실린더에 결합된 유압 시스템 중 적어도 하나를 구동하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  211. 제210항에 있어서, 가스를 팽창하는 단계는 메커니즘을 구동하고, 메커니즘은 크랭크샤프트를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  212. 제196항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  213. 제196항에 있어서, 가스 내로의 제2 열전달 유체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  214. 제213항에 있어서, 가스의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  215. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체와,
    실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된 저장조와,
    실린더 조립체 및 저장조에 선택적으로 유동 연결되고, (i) 저장조로부터 가스를 수용하고, (ii) 가스를 열전달 액체와 혼합하여 포말을 형성하고, (iii) 포말을 실린더 조립체에 전달하기 위한 혼합 챔버와,
    실린더 조립체를 저장조에 직접적으로 선택적으로 유동 연결하고, 실린더 조립체로부터의 가스 또는 포말 중 적어도 하나를 혼합 챔버를 횡단하지 않고 저장조에 전달하기 위한 바이패스 도관을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  216. 제215항에 있어서, 혼합 챔버는 (i) 가스를 전달하기 위한 제1 도관 및 (ii) 열전달 액체를 전달하기 위한 제1 도관과는 상이한 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  217. 제215항에 있어서, 혼합 챔버 내에서, 포말의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  218. 제217항에 있어서, 메커니즘은 스크린 또는 초음파 에너지의 소스 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  219. 제217항에 있어서, 적어도 하나의 특성은 포말 셀 크기 또는 포말 셀 크기 균일도 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  220. 제219항에 있어서, 혼합 챔버 내에 포말 생성 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  221. 제220항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  222. 제219항에 있어서, 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  223. 제222항에 있어서, 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  224. 제215항에 있어서, 실질적으로 등온 압축 또는 실질적으로 등온 팽창 중 적어도 하나를 실린더 조립체 내에서 시행하기 위해 실린더 조립체 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  225. 제224항에 있어서, 실린더 조립체 또는 혼합 챔버 중 적어도 하나 내의 압력을 검출하기 위한 센서를 더 포함하고, 제어 시스템은 센서에 응답하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  226. 제225항에 있어서, 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 혼합 챔버 내로의 열전달 액체의 유량을 제어하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  227. 제215항에 있어서, 열전달 액체를 혼합 챔버에 전달하기 위한 순환 장치를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  228. 제227항에 있어서, 순환 장치는 가변 속도 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  229. 제215항에 있어서,
    (i) 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리하는 가동 경계 메커니즘, 및
    (ii) 경계 메커니즘에 기계적으로 결합된, 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  230. 제229항에 있어서, 크랭크샤프트에 결합된 모터/발전기를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  231. 제215항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  232. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체와,
    실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된 저장조와,
    저장조 내에서, 가스와 열전달 액체를 포함하는 포말을 생성하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  233. 제232항에 있어서, 저장조와 실린더 조립체 사이에, 포말의 적어도 하나의 특성을 변경하기 위한 메커니즘을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  234. 제233항에 있어서, 메커니즘은 스크린 또는 초음파 에너지의 소스 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  235. 제233항에 있어서, 적어도 하나의 특성은 포말 셀 크기 또는 포말 셀 크기 균일도 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  236. 제232항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  237. 제232항에 있어서, 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  238. 제237항에 있어서, 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  239. 제232항에 있어서, 실질적으로 등온 압축 또는 실질적으로 등온 팽창 중 적어도 하나를 그 내부에서 시행하도록 실린더 조립체를 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  240. 제239항에 있어서, 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 검출하기 위한 센서를 더 포함하고, 제어 시스템은 센서에 응답하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  241. 제232항에 있어서, 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘에 전달하기 위한 순환 장치를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  242. 제241항에 있어서, 순환 장치는 가변 속도 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  243. 제232항에 있어서, 저장조의 저부 영역을 포말 생성 메커니즘과 선택적으로 유동 연결하는 도관을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  244. 제243항에 있어서, 도관은 저장조의 외부로 연장하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  245. 제232항에 있어서,
    (i) 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리하는 가동 경계 메커니즘, 및
    (ii) 경계 메커니즘에 기계적으로 결합된, 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  246. 제245항에 있어서, 크랭크샤프트에 결합된 모터/발전기를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  247. 제232항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  248. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체와,
    저장조와,
    실린더 조립체 내에 배치되고, 실린더 조립체 내의 가스 내로 열전달 액체의 도입을 경유하여 포말을 생성하기 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하고,
    실린더 조립체는 (i) 가스를 전달하기 위한 제1 도관 및 (ii) 제1 도관과 상이하고, 포말 생성 메커니즘에 열전달 액체를 전달하기 위한 제2 도관에 의해 저장조에 선택적으로 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  249. 제248항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  250. 제248항에 있어서, 실린더 조립체의 압력 범위와는 상이한 압력 범위에 걸쳐 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  251. 제250항에 있어서, 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 팽창된 가스를 분위기로 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  252. 제248항에 있어서, 실질적으로 등온 압축 또는 실질적으로 등온 팽창 중 적어도 하나를 그 내부에서 시행하도록 실린더 조립체를 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  253. 제252항에 있어서, 실린더 조립체 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 검출하기 위한 센서를 더 포함하고, 제어 시스템은 센서에 응답하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  254. 제253항에 있어서, 제어 시스템은 검출된 압력에 응답하여 포말 생성 메커니즘을 통한 열전달 액체의 유량을 제어하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  255. 제248항에 있어서, 제2 도관 내에 열전달 액체를 전달하기 위한 순환 장치를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  256. 제255항에 있어서, 순환 장치는 가변 속도 펌프를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  257. 제248항에 있어서,
