JP2009525432A - パイプラインを使用する風力発電エネルギーを輸送し貯蔵する改善された方法 - Google Patents

Abstract

本発明は風力エネルギーを圧縮空気エネルギーの形で、パイプラインを介して貯蔵し、風条件が理想的な場所からエネルギーが必要な施設またはコミュニティへ輸送する方法に関する。本発明の方法は好ましくは少なくとも１つの風力タービンを使用し、圧縮機を駆動し、圧縮空気を貯蔵することを含む。パイプラインのサイズと長さはパイプラインの長さに沿って生ずる圧力損失を低減するように適合される。パイプラインは枕木の上または砂漠表面に配置することができ、既存の権利が存在する通路に沿って延ばすことができる。エネルギーを使用する施設またはコミュニティーは電気の形のエネルギーを使用することができ、または空気圧で駆動するツールまたは装置を作動することができ、または副生成物としてチルド空気を生成することができる。これは冷凍、エアコンディションまたは脱塩に使用することができる。ユーティリティまたはグリッドを、風か吹いていないときに圧縮空気エネルギーを生成するために提供することができる。圧縮空気エネルギーは低必要期間に造られ貯蔵されて、高要求期間に使用することができる。

Description

本発明の技術分野
本発明は、風力により生成されるエネルギーを輸送するおよび貯蔵する方法に関し、特にはパイプラインによって、圧縮空気の形で風エネルギーを輸送するおよび貯蔵する方法に関する。

本発明の背景技術
太陽と風のような自然のソースからのエネルギーの生成は、最近の数十年間の間、米国および世界中の重要な目的だった。たとえば中東からの油に対する信頼が低下したことは、重要な世界的な問題になった。エネルギーの専門家は、石油、ガスおよび石炭を含む資源がいつか尽きるのではないかと心配する。これらの関心のために、多くのプロジェクトが、しばしば自然の「代替」ソースと呼ばれるものに由来するエネルギーを利用しようとして始められた。

ウインドファームは、例えば、風が自然に吹くエリアで始められた。多くのエリアでは、多くの風力タービンは設置され、風の方向へ「向けられる」。そこでは回転力が造られ、発電機を回転するために使用され、これは電気を生成する。風条件が比較的一定で予測可能な場合、ウインドファームは最も効率的に操作される。そのような条件は、一貫している風によって生成されたエネルギーの供給およびデリバリーを可能にし、それによって、システムに悪影響を及ぼすことができる変動および揺れを回避する。適切にこれらの条件を当てにできない場合には、停電および不足に至り、グリッドの１つのエリアでの不足は全体のシステムでの不足を引き起こし、すなわち地方全体の停電が生じる場合がある。

しかしながら、ウインドファームを運営する難しさは、そのまさに風が自然であり一貫しなく予測不能であるということである。多くの場合では、風速、頻度および期間は相当に変わる。つまり、風は一定期間同じ速度で吹かない。また、風速は、ある瞬間から別の瞬間まで著しく変わることがある。また、風によって生成される電力量は数学上、風速の３乗の関数であるので、風速の少しの変動または振動でさえ、風力発電の不相応な変化に帰着する場合がある。

これらの条件は問題に結びつく場合がある。例えば、多くのより小さなネットワークから構成された巨大なネットワークである電力グリッドにエネルギーを配達するウインドファームでは、１つのエリアでのこれらの突然の変動は他のエリアを混乱させることができ、いくつかの場合では全システムを停止させることができる。さらに、ウインドファームが、もっぱらコミュニティまたは設備にエネルギーを供給する場合、同じ変動はシステムに接続されたコンポーネントを破損する場合がある過負荷を引き起こす場合がある。

風変動および振動に関連した別の問題は、伝送路のピーク電力感度に関する。風速変動が著しく、本質的な風力発電出力変動が生じる場合、これらの発生に耐えるために十分な線容量でシステムを設計しなければならない。同時に、あまりにも多くの考慮がピーク電力出力にはらわれる場合、システムが過度に設計される場合がある。その場合には、正常動作中に、システムは効率的に作動しないことがあり、それによりエネルギーのコストを増加させることがある。

別の関連する問題は、いくつかの状況で、無風あるいは非常に低い風速に伴う風力発電の一時的損失である。これが生じる場合、風力発電供給にギャップが生じることがあり、それは全面的なグリッドへの発電出力に有害になりえる。暖房および冷房の必要性が高い期間のような、高い要求の期間中においてこれは特に重要である。

これらの問題のために、風によって生産されたエネルギーを貯蔵し、電力ピーク負荷期間および／または無風もしくはほとんど無風の期間に風力により生成されるエネルギーを使用できるようにする試みが、過去になされた。公益事業会社およびエネルギーの他の供給者は過去に、低い要求期間に利用可能なエネルギーを貯蔵し、次にその後の電力ピーク負荷期間に使用するというタイムシフティング方法を実施した。これらの方法は典型的にはエネルギーを貯蔵し、次に他の方法で利用可能なエネルギーを補足するために、後にそのエネルギーを使用することを含んでいる。

過去に利用されたいくつかのそのようなエネルギー貯蔵方法としては、地下空洞およびタンクのような圧縮空気エネルギー貯蔵システムがあげられる。これまでのところ、しかしながら、そのようなシステムの主な欠点のうちの１つは、それらが比較的非能率的なエネルギーであるということである。例えば、圧縮空気エネルギーシステムは、圧縮空気エネルギーを電気的なエネルギーに変換する場合に蓄積エネルギーの大きな部分を失う傾向を有する。貯蔵に使用されるエネルギーは貯蔵されたエネルギーを越えるものを結局要する、つまり、圧縮空気エネルギーを単に電気的なエネルギーに変換することは、しばしば本質的なエネルギーの損失に帰着する。これらの非能率性は、この種のエネルギー貯蔵システムを設置するのに必要な経済的インセンティブを著しく低減する。上に議論された、エネルギー源として風を使用することに本来的である変動と振動の問題と同様、過去のシステムは非能率性を低減しない。

風エネルギーに関連した別の問題は、風がより予測可能でより一定のところにウインドファームが位置しても、また貯蔵場所が建設されても、エネルギーが必要な場所へエネルギーを送るというさらなる問題である。多くの場合には、ウインドファームは既存の送電網であるグリッドから遠くに位置し、エネルギーが必要なコミュニティおよび設備から遠くに位置する。つまり、ウインドファームのための理想的な位置は、丘、または山の上に、あるいは峡谷、または砂漠、あるいはどこかの沖合などであり、それは電力を必要とする場所から遠く離れている。そのような場合、ウインドファームのためにのみウインドファームによって生成された電力を送信する電力伝送路を建設することは非常に高価である。
つまり、上に議論されるようなエネルギーを貯蔵するために形成される貯蔵タンクに関連した著しいコストだけではなく、遠距離にわたって延びなければならない、新しの建設される伝送路に関連したさらに大きなコストがある。通行権コストも生ずる。つまり、地域コミュニティから許可を得ることが多くの場合必要であり、承認を得る過程は時間を消費し高価でありえる。

従来の電力伝送路が複雑で、長い距離にわたってエネルギーを送信するために使用される場合、ラインロスのさらなる問題がある。これは米国の全体にわたって増加する問題になっており、世界的に問題だろう。例えば、最近の数十年間の間に成形された数千マイルの高電圧送電線に反して、新しい送電線を形成する割合は実際に減少した。一方、電気の需要は増加し続けた。実際、いくつかの統計によれば、新しい伝送設備への毎年の投資は、過去２５年にわたり減少し、その結果、過剰なグリッド密集が生じ、ボトルネックとなり、より大きなラインロスのために顧客により安価な電気を供給することができず、より高い発電コストに結びついた。

ラインロスは、システムがどれくらい多量にロードされるか、エネルギーの伝送に使用される条件および固有のワイヤ特性にしばしば関係する。実際、米国内の伝送および配電損失は１９７０年に約５％であったが、伝送設備の適切な増加のない増加したエネルギー需要により２００１年に約９．５％まで増加した。これらのロスは、グリッドの種々な態様に影響を与える密集した伝送パスによって引き起こされ、停電および質の動揺が米国の経済に年間最大１８００億ドルのコストを要したと推測される。

別の関連する問題は米国および他の国々の全体に関係する。最も高いエネルギー需要は日中にしばしば生じる。したがって、最多の高い要求期間中の電気エネルギーの需要は増加し続ける。これらの電力ピーク負荷は、電力を供給するユーティリティープラントとグリッドに重い負担を強いる。それらは最も大きな要求の期間を満足するように建設されるので、低い要求の期間においてはそれらは必然的に非効率的に、すなわち最大効率および最大パフォーマンスよりも低い状態で運転される。たとえそれらの期間が毎月のわずかな時間にしか生じないとしても、伝送路が最も高い要求期間に耐えるように建設されなければならないだけでなく、ユーティリティプラント自体が電力ピーク負荷期間に十分なエネルギーを生成するように設計されなければならないことを意味する。これは伝送路がそれ自体エネルギーを貯蔵しないからである、つまり、それらは単にエネルギーの「導管」であり、したがって、ユーティリティプラントはより高いエネルギー量を生み、供給することができなければならない。たとえば電力ピーク負荷を満たすように設備を過剰に設計することによってのようにそのような高い要求期間を適切に考慮しない場合には、頻繁な停電および不足の発生に帰着する場合があり、コストを増加させる。

これらの要求は、さらに、多くの商業および工業の所有者およびオペレーターを含む電力ピーク負荷期間にエネルギーを使用する必要のある顧客に大きな負担を強いることになる。公益事業会社は、しばしば電力ピーク負荷期間に消費されたエネルギーに大きなプレミアムを課す。この実施は、一般に需給と供給の有名な法則に基づく。例えば、需要が高い場合にはエネルギーコストはより高くなり、低い場合にはより安くなる。また、ほとんどの商業および工業の所有者は日中に運転しなければならないので、彼らは最も大きな需要期間に最も高いエネルギーコストを払うことをしばしば強いられる。

公益事業会社は、さらにたとえば１か月の期間中のような前もって決められた期間に生じる電力消費の最高率に対してペナルティまたはサーチャージ（以下において「需要期電力料金」と呼ぶ）を算定し、電力ピーク負荷期間でのピーク電力使用者に請求する。需要期電力料金は例えば、波形曲線の短いピーク（スパイク）または変動の際に生じる消費の最大の「ピーク」消費率に基づいて算定され、需要電力料金は、期間中スパイクあるいは変動がどれだけ短くても関係なく算定され、スパイクまたは変動の直前または直後の消費に関わりなく算定される。この需要期電力料金は、期間中の有効だった平均消費割合（それはピークより相当に低くなりえる）にかかわらず評価される。全体としての使用の平均量が本質的により低くても、需要期電力料金ははるかに高い、期間中の短い期間に発生するスパイクまたは変動に基づくことができる。

価格の算定は公益事業会社が、上記のように電力ピーク負荷期間に対応するために設計されたユーティリティ発電プラントおよびグリッドを建設するための高いコストを相殺しおよび／または回収するように行われる。さらにそれらは、商業および工業の所有者および運営者を、ピーク期間におけるエネルギー使用を減らすように奨励し、可能であれば代替エネルギー源を見つけようとする努力を奨励する。しかしながら、ほとんどの商業および工業の所有者および運営者は仕事を日中に行わなければならず、また代替えエネルギーは常に容易に利用可能ではなく、しばしば最も高い料金期間にグリッドからのエネルギーを使用しなければならない。さらに、エネルギー消費は変動する場合があり、また変動とスパイクは様々な時に生じる場合があるので、潜在的に巨大な需要期電力料金が適用される可能性がある。

