(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体及びガスを収容可能な内部領域を画成する圧力容器と、
前記内部領域に結合されて前記内部領域と流体連通するアクチュエータであって、前記内部領域に前記液体を投入して前記ガスを圧縮し、前記内部領域から圧縮ガスを排出させる第１のモードと、前記圧縮ガスが前記内部領域で受け取られて前記内部領域から前記アクチュエータまで前記液体を変位させる第２のモードと、を有するアクチュエータと、
前記圧力容器内に配置された熱伝達装置であって、前記アクチュエータが前記第１のモードで動作しているときには前記ガスから前記液体に熱エネルギーを伝達し、前記アクチュエータが前記第２のモードで動作しているときには前記液体から前記ガスに熱エネルギーを伝達するように構成された熱伝達装置と、を含むシステム。
【請求項２】
前記アクチュエータが、前記第２のモードで動作しているときには発電機を駆動して電力を生成するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記圧力容器に結合された貯蔵構造であって、前記第１のモードで動作しているときには、前記内部領域から排出された前記圧縮ガスを受け取って収容するように構成された貯蔵構造をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記圧力容器が第１の圧力容器であり、前記内部領域が第１の内部領域であり、前記システムが、
液体及びガスを収容可能な第２の内部領域を画成する第２の圧力容器をさらに含み、
前記アクチュエータが前記第２の内部領域に結合されて前記第２の内部領域と流体連通しており、
前記アクチュエータ、前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域が前記液体の容積を集合的に収容し、
前記アクチュエータが、前記第１のモードで動作しているときには、前記第２の内部領域から前記第１の内部領域へ前記液体の容積を移動させて前記ガスを圧縮し、前記第１の内部領域から圧縮ガスを排出させ、同時に前記第２の内部領域にガスを引き入れるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記アクチュエータが、前記第１のモードで動作しているときには、前記第１の内部領域から前記第２の内部領域へ前記液体の容積を移動させて前記ガスを圧縮し、前記第２の内部領域から圧縮ガスを排出させ、同時に前記第１の内部領域にガスを引き入れるようにさらに構成されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱伝達装置が、前記圧力容器の内部に位置決めされて前記内部領域を複数の小領域に分割する複数のディバイダを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数のディバイダの少なくとも１つに配置されたタービュレーター、及び／又は、前記複数のディバイダの少なくとも１つに配置された熱伝達フィンをさらに含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記熱伝達装置が第１の熱伝達装置であり、かつ、前記内部領域に収容された前記液体及び前記ガスの少なくとも一方と前記圧力容器の外部環境との間で熱エネルギーを伝達するように構成された第２の熱伝達装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記圧力容器が第１の圧力容器であり、前記内部領域が第１の内部領域であり、前記システムが、
液体及びガスを収容可能な第２の内部領域を画成する第２の圧力容器をさらに含み、
前記アクチュエータが前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域に結合されて前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域と流体連通しており、
前記アクチュエータ、前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域が前記液体の容積を集合的に収容し、
前記アクチュエータが、前記第１のモードで動作しているときには、前記第２の内部領域から前記第１の内部領域へ前記液体の容積を移動させて前記ガスを圧縮し、前記第１の内部領域から圧縮ガスを排出させ、同時に前記第２の内部領域にガスを引き入れるように構成され、
前記アクチュエータが、前記第１のモードで動作しているときには、前記第１の内部領域から前記第２の内部領域へ前記液体の容積を移動させて前記ガスを圧縮し、前記第２の内部領域から圧縮ガスを排出させ、同時に前記第１の内部領域にガスを引き入れるように構成されている、請求項１〜３及び６〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１の内部領域に結合されて前記第１の内部領域と流体連通する、液体及びガスの少なくとも一方を収容可能な第３の内部領域を画成する第３の圧力容器であって、前記第３の内部領域は、前記第１の内部領域から排出された前記圧縮ガスを受け取るように構成されている、第３の圧力容器をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域に結合されて前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域と流体連通する貯蔵構造であって、前記第１の内部領域及び前記第２の内部領域から排出された前記圧縮ガスを受け取るように構成された貯蔵構造をさらに含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
圧縮ガスによるエネルギー貯蔵及び回収システムの熱効率を制御する方法であって、
前記システムが、ガス圧縮／膨張装置と、アクチュエータと、液体及びガスを収容可能な内部領域を有する圧力容器と、前記圧力容器内に配置されて前記液体と前記ガスとの間で熱を伝達するように構成された熱伝達装置と、を含み、
前記アクチュエータは、前記内部領域に前記液体を投入する第１のモードと、前記内部領域に圧縮ガスを受け入れて膨張させる第２のモードと、を有し、
前記内部領域内に前記液体を移動させて前記内部領域内のガスを第１の圧力から該第１の圧力よりも高い第２の圧力に圧縮するステップと、
前記ガスの圧縮により生成された熱エネルギーを前記ガスから前記熱伝達装置に伝達するステップと、
熱エネルギーが前記ガスから伝達される前記熱伝達装置の一部に前記液体の少なくとも一部を接触させるステップと、
前記熱エネルギーを前記熱伝達装置から前記液体に伝達するステップと、を含む方法。
【請求項１３】
前記内部領域に圧縮ガスを受け入れるステップと、
前記圧縮ガスを第３の圧力から該第３の圧力よりも低い第４の圧力に膨張させるステップと、
熱エネルギーを前記液体から前記熱伝達装置に伝達するステップと、
前記熱伝達装置に蓄えられた熱エネルギーを前記熱伝達装置から、膨張させたガスに伝達するステップと、をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記アクチュエータが、発電機を駆動して、前記内部領域に入る膨張させた前記ガスによって変位させられた前記液体から電力を生成する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２００９年５月２２日出願の米国仮特許出願第６１／２１６，９４２号、"Compressor and/or Expander Device"の優先権および利益を主張し、その開示全体を参照することにより本書に援用する。
【０００２】
背景
[0002]本発明は、一般的に、空気などのガスの圧縮および／または膨張を行うシステム、装置および方法に関し、特に、圧縮および／または膨張中のガスとの熱交換を可能にする機能を含む装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]伝統的に、発電所は、ピーク電力需要に応えるような大きさにされている。発電所は、どれだけ迅速に始動および停止できるかに関する制約を受けることがあり、パワープラントを完全に停止することは一般に実行不可能なことである。電力出力の制約と始動および停止の制約とが相俟って、電力需要の変動に最適に適合するためのパワープラントの能力を制限している。これらの制限は、いくつかの欠点の中でも特に、温室効果ガスの排出量を増加させ、全体的な燃料消費量を増加させ、および／または潜在的に運転費用を高くし得る。パワープラントをエネルギー貯蔵システムによって増強することにより、後で用いるために電力を貯蔵する能力を生み出すことができ、それにより、パワープラントは、これらの欠点を最小限にしつつ、変動する消費需要を満たすことができるようになる可能性がある。
【０００４】
[0004]エネルギー貯蔵システムは、発電所の全体的な運転費用、信頼性および／または排出量プロファイルを改善し得る。しかしながら、既存のエネルギー貯蔵技術には欠点がある。一例として、バッテリー、フライホイール、蓄電器および燃料電池は、応答時間が迅速であり、一時的な停電を補償するのには役立ち得るものの、エネルギー貯蔵量が限られており、実装費用が高くなり得る。揚水システムなどの他の大容量システムの設置には特定の地形を必要するため、全ての場所で利用できるものではない。
【０００５】
[0005]一部のウィンドファームなどの断続的な電力生産拠点は、送電能力を上回る能力を有することがある。そのような断続的な電力生産拠点は、好適なエネルギー貯蔵システムがないとフル稼働できないかもしれない。断続的な生産拠点は、送電され得るよりも高い割合で生産拠点がエネルギーを生産できるときにエネルギーを貯蔵するような大きさにし得る貯蔵システムから恩恵を受け得る。断続的な拠点によって生産される電力が送電線の送電能力よりも低いときに、貯蔵されるエネルギーは送電線によって送出され得る。
【０００６】
[0006]圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムは、圧縮空気の形態のエネルギーを貯蔵するのに限定的に利用される別のタイプの公知のシステムである。電力需要が低いとき、一般に夜間にＣＡＥＳシステムを使用して圧縮空気の形態のエネルギーを貯蔵し、需要が高いとき、一般に日中にエネルギーを放出し得る。そのようなシステムは、多くの場合一定速度で動作する圧縮機を含み、貯蔵用の空気を圧縮する。圧縮機とは分離したタービンおよびターボエキスパンダを一般に使用して圧縮空気を膨張し、電気を生産する。しかしながら、タービンおよびターボエキスパンダは、比較的定圧、例えば約３５気圧でもたらされた圧縮空気を必要とすることが多い。それに加えてまたはその代わりに、３５気圧よりも高い圧力の空気は、タービンでの膨張前にその流れを調整する必要があり、これが追加的な損失の原因となり、それはさらに、システム効率を下げるおよび／または貯蔵構造が収容し得るエネルギー密度を低下させ得る。加えて、タービンによって膨張された空気単位当たり電気エネルギー生産量を増大させるために、そのようなシステムの圧縮空気は、膨張前に、化石燃料を燃焼させることによって高温（例えば、１，０００℃）に予熱されることが多い。これは、エネルギー貯蔵費用を増大させ、全体効率を低下させ、かつエネルギー貯蔵に関連した排出物を生じる。
【０００７】
[0007]圧縮空気としてエネルギーを貯蔵するための公知のＣＡＥＳ型システムは、圧縮段階間に空気を冷却する中間冷却器および／または圧縮後に空気を冷却する後置冷却器を含み得る多段式圧縮機を有する。しかしながら、そのようなシステムでは、中間冷却器が効率的に働くために、空気は依然として、冷却前の各圧縮段階中にかなりの温度に達している必要があり、システムを効率の悪いものとする。それゆえ、効率が改善されたＣＡＥＳ型システムを提供する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の概要
[0008]本書では、液圧作動装置／システムを動作するためのシステムおよび方法が説明されている。一実施形態では、システムは、ある容積の液体またはある容積のガスの少なくとも一方を保有する内部領域を画成する少なくとも１つの圧力容器と、圧力容器に結合されてそれと流体連通するアクチュエータとを含む。アクチュエータは、圧力容器内に配置された液体の容積が移動されて、ガスを圧縮して圧力容器から押出す第１の動作モードを有することができる。アクチュエータは、圧力容器内に配置された液体の容積が、圧力容器に入る膨張ガスによって移動される第２の動作モードを有することができる。システムは、圧力容器によって保有された液体の容積またはガスの容積の少なくとも一方と熱のやりとりを行うように構成された熱伝達装置をさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態による空気圧縮および膨張エネルギーシステムの概略図である。