    (i) 실린더 조립체를 2개의 챔버로 분리하는 가동 경계 메커니즘, 및
    (ii) 경계 메커니즘에 기계적으로 결합된, 경계 메커니즘의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 크랭크샤프트를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  258. 제257항에 있어서, 크랭크샤프트에 결합된 모터/발전기를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  259. 제248항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  260. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체와,
    가스와 제1 열전달 액체의 별개의 액적 사이의 열교환을 위해 실린더 조립체 내의 제1 열전달 액체의 별개의 액적을 도입하기 위한 스프레이 메커니즘과,
    스프레이 메커니즘으로부터 별개로, 실린더 조립체 내에서 가스와 제2 열전달 액체를 포함하는 포말을 생성하거나 도입하는 것 중 적어도 하나를 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  261. 제260항에 있어서, 제1 및 제2 열전달 액체는 동일한 액체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  262. 제261항에 있어서, 제2 열전달 액체는 발포성 첨가제를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  263. 제260항에 있어서, 스프레이 메커니즘은 스프레이 헤드 또는 스프레이 로드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  264. 제260항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  265. 제260항에 있어서, 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 압축 가스의 저장을 위한 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  266. 제265항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  267. 제260항에 있어서, 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 팽창된 가스를 주위 분위기로 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  268. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    상이한 압력 범위에 걸쳐 각각, 압축에 의해 에너지를 저장하는 것 또는 팽창에 의해 에너지를 회수하는 것 중 적어도 하나를 위한 복수의 실린더 조립체와,
    실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결된, 제1 열전달 액체의 별개의 액적을 그 내부에 도입하기 위한 스프레이 메커니즘과,
    실린더 조립체들 중 다른 하나에 선택적으로 유동 연결된, 가스와 제2 열전달 액체를 포함하는 포말을 그 내부에서 생성하거나 도입하는 것 중 적어도 하나를 위한 포말 생성 메커니즘을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  269. 제268항에 있어서, 제1 및 제2 열전달 액체는 동일한 액체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  270. 제269항에 있어서, 제2 열전달 액체는 발포성 첨가제를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  271. 제268항에 있어서, 스프레이 메커니즘은 스프레이 헤드 또는 스프레이 로드 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  272. 제268항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  273. 제268항에 있어서, 실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결된, 압축된 가스의 저장을 위한 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  274. 제273항에 있어서, 저장조는 압력 용기, 파이프 또는 캐번 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  275. 제268항에 있어서, 실린더 조립체들 중 하나에 선택적으로 유동 연결된, 팽창된 가스를 주위 분위기로 배출하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  276. 에너지 회수 방법이며,
    그로부터 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘으로 전달하도록 펌핑 실린더 내에서 피스톤을 구동하는 단계와,
    실린더 조립체 또는 포말 생성 메커니즘에 압축된 가스를 전달하는 단계와,
    포말 생성 메커니즘을 경유하여, (i) 열전달 액체와 압축된 가스를 혼합함으로써 포말을 형성하고, (ii) 실린더 조립체 내에 포말을 도입하는 단계와,
    실린더 조립체 내에서 포말을 팽창하는 단계로서, 팽창은 실린더 조립체 내에서 피스톤을 구동하는 포말 팽창 단계와,
    실린더 조립체로부터 팽창된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계를 포함하는 에너지 회수 방법.
  277. 제276항에 있어서, 압축 가스는 제1 저장조로부터 실린더 조립체로 전달되는 에너지 회수 방법.
  278. 제277항에 있어서, 제2 저장조로부터 펌핑 실린더로 열전달 액체를 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  279. 제278항에 있어서, 제1 및 제2 저장조는 동일한 에너지 회수 방법.
  280. 제279항에 있어서,
    팽창된 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계, 및
    액체 성분을 제1 저장조로 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  281. 제280항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  282. 제281항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  283. 제278항에 있어서, 제2 저장조는 제1 저장조와는 분리되고 별개인 에너지 회수 방법.
  284. 제283항에 있어서, 제1 저장조 내의 저장 압력은 제2 저장조 내의 저장 압력보다 높은 에너지 회수 방법.
  285. 제283항에 있어서,
    팽창된 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계, 및
    액체 성분을 제2 저장조로 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  286. 제285항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  287. 제286항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  288. 제276항에 있어서, 열전달 액체가 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  289. 제276항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치되는 에너지 회수 방법.
  290. 제276항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 외부에 배치되고 도관에 의해 그에 연결되는 에너지 회수 방법.
  291. 제276항에 있어서, 펌핑 실린더 및 실린더 조립체 내의 피스톤은 동시에 구동되는 에너지 회수 방법.
  292. 제276항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  293. 제292항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  294. 제293항에 있어서, 팽창된 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 회수 방법.
  295. 제276항에 있어서, 실린더 조립체로부터 팽창된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 팽창된 포말의 가스부를 주위 분위기로 배출하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  296. 제276항에 있어서, 실린더 조립체로부터 팽창된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 팽창된 포말 또는 그 가스부를 그 추가의 팽창을 위해 제2 실린더 조립체에 전달하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  297. 제276항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 회수 방법.
