JP2009531594A - エネルギーを変換する方法、装置およびシステム - Google Patents

Abstract

エネルギーを変換するために、先ず、熱エネルギーを導入することによって非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換して、気体の担持媒体が上昇し、位置エネルギーを獲得するようにする。次に、所与の高さの所で気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換する。次に、回収された非気体の担持媒体の位置エネルギーを他の所望の形態のエネルギーに変換することができる。

Description

本発明は、エネルギーを変換する方法、装置およびシステムに関する。

エネルギーを変換する装置の一例は、上昇気流発電装置である。上昇気流発電装置では、空気が太陽光によって暖められ、煙突に送られ、その中を上昇する。この時、煙突内に配置されたタービンによって、空気流から電力を発生させることができる。

本発明は、このような、および別のエネルギー変換装置において、存在するエネルギーが最適に利用されていないという考えに基づいている。

本発明は、公知の装置におけるより効率的に変換を行うことがきる、存在する熱エネルギーを変換する代替の、または付加的な方策を提供するものである。

ａ）熱エネルギーを導入することによって非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換して、気体の担持媒体が上昇し、位置エネルギーを獲得するようにする工程と、
ｂ）所与の高さの所で気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換する工程と、
ｃ）回収された非気体の担持媒体の位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する工程と、を有する、エネルギーを変換する方法を提案する。

さらに、エネルギーを変換する装置を提案する。この装置は中空室を有している。この装置は、中空室の下端に配置され、熱エネルギーを導入することによって非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換して、その担持媒体が中空室内を上昇し、位置エネルギーを獲得するように構成された集合状態変換器をさらに有している。この装置は、中空室の上端に配置され、気体の担持媒体から回収された非気体の担持媒体を収集するように構成られた収集器をさらに有している。この装置は、回収された非気体の担持媒体の位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換装置をさらに有している。

最後に、このような装置を有し、加えて、集合状態変換器に供給される熱エネルギーを回収するように構成された装置を有するシステムを提案する。

したがって、既存の熱エネルギーを、後から改めて所望の形態のエネルギーに変換できる位置エネルギーを獲得するのに用いることを提案する。この際、位置エネルギーは、非気体の、すなわち固体または液体の担持媒体を気体の集合状態に変え、それによって上昇させることにより回収される。非気体の集合状態に戻すように変換すると、位置エネルギーが導入された担持媒体を、その後、エネルギーを回収するために使用できるようになる。

既存の熱エネルギーを所望の形態のエネルギーに効率的に変換できるのが本発明の利点である。加えて、これを比較的小さい構築寸法で実現できる。

導入する熱エネルギーを適切に選択すれば、本発明は、完全に放出物を生じ無いように実現することができる。しかし、一般には、要求される熱エネルギーを獲得するために、どんなエネルギー源も使用することができる。そこで、導入される熱エネルギーは、地熱、水の熱、空気の熱、化石エネルギー担体、核エネルギー担体、および／または太陽エネルギーから回収することができる。

熱エネルギーは、もっぱら、上昇する担持媒体の出発点において導入することができ、したがって、装置では、もっぱら集合状態変換器を介して導入することができる。しかし、代替の方策では、熱エネルギーを、気体の担持媒体が乗り越える高さ方向に分散させて、担持媒体に導入することもできる。

そのためには、装置は、相応に構成されたエネルギー導入要素を備えることができる。このようなエネルギー導入要素は、それ自体、エネルギー回収要素を有することができるが、エネルギー回収要素からエネルギーの供給を受けることもできる。

熱エネルギーを高さ方向に分散させて導入するのには、全体として少ない外部熱エネルギーを供給するだけで足りるという利点がある。したがって、中空室の、選択された複数の高さの所において、または高さに沿って連続的に、担持媒体が所与の高さに達するまで気体状態に留まるのに、その時々でちょうどの量のエネルギーを供給することができる。

さらに、本発明は、例えば、エネルギー回収要素またはエネルギー導入要素として用いられる太陽光集光器を、気体の担持媒体が上昇する中空室の覆い上に直接設けた場合、または、太陽光集光器がこの覆いの全部または一部を形成ようにした場合、非常にコンパクトに、かつ低コストで実現することができる。

エネルギー導入要素は、担持媒体が上昇する中空室の全体を囲むことができ、または、例えば太陽光集光器の場合、太陽に面する側にだけ配置することができる。さらに、この要素は、中空室の全高さにわたって延ばすことができ、あるいは、選択された高さ部分または、選択された複数の高さ部分にだけ配置することもできる。

一例の実施態様では、気体の担持媒体を冷却することによって、気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換することができる。この際、冷却は、冷却ユニットを用いて行うことができる。

ここで、例えば、冷却は、例えば、冷却ユニットの、所与の高さに配置された冷却領域に搬送媒体を通すことによって行うことができる。この際、冷却領域は、ホースまたは他の管路によって形成することができる。この際、冷却領域は、冷却と同時に、回収された非気体の担持媒体を、設けられた収集場所へ導くのに用いることができるように形成し、配置することができる。

冷却が搬送媒体を介して行われる場合、担持媒体の冷却によって暖められた搬送媒体は、さらに、導入される熱エネルギーに寄与するように利用することができる。そのため、装置としては、暖められた搬送媒体を、中空室の下端に配置された集合状態変換器に供給する熱戻り管路を設けることができる。このような実施態様は、運転中、外部からは、有効に取り出されたエネルギーを含む損失エネルギーを導入するだけで足りるので、特に効率的であるという利点を有する。

