JP2010507776A - 淡水化プロセスによる圧縮空気エネルギー及び／又は冷却水を用いる熱エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Abstract

本発明は、特に冷房目的で費用効率の高いエネルギーを作り出す普遍的なシステムに関する。一実施態様では、風車を用いて電気と圧縮空気エネルギーを発生し、圧縮空気エネルギーを用いて電気と冷却空気をコジェネレーションする。次いで冷却空気を用いて混合室又は淡水化システムのいずれかで水を冷却し、この冷却水を分離タンクに貯蔵し、施設の空調システム１５を冷房するために後で使用できる。淡水化を用いた場合には、このシステムは空調に使用できる新鮮な冷却飲料水を作り出し、次いで新鮮な飲料水として使用できる。冷却排気のいずれもが空調に直接使用できる。

Description

背景分野
この国の多くの地域で、空調の必要性が特に夏期数ヶ月に重要になる。フロリダ州、テキサス州、及び南部の他州のような幾つかの州では、この必要性が一年の大部分を通して重要である。大きな窓を用いる場合屋外温度は常に室内温度に影響するだけでなく、通常屋内に閉じこめられて熱が生じる温室効果を相殺するように冷却の必要性が非常に増す。温暖な気候の地域では、空調の需要が必要な空調に費やされる全エネルギーコストの大きな部分を生む原因となる、即ち空調が全エネルギーコストの重要因子となり得、且つ／又は全エネルギーコストの大きなパーセントを表し、その結果住宅やビジネスの冷房維持費用が大きな重荷になり得る。

建物の冷房維持に関連する別の問題は、エネルギー需要が日中時間にピークに達する結果、この時間のエネルギー料金が増すことである。即ち、通常空調の必要性は太陽が照り屋外温度がその最高になる日中に最大になる。この時間は又大部分のビジネスが活動している時間であり、この時間中エネルギー料金を押し上げやすい。多くの電力会社はこの高需要を相殺するためにピーク日中時により高い料金を課する。これは特に最も暑い夏期数ヶ月で当てはまる。暖房の必要性が冷却の必要性よりより大きい冬季の数ヶ月には、この二つの相関性はそれほど強くない。冬季の数ヶ月では通常日中は夜間より暖かいため、通常日中のエネルギー全体の必要性は夏ほどは高くない。それでもなお住宅とビジネスでの温度を快適に保つコストは、エネルギーコストが最大需要期でより高い程度に非常に高くなりうる。

これらの問題により以前から高需要期のエネルギーコスト全体を削減する代替えエネルギー源を用いたコスト削減システムの開発と実行が試みられてきた。例えばエキストラの暖房を住宅とビジネスに提供するように太陽エネルギーシステムが開発使用されてきた。それでもなお、太陽由来のエネルギーは、通常まさにその性質上冷房目的には有効利用できない。太陽エネルギーは電気に変換後その電気を用いて空調システムを作動できるが、発電のための太陽エネルギー変換コストは桁外れに高い。

過去のシステムは、又風のような他の代替え自然エネルギー源を組み入れて発電後、冷暖房両者に使用できる。しかし風利用の問題は、需要があるときに風が必ずしも吹くとは限らない。例えば、風は予測しにくく不確かで、エネルギー需要が最大の時に風は十分な風力で吹かない。実際多くの場合風は夜により強く、より一貫して吹く一方、エネルギーの必要性は先に検討したように日中に最大になるかもしれない。

これらのジレンマを解決するために、エネルギーの必要が最も高い時に後で使用できるよう、風が発生するエネルギーの貯蔵が試みられた。過去の試みとしては、出力１０−５０ｋＷ程度の小型風車タービン発電機を用いて、風力発電が不十分な時を埋め合わすように過剰な風力発電時のエネルギー貯蔵に電池の使用が挙げられる。又風エネルギーを圧縮空気エネルギーの形で鍾乳洞に貯蔵し、電力出力向上のために補足的な燃焼に用いるように計画したプロジェクトもある。これらの風発生エネルギーを貯蔵する試みの幾つかの利点にもかかわらず、これらはある短所がありその使用を困難又は非効率にする。

現在使用されているエネルギーコスト低減に比較的成功してきた空調システムの一形式は、熱エネルギー貯蔵システム（ＴＥＳ）である。このシステムでは、通常電気料金が比較的低い時に水を冷却した後、その冷却水を大貯蔵タンクに貯蔵することにより冷却水を後で、即ち、電気料金が比較的高いときに空調システム冷却のために使用できる。このシステムにより、夜のようなエネルギー料金が比較的低い時に水を冷却した後、水温成層型タンクに貯蔵することで、最も必要な時に後で、即ち日中のピーク時に使用して関連施設の冷房のために使用できる。これによりその施設は比較的低エネルギーコスト時に、即ち夜に公益事業電力網の電気エネルギーを消費でき、その結果比較的高エネルギーコスト時、即ち日中に施設の冷房の使用し、全体のエネルギーコストを削減できる。

しかしこれらシステムの欠点の一つは、エネルギーがオフピーク時間の低料金で購入できるにもかかわらず、電力会社から直接購入する必要があることである。これらの理由のため日中ピーク時間の運転ができるだけでなく、エンドユーザーのコストと全体のエネルギー使用を更に削減できる空調システムの提供に使用できる改良した方法とシステムが必要である。

発明の概要
本発明はエンドユーザーのエネルギーコストを削減できる改良冷房法とシステムに関し、熱エネルギー貯蔵システム、及び／又は圧縮空気エネルギー貯蔵システムとの連動運転に適合された空調システムを含む。

一実施態様では、空調システムは好ましくは圧縮機と圧縮空気貯蔵タンクを有し、エネルギーを圧縮空気の形で長期間貯蔵できる圧縮空気エネルギーシステムとの連動運転が適用される。本実施態様では、圧縮機を駆動するエネルギーは、必然的ではないが好ましくは風により発生する。一台以上の風力タービンを戦略的に配置適用することにより風エネルギーを効率よく発生でき、圧縮機のエネルギーを一貫的なベースで作り出せる。風力タービンは電気を発生できる発電機を備えることができ、その電気は関連施設、ユーザー又は電力網のいずれで直ちに使用できる。このシステムは、夜のように風が最も得られる時、又は風が一貫して吹く他の時間に風力エネルギーを作り出した後、後での使用のために貯蔵できる。

好ましいシステムは、好ましくは圧縮空気を放出するときに発生エネルギーを、１）圧縮空気エネルギーシステムと連動運転して発電機が作り出す電気、又は２）圧縮空気を放出するときに副産物として発生した冷却空気のいずれかの形で使用できるように、適切な時間に圧縮空気エネルギーを放出するターボ膨張機を有する。これらの二つの形のエネルギーは、好ましくはコジェネレーションベースで作り出すことにより所定時間のいずれかに、どれか一方又は両者を効率よく利用できる。圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、この点で比較的低効率比で、即ち約３０％に近い効率比で電気を発生すると考えられる。一方電気と冷却空気両者を同時にコジェネレーションし、冷却空気を補助目的で使用することによりこのシステムの効率比をもっと高い比に、即ち望ましい比の最大約６０％以上まで押し上げる。

本実施態様では、圧縮空気として作り出し放出した冷却空気は、以下で検討するように空調、冷凍、及び／又は淡水化のような他の冷却目的に使用できる。更にこのシステムの実施態様では、好ましくはより適切な時間である、貯蔵した時から、冷却水が使用される時間を遅らすことができる。例えばこの実施態様の一変形では、エネルギーを圧縮空気の形で貯蔵することで、後で、即ちエネルギーが必要なとき、及び／又はより便利な時間に使用できる。第二の変形では、最初に圧縮空気エネルギーを貯蔵する代わりに、空気を圧縮して貯蔵することなしに直ちに圧縮空気エネルギーを放出できる。いずれの場合も圧縮空気を放出するときに作り出される膨張空気を用いて電気だけでなく又冷却空気を作り出せ、冷却水を作り出すのに使用できる。次いで冷却水を分離（温度成層型）タンクに貯蔵でき、エネルギーを圧縮空気よりむしろ冷却水の形で貯蔵できる。第三の変形では、このシステムはシステムの必要性により両者が適用でき、即ち圧縮空気エネルギーの幾らかを後での使用のために貯蔵でき、その幾らかを最初に貯蔵することなしに直ちに使用して冷却水を作り出した後、分離タンクに貯蔵できる。

ターボ膨張機からの冷却空気を使用する第二の目的の一つは、淡水化システムを用いて水を浄水化できることである。

好ましくは本発明の淡水化システムを適用して、海水、汽水又は他の不純な形の水（以後“海水”と総称する）から塩や他の不純物を除去する。本実施態様ではこの淡水化システムは、好ましくは塩と他の不純物の除去に使用できる晶析室を含み、そこで精製水が作り出される。好ましくは淡水化システムは、海水を霧又は噴霧物の形で晶析室に注入し、好ましくはターボ膨張機の冷却空気をこの室に導入することにより霧又は噴霧物を非常に冷たい空気に暴露する。これにより海水小滴は−６度Ｆより遥かに低く過冷却、急速冷凍を起こす結果、晶析室頂部のような所に過冷却された氷粒子を形成する。このシステムは、氷粒子がこの室の底に落下すると約−６度Ｆの平衡温度に達する。海水の凍結により純粋な浮遊氷粒子の形成が可能になり、比較的濃厚な高塩分塩水に残る塩と他の不純物を室の底に残す。

高密度液体の高塩分塩水からの低密度の淡水氷粒子の分離は、（１）重力と、（２）淡水の添加により晶析室内の各氷粒子周囲層に付着する粘度の大きな塩気のあるブラインの置換を助けることにより起り得る。淡水は凍結し塩気のあるブラインを重力流として移動させ、バッチ毎に凍結する添加水は後で再使用のために回収する。水添加のパラメーターは、小滴が底に落下するときこの水を一層毎に形成された氷の上に噴霧すること以外、在来の洗浄塔で使用するものと同一である。

同時に過冷却氷粒子と塩水が約−６度Ｆの温度で混合物となり、低密度の淡水氷粒子が濃厚塩水内に浮遊する。大部分の液体塩水は排液により除去する。すべての氷粒子上の残留する液体塩水は、更に在来の洗浄塔で除去できる。
従って淡水化システムは、残留塩や他不純物のいずれもが氷粒子から確実に除去されるように、高塩分塩水から氷粒子を分離する手段を有する。氷粒子が融解すると精製水のみが残る。これらの氷粒子（氷固体相と塩水液体相の形成を保証するために−６度Ｆより少し暖かく冷却）は、好ましくは小さい保留タンク又は他の容器に分配し、既に以前にこのシステムで精製した水（これは室温であることができる）のような追加の淡水と混合した後に融解させる。過冷却氷粒子を追加の水と混合することにより、このシステムは、即ち凍結温度又はその近くの非常に冷たい新鮮な飲料水を作り出せる。例えば以下に検討するように、分離タンクへ投入する最終温度は、熱エネルギー保存システムと連動して、好ましくは約＋４０度Ｆであるが、必要ならば他の目的のために水は＋３２度Ｆ乃至＋６０度Ｆ付近またはそれ以上でも良い。