  298. 제276항에 있어서, 포말 생성 메커니즘으로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 회수 방법.
  299. 제298항에 있어서, 실린더 또는 포말 생성 메커니즘 중 적어도 하나 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 회수 방법.
  300. 에너지 저장 방법이며,
    그로부터 열전달 액체를 포말 생성 메커니즘에 전달하기 위해 펌핑 실린더 내의 피스톤을 구동하는 단계와,
    실린더 조립체 또는 포말 생성 메커니즘에 가스를 전달하는 단계와,
    포말 생성 메커니즘을 경유하여, (i) 열전달 액체를 압축 가스와 혼합함으로써 포말을 형성하고 (ii) 실린더 조립체 내에 포말을 도입하는 단계와,
    실린더 조립체 내에서 피스톤을 구동하여 실린더 조립체 내의 포말을 압축하는 단계와,
    압축된 포말의 적어도 일부를 실린더 조립체로부터 배출하는 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  301. 제300항에 있어서, 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말을 제1 저장조로 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  302. 제300항에 있어서, 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말의 가스 성분을 제1 저장조로 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  303. 제302항에 있어서, 실린더 조립체로부터 압축된 포말의 적어도 일부를 배출하는 단계는 압축된 포말의 액체 성분을 제2 저장조로 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  304. 제303항에 있어서, 제1 및 제2 저장조는 동일한 에너지 저장 방법.
  305. 제303항에 있어서, 제2 저장조는 제1 저장조로부터 분리되고 별개인 에너지 저장 방법.
  306. 제305항에 있어서, 제1 저장조 내의 저장 압력은 제2 저장조 내의 저장 압력보다 높은 에너지 저장 방법.
  307. 제300항에 있어서, 열전달 액체가 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  308. 제300항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 내에 배치되는 에너지 저장 방법.
  309. 제300항에 있어서, 포말 생성 메커니즘은 실린더 조립체 외부에 배치되고 도관에 의해 그에 연결되는 에너지 저장 방법.
  310. 제300항에 있어서, 펌핑 실린더 및 실린더 조립체 내의 피스톤은 동시에 구동되는 에너지 저장 방법.
  311. 제300항에 있어서, 압축된 포말의 적어도 일부를 가스 및 액체 성분으로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  312. 제311항에 있어서, 압축된 포말의 적어도 일부는 기계적 분리 또는 초음파 에너지의 인가 중 적어도 하나를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  313. 제312항에 있어서, 압축된 포말의 적어도 일부는 블레이드, 전단기, 배플 또는 원심 분리기 중 적어도 하나에 의한 기계적 분리를 경유하여 분리되는 에너지 저장 방법.
  314. 제300항에 있어서, 가스는 주위 분위기로부터 실린더 조립체로 또는 포말 생성 메커니즘으로 전달되는 에너지 저장 방법.
  315. 제300항에 있어서, 가스는 제2 실린더 조립체 내의 가스의 압축 후에 제2 실린더 조립체로부터 실린더 조립체로 또는 포말 생성 메커니즘으로 전달되는 에너지 저장 방법.
  316. 제300항에 있어서, 포말의 포말 질량비는 1 내지 4의 범위로부터 선택되는 에너지 저장 방법.
  317. 제300항에 있어서, 포말 생성 메커니즘으로의 열전달 액체의 전달율을 제어함으로써 포말의 공동 분율을 제어하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 방법.
  318. 제317항에 있어서, 실린더 또는 포말 생성 메커니즘 중 적어도 하나 내의 압력 또는 온도 중 적어도 하나를 감지하는 단계를 더 포함하고, 전달율은 그에 응답하여 제어되는 에너지 저장 방법.
  319. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    에너지를 저장하기 위한 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 팽창 중 적어도 하나를 위한 제1 실린더 조립체로서, 제1 실린더 조립체는 (i) 제1 실린더, (ii) 제1 실린더 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 제1 실린더로부터 열전달 유체를 순환하기 위한 제1 펌핑 메커니즘 및 (iii) 포말을 형성하기 위해 열전달 유체와 가스를 혼합하고 포말을 제1 실린더 내에 도입하기 위한 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제1 실린더 조립체와,
    에너지를 저장하기 위한 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 팽창 중 적어도 하나를 위한 제2 실린더 조립체로서, 제2 실린더 조립체는 (i) 제2 실린더, (ii) 제2 실린더 내에 적어도 부분적으로 배치되고 제1 포말 생성 메커니즘에 선택적으로 유동 연결되고, 제2 실린더로부터 열전달 유체를 순환하기 위한 제2 펌핑 메커니즘 및 (iii) 포말을 형성하기 위해 열전달 유체와 가스를 혼합하고 포말을 제2 실린더 내에 도입하기 위한 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하고, 제2 포말 생성 메커니즘은 제1 펌핑 메커니즘에 선택적으로 유동 연결되는 제2 실린더 조립체를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  320. 제319항에 있어서, 제1 실린더 내에 배치되어 제1 실린더를 두 개의 격실로 분리하는 제1 피스톤과,
    제1 피스톤에 결합되고 제1 캐비티를 포함하는 제1 피스톤 로드, 및
    제1 캐비티에 적어도 부분적으로 배치되고 적어도 제1 실린더의 부분을 통해 연장하는 제1 중공 튜브를 포함하고,
    제1 중공 튜브와 제1 피스톤 로드 사이의 상대 운동은 제1 캐비티 내외로 열 전달 유체를 순환하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  321. 제320항에 있어서, 제2 펌핑 메커니즘은
    제2 실린더 내에 배치되어 제2 실린더를 2개의 격실로 분리하는 제2 피스톤,
