1 闭式蓄能器与开式蓄能器
在液压系统中常用的蓄能器为闭式蓄能器，其压缩空气腔是封闭的，腔室的容积随气压高低而改变。在图1中，蓄能器内空气由容积V1压缩到V2，压力由p1（通常为1个大气压）升高到 p2，则蓄能器内压缩空气的压缩能为AFEBGA面积，在常用闭式蓄能器排油终止时的压力p3>p1，即蓄能器内压缩空气释放的压缩能仅为FEBG面积，尚有AFG面积的能量没有得到利用。为此闭式蓄能器的实际容积不仅包括油液的容积（V3-V2），还要包括剩余压缩空气的容积V3。
图1 闭式蓄能器与开式蓄能器中压缩空气能量
最近提出的所谓开式蓄能器，是指蓄能器排油终止时的压力近似为p1，也就是蓄能器内压缩空气的压缩能（AFEBGA面积）几乎全部得到利用，且开式蓄能器的容积仅为油液容积（V1-V2），因此开式蓄能器单位容积的储能密度远高于闭式蓄能器，开式蓄能器单位重量的储能密度也远高于闭式蓄能器。
图2为闭式蓄能器与开式蓄能器单位容积能量密度比较，目前常用的闭式蓄能器的容积能量密度仅为4.5 kJ/L，重量密度仅为6.5 kJ/kg。开式蓄能器的容积能量密度远大于闭式蓄能器。蓄能器的压力为35 MPa计算，等温膨胀的开式蓄能器容积能量密度可高达175 kJ/L、重量能量密度可达220 kJ/kg，几乎为闭式蓄能器的40倍。同时由图2可见，等温膨胀的开式蓄能器能量密度要明显高于绝热膨胀的开式蓄能器，约为2.5～3倍。
图2 闭式蓄能器与开式蓄能器单位容积能量密度比较
表1为四种典型储能装置的特征参数比较。由表1可见，开式蓄能器的效率高于铅酸电池，重量能量密度和容积能量密度已与铅酸电池相当，单位功率装置成本与超级电容及高速飞轮相近，但单位能量装置成本远低于其他三种储能装置，特别适用于大容量电能的储能。可见开式蓄能器储能是一种很有竞争力的储能技术，这一技术一旦推广应用，必将为液压行业开创一个新兴的庞大市场。
表1 四种典型储能装置的特征参数比较
2 一个基于开式蓄能器的压缩空气储能系统专利
图3为2011年的一个基于开式蓄能器的压缩空气储能系统的发明专利。
该系统有低压气-液缸005和三个高压气-液缸902、液压泵/液压马达908、五个换向阀以及储气罐等构成。
在储能过程时，液压泵908驱动低压气-液缸005往复运动，通过换向阀912的控制，向三个高压气-液缸902轮流充压，并由三个高压气-液缸902轮流作二次压缩升压，达到额定高压。
在储气罐高压空气释放能量时，通过换向阀的组合控制，先由三个高压气-液缸902输出高压油驱动液压马达908，当储气罐内空气压力下降到中低压时，通过换向阀控制，由低压气-液缸005输出高压油，驱动液压马达908继续运转。
该发明专利的关键构思包括开式蓄能器的原理，还采用了二级压缩/膨胀的方法，以其保证压缩/膨胀过程为等温过程，提高系统的效率。
图3 基于开式蓄能器的压缩空气储能系统
图4为该发明专利给出的另一种方案。
图4 另一种基于开式蓄能器的压缩空气储能系统
该系统有液压泵/液压马达2340、储气罐2310和2311、二只高压气-液缸2301和2302、二只低压气-液缸2303和2304、液压增压缸2305以及换向阀2341等组成。
在储能过程时，液压泵2340输出通过换向阀2341驱动增压缸2305往复运动，轮流驱动低压气-液缸2310和2311向高压气-液缸2301和2302充压，增压缸2305的输出油液同时轮流驱动高压气-液缸2301和2302，使低压空气进一步压缩为高压气体，向储气罐储能。
在储气罐高压空气释放能量第一阶段，高压压缩空气轮流驱动高压气-液缸2301和2302向增压缸2305输出高压油液，进而驱动增压缸2305往复运动，其输出高压油液通过换向阀2341驱动液压马达。当储气罐空气下降为中低压时，压缩空气轮流驱动低压气-液缸2303和2304，由其输出的中低压油液进入增压缸2305增压，其输出的高压油液通过换向阀2341驱动液压马达。
图4系统的关键构思依旧包括开式蓄能器的原理，还采用了二级压缩/膨胀的方法，以其保证压缩/膨胀过程为等温过程，提高系统的效率。与图3方案相比，以更为紧凑的增压缸2305替代了低压气-液缸005。另外控制也有所简化。
3 本发明专利的不足之处
本专利的不足之处是对如何保证空气压缩/膨胀的“等温”条件，尽管提出了一些方案，但没有提供更深入的定量分析方法，实际上当压缩比100以上时，例如将空气从0.1 MPa压缩到30 MPa，即压缩比达到300时，按本专利仅靠气-液缸外表面与环境对流换热是难以满足空气压缩/膨胀的“等温”条件的。如何解决这一难题，将在后续文章中介绍。
从图2可见，即使无法满足“等温”条件，开式蓄能器的容积能量密度也不会低于绝热过程，因此依旧能取得比闭式蓄能器的容积能量密度高一个数量级的良好效果。