発明の要約
代替エネルギーの使用を促進した米国および他の国々のエネルギー生産者の多くの善意にもかかわらず、最終結果は、国庫補助がなければ、エネルギーを生産するコストが、それが長期に消費者へのエネルギーを生産し、供給し、かつ伝えるために必要とされる設備を構築する経済的な意義を有する状態ではないということである。

この点で、米国の中で最も人口の多いエリアは、地方の公益事業会社により生成されるエネルギーを供給する電力送電網に接続しており、進んで既存のグリッドを利用するコストを払う。停電が生じることがあるわずかの実例を除いて、ほとんどのエネルギー消費者は最も近いグリッドから電力を得ることを、単に接続でするだけで期待する。

国内のいくつかの僻地では、しかしながら、電力は必ずしも容易に利用可能だとは限らない。また、それらのエリアに必要とされる動力を供給する努力がなされなければならない。例えば、新しい電気的な伝送路（それらの設置は高価である）が、施設を作動させるため、および電力グリッドから離れて暮らし、仕事をする人々が電力にアクセスできるために必要とされる。しかしながら、電気的な伝送路を構築するコストはサイトから最も近い電力網まで、法外に高くなりえる。さらに悪いことに、個人の民間の開発および施設が含まれる場合、エンドユーザはしばしばこれらのコストを負担しなければならない。また、一旦接続がなされれば、エネルギーを使用するために公共料金を払い続けなければならない。

しかしながら、土地代の増加、および競争的価格での製品販売の必要により、多くの産業設備が、遠隔地にそれらの工場および他のコンビナートを置こうと努力している。そこでは所有および／または賃貸の土地のコストはまだ手頃であり、低賃金の熟練工がまだ利用可能である。たとえばその場所から又はその場所への旅費を始めとする、これらのタイプの施設を建設するに伴う追加のコストが生ずるが、多くの場合にそのような施設を建造し運営する決定は経済的な意義を有する。しかしながら、電力網から施設を離れて配置することに関連した１つの問題は、経済的な方法で施設を操作するために必要とされるエネルギーを得るために電力網に施設を接続するコストである。新しい工場が建設される場合のような多くの場合においては、新しい電力伝送路もグリッドに接続するために建設されられなければならない。それは、上に議論されたように、法外に高価になりえる。ライン設置の労働集約的な性質により、多くの場合では、小容量ラインを設置するコストは、中容量ないし高容量ラインを設置する場合とほとんど同じに高価になることがある。施設のエネルギー需要が比較的小さい場合、これらのコストは特別の負担でありえる。つまりその場合には、ラインのキャパシティーに比較して、ラインを通して送られる電力は決してそのキャパシティーに達しないことがある。

これらの問題は、グリッドにエネルギーを供給する公益事業会社からエネルギーが購入されなければならないという事実によって大きくなる。そのような場合、どの程度多くのエネルギーが施設によって使用されるかに応じて、および電力ピーク負荷期間に応じて、グリッドからのエネルギーの使用に関連したコストは大きくなりえる。上に議論されるように、施設はピークエネルギー料金を払うことが要求されることがある。これはエネルギー需要がその最も高い時、つまりピークの日中期間に生じる場合がある。追加の必要なチャージも、上に議論されたように、生じる場合がある。

グリッドに接続し伝送路を長距離にわたり延ばすことに起因するエネルギー損失は、さらにシステムの効率を低下し、運転経費を増加させる。典型的には、伝送路は大量の電気的エネルギーを送ることができるが、特に遠距離が長い場合、著しいエネルギー量が伝送中に失われる場合がある。

１つの態様では、本発明は、風エネルギーが天然に利用可能な遠隔地での、パイプラインを介して、圧縮空気の形態で風力により生成されるエネルギーを貯蔵し、ついで圧縮空気エネルギーを同じパイプラインを介して、グリッドから離れているか又は離れていない、電力を必要するコミュニティあるいは施設に送る、改良された方法に関する。それは、好ましくは一連の圧縮機、および比較的長いパイプラインを有し、１つまたは複数のターボエクスパンダーおよび／または発電機がコミュニティまたは施設へサービスを提供し、パイプラインにより供給されたエネルギーはついで排他的な動力源になることができ、またはグリッドからの電力を補足できる。

第一の構成では、パイプライン中の圧縮空気エネルギーはターボエクスパンダーを作動するために使用される。それは、電気を発生できる発電機に接続され、エンドユーザーへのコミュニティまたは施設によって使用できる。さらに、電気と共に生成される不用のチルド空気副産物は、他の目的に使用できる。例えば、ターボエクスパンダーからの不用の冷蔵空気は、コミュニティまたは施設において、冷凍およびエアコンディションの目的に使用できる。システムが暖かい気候エリアに位置する場合、それは特に有用である。そのような場合、補足熱源は提供されない。圧縮空気が解放されるときに、システムが共生成した不用のチルド大気を十分に利用できる。この実施態様において、生成された電気だけではなく、システムは好ましくは最大のチルド空気を生産する。それは冷凍目的およびエアコンディションだけではなく、脱塩目的に使用できる。本発明と共に使用されることが企図される脱塩システムでは、水を冷凍するためにチルド空気を使用する。これは水中の不純物を分離回収する助けとなり、それにより新鮮な飲料水を生産する。熱エネルギー貯蔵システムも、後に使用された補助的な貯蔵ユニット中のチルド空気により生成されたチルド水の貯蔵のために使用できる。これらの実施態様は、新鮮な飲料水を得ることが困難である、砂漠のように暖かい天候気候に適している。

この第一の実施態様においては、別のバージョンが提供できる。そこでは電力が生成されず、施設に冷却のみを提供するために特に適応されたターボエクスパンダーを使用して、チルド空気が生産される。例えば、操作するべき施設用のグリッドから利用可能な適切なエネルギーがあるが、施設がエアコンディション設備を運転するために低価格ソースを必要とする場合、これが使用できる。

別の構成では、加熱は発電量を増加するために制限されて提供される。例えば、この実施態様では、好ましい熱源は、大気が圧縮される時に圧縮機によって生成された廃熱である。それは圧縮空気を熱するためにパイプライン内へ戻すことができる。この実施態様では、加熱ユニットが使用されるが、作動するためにより多くの電力を要求するであろう任意の付加的なエネルギー源の使用を除去する努力がなされる。この実施態様では、さらに、電力に加えて、副産物としてのある量のチルド空気を生成することができるという長所を持つ。最初の実施態様のように、この実施態様では冷却目的のためにチルド空気を提供するために好ましくはターボエクスパンダーによって、つまり圧縮空気が解放される時に共に生成されるチルド空気を利用する。この実施態様以外においては、圧縮機からの追加廃熱のためにチルド空気はさほど冷たくない。

３番めの構成では、圧縮空気が解放される時にコンプレッサからの廃熱およびヒーターユニットを含む様々な熱源が提供でき、チルド空気を生成しないことを犠牲にして発電機による発電量を最大にすることができる。この実施態様においては、３つの異なるタイプの加熱システムの少なくとも１つが圧縮空気へ熱を提供する手段として使用される；１）太陽からのエネルギーを利用する太陽の熱収集機、パイプラインは黒で塗られ、パイプラインはたとえば砂漠地表面のような直射日光の下に置かれ、太陽の熱を利用する、２）圧縮機で生成された廃熱をパイプライン中に貯蔵された圧縮空気に循環する廃熱コレクター、および３）パイプライン内へ熱を導入するか、または圧縮空気がターボエクスパンダーによって圧縮空気が解放されるときにターボエクスパンダーの入力に熱を加える、化石燃料バーナーのような別個の加熱ユニット。本発明はさらに所望の場合に、燃焼器などのような圧縮空気に熱を供給する他の方法を使用することを企図する。

第４の構成において、電気的なエネルギーの生産に加えて、あるいはその代わりに、システムはツールおよび機械類等を始めとする空気圧により作動する設備を運転するために、圧縮空気エネルギーの形でエネルギーを提供するように適応されることができる。この点で、パイプラインは、圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに、パイプライン中の圧縮空気エネルギーを直接使用して空気圧により作動する機器を運転する設備にエネルギーを供給するように適応されることができ、それによってシステムの効率を改善する。この実施態様では、圧縮空気エネルギーはグリッドから利用可能な電気的なエネルギーを補足するために使用できる。つまり、圧縮空気エネルギーは空気圧により作動する装置を操作するために使用できる。グリッドからの電気は他の機能に使用でき、その場合には、圧縮空気エネルギーから電気を生産する必要がない。あるいは、システムは、空気圧により作動する設備の運転に加えて、圧縮空気エネルギーからの電気を起こす手段を持つことができる。その結果、施設はグリッドに接続される必要がない。そのような場合、システムは、電気を起こすための圧縮空気エネルギーの使用と、他方の空気圧により作動する設備の直接運転との間で切り替えられるように適合することができる。
さらに、それらは同時に生成できる。

第５の構成において、パイプライン用の圧縮空気エネルギーを生産するためにウインドファームを組込むことに加えて、あるいはその代わりに、パイプラインシステムは、ユーティリティ、つまり地熱発電所、原子力発電所および水力発電所などのような既存の動力源またはグリッドに接続でき、システムは夜のように低い要求の期間に空気を圧縮し、エネルギーを貯蔵し、そして日中のように高い要求の期間に蓄積エネルギーを使用するように設計されることができる。このように、ユーティリティはその最も効率的なレベルで一定のロードレベルで作動し続けることができ、高い要求期間に必要とされるエネルギーを補足するために、要求が低い夜に生産されるエネルギーを貯蔵できる。

エネルギー生産の見地から、この実施態様では、ユーティリティはよりコストが大きくなる、より大きくより高いキャパシティーの発電施設を構築する必要なしに、高い要求期間に、より多くのエネルギーを提供することができる。さらに、ユーティリティは施設の効率を最大限にするために、日中と夜の間じゅう、一貫して高いレベルに、および一定の割合でエネルギーを生産することができる。システムは、エンドユーザに中断されず安定した電力を好ましくは供給することができる。さらに、ユーティリティは、エネルギーが低い要求期間に、低価格で生産されたにもかかわらず、高い要求期間に使用されるエネルギーについてより多くの料金を課すことができる。ユーザの見地から、高い要求期間中のエネルギー割合がより低いようにシステムは開発できる。そのため変動、スパイクおよび不足をより少なくすることができる。

第６の構成では、最初の５つの構成に関して上に記述された態様の１つ以上が、単一のシステムに組み入まれることができ、パイプラインの長さに沿った多数のコミュニティおよび／または施設にエネルギーを供給するために使用できる。例えば、システムが熱い砂漠に位置し、空気圧により作動する装置を使用する施設にサービスを提供する場合、システムは加熱要素なしで設置できる。その結果、システムはエアコンディショニング目的のための電気およびチルド空気を共に生成することができる。システムは空気圧により作動する設備を運転するために圧縮空気を使用するようにセットアップでき、それによって、全体的効率を増加させることができる。同様に、ウインドファームとユーティリティの両方が圧縮空気エネルギーを生成できるように、システムが適応される場合がある。動力源として風を使用することに関連した不確実性のため、ユーティリティまたはグリッドからの電力のような、エネルギーの二次ソースを提供することは多くの場合有利である。本発明の１つの態様は、地上または地下のパイプラインシステムの使用に関し、その内部に風力タービンからの圧縮空気が分配され、パイプラインは圧縮空気を貯蔵するだけでなく、１つの遠隔位置（たとえば風条件が理想的な場所）からエネルギーが必要な場所（電力を必要とする施設またはコミュニティ）へ圧縮空気エネルギーを輸送するためにパイプラインを使用できる。この方法の圧縮空気の貯蔵は、必要があるまで、一定期間貯蔵される、風に由来したエネルギーを許容する。パイプラインは、たとえばウインドファームが位置する場所からエネルギーが必要な位置へ蓄積エネルギーを輸送する手段としても使用できる。この場合にはパイプラインはそれ自身貯蔵および輸送手段の両方として役立つことができる。

