CN101883913A - 能量储存装置 - Google Patents

Abstract

用于储存能量的装置(10)包括，用于容纳气体的压缩室装置(24)、用于对容纳在压缩室装置内的气体进行压缩的压缩活塞装置(25)、用于对来自由压缩活塞装置压缩的气体之热能进行接收及储存的第一热量储存装置(50)、用于在暴露给第一热量储存装置之后接容纳气体的膨胀室装置(28)、用于容纳在膨胀室装置内之气体的膨胀活塞装置(29)、以及用于将热能传递给由膨胀活塞装置膨胀之气体的第二热量储存装置(60)。装置(10)使用的循环具有阶段，所述阶段可以划分为单独的设备，或组合成一个设备。

Description

能量储存装置

技术领域

本发明主要涉及用于能量储存的装置。

背景技术

当前的能量储存技术要么昂贵、储存/释放效率差，要么因所使用的化学品类型或土地使用类型而具有有害的环境影响。

当前可以利用的、不使用化学品的储存技术是泵水储存、飞轮储存、以及压缩空气能量储存(CAES)。这些技术都具有某些优点和缺点。

泵水-需要某种地质构造并且储存能力有限。为了提高储存，每单元被储存的能量需要大面积的土地。

飞轮-储存/释放效率良好，但是每单元质量所储存的能量有限，并且较昂贵。

压缩空气能量储存-CAES的主要缺点是它对地质结构的依赖性：缺乏合适的地下洞穴基本上限制了这种储存方法的可用性。然而，对于在适合它的位置，它可以为长期储存大量的能量提供可实行的选择。由于一般需要较大的壁厚，因此在人造压力容器中储存压缩气体是成问题的。这就意味着利用制造的压力容器没有规模经济。另外，储存/释放效率也不高。

因而，期望提供一种改进的储存能量的方法，其克服、或者至少减轻与现有技术关联的某些问题。具体地，期望为现有技术提供一种便宜、高效、相对紧凑且环境影响不大的选择。

发明内容

利用热冷混合储存的能量储存

根据本发明的第一方面，提供了一种用于储存能量的装置，包括：用于容纳气体的压缩室装置；用于对包括在所述压缩室装置中的气体进行压缩的压缩活塞装置；第一热量储存装置，其用于接收及储存来自由所述压缩活塞装置进行压缩之气体的热能；膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述第一热量储存装置之后的气体；膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及第二热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

以这样的方式，提供了能量储存装置，其中将第一和第二热量储存装置放置与热相关的热泵循环中以在储存期间分别产生热储存和冷储存。通过使得能量穿过、压缩由第二热量储存装置冷却的气体、藉由将气体暴露至被加热的第一热量储存装置而对所述被冷却的压缩气体进行加热、以及藉由发生器装置做功而允许所述被加热的气体膨胀，可随后在释放模式中还原能量。

所述气体可以是来自环境大气层的空气。有利地，大气空气用作工作流体机构，不需要使用可能会导致污染的冷却剂。或者，所述气体可以是氮气或者惰性气体(例如氩气或氦气)。

该***的基本压力(例如，在第二热量储存装置内的压力)可以从大气压之下到大气压之上变化。如果所述***的基本压力上升到大气压之上，则设定温度范围的峰值压力将升高，并且所述压缩和膨胀活塞装置将变得更紧凑。为了处理更高的压力和储存容器成本之间需要权衡。反相地，如果所述***的基本压力是在大气压之下，则峰值压力将变低，并且储存容器成本下降而所述压缩和膨胀活塞装置的体积变大。

所述压缩可以基本上是等熵的或绝热的。从气体到第一热量储存装置的热传递可以是基本上等压的。所述膨胀可以基本上是等熵的或绝热的。从第二热量储存装置到气体的热传递可以是基本上等压的。实际上，实现理想的等熵过程是不可能的，因为在这个过程中会发生不可逆性且这个过程期间的会发生热传递。因此，应该注意到，所谓等熵的过程，应该理解为意味着接近或基本上等熵。

有利地，使用往返式活塞压缩机/膨胀器的效率比常规空气动力旋转压缩机/膨胀器提供明显改进。

第一和第二热量储存装置中的至少一个可以包括腔室，其用于接收气体，以及放置在腔室内的颗粒材料(例如，一层颗粒材料)。所述颗粒材料可以包括固体颗粒和/或包装(例如随机地)成气体可渗透结构的纤维。所述固体颗粒和/或纤维可以具有低的热惯性。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以是金属的。在另一个实施例中，所述固体颗粒和/或纤维可以包括矿物质或陶瓷。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以包括砂砾。

所述装置可以还包括用于还原储存在所述第一和第二热量储存装置之能量的发生器装置。所述发生器装置可以连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置中的一个或全部。所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部可形成为在释放期间反相操作(例如，当释放时，所述膨胀活塞装置可形成对被冷却的气体进行压缩，而所述压缩活塞装置可形成为允许对被加热气体进行膨胀)。

能量缓冲装置

根据本发明的第二方面，提供了一种用于将机械动力从输入设备传递到输出设备的装置，所述装置包括能量储存装置和热能机部。所述能量储存装置包括：用于容纳气体的第一压缩室装置；用于对包括在所述第一压缩室装置中的气体进行压缩的第一压缩活塞装置；第一热量储存装置，其用于接收及储存来自由所述第一压缩活塞装置进行压缩之气体的热能；第一膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述第一热量储存装置之后的气体；第一膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述第一膨胀室装置中的气体进行膨胀；及第二热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述第一膨胀活塞装置膨胀的气体。所述热能机部包括：与所述第二热量储存装置及第一热量储存装置流体连通的第二压缩室装置；第二压缩活塞装置，其用于对容纳在所述第二膨胀室中的气体进行压缩，以传递至所述第一热量储存装置；与所述第一热量储存装置及第二热量储存装置流体连通的第二膨胀室装置；以及第二膨胀活塞装置，用于允许对来自所述第一热量储存装置而容纳在所述第二膨胀室内的气体进行膨胀。

以这样的方式，提供了一种热动力传递***，其中当来自***的动力输出小于所供给的动力时，能以第一操作模式储存在“缓冲器”中；以及当来自***的动力输出增加到所供给的动力之上时，能量以第二操作模式自动还原。在第一和第二操作模式之间的改变可以自动地发生。例如，所述装置可形成为对在输入和输出动力的不平衡自动地作出反应。当所供给的动力和所使用的动力是平衡的，所述***自动绕过第一和第二热量储存装置。

所述气体可以是来自环境大气层的空气。

由第一和第二压缩活塞装置提供的压缩可以基本上是等熵的或绝热的。从气体到第一热量储存装置的热传递可以是基本上等压的。由第一和第二膨胀活塞装置提供的膨胀可以基本上是等熵的或绝热的。从第二热量储存装置到气体的热传递可以是基本上等压的。

第一和第二热量储存装置中的至少一个可以包括腔室，其用于接收气体，以及放置在腔室内的颗粒材料(例如，一层颗粒材料)。所述颗粒材料可以包括固体颗粒和/或包装(例如随机地)成气体可渗透结构的纤维。所述固体颗粒和/或纤维可以具有低的热惯性。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以是金属的。在另一个实施例中，所述固体颗粒和/或纤维可以包括矿物质或陶瓷。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以包括砂砾。

仅利用热储存循环的能量储存

根据本发明的第三方面，提供了一种用于储存能量的装置，包括用于容纳气体的压缩室装置；用于对包括在所述压缩室装置中气体进行压缩的压缩活塞装置；热量储存装置，其用于接收及储存来自由所述压缩活塞装置进行压缩之气体的热能；膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述热量储存装置之后的气体；膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及热量交换器装置，其用于将所述热能传递(例如，从大气层)至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

以这样的方式，基于本发明第一方面的组合循环中的热储存循环，提供了一种利用准等热膨胀的能量储存装置，随后通过使得所述循环反相而在释放模式中可还原所述能量。

所述气体可以是来自环境大气层的空气。

所述压缩可以是基本上等熵的或绝热的。从气体到热量储存装置的热传递可以是基本上等压的。所述膨胀可以是基本上等热的。例如，所述膨胀活塞装置可以包括连续的多个膨胀阶段，每个所述阶段具有与之关联的各自热量交换器。