    제2 피스톤에 결합되고, 제2 캐비티를 포함하는 제2 피스톤 로드, 및
    제2 캐비티 내에 적어도 부분적으로 배치되고 적어도 제2 실린더의 부분을 통해 연장하는 제2 중공 튜브를 포함하고,
    제2 중공 튜브와 제2 피스톤 로드 사이의 상대 운동은 제2 캐비티 내외로 열전달 유체를 순환하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  322. 제321항에 있어서, 제1 및 제2 피스톤 로드는 공통 크랭크샤프트에 기계적으로 결합되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  323. 제319항에 있어서, 제1 포말 생성 메커니즘으로 순환하는 열전달 유체를 열적으로 조절하기 위한 제1 열교환 서브시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  324. 제323항에 있어서, 제1 열교환 서브시스템은 열교환기를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  325. 제323항에 있어서, 제1 열교환 서브시스템은 제1 포말 생성 메커니즘 및 제2 펌핑 메커니즘에 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  326. 제319항에 있어서, 제2 포말 생성 메커니즘으로 순환하는 열전달 유체를 열적으로 조절하기 위한 제2 열교환 서브시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  327. 제326항에 있어서, 제2 열교환 서브시스템은 열교환기를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  328. 제326항에 있어서, 제2 열교환 서브시스템은 제2 포말 생성 메커니즘 및 제1 펌핑 메커니즘에 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  329. 제319항에 있어서, 제1 및 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 가스 또는 열전달 유체 중 적어도 하나의 저장을 위한 제1 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  330. 제329항에 있어서, 제1 및 제2 실린더 조립체에 선택적으로 유동 연결된, 가스 또는 열전달 유체 중 적어도 하나의 저장을 위한 제2 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  331. 제330항에 있어서, 제1 저장조의 저장 압력은 제2 저장조의 저장 압력보다 높은 에너지 저장 및 회수 시스템.
  332. 제330항에 있어서, 제1 또는 제2 저장조 중 적어도 하나는 제1 또는 제2 펌핑 메커니즘 중 적어도 하나에 선택적으로 유동 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  333. 제319항에 있어서, 제1 포말 생성 메커니즘은 제1 실린더 내에 배치되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  334. 제319항에 있어서, 제1 포말 생성 메커니즘은 제1 실린더의 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  335. 제319항에 있어서, 제2 포말 생성 메커니즘은 제2 실린더 내에 배치되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  336. 제319항에 있어서, 제2 포말 생성 메커니즘은 제2 실린더 외부에 배치되고 도관을 경유하여 그에 연결되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  337. 제319항에 있어서, 제1 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  338. 제319항에 있어서, 제2 포말 생성 메커니즘은 하나 이상의 노즐, 회전 블레이드, 초음파 에너지의 소스 또는 산포기 중 적어도 하나를 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  339. (i) 제1 실린더, 제1 펌핑 메커니즘 및 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제1 실린더 조립체 및 (ii) 제2 실린더, 제2 펌핑 메커니즘 및 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제2 실린더 조립체를 포함하는 에너지 회수 시스템을 이용하는 에너지 회수 방법이며,
    제1 실린더 조립체로 팽창 스트로크를 수행하는 단계로서, 팽창 스트로크는 (i) 제1 포말 생성 메커니즘에서 열전달 유체와 가스를 혼합하여 포말을 형성하고, (ii) 제1 실린더 내에서 포말을 팽창하고, (iii) 제1 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하는 팽창 스트로크 수행 단계와,
    그 동안에, 제2 실린더 조립체로 배기 스트로크를 수행하는 단계로서, 배기 스트로크는 (i) 제2 실린더로부터 포말 또는 그 가스 성분을 배출하고, (ii) 제2 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제1 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하는 배기 스트로크 수행 단계를 포함하는 에너지 회수 방법.
  340. 제339항에 있어서,
    제2 실린더 조립체로 팽창 스트로크를 수행하는 단계로서, 팽창 스트로크는 (i) 제2 포말 생성 메커니즘에서 열전달 유체와 가스를 혼합하여 제2 포말을 형성하고, (ii) 제2 실린더 내에서 제2 포말을 팽창하고, (iii) 제2 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하는 팽창 스트로크 수행 단계, 및
    그 동안에, 제1 실린더 조립체로 배기 스트로크를 수행하는 단계로서, 배기 스트로크는 (i) 제1 실린더로부터 포말 또는 그 가스 성분을 배출하고, (ii) 제1 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제2 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하는 배기 스트로크 수행 단계를 포함하는 에너지 회수 방법.
  341. 제339항에 있어서, 배기 스트로크는 제1 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제2 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  342. 제341항에 있어서, 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것은 열전달 유체를 가열하는 것을 포함하는 에너지 회수 방법.
