JP2012533984A - 表層面の高温空気を熱源として、上層大気をヒートシンクとして利用し、かつ空気の上昇気流を生じさせ制御するマイクロ波ビームを利用する発電方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、表層の高温空気を熱源として、上層大気をヒートシンクとして利用し、かつ上昇気流をもたらして大規模な空気の循環を生じさせ制御する上向きのマイクロ波ビームを利用する発電方法を記載する。マイクロ波ビームの周波数は、ビームが海抜数キロメートルまで突き抜けられるように、酸素分子の吸収帯内のほぼ６０ＧＨｚに集中している。発電プラントは、例えば土手状のジャイロトロンである高出力マイクロ波源と、１つまたは複数のタービン・発電機の組と、（浮動プラットフォーム上にある場合）必要に応じて凝縮器／サイクロンとを備える。プラントは、湿った海水面の空気からの凝縮により浄水を供給することもできる。プラントを使って大量の空気から大気中の二酸化炭素を除去することもできる。あるいは、太陽熱発電プラント、産業用のチムニーおよび従来の発電プラントの冷却塔と併用して、マイクロ波ビームにより生成される動的なチムニーを配備して、その有効高さを増加させることができる。

Description

本発明は、酸素の吸収帯中の高出力マイクロ波ビームによって位置が固定され制御される大気対流セルからクリーンな電力を発生させる方法に関する。

ますます大量の二酸化炭素（主な温室効果ガス）を大気中に放出する人間の活動に起因する地球温暖化が、現代社会の今後の発展に関する主要な関心事になっている。この巨大な問題を解決する際の１つの重要なステップは、世界中の電力網の脱炭素化である。助けになるあらゆることを行うべきだが、排ガスを出さない何千（何万）ギガワットのレベルの発電所が今世紀半ばまでに使われるようにならなければ、大いに予想できる環境の激変は避けられないであろう。

現在、世界中に、電力を生成するための約４テラワット（ＴＷ）の設備容量（そのほとんどすべては、原子力を含めた再生可能でない資源に依拠している）がある。米国では、設備容量は約１ＴＷである。需要の変動が避けられないため、実際には、平均して５０％の容量が使われている。２００５年には、発電量の４９．７％が石炭、１９．３％が原子力、１８．７％が天然ガス、６．５％が水力発電、３％が石油、１．６％がバイオマス、残りの１．２％が地熱、太陽光および風力によるものであった。したがって、再生可能なものは９．３％（そのほとんどは水力発電によるものである）に過ぎず、７１．４％以上が二酸化炭素を放出したことになる。

風力および太陽光による発電が急速に増えているにもかかわらず、最近数年間の間に、再生可能な資源の相対的な使用量は概して増加しておらず、絶対的には、石炭やガスの使用量がもっと速く増加している。世界中のエネルギーの総需要は約１５ＴＷであり、今世紀末までには、５０ＴＷかあるいは１００ＴＷにも拡大する恐れがある。石油の供給がピークに達し、その後減少するので、電気的エネルギーのほとんどの代わりを立てることが期待されることになる。二酸化炭素の放出をもたらさない現在の技術の中では、原子力だけがこの需要を満たすまで十分速く拡大し得るが、多くの理由のためにそれは実現しないであろう。さらに、ウランの供給も枯渇し得る。

核融合が大きく前進したとしても、原子力発電に対する主な懸念のいくつかが解消されることはないであろう。二酸化炭素を隔離することは、技術的には実現可能であるが、再生可能な資源に転向させる根本的な必要性をそれによって満たすことはできない。

本発明により、マイクロ波ビームによって作り出されるソーラー・チムニーを利用して人工の竜巻を形成する、発電用の再生可能な資源を提供する。

「人工の竜巻」のような渦流に関する先行技術（Ｍｉｃｈａｕｄ ＬＭの米国特許第７，０８６，８２３号、Ｍｉｃｈａｕｄ ＬＭ，Ｖｏｒｔｅｘ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｄｕｒｉｎｇ ｕｐｗａｒｄ ｈｅａｔ−ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ，６２，（１９９９）：２４１〜２５１）では、渦流は一度作られると地表面での境界条件とみなすことができるものだけに依拠して安定なままであるということを前提にしている。参考として本明細書で引用した他の文献と同様に、竜巻により有用な実例が提供され、本発明者が動機付けられたが、より高層の大気までの安定な導管として渦流を使用するには、先行技術の提案によって与えられるいかなるものよりも優れた機構が必要になる。

自然の竜巻は、はるかに大きな暴風雨システム中の要因を合わせたものに起因する過渡的な現象である。渦流を維持するにはエネルギーが増大しなければならず、状態を変えるにはエネルギーをゆっくり使わなければならないが、自然の竜巻では、その状態は竜巻の渦流自体を取り囲む暴風雨システムによって引き起こされる。しかしながら、竜巻、特に恐ろしい吸込み渦流により、「動的なチムニー」の物理的な可能性が教示される。