次いで淡水化システムで生じた冷却淡水は、熱エネルギー貯蔵システムに分配しそこに貯蔵後、適切な時間に空調システムで冷却するために使用後、以下に検討するように施設の冷房に使用できる。この最後の点の好ましい実施態様は、好ましくは晶析室内の冷却精製水を分配貯蔵できる分離タンク又は成層タンクを含む。分離タンクを備えることにより、即ち空調の必要性が高いときに一番冷たい水をタンクの底から取り出し空調システムに使用できるように、一番冷たい水をタンクの底に残し、比較的暖かい水はタンクの最上部に残る。この水を分離タンクに比較的動かないように保つことにより、冷水と温水は階層のままで保持され、次いで最も冷たい水が底から利用でき、空調システムで冷却するのに使用できる。最上部の比較的暖かい水は、幾つかを挙げると飲料水として、又は淡水化システムの洗浄塔での使用に利用できる。

空調システムは、好ましくは分離タンクの冷却水を送る管及び／又コイルを有する。このようにして、冷却水はセントラル空調室内の循環空気が熱交換により冷却されるようにセントラル空調室に配置する管、及び／又はコイル内を通過できる。即ち空気が冷却された管、及び／又はコイルを通過するかその上を通ると、比較的冷たい管及び／又はコイルを囲む比較的暖かい空気は冷たくなり、換気システム経由のように施設全体に分配され、冷房用空気がその施設または他のユーザーに提供できる。又晶析室を出たターボ膨張機の冷却空気を用いて冷気を施設に直接提供できる。冷却水は、又断熱パイプのネットワーク経由のように冷却水の形で他の隣接施設に分配でき、システムはその近くの追加施設に追加の冷房能力を提供するように拡大できる。好ましくはこのシステムは冷却媒体として淡水化システムの淡水を用いるため、その水はその施設又は他の任意の目的で使用するための新鮮な飲料水として分配するために空調システムから還流される。

在来のＴＥＳは通常閉ループで運転するので、このシステムへの水の添加や除去はないが、この淡水化システムの場合にはそうではない。例えば在来のＴＥＳでは、冷水は成層タンクの底から遠方に配置する冷暖房（ＨＶＡＣ）システムに対して一方向に循環して空気を冷却し、冷水が熱交換コイルを通過後、比較暖かい水が成層タンク最上部に戻る。このシステムは又成層タンク最上部から遠方に配置するＨＶＡＣシステムに対して反対方向に比較的暖かい水を循環して空気を暖め、温水が熱交換コイルを通過後、比較的冷たい水が成層型タンクの底に戻る。

しかし淡水化の本実施様態では、新鮮な冷飲料水は晶析室（及び洗浄塔）で作り出された後に分離タンクに加えるので、システムを閉ループで運転するのは望ましくない。むしろ淡水が空調システムを通過後施設に戻った後に淡水を除去することが望ましいので、新鮮な飲料水として使用できる。従ってすべての過剰な冷却水を別に貯蔵するシステム、又は分離タンク満杯の場合には自動的に止めるシステムのような分離タンクが満杯のままであることを保証するセンサーと論理回路が必要である。

本実施態様では、システムに必要な二つの入力は以下の通りである。１）風車により捕獲されるべき風エネルギー、及び２）淡水化システム用の海水。風車発電機による即時の電気出力以外に、それらが最も必要なときに使用できる時間遅延ベースで提供できる可能な出力は以下の通りである。１）ターボ膨張機が放出する圧縮空気により発生する電気、２）ターボ膨張機が放出する圧縮空気により発生する冷却空気、３）精製目的で晶析室のターボ膨張機が放出する冷却空気を用いることにより作り出される精製水、４）淡水化システムが作り出し分離タンクに貯蔵される冷却淡水、５）分離タンクの冷却淡水が空調システムの管、及び／又はコイルを通過することにより作り出される冷却空気、及び６）塩や他の不純物、鉱物類などを含有する高塩分塩水の回収。更に冷却空気がターボ膨張機から−１２０度Ｆと−１７５度Ｆの間で放出を開始し、淡水化に使用し約−６度Ｆの温度の冷却空気を生ずる場合、このシステムは冷たい排気を作り出す。利用可能な時間から必要な時間にエネルギーの使用を遅らせるために本システムは、好ましくは二つの異なる貯蔵手段の内の一つ又は両者を使用し、その手段は１）エネルギーを圧縮空気の形で貯蔵できる圧縮空気エネルギー貯蔵システム、及び／又は２）エネルギーを冷却水の形で貯蔵できる分離（水温成層型）タンクを含む。上述の二つの入力と二つの貯蔵媒体を用いて、時間遅延ベースに基づく上記出力が提供でることにより、好ましい実施態様はシステムの全体効率を著しく増加できる。

淡水の使用、及び／又は海水の淡水化の必要がない代替え実施態様では、上述の晶析室の代わりに混合室及び淡水又は他の液体を保持する分離タンクが使用できる。この場合、好ましくはターボ膨張機の冷却空気が混合室に分配され、好ましくは冷却空気を混合室へ導入する手段が提供される。例えば、これは冷却空気を小さい気泡として注入し、その気泡を下部から混合室に導入する。その結果混合室の水又は液体が冷却空気により循環冷却される。次いで混合室の冷却水又は液体は分離タンクに分配保存された後、上で検討したように空調システムにより後で使用できる。

この場合、分離タンクは好ましくは上部と下部を有し、混合室の冷却水をタンク下部に導入できる。このようにして空調システムを冷却するのに冷却水が必要な時に、分離タンク下部から冷却水を取り出した後、エアコンに分配し次いで空気冷却に使用できる。水を分離タンクに比較的動かないように保ち、タンクへの水の出入りを比較的をゆっくりと保つことにより、冷却水はタンクの底に留まり、比較的暖かい水はタンク最上部に留まる。

好ましくは本実施態様では、システムは閉ループを形成し、分離タンク上部は上側注入口と上側排出口を有し、下部は下側注入口と下側排出口を有する。このようにして、混合室の冷却水は下側注入口から分離タンク下部に分配した後貯蔵できる。次いで必要な場合には、分離タンクの冷却水を分離タンクの下部から下側排出口を通して取り出し、空調システムでの冷却に提供できる。次いで冷却水が空調システムを通過し熱交換後、空調システムからの比較的暖かい水が上側注入口を通して分離タンク上部に還流し、水が再度貯蔵できる。最後に適切な時間に、分離タンク上部の比較的暖かい水が上側排出口を通して混合室に還流することにより再度冷却され、このサイクルを再度始める。

熱交換コイルを含む場所で加熱が必要な場合には、分離タンクの循環を逆にすることで分離タンク最上部の温水を熱交換コイルに移し、コイルとＨＶＡＣの空気を加熱する。熱交換コイル上を通る冷気が分離タンクの底に戻る水を冷却する。冷水と温水界面が分離タンク最上部に達すると、そのプロセスは中断される。混合室の冷水を分離タンクの底に加えると、同量の温水を一定容量の分離タンクに適合するように分離タンク最上部から抜き取る。分離タンクの容量は、日中の空調冷房のニーズに十分な冷却水が提供できる大きさである。

本実施態様では、以下の入力が必要である。１）風車が獲得する必要のある風エネルギー、及び２）任意の供給源からの水又は液体。風車発電機が作り出す即時の電力以外に、最も必要なときに使用できる時間遅延ベースで提供できる可能な出力は以下の通りである。１）ターボ膨張機が放出する圧縮空気により発生する電気、２）ターボ膨張機が放出する圧縮空気により発生する冷却空気、３）ターボ膨張機が放出する冷却空気により作られる冷却水又は液体、これらは冷却空気を混合室を通過させることにより作り出され、この冷却水又は液体は分離タンクの底部に貯蔵される、４）分離タンクの底部からの冷却水又は液体を空調システムのパイプ、及び／又はコイルを通過させることにより作り出される施設の冷房空気。更にこのシステムは、−１２０度Ｆと−１７５度Ｆの間で始まる冷却空気を用いて、混合室の水又は液体を約＋４０度Ｆに冷却する場合、冷たい排気を作り出す。好ましい実施態様のように、本実施態様では好ましくは、エネルギー使用の利用可能な時間を必要な時間まで遅らせることにより、二つの異なる貯蔵手段の内の一つ又は両者を用い、その手段は１）エネルギーを圧縮空気エネルギーの形で保存できる圧縮空気エネルギー貯蔵タンク、及び／又はエネルギーを冷却水の形で保存できる分離タンクを含む。好ましい実施態様は、又上述の二つの入力と二つの保存媒体だけを用いて時間遅延ベースで上記の出力が提供できるため、システムの全体効率を著しく増加できる。

他の実施態様では、圧縮空気エネルギーを作り出すのに必要なエネルギーは風車以外の手段により提供できる。例えば風力タービンの使用を必要とするか、さもなければ予測しにくく不確かな風エネルギーを用いるかわりに、これらのシステムはオフピーク時の間、即ちエネルギーが低エネルギー料金で利用でき圧縮機が駆動できる夜間に、地熱発電や原子力発電を含む電力網のエネルギーが使用できる。例えばこの電力網のエネルギーを用いて、夜中に空気を圧縮空気エネルギー貯蔵システムに圧縮し圧縮空気を貯蔵でき、次いで適切な時間に圧縮空気をターボ膨張機により放出して電気及び／又は冷却空気を発生できる。以前に検討したように、冷却空気を用いて水を冷却、及び／又は淡水化することにより冷却水を又分離タンクに貯蔵でき、次いで後の時間で空調システムに利用できる。料金が比較的低いときにこの電力網のエネルギーが貯蔵でき、エネルギーを後で利用できるので、本実施態様は需要と料金が低いときにエネルギーを購入した後、需要と料金が高いときにエネルギーを使用することによりエネルギー使用の全体コストを削減できる。

燃焼駆動型電力網、地熱発電源、及び原子力発電源は、好ましくはその理想的な作動のために定常出力での連続運転が好ましい。残念ながら電力需要は夜に低下する。従ってここに記載のエネルギー貯蔵技術が特に利用できる。

他の実施態様では、圧縮空気エネルギー貯蔵システムを使用する代わりにこのシステムは、低温を生み出せる在来の水凍結淡水化システムを用いて分離タンクへ貯蔵が必要な冷却水を発生し、海水を凍結し冷却精製水を作り出せる。このようにして水を精製する在来の淡水化システムを用いた結果、作り出された冷たい排気温度は無駄にならずむしろ水冷却に使用でき、次いで分離タンクに貯蔵し、空調の必要性がより高い時に後で使用できる。