この種のシステムの使用の利益は、この場合にはパイプラインである移送手段が、ある場所から他の場所へエネルギーを輸送する能力だけではなく、エネルギーを貯蔵する能力をも有する。このように、単に導管を通して電力を送信できる従来の送電線とは異なり、所定量のエネルギーを貯蔵し、ソースにおけるエネルギーが一時的に利用不可能になっても、つまり風がやんだり、ユーティリティがシャットダウンした場合でもエネルギーが利用可能になる。さらに、夜のように低い要求期間に生産されたエネルギーを貯蔵でき、エネルギー料金がより高い、高い要求期間にそれを分配し使用できるようになる。
そのような場合、システムはより低コストで、前もって定義した時間、エンドユーザにエネルギーを供給し続けることができるだろう。

出願人の発明の別の態様としては下記が企図される：ウインドファームの位置とパイプラインの位置を決定する際に、既存の道、地役権、埋設管、鉄道線路、電線、ケーブルなどおよびそれらの存在位置が考慮され、パイプラインが最も経済的および／または都合のよい経路を通るようにされる。すなわち、パイプラインは、好ましくは、まっすぐに設置されるかまたは既存の道、鉄道線路、地役権、パイプ、導管、ケーブルなどに沿ってまたは近接して設置され、新しい道、アクセス、また開放エリアなどを設ける必要が無く、既存の地役権、土地利用許可、環境影響報告書などが、パイプラインを設置するために使用され、これらに基づいて設置される。実際、天然ガスまたは下水管路のようなパイプシステムが放棄されている場合、本発明は既存のパイプに接続するかまたはこれを全体としては又は部分的に使用し、並びにそれらの地役権、アクセスエリア、道などを使用し、より経済的にパイプラインシステムを設置することが企図される。

１つの実施態様では、本発明は既存の鉄道の枕木の上にパイプラインを直接配置するかまたは隣接して配置するか接続することにより、既存の鉄道線路に隣接して又は接続されてパイプラインを構築することを企図する。すなわち、本発明は、国の至る所で構築された鉄道線路の地役権およびネットワークを利用することを企図する。それらは遠隔の位置までしばしば及び、パイプラインをより小さいコストで、より効率的な方法で構築することを企図する。本発明は好ましくは鉄道の枕木に、たとえばその上にパイプラインを接続するためにコネクターを使用することを含む。パイプラインは線路と平行に延び、その結果、保守作業は、線路に沿って移動することにより、パイプライン上で容易に行なうことができる。このように、パイプラインは設置のコストおよびメンテナンスを低減するために地中に埋設する必要がない。

本発明はさらに熱い太陽に暴露される砂漠の上に沿ってパイプラインを構築することを企図する。その結果、パイプラインの内部の圧力は太陽の熱により有利に増加させられる場合がある。この点で、砂漠の中を延びる既存の鉄道線路に沿ったパイプラインを配置することの利点は、太陽がパイプの内部の圧力を増加させるのを助け、解放されるときにさらなるエネルギーを生成できることである。この点で、本発明によって企図される他の相乗効果は、砂漠内に工業施設を設置し、施設のエアコンディション能力を補足するために圧縮空気エネルギーとして作成されたチルド空気を使用できることである。これは、施設のエアコンディションユニットへの電気エネルギーへの依存度を低下させ、それによって、システムの全体的効率を有効に増加させる。

図面の簡単な説明
図１は、ウインドファームとエンドユーザの間に、既存の道または地役権に沿うように計画されたルートに沿って伸びるパイプラインシステムによって接続している遠隔の位置にあるウインドファームを示す。エンドユーザは、コミュニティ、施設あるいはグリッドであることができる。ここで、ウインドファームからの圧縮空気エネルギーは貯蔵され、コミュニティ、施設あるいはグリッドへパイプラインにより輸送できる。
図２は、ウインドファームとエンドユーザの間に、既存の道または地役権に沿うように計画されたルートに沿って伸びるパイプラインシステムによって接続している遠隔の位置にある２つのウインドファームを示す。エンドユーザは、コミュニティ、施設あるいはグリッドであることができる。計画されたルートに沿って追加の風車ステーションは提供され、計画されたルートに沿ったパイプライン中の空気圧を維持するための圧縮空気エネルギーの断続的な源を提供する。
図３は、風力タービンの概略図であり、パイプラインシステムへ圧縮空気エネルギーを供給する圧縮機を運転するために電動モーターと発電機によって、エネルギーが風力タービンからどのように抽出されるかについて示す。

図４は、水中に位置するパイプライン、不毛の地表面に沿ったパイプライン、および鉄道線路に隣接し枕木に固定されたパイプラインの実施態様を示し、パイプの好ましい長さは１００マイルであり、好ましいパイプのサイズは内径３から４フィートである。
図５は、本発明の態様のいくつかを組み込む種々の使用システムの概略図である。貯蔵部からの圧縮空気エネルギーは、空気圧により作動する設備を操作するためのエネルギーを直接供給するために、ターボエクスパンダーによって電気を起こすために、電気を起こす際に共生成されたチルド空気を冷房目的、すなわちエアコンディション装置を稼働するために使用できる。廃熱およびバーナーユニットが、ターボエクスパンダーによって解放される前に圧縮空気を熱するための任意の手段として提供される。

図６ａは、空気圧により作動する設備を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーは地熱、ディーゼル機関または原子力発電所で生成され、パイプライン中の圧縮空気エネルギーは夜貯蔵され、それは日中に使用できる。
図６ｂは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションの組み合わせを有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。様々なエネルギー源を有することができるが、電気とエアコンディションのニーズを有する最も遠い工業団地はエネルギー源からわずか２５マイル離れており、空気圧により作動する設備を備えた工業団地は１００マイル遠方に位置することができる。
図１１の中で示されるように、エネルギー使用法に起因するエネルギー損失の量に基づいた。
注：この場合、工業団地からの空気圧により作動する設備の要求が、より大きな圧力損失にもかかわらず３フィートのパイプにより満足される場合、パイプラインの残りの７５マイルは内径３フィートのようなより小さいサイズのパイプであることができる。
図６ｃは、エアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーは地熱、ディーゼル機関または原子力発電所で生成され、パイプライン中の圧縮空気エネルギーは夜貯蔵され、それは日中に使用できる。
図６ｄは、脱塩設備およびエアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーは地熱、ディーゼル機関または原子力発電所で生成され、パイプライン中の圧縮空気エネルギーは夜貯蔵され、それは日中に使用できる。エンドユーザは自分の工業団地用のターボ圧縮機、ターボエクスパンダーおよび脱塩システムを設置する。

図７ａは、空気圧により作動する設備を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーはウインドファームにより生成され、風からのエネルギーはパイプライン中に貯蔵される。
図７ｂは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションの組み合わせを使用するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーはウインドファームにより生成され、電気とエアコンディションのニーズを有する最も遠い工業団地はウインドファームからわずか２５マイル離れており、空気圧により作動する設備を備えた工業団地は１００マイル遠方に位置することができる。 図１１の中で示されるように、エネルギー使用法に起因するエネルギー損失の量に基づいた。
エンドユーザーは空気圧、電力尾よエアコンディションを供給するためにターボ発電機を設置することができる。
注： この場合、工業団地からの空気圧により作動する設備の要求が、より大きな圧力損失にもかかわらず３フィートのパイプにより満足される場合、パイプラインの残りの７５マイルは内径３フィートのようなより小さいサイズのパイプであることができる。
図７ｃは、エアコンディションのニーズを有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーはウインドファームにより生成され、パイプライン中に貯蔵される。エンドユーザは、エアコンディションを提供するためにターボ圧縮機およびターボエクスパンダーを設置できる。
図７ｄは、脱塩設備およびエアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。パイプラインは長さ１００マイル、内径４フィートである。エネルギーウインドファームで生成され、パイプライン中に貯蔵される。エンドユーザは自分の工業団地用のターボ圧縮機、ターボエクスパンダーおよび脱塩システムを設置する。

図８は、長さ１００マイル、内径４フィートで、内部圧力１２００ｐｓｉｇを有するパイプラインの概略図を示す。ウインドファーム、地熱、原子力発電を始めとする種々のエネルギーソースが取り付けられ、空気圧により作動する設備および脱塩設備を備えた工業団地を始めとする様々なエンドユーザを有する。
図９は、チルド空気を生成するためのターボ圧縮機およびターボエクスパンダーを有するシステムの概略図を示す。
図１０は、気温が上昇する時のターボエクスパンダー膨張のレベルと効率を示すグラフである。
図１１はパイプライン内での圧力損失の量を、パイプの直径、パイプライン内の圧力、および圧縮空気の使用方法、すなわち発電（圧力および速度が比較的大きい）または空気圧により作動する設備の駆動（圧力は比較的小さくなる場合がある）かどうかの関数として示すグラフである。
図１２は、図１１にグラフで表示された発電システムと空気圧により作動する設備の駆動のシステムの間の比較を示す。１００マイル、内径３フィートのパイプラインで、圧力は約１２００ｐｓｉａが使用され、補足圧力がパイプラインに加えられない場合、パイプラインの内部の圧力はどれくらいの時間保持されるかを比較した。

発明の詳細な説明
本発明の好ましい１つの態様は、風力によるエネルギー生成および貯蔵システムに関する。本発明のシステムは図１および図２に示されるように、風の条件が理想的である地域から生成されたエネルギーを、エネルギーが必要とされる地域に輸送することができ、長く高価な電力伝送路を延ばす必要がなく、高価な圧縮空気貯蔵タンクなどを建設される必要がない。この態様では、本発明のシステムは好ましくは、風条件が一貫している予測可能である地域を選択すること、または少なくとも利用可能な他のエリアよりも風条件が一貫していて予測可能である風エネルギーを生成するのにふさわしいエリアを選択することを含む。それらは自然であるので、そのようなエリアはしばしば人々が住むコミュニティから遠く離れた遠隔地に位置し、既存のグリッドから遠く離れている。それらはたとえば文明から遠く離れた砂漠、峡谷、沖のエリア、そして山頂または丘の頂上に位置することがある。さらに、それらはしばしば財産的価値の比較的低いところに見いだされる。

本発明の方法の異なる好ましい態様は、一貫して予測可能なエネルギー量の生成のために風条件が理想的に適する位置に１つ以上の風力タービンを設置することにより、好ましい状態あるいは理想的な状態で風エネルギーを使用することを含む。すべての位置は予言できないことおよび不確実性を有するが、他のものよりよい位置が明白に存在する。そして本発明の方法は、これらの好ましい位置の使用を考慮に入れる。

本発明の異なる好ましい態様は図３に示されるような、少なくとも１つの風力圧縮機の使用を含む。それは１）少なくとも１つの圧縮機を稼働するための電力を発生する専用のもの（以下において「電気的な風力タービン」と呼ぶ）、または２）少なくとも１つの圧縮機を機械的に運転するために機械的な回転エネルギーを生成する専用のもの（以下において「機械的な風力タービン」と呼ぶ）である。風力タービンタイプの各々は、好ましくはパイプラインシステムに貯蔵できる圧縮空気エネルギーの生成専用である。好ましくは、システムはウインドファームから遠いエリアをサービスするために、使用されるパイプラインのサイズおよび長さの決定、およびエンドユーザ施設およびコミュニティによって必要とされる電力の量に基づいて、予め決定された数の風力タービンで設計される。好ましくは、システムは適切なエネルギー量の生成において経済的であり、エネルギー効率がよい。

