JP2010540827A - 水力発電揚水貯蔵 - Google Patents

Abstract

水力発電揚水貯蔵が時間に応じたシステムに対する電力需要を監視するステップを含む。監視された需要が所定の第一の値を越える場合に、流体は実質的に重力の影響をうけて第一帯水層から第二帯水層へ流れることができる。流れる流体の運動エネルギーは、電気エネルギーに変換される。監視された需要が所定の第二の値を下回る場合、流体は第二帯水層から第一帯水層に移動される。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００７年９月２７日出願米国特許出願第１１／８６２，９７５号の権利及び優先権を主張し、その開示内容全体はここに参照として組み込まれている。

技術分野
本発明は水力発電揚水貯蔵に関し、より具体的には１つ以上の帯水層を利用した水力発電揚水貯蔵に関する。

電力システムは、電気を生成、伝送、および多様なエンドユーザへ分配する。

電力需要は、電力システムが特定の時間において供給を要求される電気の量に関連する。電力システムに対する電力需要は、時間により変化する傾向がある。

ひとつの態様において、方法は電気供給システムへの需要の監視を含む。監視された需要が所定の第一の値を越える場合、流体は実質的に重力の影響下において第一帯水層から第二帯水層へ流れることを許容される。流体の流れに関連する運動エネルギーは、電気エネルギーに変換される。監視された需要が所定の第二の値より下回った場合、流体は第二帯水層から第一帯水層へ移動される。

通常運動エネルギーは、第一および第二帯水層の間、または第二帯水層内のどちらかに配置されたタービン発電機によって電気エネルギーに変換される。いくつかの実施方法においては、タービン発電機は第二帯水層から分離されている。タービン発電機を第二帯水層から切り離すことは、タービン発電機を通じて流体が自由に流れるのを助け、これはタービン発電機が生成することができる電気エネルギー量を最大にするのを助けるために望ましい。

いくつかの実施方法において、第二帯水層より上のタービン発電機の高さは第二帯水層の浸透率に関連する。通常第二帯水層の浸透率は、第二帯水層が流れる流体を吸収することができる割合に影響する。したがって、第二帯水層の浸透率が高い（すなわち高い割合の流量を収容することができる）場合、タービン発電機を第二帯水層の近く、または中に配置することができる。同様に第二帯水層の浸透率が低い（すなわち流量を収容する能力が低い）場合、タービン発電機は第二帯水層の高い位置、または上に配置することが望ましい。

典型的な実施方法において、タービン発電機は、第二帯水層の静止水位、または上、下のいずれかに配置されることができる。

いくつかの実施方法において、電気エネルギーは電気供給システムに対する需要を少なくとも部分的に満足し、かつ第一の電気システムの発電容量を補うために使用される。第一帯水層から第二帯水層への流体の流れは、第一帯水層および第二帯水層の間の流体連通チャネルのバルブを開くことにより開始されることができる。流れている流体の運動エネルギーは、流体がタービン発電機を通って流れることにより電気のエネルギーに変換されることができる。

通常第二帯水層から第一帯水層への流体の移動は流体の揚水を含む。通常第一帯水層は、第二帯水層より高い高度にある。

別の態様において、システムは、第一帯水層、第二帯水層、第一と第二帯水層との間の流体の流れを容易にする１つまたは複数の流体連通チャネル、および流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するタービン発電機を含む。

いくつかの実施形態によると、流体連通チャネルを通るタービン発電機への流体の流れは、実質的に重力の影響を受ける。典型的な実施方法において、ポンプは、流体を第二帯水層から第一帯水層へ移動する。ある実施方法においては、ポンプは第二帯水層に配置される。

ある実施形態は、ひとつの可逆ポンプタービンとして共に収容されたポンプおよびタービン発電機を含む。ある実施形態は、第一流体連通チャネルおよび第二流体連通チャネルを含み、タービンは、第一流体連通チャネルを通じて流れる流体を受け入れるように使用でき、かつポンプは、第二流体連通チャネルを通じて流体が移動するよう使用できる。

１つまたは複数のバルブは、各流体連通チャネルにあることができる。バルブは、関連したチャネルを通る流体の流れを制御するために使用できることができる。

典型的な実施方法において、タービン発電機は、需要が所定の値を越える場合に需要が時間により変化する電気供給システムに電気エネルギーを供給するために使用できる。

いくつかの実施形態は、電気供給システムに対する需要を監視するコントローラを含む。監視された需要が所定の第一の値を越える場合、流体は第一帯水層から第二帯水層へ流れることを許容され、かつそれにより作られた電気エネルギーが少なくとも部分的に需要を満足するために使用される。監視された需要が所定の第一の値より低い所定の第二の値を下回る場合、流体は第二帯水層から第一帯水層へ移動される。