代替の、または付加的な一実施態様では、戻す変換を促進するために、物質を、例えば相応に構成された収集器を通して気体の担持媒体内に直接導入することもできる。この際、導入は、例えば噴射または灌注によって行うことができる。物質が担持媒体から熱を奪い、それによって、凝縮を促進した後、その物質と担持媒体をさらなる使用のために元通り分離することができる。これは、例えば、担持媒体が水で、物質が油である場合、簡単に行うことができる。しかし、そうする代わりに、既に回収された担持媒体を、これに付与されている位置エネルギーのエネルギー変換のために供給する前に、上昇する気体担持媒体に、噴射または灌注することもできる。これによって、上昇するまだ気体の担持媒体にとっての衝突表面が大きくなることにより、戻す変換も促進される。この際、噴射または灌注された担持媒体が、単に、集合状態変換器に戻るように落ちるのでなく、エネルギー変換装置に送られるのを保障する必要がある。これは、例えば、担持媒体を、中空室の、上端で屈曲させられた領域で初めて噴射または灌注することによって達成できる。

さらなる一例の実施態様では、戻す変換のための担持媒体の能動的な冷却を省略することができる。所与の高さの所で気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換するのは、例えば、気体の担持媒体の上昇移動時の冷却に基づいて行うことができる。そのために、中空室の高さを適切に選択することができる。より厳密には、担持媒体に導入される熱に応じて、気体の担持媒体の上昇移動による冷却によって、収集器の高さにおいて自然凝縮が開始されるように過冷された蒸気が生成されるように高さが設定される。そのような自然凝縮は、収集器を適切に構成することによって促進することができる。収集器は、例えば、大きい衝突表面によって凝縮ミストおよび／または凝縮物を生成し、またはさらに凝縮させるのに役立つ１つ以上の網の形態に形成することができる。

しかし、能動的な冷却を行う場合も行わない場合も、収集器は、単純に、戻すように変換された非気体の搬送媒体を例えば収集槽を経由してエネルギー変換装置に導くように構成された中空室の（必要に応じて冷却されている）上側境界面を有することができることが明らかである。

一例の実施態様では、回収された非気体の担持媒体から回収される位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する前に、担持媒体は、例えば中間蓄積器を用いて中間的に蓄積される。

回収された非気体の担持媒体を中間的に蓄積するのは、例えば、外部の熱エネルギーが使えない時間帯に、蓄積した分を供給するのに適している。さらに、中間的に蓄積することによって、所望の形態のエネルギーのピーク需要をカバーすることができ、または、回収された非気体の担持媒体の供給のピークを緩和することもできる。

担持媒体の位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換するために、位置エネルギーを先ず運動エネルギーに変換することができる。これは、回収された非気体の担持媒体を下り路において例えば下り管を通して高い高さから低い高さに下降させることによって行うことができる。その後、運動エネルギーを他の形態のエネルギーに変換することができる。そのために、必要に応じて発電機が後に接続されたタービンのようなエネルギー変換器を設けることができる。

最終結果において、位置エネルギーは任意のどんな形態のエネルギーにも変換することができる。所望の形態のエネルギーへの変換が、所望のエネルギー担体での蓄積も含むことは明らかである。したがって、特に、機械エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー担体を生成させるエネルギー、および／または、物理エネルギー担体を生成させるエネルギーへの変換が考えられる。

位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換した後にも、回収された非気体の担持媒体を、必要な場合、中間蓄積器において中間的に蓄積することができる。

そうする代わりに、または、それに続いて、回収された非気体の担持媒体は、位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換した後、少なくとも部分的に閉じた循環系においてさらに用いることができる。そのために、装置では、担持媒体は集合状態変換器に元通り供給される。

さらに、非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換することによって、担持媒体は、組成に応じて蒸留することができる。蒸留され回収された非気体の担持媒体は、その後、位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する前または変換した後に少なくとも部分的に取り出し接続部を介して取り出すことができる。

例えば海水を担持媒体として用いた場合、単純な表現をすれば、水が蒸発し、拡散する気体が解放され、塩分が沈澱する。すると、所与の高さの凝縮領域において特に純粋な水が得られる。これによって、飲用水の回収や灌漑など、様々な用途や実施態様の可能性が生まれる。工場または家庭の雑用水または排水を担持媒体として使用すると、蒸留によって雑用水または排水を浄化でき、また、残留物質を回収することができる。

気体の担持媒体は、場合によっては存在する不純物以外に物質を含まない中空室内を上昇させることができる。あるいは代わりに、中空室は、上昇する気体の担持媒体によって一緒に運ばれる充填媒体を包含することもできる。充填媒体としては、空気または他の何らかの気体または混合気が考えられる。

充填媒体を用いることによって、中空室と外部環境の間の圧力差を補償することができる。そのような圧力差は、担持媒体の集合状態の変化によって運転温度の変化が生じるために、発生する場合がある。充填媒体は担持媒体によって一緒に運ばれるので、充填媒体に対して閉じた循環系を設け、この循環系で、担持媒体を所与の高さで除去した後、充填媒体を再び蒸発器で使えるようにすることができる。あるいは代わりに、開いた系を設け、この系で、充填媒体を外部から運び入れることによって中空室内部に吸い込み、使用後に元通り外部へ放出することもできる。