  343. (i) 제1 실린더, 제1 펌핑 메커니즘 및 제1 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제1 실린더 조립체 및 (ii) 제2 실린더, 제2 펌핑 메커니즘 및 제2 포말 생성 메커니즘을 포함하는 제2 실린더 조립체를 포함하는 에너지 회수 시스템을 이용하는 에너지 저장 방법이며,
    제1 실린더 조립체로 압축 스트로크를 수행하는 단계로서, 압축 스트로크는 (i) 제1 실린더 내에서, 제1 포말 생성 메커니즘에 의해 생성된 포말을 압축하고, (ii) 제1 펌핑 메커니즘으로 제2 포말 생성 메커니즘으로 열전달 유체를 펌핑하는 것을 포함하는 압축 스트로크 수행 단계와,
    그 동안에, 제2 실린더 조립체 내에서 압축 스트로크를 수행하는 단계로서, 압축 스트로크는 (i) 제2 실린더 내에서, 제2 포말 생성 메커니즘에 의해 생성된 제2 포말을 압축하고, (ii) 제2 펌핑 메커니즘으로 열전달 유체를 제1 포말 생성 메커니즘으로 펌핑하는 것을 포함하는 배기 스트로크 수행 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  344. 제343항에 있어서,
    제1 실린더 조립체로 흡기 스트로크를 수행하는 단계로서, 흡기 스트로크는 (i) 제1 실린더 내에서 가스를 수용하고, (ii) 제1 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하는 흡기 스트로크 수행 단계와,
    그 동안에, 제2 실린더 조립체로 흡기 스트로크를 수행하는 단계로서, 흡기 스트로크는 (i) 제2 실린더 내에 가스를 수용하고, (ii) 제2 펌핑 메커니즘 내로 열전달 유체를 도입하는 것을 포함하는 흡기 스트로크 수행 단계를 포함하는 에너지 저장 방법.
  345. 제343항에 있어서, 제1 실린더 조립체의 압축 스트로크는 제2 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제1 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  346. 제345항에 있어서, 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것은 열전달 유체를 냉각하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  347. 제343항에 있어서, 제2 실린더 조립체의 압축 스트로크는 제1 포말 생성 메커니즘에 진입하기 전에 제2 펌핑 메커니즘으로 펌핑된 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  348. 제347항에 있어서, 열전달 유체를 열적으로 조절하는 것은 열전달 유체를 냉각하는 것을 포함하는 에너지 저장 방법.
  349. 효율적인 전력 수요 응답을 위한 시스템이며,
    제1 전력 수요 레벨까지의 수요에 응답하여 전력을 공급하기 위한 제1 에너지 저장 시스템과,
    제1 에너지 저장 시스템에 연결되고, 제1 전력 수요 레벨보다 큰 수요에 응답하여 전력을 공급하기 위한 제2 에너지 저장 시스템과,
    제1 또는 제2 에너지 저장 시스템 중 적어도 하나의 적어도 일부를 열적으로 조절하여, 이에 의해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템의 총 효율을 증가시키기 위한 열교환 서브시스템을 포함하는 시스템.
  350. 제349항에 있어서, 제1 에너지 저장 시스템은 배터리, 플라이휠 또는 울트라캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
  351. 제349항에 있어서, 제2 에너지 저장 시스템은 압축 가스를 팽창함으로써 전력을 공급하는 압축 가스 에너지 저장 시스템을 포함하는 시스템.
  352. 제349항에 있어서, 제1 및 제2 에너지 저장 시스템은 전력 그리드에 병렬로 접속되는 시스템.
  353. 제349항에 있어서, 제1 전력 수요 레벨은 대략 500 kW인 시스템.
  354. 제349항에 있어서, 열교환 서브시스템은, 제2 에너지 저장 시스템 내에서, (i) 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 경험하는 가스를 열적으로 조절하거나 가스와 혼합하여 포말을 형성하기 위한 열전달 유체, (ii) 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 경험하는 가스 또는 포말 또는 (iii) 팽창 전에 저장조 내에 저장된 가스 또는 포말 중 적어도 하나를 열적으로 조절하기 위해 제1 에너지 저장 시스템으로부터 열 에너지를 회수하는 시스템.
  355. 제349항에 있어서, 열교환 서브시스템은 제1 에너지 저장 시스템과 연관된 제1 열교환기와, (i) 제1 열교환기로부터 분리되고, (ii) 제1 열교환기에 선택적으로 유동 연결 가능한 제2 에너지 저장 시스템과 연관된 제2 열교환기를 포함하는 시스템.
  356. 제355항에 있어서, 제1 열교환기는 제1 라디에이터 또는 제1 열 우물 중 적어도 하나에 유동 연결되고, 제2 열교환기는 제2 라디에이터 또는 제2 열 우물 중 적어도 하나에 유동 연결되는 시스템.
  357. 전력 전달의 방법이며,
    시간 가변 전력 수요 레벨을 검출하는 단계와,
    전력 수요 레벨이 임계 레벨 미만이거나 같을 때 제1 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급하는 단계와,
    전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 클 때 제2 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급하는 단계와,
    제1 또는 제2 에너지 저장 시스템 중 적어도 하나의 적어도 일부를 열적으로 조절하여, 이에 의해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템의 총 효율을 증가시키는 단계를 포함하는 전력 전달의 방법.
  358. 제357항에 있어서, 전력은 단지 전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 낮거나 같을 때에만 제1 에너지 저장 시스템으로부터 공급되는 전력 전달의 방법.
  359. 제357항에 있어서, 전력은 단지 전력 수요 레벨이 임계 레벨보다 클 때에만 제2 에너지 저장 시스템으로부터 공급되는 전력 전달의 방법.
  360. 제357항에 있어서, 제1 또는 제2 에너지 저장 시스템 중 적어도 하나의 적어도 일부를 열적으로 조절하는 단계는 제1 에너지 저장 시스템으로부터 열 에너지를 회수하고 회수된 열 에너지로 제2 에너지 저장 시스템의 적어도 일부를 열적으로 조절하는 것을 포함하는 전력 전달의 방법.