典型的な実施方法において、第一帯水層は、第二帯水層より高い高度にある。そのうえ第二帯水層の浸透率の度合いが１つまたは複数の流体連通チャネルを通る流体の流れにタービン発電機の運転を危うくするような不利な影響を与えないように、タービン発電機は通常第二帯水層より十分上に配置されることができる。

流体の流れを容易にする１つまたは複数の流体連通チャネルは、タービン発電機から第二帯水層内の多数の位置に延在するパイプを含むことができる。

別の態様において、時間によって需要が変化する電気負荷に電気を供給する方法が開示される。方法は、電気供給システムから電気負荷へ電気を供給するステップ、および時間により変化する需要を監視するステップを含む。監視された需要が第一の所定値を越える場合、流体が実質的に重力の影響をうけて第一帯水層から第二帯水層へ流れることを許容され、かつ電気供給システムからのエネルギーを補うために流れる流体の運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。監視された値が第二の所定値より下回る場合、流体は第二帯水層から第一帯水層へ移動される。

通常、流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することは、タービン発電機を通って流れるように流れる流体を導くことを含む。これらの例において電気エネルギーは通常、需要を少なくとも部分的に満足させるために使用される。

さらに別の態様において、方法は、電気供給システムに対する需要を監視するステップを含む。監視された需要が所定の第一の値を越える場合、実質的に重力の影響をうけて帯水層より上の高度の流体域から帯水層へ流体が流れることができ、かつ流れる流体に関連する運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。監視された需要が所定の第二の値を下回る場合、流体は帯水層から流体域に移動される。いくつかの実施方法において、流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することは、流れる流体がタービン発電機を通り流れる原因になることを備える。流体域は、リザーバー、川、小川、池、貯水池または地表より下または上の任意の他の流体収集を含むことができる。

別の態様によるとシステムは、流体域、帯水層および流体域および帯水層の間の流体の流れを容易にする１つまたは複数の流体連通チャネルを含む。タービン発電機は、１つまたは複数の流体連通チャネルを通り流体域から第二帯水層へ流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するために配置される。ポンプは、流体を第二帯水層から第一帯水層へ移動することができる。

いくつかの実施方法において、１つまたは複数の以下の利点がある。

例えば水力発電の揚水貯蔵設備を比較的少ない費用で作ることができる。それに応じて得られた揚水水力発電エネルギーをより手ごろな価格にてエンドユーザに提供することができる。電力システムが要求されるピーク電力需要を効率的な方法により満足することができる。

電気の貯蔵、および供給のために効率的な方法にて天然資源を利用することができる。

他の特徴および利点が説明、図面、特許請求の範囲から明らかになるだろう。

電力システムの概略図を示す。 水力発電揚水貯蔵設備のひとつの実施方法の断面図を示す。 水力発電揚水貯蔵設備の別の実施方法の断面図を示す。 水力発電揚水貯蔵設備のさらに別の実施方法の断面図を示す。 水力発電揚水貯蔵設備のさらに別の実施方法の断面図を示す。 水力発電揚水貯蔵設備の別の実施方法の断面図を示す。

図１に示すように、電力システム１００は電気を電気負荷１０４に供給するために使用することができる第一の電気システム１０２を含む。水力発電揚水貯蔵設備１０６は、二つ以上の帯水層の間、または帯水層およびいくつかの他の流体域の間で流体（例えば水）を移動させることによりエネルギーを貯蔵および／または生成することに使用することができる。比較的高い需要の期間中に第一の電気システム１０２によって提供されたエネルギーを補うために水力発電揚水貯蔵設備により作られたエネルギーを使用することができる。

典型的な実施方法において、第一の電気システム１０２は、１つまたは複数の発電所、多様な電気伝送装置および多様な電気分配装置を含む。エネルギーを電気負荷１０４に供給する電気供給システム１０２の容量は限界がある。しかし、電気負荷１０４に関連した需要は、時間により著しく変化する。