概して、担持媒体、搬送媒体および充填媒体のような、取り入れられ、外部で利用するために取り出されない全ての物質に関して、また、外部で利用するために取り出されない全てのエネルギーに関して、閉じた循環系を備える実施形態と、開いた通路を備える実施形態が提供される。

以下、本発明を図面に示す実施例に則して詳細に説明する。

図１は、エネルギーを効率的に変換する本発明による実施形態の装置を示す。

この装置は、中空室１１を備える建屋１０を有している。中空室は、代替の実施形態において、例えば丘陵の斜面に隣接して、斜めに配置されていてもよいことは明らかである。中空室１１の、高さｈ＝ｈ₀にある下端に蒸発室１２が配置されている。

中空室１１の、高さｈ＝ｈ₁にある上端に、冷却ユニット１３が配置されている。冷却ユニット１３から下り管１４が、タービン１５に通じており、タービン１５に発電機が接続されている。タービン１５は蒸発室１２に接続されている。冷却ユニット１３は、さらに、熱戻り管路１６を介して蒸発室１２に接続されている。

中空室内には、さらに、任意構成として、在来の上昇気流発電装置１７のタービンが配置されている。

最後に、熱エネルギーを回収するための要素１８が、蒸発室１２に熱エネルギーを供給できるように配置されている。このような要素の一例は太陽光集光器である。しかし、太陽の代わりに他のどのようなエネルギー源を要素１８で利用してもよい。さらに、このような要素を多数設けることができることが明らかである。

図２は、図１に示した装置の基本的な動作の仕方を示すフローチャートである。

蒸発室１２内には、非気体の集合状態の担持媒体、例えば、液体の担持媒体としての水が存在している。

蒸発室１２には、エネルギーを回収する要素１８によって外部の熱エネルギーが供給される（工程２１）。

熱エネルギーが供給されることによって、担持媒体は気体の集合状態に変換され、すなわち、担持媒体は蒸発し、中空室１１内を上昇する。

高さｈ＝ｈ₁において担持媒体は前の集合状態に戻される（工程２２）。すなわち、担持媒体からなる蒸気は元通り凝縮させられる。図示する例では、元に戻す変換は冷却ユニット１３によって行われる。このような冷却ユニットは、例えばホースの網から構成することができる。この網によって、一方で、凝縮ミストを生成し、すなわち凝縮させるために大きな衝突表面が得られる。他方で、ホースを通して搬送媒体を、網において凝縮を促進する働きをする冷媒として流すことができる。網によって、得られた凝縮物が下り管１４の方向に導かれる。

ホース内で暖められた搬送媒体は、熱戻り管路１６を経由して蒸発室１２に、そこで送り込まれる熱エネルギーの作用を高めるために送ることができ、その後、冷却された状態で再び冷却ユニット１３に戻すことができる（工程２３）。

担持媒体は、今や、高さｈ₁−ｈ₀を上昇したことにより、位置エネルギーを付与されている。担持媒体は下り管１４を通して下降させられ、その結果、位置エネルギーから運動エネルギーが回収されることになる（工程２４）。

この運動エネルギーを今度は他の所望の形態のエネルギーに変換することができる（工程２５）。例えば、下降する担持媒体によってタービン１５を駆動でき、それによって生じる回転エネルギーを、接続された発電機を動作させて電気エネルギーを発生させるのに利用することができる。

担持媒体は、タービン１５を駆動した後、再び蒸発室１２に戻すことができる（工程２６）。

付加的に、任意構成の上昇気流発電装置１７によって、担持媒体からなり上昇する蒸気を工程２１と工程２２の間で在来のやり方でエネルギーを回収するために利用することができる。

図１に示した装置の、選択された幾つかの細部と可能なバリエーションが図３のブロック回路図に示されている。

蒸発器３２、または、より一般的には、集合状態変換器に担持媒体が供給される。担持媒体は、例えば、海水とすることができる。蒸発器３２は、図１に示した蒸発室１２に相当している。この蒸発器３２において、担持媒体は、供給された熱エネルギーによって蒸発させられる。

蒸気は、建屋３０の中空室内を、第２の集合状態変換器３３に到達するまで上昇する。中空室は、充填媒体を付加的に含むことができ、充填媒体は、開いた循環系または閉じた循環系において担持媒体によって一緒に運ばれる。

第２の集合状態変換器３３は、例えば、凝縮を促す能動型の凝縮物収集器として蒸気を冷却する働きをする図１の冷却ユニット１３に相当するものとすることができる。第２の集合状態変換器３３が冷却ユニットを有する場合、熱が蒸発器３２に戻される。

あるいは、第２の集合状態変換器３３は、受動型の凝縮物収集器として単に蒸気から生じる凝縮物を集めるだけの凝縮器とすることもできる。この場合、蒸気の上昇移動時の冷却に基づいて、凝縮器の高さ、例えば、凝縮物を集めて運び出すために凝縮器に包ませることができる網の高さで自然に凝縮が行われるように建屋の高さを設定するのが有利である。

担持材料を蒸留するために蒸発と凝縮を同時に始める場合は、凝縮された担持媒体の一部を取り出し接続部４０を経由して直接、消費部に送ることができる。担持媒体が例えば海水である場合、含まれている塩分が蒸発時に沈殿し、凝縮された担持媒体の一部を飲用または灌漑用に利用することができる。