図１は本発明の共通構成要素を示す略図である。 図１ａは、どのように共通システムを用いて即時使用の電気を作り出し、夜にエネルギーを作り出し圧縮空気エネルギーシステムに貯蔵するかを示す略図である。 図２は共通システムの補助圧縮機構成要素を淡水化室と共に示す略図である。 図２ａは、どのようにエネルギー源が作り出した圧縮空気エネルギーを用いて、冷却空気を先ず圧縮空気エネルギーとして貯蔵することなしに作り出すかを示す略図である。 図２ｂと図２ｃは補助圧縮機と冷却空気を冷たく維持するのに用いる熱交換機に関連するデータシートである。 図２ｂと図２ｃは補助圧縮機と冷却空気を冷たく維持するのに用いる熱交換機に関連するデータシートである。 図２ｄと図２ｅは異なるターボ膨張機の放出を示すグラフである。 図２ｄと図２ｅは異なるターボ膨張機の放出を示すグラフである。 図３は風力タービンの略図である。図には電気モーター４と圧縮機１０を塔底部に示すが、本発明では圧縮機の二つの駆動方法を検討する。第一では発電機は風車のナセル内に配置でき、電気を発電機から塔に送電して電気モーターを駆動し、続いて圧縮機を駆動する。第二では歯車列をナセル内に備え、風車の機械回転エネルギーを塔に送り、それを用いて回転エネルギーを先ず電気に変える必要なしに圧縮機を直接駆動する。第一の方法が好ましい実際的なやり方である。第二の方法はより効率的な送電を提供するが、適切な構造的な安定性を考慮する必要がある。 図４は分離タンクに連結した混合室の略図である。 図５は空調システムに連結した分離タンクの略図である。 図６ａは冷却空気を用いて晶析室に霧又は噴霧物として注入した海水粒子を凍結する晶析室内を有する淡水化システムの略図を示す。 図６ｂは、どのように氷粒子がこの室の底に積み上げられ、穴あきバスケットを用いて氷を除去するかを示す図６ａに示した淡水化システムの略図である。 図６ｃは、どのように氷粒子をこの室から除去し、保持タンク内の洗浄塔を用いて融解するかを示す図６ａに示した淡水化システムの略図である。 図６ｄは、どのように氷粒子をこの室から除去し、局部的な温風を用いて融解し、穴あきバスケットを用いて氷を除去するかを示す図６ａに示した淡水化システムの略図である。 図７は風力発電を用いて最大電力を発生する図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。 図８は風力発電を用いて電力と即時冷却用の冷却空気のコジェネレーションを生む図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。 図９は風力発電を用いて電力と、即時冷却と遅延冷却用の冷却空気のコジェネレーションを生む図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。 図１０は風力発電を用いて電力と、淡水化、即時冷却と遅延冷却用の冷却空気のコジェネレーションを生む図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。 図１１は風力発電を用いて電力と、貯蔵タンクが満杯の場合に即時冷却と遅延冷却用の冷却空気のコジェネレーションを生む図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。 図１２は風力発電を用いて電力と、貯蔵タンクが満杯の場合、淡水化、即時冷却と遅延冷却用の冷却空気のコジェネレーションを生む図１の共通構成要素の実施態様を示す略図である。

発明の詳細な説明
１．システム部品
図１は単一システム１の全シナリオに関する全構成要素と特性を含む共通する実施態様を示す略図である。一般的に言えば、エネルギー源３、主圧縮機１０、圧縮空気エネルギー貯蔵タンク５、圧縮空気放出用のターボ膨張機７、圧縮空気を用いる発電用ターボ発電機１４、ターボ膨張機が発生する冷却空気を用いて冷却淡水を作り出す淡水化システム９、冷却空気を用いて冷却水を作り出す混合室１１、冷却水貯蔵用の分離タンクを有する熱エネルギー貯蔵ユニット１３、及び冷却水を用いて冷房用の冷却空気を生み出す空調システム１５を含む。又補助圧縮機３４、追加の熱交換機などがあっても良い。

主なシステム構成部品は以下の物からなる。
＊ エネルギー源
＊ 圧縮空気エネルギー貯蔵システム
＊ 貯蔵なしのターボ圧縮機とターボ膨張機
＊ 混合室
＊ 淡水化システム
＊ 熱エネルギー貯蔵システム
＊ 空調システム

Ａ．エネルギー源
システム１と連動して使用できるエネルギー源３としては、電力網３ｂ、地熱発電３ｃ、原子力発電３ｄなどの標準的電気のような任意の在来手段で良いが、好ましい実施態様では、そのエネルギーは図３に示すように一つ以上の風車１９で発生する風力発電３ａである。

在来の風車１９を用いることができ、各風車ステーションは、好ましくはその上に配置の水平軸風車を有する塔２１を含む。塔２１は好ましくは風車１９を直立に所定高さに配置し、各風車は風方向を“向く”。風車１９は水平に向いた回転軸１８周りに位置する羽根又はファン２３を有し、塔２１頂部に設置される。各風車は好ましくは風方向を“向く”。変速装置と発電機は、軸１８の機械回転力が直接発電機を駆動して電気エネルギーを作り出すように、風車１９のナセル１６内に配置できる。軸１８上に直接発電機を位置することで、変速装置を通して効率的に機械力を電力に変換できる。次いで電気エネルギーを電力線経由で塔２１に送電でき、他の電力線やケーブルに接続してシステム１に分配し、即時使用又は貯蔵用のエネルギーが提供できる。図３に圧縮機１０駆動用の電気モーター４を塔２１底部に示すが、電力線２５との連結部、及び／又はスイッチを含む任意の配置が塔２１底部に提供できる。

風車１９は、好ましくはナセル１６内に配置の発電機を用いて、回転力を電気エネルギーに変換する。風車システムの一様態では、電気エネルギーを用いて関連施設、ユーザー又は電力網による即時使用のための電気を発電できる。この点では、図１に示す電力線又はケーブル２５は、好ましくは風車発電機に連結することにより風車１９の電気エネルギーが最も必要なとき、即ち需要が高いときに、電力網で発生提供される電気エネルギーの補足手段として直ちに使用できる。この電気は、送電線と近接ネットワークと一体化した電力平準化、更にはピーク電力カット、及び／又は必要な場合には緊急電力の供給に使用できる。

図１に示す他様態では、電気エネルギーを用いて主圧縮機１０を駆動できる電気モーター４を駆動して圧縮空気エネルギーを作りだし、続いて圧縮空気エネルギー貯蔵システム６（“ＣＡＥＳ”）の一部である圧縮空気貯蔵タンク５に貯蔵できる（ＣＡＥＳシステム）。ＣＡＥＳシステム６は風エネルギーを圧縮空気エネルギーの形で貯蔵できるので、適切な時間にターボ膨張機７からそのエネルギーを放出し、エネルギーが必要なとき、及び／又はより便利なときに後で使用でできる。

好ましくはユーザーの必要性、システム、及び風利用の可能性によって、いつどのように風車１９の風エネルギーを電気及び／又は圧縮空気エネルギーに変換するかを制御する論理回路８が提供される。例えば電気需要が中ぐらいで、風が十分な力で規則的に吹いている日中では、システム１は風エネルギーの大部分又は全てを即時使用のための電気に変換するようにされ、この場合電気をユーザー施設に電力線２５に沿って送電し、電力網の電力コストを補助し削減する。一方夜のような即時の電気需要が殆どない場合、システム１は風エネルギーの全部ではないが大部分を用いて主圧縮機１０を駆動するモーター４を作動し、続いて風エネルギーを後の時間に使用できるように圧縮空気エネルギーとして貯蔵タンク５に貯蔵するようにできる。又即時使用以上に過剰なエネルギーが作り出された時は、常に過剰エネルギーを貯蔵でき更にシステム効率を向上する。論理回路８に基づく他の制御特性と選択肢は、システムの追加特性と関連して以下に検討する。

実施態様の一変形では、スイッチを論理回路８と連動して用い、風車１９の発電機で発生した電気を即時使用か貯蔵のいずれか、又は両者に導くことができる。例えばエネルギーが直ぐに必要な場合、発電機が発生した電気を電力線２５に分配し、そこで任意の連結した施設、ユーザー、又は電力網により使用できる。一方エネルギー貯蔵が必要な場合、電気は好ましくは主圧縮機１０を駆動するよう適合した電気モーター４に分配できる。このようにして電気は適切な時間に、即時使用又は貯蔵かを適切な割合又は分配量で適切な使用に容易に転換できる。例えば電気の半分を即時使用に、半分を貯蔵に分配できる。

別の変形では、風力発電を即時使用用電力と貯蔵用エネルギーの間で機械的に分配できる機械力分割機構が提供できる。この変形では、第一変速装置を風車１９のナセル１６内に配置し、水平駆動軸１８の回転運動を塔２１の下に延びる垂直軸に移すことができる。塔２１の土台には、好ましくは垂直軸の回転運動を地面上に配置した別の水平軸に移すように設計し、主圧縮機１０のような圧縮機、更には発電機と順次連結された第二変速機がある。

この変形に関連して機械力分割機構は、好ましくは下側水平軸の機械回転力を分割するスプリッターを含むことにより、適切量の風力電力が所望の下流コンバータに送電でき、即ち電力を即時使用用発電機、及び／又はエネルギー貯蔵用圧縮機に送電するように調節できる。

機械スプリッターの下流には、一方では好ましくは発電機との機械的連結が、他方では圧縮機１０又は３４のような圧縮機との機械的連結（“Ｂ”と名付けたルートを通して）が提供される。又図１に示すように、”Ｃ”と名付けたルートを通してターボ圧縮機３１に、又はルート“Ｄ”を通して空気圧装置と連結できる。

機械スプリッターを完全に発電機に切り替えると、下側水平軸からの機械回転力がギアシャフトを通して直接発電機に伝わる。これにより発電機の機械力を効率的に直接電気エネルギーに変換でき、即時使用のための電力を電力線２５に沿って送電できる。

一方機械スプリッターを完全に圧縮機に切り替えると、下側水平軸の機械回転力が圧縮機に直接伝わり、圧縮空気エネルギーを高圧貯蔵タンク５に貯蔵するか、又は二次目的のために使用できる。このようにして、塔２１頂部の風車１９の機械回転力は塔に下に向かって移り、先に機械エネルギーを電気に変化する必要なしに塔土台に配置される圧縮機を通して直接圧縮空気エネルギーに変換できる。

機械力を即時使用に使う電力とエネルギー貯蔵に使う電力の分割に適用する機械力スプリッターは、好ましくは複数の歯車とクラッチを含むことにより機械エネルギーをコンバータに直接伝えいずれかに完全に分割するか、又は歯車とクラッチ両者を同時に運転する。これにより、風車ステーションが供給する機械力の量を調節可能な基準で即時使用とエネルギー貯蔵の間に分配分割が可能になる。即ち各形状のエネルギーコンバータに分配される機械力の量は、いくつの追加の駆動歯車がかみ合い、各係合駆動歯車がどのエネルギーコンバータと連結しているかに依存できるようにし、例えば発電機に連結したものは即時使用のためのエネルギーを発生し、圧縮機に連結したものは貯蔵のためのエネルギーを発生する。上記のことに基づき本機械力スプリッター機構のクラッチと歯車を調節することにより、即時使用とエネルギー貯蔵にエネルギーを使用する程度が調節分配できる。

機械力スプリッターのクラッチを用いることにより、風車ステーションを異なる時間に調節して即時使用とエネルギー貯蔵の間に異なる電力比が提供できる。電力需要と風利用の可能性の履歴により、特に当てにならない予測不能な風のパターンにかかわらず、途切れない連続ベースでエネルギー需要の必要性が続いている状況で、十分な電力量をユーザーに提供にするのに異なる比が必要になると考えられる。それにもかかわらず、今記載した機械列バージョンの利点はあるが、現在広く行われている慣行は発電機を風車のナセル内に設置し、利用可能な市販ハードウエアが即時利用しうる圧縮機の電気モーターを駆動することである。

Ｂ．圧縮空気エネルギー貯蔵システム
本実施態様では、システム１は好ましくは、電気モーター４、主圧縮機１０、貯蔵タンク５、調節弁１２，ターボ膨張機７、及び発電用のターボ発電機１４を有する圧縮空気エネルギー貯蔵システム６を含む。図１の“Ａ”は、電気エネルギーがエネルギー源３から電気モーター４に送電され、ＣＡＳＥシステム６に貯蔵する圧縮空気エネルギーを作り出すルートを指定する。モーター４は、好ましくは主圧縮機１０を駆動して空気を圧縮した後、貯蔵タンク５に貯蔵する。しかし機械スプリッターの実施態様では、好ましくは風車１９の回転軸に連結した圧縮機の存在により、機械エネルギーを直接タンク５内の圧縮空気エネルギーに変換できる。