所述热量交换器装置可形成为将热能传递给在膨胀期间由所述膨胀活塞装置进行膨胀的气体。以这样的方式，提供了多阶段的膨胀阶段，以实现准等压膨胀。

在一个实施例中，所述热量交换器装置形成为将热能传递给在离散膨胀步骤之间的一个或多个阶段中由所述膨胀活塞装置膨胀的气体，所述离散膨胀步骤由所述膨胀活塞装置实施。例如，所述膨胀室装置可以包括多个串联膨胀室，每个膨胀室具有各自的膨胀活塞装置和与之关联的热量交换器装置。每个膨胀室可以具有比在该系列中它的前一膨胀室小的体积。

所述装置可以还包括热耦合到热量交换器装置的冷储存装置，其用于将热能传递给在膨胀期间由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。例如，在所述膨胀室装置包括多个串联膨胀室的情况中，多个膨胀室的各热量交换器装置可以热耦合到单个冷储存装置。以这样的方式，除了储存在所述冷储存装置内的更高温度之外，提供了一种用于操作与本发明的第一实施例相似之可逆循环的装置。

所述热量储存装置可以包括腔室，其用于接收气体，以及放置在腔室内的颗粒材料(例如，一层颗粒材料)。所述颗粒材料可以包括固体颗粒和/或包装(例如随机地)成气体可渗透结构的纤维。所述固体颗粒和/或纤维可以具有低的热惯性。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以是金属的。在另一个实施例中，所述固体颗粒和/或纤维可以包括矿物质或陶瓷。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以包括砂砾。

所述装置可以还包括用于还原储存在所述第一和第二热量储存装置之能量的发生器装置。所述发生器装置可以连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置中的一个或全部。所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部可形成为在释放期间反相操作(例如，当释放时，所述膨胀活塞装置可形成对被冷却的气体进行压缩，而所述压缩活塞装置可形成为允许对被加热气体进行膨胀)。

仅利用冷储存循环的能量储存

根据本发明的第四方面，提供了一种用于储存能量的装置，包括：用于容纳气体的压缩室装置；用于对包括在所述压缩室装置中气体进行压缩的压缩活塞装置；热量交换器装置，其用于对由所述压缩活塞装置进行压缩之气体进行冷却；膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述热量交换器装置之后的气体；膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

以这样的方式，基于本发明第一方面的组合循环中的冷储存循环，提供了一种利用准等热压缩的能量储存装置，通过使得气体穿过被冷却的热量储存装置、压缩被热量储存装置冷却的气体、以及通过在发生器装置上做功而允许被加热的气体膨胀，可随后在释放模式中还原所述能量。

所述压缩可以是基本上等热的。例如，所述压缩活塞装置可以包括连续的多个压缩阶段，每个具有与之关联的各自热量交换器。从气体到热量储存装置的热传递可以是基本上等压的。所述膨胀可以是基本上等熵的或绝热的。

所述热量交换器装置可形成为对在压缩期间由所述压缩活塞装置压缩的气体进行冷却。以这样的方式，为了实现准等压压缩，提供了多阶段的压缩阶段。

在一个实施例中，所述热量交换器装置被构造为对在离散压缩步骤之间的一个或多个阶段中由所述压缩活塞装置膨胀的气体进行冷却，所述离散压缩步骤由所述压缩活塞装置实施。例如，所述压缩室装置可以包括多个串联连接的压缩室，每个压缩室具有各自的压缩活塞装置和与之关联的热量交换器装置。每个压缩室可以具有比在该系列中的前一压缩室大的体积。

所述装置可以还包括热耦合到热量交换器装置的暖储存装置，用于从被所述压缩活塞装置压缩的气体接收和储存热能。例如，在所述压缩室装置包括多个串联压缩室情况中，多个压缩室的各热量交换器装置可以热耦合到单个暖储存装置。以这样的方式，除了储存在所述暖储存装置内的更低温度之外，提供了一种用于操作与本发明的第一实施例相似之可逆循环的装置。

所述热量储存装置可以包括腔室，其用于接收气体，以及放置在腔室内的颗粒材料(例如，一层颗粒材料)。所述颗粒材料可以包括固体颗粒和/或包装(例如随机地)成气体可渗透结构的纤维。所述固体颗粒和/或纤维可以具有低的热惯性。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以是金属的。在另一个实施例中，所述固体颗粒和/或纤维可以包括矿物质或陶瓷。例如，所述固体颗粒和/或纤维可以包括砂砾。

所述装置可以还包括用于还原储存在所述第一和第二热量储存装置之能量的发生器装置。所述发生器装置可以连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置中的一个或全部。所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部可形成为在释放期间反相操作(例如，当释放时，所述膨胀活塞装置可形成对被冷却的气体进行压缩，而所述压缩活塞装置可形成为允许对被加热气体进行膨胀)。

附图说明

现在将参考附图以实例方式描述本发明的实施例，其中：

图1为根据本发明的第一方面的能量储存装置的示意图；

图2示出了模拟图1装置在释放期间的典型循环的P-V图；

图3示出了模拟图1装置在储存期间的典型循环的P-V图；

图4为根据本发明的第二方面的结合有能量储存装置的转递装置的示意图；

图5为根据本发明的第三方面的能量储存装置的第一实施例的示意图；

图6为根据本发明的第四方面的能量储存装置的第一实施例的示意图；

图7示出了模拟图5装置在储存期间的典型循环的P-V图；

图8示出了模拟图5装置在释放期间的典型循环的P-V图；

图9示出了模拟图6装置在储存期间的典型循环的P-V图；

图10示出了模拟图6装置在释放期间的典型循环的P-V图；

图11示出了阐述图5装置中的能量损失的P-V图；

图12示出了阐述图5装置中的能量损失的P-V图；

图13示出了模拟图6装置在增加热量时的典型循环的P-V图；

图14示出了阐述从被增加的热量产生的附加能量增益的P-V图；

图15为根据本发明的第三方面的能量储存装置的第二实施例的原理图；

图16为根据本发明的第四方面的能量储存装置的第二实施例的原理图；

图17示出了模拟图15装置在释放期间的典型循环的P-V图；

图18示出了模拟图16装置在释放期间的典型循环的P-V图。

具体实施方式

图1表示一种布置，其中热量储存装置插在利用热的热泵/发动机循环之内。所使用的循环两个不同阶段，所述两个阶段可以划分到单独的设备或组合进一个设备。

仅热储存(图5)

图5示出了一种设备，其形成为利用升高温度和压力的压缩机(本实施例中为往复式设备)来提供工作流体(例如空气)的基本等熵的压缩。随后，所述工作流体穿过颗粒热量储存介质(例如砂砾或金属颗粒)，所述工作流体在所述介质处冷却回到接近环境温度。随后所述工作流体被等热膨胀回到大气温度。这将利用多阶段膨胀器(本实施例中，也是往复式的)和中间冷却器(加热器)来实现。

如下文将更详细讨论的，为了还原(recover)能量，可简单地使所述循环反相。

如果等热膨胀和压缩是理想的，在储存和释放中将不会有能量损失。然而，实际上一系列的压缩机/膨胀器将产生中间冷却/加热。参考PV图，注意到这立即将不能被还原的损失引入到该***中。提供的阶段越少，损失越大。提供的阶段越多，装备越复杂和昂贵。

储存的能量密度是温度的函数，其也是压力的直接函数。压力容器装载极限与壁材料的张力强度(其随温度升高而降低)直接相关。压力容器需要每单位面积具有一定质量的材料以限制加压流体。如果管的面积加倍，在壁上材料的质量也将加倍。由此，正常加压储存将总是比未加压储存花费更多并且没有经济规模。

仅冷储存(图6)

图6示出了形成为使用压缩机(本实施例中为往复式设备)来提供工作流体(例如空气)的基本等热的压缩以提高工作流体压力的设备。压缩之后，对工作流体进行基本等熵的膨胀，以将其温度降低到环境温度之下并且使其压力返回为大气压。随后，所述工作流体穿过颗粒热量储存介质(例如砂砾或金属颗粒)，所述工作流体在所述介质处被加热回接近环境温度。利用多阶段压缩机和中间冷却器实现等热压缩。

如下文将更详细讨论的，为了还原能量，可简单地使所述循环反相。

如果等热膨胀和压缩是理想的，在储存和释放中将不会有能量损失。然而，实际情况是，会使用一系列的带中间冷却和加热作用的压缩机/膨胀器。如PV图所示，这立即将不能被还原的损失引入到该***中。阶段越少，损失越大。阶段越多，装备越复杂和昂贵。

在本过程的能量还原阶段期间，可使用来自另一源(例如发电站)的废热或者来自太阳的低级热量来促进能量还原。这种“能量促进”所得的利益应该大于由本过程的等热压缩/膨胀所引入的损失。