凝縮された担持媒体の、取り出されなかった部分は、同様にほぼ第２の集合状態変換器３３の高さに配置された中間蓄積器４１、例えば水タンクに供給される。中間で蓄積することによって、所望の形態のエネルギーを所望の時期に回収できるようになる。これには、所望の形態のエネルギーを負荷がピークになる時間帯に多く回収し、および／または、供給される熱エネルギーが特定の時間帯にしか使えず、したがって、特定の時間帯にしか凝縮物が得られない場合に、所望の形態のエネルギーの回収を時間的に一様に配分することも含まれる。

次に、凝縮された担持媒体は、必要に応じて制御されて、下り管を通して下降させられ、その結果、タービン３５に当たってタービン３５を駆動する。タービン３５で発生させられた回転エネルギーは、消費部で直接利用でき、および／または、発電機４２に送って電気エネルギーを発生させることができる。

電気エネルギーは、消費部に直接供給できるが、他のエネルギー変換４３のために、例えば、水素または酸素を生成するのに利用することもできる。

凝縮された担持媒体は、タービン３５を駆動した後、他の中間蓄積器４４で中間的に蓄積することができ、その後、閉じた循環系を構成するように改めて蒸発器に送ることができる。タービンを駆動するのに比較的大量の担持媒体が使えるように、蒸留された担持媒体を、第２の中間蓄積器４４の前または後で、取り出し接続部を経由して取り出すこともできることが明らかである。

担持媒体は、凝縮された担持媒体が循環系から取り出された分だけ、付加的に外部から、例えば、さらなる海水の形態で蒸発器３２に供給される。

図４は、図１に示した装置のさらなるバリエーションを、エネルギーを効率的に変換する本発明による装置のさらなる実施形態として示す。同じ構成要素には、図１におけるのと同じ参照符号を付している。

この実施形態では、蒸発室１２、中空室１１を備える建屋１０、冷却ユニット１３、下り管１４、タービン１５および熱戻り管１６が、図１に示した例におけるのと同様に配置されている。

ただし、図４の実施形態では、熱エネルギーを回収し供給する要素１９が中空室の覆いに沿って配置されている。要素１９は、例えば、太陽光集光器であってよい。要素１９は、熱エネルギーを、中空室の高さ方向に分散させて、上昇する気体状態の担持媒体に導入し、それによって、冷却ユニット１３に達する前での自然凝縮がちょうど防がれる。

この場合、蒸発室１２には、非気体状態の担持媒体を気体状態の担持媒体に変換するのに必要なだけのエネルギーの供給が必要とされる。そのためには、連続運転の場合、場合によっては、熱戻り管１６を経由して冷却ユニット１３から戻されてきた熱だけで十分である。運転を開始するために蒸発室に外部の熱を供給しさえすればよく、または、運転開始時に、非気体状態の担持媒体が中空室１１内に最初に噴射され、それによって、最初に、担持媒体は中空室１１内で初めて、蒸気に変換される。

また、図４に示した装置は、図１に示した装置と同様に動作する。

換言すれば、本発明および幾つかの実施形態は以下のように説明することができる。

エネルギーを回収する方法および／または装置は、熱エネルギーを収集し、質量体が重力場において位置エネルギー（Ｅ_pot＝ｍ×ｇ×ｈ、ここで、「ｍ」は高みに持ち上げられるキログラム単位の質量、「ｇ」は重力定数、「ｈ」は高さ）を獲得する回り道を介して、我々人間が我々の環境を構築するために必要としている、または必要と考えているエネルギーおよび／またはエネルギー担体に変換することに基づいている。

ここでエネルギーを回収するために利用される物理過程は、エネルギーによって、固体および／または液体の集合状態から気体の集合状態への変化およびその逆の変化を生じさせること、および、集合状態が気体の形態へ変化した後に生じる断熱膨張の形態の気体力学過程によって与えられる。断熱膨張から、本発明の方法および／または装置において１つの役割を演じる煙突効果が生じる。最終的に、これによって、熱の形態のエネルギーから重力場中において蓄積されたエネルギーへの変換が行われ、このエネルギーは、次に、他の形態のエネルギーに変換でき、および／または、変換される。

エネルギーを回収するこの方法および／または装置は、基本原理から言えば「ヒートパイプ」であるが、決定的な変更と拡張が行われている。この装置は、質量体が、重力場中において、一端から他端までの移動（＝高さｈ）のために、重力場のポテンシャルの差を乗り越えるためにエネルギーを消費するように構成されている。例えば、「地球」の場合で説明すると、これは、一端が例えば地面（＝高さｈ₀＝０）にあり、他端が地上ｈ₁＞０の高さにあることを意味する。

エネルギーを回収する方法および装置が従う動作の基本原理は以下のように説明することができる（図３）。或る物質（＝担持媒体）が、外部から導入されたエネルギーによって気体の集合状態に転移させられ、次に、断熱膨張の物理的効果により、この物理的効果が主要な役割を果たして高さｈに運ばれ、そこで前の集合状態に戻される（＝凝縮させられる）。その後、この物質は、付加された位置エネルギーを利用してエネルギーを回収するのに用いることができる。任意構成として、この物質は、後での利用に備えて、ここでの高さに中間的に蓄積することができる。位置エネルギーは、次に、相応の装置および／または方法を用いて他の形態の物理エネルギーや化学エネルギーに変換することができ、すなわち、担持媒体から取り出すことができる。位置エネルギーを取り出した後、この物質は、任意構成として、改めて中間的に蓄積することができる。その後、任意構成として、相応の実施形態において計画されている場合、担持媒体を循環系に元通り送り込むことができる。