圧縮空気エネルギーは、好ましくはエネルギーが必要になるまで長期間タンク５に保存できる。次いで適切な時間で圧縮空気エネルギーが必要な時には、常に調節弁１２を用いて圧縮空気をターボ膨張機７に放出できる。この時点で必要ならば、主圧縮機１０が発生する廃熱をターボ膨張機７に循環してターボ膨張機７に対する過冷却温度の影響を減らし相殺できる。

本システム１が作り出す出力の一つは電気の形であり、風車１９上の発電機により直性発生されるか、ターボ膨張機７により圧縮空気がタンク５から放出されて高速気流を生み出す時にターボ発電機１４により発生できる。他の出力は冷却空気の形であり、ターボ膨張機７により圧縮空気がタンク５から放出される時の副産物として作り出される。又圧縮空気は空気圧工具を作動するために直接用いられ、即ち図１の“Ｄ”を参照し、圧縮空気はターボ膨張機７に到達する前に放出できる。いずれの場合も好ましくはＣＡＥＳシステム６を適用することにより、一つ、二つ、又は三つ以上の出力が同時に発生できる、即ち圧縮空気を用いて１）ターボ発電機１４を用いる電気、２）ターボ膨張機７又は３３を用いる冷却空気（図１の”Ｃ”参照）、及び／又は３）空気圧機器を駆動する高速気流（図１の“Ｄ”参照）を発生できる。システムの必要性により決められるように、一つ、二つ、又は三つ以上の出力が任意の所定時間に利用できる。

本システムのエネルギー保存部分は、上で検討したように好ましくは圧縮空気エネルギーの貯蔵と利用の手段を含む。この例は図１ａに示され、風が利用できるがエネルギー需要が比較的低く、風車１９の過剰電力がタンク５に保存できる夜間時間に、どのようにシステム１が運転できるかが示される。又この例では、電力網３ｂ、地熱発電３ｃ、及び原子力発電３ｄを含む他のエネルギー源が、どのようにエネルギーをタンク５に保存できる夜間に低料金時にアクセスされ、高エネルギー料金時に後で使用できるかが示される。

この点に関して、好ましくは圧縮機１０により恐らく加わる圧力に耐えるように設計され、タンク内で一貫した温度を維持するように断熱した高圧貯蔵タンク５が提供される。又タンク５は加圧空気を保持するパイプライン又は他の容器の形状でも良い。タンクと言う用語は、パイプ類及び他の圧縮空気貯蔵媒体類を含むように用いる。タンク５は、又好ましくは圧縮空気をタンク５に送った後に、大きな圧力損失なしにターボ膨張機７に循環できるように、圧縮機１０とターボ膨張機７の近くに配置する。本発明は種々の大きさのタンクの使用を意図するが、好ましくは貯蔵に十分なエネルギー量の提供が必要なタンクの大きさが、システムの必要性、施設の大きさ又は需要の大きさ、システムの費用などに基づく必要があることを本システムは意図する。

本発明は、空気を放出して圧縮空気を電気エネルギーに変換するいずれの在来手段も使用できることを意図する。好ましい実施態様では、一つ以上のターボ膨張機７を用いて圧縮空気を貯蔵タンク５から放出して高速気流を生み出し、それを用いてターボ発電機１４を作動して電気エネルギーを生み出せる。上に検討したように、次いでこの電気を用いて風車発電機、及び／又は必要な場合には電力網が直接供給する電気エネルギーを補足できる。ターボ膨張機７は好ましくはＡＣ−ＤＣコンバータに接続した交流発電機にエネルギーを供給後、続いてＤＣ−ＡＣインバータ、続いて調節機によりインピーダンスをユーザーの回路にマッチさせる。この一連の機器により可変周波数入力が所望の一定周波数出力を生ずることを保証する。

任意に熱を発生しＣＡＥＳシステム６に供給する一つ以上の手段を提供して、ターボ発電機１４による発電を支援することができる。本発明はこのシステムへの熱供給手段として少なくとも三つの異なる形の加熱システムが使用でき、１）太陽エネルギーを利用する太陽熱集熱器、２）１０、３４又は３１のような圧縮機が発生する廃熱をターボ膨張機７に続く配管に循環する廃熱集熱器、及び３）化石燃料バーナーのような熱をシステムに導入する別の加熱ユニットを含むことを意図する。本発明は又熱を圧縮空気に提供する他の標準的方法を用いることを意図する。本システムでは、冷却空気を冷却目的に副産物として使用する場合冷却空気を発生することが望ましいので、電気がターボ発電機１４で発生され、冷却目的には冷却空気が殆どか又は全く必要でない場合にだけ、廃熱及び他の加熱が通常使用される。

本発明は、好ましくはターボ膨張機７が発生する冷気を追加の二次目的のために利用してシステムの効率を向上する。例えば以下に検討するように、冷却水を作り出す目的の廃冷却空気の使用以外に、残留冷気を用いてエアコンを直接的冷却し、且つ／又は圧縮機を冷たく保つか又は他の冷凍目的で、パイプを通して圧縮機に別に送る。

論理回路８は、好ましくは貯蔵タンク５、圧縮機１０、ターボ膨張機７、発電機１４、加熱ユニット、冷凍構成部品などの運転を制御する制御システムを含む。この制御システムは、好ましくは圧縮空気流の貯蔵タンク５への出入を調製して、タンク５中の圧縮空気エネルギーのレベルを適切レベルに維持できるように設計する。この制御器を用いてターボ膨張機３３を通過する空気の温度制御を助けるために、使用する熱交換器の制御と運転を行う。制御器により任意の所定時間にどの熱交換器を使用する必要があり、どれだけ熱交換器が影響を与える必要があるかが決定される。制御システムは、好ましくは前もってプログラムしたマイクロプロセッサを有することにより、システムは自動的に運転できる。

Ｃ．貯蔵なしのターボ圧縮機と膨張機
図２と図２ａに、圧縮空気を最初に貯蔵しない実施態様３０の圧縮機３１とターボ膨張機３３の詳細を示す。“Ｂ”ルートと”Ｃ”ルートと関連してこのサブシステムを図１に概略的に示し、風車１９又は他の任意のエネルギー源３のエネルギーを“Ｂ”ルートにより使用して、電気モーター３２、補助圧縮機３４、及びターボ圧縮機３１を用いて空気を圧縮でき、且つ／又は”Ｃ”ルートによりターボ圧縮機３１だけを用いて空気を圧縮し、圧縮空気をそのエネルギーを最初に貯蔵する必要ないしにターボ膨張機３３を用いて放出できる。圧縮空気タンク５が満杯の場合、或いはルート“Ａ”によりタンク５に貯蔵した圧縮空気がないような他の任意の時間に、エネルギー源３が発生した電気により電気モーター３２を直接駆動できる。図２ａに示すように、圧縮空気は又エネルギー源３により発生し、必要ならば”Ｃ”に直接送れる。図１に示すように、タンク５の追加の圧縮空気エネルギーを又用いて”Ｃ”ルートにより圧縮機３１とターボ膨張機３３の駆動を助けることができる。

図２から分かるように、上述のエネルギー源３のいずれか一つにより作動できる電気モーターが提供され、好ましくは電気モーター３２を用いて補助圧縮機３４を駆動する。好ましくは補助圧縮機３４の加圧出力空気は、電力線３６に沿って延びる熱交換器３５により冷却され、次いで圧縮機３４の空気はターボ圧縮機３１に沿って進む。以下に検討するように、ターボ圧縮機３１は好ましくは一つが駆動すると他も又駆動し、システムが定常運転に達するように、軸３９をターボ膨張機３３と共有する。

第二熱交換器３７は、好ましくは圧縮空気がターボ圧縮機３１からターボ膨張機３３に進む時、第二熱交換器３７を通過し空気を再度冷却するようにターボ圧縮機３１とターボ膨張機３３間の配管３８に沿って提供される。このようにしてターボ膨張機３３に入った空気は比較的冷たい。必要ならばサージタンクを第二熱交換器３７とターボ膨張機３３の間に備えても良い。

ターボ圧縮機３１とターボ膨張機３３は同一軸３９で駆動するので、一つの運転により他を運転し、この装置類を駆動する全体コストの削減を助ける。実際にモーター３２は、最初空気を圧縮しシステム内に圧力を生むことができ、加圧空気は圧縮機３１、次いでターボ膨張機３３に導かれるので、ターボ膨張機３３の駆動力を用いて最初に圧縮機３１を駆動できる結果、いずれかの装置を駆動する追加エネルギーを用いる必要性を除くことができる。

例えば補助圧縮機３４からの最初の加圧空気が、ターボ圧縮機３１からターボ膨張機３３に進むとき、ターボ膨張機３３は回転し始め、続いて共通軸３９上のターボ圧縮機３１の回転が同様に生じる。次いでターボ圧縮機３１の回転速度が加速すると、投入空気は補助圧縮機３４からターボ膨張機３３に加圧し、ターボ膨張機３３の加速が更に生ずる。同一軸３９を有するターボ膨張機３３とターボ圧縮機３１の加速サイクルは、補助圧縮機３４のエネルギーを用いて最終的には定常状態に達し、補助圧縮機３４、ターボ圧縮機３１、及びターボ膨張機３３を通る流れは合致する。ターボ圧縮機３１とターボ膨張機３３全体の回転力は同様に合致する。図２ａに示すように、エネルギー源３が発生する圧縮空気は又ターボ圧縮機３１に直接供給され、補助圧縮機３４を使用したときと同じ効果が達成される。

図２ｂでは以下のことが示される。先ず１４．６７ｐｓｉａと９０ｐｓｉａ間で運転中の補助圧縮機３４（レシプロ圧縮機と特定される）の熱力学的記述が図２ｂに示される。圧縮プロセスは等エントロピーと考えられるので、空気を１４．６７ｐｓｉａ、７０度Ｆから９０ｐｓｉａ、４２６．４４度Ｆにできる。（エントロピー＝１．６３６６ＢＴＵ／（Ｒユニット（＃Ｒ））。しかし圧縮プロセスは８４％以下の効率であり、その結果９０ｐｓｉａを得るためにより多くのエネルギーを費やす結果、最終温度は実際にはより高く、即ち４９２度Ｆ以上になるかも知れないことに注目する必要がある。圧縮機の水冷と下流熱交換器３５の水冷により、好ましくは出力温度を約７０度Ｆにする。次いで必要ならば廃熱回収として加熱水を熱水システムに送れる。又補助圧縮機３４とターボ圧縮機３１の間に、損失約５ｐｓｉのような圧力損失があるかもしれない。

好ましくは同様のプロセスをターボ圧縮機３１（遠心圧縮機として特定される）により効率８４％で繰り返す。その結果８５ｐｓｉａ、７０度Ｆの空気は、約４３．３６ＢＴＵ／気流ユニット（# of flowing air）を用いて約２０５ｐｓｉａ、２５０度Ｆに圧縮される。好ましくは再度ターボ圧縮機３１を水冷し下流熱交換器３７を水冷することにより、出力温度を約７０度Ｆにする。次いで必要ならば廃熱回収として加熱水を熱水システムに送ることができる。ターボ圧縮機３１とターボ膨張機３３間に約５ｐｓｉの圧力損失があるかもしれない。ターボ膨張機３３は２００ｐｓｉａ、７０度Ｆの給気エアを受け入れ、約３１．５ｐｓｉａ、−１１４．８度Ｆの冷却空気を排出する。これによりターボ圧縮機３１が必要な４３．３６ＢＴＵ／気流ユニットより僅かに大きい４３．４１６ＢＴＵ／気流ユニットが放出される。