竜巻のコンピュータ・シミュレーションでは、自然に起こる風のパターンを再現することができるが、「強制関数」を使って竜巻の中心の鉛直な上昇気流をモデル化する（Ｎｏｌａｎ ＤＳ，Ａｌｍｇｒｅｎ ＡＳ，Ｂｅｌｌ ＪＢ，Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｏｒｃｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｏｒｎａｄｏ−ｌｉｋｅ ｖｏｒｔｉｃｅｓ，Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｂｅｒｋｅｌｅｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ Ｒｅｐｏｒｔ ＬＢＮＬ−４７５５４，Ｓｅｐｔ．２０００）。本質的には、それは、熱的異常、すなわち、地上の海抜数キロメートルのところに地表面よりも暖かい空気があることの結果である。強制関数がなければ竜巻はできず、強制関数が地表面にあれば、海抜のより高いところまで渦流は到達しないはずである。実際、自然の竜巻の渦流は、海抜のより高いところに作られ、その回転軸に沿って下向きに伸びたときに地表に触れるに過ぎない。

従来のソーラー・チムニーの概念は十分にテストされ、今では数１００ＭＷのレベルで大型の発電プラントを建設する計画がある（Ｓｃｈｌａｉｃｈ Ｊ，Ｂｅｒｇｅｒｍａｎｎ Ｒ，Ｓｃｈｉｅｌ Ｗ，Ｗｅｉｎｒｅｂｅ Ｇ，Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｓｏｌａｒ Ｕｐｄｒａｆｔ Ｔｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ―Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，Ｊ．ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１２７（１），（２００５）：１１７〜１２４）。ソーラー・チムニー・プラントの出力は、チムニーの高さと地表での温室の屋根とによって定められる体積にほぼ比例する。オーストラリアでの大型のプラントに関する最近の計画では、２００ＭＷのプラント用に１０００ｍの高さのチムニーと直径７ｋｍのガラス屋根が必要である。本発明によるマイクロ波ビームによって作られる「動的なチムニー」は、５０００ｍ以上の高さまで到達することができ、したがって、プラントの構造のすべてを地表面の近くに残したままで、そうしたプラントの出力を５倍に増やしてギガワットの範囲にすることができるであろう。

Ｓｔｅｖｅｎ Ｋ．Ｌｅｖｉｎｅによる米国特許第３，９３６，６５２号には、既存の発電プラント、例えば原子力発電プラントの冷却塔によって発生する上昇気流に基づく発電システムが開示されている。

Ｇｅｒａｌｄ Ｉ．ＳｔｉｌｌｍａｎおよびＲｕｄｏｌｆ Ａ．Ｗｉｌｅｙによる米国特許第４，３９７，７９３号には、鉛直なスリットを介して冷却塔またはスタックの壁に渦流を導入することによって冷却塔またはスタックの効率を増加させる方法が開示されている。

Ｊｏｈｎ Ｅ．ＭｃＡｌｌｉｓｔｅｒ，Ｊｒ．による米国特許第４，４９９，０３４号には、効率を増加させ、それにより入口通路内に設置された風車を介して動力を取り出すことができる、渦流で補った冷却塔が開示されている。

Ｍｅｌｖｉｎ Ｌ．Ｐｒｕｅｉｔｔによる米国特許第５，４８３，７９８号には、水噴霧により空気を冷却することによって空気流が駆動される対流塔が開示されている。

Ｍｉｃｈａｅｌ Ａ．Ｄｕｎｎによる米国特許第６，７７２，５９３号には、太陽集熱器（上記で既に言及したソーラー・チムニーと同様の概念である）のもとで空気が暖められる渦流駆動の発電所が開示されている。

本発明により、好ましくは亜熱帯／熱帯地方の海洋または陸地の表面に蓄えられた太陽の熱により動力が供給される熱機関によって電気を発生させるための仕事を取り出す解決手段を提供する。いくつかの自然の対流セルだけが安定化し、動力を取り出す箇所の上に位置が固定されているならば、圏界面までの海抜での圧力と温度の分布が、空気から仕事を取り出す大きな可能性をはっきりと示唆している。その取出しは、ターボ機械の既知の動作原理に依拠している。

要するに、プラント自体から発する高出力マイクロ波ビームによって加熱された、プラント上の気柱の浮力によって引き起こされる減圧状態（ｕｎｄｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）により、高温多湿の空気が発電プラントを通る。プラントによって生成される電気的エネルギーの一部分によって、マイクロ波発生器に電力を供給してもよい。マイクロ波発生器の周波数は、酸素分子の吸収帯内のほぼ６０ＧＨｚであってよく、海抜数千メートルまで効果的に加熱することが可能なように調整される。ジャイロトロンは、十分に開発された市販のマイクロ波源であり、ジャイロトロンを使ってそのマイクロ波ビームを作り出すことができる。ＭＷレベルの連続波（ＣＷ）ジャイロトロンのユニットを多数配備して、そうしたビームの電力需要を満たすことができる。