第一の電気システム１０２に対する需要が比較的少ない場合、水力発電揚水貯蔵設備１０６は、第一の電気システム１０２の余分な発電容量を一の帯水層から高い高度にある他の帯水層（または他の流体域）へ流体を移動するために使用することができる。一方、第一の電気システム１０２に対する需要が比較的高い場合、水力発電揚水貯蔵設備１０６は高度の高い帯水層（または他の流体域）から流体を放出し、その結果実質的に重力の影響をうけて高度の低い帯水層へ流れる。流れる流体の運動エネルギーは、電気に変換される（例えばタービン発電機によって）。その電気は、限界のある電気供給システム１０２の容量を補い、かつ電気負荷１０４によって要求されるより多い需要を満足させるために使用することができる。

帯水層は、そこから水が抽出される含水透過性の岩の地下層、または層をなしていない材料（例えば砂利、砂、沈泥または粘土）である。帯水層は、自然に発生することがあり、または人によって作られることもある。帯水層は、地表の下の様々な深さ発生することができる。

図２に示すように、水力発電揚水貯蔵設備２０６は、第一高度の第一帯水層（すなわち上部帯水層２０８）、および第一高度より低い第二高度の第二帯水層（すなわち下部帯水層２１０）を含む。第一２１２および第二２１４流体連通チャネルが上部２０８および下部２１０帯水層の間に延在する。設備２０６は、第一流体連通チャネル２１２に関連したタービン発電機２１８、および第二流体連通チャネル２１４に関連したポンプステーション２１６を含む。バルブ２２０、２２２が第一２１２および第二２１４流体連通チャネルそれぞれに設けられ、これらのチャネルを通る流体の流れを制限、および／または可能にするために使用することができる。また設備２０６は、設備２０６の運転の多様な態様を制御するために使用することができるコントローラ２４１を含む。

示された実施方法において、穿孔２２４が地表面から垂直下方に下部帯水層２１０のちょうど上の面まで延在する。穿孔２２４はその側壁２２８のひとつが上部帯水層２０８に隣接するように形成される。いくつかの実施方法において、帯水層は穿孔からいくらか離れた距離に配置されることができる。

図示されたポンプステーション２１６は、下部帯水層２１０の内部に配置され、かつ軸２３４を介してポンプ２３２に連結されたモーター２３０を含む。モーター２３０は、ポンプを作動させるための電力を提供する。いくつかの実施方法において、モーター２３０は外部電源、例えば図１に示した第一の電気システム１０２からの電気エネルギーを受けとる。

いくつかの実施方法において、ポンプ２３２が可能な限り低く、かつ好ましくは下部帯水層２１０の水位より下に配置されることが望ましい。ポンプ２３２を可能な限り低く配置することは、ポンプの２３２入口における正圧を保証することを助ける。

示された実施方法において、流体を下部帯水層２１０から上部帯水層２０８へ移動するためにポンプ２３２を使用することができる。いくつかの実施方法において、ポンプ２３０は、ターボポンプ（例えば遠心ポンプ）である。しかし、他の実施方法においてポンプ２３０は、容積式ポンプ（例えば往復ポンプ）である。

ポンプ２３２の吸引ラインは、穿孔２２４の底を通過し、下部帯水層２１０の中に延在する。吸引ラインがほとんど下部帯水層２１０の底まで延在することが通常好ましく、その結果下部帯水層２１０に比較的少ない量の流体しかない場合でもポンプが流体を移動することができる。

ポンプ２３２の排出ラインは、通常ポンプ２３２から上方に延在し、最終的には穿孔２２４の側壁２２８を通過して上部帯水層２０８に入る。ポンプ２３２の排出ラインは帯水層２０８の比較的高い部分にて上部帯水層２０８に入ることが通常好ましい。ポンプ２３２の排出ラインが上部帯水層２０８の水位の上から上部帯水層２０８に入る場合、ポンプが切られた場合に第二流体連通チャネル２１４を通じて下方へ流れる流体が最低限におさえられる。

ポンプ２３２の排出ラインに連結されたバルブ２２２は、排出ラインを通る流体の流れを制限、および／または可能にするために使用することができる。通常ポンプ２３２が運転している場合にはバルブ２２２は開かれ、ポンプ２３２が運転していない場合には閉じられる。上部帯水層２０８から下部帯水層２１０への望ましくない逆流を防ぐために、ポンプ２３２が運転していない場合にはバルブ２２２を閉じることが通常望ましい。

示された実施方法において、タービン発電機２１８は穿孔２２４の内側に配置され、かつタービン２３６、および軸２４０を介してタービン２３６に動作可能に連結された発電機２３８を含む。