サンプル例を図２ｃに示し、２０００馬力のシステムでは冷却目的に−１１４．７８度Ｆの空気を１０８５７．６ＳＣＦＭ提供できる。これが２０００馬力の補助レシプロ圧縮機３４だけを効率１０２．７９ＢＴＵ／ユニット又は５．５ＳＣＦＭ／馬力で作動することで得られることに注目したい。図２ｂでは２０００馬力の電気入力と８４４．３馬力の熱出力がある。これは効率４２．２％に相当する。

これらの数字と量を評価したが、代表的な目的のためだけに提供した。実際の数字と量は変わっても良い。

ターボ膨張機で利用できる冷却温度は、投入圧力２００ｐｓｉａと二つの吐出圧力（１）３０ｐｓｉａと（２）１４．６７ｐｓｉａの例を考えることで一般化できる。第一の場合には、吐出圧力３０ｐｓｉａでは下流プロセスを考え、圧力損失を伴う長い配管とバルブの長さを通過するために十分な加圧が冷却空気には必要である。第二の場合の吐出圧力１４．６７ｐｓｉａでは、下流配管の重要性は全くなく、ターボ膨張機全体で最大の圧力低下（温度低下）となる。

図２ｄは上記の二特定事例に関する単位出力（ＳＣＦＭ／馬力）を作り出すために必要な気流条件の間の大きな差を示す。図２ｄは投入温度が高いほど、単位出力を作り出すに必要な気流は少ない。従って同じ電力放電時間に所定量の電力を作り出すには、投入温度が高いほうがより小さい圧縮空気貯蔵タンク５が必要になる。

一方図２ｅは投入温度が低いとより低い吐出温度が作り出されることを示す。更に図２ｅは２００ｐｓｉａから１４．６７ｐｓｉａ（大気圧）に吐出することにより、より低い投入温度のための極低温が作り出されることを示す。従って目的が淡水化又は空調の場合には、より大きな圧力損失とより冷たい投入温度を考える必要がある。

Ｄ．混合室
システム１に関連して、ターボ膨張機７又は３３が作り出す冷却空気５０を用いて冷却水５１を作り出す混合室１１が提供できる。しかし淡水化システム４０と異なり、混合室１１は淡水又は任意の適切な液体を閉ループシステムで使用するように設計することで、水又は液体のいずれもが後で他に使用するのに再分配する必要は全くない。

淡水化システム４０の事例で検討すべき目的の一つは、新鮮な飲料水を関連施設に提供することであり、これにより冷却水５１を用いて空調システム１５を冷却した後、その水を好ましくはシステムから除去し、新鮮な飲料水５２として用いるために再分配する。しかし混合室１１の事例では、その目的は冷たい気温を冷却空気５０から水又は液体に移すことである。それ故水又は液体が閉ループシステムに留まることは容認できる。所定システムのいずれでも、淡水化システム４０又は混合室１１のいずれかが提供でき、両者は必要ではないが、所定システムのいずれでも、両特性が利用できるように両者を有することが望ましい。

本実施態様では、混合室１１を用いて水５１又は任意の他の適切な液体を冷却できる。冷却液体と言う用語は今後混合室１１の説明に用いるが、冷却水５１を含むと解釈する必要がある。混合室１１は実質的に液体を充満した断熱容器であり、冷却空気５０は好ましくはターボ膨張機７から微細気泡５３のような形で混合室１１に分配し、図４に示すように好ましくは冷却空気５０を下から混合室に導入する手段が提供される。例えば、これは冷却空気５０を気泡５３として下から注入する注入ノズル又は噴射機５４を有し、気泡を液体を通過させることで達成でき、その結果気泡が液体と混合し液体は循環し、液体は熱伝達により冷却される。残った冷却空気５６を混合室頂部から排出させる手段５５は、好ましくは内部で平衡を維持するように提供され、残った冷却空気５６が送り出され、更に施設を冷房するために用いる。次いで混合室１１の液体は、システムの必要性により冷却空気５０により適切な程度又は温度に冷却でき、好ましい実施態様では、淡水を用いる場合好ましくは約４０度Ｆである。次いで混合室１１の冷却液体は、以下に検討するように熱エネルギー貯蔵システム１３に分配でき、そこに貯蔵後、空調システム１５により後で使用できる。

この点では淡水化システム４０とは異なり、混合室１１の液体は好ましくは閉ループシステムに閉じこめることにより、液体を加えたり除去したりする必要は全くない。例えば淡水を混合室１１で用いて冷却する場合、図４に示すように下側注入口２７から一方向、即ち分離タンク２０の底２４に向かって循環でき、その中に冷却水５１を貯蔵できる。分離タンク２０中の水を比較的動かないように保ち、水を非常にゆっくりとポンプでくみ出すことにより、タンク２０の水は比較的冷たい水５１が下部２４に、比較的暖かい水５７が上部２２に成層状に留まることができる。

次いで図５に示すように、下部２４の冷却水５１は下側排出口２８から分配し、コイル５８を有する遠隔配置のＨＶＡＣシステム５９のような空調システム１５を冷却するために使用できる。次いで冷水５１がＨＶＡＣシステム５９の熱交換コイル５８を通過後、比較的暖かい水５７が上側注入口１７を通して分離タンク２０上部２２に戻れる。次いで比較的暖かい水５７は、そこから上側排出口２６を通して混合室１１に還流し、図４に示すようにこの場合水は冷却空気５０により冷却できる。このサイクルは連続的に繰り返せる。

以下に検討するように、淡水を混合室１１で用いる場合、分離タンク２０下部２４に分配される冷却水５１の最終温度は好ましくは約＋４０度Ｆであり、分離タンク２０上部２２と下部２４で分離する高温と低温を維持できる密度という観点からは最適である。しかし他の液体を用いたり添加物を水に加えた場合、＋４０度Ｆより低い温度が可能であり、この場合より低温がより有効に使用できる。

Ｅ．淡水化システム
本システム１では、ターボ膨張機７又は３３の冷却空気が使用できる二次目的の一つは、図６、６ｂ、６ｃ及び６ｄに示すように淡水化システム４０を用いて水を精製することである。

好ましくは本発明の淡水化システム４０を適用して、海水、汽水、又は他の不純な形の水（以後まとめて”海水“）６０と呼ぶ”から塩及び他の不純物を除去する。本実施態様では、淡水化システム４０は、好ましくは塩と他の不純物を除去するのに用いる晶析室９を含み、そこで精製水が作り出すことができる。晶析室９は、好ましくは内部を冷たい温度に維持し、そこに海水６０と冷却空気５０が導入及び混合でき、更には水と氷を底に形成できるように特別に適用した断熱容器である。

好ましくは淡水化システム４０では、海水６０を好ましくは霧又は噴霧物６２の形で晶析室９に注入し、好ましくはターボ膨張機７又は３３からの冷却空気５０をこの室９に導入することにより霧又は噴霧物６２を非常に冷たい空気に暴露する。これにより海水小滴６２の過冷却と急速冷凍を生じる結果、過冷却氷粒子６３を形成し晶析室の底部６４に落下する。海水小滴６０は必然的ではないが、好ましくは晶析室頂部６５から導入し、冷却空気５０は１）晶析室中間部に導入して上方向に導くか、又は２）上から晶析室に導入して下降気流を生み、海水小滴６０を底により早く落下させる。いずれを用いるかを決める要素は、海水をどのくらい早く凍結する必要があるかに依存し、海水６０が晶析室９に入る前にどのくらい冷たいか、冷却空気５０がどのくらい冷たいか、晶析室の大きさ、海水小滴がどのように暴露されるか、及び導入されるそれぞれの量などに依存する。

好ましくは高塩分塩水６７中の塩と他の不純物を晶析室９の底６４に残すことを目的として、海水６０の凍結により浮遊性の純水氷粒子６３がそれに付着した痕跡量の高塩分塩水６７と共に形成できる。好ましくは淡水化システム４０は、氷粒子６３より高密度の高塩分塩水６７から氷粒子６３を除去することにより重力による塩水６７と氷粒子６３の分離を助け、少なくとも二つの方法の一つで氷粒子６３を清浄にする。

先ず氷粒子６３を晶析室９の底に堆積させる、即ち互いの頂部に落下するようにすることで、氷粒子６３は大きい氷塊６６を形成できる。時間がたつと氷粒子６３は落下し、互いにくっつき、全体で大きな氷塊６６を形成し、氷塊６６より高密度の高塩分塩水６７上に浮遊し易くなる。この点で好ましくは海水小滴６２を晶析室９中央に導入することで氷粒子６３が円錐形の氷塊６６を形成するようにこのシステムを適用する結果、形成氷塊６３は晶析室中央に堆積する。これにより氷塊６６内、即ち固化時にさもなければ塊６６上に形成するかもしれない窪み又は割れ目に、各純水氷粒子６３を封入又は付着した高塩分塩水６７を捕らえるのではなく、むしろその側部を有利に流れ落ちることができる。即ち、各氷粒子６３に付着した高塩分塩水６７は、円錐形の氷塊６６を形成することにより塊６６の中に捕まえられるのでなく単に側部を流れ去る結果、高塩分塩水６７は必要に応じて効果的に氷塊６６と分離できる。形成した氷は通常約−６度Ｆである。

次いで氷塊６６を淡水ですすぎ、塊６６を融解させて淡水を作りだすことができる。この点において図６ａに示すように、６０度Ｆのような室温で洗浄塔の働きをするように追加の淡水をノズル６８から氷塊６６上に噴霧し、塊形成時に氷塊６６から高塩分塩水６７が除かれるのを助ける。大部分の高塩分塩水６７は氷粒子６３間の空間から重力流により置換される。各氷粒子６３表面に自身が付着した塩水を更に除去するには、好ましくは晶析室９の底に沈着した氷／塩水層上に淡水を注入して、各層ごとに重力による高塩分塩水の排液を助ける。この淡水は各層に付着して凍結し、氷粒子６３間の割れ目の非常に粘稠高塩分塩水の薄層を更に置き換える。氷粒子上に凍結した淡水は、後で解凍し追加の淡水を用いることなしに再使用のために回収する。より高純度の水が必要な場合でも、下流洗浄塔が追加できる。

水噴霧を前洗浄の形で導入して高塩分塩水６７の重力排液の強化を助けることができる。図６ａに示すように、水は塩水でコートされた凍結氷粒子６３層上に凍結し、粒子が氷塊６６上に集まると氷粒子６３表面の高粘度な塩水を置き換え、高塩分塩水６７が塊６６の外面に流れるのを可能にする。図６ａと図６ｂに示すように、高塩分塩水６７は好ましくは排液管６９を通して室９の底から排液される。

室９の底部分６４は好ましくは穴あきバスケット７１を含み、落下氷粒子６３を捕獲してその上に氷塊６６を形成できるが、冷却空気は室９から外へ循環できる。この点に関して室９の側壁７２は過剰冷却空気が流れことが可能な通路又は空間７３を有し、過剰冷却空気が好ましくは出口部分７４を通して外に進み、次いで冷却空気が空調システム１５に分配され冷却空気として使用される。

図６ｂの右側には、氷粒子６３がどのようにバスケット７１底部に氷塊６６、ある場合にはスラリー７４を形成するかを示し、バスケットの穿孔により高塩分塩水６７が通過でき、バスケット７１に純水氷粒子６３を残す。次いでバスケット７１を取り外して純水氷塊６６、及び／又はスラリー７４を室９から取り出せる。