热冷混合储存(图1)

图1示出了用于采用基本等熵压缩的混合循环的设备，其使用升高工作气流(例如空气)的温度和压力的压缩机(本实施例中为往复式设备)。随后所述工作流体穿过颗粒热量储存介质(可以是砂砾或金属颗粒)，所述工作流体在所述介质处被冷却。随后，使所述工作流体膨胀以冷却其，并使其在穿过另一个颗粒储存器之前降低温度，所述工作流体在所述另一颗粒储存器处被加热回到环境温度，并且随后回到步骤一。

为了释放，工作流体穿过第二热量储存器到2，然后被压缩到3，经过第一热量储存器4而被加热、膨胀返回到1。

这个设备自动地具有不需要任何等热压缩或膨胀这一优点。这就意味着，可以避免与仅使用热或仅使用冷的设备的储存/释放相关联的不可避免的损失。它是本质上更高效的。

循环分析

机械能/循环(储存)

等熵压缩：

$E_{4\→2}=\frac{p_1{V_1}^{\mathrm{\γ}}}{1-\mathrm{\γ}}({V_2}^{1-\mathrm{\γ}}-{V_1}^{1-\mathrm{\γ}})$

从2到3的冷却：

E_2→3＝p₂(V₃-V₂)

其中：V₂＝V₁(p₂/p₁)^-1/γ

V₃＝V₂(T₃/T₂)^1/(1-γ)

T₂＝T₁(V₂/V₁)^1-γ

T₃约＝T₁

从3到4的膨胀：

$E_{3\→4}=\frac{p_2{V_3}^{\mathrm{\γ}}}{1-\mathrm{\γ}}({V_4}^{\mathrm{\γ}-1}-{V_3}^{\mathrm{\γ}-1\mathrm{\γ}})$

其中，V₄＝V₃(p₄/p₃)^-1/γ

从4到1的加热：

E_4→1＝p₁(V₁-V₄)

每循环包括的流体质量：

M＝pV/RT(状态方程)

储存的热能：

E_T(2→3)＝M·C_p(T₂-T₃)

E_T(1→4)＝M·C_p(T₁-T₄)

机械能与热量储存的比例：

$=\frac{E_{1\→2}+E_{2\→3}+E_{3\→4}+E_{4\→1}}{E_{T(2\→3)}+E_{T(1\→4)}}$

因为这个循环是理论上可逆的，因此应该可以获得高的效率。

概念的使用

在图4中，装置示出为连接两个带有能量储存器的热动力机，这样动力输入就是完全独立于输出的行为。这将该设备转变成能够储存极大量能量的热动力传递形式。

在所示的实施例中，除应暴露以保持数据的Ta管之外，必须对所有管道进行高度隔热。

若所供应的能量等于移出的能量，这一结构则自动地绕过储存块，并且任何的不平衡会将能量无缝且自动地传递至缓冲器以及从缓冲器获得。

关键原理是，能量的增加或移除仅是气流经过输入和输出设备的相对速率的函数，如果这些是相等的，那么没有能量进入或离开储存器，如果输入流更大，那么随后能量被储存；如果输出流更大，那么能量离开储存器。

为了避免在***熵方面的整体上升，必须对至少一个环境流进行冷却。所述冷却可以这样进行，即，可以通过将第二热量储存器的Ta(环境)端开放至大气，这样，冷侧就为环境压力。如果整个设备在高压下工作，它可以制造得更紧凑，这可以应用在用于混合汽车等的传递中。

为了能量的大量储存，在环境压力下储存是理想的，这可以这样实现，即，通过使受压流从机器穿过位于储存块末端的热量交换器，并且经由这些热量交换器使得环境压力空气吹过储存器。

在使用热量交换器和非加压储存器情形，各传递阶段可能会发生关联的温度下降。例如，空气可在500摄氏度时离开热压缩机。该空气将贯穿热量交换器并且可在约450摄氏度进入非加压热储存器。当该***反向时，空气温度将仅被加热到约400摄氏度。在这种情况下，使用外部热源(例如电力或气体)对非加压储存器供给热是有利的。

由于这一热是在高温增加的，因此就提高储存器的能量密度以及在释放时的可还原能量而言，具有明显的优点。例如，在所给出的实例中，储存器可被加热到550摄氏度，并且在释放循环期间空气的返回流将被重新加热到它原来温度，即500摄氏度。

另外，如果这一加热有很长一段时间维持为未释放状态，可用其来维持储存器的温度。这在UPS或备用动力负荷方面具有特别的应用。

通过将储存器设置在很深的地下，例如可以使用旧矿井，可以实现加压的大量储存。洞穴之上的质量可以使用来平衡在储存器内的高气体压力。

可在热量热泵/发动机循环中***其他的循环。

仅冷储存

动力输入：

在环境温度和压力下的气体等热压缩(升高了气体压力)、等熵膨胀回到大气压力(将气体冷却到环境温度之下)、等压加热回到环境温度(将热从储存器传递到气体)。这个循环是理论上可逆的，虽然等热压缩可能由在各阶段之后接近等熵而不是等压冷却的一系列压缩组成。这将使得这个循环本质上比热冷组合储存器更低效，虽然它具有很明显的成本优势，即整个储存器处于环境压力。另外应该注意到，就这一装置提到的等热压缩或膨胀，系指尽可能地接近等热，并且可以包括许多压缩或膨胀阶段。

动力输出

在环境压力和温度下的空气输入贯穿第二热量储存器并且被冷却。随后所述空气输入被等熵压缩，以将其温度升高到环境温度(至少接近)，并且此时其压力为高。随后所述空气输入在多阶段膨胀器内和各阶段间的热量交换器内被膨胀及加热回到环境温度和压力。

在还原阶段具有低级热附加的冷储存

这采取了先前的仅冷循环并且将它与可以被使用来促进能量还原过程的低级形式热量结合。这种低级热量可以来自发电站或来自太阳能收集器。

动力输入

在环境温度和压力下的气体等热压缩(升高气体的压力)、将气体等压冷却到环境温度、等熵膨胀回大气压力(将气体冷却到环境温度之下)、等压加热回环境温度(将热从储存器传递到气体)。这个循环是理论上可逆的，虽然等热压缩可能由在各个阶段之后接近等熵而不是等压冷却的一系列压缩组成。

动力输出

低级热量被在高于环境温度、称为“环境+”的温度下供给。

在环境压力和温度下的空气输入贯穿第二热量储存器并且被冷却。随后所述空气输入被等熵压缩，以将其温度升高到环境温度(至少接近)，并且此时其压力为高。随后所述空气输入跳过逆流贯穿热量交换器，所述逆流例如为来自发电站的处于“环境+”的热水。随着所述空气被加热，所述水被冷却，直到该空气几乎处于“环境+”。这一点上，所述空气被等熵膨胀回到环境温度和压力(或它们附近)。

附图的详细描述

图1

图1表示能量储存***10，包括：包括压缩机装置21、膨胀器装置22和动力输入/输出装置40的的压缩机/膨胀器装置20；第一热量储存装置50、第二热量储存装置60、高压传递装置70、71和低压传递装置80、81。在该图中，压缩机/膨胀器装置20示为独立的单元。

压缩机装置21包括：低压进口装置23；压缩室24；压缩活塞装置25；高压排气装置26。在这个实例中，压缩机装置21形成为在循环的释放阶段反相地运行并且用作膨胀部。在释放阶段具有两种实现膨胀的其可替代方法：(1)当***反相时，切换流，以仅使用压缩机装置21来压缩气体并且仅使用膨胀器装置22来膨胀气体，但是这样会产生柱面尺寸不正确这一缺点；以及(2)为释放部分提供单独的压缩机/膨胀器，并且进行合适的流切换。

膨胀器装置22包括：高压进口装置27；膨胀室28；膨胀活塞装置29；低压排气装置30。在这个实例中，膨胀器装置22形成为反相运行，并且用作循环的释放阶段的压缩机装置。在释放阶段具有两种实现膨胀的其他替代方法：(1)当***反相时，切换流，以仅使用压缩机装置21来压缩气体并且仅使用膨胀器装置22来膨胀气体，但是这样会产生柱面尺寸不正确这一缺点；以及(2)为释放部分提供单独的压缩机/膨胀器，并且进行合适的流切换。

动力输入/输出装置40包括来自能量源/需求41的机械连接、连接到压缩机的驱动机构42和连接到膨胀器的驱动机构43。当用于动力输入模式时，能量源/需求41是能量源，当用于动力输出模式时，其为能量需求。