  361. 제360항에 있어서, 제2 에너지 저장 시스템의 적어도 일부를 열적으로 조절하는 단계는 (i) 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 경험하는 가스를 열적으로 조절하기 위한 또는 가스와 혼합하여 포말을 형성하기 위한 열전달 유체, (ii) 팽창 또는 압축 중 적어도 하나를 경험하는 가스 또는 포말, 또는 (iii) 팽창에 앞서 압축 가스 저장조 내에 저장된 가스 또는 포말 중 적어도 하나를 열적으로 조절하는 것을 포함하는 전력 전달의 방법.
  362. 제357항에 있어서, 전력은 공통 버스 라인을 통해 제1 및 제2 에너지 저장 시스템으로부터 공급되는 전력 전달의 방법.
  363. 제357항에 있어서, 제2 에너지 저장 시스템으로부터 전력을 공급하는 단계는 가스 또는 포말 중 적어도 하나를 팽창하여 그로부터 에너지를 회수하는 것을 포함하는 전력 전달의 방법.
  364. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수의 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 단계와,
    압축 전 또는 중의 적어도 하나에서 열 우물로부터 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계로서, 열전달 액체는 압축 중에 가스로부터 열 에너지를 흡수하는 열전달 액체 도입 단계와,
    열전달 액체의 적어도 일부를 열 우물로 재차 전달하여 그 내부에 열 에너지를 저장하는 단계와,
    그 후에, 파워 유닛 내에서 가스를 팽창하는 단계와,
    팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 열 우물로부터 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계로서, 가스는 팽창 중에 열전달 액체로부터 열 에너지를 흡수하는 열전달 액체 도입 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  365. 제364항에 있어서, 열전달 액체는 가스 내로 열전달 액체를 스프레이함으로써 가스 내로 도입되는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  366. 제364항에 있어서, 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  367. 제366항에 있어서, 열전달 액체의 적어도 일부를 열 우물로 재차 전달하기 전에, 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  368. 제364항에 있어서, 압축 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 도입하는 단계는 압축을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  369. 제364항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 도입하는 단계는 팽창을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  370. 제364항에 있어서, 열 우물 내에, 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  371. 제364항에 있어서, 열 우물과 주위 환경 사이에 열 에너지를 교환하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  372. 제371항에 있어서, 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 열 우물과 주위 환경 사이에서 교환되는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  373. 제364항에 있어서, 압축 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 도입된 열전달 액체의 온도는 주위 온도 미만인 에너지 저장 및 회수의 방법.
  374. 제364항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 도입된 열전달 액체의 온도는 주위 온도 초과인 에너지 저장 및 회수의 방법.
  375. 제364항에 있어서, 압축 후에 압축 가스를 저장하는 단계를 더 포함하고, 저장된 압축 가스는 팽창 중에 팽창되는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  376. 제364항에 있어서, 압축 가스를 저장하는 단계는 상승된 온도에서 열전달 유체를 저장하는 것을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  377. 제376항에 있어서, 저장된 열전달 유체를 열 우물에 전달하여, 이에 의해 그 내부에 열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  378. 제364항에 있어서, 팽창된 가스를 팽창 후에 분위기로 통기하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수의 방법.
  379. 그 내부에 열전달 유체를 수용하기 위한 열 우물과 함께 사용을 위해 구성된 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    그 내에서 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과,
    압축 또는 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘으로서, 메커니즘은 열 우물로의 선택적 유체 연결을 위해 구성되는 메커니즘과,
    가스 내로 도입된 열전달 액체를 열 우물 내로 재차 선택적으로 전달하기 위한 도관과,
    파워 유닛과 열 우물에 열적으로 연결되고, 파워 유닛으로부터 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  380. 제379항에 있어서, 열 우물 및 주위 환경으로의 열적 연결을 위해 구성된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  381. 제380항에 있어서, (i) 파워 유닛의 작동 상태를 감지하고 (ii) 단지 파워 유닛이 가스를 팽창하지도 압축하지도 않을 때에만 환경 열교환 시스템을 작동하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  382. 제379항에 있어서, 파워 유닛에 선택적으로 유동 연결된, 압축 가스의 저장을 위한 저장조를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  383. 제382항에 있어서, 저장조는 그 사이의 열전달 액체의 유동을 가능하게 하기 위해 열 우물로의 선택적 유동 연결을 위해 구성된 에너지 저장 및 회수 시스템.