タービン発電機２１８は、第一（すなわち上部）帯水層２０８から第二（すなわち下部）帯水層２１０へ流れる流体がタービン２３６を通って流れるように配置される。流れる流体は、タービン２３６、およびそれにしたがい発電機２３８の回転を引き起こす。通常、発電機２３８の回転により、発電機２３８が電気を生成することができる。

下部帯水層２１０は、限られた浸透率（すなわちそれに流れ込む流体を収容する限られた能力）を有しているため、下部帯水層２１０は通常例えば第一流体連通チャネル２１２の下からそこに入ろうとする流体を妨げる。チャネルを通じて流れる流体の抵抗度および量に応じて、第一流体連通チャネル２１２内に流体の詰まりが発生する場合がある。タービン２３６近くにおいて流体の詰まりが許容される場合、タービン２３６を通る流体の流れに障害が起こる恐れがあり、かつタービン発電機の運転に障害が起こる恐れがある。したがって典型的な実施方法においては、タービン発電機２１８は下部帯水層２１０の上の十分高い位置に配置することができ、たとえ詰まった流体が第一流体連通チャネル２１２の下部に蓄積したとしても、タービン２３６の連続運転を保証するためにタービンを通る十分な量の流体の流れが維持されることを保証する。

いくつかの実施方法において、タービン２３６の入口ラインは、穿孔２２４の側壁２２８を通り、上部帯水層２０８内へ延在する。いくつかの点において、タービンの入口ラインが上部帯水層２０８の可能な限り低い位置から上部帯水層２０８に入ることが望ましく、その結果たとえ帯水層２０８に流体があまりなかったとしても帯水層２０８からの流体の供給が可能となる。一方タービン２３６の入口ラインが帯水層２０８のより高い点から上部帯水層２０８に入る場合、タービン２３６を通り下へ流れる流体に対する圧力ヘッドはより大きくなる可能性があり、またこれは望ましいと考えられる。タービンの出口ラインは、穿孔２２４の底を通り下部帯水層２１０内へ延在する。

タービン２３６の入口ラインに連結されたバルブ２２０は、タービン２３６に入る流体の流れを制御するために使用することができる。バルブ２２０が開いている場合、流体はタービン２３６に流れることができる。バルブ２２０が閉じている場合、流体がタービン２３６に流れ込むのを防いでいる。

通常、説明された水力発電揚水貯蔵設備２０６は以下のように第一の電気システム（例えば図１の第一の電気システム１０２）にエネルギーを補助的に提供するために作動することができる。システム１０２に対する需要が低い場合（すなわち所定の第一の値を下回る場合）、ポンプ２３２が作動し始め、かつポンプ出口ラインのバルブ２２２が開く。運転中、ポンプ２３２は流体を下部帯水層２１０からより高い帯水層２０８へ移動させる。いくつかの実施方法において、一旦開始されるとポンプ２３２は所定の期間作動する。その間、ポンプ２３２は通常流体を下部帯水層から上部帯水層へ移動させる。

ポンプ２３２の運転は、いくつかの他の方法によって制御されることができる。例えば、ポンプ２３２の運転をいつ止めるべきかを決定するために、上部２０８および下部２１０帯水層内の水位センサを使用することができる。あるいは、ポンプ２３２の運転をいつ止めるべきかを決定するために、流体圧力ゲージを使用することができる。

一度ポンプ２３２が止まると、ポンプ２３２を通る望ましくない流体の逆流を防ぐために、バルブ２２２は閉じられる。

電気供給システムに対する需要が高い（すなわち所定の第二の値を越える）場合、実質的に重力の影響をうけて流体が流体連通チャネル２１２を通じて流れることができるようにバルブ２２２が開かれる。流れる流体は、タービン発電機２１８の一部の、基本的に流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するタービン２３６を通過する。この電気エネルギーは、このシステムに対する需要を満足するためにタービン発電機２１８の一部の発電機２３８から第一の電気システムに供給される。

いくつかの実施方法において、電気供給システムに対する需要が所定の値を下回るまで流体は、第一流体連通チャネル２１２を通って流れ続ける。需要が所定の値を下回らない場合、タービン発電機２１８動作し続けるために十分な流体が上部帯水層２０８に残らなくなるまで、または下部帯水層２１０が実質的に満たされるまで、流体は流れ続けることができる。

タービン発電機２１８の運転を止めるために、第一流体連通チャネル２１２を通る、つまりタービン発電機２１８を通る流体の流れを止めるバルブ２２０を閉じることができる。一旦流体の流れが途絶えると、タービン発電機の運転が止まる。