【図２Ａ】一実施形態による圧縮サイクル中のエネルギーの流れを示す、空気圧縮および膨張エネルギーシステムの概略図である。
【図２Ｂ】一実施形態による膨張サイクル中のエネルギーの流れを示す空気圧縮および膨張エネルギーシステムの概略図である。
【図３Ａ】圧縮／膨張装置の一実施形態の一段階を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの断面３Ｂ−３Ｂに沿って取った一ディバイダの断面図であり、熱が伝達される圧力容器内の空気の位置と圧力容器内の表面と間の平均最小距離の概略図を示す。
【図４Ａ】圧力容器内で熱伝達表面積が増大し得る種々の構成のディバイダの断面を示す。
【図４Ｂ】圧力容器内で熱伝達表面積が増大し得る種々の構成のディバイダの断面を示す。
【図４Ｃ】圧力容器内で熱伝達表面積が増大し得る種々の構成のディバイダの断面を示す。
【図５Ａ】一実施形態による圧縮または膨張サイクルの異なる段階の空気／液体界面を示す。
【図５Ｂ】一実施形態による圧縮または膨張サイクルの異なる段階の空気／液体界面を示す。
【図５Ｃ】一実施形態による圧縮または膨張サイクルの異なる段階の空気／液体界面を示す。
【図６】一実施形態による、圧力容器の液体と熱のやりとりを行うのに使用し得る熱交換器を備える容器を示す。
【図７Ａ】一実施形態による多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｂ】圧縮サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｃ】圧縮サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｄ】圧縮サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｅ】圧縮サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｆ】膨張サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｇ】膨張サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｈ】膨張サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図７Ｉ】膨張サイクル中の種々の段階における図７Ａの多段式圧縮／膨張装置を示す。
【図８】一実施形態による、風力タービンに組み込まれた圧縮空気貯蔵システムを示す。
【図９】一実施形態に従って風力タービンの塔に組み込み得るように構成された圧縮／膨張装置の概略的な断面図を示す。
【図１０】一実施形態による、貯蔵構造の空気圧を変動させる圧縮／膨張装置による、膨張中の異なる段階の圧力レベルのグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明
[0023]本書では、圧縮ガス、例えば空気としてエネルギーを貯蔵するおよび／または貯蔵した圧縮ガスからエネルギーを生成するための、効率性の改善されたシステムおよび方法が説明されている。装置の態様は、空気の圧縮中および空気の膨張中の熱力学および／または機械効率の改善に関し得る。
【００１１】
[0024]空気圧縮のエネルギーの流れ特性は、「仕事エネルギーの流れ」および「熱エネルギーの流れ」を含めた種々のエネルギーの流れの組み合わせにある。当業者は、用語：「エネルギー」、「仕事」、「熱」、「温度」、「圧力」、「容積（体積）」、および「密度」の区別は理解している。この議論は、熱力学的に的確な意味においてこれらの用語を使用して進めるが、この区別について教えはしない。
【００１２】
[0025]周知のガス圧縮力学では、空気などのガスが圧縮されるとその温度が上昇する。熱および温度の熱力学概念は、圧縮ガスからの熱の流出のないガス圧縮プロセスは、最大のガス温度上昇をもたらすような相互関係を有する。そのような熱の流出のないプロセスは「断熱」プロセスとして公知である。対照的に、圧縮ガスから十分な割合で熱が流出する場合、ガスは温度変化することなく圧縮し得る。そのような一定の温度プロセスは「等温」圧縮として公知である。
【００１３】
[0026]所与のガス容積の低下では、断熱圧縮プロセスは、最大のガス圧、最高のガス温度、および最大の仕事消費量をもたらす。対照的に、同じ容積を低下させるために、等温圧縮プロセスは、最低の圧力、最低のガス温度（すなわち開始温度と同じ）、および最低の仕事消費量をもたらす。中間レベルの熱の流れを伴うプロセスは、中間値のガス圧、ガス温度、および仕事消費量をもたらす。当業者は、完全な等温空気圧縮プロセスは、実際には比較的冷たいヒートシンクを含むことによってのみ達成できる理論的な極値であることを認識している；それとは関係なく、それは空気圧縮／膨張の考察および分析に有用な基準値である。
【００１４】
[0027]圧力、温度、および仕事に影響を及ぼし得るため、等温ガス圧縮プロセスに取り組むことは、エネルギー貯蔵装置の設計に有用となり得る。圧縮空気エネルギー貯蔵装置の基本的な目標は、ガスの密度、温度、圧力、および容積によって定義される一定のガス貯蔵条件を達成するために消費される仕事を最小にすることである。ガス圧縮中に消費される仕事を最小にすることはエネルギー貯蔵装置の基本的な目標であるが、当業者は、圧縮中および貯蔵中の双方において、熱に関連するエネルギーの流れに注意を払う必要があることを認識している。さらに、機械設計の当業者は、圧力および温度に関連する制約に注意を払う必要があることを認識しており；低い温度および圧力に起因し得る利益を認識している。熱力学の当業者は、ガス圧縮に関連する要因が、逆の方法でガス膨張に関連し、それにより、膨張ガスからのエネルギーの取り出しに関連することを認識している。エネルギー貯蔵システムに関して、熱力学および機械設計の当業者は、等温ガス圧縮プロセス単独では有用なエネルギー貯蔵システムを達成するのに十分ではないことを認識しているが、近等温プロセスが利点を提示できるようにすることも認識している。
【００１５】
[0028]空気の圧縮において特定の圧力を達成することに伴う仕事は、圧縮プロセス中に空気から熱を除去することによって削減でき、温度の上昇による圧力上昇の結果必要となる余分な仕事を減らす。同様に、圧縮空気から生じ得る仕事量は、所与の圧力まで空気が膨張するため、連続的に熱を加えることによって増加し、膨張プロセス中に空気の温度が低下しないようにし得る。
【００１６】
[0029]圧縮中、空気から熱（すなわち、熱エネルギー）を除去し得る。このような熱の除去は、システムが適合するように設計され得る最大温度を低下させ得る。加えて、所与の圧力での密度の増加および空気からの熱の除去は、所与の空間体積に貯蔵できる空気の量を増加させ、かつ貯蔵圧力での空気の密度を増加させるのに必要な仕事を削減し得る。低い温度にあるときには所与の空気量が占める空間が少ないことが理解される。この点について、比較的冷たい空気を貯蔵装置に提供することによって、システムによって貯蔵し得る空気の全量を増加させ得る。
【００１７】
[0030]熱は吸気行程前またはその最中に除去してもよく、これは、圧縮行程開始時の高密度の空気、および湿度の高い空気の乾燥を含め、いくつもの利点を実現する。この作用はまた、先行する圧縮行程中に液体で冷却された熱キャパシタ構造に吸気行程中に空気を曝すことによって達成される。そのうえ、吸気口の上流にある前置冷却器が同様のまたは追加的な利点を達成し得る。
【００１８】
[0031]加えて、大気に空気を排出する前であればいつでも、熱エネルギーを膨張空気に戻してその温度を上昇または維持し得る。圧縮空気に熱を加えることによって、そうしない場合よりも圧力を上昇させる。このように、システムは、貯蔵所からの小さな空気質流量で同じまたは大きな電力を出力し得る。換言すると、同じ質流量での電力が大きくなる。
【００１９】
[0032]一部の実施形態では、圧縮および／または膨張中のより大きな熱伝達を促進する１つ以上の機能が提供される。そのような機能は、比較的緩慢な圧縮および／または膨張サイクル、空気と隣接表面との間の所与の空気容積に対する比較的大きな熱伝達面積、および／または装置中の空気と、熱を伝達する液体または装置の構造との間の平均最小距離の短さを含み得るが、これらに限定されない。
【００２０】
[0033]一部の実施形態では、システムは、一動作モードにおいて貯蔵構造に貯蔵するために空気を圧縮するのに使用し得る圧縮／膨張装置を含む。その後になって、同じ圧縮／膨張装置によって、異なる動作モードにおいて、エネルギーを放出するために圧縮空気を膨張し得る。圧縮中に熱を空気から除去しおよび／または膨張中に空気に加えて、装置の効率を改善し得る。往復式熱効率（すなわち、ある空気量を圧縮し、その後同じ空気量を膨張させて機械的エネルギーを生み出すことに直接関連する効率であり、機械的、電気的、または他の寄生的なシステム損失を含まない）を５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、さらには９０％以上とし得る。
【００２１】
[0034]一部の実施形態では、圧縮／膨張装置は、圧縮および／または膨張サイクルの少なくとも一部分中、少なくとも部分的に液体で満たされている１つ以上の圧力容器を含むことができる。圧縮動作モードでは、装置のアクチュエータが容器内から液体を移して、圧力容器内で空気用に利用できる体積を増大させると、圧力容器に大気から空気が吸い込まれるか、または上流にある圧縮機から空気を受け取る。次いで、液体は、圧力容器内で空気用に利用できる体積を減らすためにアクチュエータによって容器に移動されるかまたはポンプで送り込まれ、空気を圧縮してそこから空気を送る。膨張動作モードでは、圧縮空気は圧力容器に収容されてその内部の液体を変位させ、かつアクチュエータを駆動して、圧縮空気からエネルギーを放出して移動させ得る。その後、膨張された空気は、圧力容器内で空気用に利用できる体積が減らされると、圧力容器から大気、下流にある圧縮／膨張装置または他の装置に排出され、さらに膨張され得る。
【００２２】
[0035]一部の実施形態では、所与の密度を達成するのに必要な仕事を削減するために圧力容器内で圧縮された空気から熱が伝達され、これは、圧縮プロセスの効率を高め得る。一部の実施形態では、熱伝達を高め得る装置は、圧縮および／または膨張が発生し得る比較的遅い運転速度を含むが、これに限定されない。一部の実施形態では、圧縮または膨張の全サイクルは、空気と液体との間の熱伝達に追加的な時間をもたらすのに十分な程度ゆっくりとし得る。一部の実施形態によれば、等温圧縮および／または膨張プロセスに近づけるために十分な熱エネルギーを伝達し、それらに関連する効率を達成し得る。それに加えてまたはその代わりに、速度が速いと、等温でのまたは温度変化させた膨張中に大きな電力レベルが達成可能となり、それは、システムを動作させるときには望ましい。
【００２３】
[0036]エネルギーの流れに注意を払うことは、エネルギー貯蔵システムの設計を有用なものとする基本的なことであることを認識しているが、システムが有意義なエネルギー流速を達成することも重要である。単位時間当たりエネルギーを意味するエネルギー流速はまた、「電力」としても知られている。有意義に高い電力レベルの値は、当業者に明白である必要がある。しかしながら、説明する発明の重要な側面は、圧縮／膨張空気とシステムの処理液との間で達成し得る熱流速であることを指摘する。さらに、本発明が達成する重要な特徴は、空気の比較的小さな温度変化に応えて達成する比較的高速な熱伝達速度とし得る。
【００２４】
[0037]一部の実施形態では、圧力容器に存在する液体によって圧縮および／または膨張される空気と、熱の伝達を行い得る。理解されるように、空気／液体界面は、圧縮および／または膨張プロセス中に圧力容器内で移動および／または形状変化し得る。この移動および／または形状変化によって、圧縮および／または膨張中に熱が伝達される圧力容器の内面積の形状変化に適合できる熱伝達面を有する圧縮／膨張装置を提供し得る。一部の実施形態では、液体は、圧縮後に圧力容器に残る空気容積をほぼなくすかまたは完全になくし得る（すなわち、ゼロ隙間体積）。
【００２５】
[0038]一般的にいえば、熱が液体を通過するときに液体が比較的一定の温度を維持し、著しい温度変化からのシステムの衝撃を和らげるように、液体は、空気と比較して比較的高い熱キャパシタンスを有し得る。空気と液体との間、または容器自体の構成要素間で伝達される熱は、液体または容器の構成要素と接触している１つ以上の熱交換器によって圧力容器に対して移動させ得る。これを達成するために使用し得る１つのタイプの熱交換器は、本書で詳細に説明するようなヒートパイプである。空気および処理液の熱制御は、質量移動、熱伝達またはこの２つの任意の組み合わせによって達成し得る。