  384. 제379항에 있어서, 파워 유닛에 선택적으로 유동 연결되고, 팽창된 가스를 분위기로 통기하기 위한 통기구를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  385. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 것 또는 팽창하는 것 중 적어도 하나의 단계와,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제1 온도에서 열 우물로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 열적으로 조절하여, 이에 의해 이를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 하고, (iii) 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  386. 제385항에 있어서, 가스와 열적으로 조절된 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 또는 팽창 중 적어도 하나가 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  387. 제385항에 있어서, 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  388. 제385항에 있어서, 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  389. 제388항에 있어서, 압축 또는 팽창 중 적어도 하나 후에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  390. 제385항에 있어서, 열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계는 열 우물로부터 별개이고 열 우물에 유동 연결되지 않은 제2 열 우물과 열전달 액체 사이의 열 에너지의 전달을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  391. 제390항에 있어서, 제2 열 우물 내에, 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  392. 제390항에 있어서, 제2 열 우물과 주위 환경 사이에 열 에너지를 교환하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  393. 제392항에 있어서, 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 제2 열 우물과 주위 환경 사이에서 교환되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  394. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    그 내에서 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과,
    메커니즘에 선택적으로 유동 연결되고, 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 열 우물과,
    열 우물로부터 파워 유닛으로 유동하는 열전달 액체를 열적으로 조절하기 위해 열 우물과 파워 유닛 사이에 연결된 열교환기와,
    열교환기와 연관되고 열 우물로부터 별개로, 열전달 유체로부터 열 에너지를 저장하는 것 또는 열전달 유체에 열 에너지를 공급하는 것 중 적어도 하나를 위한 제2 열 우물을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  395. 제394항에 있어서, 가스 내로 도입된 열전달 액체를 열 우물 내로 재차 전달하기 위한 도관을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  396. 제394항에 있어서, 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결되고, 파워 유닛으로부터 제2 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  397. 제394항에 있어서, 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  398. 제394항에 있어서, 열교환기는 제2 열 우물 내에 배치되는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  399. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 것 또는 팽창하는 것 중 적어도 하나의 단계와,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제1 온도에서 제1 열 우물로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하는 단계로서, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 하는 열교환 단계와,
    제1 열 우물로부터 별개이고 제1 열 우물에 유동 연결되지 않은 제2 열 우물에 제2 온도에서 열전달 액체를 전달하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  400. 제399항에 있어서, 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 또는 팽창 중 적어도 하나가 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  401. 제399항에 있어서, 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  402. 제399항에 있어서, 가스 내로 열전달 액체를 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  403. 제402항에 있어서, 열전달 액체를 제2 열 우물에 전달하기 전에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  404. 제399항에 있어서, 제2 열 우물 내에서, 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  405. 제399항에 있어서, 주위 환경과 제1 열 우물 또는 제2 열 우물 중 적어도 하나 사이에 열 에너지를 교환하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  406. 제405항에 있어서, 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  407. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    그 내부에, 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과,
    메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, (i) 제1 온도에서 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 제1 열 우물 및 (ii) 제1 열 우물과는 별개인, 제1 온도와는 상이한 제2 온도에서 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 제2 열 우물과,
    (i) 압축 전 또는 중의 적어도 하나에, 열전달 액체를 (a) 제1 열 우물로부터 가스 내로 그리고 (b) 파워 유닛으로부터 제2 열 우물 내로 유도하고, (ii) 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에, 열전달 액체를 (a) 제2 열 우물로부터 가스 내로 그리고 (b) 파워 유닛으로부터 제1 열 우물 내로 유도하기 위한 제어 시스템을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  408. 제407항에 있어서, 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결된, 파워 유닛으로부터 제2 열 우물 내로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  409. 제407항에 있어서, 제1 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  410. 제407항에 있어서, 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  411. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 것 또는 팽창하는 것 중 적어도 하나의 단계와,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제1 온도에서 저장조로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 열적으로 조절하여, 이에 의해 이를 제1 온도와는 상이한 제2 온도가 되게 하고, (iii) 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계를 포함하고,
    열전달 액체를 열적으로 조절하는 단계는 열전달 액체와, 제3 온도를 갖는 제1 열 우물로부터 (i) 제1 열 우물과는 별개이고 (ii) 제3 온도와는 상이한 제4 온도를 갖는 제2 열 우물로 유동하는 열 저장 액체 사이에서 열 에너지를 교환하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  412. 제411항에 있어서, 열전달 액체 및 열 저장 액체는 열전달 액체의 열적 조절 중에 혼합되지 않는 에너지 저장 및 회수 방법.
  413. 제411항에 있어서, 가스와 열적으로 조절된 열전달 액체 사이의 열교환은 압축 또는 팽창 중 적어도 하나가 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  414. 제411항에 있어서, 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  415. 제411항에 있어서, 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 유체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  416. 제415항에 있어서, 압축 또는 팽창 중 적어도 하나 후에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  417. 에너지 저장 및 회수 시스템이며,
    그 내부에, 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛과,
    압축 또는 팽창 중 적어도 하나 전 또는 중의 적어도 하나에 가스 내로 열전달 액체를 도입하기 위한 메커니즘과,
    메커니즘에 선택적으로 유동 연결된, 그 내부에 열전달 액체를 수용하기 위한 저장조와,
    저장조로부터 파워 유닛으로 유동하는 열전달 액체를 열적으로 조절하기 위해 저장조와 파워 유닛 사이에 연결된 열교환기와,
    열교환기와 연관되고 저장조와 유동 연결되지 않는, (i) 제1 온도에서 열 저장 액체를 수용하기 위한 제1 열 우물 및 (ii) 제1 온도와는 상이한 제2 온도에서 열 저장 액체를 수용하기 위한 제2 열 우물로서, 제1 및 제2 열 우물 사이의 열 저장 액체의 유동은 열전달 유체를 열적으로 조절하는 제2 열 우물을 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  418. 제417항에 있어서, 가스 내에 도입된 열전달 액체를 저장조 내로 재차 전달하기 위한 도관을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  419. 제417항에 있어서, 파워 유닛 및 제2 열 우물에 열적으로 연결되고, 파워 유닛으로부터 제2 열 우물로 폐열 에너지를 전달하기 위한 폐열 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  420. 제417항에 있어서, 제1 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  421. 제417항에 있어서, 제2 열 우물 및 주위 환경에 열적으로 연결된 환경 열교환 시스템을 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 시스템.