設備の運転の様々な態様は、手動にて実施されることができ、または別の方法としては、例えばコントローラ２４１を介して自動化できる。

図３は水力発電の揚水貯蔵設備３０６の別の実施方法を図示している。下記に述べるいくつかの相違点のほかは、図示された設備３０６は図２の設備２０６に類似する。

示された設備３０６は、第一高度の上部帯水層３０８、および第一高度より低い第二高度の下部帯水層３１０を含む。流体連通チャネル３１３は、上部３０８および下部３１０帯水層の間に延在する。可逆ポンプタービンステーション３１７は、流体連通チャネル３１３と関連する。バルブ３２１は、流体連通チャネル３１３を通る流体の流れを制限および／または可能にするために設けられている。コントローラ３４１が設けられ、設備３０６の運転の様々な態様を制御するために使用することができる。

可逆ポンプタービンステーション３１７は、穿孔３２４内に配置される。可逆ポンプタービンステーション３１７は、流体連通チャネル３１３の下部の流体の詰まりに関連した問題を避けるために、下部帯水層３１０より十分上の高さに配置されることができる。示された可逆ポンプタービンステーション３１７は、軸３３４を介して可逆電気モーター／発電機３３５に連結された可逆ポンプタービン３３３を含む。

可逆ポンプタービン３３３はポンプとして一の方向に、およびタービンとして他の方向に動作することができる。ポンプとして動作する場合は、可逆ポンプタービン３３３は、通常流体を下部帯水層２１０から上部帯水層２０８へ移動させるために使用することができる。タービンとして動作する場合は、流体は実質的に重力の影響をうけて上部帯水層３０８から下部帯水層３１０へ流れ、かつ可逆ポンプタービン３３３を回転させる。

可逆電気モーター／発電機３３５は、ポンプを駆動するためのモーターとして動作することができ、または電気を生成する発電機としてタービンによって動作することができる。可逆電気モーター／発電機３３５がモーターとして動作する場合、通常外部電源、例えば図１の第一の電気システム１０２からの電気エネルギーを受け入れ、かつ可逆ポンプタービン３３３をポンプとして作動させる。可逆電気モーター／発電機３３５がタービンによって回転させられる場合、発電機として働き、電気を発生する。

示された可逆ポンプタービン３３３が下部帯水層３１０の静的流体ラインの上に配置されることができるため、いくつかの実施方法は、可逆ポンプタービン３３３に設けられた呼び水（図示せず）手段を含む。通常呼び水手段は、ポンプモードとして作動を開始する前に実質的にポンプタービンのケースが流体によって満たされるよう設けられる。いくつかの実施方法において呼び水手段は、真空ポンプまたは空気放射器である。

いくつかの実施方法においてポンプモードとして運転を開始する場合に可逆ポンプタービンは、自吸ポンプとして適合する。あるいは、ポンプの吸引ライン内の液体を保持するために、フットバルブまたはチェックバルブを使用することができる。いくつかの実施方法において、個別の水中始動ポンプを下部帯水層内に配置することができかつ、ポンプモードとして作動しようとする場合に可逆ポンプタービンを始動するために使用することができる。

図４は、水力発電揚水貯蔵設備４０６のさらに別の実施方法を示す。下記に述べるいくつかの相違点以外は、図示された設備４０６は図２および図３の設備２０６、３０６に類似している。

図示された設備４０６は、第一帯水層４０８および第二帯水層４１０を含み、その一部分は互いに同じ高度にある。流体連通チャネル４１３は、第一帯水層４０８の上部および第二帯水層４１０の下部の間に延在する。可逆ポンプタービンステーション４１７は、流体連通チャネル４１３に関連している。バルブ４２１は、流体連通チャネル４１３に設けられ、かつ流体連通チャネル４１３を通る流体の流れを制限および／または可能にするために使用することができる。コントローラ４４１は設備４０６の運転の様々な態様を制御するために使用することができる。

図示された穿孔４２４は、二つの帯水層４０８、４１０の間を地表面から下向きの方向に延在する。

流体連通チャネル４１３は第一高度の第一帯水層４０８に入り、かつ第一高度より低い第二高度の第二帯水層４１０に入る。したがってバルブ４２１が開いている場合に実質的に重力の影響をうけて第一帯水層４０８から第二帯水層４１０へ流体が流れることができるように、流体連通チャネル４１３は斜めになっている。この方法において流体が流れる場合、可逆ポンプタービンステーション４１７はタービンモードとして動作する。一方、可逆ポンプタービンステーション４１７がポンプモードとして運転され、かつバルブ４２１が開いている場合、流体はポンプにより流体連通チャネル４１３を通り第二帯水層４１０から第一帯水層４０８へ移動される。