【００２６】
[0039]一部の実施形態では、圧力容器の体積部内部にディバイダを位置決めして、圧力容器の液体および固体の双方の熱伝達面、および圧縮および／または膨張中の空気における熱伝達面積を増大し得る。考えられる熱伝達表面積を増大させる方法は、流体に対し固体および流体に対し流体を使用することを含む。ディバイダの各々は、ディバイダと空気との間の界面（すなわち、空気／ディバイダ界面）に加えて１つ以上の空気／液体界面を提供するように、圧力容器内に、ある容積の空気または空気のポケットを捉えるような形状にしおよび／またはそのように位置決めし得る。空気／液体界面および空気／ディバイダ界面は、圧縮および／または膨張中に熱が伝達され得る表面を提供する。空気／液体界面で直接かまたは空気／ディバイダ界面でディバイダの一部分を通して間接的にかにかかわらず、熱が伝達される液体の面積が、少量の空気のみが圧力容器に残り得る圧縮サイクルの終わりに向かっても実質的に一定に留まり得るようにディバイダを構成し得る。熱除去のない圧縮プロセスのこの段階で一般に最大の温度上昇と圧縮効率に関して最大の機能障害とを受けるため、圧縮の終わりに向かって熱伝達のために広い表面積を維持することは、圧縮中の効率を高め得る。圧縮の終わりに向かって、空気用に利用できる体積の漸進的変化は、空気用に利用できる全体積の最大の百分率変化を生じさせ、その結果、熱除去のない大きな温度変化に関連し得ることが理解される。膨張サイクルにわたって、特にその開始時に、液体および／またはディバイダから空気への熱伝達のために比較的広い面積を維持することによって同様の効果が実現され得る。
【００２７】
[0040]一部の実施形態では、空気との熱伝達のための空気／液体界面および空気／ディバイダ界面を提供するディバイダは、圧力容器の構造用部品（例えば外部シェル）の形状および／またはサイズを構造制約および／または輸送制約に最適にし得る一方、圧力容器内で圧縮または膨張中の空気との熱伝達のための面積を大きくもする。一部の実施形態によれば、ディバイダは、空気が圧縮および／または膨張されるときに圧力容器内に空気ポケットを保持するように構成された皿のような形状または他の開口した形状を含み得る。圧力容器にある液体と接触する空気ポケットの保持を助けるために、圧力容器がその動作位置に向けられているとき、ディバイダを、開口部が下向きになるように配置して、空気の流れを導いてもよい（すなわち、重力が引いている方向に向かって）。
【００２８】
[0041]一部の実施形態では、圧力容器内に空気ポケットを保持するディバイダは、空気の容積内の位置と、熱が受け取られるかまたは伝達される、空気と接触している表面との間の平均最小距離を短くし得る。一部の実施形態では、ディバイダは、比較的薄い層として形成された空気ポケットを捉え、かつ空気ポケットの位置と、空気と接触する表面との間の平均最小距離の短い、皿のような構造のスタック構成に配置し得る。この点において、平均最小距離を短くすることは、空気ポケットに対して伝導または対流のいずれかによって熱が移動する必要のある平均距離を短くし、それは、圧力容器内の液体または圧力容器自体の金属を含め、圧縮および／または膨張中に熱が移動し得る材料よりも高い熱抵抗率を有し得る。
【００２９】
[0042]一部の実施形態では、圧縮／膨張装置は、低質熱源および／またはヒートシンク（例えば、その他の範囲の中でも一般に約１０℃〜５０℃の温度の熱源、および一般に低温の範囲にあるヒートシンク）を使用するだけで、かつ、伝統的なＣＡＥＳシステムでは膨張中に空気を加熱するのに使用し得る燃料に関連したエネルギー入力を必要とすることなく、既存の圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムに関連した効率以上の効率をシステムが達成できるようにし得る。膨張時に空気を加熱するために燃料を燃焼させる必要性をなくすかまたは減らすことは、排出物を生産せずに、または少なくとも圧縮空気としてのエネルギーの貯蔵および放出に直接関連した排出物を生産せずに、圧縮／膨張装置を動作できるようにし得る。
【００３０】
[0043]本書で説明するように、圧縮／膨張装置は、圧縮モードで動作するときに、単一のアクチュエータの動きによって装置の第１の圧力容器内の空気を圧縮させ、また同時に、共通の段階の、第１の圧力容器と協働して動作する第２の圧力容器内の空気を受け取ることができるように構成できる。このように、アクチュエータを複動装置とし得る。同様に、空気の膨張および排出は、アクチュエータが共通の段階の圧力容器間を行き来するように動くので、第１および第２の圧力容器で交互に発生し得る。それに加えてまたはその代わりに、圧縮／膨張装置は、高い効率で、第１段階後に１５０ｐｓｉ以上まで、第２段階後に１，０００ｐｓｉ以上までおよび／または第３段階後に３，０００ｐｓｉまでなど空気圧を大きくするのを助けるように多段式装置を形成するように直列に構成し得る。
【００３１】
[0044]本書で説明するように、圧縮／膨張装置はまた、多段式圧縮／膨張装置の異なる段階にわたって圧縮および／または膨張が発生できるようにする；例えば、膨張中、一方（小型容器）で吸気し、他方（大型容器）で排出する。一例として、装置は、空気を同時に圧縮し得る上流圧力容器（例えば第１段階の第１の圧力容器）と下流圧力容器（例えば第２段階の第１の圧力容器）とを含み得る。下流圧力容器において発生する空気用に利用できる体積の変化は、上流圧力容器において空気用に利用できる体積の変化よりも小さくし得る。圧縮開始時、上流圧力容器および下流圧力容器の各々で空気用に利用できる体積は、互いに流体連通し得る。加えて、下流圧力容器において空気用に利用できる体積は最小値とし得る一方、上流圧力容器において空気用に利用できる体積は最大値にある。空気の圧縮は、上流圧力容器において空気用に利用できる体積が減少するため、上流圧力容器と下流容器とを組み合わせた体積において発生し得る。上流圧力容器において空気用に利用できる体積の減少は、下流圧力容器において空気用に利用できる体積の増大にも関わらず、空気の圧縮をもたらし得る。なぜなら、上流圧力容器において空気用に利用できる体積の減少は、下流圧力容器において空気用に利用できる体積の増大よりも大きいためである。
【００３２】
[0045]圧縮／膨張装置の実施形態は、上述のように比較的低速で動作し、これは、装置に低温の動作温度をもたらし得る。摩擦面で低い温度および低速であることは、摩耗寿命を延ばし得るおよび／または装置の信頼性の向上に役立ち得る。
【００３３】
[0046]圧縮／膨張装置は、風の強さに依存した電力出力を有するウィンドファームに関連し得る入力電力レベルの変動に適合し得る。一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置を、一部のＣＡＥＳシステムでみられる遠心圧縮機とは異なり、広範な速度または出力レベルで効率的に動作し得る容積式装置とし得る。
【００３４】
[0047]圧縮／膨張装置はまた、一定の電力出力が貯蔵構造の圧縮空気圧レベルを変動させることを可能にし得る。圧縮／膨張装置に、弁、センサ、および／または他の制御装置を組み込んで、貯蔵構造の圧力レベルにかかわらず膨張のために装置に認めた空気の量を制御し得る。この点において、装置が生産するエネルギー量を比較的一定に維持し得る。それに加えてまたはその代わりに、望ましいときに、および貯蔵構造の圧力レベルが許容するときに、電力生産量を追加的とし得る／減少し得るように、圧縮／膨張装置に認められた空気の量を増加／減少し得る。圧縮／膨張の割合は、行程に取り込まれる空気量または行程の速度またはそれら双方によって変動できる。
【００３５】
[0048]圧縮／膨張装置を、複数の装置を共に比較的容易に異なる適用に使用できるようなサイズにするように、モジュール式に構成し得る。一部の実施形態によれば、個々の圧縮／膨張装置は１．０メガワット〜５．０メガワットの電力範囲用のサイズにし得るが、他のサイズも可能である。圧縮機の前に直列でプレ圧縮機を使用することも、空気の初期圧縮をもたらすために利用され得る。複数の圧縮／膨張装置を並列動作させて大きな電力容量をもたらし得る。一例として、一実施形態によれば、３００メガワットの設備のために、１５０個の２．０メガワットの装置が並列で動作し得る。望ましい場合、１５０個の圧縮／膨張装置の全構成要素よりも少数の装置が動作していてもよく、残りの装置はアイドリングしたままで、変動する電力レベルに対して効率的なシステム動作をもたらす。それに加えてまたはその代わりに、複数の圧縮／膨張装置の設備は、システムが完全に構築される前に、システムが少なくとも部分的に動作できるように設置された、計画された装置の全構成要素よりも少数の装置で動作を開始し得る。
【００３６】
[0049]図１は、圧縮／膨張装置をエネルギーの貯蔵および以前に貯蔵されたエネルギーの放出の双方に使用し得るエネルギーシステム１００の実施形態の概略図である。図１に示すように、複数の風力タービン１０４を含むウィンドファーム１０２を使用して、風力エネルギーを発生させて電気エネルギーに変換し、モータ／オルタネータ１１０に送り得る。システムをウィンドファーム以外の電源、例えば、電力供給網（electric power grid）、または太陽光電源などと使用し得ることが理解される。モータ／オルタネータ１１０は、圧縮／膨張装置１２０に接続されたアクチュエータ１１２を駆動する。
【００３７】
[0050]エネルギーは、圧縮形態でシステム１００内に貯蔵してから、後になって使用するために膨張できる。ウィンドファーム１０２によって生成されたエネルギーを貯蔵するために、アクチュエータ１１２は液圧ポンプ（図１には図示せず）を使用して、圧縮機／エキスパンダ１２０の圧力容器（図１には図示せず）内の液体を移動させるかまたは変位させて、空気を受け入れるために圧力容器内で利用可能な体積を増やす。次いでアクチュエータ１１２は、圧力容器内の液体を移動させるかまたは変位させて、圧力容器内で空気用に利用できる体積を減らすことによって空気を圧縮する。このプロセス中、空気から熱が除去される。圧縮中、空気は圧縮／膨張装置１２０の下流の段階に送られ、最終的には高圧で圧縮空気貯蔵構造１２２（本書では「地下空洞」とも称す）に送られる。その後、例えば、送電網（power grid）での電力需要が比較的高くなると、またはエネルギー価格が高くなると、貯蔵構造１２２から圧縮空気が放出され、圧縮／膨張装置１２０によって膨張され得る。圧縮空気の膨張によりアクチュエータ１１２を駆動し、アクチュエータは同様にモータ／オルタネータ１１０を駆動して、送電網１２４に送るための電気を生産する。膨張中に比較的低い温度（例えば約１０℃〜約５０℃）の熱を空気に加えて、膨張プロセス中に生成される電力を増加し得る。
【００３８】
[0051]図２Ａは、空気が貯蔵用に圧縮されている例示的な一動作条件における、図１のシステム１００に類似の多段式システム２００を通るエネルギーの流れの概略図である。上述のように、モータ／オルタネータ２１０はアクチュエータ２１２を駆動し、アクチュエータは液圧ポンプ（図２Ａには図示せず）を使用して、圧縮機／エキスパンダ２２０の圧力容器（図２Ａには図示せず）内の液体を移動させるかまたは変位させて、空気を受け入れるために圧力容器内で利用可能な体積を増やし得る。次いでアクチュエータ２１２は、圧力容器内の液体を移動させるかまたは変位させて、圧力容器内で空気用に利用できる体積を減らすことによって、空気を圧縮する。
【００３９】
[0052]熱エネルギーは、圧縮中に、多段式圧縮／膨張装置２２０の１つ以上の圧力容器（図示せず）に存在する液体を介して除去され、空気を比較的一定の温度で圧縮されているように維持する。熱エネルギーは液体および圧縮／膨張装置２２０から熱交換器を介してヒートシンクに伝達される。別の構成では、熱エネルギーは液体に留まり、液体が圧縮チャンバからヒートシンクへ直接排出され、液体はそこでその熱を放熱してから、圧力容器に戻る。一実施形態によれば、空気は、約３，０００ｐｓｉの圧力で貯蔵構造２２２に送られる前の第１、第２、および第３段階の各々において、およそ、例えば、１５０ｐｓｉ、１，０００ｐｓｉ、および３，０００ｐｓｉの圧力に達成され得る。圧縮／膨張装置２２０にもたらされて、初めに圧縮されかつ冷却された後の空気の温度は、貯蔵構造２２２に排出されるまで比較的一定の温度、例えば、約５℃、１０℃、２０℃、３０℃または望ましいとし得る他の温度に留まる。貯蔵構造２２０に貯蔵された空気は、貯蔵構造２２２が自然に高い（または低い）温度にある場合、伝導性、対流、および／または放射熱伝達によって自然に加熱（または冷却）され得る。例えば、場合によっては、貯蔵構造は、圧縮空気の貯蔵に使用される岩塩ドームまたは層状塩層（bedded salt layer）に構成された塩空洞（salt cavern）などの地下構造、または地上の貯蔵タンクもしくは容器とし得る。他の実施形態では、地上の貯蔵構造は黒く塗装されて、加熱のために太陽放射の吸収を促進するように設計できる。他の実施形態では、地下にある貯蔵機構は地熱を活かすことができる。図２Ａはシステムの一実施形態のための一動作条件を示すこと、他の動作条件が存在すること、および他のシステムの実施形態も考えられることが理解される。