  422. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 단계와,
    압축 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제1 온도에서 액체 저장조로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계로서, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되게 하는 열교환 단계와,
    제2 온도에서 열전달 액체와 압축된 가스의 모두를 압축 가스 저장조로 전달하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  423. 제422항에 있어서, 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  424. 제422항에 있어서, 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  425. 제422항에 있어서, 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  426. 제425항에 있어서, 제2 온도에서 열전달 액체 및 압축 가스의 모두를 압축 가스 저장조로 전달하는 단계는 압축 가스 저장조에 포말을 전달하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  427. 제422항에 있어서,
    압축 가스 저장조로부터 파워 유닛에 압축된 가스를 전달하는 단계,
    파워 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계,
    팽창 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제3 온도에서 압축 가스 저장조로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계로서, 열교환은 열전달 액체를 제3 온도보다 낮은 제4 온도가 되게 하는 열교환 단계, 및
    열전달 액체를 액체 저장조로 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  428. 제427항에 있어서, 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 팽창을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  429. 제427항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  430. 제427항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  431. 제430항에 있어서, 열전달 액체를 액체 저장조로 전달하기 전에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  432. 제422항에 있어서, 압축 가스 저장조 내에, 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  433. 제422항에 있어서, 주위 환경과 압축 가스 저장조 사이에 열 에너지를 교환하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  434. 제433항에 있어서, 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  435. 에너지를 저장하기 위한 가스의 압축 또는 에너지를 회수하기 위한 가스의 팽창 중 적어도 하나를 위한 실린더 조립체를 포함하는 파워 유닛을 이용하는 에너지 저장 및 회수 방법이며,
    파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 단계와,
    압축 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 제1 온도에서 제1 열 우물로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열교환하게 하는 단계로서, 열교환은 열전달 액체를 제1 온도보다 높은 제2 온도가 되게 하는 열교환 단계와,
    압축된 가스를 압축 가스 저장조로 전달하는 단계와,
    제2 온도에서 열전달 액체를 압축 가스 저장조 또는 제1 열 우물과는 별개의 제2 열 우물 중 적어도 하나로 전달하는 단계를 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  436. 제435항에 있어서,
    압축 가스 저장조로부터 파워 유닛으로 압축 가스를 전달하는 단계,
    파워 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계,
    팽창 전 또는 중의 적어도 하나에, (i) 압축 가스 저장조 또는 제2 열 우물 중 적어도 하나로부터 열전달 액체를 배출하고, (ii) 열전달 액체를 가스 내로 도입하여 그와 열을 교환하는 단계, 및
    열전달 액체를 제1 열 우물에 전달하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  437. 제436항에 있어서, 파워 유닛 내에서 압축 가스를 팽창하는 단계는 상이한 압력 범위에 각각 걸친 제1 스테이지 및 제2 스테이지에서 압축 가스를 팽창하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  438. 제437항에 있어서, (i) 열전달 액체는 제1 스테이지에서 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 압축 가스 저장조로부터 배출되고, (ii) 열전달 액체는 제2 스테이지에서 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 제2 열 우물로부터 배출되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  439. 제436항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 팽창을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  440. 제436항에 있어서, 팽창 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내에 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  441. 제436항에 있어서, 열전달 액체를 가스 내에 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  442. 제441항에 있어서, 열전달 액체를 제1 열 우물에 전달하기 전에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  443. 제435항에 있어서, 파워 유닛 내에서 가스를 압축하는 단계는 상이한 압력 범위에 각각 걸친 제1 스테이지 및 제2 스테이지에서 가스를 압축하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  444. 제443항에 있어서, (i) 열전달 액체는 제1 스테이지에서 압축 후 또는 중에 압축 가스 저장조에 전달되고, (ii) 열전달 액체는 제2 스테이지에서 압축 후 또는 중에 제2 열 우물에 전달되는 에너지 저장 및 회수 방법.
  445. 제435항에 있어서, 압축 전 또는 중의 적어도 하나에 가스와 열전달 액체 사이의 열교환은 압축을 실질적으로 등온이 되게 하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  446. 제435항에 있어서, 압축 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열적으로 조절된 열전달 액체를 가스 내로 스프레이하는 것을 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  447. 제435항에 있어서, 압축 전 또는 중의 적어도 하나에 열전달 액체를 가스 내로 도입하는 단계는 열전달 액체와 가스를 포함하는 포말을 형성하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  448. 제447항에 있어서, 제2 온도에서 열전달 액체를 압축 가스 저장조 또는 제1 열 우물과는 별개의 제2 열 우물 중 적어도 하나로 전달하기 전에 포말의 적어도 일부를 가스와 열전달 액체로 분리하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  449. 제435항에 있어서, 제2 열 우물 내에, 파워 유닛에 의해 생성된 폐열 에너지를 저장하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  450. 제435항에 있어서, 주위 환경과 제1 열 우물 또는 제2 열 우물 중 적어도 하나 사이에 열 에너지를 교환하는 단계를 더 포함하는 에너지 저장 및 회수 방법.
  451. 제450항에 있어서, 열 에너지는 파워 유닛이 압축되지도 팽창되지도 않는 동안 주위 환경과 교환되는 에너지 저장 및 회수 방법.
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