エネルギーを回収する方法および／または装置を実現するために、一実施形態では、以下の要素を備える循環系が構成される（図１も参照）。
導入される外部の熱を用いて担持媒体を蒸発させる蒸発室が設けられ、これに接続されて、高さｈの建屋が設けられ、この建屋内を蒸気が上昇でき、この建屋内に上昇気流発電装置を組み込むことができ、この建屋に接続されて、一実施形態では、担持媒体の蒸気から凝縮物を回収する冷却ユニット（＝冷却装置）が設けられ、別の実施形態では、担持媒体に導入される熱との関係で、上方への運動による冷却（すなわち、熱（＝微視的運動）を巨視的運動、すなわち、複数の分子／原子の同じ方向への運動に変換する物理的過程−煙突効果）によって、高さｈの所で、冷却された蒸気が生成され、最良の場合、自然凝縮が開始されるように高さｈが設定されて冷却ユニットが必要とされず、次に、これに接続されて、一実施形態では、例えば、凝縮ミスト／凝縮物を生成し、またはさらに凝縮させるための大きな衝突表面として働く網の形態の凝縮物収集器／凝縮器が設けられており、次に、必ずしも必要ではないが、これに接続されて、凝縮物のための中間蓄積装置（例えば、外部の熱が入ってこない場合、またはピーク需要を満たすため、または凝縮物供給のピークを緩和するために必要である）が設けられ、これに接続されて、凝縮物のための下り管があり、これに接続されて、担持媒体の凝縮物の位置エネルギーから下り管での下降を介して回収される運動エネルギーを例えば電気エネルギーに変換することができる（また直接、熱に変換することもできる）タービンが設けられ、これに発電機が接続されており、必ずしも必要ではないが、これに接続されて、凝縮物のためのさらなる中間蓄積装置が設けられ、これに、元の蒸発室が接続されている。ここでは、冷却ユニットにおいて発生する熱を、改めて、搬送媒体を介して蒸発室における加熱のために導入することができる。

エネルギーを回収する方法および／または装置を実現するには、様々な実施形態が可能である。これまで説明した方法および／または装置では、担持媒体は、必ずしも必要ではないが、不純物を除いて高さｈの建屋の内部の唯一の気体であり、他の実施形態では、高さｈの建屋は、付加的に充填媒体（特に空気であるが、他のどんな気体／混合気も用いることができる）で満たされている。充填媒体は、集合状態の変化によって引き起こされる運転温度の変化による、方法および／または装置の中空室と外部環境との間の圧力の変化のために、任意構成として用いられる。この圧力の変化は、任意構成として、充填媒体によって補償でき、それによって、建設対象の設計のための構築上の方策が得られる。この場合、充填媒体が担持媒体によって一緒に運ばれるので、少なくとも２つの実施形態が得られる。一つは、高さｈにおいて担持媒体が除去された後に充填媒体を、戻し装置によって再び蒸発器で用いることができるようにする、充填媒体用の閉じた循環系であり、もう一つは、充填媒体が、建屋の内部に外部から運び入れることによって吸い込まれ、使用後に再び外部へ放出される開いた系である。

エネルギーを回収する方法および／または装置のさらなる考察から、さらなる利点が得られる。使用する物質の集合状態を変化させることによる副次作用として、その組成に応じて分別蒸留が得られる。エネルギーを回収する方法および／または装置において、例えば海水を担持媒体として開いた通路で用いた場合、単純な表現をすれば、水が蒸発して、拡散する気体が解放され、塩分が沈澱する。すると、高さｈの凝縮領域において、まさしく回収されたエネルギーによって、さらなる中間工程を必要とすることなく、高さｈに汲み上げられた特に純粋な水を利用することが可能となる。これから、やはり、様々な用途および実施形態（キーワード：（飲用）水回収、灌漑）が得られる。例えば、工場または家庭の雑用水または排水を使用すれば、本発明の方法によって、雑用水または排水が浄化され、残留物質が回収されることになる。

さらなる実施形態では、任意構成として、特に、各担持媒体の蒸発熱または蒸発エンタルピーが考慮される。この蒸発熱または蒸発エンタルピーは、液体／固体から気体への集合状態の変化時に潜熱として加える必要があるが、逆の変化の時には昇華熱または凝縮熱として放出される。これは、任意構成として、既に上述した冷却ユニットを用いた戻り搬送により、液体／固体から気体への集合状態変化の領域に戻される（図３を参照）。その結果、運転中は、外部から蒸発器に、損失エネルギーだけを追加的に導入するだけで足りることになる。損失エネルギーには、無論、有効に取り出されたエネルギーも含まれる。全体として、これらの実施形態は、エネルギーを回収するための構成のコストが明らかに低いという利点を有している。

さらなる実施形態では、上述した網は、冷却ユニットの冷却領域の構造の構成と配置、例えば、冷却剤（＝搬送媒体）が中を流れるホースからなる網によって実現される。

さらなる実施形態では、蒸発熱の回収、したがってまた、凝縮が、他の実施形態において冷却ユニットにより予め冷却された凝縮物を噴射し／降り注ぎ／導入することによって改善される。さらなる実施形態では、凝縮物は、同じ物理的作用を得られる物質によって置き換えることもできる（例：担持媒体が水である場合、凝縮を改善するために導入される物質は油とすることができる。これには、両物質を簡単に分離できるという利点がある）。