【００４０】
[0053]図２Ｂは、エネルギーを生産するために貯蔵所から空気が放出されるときの一動作条件における図２のシステム２００を通るエネルギーの流れの概略図である。例示的な一動作条件では、貯蔵構造２２２の空気を約３，０００ｐｓｉとし、圧縮／膨張装置の第３、第２、および第１の段階を通って、例えば、約１，０００ｐｓｉ、１５０ｐｓｉおよび０ｐｓｉのゲージ圧までそれぞれ膨張できる。膨張中、第３、第２および第１の段階の各々において空気に熱が加えられ、全膨張プロセス中、空気の温度を約３５℃または他の温度などの実質的に一定の温度に保持する。当然のことながら、膨張中の空気の全体的な温度変化は、比較的少容量の圧力容器で膨張しかつ相当な熱伝達面と接触する比較的大量の空気によって、制限され得る。圧縮／膨張装置２２０は機械力を生み出し、その機械力は、アクチュエータ２１２の１つ以上の液圧ポンプ／モータによって変換され、モータ／オルタネータ２１０を使用して電力が生産される。液圧アクチュエータ以外のアクチュエータを代わりに使用できることが理解される。
【００４１】
[0054]図３Ａは、圧縮／膨張装置３２０とアクチュエータ３１２とを含む圧縮空気貯蔵システム３００の一部分を示す。圧縮／膨張装置３２０は、一段式の圧縮空気貯蔵システムを示す。圧縮／膨張装置３２０は第１の圧力容器３２４と第２の圧力容器３２６とを含む。第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６は各々、導管またはハウジング３２８および３３０によってそれぞれアクチュエータ３１２に流体結合される。アクチュエータ３１２は、液圧駆動ピストン３３２を含む送水ポンプを含み得る。ピストン３３２は、ハウジングまたはリザーバ３４０内に配置され、１つ以上の液圧ポンプ（図３Ａには図示せず）によって駆動でき、第１の圧力容器３２４の導管３２８に対して近づいたり離れたりして動き、第１の圧力容器３２４の内部の空気容積を交互に増やしたり減やしたりする（第２の圧力容器３２６の空気容積と等しいが、それとは反対に増減する）。第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６の各々は、少なくとも部分的に液体、例えば水で満たされ、液体は、圧縮モードで動作しているときには、アクチュエータ３１２によって移動されて、第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６の各々の体積部から空気を交互に圧縮して追いやり、または膨張モードで動作しているときには、第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６のいずれかに収容された圧縮空気によって移動される。
【００４２】
[0055]圧縮／膨張装置３２０はまた、第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６内に位置決めできるディバイダ３３４を含むことができる。ディバイダ３３４は、空気と直接または間接的に接触している圧力容器内の全体的な面積を増やすことができ、これにより熱伝達を改善できる。ディバイダ３３４は、圧縮される空気および膨張される空気の双方によって（空気／液体の界面面積または空気／ディバイダの界面のいずれかによって）熱伝達面積を大きくすることができる一方、外部構造ならびに圧力容器の全体的な形状およびサイズを、他の考慮すべき事柄、例えば圧力制限および／または輸送（シッピング）サイズ制限に対して最適にすることができる。ディバイダは、各圧縮事象中に加熱または冷却し得ること、および水または液体は、各圧縮または膨張事象中に水の温度に戻るようにディバイダを熱的に再充電して、ディバイダを再充電可能な熱キャパシタとして機能させることが理解される。ディバイダが、冷却剤のような水、プロパン、または他の冷却剤などの流体で占められる内部空間を有し得ること、およびヒートシンク／熱源まで圧縮／膨張チャンバの外部に冷却剤を循環できることも理解される。
【００４３】
[0056]この実施形態では、ディバイダ３３４は、第１の圧力容器３２４および第２の圧力容器３２６内にスタック構成で配置されている。各ディバイダ３３４は、空気ポケットを保有するように構成できる。例示的な一実施形態では、ディバイダ３３４は各々、上壁と、圧力容器の内壁に形状および実質的にサイズが一致し得る、下方に延出する側壁と、開放型底部とを含み得る。例えば、図４Ａ〜図４Ｃに示し、以下詳細に説明するように、種々の形状のディバイダを使用し得る。各ディバイダ３３４の開放型底部は、圧力容器が動作する向きにあるとき、共通の実質的に下向きの方向に向いている。図面では、圧力容器３２４、３２６の内部にサイズおよび形状が一致し、かつ全体的に互いに同様の形状にされているディバイダを示すが、他の形状の中でも、圧力容器の内部よりも実質的に幅が細いおよび／または互いに異なる形状およびサイズにされているディバイダを含む実施形態を含め、他の形状も可能でありかつ考えられることが理解される。いずれの特定の方向にも向いていない、または空気ポケットを含まない一部のディバイダを使用することができる。そのようなディバイダを、ディバイダに達するために熱が空気を通って移動する必要がある距離を最小に、例えば、最大距離を１／８インチおよび他の距離などにするように構成し得る。そのような構成は、平行型ディバイダ、波形ディバイダ、交差型ディバイダ、湾曲型ディバイダ、同心円状のリングでできているディバイダ、プレスおよび／またはスタンプ圧延またはシートメタルでできているディバイダ、および多くの他の形状および構成を含んでもよく、それらのいくつかが種々の熱伝達装置で通常使用されているかまたは使用され得る。種々の他の形状および構成のディバイダ、例えば、米国仮特許出願第６１／２９０，１０７号、"System and Methods for Optimizing Efficiency of a Hydraulically Actuated System"（その全体を本願明細書に援用する）に示されて説明されているディバイダなどを使用できる。
【００４４】
［0057］図３Ａに示すように、ディバイダ３３４のスタックを通ってマニホールド３３６が中心に延在し、ディバイダ３３４の各々を圧力容器３２４、３２６の入口／出口ポート３３８に流体結合する。他の実施形態では、マニホールドは、複数のチューブを含んでもよくおよび／またはディバイダのスタックの周辺または他の位置に配置されてもよい。空気がポート３３８を通って圧力容器３２４、３２６に入るおよび／またはそれらから出てもよく、導管に、各ディバイダ３３４に関連した空気ポケット間の流体連通をもたらすことができる。空気ポケットを保有しないディバイダなどの他の実施形態では、マニホールドを含まなくてもよい。
【００４５】
[0058]図３Ａの実施形態は、空気圧縮および貯蔵システム内で使用できる圧力容器およびアクチュエータの配置の一例である。他の配置も可能であり、考慮されることを理解されたい。一例として、アクチュエータを、垂直方向に向けられた単動、複動ピストンを含むものとして示すが、他の実施形態は、水平方向に向けられたピストンおよび／または圧力容器内の液体を移動させるために並列および／または直列に動作する複数の液圧ピストンを含むアクチュエータを備えるハウジングを含み得る。一部の実施形態によれば、アクチュエータには全くピストンがなくてもよく、その代わりに、液体を圧力容器に入れたりそこから出したりするポンプを含む。それに加えてまたはその代わりに、一部の実施形態によれば、複数のポンプおよび／またはピストンを並行して使用して、液体を圧力容器に入れたりそこから出したりできる。さらに、他の実施形態によれば、システムの実施形態は図面に示されるものに限定されないため、液圧ピストンなどのアクチュエータはシステムのモータ／オルタネータへの直接的な機械的接続を有してもよい。
【００４６】
[0059]図３Ａの実施形態のディバイダ３３４は、ディバイダの数および／またはディバイダの表面積に従って、圧縮および／または膨張中の各位置において空気／液体界面面積および空気／ディバイダ界面面積を含め、空気と接触している熱伝達面の面積を大きくできる。空気および／または液体からディバイダへの熱伝達も、ディバイダの質量、それらの熱キャパシタンス、および／またはそれらの熱伝導率による影響を受ける。理解されるように、ディバイダのない空気／液体界面は、圧力容器の内部の水平断面積に等しくし得る。図３Ａの実施形態のディバイダの各々は、圧力容器の断面積と実質的にサイズが等しい空気／液体界面および／または空気／ディバイダ界面を提供する。この点において、膨張または圧縮中の任意の所与のときに、空気／液体および／または空気／ディバイダの界面の総面積は、圧力容器内のディバイダの数に実質的に等しい倍数および／またはディバイダの表面積だけ増加し得る。加えて、ディバイダの各々は、同様に圧力容器の断面積とサイズが実質的に等しい空気／ディバイダ界面を提供し得る。この点について、各ディバイダに関連する空気ポケットは、液体によって、液体と直接接触してまたはディバイダの表面を通して液体と間接的に接触してのいずれかで実質的に取り囲まれ、液体および空気との熱伝達に利用できる面積を大きくし得る。一部の実施形態によれば、圧縮および／または膨張中の特定の時間におけるディバイダの数および／またはディバイダが空気／液体界面および／または空気／ディバイダ界面の総面積を大きくする倍数は、５以上、１０以上、２０以上、３０以上、４０以上、または５０以上にもし得る。他の実施形態では、ディバイダはより密集しており、圧力容器の全てまたは一部分において、１インチ以下、１／２インチ、１／４インチ、１／８インチ、１／１６インチ、またはいくつかの他の数字だけディバイダが互いに分離されているように、間隔をあけ得る。
【００４７】
[0060]それに加えてまたはその代わりに、図３Ａの実施形態のディバイダは、実質的に圧縮および／または膨張サイクルにわたって全熱伝達表面積を高いレベルに維持し得る。ディバイダは、圧力容器の上部に向かって互いに密集するように配置され、圧縮事象の終わりおよび膨張事象の始まりに向かって、熱負荷の上昇に適合するようにし得る。理解されるように、圧縮および／または膨張プロセス中に熱伝達に利用できる全表面積は、全圧縮および／または膨張サイクルにわたって空気と接触している液体およびディバイダの表面積を含み得る。すなわち、熱伝達のための全表面積は、圧縮および／または膨張サイクルの時間にわたって積分された空気と直接接触する面積（液体またはディバイダのいずれかの面積）を含み得る。この点において、圧縮および／または膨張サイクルにわたって熱伝達面の増大を維持するようにディバイダを構成することは、圧力容器に存在するディバイダの数よりも遥かに大きい倍数によって、全圧縮および／または膨張サイクルにわたる時間積分とみなすとき、熱伝達に利用できる総面積を増やし得る。
【００４８】
[0061]それに加えてまたはその代わりに、圧力容器の内部に位置決めされたディバイダは、圧縮または膨張される空気の位置と、熱が伝達される圧力容器内部の熱伝導面（空気／液体界面または空気／ディバイダ界面のいずれか）との間の平均最小距離を短くし得る。ディバイダはまた、テクスチャー加工、ポケット付き、スタンプ、被覆、鋸歯状、切断、屈曲、コーティングまたは他の材料の層によって覆われ得るか、またはそうでなければ処理されて、それらの表面積を増減させ、湿潤性を保つまたは保水能力を高めたり弱めたり、空気または水の乱流を増減させて、それら全てがより効果的な熱伝達を促進する一方、不可逆的なエネルギー損失を最小限にする。図３Ｂは、空気ポケット３４４を含むディバイダ３３４の断面図を示す。その空気ポケットの表面を通って熱が伝達される。図示のように、ポケット３４４は、ディバイダ３３４の下側またはその内部にある比較的薄い空気の層とし得る。ポケット３４４内のいずれの位置も、ディバイダ３４４の上壁３４６（すなわち、空気／ディバイダ界面）またはディバイダ３３４内に存在する液体（すなわち、空気／液体界面３４８）のいずれかから、ディバイダ自体の高さＨの半分よりも離れていない。この点において、熱伝導によって伝達されるとき、熱は、空気／液体界面または空気／ディバイダ界面の一方に達するために、最大でも、ディバイダの高さＨの半分に等しい距離を移動する必要があるにすぎない。同様に、対流モードで伝達されるとき、空気分子は、熱伝達を発生させるために空気／液体界面または空気／ディバイダ界面の一方に達するために、最大でも、ディバイダの高さＨの半分に等しい距離を移動する必要があるにすぎない。