図６ｃに示すように、次いでバスケット７１と共に取り外した氷粒子６３の氷塊６６、及び／又はスラリー７４の融解が起こり、保留タンク７６の底に淡水を作り出せる。そこに示すように、この場合＋６０度Ｆの比較暖かい淡水７５を洗浄塔のように氷塊６６又はスラリー７４のいずれかの氷粒子６３上に噴霧して氷を洗浄し、氷を融解させる。図６ｄに示すように、局所的な温風８１を保留タンク７６に取り入れて、更に氷粒子６３の融解を助けることもできる。氷が融解すると、淡水小滴７８はバスケット７１の穿孔を通過し、新鮮な冷却飲料水の形で保留タンク７６の底７７に集まる。一つ以上のバスケット７１を用いることにより、各バスケット７１を室９から取りだしながら淡水化と融解プロセスを中断する必要がなくなる。

氷塊６６及び／又はスラリー７４は氷でできているため冷たく、融解してできた淡水は冷却水でもある。この氷は好ましくは約−６度Ｆであり、約６０度Ｆの水を氷上を通すことにより生成淡水は好ましくは約４０度Ｆになる。そこから新鮮な冷却水は排出口７９を通して分離タンク２０に分配され、空調システム１５での後の使用のために貯蔵するか、又は排出口８０を通して洗浄塔用の噴霧物６８又は保留タンク７６の噴霧物７５として使用するために晶析室９に再循環できる。いずれの場合も、水は空調システム１５を冷却するか、又は水が新鮮な飲料水５２として分配されるよう再循環する前に晶析室９の氷粒子６３を洗浄することを含む二次目的に使用できる。

別の実施態様（図示しないが）では、氷粒子６３が室９の底にスラリーを形成し、回転スクリューを用いてスラリーを室９から効果的且つ連続して取り出すようにこのシステムを適用できる。純水氷粒子６３が室９の底に落下し、互いに封入するか付着した高塩分塩水６７が粒子と共に落下するときに、好ましくはスラリーが形成され、最終的には純水氷粒子６３が高塩分塩水６７の液体中に浮遊することになり、両者はその底に堆積する。同時に過冷却氷粒子と高塩分塩水は温度約−６度Ｆの混合物を生じ、低密度淡水氷粒子は不要な塩類と他の不純物を含有する高塩分塩水６７内に浮遊する。大部分の高塩分塩水は排液により除去される。

スラリーを室から連続的に取り出し氷粒子を高塩分塩水から効果的に除去するには、このシステムは室の底に回転スクリューを備えられる。又氷の結晶を覆う残留高塩分塩水のいずれもが、更に公知の洗浄塔又は保留タンク７６で除去できる。

これにより淡水化システムは、残留塩や他の不純物のいずれもが氷粒子から確実に除去できるように氷粒子６３を高塩分塩水６７から分離する手段を有する。例えば、好ましくは氷固相と塩水液相の形成が保証されるように、好ましくは約−６Ｆに冷却したこれらの氷粒子６３を、好ましくは保留タンク７６又は他の容器に分配し、噴霧するか又はさもなければ前もってこのシステムで精製した水（室温でも良い）のような追加の淡水７５と混合した後融解させる。過冷却氷粒子６３を追加の水７５と室温で混合することによりシステムは、即ち凍結温度又はその近くの非常に新鮮な冷たい飲料水を作り出すことができる。例えば以下に検討するように、淡水化システムが熱エネルギー貯蔵システム１３と連動して形成する冷却水の最終温度は、以下に検討するように好ましくは約＋４０度Ｆであり、分離タンク２０への所望の投入温度であるが、必要な場合には水は他の目的のために＋３２度Ｆ乃至＋６０度Ｆ又はそれ以上の範囲でも良い。

次いで淡水化システム４０で生じた冷却淡水は熱エネルギー貯蔵システム１３に分配でき、そこに貯蔵後適切な時間に空調システム１５を冷却するために使用し、次いで以下に検討するように施設の冷房に使用できる。その後淡水を新鮮な飲料水として分配できる。

一実施態様（図示していない）では、海水６０は室９に入る以前に凍結温度近くに予冷するように室９に巻き付けた管内に送られる。即ち室９に導入された過冷却空気５０は室壁７２を冷却する効果を有するので、この壁を管が巻き海水６０が管を流れることにより、管は熱交換器の働きをして海水の予冷が可能にする。このようにして海水がいったん晶析室に入ると、より早く凍結し底に落下し凍結固化を続ける。このようにして好ましくは海水６０は、室９に入る前でも凍結が起こる温度に近くされる。

圧縮機の廃熱は又反対の効果のために使用できる。即ち晶析室９の底付近で氷粒子が室壁に付着したり集まるを防ぐことが望ましく、その結果廃熱使用の一方法は廃熱を分配して温水を作り出すことであり、次いで晶析室下部付近に延びる管を循環できる。この点で好ましくは、氷粒子が堆積しやすい室９下部の周りを温水管で巻く一方、この室上部を海水の予冷に用いる管でまく。この特性は文献としてここに組み入れた淡水化システムに関連する仮出願により詳細に説明する。

Ｆ．熱エネルギー貯蔵システム
淡水化システム４０で生じた冷却淡水、及び／又は混合室１１で生じた冷水又は液体は、次いで熱エネルギー貯蔵システム１３に分配でき、そこに貯蔵後、適当な時間に空調システム１５で冷却するために用いた後、以下に検討するように施設の冷房に使用できる。

この最後の点で、好ましい実施態様は晶析室９の冷却精製水、又は混合室１１の冷却水又は液体を分配貯蔵できる分離タンク又は成層タンク２０を含む。図４に示すように分離タンク２０を備えることにより、最も冷たい水５１が底２４から取り出し空調システム１５に使用するように、最も冷たい水５１がタンク２０の底２４に残り、比較的暖かい水５７はタンク頂部２２に留まる。この水を分離タンク２０に比較的動かないように保つことにより、冷水と温水は成層状に留まり、次いで最も冷たい水５１が底から利用でき、空調システム１５を冷却するために使用できる。

この場合分離タンク２０は好ましくは上部２２と下部２４を有し、淡水化システム４０及び／又は混合室１１の冷却水をタンク２０の下部２４に導入できる。このようにして空調システム１５を冷却するのに冷却水が必要な場合、冷却水は分離タンク２０下部２４から取り出した後、エアコン１５に分配し、次いで空気の冷却に使用できる。分離タンク２０の水を比較的動かないように保ち、水のタンクからの出入りを比較的ゆっくりと保つことにより、冷却水５１はタンク２０の底２４に留まり、比較的暖かい水５７はタンク２０の頂部２２に留まる。又密度の観点からは、タンク中の水を成層状に保つ能力を最適化する約４０度Ｆに分離タンク２０の底に導入した冷却淡水を維持することが望ましい。一方水が純粋である必要がない混合室１１の場合には、分離タンク２０の水又は液体の温度が＋４０度Ｆより低くても良いように添加物を水に加えたり、又は異なる密度を有する液体を用いることができ、この場合空調システム１５に分配した水又は液体はより冷たくても良く、その結果システムを冷却するのに遥かに有効である。

混合室１１を用いる実施態様では、好ましくは分離タンク２０を循環する水又は液体は閉ループを形成し、分離タンク２０上部２２は上側注入口１７と上側排出口２６を有し、下部２４は下側注入口２７と下側排出口２８を有する。このようにして混合室１１の冷却水又は液体は、下側注入口２７を通して分離タンク２０の下部２４に分配された後貯蔵できる。次いで必要な場合には、分離タンク２０の冷却水又は液体は、下側排出口２８を通して分離タンク２０下部２４から取り出し空調システム１５の冷却を提供できる。次いで冷却水又は液体が空調システム１５を通過し熱交換した後、空調システム１５からの比較的暖かい水又は液体は、上側注入口１７を通して分離タンク２０上部２２に循環し、水又は液体は再度貯蔵できる。最後に適切な時間に、分離タンク２０上部２２の比較的暖かい水又は液体は、上側排出口２６を通して混合室１１に循環する結果、再冷却されこのサイクルを再開できる。

熱交換器のコイルを含む場所で加熱の必要がある場合には、成層型分離タンク２０の循環を逆にすることにより、成層型貯蔵タンク頂部の温水又は液体を熱交換器のコイルに移行しコイルとＨＶＡＣ空気を加熱する。次いで熱交換器のコイル上を通る冷気は、成層型分離タンクの底に戻る水又は液体を冷却する。冷水と熱水の界面が成層型分離タンク２０頂部に達すると、このプロセスは中断される。

混合室１１の水又は液体を成層型分離タンク２０の底に加えると、一定容量の成層型分離タンク２０に収容するために、成層型分離タンク２０頂部から同量の温水又は液体を取り出す必要がある。

システムは好ましくは冷却媒体として新鮮な冷却飲料水を用いるので、水は好ましくは淡水化システム４０と連携して空調システム１５から循環し、施設での使用又は他の任意の目的のために新鮮な飲料水として分配される。それ故閉ループシステムを有するよりはむしろ、冷却淡水を空調システム１５の冷却に使用後システムから取り出し、次いで他の場所に分配する。次いで新鮮な飲料水は、飲料水として使用するための異なるタンクに保存、及び／又は更にできた氷粒子の融解水として使用するために淡水化システム４０に送られる。次いで更に冷却水を作り出す目的で追加の海水を取り入れる。好ましくは淡水をシステムから取り出し新規の海水を加えことにかかわらず、いずれの所定時間でも最適で一定量の水が分離タンクに留まるようにシステムを設定する。混合室１１と晶析室９の両者を同一システムで用いる場合、淡水を両循環システムに用い、混合室の冷却媒体が閉ループシステムでないことが望ましい。

Ｇ．空調システム
空調システム１５は、好ましくは分離タンク２０からの冷却水５１が送れる熱交換チューブ及び／又はコイル５８を有する。このようにしてセントラル空調室４１内を循環する空気４２が熱交換により冷却されるように、冷却水５１はこの室４１に配置のチューブ及び／又はコイル５８を通過する。即ち空気４２が冷却チューブ及び／又はコイル５８を通過又はその上を通ると、比較的冷たいチューブ、及び／又はコイル５８を囲む比較的暖かい空気４２は冷却された後、例えば換気システムを通して施設全体に分配され、冷却空気を施設に提供できる。ターボ膨張機７を出たターボ膨張機７の冷却空気５０、晶析室９からの残留冷却空気７３、又は混合室１１からの生成冷却空気５６を用いて、空調システム１５用又は施設用の冷気を提供する。又冷却水は、例えば断熱パイプネットワークを通して冷却水の形で他の隣接施設に分配でき、近くの追加施設に更なる冷却能力が提供されるようにシステムを拡張できる。システムが冷却媒体として淡水化システム４０からの淡水を用いる場合、好ましくは空調システム１５から水を分配戻し、施設での使用又は他の目的のために新鮮な飲料水として分配する。

Ｈ．他の構成要素
いずれのエネルギー源の任意の過剰電気、及び／又はシステムで用いられなかった任意の過剰圧縮空気エネルギー、又はシステムの他の機器を用いて、補助圧縮機３４及び／又はターボ圧縮機を作動できる補助圧縮機３４を更に備えることができる。図２との関連で図示し説明したように、補助圧縮機３４、ターボ圧縮機３１、及びターボ膨張機３３は、好ましくはエネルギーを冷却空気に変換し、冷却空気出力に送り淡水化システム４０、又は混合室１１のいずれか、又は両者に分配できる。