図５は、水力発電揚水貯蔵設備５０６のさらに別の実施方法を示す。下記に述べるいくつかの相違点以外は、図示された設備５０６は図２の設備２０６に類似している。

図示された設備５０６は、第一高度の第一帯水層（すなわち上部帯水層５０８）、第一高度より低い第二高度の第二帯水層（すなわち下部帯水層５１０）を含む。流体連通チャネルは上部５０８および下部５１０帯水層の間に延在する。流体連通チャネルは、下部帯水層５１０から地表面へ延在する一対の穿孔５２４ａ、５２４ｂ、上部帯水層５０８から地表面５２６へ延在する穿孔５２４ｃ、および穿孔５２４ａ、５２４ｂ、５２４ｃの間の流体連通を提供するパイプネットワーク５７５により形成される。パイプは、バルブ５２０、５２２を含む。

タービン発電機５１８は、下部帯水層５１０から地表面５２６に延在する穿孔５２４ｂのひとつの内部に配置される。示された実施方法において、タービン発電機は、下部帯水層５１０の静止流体ラインより上にある。しかし、いくつかの実施方法において、タービン発電機５１８は、下部帯水層５１０の静止水位と同じ、または下にすることが可能である。

第一ポンプステーション５１６ａは、下部帯水層５１０から地表面５２６に延在する他の穿孔５２４ａの内部に配置される。このポンプステーション５１６ａは、下部帯水層５１０の静止流体ラインより下にあり、かつ下部帯水層５１０から上部帯水層５０８へ流体を移動させるために使用することができる。第二ポンプステーション５１６ｂは、上部帯水層５０８から地表面５２６に延在する穿孔５２４ｃの内部に配置される。第二ポンプステーション５１６ｂは、上部帯水層５０８の静止流体ラインの下にあり、かつ上部帯水層から地上のパイプ５７５の中に流体を移動するために使用することができ、その結果流体は、少なくとも部分的に重力の影響をうけて下部帯水層５１０に向かい下へ流れることができる。

通常、示された水力発電揚水貯蔵設備５０６は、補足のエネルギーを第一の電気システム（例えば図１の第一の電気システム１０２）に提供するために下記のように作動することができる。システム１０２に対する需要が低い場合（すなわち所定の第一の値を下まわる場合）ポンプ５１６ａが作動し始め、かつポンプ出口ラインのバルブ５２２が開かれる。運転中、ポンプ５３２は下部帯水層５１０からより高い帯水層５０８へ流体を移動する。ポンプ５３２が止まる場合、バルブ５２２は閉じられる。

電気供給システム対する需要が高い（すなわち所定の第二の値を越える）場合、バルブ５２０は開かれ、少なくとも部分的に重力の影響をうけて流体が穿孔５２４ｂを通って流れることができる。ポンプ５１６ｂは、上部帯水層５０８から地上のパイプ５７５へ流体を移動するために動作することができる。穿孔５２４ｂを通って流れる流体は、本質的に流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するタービン発電機５１８を通過する。この電気エネルギーは、このシステムの需要を満たすためにタービン発電機５１８から第一の電気システムへ供給される。

図６は、水力発電揚水貯蔵設備６０６のさらに別の実施方法を示す。下記に述べるいくつかの相違点以外は、図示された設備６０６は、図２の設備２０６に類似している。

図示された設備６０６は、地表面６２６に露出した第一水源（例えばリザーバー６０９）、および地表面６２６より下の高度の帯水層６１０を含む。第一６１２および第二６１４流体連通チャネルは、リザーバー６０９および帯水層６１０の間に延在する。設備６０６は、第一流体連通チャネル６１２に関連したタービン発電機６１８、および第二流体連通チャネル６１４に関連したポンプステーション６１６を含む。バルブ６２０、６２２は、第一６１２および第二６１４流体連通チャネルにそれぞれ設けられ、かつこれらのチャネルを通る流体の流れを制限、および／または可能にするために使用することができる。また設備６０６は、様々な態様の設備６０６の運転を制御するために使用することができるコントローラ６４１を含む。穿孔６２４は、地表面から下部帯水層２１０の直上の表面へ向かって垂直に下方へ延在する。