【００４９】
[0062]圧力容器内の空気と、熱が伝達される表面との距離を最小にすることは、圧縮および／または膨張される空気へのおよび／または空気からの熱伝達を実質的に改善し得る。
【００５０】
[0063]空気は一般に、圧縮／膨張装置内の、熱が伝達される媒体のなかでも最も低い熱伝導率を有する。一例として、空気の熱伝導率は、約０．０２４ワット／メートル−ケルビンである一方、水の熱伝導率は空気の熱伝導率よりも一桁大きく（０．５８ワット／メートル−ケルビン）、鋼の熱伝導率は空気の熱伝導率よりも約３桁大きい（１％炭素鋼の場合４３ワット／メートル−ケルビン）。熱が空気を通って移動する距離を小さくすることは、熱伝達経路に沿って最も耐熱性の高い要素の距離を小さくすることによって、熱伝達に対する最大の障害を本質的に減らす。
【００５１】
[0064]ディバイダは、図３Ａの実施形態に示すものとは異なる形状にしてもよく、および／または圧力容器内に異なる配置でパッケージされてもよい。図３Ａおよび図３Ｂのディバイダは、下方に向いて（実質的に逆さにされた皿のような形状にされている）、内部に空気ポケットを形成して閉じ込めるようにしている。
【００５２】
[0065]実施形態は、図面に示すものに限定されないため、図４Ａに示すようにドーム状の上壁を備えるディバイダ、図４Ｂに示すように側壁がフレアー状に広がっている（内側または外側にフレアー状に広がっている）、または他の形状であるなど、他の形状が可能であることが理解される。それに加えてまたはその代わりに、図３Ａおよび図３Ｂのディバイダは、圧力容器の断面積と実質的に等しい面積を占めるようなサイズにされているが、それよりも小さなディバイダも可能である。
【００５３】
[0066]図４Ａおよび図４Ｂに示す実施形態では、圧力容器４２６内にディバイダ４３４を配置する。ディバイダ４３４はドーム状の上壁４４６を含み、ディバイダ４３４によって形成されたポケットの各々とマニホールド４３６との間に１つ以上の通路４５０が設けられ、それらの間を空気および／または液体が通過できるようにし得る。異なる手段、例えば、圧力容器の外部に位置決めされたマニホールドおよび／または圧力容器内で中心を外れて位置決めされたマニホールドなどによってディバイダ４３４とマニホールド４３６との間に流体連通がもたらされ得ることも考慮される。
【００５４】
[0067]図４Ｂは、圧力容器５２６内に配置されたディバイダ５３４を含む実施形態を示す。ディバイダ５３４は上壁５４６を含み、ディバイダ５３４によって形成されたポケットの各々とマニホールド５３６との間に１つ以上の通路５５０が設けられ、それらの間を空気および／または液体が通過できるようにし得る。ディバイダ５３４はまた、外側にフレアー状に広がった側壁５５２も含む。
【００５５】
[0068]ディバイダは、空気とディバイダ自体の表面との間のディバイダの空気と液体との間の熱交換をさらに高めるために、乱流の空気／液体界面を作り出すように構成し得る。一例として、一部の実施形態によれば、ディバイダの内部にタービュレーター（turbulator）を位置決めして、圧縮および／または膨張モード中に空気／液体界面が上方または下方に移動する際、液体を攪拌し、効果的に空気／液体界面面積を大きくし、かつ空気へのおよび／または空気からの対流熱伝達を増やし得る。図４Ｃに示すような他の実施形態によれば、ディバイダ６３４は、圧力容器６２６内に配置されて示され、かつディバイダ６３４の表面に組み込まれ得る熱伝達フィン６５４の列を含んで、ディバイダの空気ポケットとディバイダの表面（例えば上壁６４６）との間の熱伝達を促進する。しかしながら、当然のことながら、種々の実施形態は、図示のまたは本書で明確に説明されたものに限定されないため、全ての実施形態がタービュレーターまたはフィンの列を含むわけではない。
【００５６】
[0069]上述のように、圧力容器のサイズおよび形状は、複数のディバイダを使用して空気／液体界面を規定するとき、空気／液体界面面積以外に考慮すべき事柄に最適にし得る。一例として、一部の実施形態によれば、ディバイダは、空気／液体界面の総面積を最大にし得る一方、圧力容器の全体的なサイズを、特定の距離未満で最大外形寸法（すなわち、圧力容器の最大の長さ、幅、および高さ）を有するように設計する。これは、圧力容器が個別にまたはＩＳＯ標準の輸送コンテナで輸送するようにパッケージされるときに有用であることが分かる。それに加えてまたはその代わりに、圧力容器は、シリンダー状、球／シリンダー状、または他の形状を有する、最適な構造的完全性をもたらすような形状にし得る。一部の実施形態によれば、丸みのある上部および底部構造を備えるシリンダー状圧力容器の最大寸法を約６メートルとし得るとき、空気／液体全表面積は約１４０平方メートルを有し、最大寸法約２．５平方メートルで空気／液体全表面積約４０平方メートル、または最大寸法約２メートルで空気／液体全表面積約１０平方メートルとなる。
【００５７】
[0070]上述のように、熱は、圧力容器内の液体（例えば水）によって、圧縮および／または膨張される空気からおよび／または空気へ伝達できる。空気／液体または空気／ディバイダの界面（例えば、一部分が上述のディバイダによって提供される）は、圧縮および／または膨張プロセス中に圧力容器内で移動し得るおよび／または形状変化し得る。この移動および／または形状変化は圧縮／膨張装置に、圧縮および／または膨張中に熱を伝達する圧力容器の内面積の形状変化に適合できる熱伝達面を与え得る。一部の実施形態では、液体は、圧縮後に圧力容器に残る空気容積がほぼ取り除かれるかまたは完全に取り除かれる（すなわち、ゼロ隙間体積）ようにし得る。
【００５８】
[0071]図５Ａ〜図５Ｃは、圧縮および膨張の種々の段階におけるディバイダ７３４に関連する空気／液体界面を示す。圧縮サイクルの開始時には、ディバイダ７３４内に空気ポケットが存在し、空気／液体界面７４８は、図５Ａに示すようにディバイダ側壁７５２の下縁のすぐ上にある。圧力容器の体積部に追加的な液体が入れられると、追加的な液体が空気／液体界面７４８をディバイダ上壁７４６の方へ追いやるので空気／液体界面７４８は上方に移動し、圧力容器７２６の体積部内の空気を圧縮する。プロセスは、空気／液体界面７４８が最終的にディバイダ７３４とマニホールド７３６との間の通路７５０に達し、図５Ｂに示すように液体がマニホールド７３６自体に入り始めるまで続けられる。最終的に、圧縮サイクルのほぼ終了時には、図５Ｃに示すように空気／液体界面７４８はディバイダ７３４の上壁７４６にほぼ接触し、ほぼまたは実質的にマニホールド７３６を満たす。
【００５９】
[0072]一部の実施形態によれば、空気／液体界面が空気ポケットで高い位置に移動すると、空気に曝されている側壁の領域にフレアー状の広がりおよび／または減少があるため空気／液体界面面積にごくわずかな変化はあり得るものの、ディバイダの側壁間の断面積は実質的に一定であるため、ディバイダの空気／液体界面の面積は、少なくとも空気／液体界面が上壁の上部に達するまで実質的に一定に留まり得る。圧縮プロセスにわたって比較的一定の、比較的大きな空気／液体界面面積は、圧縮プロセスにわたる空気からの熱伝達を促進し得る。
【００６０】
[0073]一部の実施形態によれば、圧力容器のディバイダの下で、マニホールドと空気ポケットとの間の空気および／または液体の流れの平衡を保つための機能が圧縮／膨張装置に含まれ得る。流れの平衡を、圧力容器のディバイダの各々の空気／液体界面、または圧力容器のディバイダの一部分が、ディバイダ内で同期して移動するように、例えばディバイダの上壁に同時に達するように保ち得る。この点において、空気／液体界面での空気と空気／ディバイダ界面での空気との間の熱伝達の面積を、圧縮および／または膨張プロセスにわたってディバイダの各々において維持し得る。一部の実施形態では、マニホールドとディバイダの各々との間のポートは、平衡流に適合するように異なるサイズにし得る。それに加えておよび／またはその代わりに、マニホールドとディバイダとの間のポートは、平衡流をもたらすための弁を含み得る。ポートおよび／または弁は、圧力容器内の重力により誘起された圧力勾配を考慮するように構成し得る。例えば、圧力容器底部付近のポートのサイズを圧力容器上部付近のポートよりも小さくして、圧力容器底部に予期される高い圧力に適合するようにし得る。
【００６１】
[0074]膨張モード中、空気／液体界面は、圧力容器のディバイダにおいて圧縮中とは本質的に反対方向に移動する。例えば、膨張プロセスは、圧力容器から始め、マニホールドとディバイダとを含めて、すっかりまたは実質的に液体で満たされる。圧力容器のポートに追い込まれた空気は、図５Ｃに示すように、マニホールドを通して液体を下方に移動させ、最終的に通路を通過してディバイダの各々に入り、そこに空気ポケットおよび空気／液体界面を形成し得る。空気がある容積まで膨張し続けると、図５Ｂに示すように、各ディバイダの空気／液体界面は低位に動き、図５Ａに示すように、最終的にディバイダの下縁のすぐ上のレベルに達し得る。図らずもディバイダの側壁の下端の下側を通るいずれの空気／液体界面も、圧力容器内壁とディバイダの外壁との間に空気を通過させ得る。この空気は、最終的に圧力容器の上部に達して、圧力容器の上部付近の通路を通って、またはこの目的のために含まれた別のメカニズムによって、マニホールドに再び入り得る。他の実施形態では、圧力容器のポートに追い込まれた空気は、空気ポケットを形成せずに、液体を、ディバイダを過ぎて下方に移動させ得る。この構成では、圧力容器は空気ポケットを１つのみ保持し、空気容積は、膨張プロセス中、膨張行程が終了するまで大きくなる。
【００６２】
[0075]圧縮と同様に、全体的な空気／液体界面面積は、少なくとも各ディバイダの上面から離れて移動した後、および空気／液体界面がいずれかのディバイダの下縁の下側に移動する前、膨張プロセスにわたって実質的に一定に留まり得る。他の構成では、空気／ディバイダ界面は膨張プロセスにわたって直線的にまたは幾何学的に増加する。
【００６３】
[0076]空気を圧縮および変位させるために圧力容器において液体を使用することは、いくつかの利点をもたらし得る。一部の実施形態によれば、液体は、空気の圧縮および変位に使用されるときに圧力容器の形状に一致する水ピストンの機能を果たし得る。一部の実施形態によれば、水ピストンは、圧力容器の全体積を実質的に占有し得るので、いずれの隙間体積も排除する。水を容積式メカニズムとして使用することはまた、熱管理メカニズムも提供するので、複数の目的を果たす。それに加えておよび／またはその代わりに、一部の実施形態では、圧縮される空気から液体が凝縮するため、液体を圧力容器に過度に投入し得る。凝縮された液体は、悪影響を及ぼすことなく圧力容器に存在する液体と組み合わせ得る。一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置の動作サイクル中のいくつかの時点で、十分な液体を凝縮して、液体の全容積を、圧力容器で利用できる体積を超えるようにすることが可能である。そのような状況では、余分な液体が、悪影響を及ぼすことなく、ポートまたはこの目的のために含まれた別のメカニズムを通って、圧縮および変位される空気と共に、圧力容器から出るかもしれない。余分な液体は、水分トラップを通って、または当業者に公知の手段によって除去し得る。圧力容器に配置されたいずれの液体も、圧縮中、損失を最小限に留めつつ、中間リザーバを使用して貯蔵タンクに除去される。膨張中、液体を蒸発でき、それにより圧力容器から液体を除去する。貯蔵タンクに保持された液体を、システムにおける液体全容積を一定に維持するために膨張中に再び投入することができる。このように圧縮／膨張システムは液体を全く消費しない。
【００６４】
[0077]容積式メカニズムとして水を使用することはまた、ほとんど摩擦のないピストンシール、および漏れのないピストンシールをもたらし、これは、摩擦によるエネルギー損失を低減させ、シールの摩耗による保守および非効率さを削減し、ピストンシールを取り替える必要性をなくし、装置およびプロセスの信頼性を高める。これは、シリンダー上でピストンを潤滑する、または潤滑剤またはそのフィルタおよび／またはフィルタリングシステムを保守、修理（service）、および交換する、または潤滑剤を冷却する、および潤滑剤のポンピング、フィルタリング、および冷却に関連したエネルギー損失を回避する必要性もなくす。
【００６５】