エネルギーを回収する方法および／または装置における全ての要素（１つまたは複数の担持媒体、１つまたは複数の搬送媒体、１つまたは複数の充填媒体、複数のエネルギー（１つまたは複数の熱、１つまたは複数の電気エネルギー、１つまたは複数の機械エネルギー、１つまたは複数の風、１つまたは複数の運動エネルギー）および集合状態に関して、閉じた循環系、または、開いた循環系を用いた構成が得られる。

本発明の方法および／または装置において用いられる搬送媒体は、例えば化学反応における触媒のような、機能上の補助的な役割しか果たさないが、各実施形態を実現する上で機能上不可欠である。例えば、冷却ユニットにおいて回収可能な熱の戻りは、任意構成として閉じられて蒸発器に戻る搬送媒体循環系によって実現される。また、搬送媒体は、このプロセスにおいて集合状態を変化させることもできるが、させなくてもよい。これは、一実施形態のこの部分も「ヒートパイプ」として構成した場合である。他の実施形態では、熱の搬送媒体として、例えば沸点がより高い液体（例えば植物油または鉱油、融解塩など）や、冷却ユニットにおいて回収された熱を導入しても集合状態が変化しない気体が用いられる。

本発明の方法および／または装置を駆動する熱エネルギーは、任意の熱源から取り出すことができる。これは、例えば、大地（地熱）、水（水の熱）、空気（空気の熱）、化石エネルギー担体（ガス、油、石炭、メタンアイスなど）、核エネルギー担体（融合または分裂）、または太陽（太陽エネルギー）である。

さらなる実施形態では、高さｈの建屋（＝煙突）は、エネルギー／熱を回収する装置と一致しており、それによって、無駄が、したがって、建設／開発コストが大幅に低減される。その物理的／技術的背景は、煙突効果によって担持媒体を高さ方向に搬送するために必要なエネルギーを無条件に蒸発室（図１）に、すなわち、集中させて（結果：高い温度が必要）導入する必要がなく、高さｈの建屋の高さ方向に分散させて導入することができる（結果：低い温度しか要求されず、すなわち、１メートルの高さ毎に無制限な必要分だけ加熱する）という考え方である。したがって、例えば太陽光集光器の場合に、エネルギー／熱を回収する装置をこのように構成すれば、集光器と高さｈの建屋が一致することになる。同様に蒸発または搬送のエネルギーに対して、低い初期温度しか生じない他のどんな場合にも、同じことが当てはまる。すなわち、これらの実施形態の場合、以下の工程を備える基本的なプロセスが進められる：高さｈを橋渡しするのに必ずしも十分ではない搬送エネルギーを用いて蒸発を生じさせる工程、位置エネルギーを回収し、損失を補償するために担持媒体を搬送する目的でエネルギー（熱）を回収し導入する工程（担持媒体は、ここで、同時に、場合によっては、回収されるエネルギーが一時的に過剰となるために搬送媒体の機能も果たす）、高さｈに達した後に凝縮を生じさせ、潜在エネルギー（この潜在エネルギーは蒸発熱であり、担持媒体の熱でもある）を回収する工程であって、このエネルギーはその後再び蒸発を生じさせて有効にエネルギーを回収するために供給される、工程、および、担持媒体を蒸発器に戻す工程。ここでも、飲用水を得るため、または排水の浄化のためなどの、および、開いた循環系および／または閉じた循環系の、既に上で挙げた全ての実施形態が可能である（図３も参照）。

我々人間が我々の環境を構築するために必要とする、または必要と考えるエネルギーおよび／またはエネルギー担体は、例えば電気エネルギー、化学エネルギー担体、または、物理エネルギー担体、例えば電解質から得られた水素や酸素などであってよく、または、蒸留の場合のエネルギーのようなポンプエネルギーとすることができる。

地熱、空気または水の熱、および太陽エネルギーのような入力エネルギー担体を利用する場合の、エネルギーを回収するこの方法および／または装置の利点は、環境を汚染する物質の放出が絶対的にないことである。

制限について：
・ここで説明した、エネルギーを回収する方法および／または装置は、上昇気流発電装置ではない（上昇気流発電装置は、ここで説明した、エネルギーを回収する方法および／または装置のような熱発電装置のグループに属している）。上昇気流発電装置は、ここで説明した発電装置の不可欠とは限らない一構成要素である。
・ここで説明した、エネルギーを回収する方法および／または装置は、海洋熱発電装置でない。海水の熱は単にエネルギー源を構成する１つの方策にすぎない。
・ここで説明した、エネルギーを回収する方法および／または装置は、地熱発電装置でない。大地の熱は単にエネルギー源を構成する他の方策にすぎない。

地熱をエネルギー源として利用する場合は、既存の（例えばルール地方にある）立坑設備を利用することを考えることができる。それによって、開発の初期コストが最低限に抑えられ、また、運転開始までの工期を短縮することができる。この場合、熱回収は例えば坑道の中で行われ、立坑が高さｈの建屋を構成し、加えて、地表の高さの所に凝縮物用の貯留池を造ることができ、この貯留池に、ピーク負荷分布を制御し操作する「貯留式発電装置」の働きをさせることができる。

図５は、本発明に係るさらなる装置の構成を模式的に示している。この装置は、図４を参照して説明した装置に相当している。ただし、図５では、エネルギーを変換し、熱を発生し、蓄熱するための要素４５が、一方のタービン３５および／または発電機４２と、他方の蒸発器３２との間に追加されている。このような装置を以下の実施形態で例示する。