２．運転
図１に示す共通構成要素の実施態様では、好ましくは多くの異なる様式で運転できる。
＊ 最大電力の出力
＊ 電力の発生と、即時空調用の冷却空気のコジェネレーション
＊ 電力の発生と、即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
＊ 電力の発生と、淡水化、即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
＊ 電力の発生と、圧縮空気貯蔵タンクが満杯時の即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
＊ 電力の発生と、圧縮空気貯蔵タンクが満杯時の淡水化、即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション

Ａ．最大電力の出力
図７に示す運転の一様式では、システムのパラメーターは最大量の電力が即時使用のために発生するように設定できる。これは、例えば施設での電気使用の需要が高く、利用可能な風の供給が比較的一貫している場合のような日中時間に有利である。

この様式の場合、全部ではないが大部分の直接的な風力発電は、電力線２５を通して送電できる電気の発生に用い、需要対応ベースで施設、電力網、又は他のユーザーに電力を提供する。これは、例えばソース３のエネルギー分配を制御する論理回路８を適切に設定して達成できる。この設定では、必要な風エネルギーの多くは電気の形で電力線２５を通して送電され、需要を越える過剰な風エネルギーだけが貯蔵に送電される。この場合、風力タービンが発生したエネルギーは、主圧縮機１０を駆動する電気モーター４を作動する働きをする“Ａ”に送電でき、続いて空気を圧縮し後での使用にタンク５に貯蔵する。パイプラインに貯蔵した貯蔵圧縮空気は、又図７に示す”Ｄ”ルートを通じて空気圧機器の駆動に使用できる。

電気を最大出力するためにタンク５に貯蔵の圧縮空気を用いて、貯蔵風エネルギーを同様に使用して電気を作り出すようにターボ発電機１４を作動できる。このようにしてその時間の風利用が不規則か弱くても、貯蔵圧縮空気を用いて即時使用に供給する直接エネルギーを補うことができる。これにより風速レベルが変動しても、施設やユーザーへの電気の流れは比較的持続的で途切れず、電圧サージやスパイクがないようにできる。この点で、この発明は比較的長い持続時間、一定電力の出力が供給されることを意図する。

更に圧縮機が発生する廃熱のいずれもが圧縮空気エネルギー貯蔵システムに再分配されてシステムの圧力と効率を向上し、最大量の電力出力を作り出すのを更に助ける。チタン製ターボ膨張機７を用いる場合には、廃熱は３００度Ｆを越えるべきではない。日中の風力発電を用いるピークカットは、通常ターボ膨張機７の動力と等しいかそれより大きい圧縮機動力である必要がある。この様式では、廃熱を利用することによりターボ膨張機７が発生する排気のいずれもがより暖かくなり、その結果二次目的のための冷却空気としての使用には必ずしも適さない。

Ｂ．電力の発生と即時空調用冷却空気のコジェネレーション
図８に示すこの様式では、最大電力又はその近くの出力を得ると同時に即時空調用の冷却空気が発生できる。例えばこの様式は最大電力出力様式と同一のパラメーターを幾つか有するが、タンク５の貯蔵圧縮空気が放出されると、ターボ膨張機７が発生する冷却空気は空調に直接冷気を提供する目的に使用できる。必要ならば発生した冷却空気は関連ＨＶＡＣシステムの空気混合室に直接送れ、新鮮な給気と戻り給気と一緒にできる。作り出された冷却空気は、又冷気が施設又は他のユーザーに分配できるよう空調システム１５に直接導かれる。キロワット（電気として）換算の電力が発生する各時間帯で、キロワット（熱として）換算で同じ大きさの冷却空気出力がコジェネレーションされることに注目したい。

しかしこの様式では、タンク５内にはターボ膨張機７を適切に運転するに十分な空気圧があるので、圧縮空気をタンク５に貯蔵する目的にはより多くの風エネルギーの直接使用が必要になる。これが意味することは、タンク５内の圧力が所定の最小値以下に低下した場合、一方では即時使用に供する風エネルギー量の比を変え、貯蔵のために他方では貯蔵に用いる風エネルギー量を増加し、続いてタンク５の圧縮空気エネルギーの補給を助けるように、論理回路８がタンク５の全体圧力の感知に対応する必要がある。これは貯蔵時に十分な圧縮空気エネルギーの供給を保つ効果があり、更には空調目的に十分な冷却空気の供給があることを意味する。この様式では、廃熱を圧縮機１０からターボ膨張機７に流すのは不適当であろう。

Ｃ．電力の発生と、即時空調と熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
この様式は図９に示され、更にエネルギー貯蔵に対する即時使用の比に関するスペクトルに沿った様式を表す。最初の二つの様式のように、本様式はある場合には最大電力の出力を与えるために使用されるが、大抵は風エネルギーの供給が電気需要より遥かに大きく、十分過剰な風エネルギーが即時空調と遅延空調両者に冷却空気の提供が利用できる場合にのみ使用される。例えばこれは風が吹いているが電気と即時空調の需要が最少の朝の時間に起こりうるであろう。しかし利用できる風エネルギー量がそれほど大きくない時、又は空調の必要性が比較的高い時には、システムはより多くの風エネルギーを圧縮空気エネルギーとして貯蔵に供して冷房目的の冷却空気を作りだすが、即時使用のための電気を作り出す風エネルギーはより少なくするように設定する必要がありそうである。

同時に本システムは、貯蔵した圧縮空気エネルギーを用いて電気と冷却空気を同時にコジェネレーションできるので、圧縮空気をタンク５に貯蔵することにより、このエネルギーの幾らかは単に冷却目的だけではなく、ターボ発電機１４を用いて即時使用のための電気の発生に使用できる。それ故即時使用のための電気を作りだす風力発電の使用と、圧縮空気エネルギーを作り出す風力発電の貯蔵の間の適切な比は、コジェネレーションの性質とシステムの特性を考慮に入れる必要がある。

論理回路８を用いる本様式では、施設空調の必要性を満足させる風エネルギー量は、施設の電力の必要性を含む冷房の不要性と冷房の必要性、屋外温度などの施設のパラメーターが冷房に十分であるように設定する。図９から分かるように、本様式の主目的は、ターボ膨張機７が作り出す冷却空気を使用し、関連ＨＶＡＣにより即時空調のために直接冷房するか、又は冷却水を作り出すように冷却し、続いて後で空調に用いる冷却水として貯蔵するかのいずれか、又は両者を提供することである。

冷却水を貯蔵する場合、好ましくはシステムは十分量の冷却空気を混合室１１に分配し、冷却水を用いてそこの水を冷却し、次いで冷却水を分離タンク２０に貯蔵することにより後で空調システム１５に使用できる。検討したように分離タンク２０に貯蔵した水の温度は、淡水を混合室の冷媒として用いた場合には約４０度Ｆであるが、添加物や異なる密度の他の液体を用いた場合にはより低くても良い。

Ｄ．電力の発生と、淡水化、即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
本様式は図１０に示され、冷却水を空調システムの冷却に提供する以外に淡水化目的に使用され、海水から新鮮な飲料水を作り出す以外、冷却空気の全部ではないが少なくとも一部は、幾つかの点で図９の前様式と同じである。

本様式に見られるように、冷却空気５０は海水６０の凍結に使用する淡水化晶析室９に分配され、続いて純粋な淡水が海水中の塩や他の不純物から分離できる。同時に凍結温度を用いるので生成淡水は大幅に冷却され、その結果前様式で混合室１１の冷却水が熱エネルギーシステムに分配され貯蔵されるのとほぼ同じ形で、熱エネルギーシステム１３に分配され冷却水として分離タンク２０に貯蔵できる。このようにして、分離タンク２０の冷却水５１は同様に貯蔵され、時間遅延ベースで空調システム１５を冷却するために使用できる。又晶析室９から放出された冷却空気は空調システムの即時冷却のために使用でき、圧縮空気の放出によりターボ発電機１４を用いて電気のコジェネレーションに使用してシステム効率が向上できる。

本様式では、好ましくは熱エネルギーシステム１３、次いで空調システム１５を循環し、再循環することにより取り出した新鮮な水は施設や任意の他ユーザーのために新鮮な飲料水５２として使用できるように設定する。エアコン１５により暖められた淡水の幾らかは、又再循環して淡水化システム４０が形成した氷粒子の融解水として使用できる。

冷却空気は海水（又は汽水）噴霧物と相互作用するために晶析室９に送られ、固体の氷（淡水）と液体の高塩分塩水を形成する。固体の氷の周りを覆う塩水は重力（沈降）により除去するか、塩水からより純度の高い水の分離のために氷を洗浄水で洗い、洗浄用の水を洗浄水として回収しても良い。

“−５度Ｆ”に近い温度の冷却氷は、“＋６０度Ｆ”の水道水と一緒にして“＋４０度Ｆ”の水を形成し、熱エネルギー貯蔵システム１３の分離タンク２０に送ることもできる。水を熱エネルギー貯蔵システム１３に加えるので、好ましくは同じ品質の水を飲料水として取り出す。

熱エネルギー貯蔵システム１３を用い、例えば遠隔地で空調システム１５のコイル５８を冷却する様式では、好ましくは冷水５１は分離タンク２０の底２４に送られるが、温水５７層はタンク２０頂部２２に移動し飲料水として取り出される。分離タンク２０の底の冷却水５１は、好ましくは空調ステム１５にポンプで送り込まれ、温風がコイル５８上に送風される。その結果加温水と冷却空気となる。加温水は分離タンク２０頂部に戻り、冷却空気は空調システム１５により施設又はユーザーに循環される。

熱エネルギー貯蔵システム１３を用いて遠隔コイル５８を加熱する様式では、水の循環は逆になる。比較的暖かい水が分離タンク２０頂部２２から取り出され、タンクの底２４に戻る。好ましくはこの逆循環サイクルでは水の添加や除去はない。

Ｅ．電力の発生と、圧縮空気貯蔵タンクが満杯時の即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
図１１に示すように、圧縮空気貯蔵タンク５が満杯の場合、風車１９の過剰電力は大気圧を高める補助圧縮機３４に送り、続いてターボ圧縮機３１とターボ膨張機３３に送り、最初に風エネルギーを圧縮空気としてタンク５に貯蔵する必要なしに空調システム１５のための冷却空気を作り出すのに使用できる。

図２に示すように、電気モーター３２を用いて圧縮機３４を作動させ、空気を例えば９０ｐｓｉａに圧縮することができ、圧縮空気は好ましくは共通軸３９のターボ膨張機３３に連結したターボ圧縮機３１に分配する。最初ターボ膨張機３３により膨張した９０ｐｓｉａの空気は、ターボ膨張機軸３９によりターボ圧縮機３１を回転させ、平衡圧に達するまでターボ圧縮機／ターボ膨張機機器の加速を誘発する。特定のデザインでは、圧縮機３４の空気出力はターボ圧縮機３１により９０ｐｓｉａから２１５ｐｓｉａに上げる。ターボ膨張機３３に対する２１５ｐｓｉａの給気エアは、おおよそ１５ｐｓｉａに膨張し高質量流量の空気を生ずる。生成した高質量流量の空気は極端に冷たく、即ち好ましくは、例えば−１１４．８度Ｆのように−１００度Ｆ以下になる。又このシステムに備えられた熱交換器３５と３７は、好ましくは圧縮した空気を比較的冷たく保つことを助けることにより、ターボ膨張機３３が放出する冷却空気の生成温度を損なわない。