[0078]一部の実施形態によれば、圧力容器内の液体はまた、熱交換器と組み合わせて、圧縮される空気（または膨張される空気）から外部環境まで（または外部環境から）熱を伝達する役割を果たし得る。一例として、図６に、液体および外部環境の双方に接触するために、圧力容器８２６の壁を通って延在する熱交換器８５４を示す。図示のように、熱交換器は、円形配列のヒートパイプを含み得るが、それに加えてまたはその代わりに、他のタイプの熱交換器も使用し得る。理解されるように、ヒートパイプは、熱を受けるパイプの一方の端部で蒸発しかつ熱を受けるとのほぼ同じ温度でまたは約４℃の範囲など小範囲の温度内で熱が取り除かれるパイプの他方の端部で凝縮する冷却剤で動作する。図６は、圧力容器の液体と熱のやりとりを行うのに使用し得る１つのヒートパイプ配置を示すが、アクチュエータハウジングにもしくは圧力容器と流体連通する他の構成要素に位置決めされたヒートパイプまたは他のタイプの熱交換器を含む配置のような、他の配置も存在し得ることが理解される。他の実施形態によれば、ヒートパイプはディバイダと直接接触して設けられ、そのうちのいくつかが圧力容器内に空気ポケットを捉え得る。システムの実施形態は、熱源またはヒートシンクの任意の１つの配置に限定されないため、圧力容器の外部環境において任意の熱源またはヒートシンクを使用して、そこに熱を提供するかまたはそこから熱を受けることも理解される。
【００６６】
[0079]圧縮および／または膨張中に熱が通過する媒体として液体を使用することは、連続的な冷却プロセスを可能にし得る。すなわち、圧縮中、液体は、圧縮中の空気から熱を受け、この熱を、空気の圧縮中および後で圧縮するために圧力容器から空気を受け取っている最中の双方において、外部環境へ連続的に送る。同様に、圧縮／膨張装置が膨張モードで動作していると、膨張中および膨張した空気が圧力容器から伝わるときの双方において、熱付加が発生し得る。
【００６７】
[0080]一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置の液体は水を含み得るが、それに加えてまたはその代わりに、他の液体を使用してもよい。理解されるように、水は、圧縮中の空気からシステムによって自然に凝縮し、この点において、悪影響なく液体と組み合わせ得る。加えて、膨張／圧縮装置の実施形態で使用されるとき、水は、悪影響を有することなく膨張中空気に蒸発する。しかしながら、水に加えてまたはその代わりに他のタイプの液体を使用してもよい。そのような液体のいくつかの例は、添加剤または凍結を防止するように配合された全ての液体、例えばグリコール、蒸発を防止する液体、例えばグリセリン、腐食を防止する液体、粘度を調整する液体、熱伝導率を調整する液体、潤滑性を調整する液体、生物学的作用物質の成長を防止する液体、圧力容器の表面に付着する液体、システムの弁の動作を高める液体、塩空洞からの塩などのいずれかの無機物の堆積を処理する液体、および／または発泡を防止する液体を含み得る。
【００６８】
[0081]一実施形態は、圧縮／膨張媒体として相変化物質を圧力チャンバで直接使用し得る。このように、液体は、空気が圧縮される表面を提供するだけでなく、熱伝達メカニズムとしての機能も果たす。相変化しつつある液体は（固相から気相へまたは気相から固相へ）一定の温度を保つ。これは、熱交換装置を必要とすることなく、膨張または圧縮温度を、圧力容器内で直接的な手段によって等温に保つのに利用できる。熱伝達は、空気と相変化液体との間の直接接触によって発生する。この熱伝達メカニズムは、空気を作動液体（水など）のスプレーまたはミストと接触させること、好適な温度ならびに圧縮後および貯蔵前に容易に空気から分離できる（例えば凝縮によって）気相で沸騰する作動液体を使用すること、および／または好適な温度で凍結する作動液体（例えば、水氷泥など作動液体が液体とその固形との混合物である条件においてシステムを動作することによって）を含め、当業者には明白な種々の技術において実現できる。
【００６９】
[0082]例示的な一部の実施形態に従って、圧縮／膨張装置を直列に配置して多段式圧縮／膨張装置を形成し得る。図７Ａ〜図７Ｉは、３つの段階を含む多段式圧縮／膨張装置の例を示す。第１、第２、および第３段階の各々は、アクチュエータに流体連通して接続された、図３Ａに関連して説明した圧力容器と同様の対の圧力容器を含む。他の構成では、１つ、３つ、４つ、またはそれ以上の圧力容器を各段階に含むことができる。特に、第１段階用のアクチュエータは、第１の圧力容器９２６と第２の圧力容器９２８との間に配置されたハウジングまたは導管９４０を含み、第２段階用のアクチュエータは、第１の圧力容器９２６’と第２の圧力容器９２８’との間に配置されたハウジング９４０’を含み、および第３段階用のアクチュエータ９４０”は、第１の圧力容器９２６”と第２の圧力容器９２８”との間に配置されたハウジング９４０”を含む。ピストン９３２、９３２’、９３２”はそれぞれハウジング９４０、ハウジング９４０’およびハウジング９４０”内に可動式に配置される。例えば、図７Ｂ〜図７Ｉに示すように、複数のディバイダ９３４が、第１段階の第１の圧力容器９２６および第２の圧力容器９２８の各々に配置され、複数のディバイダ９３４’が第２段階の第１の圧力容器９２６’および第２の圧力容器９２８’の各々に配置され、および複数のディバイダ９３４”が第３段階の第１の圧力容器９２６”および第２の圧力容器９２８”の各々に配置される。
【００７０】
[0083]第１段階の第１の圧力容器９２６および第２の圧力容器９２８はそれぞれ、環境から空気を取り込めるように開放している第１の弁９５６を含む。これらの弁、および以下説明する弁は、能動的に制御、受動的に制御し得るか、またはアクティブまたはパッシブポートとし得る。第１段階の第１の圧力容器９２６および第２の圧力容器９２８の各々はまた、導管９５８、９６０によって第２段階の圧力容器（９２６’、９２８’）に流体結合されており、導管９５８、９６０は、対応する圧力容器の体積部間の流体連通を選択的に開閉する１つ以上の第２の弁９６２を含み得る。第２段階の圧力容器９２６’、９２８’はまた、導管９６４、９６６によって第３段階の圧力容器９２６”、９２８”に流体結合され、かつそれらの間の流体連通を選択的に開閉する１つ以上の第３の弁９６８、９６８’を含む。第３段階における圧力容器９２６”、９２８”のポートの下流に第４の弁９７０を追加的に配置して、第３段階と、圧縮空気が通過する貯蔵構造（図示せず）との間の空気の通過を制御する。本書では３段階の圧縮／膨張装置として説明するが、より少数のまたは追加的な圧力容器および／または弁を含めて、より少数のまたは追加的な段階の圧縮／膨張を作り出すことができることが理解される。
【００７１】
[0084]例示的な一実施形態によれば、図７Ａに示すものと同様に構築して、第１段階は約１０．１４：１の圧縮比をもたらし、第２段階の圧縮比は約５．５：１であり、および第３段階の圧縮比は約３．３：１であるように構成する。そのような圧縮比は、ほぼ大気圧の開始圧力から約１８４気圧の圧力まで空気を圧縮し、かつ１８４気圧からほぼ大気圧へ空気を膨張させるように構成されたシステムに好適とし得る。一実施形態によれば、このように構成された圧縮／膨張装置は約２メガワットの電力定格を有し得る。他の実施形態では、各段階は、約５、６、７またはいくつかの他の数値のほぼ等価の圧力比を有し得る。他の実施形態では、スクリュー圧縮機および／またはエキスパンダ、遠心圧縮機および／またはエキスパンダ、ベローズ圧縮機および／またはエキスパンダ、ピストン圧縮機および／またはエキスパンダなどの別個の圧縮および／または膨張装置またはプロセス、または他の圧縮および／または膨張装置またはプロセスは、第１段階、第２段階、第３段階、または複数の段階のいくつかの組み合わせに、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１またはいくつかの他の数値の圧力比での圧縮および／または膨張を提供し得る。
【００７２】
[0085]図７Ａの実施形態では、圧縮サイクルは、第１段階のアクチュエータのピストン９３２を第１段階の第１の圧力容器９２６から離すように動かし、図７Ｂに示すように第１段階の第１の圧力容器９２６内部の空気用に利用できる体積を大きくすることから始め得る。この動きによって、第１の圧力容器９２６のディバイダ９３４から水を抜き出して、周囲空気を第１の圧力容器９２６に、ディバイダの各々９３４内のポケットまで引き入れる負圧を生じ、熱が伝達され得る追加的な空気／液体界面および空気／ディバイダ界面を生じさせる。他の実施形態では、この動きによって、第１の圧力容器９２６のディバイダ９３４から水を抜き出して、周囲空気を第１の圧力容器９２６に、ディバイダ９３４までまたはそれを通過すなわち通り過ぎて引き入れる負圧を生じ、熱が伝達され得る追加的な空気／液体界面および空気／ディバイダ界面を生じさせる。ピストン９３２がこの行程の最後に達すると、図７Ｃに示すように大気と第１の圧力容器９２６との間の第１の弁９５６が閉鎖され、第１段階と第２段階との間の第２の弁９６２が開放される。図７Ｄに示すように、ピストン９３２が第１の圧力容器９２６の方に戻り、第１段階の第１の圧力容器９２６と第２段階の第１の圧力容器９２６’とを合わせた体積において空気用に利用できる体積を減少させ、第２段階の第１の圧力容器９２６’の方へ空気を圧縮および変位させると、圧縮行程が開始する。この点において、空気の圧縮は、異なる段階の圧力容器にわたって発生し得る。第１段階のピストン９３２が、第１の圧力容器９２６に向かうその行程の最後に近づくと、図７Ｅに示すように、第２段階のピストン９３２’は、第２段階の第１の圧力容器９２６’から離れたその行程の最後に近づき、第１段階の第１の圧力容器９２６と第２段階の第１の圧力容器９２６’との間の第２の弁９５６は閉鎖する。圧縮／膨張装置の第２段階と第３段階との間の動作は、第１段階と第２段階との間の動作の上記の説明と同様である。しかしながら、第３段階と貯蔵構造との間の動作は、第３段階のピストンがその圧縮行程を開始するときではなく、第３段階での圧力が貯蔵構造の空気の圧力を上回っていると貯蔵構造への弁（例えば、弁９７０）が開放し得る点で異なっている可能性がある。
【００７３】
[0086]上述の圧縮サイクルは、既存の容積式圧縮サイクルとは異なり、圧力容器の圧縮は、単一の段階の空気容積ではなく、複数の段階の圧力容器の空気容積を含む。対照的に、従来技術の圧縮機は、一般に、単一の圧縮チャンバ（すなわち、圧力容器）で空気を圧縮する。種々の実施形態は本書で説明されたものに限定されないため、他の実施形態は、共通の段階において、または複数の段階にまたがって任意の数の圧力容器で実施できることが理解される。加えて、異なる段階の圧力容器において圧縮が発生する実施形態では、いずれかの段階の体積比は、種々の段階間のバルブタイミングを調整することによって修正し得る。
【００７４】
[0087]図７Ａのように構成された実施形態では、膨張サイクルを図７Ｆ〜図７Ｉに示す。膨張は、図７Ｆに示すように、貯蔵構造（図示せず）から第３段階の第１の圧力容器９２６”まで膨張する空気で開始する。この膨張空気は、液体を移動させて、第３のアクチュエータ（例えばピストン９３２”）を第３段階の第１の圧力容器９２６”から離れるように駆動する。このプロセスは、図７Ｇに示すように、第２段階の第１の圧力容器９２６’への第３の弁９６８’が閉鎖していると続けられる。図７Ｈに示すように、第３のピストン９３２”が、第３段階の第１の圧力容器９２６”から離れる行程の最後に近づくと、第４の弁９７０は、地下空洞（例えば、貯蔵構造）との流体連通を閉鎖する。次いで、図７Ｉに示すように、第３の弁９６８’が開放されて、空気が第２段階の第１の圧力容器９２６’まで膨張できるようにし、第２のアクチュエータ（例えば、ピストン９３２’）を駆動する。圧縮／膨張装置の第３段階と第２段階との間、次いで第２段階と第１段階との間の動作は、貯蔵構造と第３段階との間の上述の動作と同様である。
【００７５】
[0088]圧縮／膨張装置はモジュール式に設置され、システムを広範なエネルギー貯蔵需要用に構成できるようにし得る。一例として、図７Ａの装置のような圧縮／膨張装置は、１．０〜５．０メガワットの電力を貯蔵および生成するようなサイズにされ得るが、当然のことながら、他の実施形態はそれより高いまたは低い電力定格を含み得る。一部の実施形態によれば、より高いエネルギー貯蔵電力条件、例えば３００メガワット以上もの高さを有する設備用に複数の圧縮／膨張装置が一緒に設置されて、並列に動作してもよい。並列に配置された複数の圧縮／膨張装置を含む設備は、圧縮／膨張装置の一部分を停止させることによって、または圧縮／膨張装置のいくつかまたは全てをそれらの最大限度の電力容量未満で動作させることによって、全容量で動作しなくてもよく、これは、効率的なシステム動作を促進し得る。並列に配置された複数の圧縮／膨張装置を含む設備は、ある期間中、全定格出力を上回って動作して、特定の動作条件、電力価格が低いまたは負であるときに空気を圧縮する、または電力価格が高いときに空気を膨張させるなどの条件に適合し得るようにする。そのような動作は、圧縮行程の速度の増加、システムにおける弁、特に貯蔵容器と第３段階との間の１つまたは複数の弁のタイミングを制御することによる貯蔵容器からの第３段階の吸気における空気量の増加による影響を受け得る。それに加えてまたはその代わりに、複数の圧縮／膨張装置を含む設備をモジュール式に構成して、全ての圧縮機／エキスパンダが設置される前、または１つ以上の圧縮機／エキスパンダが保守、修復、交換、または他の理由のために停止されている期間中のシステム動作を可能にし得る。それに加えてまたはその代わりに、複数の圧縮／膨張装置を含む設備をモジュール式に構成して、プロジェクトの電力定格に必要なものよりもより多くの圧縮機／エキスパンダ（予備品）を構成できるようにし、種々の圧縮機／エキスパンダユニットが保守、修復、交換、または他の理由のために電源が切られると、またはその直後に、予備品が引き継ぐことができるようにし、それにより、パワープラントのために高い電力定格を維持する。