電気的な風力タービンタイプはそれぞれ、図３の中で概略的に示されるように、好ましくは水平軸風力タービン（ＨＡＷＴ）および風車のナセル内に位置する発電機を有し、風によって引き起こされた回転運動が電動モーターと発電機によって直接電気的なエネルギーに変換されるようにする。これはたとえば、風力タービンの水平の回転シャフトに、直接発電機を接続することにより、風に由来した機械力が直接発電機を運転できるようにすることにより行うことができる。発電機は圧縮機を運転するために使用できる。圧縮機は圧縮空気エネルギーを生成し、それはパイプライン内に貯蔵できる。

機械的な風力タービンタイプは、高い地上のナセルからの機械的な回転エネルギーを、回転力学的エネルギーとして地表面までもたらすため多少より複雑である。各ステーションの水平配向風力タービンは、好ましくは第一のギアボックスに連結された水平のシャフトを有する。それは風力タービンタワーを下方向へ延びる垂直なシャフトに接続され、次に地面に置かれた別の水平のシャフトに接続された第二のギアボックスに接続される。その後、下方の水平シャフトは圧縮機に好ましくは接続され、風に由来した機械的な回転力を機械的に圧縮機を運転するために使用し、圧縮空気エネルギーを生産するために使用できる。

この力学的エネルギーは力学的エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに、圧縮機を直接運転するために使用できる。圧縮機をシャフト上のギアーボックスの下流に置くことによって、および風力タービンの機械的な回転エネルギーを直接使用することによって、他のタイプの配置に典型的に起因するエネルギー損失を回避できる。個々の機械的な風力タービンによって生成された電力は直接少なくとも１つの圧縮機に動力を供給するために使用できる。それは空気エネルギーをパイプラインシステム内に圧縮するために使用できる。しかしながら、垂直なシャフトにより風の力を伝達することに伴う固有の問題が存在する。それは長いシャフトに沿う共鳴による振動の問題であり、振動はシステムが適切に機能するためにコントロールされるべきである。

各風力タービンによって生成された圧縮空気エネルギーは、１つ以上の圧縮機によって、パイプラインへ好ましくは分配される。圧縮空気エネルギーの貯蔵は、風に由来したエネルギーを長期間蓄えることを許容する。このようにエネルギーを貯蔵することによって、圧縮空気は、ほとんど風がないかまたは無風の時および／または電力ピーク負荷期間の時のような適切な時に解放され膨張させることができる。その後、解放され膨張された空気は、風に由来したエネルギーを供給して、「必要に応じた」ベースで電力を生成することができる。すなわち、電力が実際に必要な場合に、風が実際に吹いているか否かにかかわらず、発電することができる。

本発明は、風力タービンからの圧縮空気が好ましくは分配され、その中に圧縮空気エネルギーが貯蔵され、輸送できるパイプラインシステムを使用する。圧縮空気エネルギーの貯蔵は、風に由来したエネルギー必要となるまで、ある期間貯蔵されることを許容する。パイプラインは、ウインドファームからエネルギーが必要な位置へ、貯蔵された圧縮空気エネルギーを輸送する手段としても好ましく使用される。風力タービンと圧縮機は好ましくはパイプラインの少なくとも１つの端に位置し、ターボエクスパンダー、交流発電機および／または空気圧により作動する設備などの圧縮空気エネルギーを解放して圧縮空気エネルギーを利用する他の手段は、好ましくはパイプラインの反対端に図５に示すように位置するかまたはそれらの長さ方向に沿って位置する。

上述された風タービンは、パイプラインへの即時配達のために圧縮空気エネルギーを直接生産するために使用できることが、理解される。エネルギーの時間がシフトした供給のためにパイプラインに圧縮空気エネルギーを貯蔵でき、その結果風により生成された電力が遠隔地で利用可能にすることができ、風が実際には吹いているか否かに関わりなく、つまりほとんど風がないかまたは無風の時および／または電力ピーク負荷期間の時にも利用可能にすることができる。これらの要素を協調させて使用し、電力を必要とする施設またはコミュニティへのエネルギーの供給を調整および管理することにより、風速の変動および振動にもかかわらず安定してエンドユーザへ連続的で中断されない電力を提供することが可能になった。

特別の位置での風のパターンは時々刻々変化する。つまり、季節ごとに、月ごとに、最も重要には１日ごとに、１時間ごとに、１分ごとに変化する。これらの変動と振動は、それが最も利用可能な時にエネルギーを貯蔵することにより、エネルギー貯蔵と共に扱われ、次にエネルギーが最も必要な場合にエネルギーを使用し、ユーティリティの低減された料金で、システムが本質的に一定の割合で連続的に出力を提供できる。この点で、本発明は低い風期間をカバーし、かつ風力発電のデリバリーを平滑にするために強風期間を使用するウインドファームを操作することを企図する。長い伝送パイプラインは、昼間にエンドユーザへの一定のパワー出力レベルの供給を許容し、それによって、ユーティリティが、夜、より低コストで生成された電力についてより多く課金することを可能にする。

システムにおいては、任意の時間にパイプラインの内部の圧縮空気エネルギーの量をモニタすることができることを企図する。好ましくは圧縮されて貯蔵される圧力、任意の時間に解放される量、および内部圧力を測定する。このように、システムは、どれだけのエネルギーがパイプラインへ供給されるか、どれだけ解放されているかをコントロールすることにより、パイプラインの適当な内部圧力を維持できる。そのコントロールはパイプラインの中で適切な圧力レベルを維持するのに必要である。これを確実にするために、システムが圧縮空気エネルギーを使い果たさず、圧力が少なくとも２００ｐｓｉａに保持される。

パイプラインは地中に埋設するかまたは地上に配置され、風力タービンとエネルギーが必要とされるコミュニティおよび／または施設の間に延び、長距離でありえる。この方法によりエネルギーを貯蔵することによって、図１および２の中で示されるように、計画されたルートに沿ったパイプラインシステムによって圧縮空気は好ましくは格納され輸送される。これはエネルギー源がもはや電力を提供することができない場合、ラインから電力を利用することができない、単にエネルギーを送信するだけの標準的な伝送路とは著しく異なる。本発明のシステムを使用することの利益は、伝送手段、つまりパイプラインがエネルギーを貯蔵する能力を持っているということである。この方法は単に電力を送信する従来の送電線とは異なり、予め決定されたエネルギー量が貯蔵できる。その結果、エネルギー源が一時的に利用不可能になっても、つまり風がやんでもエネルギーは利用可能である。そのような場合、システムは風の不足にもかかわらず前もって定義した時間、エネルギーを供給し続けることができるだろう。

本発明の別の好ましい態様は、風条件が理想的な遠隔の位置からエネルギーが必要な位置へ風エネルギーを輸送するために、パイプラインシステムの設置に関して計画されたルートを使用することを含む。計画されたルートは、本質的に、エネルギー源からエンドユーザ（つまり施設、コミュニティ）まで及ぶまっすぐな線または通路である。例えば、多くの場合では、そのようなパスは、好ましくは、サービスアクセス用道路のような既存の道に沿って、あるいはその道の近くに伸びる。それは、既に切り開かれたパスに沿ってパイプラインが設置されることを可能にし、さらにそれはウインドファームへのより容易なアクセスを提供する。これは、さらに修理とサービスのためのより容易なアクセスおよびパイプラインのより容易な設置も可能にする。

電線あるいはガス管、下水管などの既存の地下導管に沿ってのように既存の地役権に沿って選択されたパスを定めることができ、それは設置のコストを低減できる。これは既設線を設置するために得られた既存の地役権、土地利用許可、通行権、環境影響報告書などを使用し、又はこれに頼ることを可能にするからである。そしてそれは、パイプラインがより速くより低コストで設置されることを可能にする。

ガスまたは下水管路のような既存の使用されていない埋設管システムがある場合に、本発明は全体としてあるいは一部分として、新しいパイプラインシステムの形成を助けるためにこれらを利用し、コストを低減することも企図される。既存のパイプラインが正確なサイズでないか、または全長さにわたって延びていない場合、あるいは全く放棄されているわけではない場合、本発明は既存のパイプの少なくとも一部、つまり利用できるいかなる部分も使用することを企図する。必要ならば既存のパイプラインに隣接して新しいパイプラインも配置できる。既存のパイプラインのために得られた地役権、土地利用許可、環境影響報告書のすべては、新しいパイプラインシステムのために使用でき、および／またはこれに頼ることができる。

１つの実施態様では、図４の中で概略的に示されるように、本発明は鉄道の枕木の上に直接または隣接してパイプラインを配置し、接続することにより、既存の鉄道線路に隣接又は接続されるように、パイプラインを構築することを企図する。本発明は、構築された鉄道線路の地役権およびネットワークを利用することを企図し、これらはしばしば既存のコミュニティから遠隔の場所まで延び、低減された費用で、およびより効率的な方法でパイプラインを構築できる。本発明は好ましくは、枕木にパイプラインを接続するためにコネクターを使用することを含み、パイプラインは線路と平行に延び、軌道に沿って移動することによりパイプの保守作業を容易に行なうことができる。このように、パイプラインは設置のコストおよびメンテナンス費用を低減するためには地面に埋設する必要がない。本発明では、さらにパイプラインに沿って断続的に、ある出口ポイントが提供できる。そこでは圧縮空気を、たとえば鉄道線路を修理するために必要な場合のある設備を操作するために解放できる。

図４の中で示される別の実施態様においては、本発明は熱い太陽にさらされる砂漠の地表面に沿ってパイプラインを構築し、その結果パイプラインの内部の圧力が熱により有利に増加させられる場合が企図される。外側はエネルギー吸収を増強するために黒あるいは他の暗色で塗られることができる。パイプラインの壁厚さの熱慣性は、パイプラインの内部の圧力を増加させて、かつ膨張中に凍結からシステムを防ぐために使用できる熱吸収の有用な手段を提供できる。この点で、パイプラインを砂漠の地表面に沿って配置し、熱い太陽がパイプの内部の圧力を増加させるのを支援し、解放された時に追加的なエネルギーを生成できるようにすることは有益であることが理解されるであろう。本発明は、パイプラインおよび／または関連するコンポーネントおよびそれらの集合体が熱を吸収し、放出し、比較的安定した温度に貯蔵された圧縮空気を維持するように設計できる。

ある場合には、圧縮空気を貯蔵し移送するためにパイプラインを使用することに起因する全エネルギー損失が、標準伝送路を通して、同じ距離だけ電気を送信することに起因するエネルギー損失よりも小さい。従って、本発明は風力タービンまたはウインドファームを建設し、標準伝送路を使用する代わりに圧縮空気エネルギーを貯蔵し輸送するためにパイプラインを使用することを企図し、従来の伝送路の使用において本来的であるロスが低減される。本発明の分析は、ある距離以内である環境においては、パイプラインの長さに沿って生ずるエネルギー損失のパーセンテージが、標準伝送路に起因する損失のパーセンテージよりも小さく、本発明の場合にはより大きなパイプラインでは、エネルギー損失のより大きな減少が得られる。

本発明は好ましくは、圧縮空気エネルギーを貯蔵し輸送するパイプラインの使用に起因するエネルギー損失のパーセンテージの合計について考慮する。これはパイプラインの内径、パイプラインの内部圧力、および圧縮空気が使用される方法、すなわち圧縮空気が電気を起こすために使用されるか、あるいは、空気圧により作動する設備を運転するかあるいはＨＶＡＣユニットのための冷却を提供するために使用されるのかということを含むいくつかの異なる要因の関数であると分かった。システムを効率的に操作するために必要とされる適当なエネルギー貯蔵容量の決定に際しては、パイプの長さに沿ったエネルギー損失の低減された割合を維持することに対する要望を考慮する。それは好ましくは先に議論された他の要因、並びに圧縮空気が解放される時に生じることができる摩擦も考慮される。