第一热量储存装置50包括适用于高压的第一隔热压力容器51、高压进口/出口52、第一热量储存器53和高压进口/出口54。

第二热量储存装置60包括适用于低压的第二隔热压力容器61、低压进口/出口62、第二热量储存器63和低压进口/出口64。

为了储存到***10，在低压传递装置80内的低压气体经由低压进口装置23进入压缩机装置21，并且允许其进入压缩室24。一旦气体已经进入压缩室24，低压进口装置23就被密封，并且随后通过驱动机构42来致动压缩活塞装置25。一旦压缩室24中的气体已被压缩活塞装置25压缩至接近高压传递装置70内的水平，通过开启膨胀室26将所述气体传递到高压传递装置70。

通过高压传递装置70将所述气体传递到第一热量储存装置50。所述气体经由高压进口/出口装置52进入第一热量储存装置50，并且穿过被围在第一隔热压力容器51内的第一热量储存器53。随着所述气体穿过第一热量储存器53，其将热能传递给第一热量储存器53，并且经由高压进口/出口装置54离开第一热量储存装置50。所述气体此时穿过高压传递装置71并且经由高压进口装置27进入膨胀器装置22。

经由高压进口装置27进入膨胀器装置22的所述高压气体被允许穿过膨胀室28。一旦所述气体已经进入膨胀室28，高压进口装置27就被密封，随后提通过驱动机构43来致动膨胀活塞装置29。一旦膨胀室28中的气体已被膨胀活塞装置29膨胀到接近低压传递装置81内的水平，通过开启低压排气装置30而将所述气体传递到低压传递装置81。

通过低压传递装置81将所述气体传递到第二热量储存装置60。所述气体经由低压进口/出口装置62进入第二热量储存装置60，并且穿过被围在第二隔热压力容器61内的第二热量储存器63。随着所述气体穿过第二热量储存器63，其从第二热量储存器63接收热能，并且经由低压进口/出口64离开第二热量储存装置60。所述气体此时穿过低压传递装置80并且经由低压进口装置23进入压缩机装置21。

这个过程可运行至第一和第二热量储存装置50、60完全储存满，即，不能再将更多的能量储存到在该***中。为了释放该***，使得该过程反相，并且压缩机装置21用作膨胀器，而膨胀器装置22用作压缩机。流经该***的流也反相，并且一旦该***被释放，整个***的温度将基本返回到其开始时的温度。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置80内可设有通风口90或91。通风口90允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，通风口91可通向气体贮存器92，所述气体贮存器92依靠热量交换器93可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

图2，图1的释放***

图2示出了能量储存器10在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。直线部分180′表示气流穿过第二热量储存装置60时，对所述气流进行的从环境温度和压力(本实施例)起始的等压冷却；在图左侧的曲线170′表示在膨胀器装置22内的等熵压缩；直线部分160′表示当所述气流穿过第一热量储存装置50时，所述气流的等压加热；以及在图右侧的曲线150′表示所述气体在压缩机装置21内的等熵膨胀。可还原的功等于线内的阴影面积。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图可能显示出某些与理想循环不同的地方。另外，如前所述，所述循环的低压部分可以是在大气压之上或之下、所述气体不必是空气，并且低温(T1)也可以设置在环境温度之上或之下。

图3，图1的储存***

图3表示能量储存器10在储存阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。图右侧的曲线150表示对流入压缩机装置21中的气流进行的从环境温度和压力(本实施例)起始的等熵压缩；在图左侧的直线部160表示当所述气流穿过第一热量储存装置50时，所述气流的等压冷却；以及在图左侧的曲线170表示所述气体在压缩机装置21内的返回到大气压的等熵膨胀；直线部180表示当所述气流穿过第二热量储存装置60时，使所述气流返回到环境温度的等压加热。所作的功以及由此所储存的机械功等于线内的阴影面积。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。另外，如前所述，所述循环的低压部分可以是在大气压之上或之下、所述气体不必是空气，并且低温(T1)也可以设置在环境温度之上或之下。

图4——能量储存和传递

图1表示能量储存***10′，其包括：包括第一压缩机装置21′和第一膨胀器装置22′的第一压缩机/膨胀器装置20′；包括第二膨胀器装置121和第二膨胀器装置122的第二压缩机/膨胀器装置120；动力输入装置40；动力输出装置140；第一热量储存装置50′、第二热量储存装置60′、高压传递装置70′、71′、72′和73′；以及低压传递装置80′、81′、82′和83′。

第一压缩机装置21′包括：低压进口装置23′、第一压缩室24′、第一压缩活塞装置25′和高压排气装置26′。

第一膨胀器装置22′包括：高压进口装置27′、第一膨胀室28′、第一膨胀活塞装置29′和低压排气装置30′。

第二膨胀器装置121包括：低压出口装置123、第二膨胀室124、第二膨胀活塞装置125和高压进口装置126。

第二压缩机装置122包括：高压出口装置127、第二压缩室128、第二压缩活塞装置129和低压进口装置130。

动力输入装置40′包括：与能量源41′的机械连接、连接至第一压缩活塞装置25′的驱动机构42′以及连接至第一膨胀活塞装置29′的驱动机构43

动力输出装置140包括：与能量需求141的机械连接、连接至第二膨胀活塞装置125的驱动机构142以及连接至第二压缩活塞装置129的驱动机构143。

第一热量储存装置50′包括：适用于高压的第一隔热压力容器51′、高压进口装置52′、56、高压出口装置54′和55、热分配室57、第一环境分配室58和第一热量储存器53′。

第二热量储存装置60′包括：适用于低压的第二隔热压力容器61′、低压进口装置62′、66、低压出口装置64′和65、冷分配室67、第二环境分配室68和第二热量储存器63′。

假设有足够的能量储存在第一和第二热量储存装置50′和60′内，那么仅有五种可能的操作模式：

1、仅储存。如果没有能量正从动力输出装置140抽走并且能量正由动力输入装置40′加入，那么所述流将储存到第一和第二热量储存装置50′和60′。

2、部分储存并且部分直接溢出。如果正从动力输出装置140抽走的能量小于正由动力输入装置40′增加的能量，那么所述流将分为两部分，即，有足够的流供应给压缩机/膨胀器装置120的动力输出需求，而剩余流将储存到第一和第二热量储存装置50′和60′。

3、直接流动。如果正从动力输出装置140抽走的能量与正由动力输入装置40′增加的能量相同，那么几乎所有的流将绕过第一和第二热量储存装置50′和60′，并且从压缩机装置21′直接流到膨胀器装置121并且也从膨胀器装置22′直接流到达压缩机装置122。

4、部分直接流动并且部分释放。如果正从动力输出装置140抽走的能量大于正由动力输入装置40′增加的能量，那么来自压缩机/膨胀器装置20′的流将像情况(3)直接穿过该***，并且还有其他的流从第一和第二热量储存装置50′和60′抽走。所述其他流与所述直接流相加应等于所需要的动力输出。这可以被分析为(3)和(5)的组合。

5、仅释放。如果没有能量正被动力输入装置40′供应，那么必须从第一和第二热量储存装置50′和60′抽取驱动压缩机/膨胀器装置120的所有能量。

如果第一和第二热量储存装置50′和60′中所有的能量都耗尽，那么仅可使用选择(1)到(3)，直到有一些储存被增加到该***中。

模式(1)——仅储存

在这个模式中，动力输入全部用于储存到第一和第二热量储存装置50′和60′。这与对图1所示设备进行储存的情况相同。在这个结构中，仅输入动力，因此不需要考虑任何通过第二压缩机装置121和第二膨胀器装置122的流。

在使用中，低压传递装置80′中的低压气体经由低压进口装置23′进入第一压缩机装置21′，并且被允许进入第一压缩室24′。一旦气体已经进入第一压缩室24′，低压进口装置23′就被密封，并且随后通过驱动机构42′致动第一压缩活塞装置25′。一旦第一压缩室24′中气体已经被第一压缩活塞装置25′压缩至接近高压传递装置70′内的水平，通过开启高压排气装置26′将所述气体传递到高压传递装置70′。

气体被高压传递装置70′传递到热分配室57。气体经由高压进口装置52′进入热分配室57。气体离开热分配室57并且穿过包围在第一隔热压力容器51′内的第一热量储存器53′。随着气体穿过第一热量储存器53′，其将热量传递给第一热量储存器53′并且进入第一环境分配室58。随后，所述气体经由高压出口装置54′离开第一环境分配室58。气体此时穿过高压传递装置71′并且经由高压进口装置27′进入第一膨胀器装置22′。