【００７６】
[0089]圧縮／膨張装置の実施形態は、広範な動作電力レベルに適合できる。理解されるように、特に貯蔵されるエネルギーをウィンドファームなどの予測し難い電源から受ける場合、様々な速度でエネルギーを貯蔵または放出することが望ましい。本書で説明する圧縮／膨張装置は、容積式装置の機能を果たすことができる。つまり、全体的な装置は各サイクル中に共通の空気容積を吸気するが、各段階では、この最初の容積を異なる値に圧縮する。そのような容積式装置は、共通の容積を有する空気を異なる量に圧縮（または膨張）することによって、異なる電力レベルで動作し得る。これは、一般に効率的に、主に比較的狭い範囲の電力レベルで動作するＣＡＥＳシステムで使用される遠心圧縮機とは異なる。それに加えてまたはその代わりに、並列に動作する複数の圧縮／膨張装置を有する設備は、設置された圧縮／膨張装置の一部分のみを作動して、異なる動作電力レベルに適合し得る。
【００７７】
[0090]圧縮／膨張装置は比較的低速で動作し、それにより、熱伝達の改善、エネルギー消費および／または生産の改善、耐久性の改善、エントロピー損失の減少、弁、パイプ、およびポートによる圧力低下の減少、圧縮機／エキスパンダの熱サイクルの減少、および／または信頼性の改善をもたらし得る。一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置の圧縮または膨張サイクルは熱伝達の改善を可能にし、これにより、装置は、膨張および／または圧縮中にほぼ等温の挙動を達成することができる。加えて、熱伝達の改善に関連した低温、ならびに膨張／圧縮装置における接合部および滑り接触部での摩擦が少ないことは、高速の機械と比べて耐久性および信頼性の改善を提供し得る。
【００７８】
[0091]圧縮／膨張装置の種々の実施形態の低速の動作速度および／または熱伝達容量の増加により、比較的温度差の小さい外部環境での熱伝達を発生させることができる。一部の実施形態によれば、膨張／圧縮装置は、ほぼ等温圧縮／膨張プロセスで動作し得る一方、５０℃もの、２５℃もの、または５℃もの低い温度差にわたって外部環境と熱を交換する。
【００７９】
[0092]一部の実施形態によれば、低質熱源および／またはヒートシンクを使用して、膨張／圧縮モード中、圧縮機／エキスパンダに熱をもたらし、かつそこから熱を受け得る。この点において、システムは、膨張で空気を加熱するなど、化石燃料を燃焼させることなく動作することができる。しかしながら、当然のことながら、システムの実施形態はまた、化石燃料を燃焼させるパワープラントまたは他のシステムと併用して動作し得る。一部の実施形態は、地表面下４〜１０メートルに存在する実質的に一定の地温および貯蔵構造として使用されるときの地下にある空洞の実質的に一定の温度を利用して、熱源および／またはシンクとして地中熱エネルギー、太陽エネルギー、および他のエネルギー入力、水、塩水、砂利、水と砂利、塩水と砂利、および他の熱ヒートシンクおよび源を使用し得る。加えて、一部の実施形態によれば、圧縮は、空気の温度が低くなり、熱が取り除かれる環境を提供し得る夜間に発生する一方、膨張は、温度が高く、膨張プロセスで使用される熱源を提供し得る日中に発生する。
【００８０】
[0093]一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置を利用するシステムはモジュール構造を有し得る。一例として、図８に、風力タービン構造１０１４に直接組み込まれている圧縮／膨張装置１０２０の一実施形態を示す。風力タービン１００４は、ギヤボックス１０７６を通して低速液圧ポンプ１０７４に接続されかつそれを駆動するロータ１０７２を含む。ギヤボックス１０７６は機械的ギヤボックス、液圧ギヤボックスとし得るか、または他のタイプのギヤボックスを含み得る。導管１０７８は、液圧ポンプ１０７４の作動液出力部を液圧モータ１０８０に接続し、それは発電機１０８２に機械的に接続される。導管１０７８はまた、液圧ポンプ１０７４の作動液出力部を圧縮／膨張装置１０２０の１つ以上のアクチュエータに接続し、それは風力タービン１０１４の塔１０１６に位置決めされる。ギヤボックス１０７６、液圧ポンプ１０７４、液圧モータ１０８０、および発電機１０８２の各々を風力タービン１０１４のナセル１０１８に配置して示すが、他の実施形態ではどこに配置してもよい。システムが動作するモードに従って、１つ以上の弁１０８４が、液圧ポンプ１０７４から液圧モータ１０８０および／または圧縮／膨張装置１０２０への作動液の流れを制御し得る。風力タービン１０１４はまた、風力タービン１０１４の塔の一部分および／または風力タービン１０１４を支持する基盤１０８８にある貯蔵構造１０２２に配置し得る貯蔵構造１０８６を含む。この点において、風力タービンは、沖合の適用で有益であることが分かっている内蔵式エネルギー貯蔵および回収システムを提供し得る。
【００８１】
[0094]図８のシステムは、異なるモードで動作し得る。第１の動作モードでは、風力エネルギーは、風力タービン１０１４の発電機１０８２にのみ向けられ得る。このモードでは、１つ以上の弁１０８４を、水力が圧縮／膨張装置１０２０にいかないように位置決めして、ロータ１０７２を駆動させる風と関連したいずれの力も、ギヤボックス１０７６、液圧ポンプ１０７４、液圧モータ１０８０、および発電機１０８２によって電気に変換されるようにする。第２の動作モードでは、風力エネルギーをもっぱら圧縮／膨張装置１０２０の駆動に使用して、エネルギーを圧縮空気として貯蔵し得る。このモードでは、１つ以上の弁１０８４を、水力が液圧ポンプ１０７４から圧縮／膨張装置１０２０にのみ向けられるように位置決めし得る。弁１０８４はまた、液圧ポンプ１０７４からの作動液が圧縮／膨張装置１０２０、および液圧モータ１０８０と発電機１０８２との組み合わせにいくように位置決めして、風力エネルギーを使用して、空気を圧縮して同時に電気を生み出すようにし得る。システムに貯蔵されているエネルギーを放出することが望ましい場合、さらに別の動作モードにおいて、圧縮／膨張装置１０２０によって膨張するための圧縮空気が放出され得る。圧縮／膨張装置１０２０から出力される加圧作動液は、液圧モータ１０８０によって発電機１０８２を駆動して、電気エネルギーを生み出し得る。これは、十分な風があるときにロータ１０７２によって駆動されている液圧ポンプ１０７４を支援するためか、またはロータ１０７２を回転させるのに十分な風がないときに加圧作動液の唯一の供給源としてのいずれかで発生し得る。
【００８２】
[0095]一部の実施形態によれば、風力タービンの構造に組み込まれているシステムは、風力タービン自体と構成要素を共有して、追加的なおよび／または代替的な効率を実現し得る。一例として、圧縮／膨張装置は、通常風力タービン専用の制御ソフトウェアを利用するか、または、そうでなければ風力タービンと制御ソフトウェアおよび／またはハードウェアを共有する。発電機、ギヤボックス、液圧ポンプ、弁、および／または液圧モータは圧縮／膨張装置および風力タービンの双方に共通とし、システムで使用される費用および構成要素数を削減し得る。
【００８３】
[0096]図９は、風力タービンの塔内にパッケージするのに好適であることが分かっている圧縮／膨張装置１１２０の一実施形態の概略的な断面図を示す。図示のように、第１の圧力容器１１２６および第２の圧力容器１１２８は、互いに対して垂直に位置決めされている。第１の圧力容器１１２６はディバイダ１１３４とマニホールド１１３６とを含み、第２の圧力容器１１２８はディバイダ１１３４’とマニホールド１１３６’とを含む。第１の圧力容器１１２６および第２の圧力容器１１２８は、液圧アクチュエータ１１２、および圧力容器１１２６、１１２８の各々よりも直径の大きいハウジング１１４０によって接続される。ハウジング１１４０内には液圧作動ピストン１１３２が配置される。圧力容器１１２６、１１２８と比べてハウジング１１４０の幅が広いことによって、所与の動作速度で液体が移動する距離を減少させ、それに応じて、速度を低下させる。液体の速度の低下は、同様に、圧縮／膨張装置１１２０内での液体のポンピング抵抗を減少させ、圧縮／膨張装置１１２０の動作効率を改善するのを助ける。
【００８４】
[0097]一部の実施形態によれば、圧縮／膨張装置は、貯蔵構造の空気圧レベルが変動しても、膨張モードにおいて実質的に一定の出力電力で動作し得る。図１０は、一実施形態による、圧縮／膨張装置の３段階の各々にわたる２つの貯蔵構造圧力レベルの空気圧を示すグラフである。図示のように、膨張装置にわたる空気圧は同様であるが、初期膨張後に曲線に移り、図１０に点線で示す、１００〜１８０バールの貯蔵構造空気圧に対して同様の出力量を生じ得る。しかしながら、代わりに他の圧力範囲も用いてもよいことが理解される。センサ、弁、コントローラおよび他の装置を使用して、貯蔵構造から圧縮／膨張装置に入る空気の量を制御し、これを達成し得る。一実施形態では、最終的な吐き出し圧力は周囲空気圧よりも高い。
【００８５】
[0098]他の実施形態では、容器およびポンプは、圧縮中よりも膨張中での空気容積が大きく調整できるようなサイズにされ、膨張中にそれらが最低の貯蔵圧力から最大限度の定格出力を生じるようにできる。この実施形態に従って設計された容器／ポンプシステムは、最低の設計貯蔵圧力からの膨張中に十分に利用されるのみである。さらに、この実施形態に従って設計された容器／ポンプシステムは、圧縮中、常に部分的に使用される。他の実施形態では最終的な吐き出し圧力は周囲空気圧に到達し得る。
【００８６】
[0099]他の実施形態では、再生熱交換技術を使用して、圧縮中に空気から熱エネルギーを取り出し（例えば作動液体および／またはディバイダによって）、膨張中に熱エネルギーを空気に投入することができる（ここでも、例えば作動液体および／またはディバイダによって）。この機能性は、当業者に明白な種々の技術のいずれかを使用して実施できる。例えば、再生熱交換システムは、圧縮／膨張装置と熱的に連通している熱交換器（例えば、熱交換器によって好適な熱作動流体を循環させ、その他方の側は、圧縮／膨張装置において空気または作動流体に直接、またはディバイダまたは他の中間熱伝達構造を経由して間接的に曝されている）、および熱エネルギー貯蔵リザーバ（例えば、熱作動流体用の断熱貯蔵タンク）を含むことができる。圧縮中、再生熱交換システムは、熱作動流体を循環させて空気から熱エネルギーを取り出し、その熱エネルギーを貯蔵リザーバに投入するように動作できる。反対に、膨張中、再生熱交換システムは、熱作動流体を循環させてリザーバから熱エネルギーを取り出し、その熱エネルギーを空気に投入するように動作できる。
【００８７】
[00100]圧縮および／または熱付加中の空気から膨張中の空気への熱除去は、これらのプロセス中に空気中に発生する温度変化を最小限にするのを助け、ここで説明するように、等温、または経済的に最適であるのに容認できるほど等温に近いプロセス条件を達成するようにシステムを助け得る。例えば、本書で使用されるように、「等温」または「ほぼ等温」は、熱伝達プロセスが、約１．１以下、好ましくは約１．０５以下のポリトロープ指数によって特徴づけられることを意味し得る。一実施形態によれば、圧縮／膨張装置において、圧縮および／または膨張プロセスにわたる空気の温度変化は約１．６℃以下となる（１．０２３のポリトロープ定数に対応する）。しかしながら、システムはまた、１．１を上回るポリトロープ指数に対応する圧縮／膨張プロセスを実施する構成において動作し得ることが理解される。例えば、ポリトロープ指数１．０５を達成するためにシステムを動作させるのに必要な機器および／または運転費用は、１．１を上回るポリトロープ指数を達成するシステムの動作を実施する熱効率の悪い費用を上回り得る。それゆえ、高いポリトロープ指数で動作するようにシステムを供することが望ましいかもしれない。
【００８８】
[00101]圧縮膨張装置の実施形態は、動作速度および／または電力レベルに迅速に達して、発電施設に、自力起動サービス、運転予備力サービス、電圧維持サービス、および／または周波数調整サービスを含むがこれらに限定されない付帯的なサービスを提供するように構成し得る。