電気的なエネルギーを送信するために遠隔に位置したウインドファームを構築することの欠点のうちの１つは、電気伝送路を構築するコストと、またラインの長さに沿って生ずるエネルギー損失を始めとする、それに関連する問題である。本発明ではシステムを効率的に操作するために必要とされる適切なエネルギー貯蔵能力を決定し、ついで期待される負荷に適合するようなパイプライン内の適切な貯蔵スペースを決定する。言及されるように、パイプラインの直径を増加させることによりパイプラインに起因するエネルギー損失のパーセンテージ割合を低減できることが見いだされた。

この点で、図１１の中で示されるように、より大きな容積を有するより大きなサイズのパイプを使用すると、摩擦に起因するパイプの長さに沿ったエネルギー損失のパーセンテージを低減でき、すなわち、エネルギー損失の全体としてのパーセンテージが低減されることができる。例えば、図１１によれば、内径３フィートである１００マイルの長さのパイプラインが２００ｐｓｉａで充填された時、空気圧により作動する設備を運転するために圧縮空気が解放される時に２０ｐｓｉａ以上の圧力低下が予測される。一方、同じ長さでパイプライン直径が４フィートで同じ圧力、つまり２００ｐｓｉａで充填され、同じ目的で使用された時、予測される圧力低下は１０ｐｓｉａ未満である。直径が３フィートである１００マイルの長さのパイプラインが約６００ｐｓｉａで充填され、発電のために使用される場合にはパイプラインの反対側から圧縮空気が解放された場合には６０ｐｓｉａ以上の圧力低下が予測される。一方、同じ長さでパイプライン直径が４フィートで同じ圧力、つまり６００ｐｓｉａで充填され、同じ目的で使用された時、予測される圧力低下は１０ｐｓｉａ未満である。従って、パイプラインの長さに沿って生じる圧力損失の量は、少なくとも部分的にパイプ直径の関数であることは理解される。

さらに、平均して３０から１５０ｐｓｉｇの間の圧力といった多くの圧力又は速度を必要としない、空気圧により作動する設備を運転するための圧縮空気の使用に比較して、比較的高圧を要求し、またより大きな空気速度を要求する電気を生成するターボエクスパンダーの使用に関連してはより大きな圧力損失がある。例えば、図１１によれば、３フィートの直径のパイプが２００ｐｓｉａで充填され、電気を起こすために使用されれば、摩擦に起因する圧力損失は大きく、すなわち直線は損失がチャートからはみ出すことを示し、そのような用途には不適当であることを示している。一方、同じ３フィートの直径のパイプ２００ｐｓｉａで充填され、空気圧により作動する設備を運転するために使用されれば、摩擦に起因する圧力損失は２０ｐｓｉａを若干上回る程度であり、それは確かに扱いやすい。この違いは主としてより大きな空気速度が必要であるという事実による。つまり少なくとも２００ｐｓｉａ（および好ましくはより大きな）の大きな空気速度がターボエクスパンダーを使用して電気を起こすために必要であり、空気圧により作動する設備を運転するために必要な３０〜１５０ｐｓｉａよりも大きい。従って、パイプライン中の圧力損失の量はさらにエネルギー使用法、つまり、電気を起こすか空気圧により作動する設備を運転するかの関数でもある。

任意の瞬間におけるパイプライン内部の圧力が少ない場合、より大きな圧力損失があることが見いだされた。例えば、図１１によれば、３フィートの直径パイプが２００ｐｓｉａの圧力に充填され、空気圧により作動する設備を運転するために使用されれば、摩擦に起因する圧力損失が２０ｐｓｉａよりも若干大きくなることが理解される。他方では、同じ３フィートの直径パイプが同じ目的のために１，２００ｐｓｉａの圧力であれば、摩擦に起因する圧力損失は５ｐｓｉａ未満になることが理解される。この違いは主として全体的な圧力が、パイプラインによる摩擦をどのようにして克服するかに影響を与えることができるという事実による。パイプライン内の圧力がより大きいほど、より容易に摩擦は克服できる。しかしパイプライン内の圧力がより少ないほど、摩擦を克服することがより困難になる。従って、パイプライン中の圧力損失の量は、パイプ中の圧力の関数でもある。

従って、パイプラインが使用される用途のタイプのための合理的な圧力レベルおよびエネルギー損失レベルを維持するために、適切なサイズおよび長さを持っているパイプラインシステムを提供することが望ましい。ゴールは効率的にシステムが運転できるパイプラインサイズおよび長さを提供することであり、パイプの長さに沿った低減されたエネルギー損失で、様々な用途および最終用途のすべてのために設計される。例えば、システムにより使用されるべき貯蔵容積またはスペースの適当な量を決定し、ついで設置されるパイプラインの長さを決定し、ついでエンドユーザーまでの距離およびエンドユーザーの性質を決定し、ついでシステムに適当な量の貯蔵スペースを提供するために必要なパイプのサイズ（直径）を決定する。たとえばエネルギー源によって供給される電力容量レベルの決定、およびパイプラインの中で維持される圧力レベル、および予期される圧力損失のようなさらなる計算も行われる。パイプラインシステム全体が、存在が予測される具体的な負荷のために、コストを増大させる追加のパイプラインを建設することなく、余分な貯蔵タンクを建設することなく設計されることができる。これは、エネルギーを貯蔵するためのパイプのネットワークまたはグリッド、およびできるだけ大きな商業上利用可能なパイプサイズを指定するＴａｃｋｅｔｔの米国特許４，１１８，６３７とは相違する。

提供できるパイプラインの１つの変化形は、図６ｂおよび７ｂの中で示されるように、エネルギーソースの近くに発電を要求するエンドユーザを配置することである。そのような場合、発電の必要のあるユーザをエネルギーソースの近くに配置し、圧縮空気がターボエクスパンダーによって解放される時までにパイプラインの長さに沿って生じる圧力損失を減らすことは望ましいことがある。圧力損失がパイプ直径、エネルギー使用法、および圧力の量によって影響されるパイプの長さに沿った摩擦の関数であるので、パイプライン自身はたとえば最初の２５マイルは電気ユーザによって必要とされるより高圧力を適合するために直径４フィートであり、また、パイプラインの残りの７５マイルはたとえば直径３フィートのようにより細くすることができる。それは空気圧により作動する設備を運転するのに十分であろう。

多数のエンドユーザがパイプラインの長さに沿ってパイプラインを利用する場合に、内径が一貫したサイズ、つまり４フィートのパイプで、全体の長さが長く、すなわち長さが１００マイルのパイプを使用する場合にも、ターボエクスパンダーを使用して発電をしたいエンドユーザがエネルギー源に近い、つまりソースの２５マイル以内にあることは、パイプラインの長さに沿ってさらに下流にあるよりも望ましい。パイプライン直径が４フィートの代わりに、わずか３フィートである場合、これは特に重要である。図１１に示されるように、圧力が落ち始める場合、パイプライン内に生じるかもしれない圧力損失は著しくなりえる。

そして、一日のある期間のみ作動するエネルギー源を使用する場合には、すなわち夜間にのみエネルギーを貯蔵するユーティリティでは、または風が吹く時のみエネルギーを貯蔵するウインドファームでは、追加の圧縮空気エネルギーがパイプラインに加えられない凪期間があるだろう。従って、パイプラインの内部の圧力がかなり低くなる時があり、圧力損失は著しくなる場合がある。上記の理由で、直径が３フィート又はそれ以下のパイプラインが使用される場合、エネルギー源の２５マイル以内にターボエクスパンダーを使用して、電気を起こしたいエンドユーザを配置することは望ましい。しかし、４フィートの直径パイプラインが使用される場合、電気を起こしたいエンドユーザはさらに遠方に捜し出すことができる、パイプライン内の圧力が６００ｐｓｉａ未満に落ちる場合さえ、圧力損失は重要にはならないからである。

上記にもかかわらず、本発明の１つの好ましい態様は、将来ニーズが生じたときにニーズの拡大に応じて、図８の中で示されるように、追加のエンドユーザがパイプラインへ接続することができるように、パイプラインが適応されるべきであるということである。すなわち、パイプラインは多数のエンドユーザに適合するように予め設計されるべきであり、種々の要求を有する既存のおよび予測可能な将来のエンドユーザに、彼らが電力を要求するのか、エアコンディションを要求するのか、または空気圧エネルギーを要求するのかに関わらず適合できるべきである。この点で、システムはニーズが今後拡張するということを予測して設計されるべきであることに注目すべきである。この拡大に適合する１つの方法は、できれば、直径が少なくとも４フィートであるパイプラインを使用することである。

パイプ中の圧力は好ましくは約２００〜１，２００ｐｓｉｇであり、可能であれば圧力を６００ｐｓｉｇまたはそれ以上に維持することが望ましく、エンドユーザが電気を起こすためにターボエクスパンダーを使用することを望む場合には特にそうである。エンドユーザがエアコンディショニングまたは空気圧により作動する設備を運転するために圧縮空気のみを必要とする場合、圧力はより低くなりえる。好ましくは、パイプライン中では常に少なくとも２００ｐｓｉａであるが、２００ｐｓｉａ未満であることもできる。

追加の圧力が加えられることが必要となる前に、圧縮空気エネルギー（つまりパイプライン内の圧力）がどれくらいの時間続くか決める際に、圧力損失も考慮に入れられるべきである。これはどの程度大きな容量のエネルギー源が必要かどうか、追加の風力タービン、あるいはユーティリティの電力キャパシティーの増加が必要かどうかを決定する。さらに、より大きな直径のパイプ、および／またはより長いかより短いパイプラインが使用されるべきかを決定でき、またエンドユーザのタイプおよび位置が最適の結果を達成するためにパイプラインへの接続が許容されるか否かが決定できる。

図１２の中で示されるように、ウインドファームのような電力を１０ＭＷ提供するソースの場合には、３フィートの直径で長さ１００マイルのパイプラインで、１，２００ｐｓｉａの圧力から始まる場合、追加の圧力がパイプラインに加えられる必要が生ずるまでに、パイプラインが最大約３２時間の電力を提供できることが知られた。これは、１人のエンドユーザだけがいる場合には、パイプライン中の空気が最高３２時間続くことがあることを意味する。しかし、４人のエンドユーザがいれば、それは８時間で終わる。この例において、合計３２０ＭＷ−時のエネルギーがパイプライン内に貯蔵される。局所的な枝部分に貯蔵された追加の容積がさらに存在することができる。

ここでの重要なポイントは、圧力がエネルギー使用により落ち始めた時で、追加のエネルギーが加えられない場合、圧力損失がより重要になり始めるということである。パイプラインがより小さい直径の場合、それはさらにより臨界的である。前述のように、パイプラインがより大きい場合、つまり直径が４フィートまたはそれ以上の場合、パイプラインの内部の圧縮空気の容積がより大きくパイプライン中により多くのエネルギーが存在する場合、圧縮空気が使用される際のパイプライン中の空気は摩擦が少なく、圧力低下も少ない。

本発明はさらに図２中で示されるように、パイプラインルートに沿って、グリッドへの接続のようなパイプラインへの断続的な追加圧力を供給する圧縮機または他の手段を備えた追加の風力タービンステーションを使用することを企図する。好ましくは、コストを低減するために、これらの風力タービンは主な風力タービンより少ないキャパシティーを持つことができる。例えば、ウインドファームでの主な風力タービンは、合計で１０ＭＷのレーティングを有するが、支援風力タービンは２ＭＷのレーティングを有することができる。この方法で、追加の圧力が圧力損失を低減するためにパイプライン中に導入され、圧縮空気エネルギーの安定したソースを提供する。それはエンドユーザ施設およびコミュニティによって連続的に使用できる。システムへ付加的な圧縮空気エネルギーを提供するために、図２の中で示されるように、他の遠隔の位置にあるもののような、追加の風力タービンあるいはウインドファーム（それらはパイプラインに接続される）も使用できる。