经由高压进口装置27′进入第一膨胀器装置22′的高压气体被允许进入第一膨胀室28′。一旦气体已经进入第一膨胀室28′，高压进口装置27′就被密封，并且随后由驱动机构43′致动第一膨胀活塞装置29′。一旦包括在第一膨胀室28′内的气体已经被第一膨胀活塞装置29′膨胀减压至接近低压传递装置81′内的水平，通过开启低压排气装置30′将气体传递到低压传递装置81′。

气体由低压传递装置81′传递到第二热量储存装置60′。气体经由低压进口装置62′进入冷分配室67，并且穿过被包围在第二隔热压力容器61′内的第二热量储存器63′。随着气体穿过第二热量储存器63′，其从第二热量储存器63′接收热能并且随后进入第二环境分配室68。气体经由低压出口装置64′离开第二环境分配室68。气体此时穿过低压传递装置80′并且能够经由低压进口装置23′进入第一膨胀器装置21′。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置80′内可设有通风口90′或91′。通风口90′允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，那么通风口91′可通向气体贮存器92′，所述气体贮存器92′依靠热量交换器93′可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

模式(3)——直接流动

在这个模式中，动力输入被使用于直接驱动动力输出，而没有任何明显流经过第一和第二热量储存装置50′和60′。

在使用中，低压传递装置80′中的低压气体经由低压进口装置23′进入第一压缩机装置21′，并且被允许进入第一压缩室24′。一旦气体已经进入第一压缩室24′，低压进口装置23′就被密封并且随后由驱动机构42′致动第一压缩活塞装置25′。一旦第一压缩室24′中的气体已被第一压缩活塞装置25′压缩到接近高压传递装置70′内的水平，通过开启高压排气装置26′将气体传递到高压传递装置70′。

气体由高压传递装置70′传递到热分配室57。气体经由高压进口装置52′进入热分配室57。气体离开热分配室57并且穿过高压出口55而进入高压传递装置72。气体此时穿过高压传递装置72并且经由高压进口装置126进入第二膨胀器装置121。

经由高压进口装置126进入膨胀器装置121的高压气体被允许经过进入第二膨胀室124。一旦气体已经进入第二膨胀室124，高压进口装置126就被密封并且随后由驱动机构142致动第二膨胀活塞装置125。一旦第二膨胀室124内的气体已经由第二膨胀活塞装置125膨胀而减压至接近低压传递装置82内的水平，通过开启低压排气装置123将气体传递到低压传递装置82。

气体由低压传递装置82传递到第二热量储存装置60′。气体经由低压进口装置66进入第二环境分配室68，并且立即经由低压出口64′离开。气体此时穿过低压传递装置80′并且能够经由低压进口装置23′进入第一压缩机装置21′。

另外，在低压传递装置83中的冷低压气体经由低压进口装置130进入第二压缩机装置122，并且被允许进入第二压缩室128。一旦气体已经进入第二压缩室128，低压进口装置130就被密封并且随后由驱动机构143致动第二压缩活塞装置25。一旦第二压缩室128内的气体已经被第二压缩活塞装置129压缩而升压至接近高压传递装置73内的水平，通过开启高压排气装置127将气体传递到高压传递装置73。进入高压传递装置73的气体的温度应该接近环境。

气体由高压传递装置73传递到第一环境分配室58。气体经由高压进口装置56进入第一环境分配室58并且立即离开高压出口54′。气体此时穿过高压传递装置71′并且能够经由高压进口装置27′进入第一膨胀器装置22′。

经由高压进口装置27′进入第一膨胀器装置22′的高压气体被允许进入第一膨胀室28′。一旦气体已经进入第一膨胀室28′，高压进口装置27′就被密封并且随后由驱动机构43′致动第一膨胀活塞装置29′。一旦第一膨胀室28′内的气体已被第一膨胀活塞装置29′膨胀而减压至接近低压传递装置81′内的水平，通过开启低压排气装置30′将气体传递到低压传递装置81′。

气体由低压传递装置81′传递到第二热量储存装置60′。气体经由低压进口装置62′进入冷分配室67，并且立即通过低压出口65离开。气体此时穿过低压传递装置83并且能够经由低压进口装置130进入第二压缩机装置122。

如果动力输入等于动力输出，那么流经第一和第二热量储存装置50′和60′的流应为最小，并且实际上在第一压缩机装置21′与第二膨胀器装置121之间、以及在第一膨胀器装置22′与第二压缩机装置122之间具有直接的流路。在这个“流体传递”中的任何损失都可能物化为废热，并且为了保持基础温度在正确水平，可能需要使用热量交换器装置94来冷却高压传递装置71′。这是除下文所述之对于低压传递装置80′进行冷却之外的冷却。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置80′内可设有通风口90′或91′。通风口90′允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，那么通风口91′可通向气体贮存器92′，所述气体贮存器92′依靠热量交换器93′可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

模式(5)——仅释放

在这个模式中，动力全部从第一和第二热量储存装置50′和60′抽取。它对于释放图1所示设备的情况是相同的。然而，在这个结构中，仅输出动力，从而不需要考虑任何流经第一压缩机装置21′和第一膨胀部22′的流。假设有足够的已储存动力来供应给这个动力，那么它可以如下分析。

在使用中，高压传递装置72中的高压气体经由高压进口装置126进入第二膨胀器装置121，并且被允许进入第二膨胀室124。一旦气体已经进入第二膨胀室124，高压进口装置126就被密封并且随后由驱动机构142致动第二膨胀活塞装置125。一旦第二膨胀室124内的气体已被第二膨胀活塞装置125膨胀而减压至接近低压传递装置82内的水平，通过开启高压排气装置123将气体传递到低压传递装置82。

气体由低压传递装置82传递到第二热量储存装置60′。气体经由低压进口装置66进入第二环境分配室68，并且穿过包围在第二隔热压力容器61′中的第二热量储存器63′。随着气体穿过第二热量储存器63′，其将热能传递给第二热量储存器63′，并且经由低压出口装置65离开冷分配室67。气体此时穿过低压传递装置83并且经由低压进口装置130进入第二压缩机装置122。

经由低压进口装置130进入第二压缩机装置122的低压气体被允许进入第二压缩室128。一旦气体已经进入第二压缩室128，低压进口装置130就被密封并且随后由驱动机构143致动第二压缩活塞装置129。一旦第二压缩室128内的气体已被第二压缩活塞装置129压缩而升压至接近高压传递装置73内的水平，通过开启高压排气装置127将气体传递到高压传递装置73。

气体由高压传递装置73传递到第一热量储存装置50′。气体经由高压进口装置56进入第一环境分配室58，并且穿过包围在第一隔热压力容器51′内的第一热量储存器53′。随着气体穿过第一热量储存器53′，其从第一热量储存器53′接收热能并且经由高压出口装置55离开热分配室57。气体此时穿过高压传递装置72并且能够经由高压进口装置126进入第二压缩机装置121。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置80′内可设有通风口90′或91′。通风口90′允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，那么通风口91′可通向气体贮存器92′，所述气体贮存器92′依靠热量交换器93′可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

图5

图5示出了能量储存***210，包括：包括压缩机装置221、第一膨胀器装置222、第二膨胀器装置223、第三膨胀器装置224、第四膨胀器装置225、动力输入/输出装置241、242、243、244、245、热量储存装置250、第一热量交换器装置200、第二热量交换器装置201、第三热量交换器装置202、第四热量交换器装置203、高压传递装置270、271、中压传递装置272、272、273、274、275、276、277以及低压传递装置278、280。在该图中，压缩机和多个膨胀器装置221、222、223、224、225显示为独立的单元，具有独立的动力输入/输出装置241、242、243、244、245。在操作中，所有这些单元为机械连接是理想的，因此可与常规动力输入/输出装置进行操作。

压缩机装置221的工作方式类似于前述压缩机装置。如在前面实例中，压缩机装置221形成为反相运行，并且在循环的释放阶段操用作膨胀器装置。对此具有其他可替代的方案，例如为循环的释放部分提供独立的膨胀器并且进行合适的气流切换。

除了在四个阶段上压力下降，第一～第四的多个膨胀器装置221、222、223、224、225的工作方式类似于前述的膨胀器装置。阶段的数量是可以改变的，但是该数量可能取决于机械损失和整体复杂性。如在前面实例中，膨胀器装置221、222、223、224、225形成为反相运行，并且在循环的释放阶段操用作压缩机装置。对此具有其他可替代的方案，例如为循环的释放部分提供独立的压缩机并且进行合适的气流切换。