次いで冷却空気５０は混合室１１に分配し、泡として水を通過することができ、好ましくは水が冷却されて４０度Ｆの水と４０度Ｆの排気を作り出す。例えば添加物を含む水や他の液体のような他の冷媒を用いる場合には、他の温度も使用できる。この冷却空気は満杯かも知れないタンク５に圧縮空気エネルギーを貯蔵する必要なしに作り出されるが、好ましくは継続ベース、即ち風車を１９を運転しているときに作り出される。４０度Ｆの水は分離タンク２０に送られ、貯蔵し後の時間に使用できる。混合室１１の４０度Ｆの排気は、好ましくは直ちにＨＶＡＣシステムに送るか、又は排気（廃棄）される。

Ｆ．電力の発生と、圧縮空気貯蔵タンクが満杯時の淡水化、即時空調及び熱エネルギー貯蔵（遅延空調）用冷却空気のコジェネレーション
図１２に示すように、圧縮空気貯蔵タンク５が満杯で淡水化システム９（混合室１１の代わりに）を用いて海水から冷却淡水を作り出す場合には、冷却空気は図１１に示す様式とほぼ同じの方法で作り出せる。即ち、過剰電力は補助圧縮機３４に送り大気圧を、例えば９０ｐｓｉａに高めた後、９０ｐｓｉａの空気を好ましくは共通軸３９のターボ膨張機３３に連結したターボ圧縮機３１に送る。ターボ膨張機３３により膨張した９０ｐｓｉａの空気は、好ましくはターボ膨張機３３の軸３９によりターボ圧縮機３１を回転させ、定常状態の平衡圧に達するまでターボ圧縮機／ターボ膨張機機器の加速を誘発する。再度特定のデザインでは、補助圧縮機３４の９０ｐｓｉａの空気出力をターボ圧縮機３１により２１５ｐｓｉａに上げる。ターボ膨張機３３に対する２１５ｐｓｉａの給気エアは、おおよそ１５ｐｓｉａに膨張し高質量流量の空気を生ずる。生成した高質量流量の空気は極端に冷たく、即ち好ましくは例えば−１１４．８度Ｆのように−１００度Ｆ以下になる。又このシステムに備わる熱交換器３５と３７は、好ましくは圧縮した空気を比較的冷たく保つことを助けることにより、ターボ膨張機３３が放出する冷却空気の生成温度を損なわない。

本様式と前様式の間の差は、冷却空気が混合室よりむしろ晶析室９に分配され、冷却空気を晶析室９に注入し海水小滴の急速凍結を起こすことにより冷却空気が海水の淡水化に使用され、上述のように淡水の氷粒子を高塩分塩水から除去できることである。本プロセスにより、好ましくは約４０度Ｆに冷却した新鮮な飲料水が作り出され、４０度Ｆの排気が又作り出される。

この冷却空気は、本様式では満杯かも知れないタンク５に圧縮空気エネルギーを貯蔵する必要なしに作りだされるが、好ましくは継続ベース、即ち風車１９を運転しているときに作り出される。４０度Ｆの淡水は分離タンク２０に送られ、貯蔵し、後の時間に空調システム１５により使用できる。晶析室９からの４０度Ｆの排気は、好ましくは直ちにＨＶＡＣシステムに送るか、又は排気（廃棄）される。

本様式では、好ましくは熱エネルギーシステム１３、次いで空調システム１５を循環する淡水が再循環されることにより取り出され、施設や任意の他のユーザーにより新鮮な飲料水として使用できるように設定する。エアコン１５により暖められた淡水の幾らかは、又再循環し、淡水化システム４０で形成した氷粒子用の融解水として使用できる。

注記：例えば図１１や図１２の様式のように圧縮空気タンク５が満杯の場合、分離タンク２０は最適の冷たい温度に達し、冷却水を最早受け入れられない時間がある。例えば空調システム１５を運転する必要が最早ないので、分離タンクの冷却水が一定の冷却温度のままである場合に起こりうる。このような場合、このシステムは以下の一つ以上が適用できることを意図する。１）風エネルギーをエネルギーが必要な他の連結電力網に送る。２）風車ファン又は風車翼をフェザリングする。３）エネルギーを散逸するための負荷貯蔵所を提供する。

上記の運転のいずれでも、他のエネルギー源３ｂ、３ｃ又は３ｄのいずれも、例えば非ピーク時間に使用でき、エネルギーが低原価率の時間に貯蔵し、高原価率の時間に使用できる。又凍結温度を用いて水を凍結し純水を不純物から分離するいずれの淡水化システムで、圧縮空気は使用しないが他の凍結技術、化学薬品などを使用するものも本発明に組み込むことができ、淡水化システムが作り出す排気温度を用いて水を冷却し、続いて熱エネルギー貯蔵システムに分配できる。

Claims (21)

1. エンドユーザーのエネルギーコストを削減できる冷房システムであって、
   圧縮空気の形で貯蔵可能な圧縮空気エネルギー貯蔵システムで、主圧縮機、タンク、及び圧縮空気放出用の膨張機を含み、これらにより膨張機が放出するエネルギーを用いて発電機を作動して発電、及び／又は冷却空気を発生できるシステム、
   冷却空気を用いて冷却室内の液体を冷却するように適合された冷却室、
   冷却液体を貯蔵できる分離タンクを含む熱エネルギー貯蔵ユニット、
   熱エネルギー貯蔵システムと連通する空調システム、及び圧縮空気エネルギー貯蔵システムを含み、該冷却室からの該冷却液体を該分離タンクに循環し、該分離タンクからの該冷却液体を取り出し空調システムの冷却のために使用できる冷房システム。
2. 空気を該圧縮空気エネルギー貯蔵システム内に圧縮するエネルギーが以下のエネルギー源の少なくとも１つから得られる請求項１の冷房システム：
   １）一つ以上の風車からの風力発電
   ２）電力網
   ３）地熱発電、及び
   ４）原子力発電。
3. 該システムが該主圧縮機の駆動に使用できる風エネルギーを発生する少なくとも１つの風車を含み、空気を該圧縮空気エネルギー貯蔵システムに圧縮できる請求項１の冷房システム。
4. 少なくとも１つの該風車と協力する第二発電機が備わり、該第二発電機が作り出す電気の全部又は一部を以下の少なくとも一つに送電できる請求項３の冷房システム：
   １）電気の即時使用のためにユーザー又は電力網に導く電力線、
   ２）該圧縮空気エネルギー貯蔵システム、
   ３）補助圧縮機システム。
5. 該補助圧縮機システムが、補助圧縮機、ターボ圧縮機、補助ターボ膨張機、及び少なくとも１つの熱交換機を含み、該補助ターボ膨張機を用いて該冷却室に分配できる冷却空気を発生する請求項４の冷房システム。
6. 該タンク内の圧縮空気の少なくとも一部を、１）補助圧縮機システムに分配し、２）空調システムの冷却空気を直接提供するのに使用し、及び／又は３）空気圧機器を作動するのに使用できる請求項１の冷房システム。
7. 該冷却室が液体を充満する混合室を含み、該冷却空気を気泡の形で混合室に導入でき、熱移動が生じることにより該混合室の液体を冷却し、冷却液体を作り出せる請求項１の冷房システム。
8. 該混合室の該冷却液体は、冷却液体が空調システムの冷却を助けるように分離タンク及び空調システムと連通し、該冷却液体が該空調システムから該混合室に還流できるように閉ループシステムを保つ請求項７の冷房システム。
9. 該冷却室が海水淡水化用の晶析室を含み、該晶析室を適用して海水を霧又は噴霧物の形で該晶析室に導入し、該冷却空気を該晶析室に導入して霧又は噴霧物を冷却させて純水からなる氷粒子を形成し、該晶析室により塩及び他の不純物を海水から除去する結果、冷却淡水を作り出せる請求項１の冷房システム。
10. 該晶析室に形成した該氷粒子が保留タンクで融解でき、追加の淡水を用いて氷粒子を融解して冷却淡水を作り出せる請求項９の冷房システム。
11. 該晶析室の該冷却淡水は、冷却淡水が空調システムの冷却を助けるように該混合室の冷却液体が該分離タンクと該空調システムと連通し、淡水を後でシステムから取り出し新鮮な飲料水として利用できる請求項１０の冷房システム。
12. 該システムに用いるエネルギーはエネルギー料金が比較的低い需要の非ピーク時間に得、エネルギー料金が比較的高い需要のピーク時間に該分離タンクの該冷却液体を用いて空調システムが運転できる請求項２の冷房システム。
13. 該分離タンクが、上側注入口と上側排出口を有する上部と、下側注入口と下側排出口を有する下部を有し、該冷却室の冷却液体が該下側注入口を通して該分離タンク下部に循環でき、該分離タンクの該冷却液体が、該下側排出口を通して該分離タンク下部から取り出して空調システムを冷却でき、該空調システムにより熱交換後、該空調システムからの冷却液体は該上側注入口を通して該分離タンク上部に循環させ、該分離タンク上部からの該冷却液体は該上側排出口を通して該冷却室に還流できる請求項１の冷房システム。
14. 空気を該圧縮空気エネルギー貯蔵システムに圧縮するのに用いるエネルギーは、エネルギー料金が比較的低い需要の非ピーク時間に使用でき、エネルギー料金が比較的高い需要のピーク時間に該分離タンクからの冷却液体を用いて該空調システムを運転できる請求項１の冷房システム。
15. 最初に用いる液体は海水であり、該冷却室が海水から塩及び／又は他の不純物を除去するための晶析室を有する淡水化システムを含み、該淡水化システムが作り出す精製水を該晶析室から該分離タンクに循環し、該空調システムを冷却するために使用できる請求項１の冷房システム。
16. 該淡水化システムが該膨張機からの冷却空気を該晶析室に導入でき、海水を冷却して精製水でできた氷粒子を形成し、海水中の塩や他の不純物と分離できる請求項１５の冷房システム。
17. エンドユーザーのエネルギーコストを削減できる冷房システムであって、
    水から塩及び／又は他の不純物を除去するための淡水化システムで、この淡水化システムが水中の塩や他の不純物と分離された精製水でできた氷粒子を形成するシステム、
    氷粒子由来の冷却精製水を貯蔵するための貯蔵タンク、及び
    淡水化システムと連通する空調システムで、該貯蔵タンクから冷却水が取り出されて空調システムを冷却するために使用でき、冷却水は空調システム１５を通過する結果、循環空気を冷却できるシステム
    を含む冷房システム。
18. 該貯蔵タンクが水で充満される熱エネルギー貯蔵分離タンクを含み、該分離タンクが上部と下部を有する請求項１７の冷房システム。
19. 該淡水化システムからの冷却精製水を該分離タンク下部に循環し、下部から取り出して空調システムを冷却することができ、該空調システムで熱交換後、該空調システムからの水を循環して新鮮な飲料水として分配できる請求項１８の冷房システム。
20. 水精製に用いるエネルギーは、エネルギー料金が比較的低い需要の非ピーク時間に使用でき、エネルギー料金が比較的高い需要のピーク時間に該貯蔵タンクからの冷却精製水を用いて空調システムを運転できる請求項１７の冷房システム。
21. 該淡水化システムが、空気を圧縮し膨張機で放出できる圧縮空気エネルギーシステムを含み、これにより該膨張機が圧縮空気を放出することで発生する冷却排気を用いて淡水化システムの水を冷却できる請求項１７の冷房システム。

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