本発明は、図６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、７ａ、７ｂ、７ｃおよび７ｄの中で示されるように、パイプライン中に貯蔵された圧縮空気エネルギーの使用のためのいくつかの異なる構成を企図する。多数のエンドユーザが圧縮空気エネルギーを引き出すためにパイプラインに接続できるだけではなく、各々がパイプラインに沿った様々な場所に位置することができ、異なる使用法および用途を有することができる。パイプラインを利用するエンドユーザーの数、種類および性質に適合する十分な量の圧縮空気エネルギーを貯蔵するようなサイズにパイプラインが適応され、各エンドユーザに起因する圧力および損失の量が考慮されていれば、パイプラインによってサービスできるエンドユーザの数および種類について制限はない。

パイプラインが長さ１００マイルで内径４フィートであり、空気圧により作動する設備を備えたいくつかの工業団地をサービスするために使用される場合について、図６ａは実施態様を示す。この例において、エネルギーは地熱、ディーゼル機関又は原子力発電所により生成され、電動モーターは圧縮機に動力を供給するために使用され、それは圧縮空気エネルギーを生成する。この実施態様では、圧縮空気は好ましくは夜にパイプライン中に貯蔵され、日中に使用できるようにされる。各々が一つの工業団地のみをサービスするので、局所的な枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

パイプラインが長さ１００マイルで内径４フィートであり、空気圧により作動する設備を備え、電力およびエアコンディションを必要とするいくつかの工業団地をサービスするために使用される場合について、図６ｂは実施態様を示す。再び、この実施態様では、エネルギーは地熱、ディーゼル機関又は原子力発電所により生成され、パイプライン中の圧縮空気は夜に貯蔵され、日中に使用できる。しかし、この実施態様では、電気とエアコンディショニングのニーズを持っている工業団地は、好ましくはエネルギー源から最大で約２５マイルだけ離れて位置し、その結果、ターボエクスパンダーにサービスするより大きな空気圧の要求を満たすことができる。同時に、空気圧により作動する設備を運転する圧縮空気のみが必要とされる工業団地はさらに遠方、たとえば１００マイル遠方に位置することができる。空気圧により作動する設備はより少ない圧力および速度を要求するからである。図１１の中で示されるように、このようにエンドユーザを配置する決定は、エネルギー使用法に起因する圧力およびエネルギー損失の量に基づく。より大きな圧力損失にもかかわらず、下流のエンドユーザの空気圧により作動する設備での要求を満たすことができる場合、所望であれば、パイプラインの残りの７５マイルの内径は３フィートとすることができる。各々が単に一つの工業団地をサービスするので、ローカルな枝パイプラインは直径３フィートであることができる。エンドユーザは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションに供給するためにターボ発電機を設置できる。

たとえば１０，０００ｋＷの送電電力ではなく、より多くの電力、すなわち４０，０００ｋＷの電力がソースにおいて必要とされる場合、より短いパイプラインを使用し、かつパイプサイズを増加させることが、パイプラインの長さに沿って生じる圧力損失を考慮すれば望ましいことがある。例えば、内径が４フィートである１００マイルのパイプラインを使用する代わりに、パイプラインの長さをたとえば２０マイルに低減し、かつ２つの４フィートの直径のパイプを使用するほうが効率的なことがある。その結果、より多くのエネルギーが貯蔵でき、より多くのエネルギーをあまりにも多くのエネルギー損を負わずにエンドユーザに届けることができる。得られるシステムは、好ましくは２つの４フィートの直径の長さ２０マイルのパイプラインから成り、４０，０００ｋＷを送信できる。この結論はどのようにして電力使用に基づく収入が得られ、またシステムを構築するコストを取り戻す必要、またより高い電力需要を満たすためにより高い速度でより多くの圧縮空気エネルギーを送信しようとする場合に生ずる増加した圧力損失に基づく。ルートに沿って他の動力源があり、途中でパイプラインにエネルギーを加えることができる場合には、この２０マイルのシステムを一連に接続し、１００マイルのシステムとすることができる。いくつかのブースター局が提供され、パイプラインに沿った摩擦により生じることがある圧力損失を補填することができる。

図６ｃは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、エアコンディショニングニーズがあるいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。再び、この実施態様では、エネルギーは地熱、ディーゼル機関または原子力発電所で生成され、およびパイプライン中の圧縮空気エネルギーは夜貯蔵され、日中に使用できる。エンドユーザは、エアコンディショニングを提供するためにターボ圧縮機およびターボエクスパンダーを設置できる。各々が一つの工業団地にのみサービスを提供するので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

図６ｄは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、脱塩設備とエアコンディショニングへのニーズがあるいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。再び、この実施態様では、エネルギーは地熱、ディーゼル機関または原子力発電所で生成され、およびパイプライン中の圧縮空気エネルギーは夜貯蔵され、日中に使用できる。エンドユーザは、ターボ圧縮機、ターボエクスパンダーおよび脱塩システムを自身の工業団地に設置できる。 各々が一つの工業団地にのみサービスを提供するので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

図７ａは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、空気圧により作動する設備を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。この実施態様では、エネルギーはウインドファームによって生産される。また、風からのエネルギーは電動モーターを運転するために発電機によって変換され、ついで圧縮機を運転する。その後、圧縮機はパイプライン中に圧縮空気エネルギーを貯蔵する。各々が単に一つの工業団地をサービスするので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

図７ｂは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、それぞれが空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションへの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。再び、この実施態様では、エネルギーはウインドファームによって生産される。また、風からのエネルギーは電動モーターを運転するために発電機によって変換され、ついで圧縮機を運転する。その後、圧縮機はパイプライン中に圧縮空気エネルギーを貯蔵する。しかし、この実施態様では、電力とエアコンディショニングのニーズを持っている工業団地は、好ましくはウインドファームから最大で約２５マイルだけ離れて位置する。その結果、ターボエクスパンダーをサービスするためのより大きな空気の圧必要条件を満たすことができる。同時に、空気圧により作動する設備を運転するための圧縮空気への必要のみを有する工業団地は、たとえば１００マイルのように離れて位置することができる。空気圧により作動する設備は操作するためにより少ない圧力および速度を要求するからである。図１１の中で示されるように、このようにエンドユーザを配置する決定は、エネルギー使用法に起因する圧力およびエネルギー損失の量に基づく。この場合、より大きな圧力損失にもかかわらず、下流のエンドユーザの空気圧により作動する設備への要求を満たすことができる場合、パイプラインの残りの７５マイルは内径で３フィートのように、より小さくすることができる。各々が一つの工業団地のみをサービスするので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。エンドユーザは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションへ供給するために、ターボ発電機を設置できる。

図７ｃは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、エアコンディションへの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。再び、この実施態様では、エネルギーはウインドファームによって生産される。また、風からのエネルギーは電動モーターを運転するために発電機によって変換され、ついで圧縮機を運転する。 その後、圧縮機はパイプライン中に圧縮空気エネルギーを貯蔵する。エンドユーザは、エアコンディショニングを提供するためにターボ圧縮機およびターボエクスパンダーを設置できる。各々が一つの工業団地のみにサービスするので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

図７ｄは、パイプラインが内径４フィート長さ１００マイルであり、脱塩設備およびエアコンディションへの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するために使用される場合の実施態様を示す。 再び、この実施態様では、エネルギーはウインドファームによって生産される。また、風からのエネルギーは電動モーターを運転するために発電機によって変換され、ついで圧縮機を運転する。 その後、圧縮機はパイプライン中に圧縮空気エネルギーを貯蔵する。 エンドユーザは、自身の工業団地のためにエアコンディショニングを提供するためにターボ圧縮機、ターボエクスパンダーおよび脱塩システムを設置できる。 各々が一つの工業団地のみにサービスするので、ローカル枝パイプラインは直径３フィートであることができる。

異なる構成を備えた様々な実施態様が企図される。
１．第１の構成：
１つの実施態様では、本発明は、エアコンディショニング用の、冷凍用の、あるいは両方のためのＨＶＡＣユニットを操作するためにターボエクスパンダーで圧縮空気エネルギーを解放することにより電気が生産される時に生成される副生成物のチルド空気副産物を使用する。圧縮空気が解放され膨張することを可能にするために、ターボエクスパンダーのような圧縮空気を解放するための手段が好ましくは提供される。パイプライン中の貯蔵された圧縮空気エネルギーは、「必要に応じて」電力を生成するために、発電機を運転するために使用できる。また、圧縮空気エネルギーを解放して発電しつつ、システムはチルド空気を共生成できる。それは圧縮空気を解放する際の不用の副産物である。

チルド空気はリサイクルされることができ、また直接使用することができる。すなわちチルド空気の形で提供され、それは周囲の大気と混合でき、またはエンドユーザ施設を涼しくしておくためにＨＶＡＣユニットに供給できる。パイプライン中の入力大気は、最初華氏約７０度の周囲温度であるが、電気を生産する副産物として生成されるチルド空気は華氏マイナス１７０度またはそれ以下となりうる。さらに、同時に、システムは好ましくは圧縮空気エネルギーを電気に変換する。それは照明、暖房、冷却、および他の従来のユーティリティに使用できる。例えば、電気がエンドユーザ施設で必要な場合、ターボエクスパンダーおよび発電機はパイプラインに接続でき、電気的なエネルギーを生成し、かつチルド空気を共生成するために圧縮空気が解放されることができ、そこでは施設の総合的な効率は改善される。このように、標準の電気的なシステムを単独で使用する時よりも、システム全体が施設をより効率的に運営するように構築され使用できる。

この実施態様の中で、好ましくは、図５に示されるように熱源は提供されなく、存在する場合にはオフにされるべきである。その結果、より多量のチルド空気が生産される。それは圧縮空気が解放される時に生成される不用のチルド空気をシステムが十分に利用することを可能にする。電気が生成されるだけではなく、システムは好ましくは最大のチルド空気を生産する。それは冷凍およびエアコンディショニングの目的だけでなく脱塩に使用できる。

本発明と共に使用されることが企図される脱塩システムは、水を凍らせるためにチルド空気を利用するものである。これは海水または汽水にみられる汚染物質を自ら分離するのを有効に支援し、新鮮な飲料水を生産する。新鮮な飲料水が不足するエリアでは、圧縮空気の解放により生成されるチルド空気は水を脱塩するために使用できる。チルド空気は凍結結晶化室に供給され、ここで海水はスプレーされ、氷を生産し、したがって水を脱塩する。熱エネルギー貯蔵システムも、後の使用のための補足の貯蔵ユニット中のチルド空気によって生成されたチルド水を貯蔵するために使用できる。これらの実施態様は、特に、新鮮な飲料水へのアクセスを達成するのが難しい場合がある、砂漠でのように暖かい天候気候に適している。

この実施態様の別のバージョンはチルド空気のみを提供し、電力を提供しない場合に適用でき、施設を冷やすチルド空気を生成するために圧縮空気エネルギーを解放するターボエクスパンダーを使用する。施設が電力グリッドに既に接続されており、グリッドからその他の機能のために電力を得ることができるが、施設用に冷却を提供する低価格な方法を望む場合、この状況が生じる場合がある。そのような場合、施設はそれ自身のターボエクスパンダーを購入し、主なパイプラインに分岐パイプラインを接続し、チルド空気を生成するために圧縮空気エネルギーを利用できる。