エネルギーを回収する方法および／または装置のさらなる一実施形態では、この方法および／または装置によって回収されたエネルギーが熱の形態で蓄熱器（図５）（４５）に導入される。蓄熱器から、熱は、必要な時にエネルギー回収循環系に元通り供給することができる。この蓄熱器は、様々な実施形態で、蓄熱媒体として、例えば鉄または他の金属から構成することができ、あるいは、単純に石（例えば玄武岩、花崗岩、大理石、耐火粘土など）、または、液体、例えば塩水、融解塩、または溶融金属から構成することもできる。

この種類の中間での蓄積の利点は、担持媒体の蓄積、したがって、非常に高い所での質量体の蓄積と比べてはるかに高いエネルギー密度を達成でき、それによって、明白に費用を節減できることである。同時に、それによって、蒸発プロセスに継続的に熱を供給できる可能性が生じ、このことが結果的に、幾つかの実施形態において、建屋内に負圧が生じないことにつながり、これによって、また、幾つかの建設上の利点が得られる。

それぞれ３００×３００×３００ｍ³の容積を有し、約６００℃に加熱される玄武岩（０．８４ｋＪ／ｋｇ・Ｋ、３０００ｋｇ／ｍ³）製の３６５個の蓄熱器の例によってこの方法の能力を示す。ここに蓄積される熱量は１５，０００ペタジュールになり、これは、端数を切り上げると、２００５年のドイツ連邦共和国の一次エネルギーの年間需要に相当する。この熱量は、ここで示した、エネルギーを回収する方法および／または装置によって生成でき、他のエネルギー担体において利用するために再び引き出すことができる。

エネルギーを回収する方法および／または装置のさらなる一実施形態では、熱戻りの伝達は、蒸発熱を改めて導入するのと、および、任意構成として、担持媒体の基本的な熱を導入し直すのと同様に、各熱交換器によって実現される。熱交換器はそれぞれ管路を介して互いに接続されているのが有効である（図６）。すなわち、１つの熱交換器によって、エネルギーが担持媒体の蒸気または凝縮物から収集され（これは冷却ユニットである）、そのエネルギーが搬送媒体に伝達される。他方の熱交換器では、その収集されたエネルギーが蒸発器において蒸発させるために担持媒体に戻される（したがって、これは蒸発器である）。これらの熱交換器は、様々な実施形態において受動型（＝対向流式熱交換器、並流式熱交換器、直交流式熱交換器）および／または能動型（＝熱ポンプ）とすることができる。

熱伝達の実施形態では、受動型の熱交換器が優先的に使用され、受動型の熱交換器が理想的ではない場合には、一実施形態において、受動型の熱交換器では伝達されない残りの熱を蒸発プロセスに伝達するために、さらに少なくとも１つの能動型の熱交換器を組み込む必要があり、あるいは、他の一実施形態では、この残りの熱は、エネルギーを回収する方法および／または装置の周囲に熱交換器によって放出され、それを、その後、その分だけ多く蒸発プロセスに外部エネルギーを供給することによって補償する必要がある。このように能動型の熱交換器を組み込むのが、より有効であるが、前述の残りの熱を蒸発プロセスに伝達する距離が短い蒸発器においては、必ずしも必要ない。

１つの例（図６）によって熱の流れを説明する。熱交換器が対向流式熱交換器、担持媒体と搬送媒体が水、搬送媒体の冷却ユニット（６０）への流入温度が７０℃、流出温度が１００℃、対向流の入口での担持媒体の蒸気の温度が１０２℃、その出口での温度が７２℃であるとすると、搬送媒体の蒸発器への流入温度は１００℃になり、これがまた７２℃の担持媒体と接する。今、蒸発器（６２）のこの受動型で対向流式の熱交換器が冷却器のそれと同様に構成されているとする。すると、流出側では、担持媒体は９８℃、搬送媒体は７４℃となる。しかし、同時に、この受動型熱交換器は、搬送媒体に蓄積されたエネルギーの一部しか取り出すことができず、したがって、冷却ユニットのために、その運転に必要な７０℃の流入温度を元通りに達成するためには、残りの熱を能動的に取り出し、それによって、搬送媒体の温度をさらに４℃程度下げなければならない。これは、熱ポンプ（６１）（＝冷凍機の原理）を使って行われるが、そこで、熱は、蒸発を生じさせるために蒸発プロセスに戻すことができるように汲み出すのが有効である。

説明した実施形態は単なる例であり、特許請求の範囲内で様々なやり方で変更および／または付加を行うことができることが理解される。

本発明による一例の装置の構成を模式的に示す図である。 図１の装置の動作を説明する模式的なフローチャートである。 本発明による一例の装置の模式的なブロック図である。 本発明による他の例の装置の構成を模式的に示す図である。 本発明による他の例の装置の構成を模式的に示す図である。 本発明による装置における熱回収の一例を模式的に示す図である。

Claims (31)