設備６０６の運転は上述した設備２０６の運転に類似する。

いくつかの実施方法において、第一水源は、湖、川、海、水流、人工タンクまたは地表面に、または地表面近くに露出した他の任意の水源とすることができる。

本発明のいくつかの実施形態が示された。しかし、本発明の精神と技術範囲から逸脱することなく多様な改良がなされうることは理解されるべきである。

例えば十分な量の水がタービンを通り流れ続けることを保証するために、第一流体連通チャネル２１２はタービンから下部帯水層へ延在する多数のパイプを含むことができる。パイプは、帯水層の異なる位置にて終わることができ、その結果、例えばひとつの位置において流体を吸収し続けるには飽和しすぎている場合、少なくともいくつかの他の位置は、流体を吸収し続けることができるだろう。したがって、タービン発電機が運転し続けることを保証するために、第一連通チャネル２１２を通る十分な量の流体の流れを持続することができる。

別の例のように、水力発電揚水貯蔵設備は、エネルギーを貯蔵および／または放出するために３つ以上の帯水層の間を流体が移動するように設けられることができる。

ここに開示された技術は、例えば、飽和および不飽和帯水層、および被圧および不圧帯水層などを含む様々なタイプの帯水層とともに実施することができる。１つまたは複数の帯水層は人工のものとすることができる。多数の流体連通チャネルを、ひとつのタービンおよび／またはひとつのポンプに接続することができる。これはより多い量の流体を帯水層の間に流すことを可能にする。ひとつの帯水層から他の対水層へいつ流体を移動させるかを決定することは、広く多様な要件によって影響を受ける。例えば、夜間に下部帯水層から上部帯水層へ流体を移動させることができ、かつ日中に上部帯水層から下部帯水層へ流体を移動させることができる。

そのうえここに開示されたいくつかの構成品を収容する穿孔を、異なる大きさおよび形とすることができる。流体連通チャネルの部品などを含むいくつかの構成品を地上に配置することができる。いくつかの実施方法は、ひとつの流体連通チャネルに関連した多数のポンプおよび／または多数のタービンを含むことができる。流体連通チャネルのバルブを多様な方法にて構成することができる。多数のバルブを各流体連通チャネルの異なる部分に配置することができる。

さらに発電機は、多様な方法にて電気供給システムに同期および接続するように設けることができる。いくつかの実施方法において、同期および接続は、コントローラなどにより自動化かつ制御される。

したがって他の実施方法は、本発明の技術範囲内である。

１００ 電力システム
１０２ 第一の電気システム
１０４ 電気負荷
１０６ 水力発電揚水貯蔵設備
２０６ 水力発電揚水貯蔵設備
２０８ 上部帯水層
２１０ 下部帯水層
２１２ 第一流体連通チャネル
２１４ 第二流体連通チャネル
２１６ ポンプステーション
２１８ タービン発電機
２２０ バルブ
２２２ バルブ
２２４ 穿孔
２２８ 側壁
２３０ モーター
２３２ ポンプ
２３４ 軸
２３６ タービン
２３８ 発電機
２４０ 軸
２４１ コントローラ

Claims (24)