このバージョンのための可能な構成は図９に示され、ターボ圧縮機はパイプラインからの圧縮空気を使用し、力の送達を平滑にすることを助ける加圧されたサージタンクへ送られる。その後、ターボ圧縮機が入力圧力のために回転すると、それはターボエクスパンダーを回転させる。サージタンクは加圧を続け、入力圧力より高い圧力がサージタンクの内部に定常的に生ずるまでターボエクスパンダーは加速し続ける。従って、入力大気の連続的な変換が起こり、温度が下げられて周囲圧力の出力空気を作り出す。例えば、入力圧力９０ｐｓｉａであることができ、それはサージタンク中で２００ｐｓｉａに増加できる。また、得られる出力温度は、１４．６７ｐｓｉａ（０ｐｓｉｇ）の出力圧力で華氏マイナス７０度から華氏マイナス１７０度のオーダーであることができる。

実施態様の変形では、ユーティリティはパイプラインの代価を得ることができる。また、個々のエンドユーザは、ターボエクスパンダー、ＨＶＡＣユニット、脱塩システムなどのようなパイプライン中に貯蔵された圧縮空気エネルギーを抽出し使用するための装置の代価を得ることができる。そのような場合、ユーティリティはパイプラインを設置し合理的な時間で投資の採算を達成できる。また、エンドユーザは、それ自身の回収期間で彼ら自身で設備を購入できる。

２． 第２の構成：
別の実施態様では、加熱は、制限された形で好ましくは提供される。例えば、この実施態様では、空気が圧縮される際に圧縮機によって生成された廃熱のような既存の熱源だけが使用され、それはパイプライン中に貯蔵できる。太陽からの補足の熱も砂漠地面上にパイプラインを置くことによって、使用できる。この方法は、若干のチルド空気を犠牲にするが、電力のデリバリーのより高い効率が得られる。

この実施態様では、しかしながら、作動するためのそれ自身の動力源を必要とする、熱を提供するための任意の付加的なエネルギー源の使用を回避する努力がなされる。この実施態様は、電力に加え、ある量のチルド空気を生成することができるという長所を持つ。この実施態様は、冷却目的のチルド空気を提供するために、圧縮空気が解放される時に、ターボエクスパンダーによって生成されるチルド空気を好ましくは利用する。例えば、ターボエクスパンダーからの不用のチルド空気は冷凍とエアコンディショニングの目的に使用できる。パイプラインがサービスするコミュニティまたは施設が暖かい気候に位置する場合、それは特に有用である。廃熱が使用される場合、企図されるシステムは第一の実施態様のようにパイプライン中の圧縮空気を華氏約７０度の通常の雰囲気温度から華氏約２５０度に熱することができ、ここで共生成される温度華氏マイナス７５度のチルド空気は増加されることができる。

３． ３番目の構成：
第３の実施態様では、圧縮空気からの電気の生成を増大するために、システムにはいくつかのヒーターが有利に供給される。例えば、圧縮機からの廃熱、あるいは他の熱源からの熱が圧縮空気が解放される時に提供され、それにより電気の生成を最大限にすることができる。例えば、この実施態様は以下の３つの異なるタイプの加熱システムの少なくとも１つを使用することを企図する：１）太陽熱を利用するための太陽熱コレクター、これは地上にパイプラインを配置して太陽熱を効率的に使用することを含む、２）パイプライン中の圧縮空気へ、圧縮機によって生成された廃熱を循環させる廃熱コレクター、および３）化石燃料バーナーのような別個の加熱ユニット。これらは圧縮空気がターボエクスパンダーによって解放される時に、ターボエクスパンダー入力に熱を加えるか又はパイプライン入力に熱を導入する。本発明はさらに所望の場合に、燃焼器などのような圧縮空気に熱を供給する他の標準方法を使用することを企図する。これらのヒーターが使用される場合、システムは廃熱のみによって華氏２５０度から華氏約４９０度に圧縮空気を熱することができることを企図し、圧縮空気が解放された後に得られる空気は十分に華氏プラス７０度にすることができる。この実施態様で、電力のより効率の高い供給が、チルド空気を全く犠牲にすることなく達成される。

増加した温度はいくつかの利点を備える。第一に、熱がターボエクスパンダーによって行なわれる全体の仕事の効率に非常に寄与することが見いだされた。したがって、圧縮空気の温度を増大させることによって、より大きなエネルギー量が同じサイズの貯蔵ボリュームから生成できる。第二に、空気の温度を増大させることによって、圧力を増加することができる。そこではターボエクスパンダーを通るより大きな速度が生成できる。第三に、空気を熱することは、ターボエクスパンダーによる空気の膨張によって引き起こされることのある凍結を回避するのを支援する。熱源なしで、解放される空気の温度は、水蒸気と炭酸ガスが凝固することができ、システムの効率を低減するような低温レベルの近くに達することができる。この実施態様は、好ましくは、システムの経営効率を維持するのを支援するために、許容可能な水準で膨張する空気の温度を維持することができる。図１０によれば、ターボエクスパンダーを使用する場合、入力温度が高くなれば出力温度も高くなるが、出力効率が減少することが示される。

４． 第４の構成：
第４の実施態様では、圧縮空気はパイプラインにより、ある工業団地または他の産業施設に供給され、また圧縮空気は空気圧により作動する設備を操作するために団地または施設で直接使用される。電気的なエネルギーの生成およびチルド空気の共生成は、付加的にまたは代替え的に行うことができる。施設がグリッドにつながれていない場合、施設はターボエクスパンダーで電気を生産し、かつ空気圧により作動する設備を同時に運転するために圧縮空気を使用するように適応される場合があり、それによって、システムの効率および経済性を向上し、グリッドへの超過負荷を緩和する。ターボエクスパンダーも副産物としてチルド空気を生産するために使用できる。その場合には、それはエアコンディショニングおよび他の冷却目的に使用できる。ほとんどの場合、産業施設は空気圧の力および電力の両方を要求する。つまり重設備およびツールを操作する空気圧力、他の機能のための電力の両方を要求する。チルド空気も空気を解放する副生成物として使用できる。一方、施設がグリッドにつながれている場合、施設は空気圧による力のみを引き込むように適応されることができる。そのような場合、圧縮空気エネルギーはサイトで既に利用可能な電気的なエネルギーを補足するために使用できる。

与えられた施設に供給された空気圧により作動する動力を最大に利用するために、圧縮空気エネルギーを使用する施設は、その日常作業の中で通常空気的に駆動される機器を使用するものであるべきである。圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに、圧縮空気が空気圧により作動する設備を操作するために利用される場合、システムの効率は改善される。上記の摩擦のためにパイプラインの長さ方向において生じるある量の電力損失がある一方、エネルギーを最初に電気に変換する必要がなく圧縮空気が使用されるので、電気的なエネルギーへ圧縮空気エネルギーを変換するのに伴う他のロスはない。したがって、電力への空気圧力の変換に伴う非能率性は除去できる。

この態様では、本発明は圧縮空気の形態でパイプライン中にエネルギーを貯蔵し、ついで同じくパイプラインを通して圧縮空気を空気により駆動する装置を運転する施設に送り、圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに装置を運転するために圧縮空気を利用できる改善された方法に関する。圧縮空気が最初に電気に変換されることを要求する過去のウインドファームおよび圧縮空気システムと異なり、本発明は圧縮空気エネルギーを貯蔵し、それが使用できる位置へそれを輸送するためにパイプラインシステムを利用し、圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに使用できるようにする。

空気圧により作動するシステムの使用には、さらに著しい運用上経済上の利点がある。例えば、空気圧により作動するツールは摩擦がより少なく、従来の機械的なツールより長持ちする傾向がある。さらに、清潔で、潤滑が維持された場合には、それらはほとんど永久に使用できる。それらは可動部をほとんど持っていない。また、それらは通常冷たいままで稼働する。本発明によって企図された空気圧により作動する設備としては下記を含んでいる：ブローガン；ネイルガン；エアーホッチキス；エアーサンダー；スプレーガン；サンドブラスター；コーキングガン；エアーラチェットレンチ；エアーハンマー；エアーたがね；エアドリル；インパクトねじ回し；ダイグラインダー；切断ツール；タイヤーバッファ；エアーレシプロのこぎり；エアーニブラー；エアーフランジツール；エアードライバー；エアーはさみ；エアーポリッシャーなど。５０ｐｓｉｇ、１００ｐｓｉｇ、および１５０ｐｓｉｇのような異なる圧力を発生させる一連の調節弁が、空気圧により作動する設備を運転するために提供できる。

５．第５番目の構成：
第５番めの実施態様においては、エネルギーを生産するためにウインドファームに加えて、またはその代わりに、ユーティリティプラント、たとえば従来の燃料燃焼駆動のタービン発電機、地熱、原子力、水力電気など、あるいはグリッドがパイプラインに接続できる。この点で、安全上の理由で（つまり潜在的な放射能雲発生の場合）原子力発電所は望ましくは居住地から十分にはるか遠くに位置し、したがって、本発明のパイプラインの使用が、電力を必要とするユーティリティまたはコミュニティから施設が十分にはるか遠くに位置すことができることにおいて有用であると考えられる。

この実施態様では、パイプラインシステムは既存の動力源、たとえばユーティリティまたはグリッドに接続されることができ、そこではシステムは夜のように低い要求期間に空気を圧縮してエネルギーを貯蔵し、かつ日中のように高い要求期間に蓄積エネルギーを使用するように設計されることができる。この方法では、ユーティリティはその最も効率的なレベルで作動し続けることができ、要求が低い時に生産されるエネルギーを貯蔵することができ、要求の高い期間に必要なエネルギーを補足することができる。これはエネルギー生産の見地から、エネルギーコストの低減を支援するだけでなく、エネルギーユーザをも助ける。

このシステムを使用して、ユーティリティはより高い要求を満たすために、より高価であるより高いキャパシティーの発電施設を構築する必要なしに、高い要求の期間に、より多くのエネルギーを提供することができる。生産されるエネルギーは夜、パイプラインに貯蔵し、標準の伝送路ではなくパイプラインによってエンドユーザに輸送でき、日中に使用される。これは、一定の電力需要に直面しつつ、ユーティリティは一定の負荷で最も有効に作動することを考慮に入れる。本発明が解決する課題は、典型的な発電所が毎日変数する電力要求に直面し、そこでは空気圧伝送パイプラインは可変の毎日の要求電力を受け、一定の需要電力に変換する。従来の燃料燃焼で駆動されるタービン発電機、地熱および原子力発電所は、同じ出力で日中も夜も作動することが好ましい。発電量を変えることは、回転中に高速回転部分を疲労させる傾向がある。移送パイプラインは、発電量におけるこれらの変化を除去されることを可能にする。さらに、ユーティリティは、一貫して高いレベルでエネルギーを生産することができ、また一定の電力出力レベルで生産することができ、それは施設の効率を最大限にする。さらに、ユーティリティは、エネルギーが実際には低い要求の間、すなわち低コストの期間に生産されるが、高い要求期間に使用されるエネルギーのためにより多く課金することができる。つまり、夜間電力が昼間料金で売られる。

ユーザの見地からは、高い要求期間中のエネルギー料金をより低くすることができる。また、生じている変動、スパイクおよび不足に関してリスクがより低減される。

６．第６の構成：
第６の実施態様では、最初の５つの構成に関して上に記述された特徴の１つ以上が単一のシステムに組み入れることができ、パイプラインの長さに沿った、多数のコミュニティおよび施設にエネルギーを供給するために使用できる。コミュニティまたは施設の各々はローカル枝パイプラインを使用して、主パイプラインに接続できる。例えば、主パイプラインは長さ１００マイルであり、また枝はそれぞれ長さ５マイルであることができる。
ブランチはそれぞれ、さらに圧縮空気エネルギー貯蔵のために追加のボリュームを提供できる。