1. ａ）熱エネルギーを導入することによって非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換して、前記気体の担持媒体が上昇し、位置エネルギーを獲得するようにする工程と、
   ｂ）所与の高さの所で前記気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換する工程と、
   ｃ）回収された前記非気体の担持媒体の前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する工程と、
   を有する、エネルギーを変換する方法。
2. さらに、熱エネルギーを、前記気体の担持媒体が乗り越える高さ方向に分散させて前記担持媒体に導入する、請求項１に記載の方法。
3. 導入される前記熱エネルギーを地熱、水の熱、空気の熱、化石エネルギー担体、核エネルギー担体、および太陽エネルギーの少なくとも１つから回収する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記気体の担持媒体を冷却することによって、該気体の担持媒体を非気体の担持媒体へ戻すように変換する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記冷却を、所与の高さに配置された冷却領域に搬送媒体を通すことによって行う、請求項４に記載の方法。
6. 前記冷却を、搬送媒体を介して行い、前記担持媒体の冷却の結果行われる前記搬送媒体の加熱を、導入される前記熱エネルギーに寄与させるように利用する、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記戻すように変換するのを促進するために物質を前記担持媒体内に直接導入する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記気体の担持媒体の上昇移動時の冷却に基づいて、所与の高さで、前記気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
9. 回収された前記非気体の担持媒体の回収された位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する前に該担持媒体を中間的に蓄積する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記担持媒体の前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換するために、先ず、回収された前記非気体の担持媒体を高い高さから低い高さへ下降させることによって前記位置エネルギーを運動エネルギーに変換し、次に、該運動エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記位置エネルギーを機械エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー担体を生成するエネルギー、および物理エネルギー担体を生成するエネルギーの少なくとも１つに変換する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 回収された前記非気体の担持媒体を、前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーへ変換した後に中間的に蓄積する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 回収された前記非気体の担持媒体を、前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換した後に、少なくとも部分的に、閉じた循環系にさらに用いられ、該閉じた循環系で工程ａ）が続いて行われる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記非気体の担持媒体を、工程ａ）において気体の担持媒体に変換することによって蒸留し、蒸留され回収された当該非気体の担持媒体を、前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーへ変換する前または変換した後に少なくとも部分的に取り出す、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記気体の担持媒体が、該担持媒体によって一緒に運ばれる充填媒体を包含する中空室内を上昇する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. −中空室と、
    −前記中空室の下端に配置され、熱エネルギーを導入することによって非気体の担持媒体を気体の担持媒体に変換して、該担持媒体が前記中空室内を上昇し、位置エネルギーを獲得するように構成された集合状態変換器と、
    −前記中空室の上端に配置され、前記気体の担持媒体から回収された非気体の担持媒体を収集するように構成された収集器と、
    −回収された前記非気体の担持媒体の前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換装置と、
    を有する、エネルギーを変換する装置。
17. 熱エネルギーを前記中空室の高さ方向にわたって分散させて導入するように構成されたエネルギー導入要素をさらに有する、請求項１６に記載の装置。
18. 導入される前記熱エネルギーを、地熱、水の熱、空気の熱、化石エネルギー担体、核エネルギー担体、および太陽エネルギーの少なくとも１つから回収するように構成されたエネルギー回収要素をさらに有する、請求項１６または１７に記載の装置。
19. 前記収集器は、前記気体の担持媒体を冷却することによって非気体の担持媒体に戻すように変換するように構成された冷却ユニットを備える、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 前記冷却ユニットは、前記気体の担持媒体を冷却するために搬送媒体が流れる冷却領域を備える、請求項１９に記載の装置。
21. 熱戻り管路をさらに有し、前記冷却ユニットは、前記気体の担持媒体を冷却するために搬送媒体を流すように構成されており、該冷却によって暖められた前記搬送媒体を前記中空室の下端に配置された前記集合状態変換器へと送って、導入される前記熱エネルギーに寄与させるように前記熱戻り管路が構成されている、請求項１９または２０に記載の装置。
22. 前記収集器は、前記気体の担持媒体を非気体の担持媒体に戻すように変換するのを促進するために物質を前記担持媒体内に直接導入する手段を備える、請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記気体の担持媒体の上昇移動時の冷却に基づいて、前記中空室の上端で、前記気体の担持媒体が非気体の担持媒体に戻すように変換されるように前記中空室の高さが設定されている、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の装置。
24. 回収された前記非気体の担持媒体の位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換する前に前記担持媒体を中間的に蓄積するように構成された中間蓄積器をさらに有する、請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 前記エネルギー変換装置は、回収された前記非気体の担持媒体を高い高さから低い高さへ下降させることによって前記位置エネルギーを運動エネルギーに変換するように構成された下り路と、前記運動エネルギーを他の形態のエネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換器と、を有する、請求項１６〜２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記エネルギー変換装置は、回収された前記非気体の担持媒体の前記位置エネルギーを機械エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー担体を生成するエネルギー、または、物理エネルギー担体を生成するエネルギーに変換するように構成されている、請求項１６〜２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記位置エネルギーを他の形態のエネルギーに変換した後に、回収された前記非気体の担持媒体を中間的に蓄積するように構成された中間蓄積器をさらに有する、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載の装置。
28. 前記エネルギー変換装置は、回収された前記非気体の担持媒体が、前記位置エネルギーが他の形態のエネルギーに変換された後に、前記中空室の下端に配置された前記集合状態変換器に元通り供給されるように構成されている、請求項１６〜２７のいずれか１項に記載の装置。
29. 前記非気体の担持媒体が、気体の担持媒体への変換によって蒸留されるようになっており、回収された前記非気体の担持媒体を、前記位置エネルギーが他の形態のエネルギーに変換される前または変換された後に少なくとも部分的に取り出すように構成された取り出し接続部をさらに有する、請求項１６〜２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 前記中空室は、前記担持媒体によって一緒に運ばれる充填媒体を包含している、請求項１６〜２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 請求項１６〜３０のいずれか１項に記載の装置と、請求項１６〜３０のいずれか１項に記載の当該装置に供給される熱エネルギーを回収するように構成された少なくとも１つの装置と、を有するシステム。

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