1. 電気供給システムに対する需要を監視するステップと、
   前記監視された需要が所定の第一の値を越える場合に、実質的に重力の影響をうけて第一帯水層から第二帯水層へ流体が流れることを可能にするステップ、かつ前記流れる流体に関連した運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、
   前記監視された需要が所定の第二の値を下回る場合に、前記第二帯水層から前記第一帯水層へ流体を移動させるステップと、
   を備える方法。
2. 前記需要を少なくとも部分的に満足させるために前記電気エネルギーを使用するステップをさらに備える請求項１に記載の方法。
3. 前記第一帯水層から前記第二帯水層へ前記流体が流れることを可能にするステップが、前記第一帯水層および前記第二帯水層の間の流体連通チャネルのバルブを開くステップを備える請求項１に記載の方法。
4. 前記流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップが、タービン発電機を通って前記流れる流体を流れるようにさせるステップを備える請求項１に記載の方法。
5. 前記第二帯水層から前記第一帯水層へ流体を移動させるステップが前記流体を揚水するステップを備える請求項１に記載の方法。
6. 前記第一帯水層が前記第二帯水層より高い高度にある請求項１に記載の方法。
7. 第一帯水層と、
   第二帯水層と、
   前記第一および第二帯水層の間の流体の流れを容易にする１つまたは複数の流体連通チャネルと、
   １つまたは複数の前記流体連通チャネルを通り前記第一帯水層から前記第二帯水層へ流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換するよう配置されたタービン発電機と、
   を備えるシステム。
8. 実質的に重力の影響をうけて前記タービン発電機に流体が流れることを可能にするように、１つまたは複数の前記流体連通チャネルが設けられている請求項７に記載のシステム。
9. 前記第二帯水層から前記第一帯水層に流体を移動させるためのポンプをさらに備える請求項７に記載のシステム。
10. 前記ポンプが前記第二帯水層に配置されている請求項９に記載のシステム。
11. 前記ポンプおよび前記タービン発電機がひとつの可逆ポンプタービンに共に収容されている請求項９に記載のシステム。
12. 前記１つまたは複数の流体連通チャネルが、
    第一流体連通チャネルと、
    第二流体連通チャネルと、を備え
    前記第一流体連通チャネルを通り流れる流体を受け入れるために前記タービンを使用することができ、かつ
    前記第二流体連通チャネルを通り流体を移動させるために前記ポンプを使用することができる請求項９に記載のシステム。
13. 各前記流体連通チャネルにバルブをさらに備える請求項７に記載のシステム。
14. 需要が所定の値を越える場合に、時間に応じて需要が変化する電気供給システムに前記電気エネルギーを供給するために前記タービン発電機を使用することができる請求項７に記載のシステム。
15. 電気供給システムに対する需要を監視するため、
    前記監視された需要が所定の第一の値を越える場合に、前記第一帯水層から前記第二帯水層へ前記流体が流れることを可能にし、かつ
    使用される前記需要少なくとも部分的に満足させるために前記電気エネルギーを使用するため、および
    前記監視された需要が前記所定の第一の値より低い所定の第二の値を下回る場合に、前記第二帯水層から前記第一帯水層へ流体を移動させるため、
    に使用することができるコントローラをさらに備える請求項７に記載のシステム。
16. 前記第一帯水層が前記第二帯水層より高い高度にある請求項７に記載のシステム。
17. 前記第二帯水層の浸透率が前記１つまたは複数の流体連通チャネルを通る流体の流れに対し前記タービン発電機の運転を危うくするような不利な影響を与えない程度に、前記タービン発電機が前記第二帯水層より十分上の距離に配置された請求項７に記載のシステム。
18. 流体の流れを容易にする前記１つまたは複数の流体連通チャネルが、前記タービン発電機から前記第二帯水層の複数の位置へ延在するパイプを備える請求項７に記載のシステム。
19. 電気供給システムから電気負荷に電気を供給するステップと、
    時間により変化する需要を監視するステップと、
    前記監視された需要が所定の第一の値を越える場合に、実質的に重力の影響をうけて第一帯水層から第二帯水層へ流体が流れることを可能にするステップ、かつ前記電気供給システムからのエネルギーを補うために前記流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、
    前記監視された大きさが所定の第二の値を下回る場合に、前記第二帯水層から前記第一帯水層へ流体を移動させるステップと、
    を備える需要が時間により変化する電気負荷に電気を供給する方法。
20. 前記流れる流体の前記運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップが、タービン発電機を通り流れるように前記流れる流体を導くステップを備え、前記方法が前記需要を少なくとも部分的に満足させるために前記電気エネルギーを導くステップをさらに備える請求項１９に記載の方法。
21. 電気供給システムに対する需要を監視するステップと、
    前記監視された需要が所定の第一の値を越える場合に、実質的に重力の影響をうけて帯水層より上の高度の流体域から前記帯水層へ流体が流れることを可能にするステップ、かつ前記流れる流体に関連する運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、
    前記監視された需要が所定の第二の値を下回る場合に、前記帯水層から前記流体域へ流体を移動させるステップと、
    を備える方法。
22. 前記流れる流体の前記運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップが、タービン発電機を通り前記流れる流体を流すステップを備える請求項２１に記載の方法。
23. 前記流体域が地表面に露出したリザーバーを備える請求項２１に記載の方法。
24. 流体域と、
    帯水層と、
    前記流体域および前記帯水層の間の流体の流れを容易にする１つまたは複数の流体連通チャネルと、
    １つまたは複数の前記流体連通チャネルを通り前記流体域から前記第二帯水層へ流れる流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するよう配置されたタービン発電機と、
    前記第二帯水層から前記第一帯水層へ流体を移動させるためのポンプと、
    を備えるシステム。

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