动力输入/输出装置241、242、243、244、245的工作方式类似于前述动力输入/输出装置。当以动力输入模式使用时，能量源/需求是能量源，而以动力输出模式使用时，能量源/需求是能量需求。

热量储存装置250的工作方式类似于前述热量储存装置，并且包括适用于高压的隔热压力容器251，以及热量储存器253。

多个热量交换器(第一～第四)装置200、201、202、203设计为，当流穿过所述热量交换器时，使得所述流返回到环境温度或基础温度。无论流经所述热量交换器的反向如何，都进行这一温度的返回。阶段的数量根据膨胀器装置的数量而不同。

中压传递装置如下：在272内的压力等于在273内(热量交换器导致少量的任意压力差)的压力，而比在274、275、276、277内的压力大；在274内的压力等于在275内(热量交换器导致少量的任意压力差)的压力，而比在276、277内的压力大；且在276内的压力等于在277内(热量交换器导致少量的任意压力差)的压力。

为了储存该***，在低压传递装置280内的低压气体进入压缩机装置221并且被压缩而升压至接近高压传递装置270内的水平。这个压缩需要来自动力输入/输出装置241的动力输入。气体被传递到高压传递装置270，随后进入热量储存装置250。气体穿过被包围在第一隔热压力容器251内的热量储存器253。随着气体穿过热量储存器253，其将热能传递给热量储存器253，并且随后从热量储存装置250穿过到达高压传递装置271。

气体进入第一膨胀器装置222，并且其一部分被膨胀为中压传递装置272内的压力。这将动力输出至动力输入/输出装置242。气体随后穿过热量交换器装置200，所述气体在所述热量交换器装置200处接收热能并且其温度升高到接近环境。气体离开热量交换器装置200并且进入中压传递装置273。

气体进入第二膨胀器装置223并且其一部分被膨胀为中压传递装置274内的压力。这将动力输出至动力输入/输出装置243。气体随后穿过热量交换器装置201，所述气体在所述热量交换器装置201处接收热能并且它的温度被升高到接近环境。气体离开热量交换器装置201并且进入中压传递装置275。

气体进入第三膨胀器装置224并且其一部分被膨胀为中压传递装置276内的压力。这将动力输出至动力输入/输出装置244。气体随后穿过热量交换器装置202，所述气体在所述热量交换器装置202处接收热能并且它的温度被升高到接近环境。气体离开热量交换器装置202并且进入中压传递装置277。

气体进入第四膨胀器装置225并且其一部分被膨胀为低压传递装置278内的压力。这将动力输出至动力/输入输出部245。气体随后穿过热量交换器装置203，所述气体在所述热量交换器装置203处接收热能并且它的温度被升高到接近环境。气体离开热量交换器装置203并且进入低压传递装置280。

可一直运行这个过程，直到热量储存装置250完全储存满(热量储存器253是全热的)，在完全储存满之后不能再将更多的能量储存在该***中。为了释放该***，反相运行该过程，并且压缩机装置221用作膨胀器，而将膨胀器装置222用作压缩机。流经所述***的流也反相，并且一旦已经释放了所述***，整个***的温度将返回到接近它们开始时的温度。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置280内可设有通风口290或291。通风口290允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，通风口291可通向气体贮存器292，所述气体贮存器292依靠热量交换器293可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

图7，图5的储存***

图7表示能量储存器210在储存阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。在图右侧的曲线151表示对流入压缩机装置21的气流进行的从环境温度和压力(本实施例)起始的等熵压缩；直线部161表示当所述气流穿过热量储存装置250时，所述气流的等压冷却；图左侧的曲线171表示在的膨胀器装置222、223、224、225中的一系列返回到大气压的等熵膨胀；直线部181表示当所述气流穿过一系列的热量交换器装置200、201、202、203时，使所述气流返回到环境温度的等压加热。膨胀器装置的数量(本实施例中为四个)和热量交换器装置的数量(本实施例中为四个)越多，则有更多的膨胀会是基本等热的膨胀。释放过程中所作的功等于线内的阴影面积。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图8，图5的释放***

图8表示能量储存器250在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。图左侧的曲线171′表示在膨胀器装置222、223、224、225中进行从环境压力起始的等熵压缩；直线部分181′表示当流穿过一系列的热量交换器装置200、201、202、203回到环境温度时，所述流的等压冷却；直线部分161′表示当流穿过热量储存装置250时，所述流的等压加热；以及图右侧的曲线151′表示对流入压缩机装置221的气体进行以环境温度和压力(本实施例)为目标的等熵膨胀。膨胀器装置的数量(本实施例中为四个)和热量交换器装置的数量(本实施例中为四个)越多，则有更多的膨胀会是基本等热的膨胀。释放过程中所作的功等于线内的阴影面积，除非所述膨胀和压缩非常接近于等热，所述功小于用于储存所述***的功。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图11P-V图，阐述在图5的装置中的能量损失

储存能量所作的功与***还原能量所作功的差值等于阴影面积191。这表示除非具有其他相关因素，否则图1和2所示的混合***将总是最高效的***。图6

图6表示能量储存***310，包括：包括第一压缩机装置321、第二压缩机装置322、第三压缩机装置323、第四压缩机装置324、膨胀器装置325、动力输入/输出装置341、342、343、344、345、热量储存装置350、第一热量交换器装置300、第二热量交换器装置301、第三热量交换器装置302、第四热量交换器装置303、高压传递装置378、379、中压传递装置372、373、374、375、376、377以及低压传递装置371、380。在该图中，压缩机和多个膨胀器装置321、322、323、324、325显示为独立的单元，并且具有独立的动力输入/输出装置341、342、343、344、345。在操作中，所有这些单元为机械连接是理想的，因此可与常规动力输入/输出装置进行操作。

除了在四个阶段上压力上升，多个压缩机装置321、322、323、324的工作方式类似于前述压缩机装置。阶段的数量可以改变，但是该数量可能依赖于机械损失和整个复杂性。如在前面实例中，压缩机装置321、322、323、324形成为反相运行，并且在循环的释放阶段用作膨胀器装置。对此具有其他可替代的方案，例如为循环的释放部分提供独立的膨胀器并且进行合适的气流切换。

膨胀器装置325的工作方式类似于前述膨胀器装置。膨胀器装置325形成为反相运行，并且在循环的释放阶段用作压缩机装置。对此具有其他可替代的方案，例如为循环的释放部分提供独立的压缩机并且进行合适的气流切换。

动力输入/输出装置341、342、343、344、345的工作方式类似于前述动力输入/输出装置描述的相似方式来操作。当以动力输入模式使用时，能量源/需求是能量源，而以动力输出模式使用时，能量源/需求是能量需求。

热量储存装置350的工作方式类似于前述热量储存装置，并且包括适用于低压的隔热压力容器351，以及热量储存器353。

第一～第四多个热量交换器装置300、301、302、303设计为，当流穿过所述热量交换器时，使得所述流返回到环境温度或基础温度。无论流经所述热量交换器的反向如何，都进行这一温度的返回。阶段的数量根据膨胀器装置的数量而不同。

中压传递装置如下：在372内的压力等于在373内(热量交换器导致少量的任意压力差值)的压力，而比在374、375、376、377内的压力大。在374内的压力等于在375内(热量交换器导致少量的任意压力差值)的压力，而比在376、377内的压力大。在376内的压力等于在377内(热量交换器导致少量的任意压力差值)的压力。

为了储存该***，在低压传递装置371内的低压气体进入第一压缩机装置321并且其一部分被压缩为中压传递装置372内的压力。这个压缩需要来自动力输入/输出装置341的动力输入。气体随后穿过热量交换器装置300，所述气体在所述热量交换器装置处失去热能并且其温度下降到接近环境。气体离开热量交换器装置300并且进入中压传递装置373。

气体进入第二压缩机装置322并且其一部分被压缩为中压传递装置374内的压力。这个压缩需要来自动力输入/输出装置342的动力输入。气体随后穿过热量交换器装置301，所述气体在所述热量交换器装置处失去热能并且其温度下降到接近环境。气体离开热量交换器装置301并且进入中压传递装置375。

气体进入第三压缩机装置323并且其一部分被压缩为中压传递装置376内的压力。这个压缩需要来自动力输入/输出装置343的动力输入。气体随后穿过热量交换器装置302，所述气体在所述热量良好器装置处损失热能并且器温度下降到接近环境。气体离开热量交换器装置302并且进入中压传递装置377。