【００８９】
[00102]圧縮／膨張装置の実施形態は、本書では主に風力タービンおよび／またはウィンドファームと使用する説明したが、数例を挙げると太陽熱発電所、石炭火力発電所、ガス火力発電所、原子力発電所、地熱発電所、バイオマス発電所、および／または水力発電所を含むがこれらに限定されない種々のタイプの電力生産施設で使用してもよいことが理解される。一実施形態では、圧縮空気を膨張するときに熱源の一部または全てが出力効率を高めるため、太陽熱プラントからの熱エネルギーを、より伝統的な蒸気タービンまたは有機ランキンサイクルタービン、または他の熱機関ではなく、またはそれらに加えて、本書で説明した装置およびプロセスによって使用する。太陽熱プラントからの熱エネルギーの電力への変換効率は、このシステムによって７０％、８０％、およびそれ以上とし得る。
【００９０】
[00103]本書では圧縮／膨張装置の実施形態を空気の圧縮または膨張に使用すると説明したが、圧縮／膨張装置を、他の任意のガス状物質、例えば、限定はされないが、二酸化炭素、天然ガス、酸素、窒素、ブタン、プロパン、および他の気体などの圧縮および／または膨張に使用し得ることが理解される。本書では圧縮／膨張装置の実施形態は、水または液体と使用すること、および他の任意の液体様物質を、他のタイプの冷却材を含め熱伝達および／または圧力移送媒体として使用し得ることも理解される。
【００９１】
[00104]このように本発明の少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明したが、当業者は種々の代替例、修正例、および改良例が容易に思い付くことが理解される。そのような代替例、修正例、および改良例は、この開示の一部であり、本発明の範囲内にあるものとする。従って、上述の説明および図面は一例にすぎない。
【００９２】
[00105]一部の実施形態では、本書で説明した装置は、内部で空気を圧縮および／または膨張し得る少なくとも１つの圧力容器を含む。少なくとも１つの圧力容器は、少なくとも部分的に液体、ときには空気で満たされている。少なくとも１つの圧力容器は、体積部の液体を移動させて圧力容器内の空気を圧縮するかまたはアクチュエータを駆動するために圧力容器内で膨張する空気によって動かされるアクチュエータに結合されている。圧力容器は、空気を保持するおよび／または圧力容器全体に配置された複数のディバイダを含み、空気、ディバイダ、および液体間の熱伝導のための面積を大きくする。ディバイダは、同様に構成されたディバイダのない容器と比較して、空気と液体または構造との間の熱経路の集合的な長さを実質的に短くし得る。ディバイダは、同様に構成されたディバイダのない容器と比較して、空気／液体界面の総面積を実質的に大きくし得る。加えて、ディバイダは、熱伝達のない空気の温度変化が、そうでなければ最大となる、圧縮または膨張サイクルにわたっておよびその終わりに向かって、実質的に面積を一定に保つ空気／液体界面および／または空気／ディバイダ界面および／または液体／ディバイダ界面を提供し得る。一部の実施形態では、各ディバイダをマニホールドと流体連通させ、同様にマニホールドを圧力容器のポートと流体連通させて、ディバイダをスタック構成に配置し得る。
【００９３】
[00106]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を圧縮および／または膨張でき、および第１の圧力容器と第２の圧力容器とをそれぞれ含む、直列に配置された２つ以上の段階と、第１の圧力容器および第２の圧力容器の各々に結合されたアクチュエータとを含む。第１の圧力容器および第２の圧力容器の各々の体積部は少なくとも部分的に液体で満たされており、その液体は、アクチュエータによって、空気を交互に圧縮するために対応する圧力容器内で移動し、かつ液体が占有していない対応する体積部の一部分の空気の膨張を可能にする。アクチュエータは第１の圧力容器と第２の圧力容器との間で移動し、第１の圧力容器および第２の圧力容器の各々が、互いに位相をずらして動作するようにする。装置の２つ以上の段階の各々のアクチュエータは、直ぐ上流および／または下流の段階のいずれかのアクチュエータに対して位相をずらして動く。一部の実施形態によれば、ディバイダを圧力容器の各々に含めて、圧縮および／または膨張中の空気との熱伝達熱のやりとりに利用できる面積を大きくし得る。
【００９４】
[00107]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を等温またはほぼ等温で圧縮および／または膨張できる。装置は、少なくとも部分的に液体で満たされた圧力容器を含む。圧力容器は、内部の空気を圧縮するために圧力容器内の液体を移動させ得る、または圧力容器で空気が膨張すると変位される液体によって動かされ得るアクチュエータに接続される。液体は、１つ以上の空気／液体界面および空気／ディバイダ界面および液体／ディバイダ界面で空気と接触しており、それら界面にわたって、圧縮される空気からおよび／または膨張される空気へ熱が伝達される。圧力容器はまた、液体と装置外部の環境との間で熱を伝達する熱交換器、例えば１本以上のヒートパイプを含む。熱を、圧縮される空気からおよび／または膨張される空気へ移動させて、等温またはほぼ等温の圧縮および／または膨張プロセスを達成し得る。相対的な全熱伝達表面積（すなわち、空気／液体界面および空気／ディバイダ界面および液体／ディバイダ界面）および／または比較的低速のサイクル速度（例えば、単一の圧縮または膨張サイクルの場合６秒）は、装置が等温またはほぼ等温圧縮および／または膨張を達成することを助け得る。
【００９５】
[00108]一部の実施形態では、本書で説明したように、複数の装置は各々、貯蔵用に空気を圧縮することによってエネルギーを貯蔵し、かつ後で圧縮空気を放出して、同じ複数の装置によって膨張してエネルギーを生産することができる。複数の装置の各々は、単一の装置の電力貯蔵容量の５倍、１０倍、２０倍、５０倍、１００倍、または１５０倍以上の電力貯蔵条件を有する典型的な設備が、任意の所望の数の装置、例えば、５個以下の装置、１０個以下の装置、２０個以下の装置、５０個以下の装置、１００個以下の装置、１５０個以下の装置、またはそれよりも多い数の装置を利用して、特定の設備での電力貯蔵条件を満たし得るようなサイズ（例えば、２メガワット未満の容量または１．２メガワット未満の容量）にされる。複数の装置を有することは、設備の全電力貯蔵容量未満の割合でエネルギーを容易に貯蔵および／または放出する能力、設備全体の動作に実質的に影響を及ぼすことなく、保守または修繕のために個々の装置または装置群を使用しない能力、および／または個々の装置を大容量で構築する能力を含むがこれらに限定されない１つ以上の利点を提供し、規模の経済性を実現しかつ装置の輸送および設置を容易にし得る。
【００９６】
[00109]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を圧縮して貯蔵構造内で圧縮空気としてエネルギーを貯蔵できる。貯蔵構造は空気を様々な圧力レベルで保持し得る。装置はまた、様々な圧力レベルで貯蔵構造から空気を受け取り、空気を膨張して、電気エネルギー生産のためにそこからエネルギーを放出する。一部の実施形態によれば、装置は、膨張モードにおいて、２５０気圧以上もの高さに変動する圧力レベルで受け取った空気を膨張するように動作し得る容積式圧縮機および／またはエキスパンダである。一部の実施形態によれば、装置は、空気の圧縮および／または膨張のために、直列に配置された複数の段階を含み得る。
【００９７】
[00110]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を圧縮して貯蔵構造において圧縮空気としてエネルギー貯蔵でき、かつ必要な場合には、貯蔵構造から受け取った圧縮空気を膨張して、電気エネルギーを生産できる。貯蔵構造に様々な圧力レベルで空気を貯蔵し得る。装置は、圧力容器と、装置によって、実質的に一定の押退け量で液体を移動させるアクチュエータとを含む。装置は、弁と、空気が貯蔵構造に保持されている圧力に関わらず膨張するために装置によって受け取られた空気の量を制御するようにプログラムし得るコントローラとを含む。
【００９８】
[00111]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を圧縮して圧縮空気としてエネルギー貯蔵でき、かつ必要な場合には、圧縮空気を膨張してエネルギーを生産できる。装置は、風力タービンの構造、例えばナセルまたは塔の構造に組み込み得る。一部の実施形態によれば、風力タービンおよび装置は構成要素を共有して、全システム費用を削減し得るおよび／またはシステムの全体的なサイズを小さくし得る。これは、沖合の適用では特に有用であることが分かっている。一例として、風力タービンと装置との間で制御ソフトウェアおよび／またはハードウェアを共有し得る。それに加えてまたはその代わりに、発電機が、液圧モータおよびポンプによって風力タービンのロータに結合されて、風が十分あるときに風力タービンによって、および／または風が不十分なときに空気が圧縮されると装置によって、駆動され得る。
【００９９】
[00112]一部の実施形態では、本書で説明したように、装置は、空気を圧縮し得る上流圧力容器および下流圧力容器を含む。上流圧力容器および下流圧力容器の各々は、少なくとも部分的に液体で、時には空気で満たされている。下流圧力容器で空気用に利用できる最大体積は、上流圧力容器で空気用に利用できる最大体積よりも少ない。上流圧力容器は上流アクチュエータに結合され、下流圧力容器は下流アクチュエータに結合される。上流アクチュエータおよび下流アクチュエータの各々は、対応する圧力容器の内部体積部内の液体を移動させ、対応する圧力容器で空気用に利用できる体積を交互に増やしたり減らしたりする。上流圧力容器と下流圧力容器との間に導管が延在し、導管は、上流圧力容器と下流圧力容器との間に流体連通をもたらすために選択的に開放し得る弁を含む。空気の圧縮は、弁が開放して上流圧力容器と下流圧力容器との間が流体連通することによって始まる。圧縮の開始時、上流圧力容器で空気用に利用できる体積は最大値にあり、下流圧力容器で空気用に利用できる体積は最小値にある。そこで、上流アクチュエータは上流圧力容器内の液体を移動させて、上流圧力容器で空気用に利用できる体積、導管、および下流圧力容器で空気用に利用できる体積の空気を圧縮する。同時に、下流アクチュエータは、下流圧力容器内の液体を移動して、下流圧力容器で空気用に利用できる体積を増やす。上流圧力容器で空気用に利用できる体積の減少の程度が、下流圧力容器で空気用に利用できる体積の増加の程度よりも大きいときに、上流圧力容器で空気用に利用できる体積、導管、および下流圧力容器で空気用に利用できる体積の各々で空気は圧縮される。
【０１００】
[00113]本発明の種々の実施形態を上記で説明してきたが、それらは一例として提示したにすぎず、限定ではないことを理解されたい。上述の方法およびステップが、特定の順序で発生する特定の事象を示す場合、この開示の利益を有する当業者は、特定のステップの順序を変更し得ること、およびそのような変更は本発明の変形例によることを認識する。加えて、特定のステップは、上述のように、可能な場合には、並行するプロセスにおいて同時に、ならびに連続的に実施し得る。実施形態を特に図示し説明したが、形態および詳細に関して種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【０１０１】
[00114]例えば、特定の特徴および／または構成要素の組み合わせを有する種々の実施形態を説明したが、上述の実施形態のいずれかにおいて任意の特徴および／または構成要素の任意の組み合わせまたは部分的な組み合わせを有する他の実施形態が可能である。種々の構成要素の特定の構成は変更もできる。例えば、種々の構成要素のサイズおよび特定の形状は、図示の実施形態とは異なることがあるが、依然として、上述の機能をもたらす。
【０１０２】
[00115]圧縮機／エキスパンダユニットは、プロジェクトにモジュール式に配置してもよく、それらは、建物の外部または内部に配置し得る。建物内では、それらは、中心に通路がある構成で配置され、通路の両側でユニットは互いに隣接する。圧縮機／エキスパンダユニットは、電気、水、作動液、空気、潤滑油、温水、冷水、および他の共通サービスの一部または全てによって相互に接続される。圧縮機／エキスパンダには、温水および／または冷水の別個の貯蔵所および／または源があり得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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