組み合わせの例として、パイプラインは熱い砂漠に位置し、電気および空気圧エネルギーを使用する施設にサービスするために使用できる。そのような場合、システムは加熱要素なしで好ましくは設置されるか、または加熱要素はオフにされる。その結果、システムは電気および最大のチルド空気を同時に共生成することができる。圧縮空気エネルギーのうちのいくらかが空気圧により作動する設備を運転でき、それによってシステムの全体的効率を増加させるように、システムをセットアップすることもできる。同様に、ウインドファームとユーティリティの両方により圧縮空気エネルギーを生成できるようにして、動力源として風を使用することに関連した不確実性を補うように、システムが適応されることができる。無風またはほとんど風が無い場合に利用可能な場合にアクセスできる二次電源装置、たとえばユーティリティまたはグリッドを提供することは時々有利である。

好ましくは、一連のサーボ逆止弁、ゲージおよび制御ロジックが、パイプラインに沿って提供される。その結果、圧縮空気が貯蔵され、圧縮空気が各エンドユーザステーションで解放される量および速度をコントロールしモニタできる。この点で、本発明のシステムを使用して適切に供給されているエネルギーを配分するために、どれだけの圧縮空気エネルギーが利用可能であるかを、どれだけの圧力が実際に所定の時間にパイプライン内にあるかを決定することにより知ることが必要であり、ついで適切な速度でそれを解放する。

本発明は、風が１週間以上一度に吹かない場合にさえ、貯蔵され解放される十分なエネルギーを可能にするために好ましくは十分な貯蔵容量を有する。これは風条件および特性を予想し、有効にスケジュールを計画し開発するためにそのデータを使用することにより達成される。風エネルギー出力レベルが比較的高い場合に、システムがエネルギーの最高量を圧縮して貯蔵することを可能にすることが目的とされる。圧縮空気エネルギーを貯蔵することができ適切な時にエネルギーを解放することができることによって、上に記述された方法で、本発明のシステムは、風力発電の変動および振動を縮小または回避できる方法で、エネルギーの供給を好ましくは有効に調整し、管理し、安定化することができる。本発明のシステムは、エネルギー供給の安定化と平滑化を可能とし、エネルギー運搬システムに悪影響を及ぼす場合のあるエネルギーの突然の変動および振動を回避できる。

図１は、ウインドファームとエンドユーザの間に、既存の道または地役権に沿うように計画されたルートに沿って伸びるパイプラインシステムによって接続している遠隔の位置にあるウインドファームを示す。 図２は、ウインドファームとエンドユーザの間に、既存の道または地役権に沿うように計画されたルートに沿って伸びるパイプラインシステムによって接続している遠隔の位置にある２つのウインドファームを示す。 図３は、風力タービンの概略図である。 図４は、水中に位置するパイプライン、不毛の地表面に沿ったパイプライン、および鉄道線路に隣接し枕木に固定されたパイプラインの実施態様を示する。 図５は、本発明の態様のいくつかを組み込む種々の使用システムの概略図である。 図６ａは、空気圧により作動する設備を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図６ｂは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションの組み合わせを有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図６ｃは、エアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図６ｄは、脱塩設備およびエアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図７ａは、空気圧により作動する設備を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図７ｂは、空気圧により作動する設備、電力およびエアコンディションの組み合わせを使用するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図７ｃは、エアコンディションのニーズを有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図７ｄは、脱塩設備およびエアコンディションの必要を有するいくつかの工業団地にサービスを提供するためにパイプラインが使用される実施態様の概略図である。 図８は、長さ１００マイル、内径４フィートで、内部圧力１２００ｐｓｉｇを有するパイプラインの概略図を示す。 図９は、チルド空気を生成するためのターボ圧縮機およびターボエクスパンダーを有するシステムの概略図を示す。 図１０は、気温が上昇する時のターボエクスパンダー膨張のレベルと効率を示すグラフである。 図１１はパイプライン内での圧力損失の量を、パイプの直径、パイプライン内の圧力、および圧縮空気の使用方法の関数として示すグラフである。 図１２は、図１１にグラフで表示された発電システムと空気圧により作動する設備の駆動のシステムの間の比較を示す。

Claims (24)

1. 以下を含む、圧縮空気エネルギーを貯蔵および輸送する方法：
   第一の位置に少なくとも１つの風力タービンを配置すること；
   前記の少なくとも１つの風力タービンに、風によって生成されたエネルギーを圧縮空気エネルギーとして貯蔵するために圧縮機を取り付けること；
   圧縮空気エネルギーを貯蔵し、該圧縮空気エネルギーを前記第一の位置から離れた第二の位置に移動するための、少なくと１つの風力タービンを備えたパイプラインに提供すること；
   ターボエクスパンダーでパイプラインから圧縮空気エネルギーを解放し、前記の第二の位置にエネルギーを提供すること、ここで発電機が前記第二の位置で電気を起こすために提供すること；
   そして、圧縮空気エネルギーは以下に使用される：
   １）ターボエクスパンダーでチルド空気をともに生成し、第二の位置で冷凍および／またはエアコンディショニングを提供するために使用する；
   ２）ターボエクスパンダーでチルド空気をともに生成し、第二の位置で水を脱塩するために使用する；または
   ３）圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換する必要なしに、第二の位置で少なくとも１つの空気圧により作動するツールあるいは設備を作動させる。
2. 発電量を増大するために、以下からなる群から選択される少なくとも１つのヒーターが提供される、請求項１記載の方法：
   １）太陽熱、２）圧縮機からの廃熱および３）バーナー。
3. 追加の加熱源は提供されず、最大のチルド空気がターボエクスパンダーによって共生成される、請求項１記載の方法。
4. パイプライン中の圧力は通常動作中に６００ｐｓｉａまたはそれ以上に維持され、どの時間においても最小２００ｐｓｉａまでに維持するように適応され、パイプラインの内径は少なくとも３フィートであり、長さが少なくとも２５マイルである、請求項１記載の方法。
5. 圧縮空気エネルギーを解放し、かつ発電機を運転するために、ターボエクスパンダーが使用され、電気を生産するために発電機を運転するためのエネルギーの生産と、少なくとも１つの空気圧により作動するツールあるいは設備の運転との間で切り替えができる、請求項１記載の方法。
6. 前記第一および第二の位置の間に少なくとも１つの追加のエネルギー源を提供することを含み、前記少なくとも１つの追加のエネルギー源は、前記パイプライン内に存在する圧力損失を低減することを支援する追加の圧縮空気エネルギーを生成する、請求項１記載の方法。
7. ユーティリティまたはグリッドがパイプラインに接続され、ユーティリティまたはグリッドが低い要求期間中に圧縮空気エネルギーを生成し、パイプライン中へ圧縮空気エネルギーを貯蔵することができ、圧縮空気エネルギーを高い要求期間に使用できる、請求項１記載の方法。
8. パイプラインが鉄道線路上またはそれに隣接して位置し、および／または太陽に露出された砂漠上に位置する、請求項１記載の方法。
9. 以下を含む、圧縮空気エネルギーを貯蔵および輸送する方法：
   第一の位置で圧縮空気エネルギーを生成するための少なくとも１つの圧縮機を運転するために少なくとも１つのエネルギー源を提供すること；
   圧縮空気エネルギーを貯蔵し、前記第一の位置とは離れた第二の位置に圧縮空気エネルギーを輸送するために、前記の少なくとも１つのエネルギー源を備えたパイプラインを提供すること；
   少なくとも１つのエネルギー源を操作して、圧縮機を運転し、前記のパイプライン内に圧縮空気エネルギーを貯蔵すること；
   ターボエクスパンダーでパイプラインから圧縮空気エネルギーを解放し、前記の第二の位置にエネルギーを提供すること、ここで前記の第二の位置に発電するために発電機が提供される；および
   圧縮空気エネルギーを利用して、ターボエクスパンダーでチルド空気を共生成し、冷凍および／またはエアコンディショニングを前記の第二の位置で提供し、および／または前記の第二の位置で水を脱塩すること。
10. 少なくとも１つのエネルギー源はウインドファーム、ユーティリティあるいはグリッドであり、パイプライン中の圧縮空気エネルギーを生成し貯蔵するためにパイプラインと接続される、請求項９記載の方法。
11. 圧縮空気エネルギーを最初に電気に変換することなく、前記の第二の位置で少なくとも１つの空気圧により作動するツールあるいは設備を運転する圧縮空気エネルギーを使用することを含む、請求項９記載の方法。
12. 発電量を増大するためにヒーターが提供され、ヒーターは、
    １）太陽熱、２）圧縮機からの廃熱および３）バーナーから選択される、請求項９記載の方法。
13. 追加の熱は提供されず、最大のチルド空気がターボエクスパンダーによって共生成される、請求項９記載の方法。
14. パイプライン中の圧力は通常動作の間に６００ｐｓｉａまたはそれ以上に維持され、どんな時間にも最小で２００ｐｓｉａまでを維持するされるように適合され、パイプラインは内径が少なくとも３フィートであり、少なくとも２５マイルの長さである、請求項９記載の方法。
15. 圧縮空気エネルギーを解放し、かつ発電機を運転するためにターボエクスパンダーが使用され、電気を生産するために発電機を運転する生産することと、圧縮空気エネルギーを使用して少なくとも１つの空気圧により作動するツールあるいは設備を直接運転することとの間で切り替えができる、請求項１１記載の方法。
16. 前記第一の位置と第二の位置との間に少なくとも１つの追加のエネルギー源を提供することを含み、少なくとも１つの追加のエネルギー源は、前述のパイプライン内に存在する圧力損失を低減することを支援する付加的な圧縮空気エネルギーを生成する、請求項９記載の方法。
17. パイプラインが鉄道線路上またはそれに隣接して位置し、および／または太陽に露出された砂漠上に位置する、請求項９記載の方法。
18. 以下を含む、圧縮空気エネルギーを貯蔵および輸送する方法：
    第一の位置に圧縮空気エネルギーを生成するための少なくとも１つの圧縮機を運転するための少なくとも１つのエネルギー源を提供すること；
    前記の少なくとも１つのエネルギー源を備え、圧縮空気エネルギーを貯蔵し、前記第一の位置とは離れた第二の位置に圧縮空気エネルギーを輸送するためにパイプラインを提供すること；
    少なくとも１つのエネルギー源を操作して、圧縮機を運転し、前述のパイプライン内に圧縮空気エネルギーを貯蔵すること； および
    パイプラインから圧縮空気エネルギーを解放して前記の第二の位置にエネルギーを提供し、前記の第二の位置に少なくとも１つの空気で駆動するツールまたは装置が提供され、最初に圧縮空気エネルギーを電力に変換することなく、圧縮空気エネルギーが少なくとも１つの空気で駆動するツールまたは装置を作動させる。
19. 少なくとも１つのエネルギー源はウインドファーム、ユーティリティあるいはグリッドであり、パイプライン中の圧縮空気エネルギーを生成し貯蔵するためにパイプラインと接続される、請求項１８記載の方法。
20. パイプライン中の圧力は通常動作の間に６００ｐｓｉａまたはそれ以上に維持され、どんな時間にも最小で２００ｐｓｉａまでを維持するされるように適合され、パイプラインは内径が少なくとも３フィートであり、少なくとも２５マイルの長さである、請求項１８記載の方法。
21. ターボエクスパンダーが提供され、圧縮空気エネルギーを解放し、かつ発電機を運転して発電するためにターボエクスパンダーが使用される、請求項１８記載の方法。
22. 電気を生産するために発電機を運転するエネルギーを生産することと、少なくとも１つの空気圧により作動するツールあるいは設備を運転することとの間で切り替えができる、請求項２１記載の方法。
23. 前記第一の位置と第二の位置との間に少なくとも１つの追加のエネルギー源を提供することを含み、少なくとも１つの追加のエネルギー源は、前述のパイプライン内に存在する圧力損失を低減することを支援する付加的な圧縮空気エネルギーを生成する、請求項１８記載の方法。
24. パイプラインが鉄道線路上またはそれに隣接して位置し、および／または太陽に露出された砂漠上に位置する、請求項１８記載の方法。

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