气体进入第四压缩机装置324并且其一部分被压缩为高压传递装置378内的压力。这个压缩需要来自动力输入/输出装置344的动力输入。气体随后穿过热量交换器装置303，所述气体在所述热量交换器装置处损失热能并且其温度被下降到接近环境。气体离开热量交换器装置303并且进入高压传递装置379。

气体进入膨胀器装置325并且被膨胀而降压为接近于低压传递装置380内的压力。该膨胀将动力输出至动力/输入输出部345。气体被传递至低压传递装置380并且进入热量储存装置350。气体随后穿过被包围在第一隔热压力容器351内的热量储存器353。随着气体穿过热量储存器353，其从热量储存器353接收热能，随后从热量储存装置350穿过而到达高压传递装置371。

可一直运行这个过程，直到热量储存装置350完全储存满(热量储存器353是全冷的)，在完全储存满之后不能再将更多的能量储存在该***中。为了释放该***，反相运行该过程，并且将膨胀器装置325用作压缩机，而将多个压缩机装置321、322、323、324用作膨胀器。流经所述***的流也反相，并且一旦已经释放了所述***，整个***的温度将返回到接近它们开始时的温度。

如果所述气体是空气，并且所述低压设为大气压，那么低压传递装置3801内可设有通风口390或391。通风口390允许环境空气在需要时进入和离开***，并且阻止在***的熵方面的升高。如果所述气体不是空气且/或所述低压不为大气压，通风口391可通向气体贮存器392，所述气体贮存器392依靠热量交换器393可以保持在稳定的温度。如果没有使用热量交换器和/或所述气体没被通向大气，那么在***的熵方面将有稳定的升高，从而温度亦有稳定的升高。

图9，图6的储存***

图9表示能量储存器310在储存阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。在图右侧的曲线152表示表示对流入压缩机装置321、322、323、324的气流进行的从环境温度和压力(本实施例)起始的等熵压缩；直线部分162表示当所述气流穿过热量交换器装置300、301、302、303时，所述气流的等压冷却；在图左侧的曲线172表示膨胀器装置325内回到大气压的等熵膨胀；以及直线部分182表示所述气流穿过热量储存装置350时，使所述气流返回到环境温度的等压加热。膨胀器装置的数量(本实施例中为四个)和热量交换器装置的数量(本实施例中为四个)越多，则有更多的膨胀会是基本等热的膨胀。释放过程中所作的功等于线内的阴影面积。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图10，图6的释放***

图10表示能量储存器310在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。直线部分182′表示当流穿过热量储存装置360回到环境温度时，对所述流进行的从环境温度起始的的等压冷却；图左侧的曲线172代表在膨胀活塞装置器325中的等熵压缩；在图右侧的曲线152表示对流入压缩机装置321、322、323、324中的气体进行以环境温度和压力(本实施例)为目标的一系列等熵膨胀；以及直线部分162代表当流穿过热量交换器装置300、301、302、303时，所述流的等压加热。膨胀器装置的数量(本实施例中为四个)和热量交换器装置的数量(本实施例中为四个)越多，则有更多的膨胀会是基本等热的膨胀。释放过程中所作的功等于线内的阴影面积，除非所述膨胀和压缩非常接近于等热，所述功小于用于储存所述***的功。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图12P-V图，阐述在图6的装置中的能量损失

储存能量所作的功与***还原能量所作功的差值等于阴影面积192。这表示除非接近于等热的压缩或膨胀得以实现，或者具有其他相关因素，否则图1和2所示的混合***将总是最高效的***。

图13——当在释放阶段增加热量时，图6的储存/释放***

图13示出了能量储存器310在其中在释放阶段增加热量的理想化P—V(压力与体积关系)图。

图9业已描述了这一***的储存方式。

由此，仅释放过程有所变化。直线部分184′表示当气流穿过第二热量储存装置360时，对所述气流进行的以环境温度和压力(本实施例)为起始的等压冷却；图左侧的曲线174′表示在膨胀器装置325内的等熵压缩；直线部分164′表示当流接收所增加热量而变为环境+之温度时，所述流的等压加热；以及图右侧的曲线154′表示气体在膨胀器装置(之前未示出，但是与膨胀器装置325相似)内回到大气压的等熵膨胀。当然，由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图14P-V图，阐述从增加的热量中产生的附加能量增益

图14示出了如阴影面积194所示的可还原功，并且由此可见，如果仔细地选择温度上界和下届，那么提高可还原能量的级别以使其大于储存所述***所需之能量也是可能的。

图15——混合热***

图15示出了基于上文参考图6所描述之能量储存***210的能量储存***210′。能量储存***210′包括压缩机装置221′、第一膨胀器装置222′、第二膨胀器装置223′、第三膨胀器装置224′、第四膨胀器装置225′、动力输入/输出装置241′、242′、243′、244′、245′、热量储存装置250′、第一热量交换200′、第二热量交换器装置201′、第三热量交换器装置202′、第四热量交换器装置203′、高压传递装置270′、271′、中压传递装置272′、272′、274′、275′、276′、277′、以及低压传递装置270′、280′。然而与***210相反，热量交换器装置200′、201′、202′、203′不暴露至大气压，而是经由逆流热量交换器401热耦合到冷储存装置400。

如果对于每个压缩机装置222′、223′、224′、225′的膨胀率保持相同，由于各最小温度将为相同，那么仅需要单个冷储存器(如所示的)。在这个结构中，假设冷储存装置400形成为在最热的材料位于该储存器顶部的情况下，所述储存器中可存在温度梯度。冷储存装置400可以是冷水储存器。

图17——图15的释放混合热***

图7表示能量储存器210在储存阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。除直线部分181表示当流经由一系列的热量交换器装置200′、201′、202′、203′而从冷储存器400接收热量时，对所述流的等压加热之外，图7所述的过程与对图15所示混合热***210′进行的储存也相同。气体被升高到的温度取决于冷储存器400的温度以及热量交换器装置200′、201′、202′、203′的尺寸。膨胀率越高，冷储存器400的温度越低。

图17表示能量储存器210′在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。图左侧的曲线171″表示在膨胀器装置222′、223′、224′、225′内的从大气压起始的一系列等熵压缩；直线部分181″表示当流穿过与冷储存器400连接的一系列热量交换器装置200′、201′、202′、203′时，所述流的等压冷却；直线部分161″表示当流穿过热量储存器部250′时，所述流的等压加热；以及图右侧的曲线151″表示对流入压缩机装置221′的气体进行的以环境往温度和压力(本实施例)为目标的等熵膨胀。由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

图16——混合冷***

图16示出了基于前文参考图6所描述之能量储存***310的能量储存***310′。能量储存***310′包括第一压缩机装置321′、第二压缩机装置322′、第三压缩机装置323′、第四压缩机装置324′、膨胀器装置325′、动力输入/输出装置341′、342′、343′、344′、345′、热量储存装置350′、第一热量交换器装置300′、第二热量交换器装置301′、第三热量交换器装置302′、第四热量交换器装置303′、高压传递装置378′、379′、中压传递装置372′、373′、374′、375′、376′、377′、以及低压传递装置371′、380′。然而与***310相反，热量交换器装置300′、301′、302′、303′不暴露至大气压，而是经由逆流热量交换器411热耦合到暖储存装置410。

如果对于每个压缩机装置322′、323′、324′、325′的膨胀率保持相同，由于各最大温度将为相同，那么仅需要单个热储存器(如所示的)。在这个结构中，假设热储存装置410形成为在最热的材料位于该储存器顶部的情况下，所述储存器中可存在温度梯度。热储存装置410可以是热水储存器。

图18——图16的释放混合冷***

图9表示能量储存器310在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。除直线部分162表示当流经由一系列的热量交换器装置300′、301′、302′、303′而将热量传递至暖储存器410时，所述流的等压冷却之外，图9所示的过程与对混合冷***进行储存的过程也是相同的。气体被冷却到的温度取决于暖储存器装置的温度以及热量交换器装置300′、301′、302′、303′的尺寸。压缩率越高，暖储存器410的温度越高。

图18示出了能量储存器310′在释放阶段的理想化P—V(压力与体积关系)图。直线部分182″表示当流穿过热量储存装置350′时，所述流的从环境温度起始的等压冷却。图左侧的曲线172″表示在膨胀活塞装置325″内的等熵压缩；图右侧的曲线152″表示对流入压缩机装置321′、322′、323′、324′内气体进行的一系列等熵压缩，以及直线部分162″表示当流穿过与暖储存器410连接的热量交换器装置300′、301′、302′、303′时，所述流的等压加热。由于在真实循环中发生不可逆的过程，真实的P—V图仍然可能显示出某些与理想循环不同的地方。

Claims (57)

1.一种用于储存能量的装置，包括：

用于容纳气体的压缩室装置；

用于对包括在所述压缩室装置中的气体进行压缩的压缩活塞装置；

第一热量储存装置，其用于接收及储存来自被所述压缩活塞装置压缩之气体的热能；

膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述第一热量储存装置之后的气体；

膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及

第二热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述气体是大气空气、氮气或者惰性气体。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置具有小于大气压力的基本***压力。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置具有大于大气压力上的基本***压力

5.根据前述权利要求任意一项所述的装置，其中所述第一和第二热量储存装置中的至少一个包括腔室，其用于接收气体，以及装在所述腔室内的颗粒材料。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述颗粒材料包括包装为气体可渗透结构的固体颗粒和/或纤维。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维具有低的热惯性。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维为金属性的。

9.根据权利要求6所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维包括矿物质或陶瓷。

10.根据前述权利要求任意一项所述的装置，还包括用于还原储存在所述第一和第二热量储存装置中之能量的发生器装置。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述发生器装置连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部。

12.根据前述权利要求任意一项所述的装置，其中所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部可形成为在释放期间进行反相操作。

13.一种用于从输入设备传递机械动力到输出设备的装置，包括：

能量储存部，其包括：

用于容纳气体的第一压缩室装置；

用于对包括在所述第一压缩室装置中的气体进行压缩的第一压缩活塞装置；

第一热量储存装置，其用于接收及储存来自被所述第一压缩活塞装置压缩之气体的热能；

第一膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述第一热量储存装置之后的气体；

第一膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述第一膨胀室装置中的气体进行膨胀；及

第二热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述第一膨胀活塞装置膨胀的气体；及

热能机部，其包括：

与所述第二热量储存装置及第一热量储存装置流体连通的第二压缩室装置；

第二压缩活塞装置，其用于对容纳在所述第二压缩室装置中的气体进行压缩，以传递至所述第一热量储存装置；

与所述第一热量储存装置及第二热量储存装置流体连通的第二膨胀室装置；以及

第二膨胀活塞装置，用于允许对来自所述第一热量储存装置而容纳在所述第二膨胀室内的气体进行膨胀。

14.根据权利要求13所述的装置，其中当来自所述***的动力输出小于所供给的动力时，以第一操作模式储存能量；并且当来自***的动力输出增加到大于所供给动力时，以第二操作模式自动还原能量。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第一和第二操作模式之间的改变形成为自动发生。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述装置形成为对输入和输出动力的不平衡作出自动反应。

17.根据权利要求15或16所述的装置，其中当所供给动力与所使用动力平衡时，所述***配置成自动绕过所述第一和第二热量储存装置。

18.根据权利要求13到17中任意一项所述的装置，其中所述气体是大气空气、氮气或者惰性气体。

19.根据权利要求13到18中任意一项所述的装置，其中所述装置具有小于大气压力的基本***压力。

20.根据权利要求13到19中任意一项所述的装置，其中所述装置具有大于大气压力的基本***压力。

21.根据权利要求13到20中任意一项所述的装置，其中所述第一和第二热量储存装置中的至少一个包括用于接收气体腔室，以及装在所述腔室内的颗粒材料。

22.根据权利要求21所述的装置，其中所述颗粒材料包括被包装成气体可渗透结构的固体颗粒和/或纤维。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维具有低的热惯性。

24.根据权利要求22所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维为金属性的。

25.根据权利要求22所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维包括矿物质或陶瓷。

26.一种用于储存能量的装置，包括：

用于容纳气体的压缩室装置；

用于对包括在所述压缩室装置中气体进行压缩的压缩活塞装置；

热量储存装置，其用于接收及储存来自被所述压缩活塞装置压缩之气体的热能；

膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述热量储存装置之后的气体；

膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及

热量交换器装置，其用于将所述热能传递至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

27.根据权利要求26所述的装置，其中所述热量交换器装置形成为将热能传递给在膨胀期间由所述膨胀活塞装置进行膨胀的气体。

28.根据权利要求27所述的装置，其中所述热量交换器装置形成为将热能传递给在由离散膨胀步骤之间的一或多个阶段中由所述膨胀活塞装置进行膨胀的气体，所述离散膨胀步骤由所述膨胀活塞装置所实施。

29.根据权利要求28所述的装置，其中所述膨胀室装置包括多个串联的膨胀室，每个膨胀室具有各自的膨胀活塞装置和与之关联的热量交换器装置。

30.根据权利要求26到29中任意一项所述的装置，还包括热耦合到所述热量交换器装置的冷储存装置，其用于将热能传递给由所述膨胀活塞装置进行膨胀的气体。

31.根据权利要求26到30中任意一项所述的装置，其中所述气体是大气空气、氮气或者惰性气体。

32.根据权利要求26到31中任意一项所述的装置，其中所述装置具有小于大气压力的基本***压力。

33.根据权利要求26到32中任意一项所述的装置，其中所述装置具有大于大气压力的基本***压力。

34.根据权利要求26到33中任意一项所述的装置，其中所述热量储存装置包括腔室，其用于接收气体，以及装在所述腔室内的颗粒材料。

35.根据权利要求34所述的装置，其中所述颗粒材料包括被包装成气体可渗透结构固体颗粒和/或纤维。

36.根据权利要求35所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维具有低的热惯性。

37.根据权利要求35所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维为金属。

38.根据权利要求35所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维包括矿物质或陶瓷。

39.根据权利要求26到38中任意一项所述的装置，还包括用于还原储存在所述热量储存装置中之能量的发生器装置。

40.根据权利要求39所述的装置，其中所述发生器装置连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置中的一个或全部。

41.根据权利要求26到40任意一项所述的装置，其中所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置中的一个或全部可形成为在释放期间反相操作。

42.一种用于储存能量的装置，包括：

用于容纳气体的压缩室装置；

用于对包括在所述压缩室装置中气体进行压缩的压缩活塞装置；

热量交换器装置，其用于对由所述压缩活塞装置进行压缩之气体进行冷却；

膨胀室装置，其用于容纳暴露至所述热量交换器装置之后的气体；

膨胀活塞装置，其用于对容纳在所述膨胀室装置内之气体进行膨胀；及

热量储存装置，其用于将所述热能传递至由所述膨胀活塞装置膨胀的气体。

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述热量交换器装置形成为对在压缩期间由所述压缩活塞装置压缩的气体进行冷却。

44.根据权利要求43所述的装置，其中所述热量交换器装置形成为对在离散压缩步骤之间的一或多个阶段中由所述压缩活塞装置膨胀的气体进行冷却，所述离散压缩步骤由所述压缩活塞装置实施。

45.根据权利要求44所述的装置，其中所述压缩室装置包括多个串联的压缩室，每个压缩室具有各自的压缩活塞装置和与之关联的热量交换器装置。

46.根据权利要求42到45中任意一项所述的装置，还包括热耦合到所述热量交换器装置的暖储存装置，其用于从被所述压缩活塞装置压缩的气体接收和储存热能。

47.根据权利要求42到46中任意一项所述的装置，其中所述气体是大气空气、氮气或者惰性气体。

48.根据权利要求42到47中任意一项所述的装置，其中所述装置具有小于大气压力的基本***压力。

49.根据权利要求42到48中任意一项所述的装置，其中所述装置具有大于大气压力的基本***压力。

50.根据权利要求42到49中任意一项所述的装置，其中热量储存装置包括用于接收气体的腔室，以及装在所述腔室内的颗粒材料。

51.根据权利要求50所述的装置，其中所述颗粒材料包括固体颗粒和/或包装成气体可渗透结构的纤维。

52.根据权利要求51所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维具有低的热惯性。

53.根据权利要求51所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维为金属。

54.根据权利要求51所述的装置，其中所述固体颗粒和/或纤维包括矿物质或陶瓷。

55.根据权利要求42到54中任意一项所述的装置，还包括用于还原储存在所述热量储存装置之能量的发生器装置。

56.根据权利要求55所述的装置，其中所述发生器装置连接到所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部。

57.根据权利要求42到56中任意一项所述的装置，其中所述压缩活塞装置和所述膨胀活塞装置的一个或全部可形成为在释放期间反相操作。

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