本発明の別の態様によれば、到来する湿った空気をコリオリの効果により循環させる。入口ベーンにより空気を案内して、コリオリの効果の発生を促進させることができる。到来する空気は、発電プラントの下端で発電プラントに入り、入口ベーンを通過するときに速度を増す。タービンが発電機に動力を供給し、生成された電気的エネルギーの一部を使ってマイクロ波ビーム発生器に動力を供給する。セルの循環が確立して安定化するまでにプラントを始動するためには、送電網からマイクロ波発生器に動力を供給する。タービンの後に、空気はくびれを通過することが好ましく、そこでは速度が増加するために圧力が降下する結果、水ミストの噴射により凝集した結露ができる。この段階の次は、そのとき液化した水を全体の空気流から分離するサイクロンである。液化によって放出される蒸発潜熱が空気塊に伝わって、上昇気流を拡大させる。より乾燥した暖かい空気が、マイクロ波ビームを中心とする渦流で、プラントから出て行く。

この熱機関は、理論的には、ほぼ３００Ｋの海面の温度と、地球の宇宙への放射冷却のほとんどがそこから起こる約２５０Ｋの対流圏の温度との間で動作するはずである。したがって、理論的な最大効率は、η＝（１−２５０／３００）×１００＝１７％ということになる。ほとんどの最新の熱機関は、その理論的な限界の約２分の１で動作する（典型的な高温源の温度を使うとその限界は８０％に近付く）。したがって、全体の効率は依然として５０％より低い。本発明の発電プラントが１％の効率、すなわち理論的な限界の６％に達するならば、半径１０ｋｍの領域の上で動作させることにより、ギガワットの電力を発生させることができる。大型の機械の経済性は、最も興味のある問題である。この電力の発生器は一般的なものであるが、低圧／低温で動くそうした強力なタービンは、今のところまだ造られていない。高強度の複合材を使えば、比較的高速で動く非常に大型の機械を建設することが可能になるはずである。あるいは、多数のより小さなタービン／発電機のユニット、例えば、それぞれが定格３５〜７０ＭＷの３２個または１６個のユニットを単一のプラントに組み合わせることができるであろう。

いくつかの大気対流セルの大きさが他のセルのものよりも安定であるかどうか（これは一種の「固有値」を表すように見える）は、理論と観察から学ぶべきことであるが、ハリケーンの詳細な研究では、これらの暴風雨のうち最大のものの中にメソ渦流（ｍｅｓｏｖｏｒｔｉｃｅｓ）が存在することを示しており、それらは、本発明の発電プラントに関する対流の基本的な単位と考えられるおおよその規模、すなわち半径１０ｋｍかつ高さ１０ｋｍのものである。

地球の大気中の対流セルの大きさは、分子を分離する距離から、ハドレー循環、極循環およびフェレル循環として知られている地球規模の対流セルに特有の何千キロメートルにまで及ぶ。大気中に蓄えられた太陽の熱から自然に取り出される仕事は、風と海洋の流れによるものに過ぎず、それは全部で約２％になる。

最も好適な場所で、利用可能な熱から１％の仕事（自然の対流プロセスが平均で生み出すものの２分の１）を取り出すことが、現実的な目標のようである。究極的には、（現在および今後の大多数のユーザがいるところから遠く離れていない）暖かい海洋の沿岸に沿って係留された数万ＧＷの規模の発電プラントにより、（排ガスを出さずに運転費と管理費を低くして）現代社会が必要とするすべての電力を供給することができるはずである。プラットフォームと上部構造は、高強度コンクリート構造の最新の技術によって建てられることが好ましいであろう。コンクリートに代わるものとして造船に使われるような鉄骨構造を挙げることができるが、最終的な選択は、予想される耐用年数の間の全コストと環境的な影響に基づいてなされるべきである。大型の暴風雨（大西洋ではハリケーンと、太平洋では台風と、インド洋では熱帯サイクロンと呼ばれる）によってほとんどが脅かされる沿岸に沿ってそうした発電プラントの列を係留すると、海面の空気がより冷たく湿気もより少ないため、これらの暴風雨が横切ることができない防壁をもたらすことにもなるであろう（Ａｌａｍａｒｏ Ｍ，Ｍｉｃｈｅｌｅ Ｊ，Ｐｕｄｏｖ Ｖ，Ａ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｔｒｏｐｉｃａｌ ｃｙｃｌｏｎｅｓ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ ｆｒｅｅ ｊｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｏｒ ｈｕｒｒｉｃａｎｅ ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ，Ｊ．ｏｆ Ｗｅａｔｈｅｒ Ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，３８，（２００６）：８２〜９６）。

世界はより高温になっているが、その上、まさに危険なまでに水が不足している。本発明の発電プラントに含まれる熱伝達機構のうちの１つは、水上に設置された場合に、ハリケーンで起こるのと全く同じように、流入する湿った空気からの水分の液化により蒸発の潜熱を放出する。液化した水は発電プラントの内部に集められ、陸地にポンプで汲み上げられる。

これらの係留された機械の中で「降雨」と全く同じようなことが起こり、それらを通過する大量の空気にも全く同じようなことが起こる。もし世界のすべての発電がこのように行われれば、地球のすべての大気が約５年でこれらの機械を通過することになる。現在のＣＯ２のレベルでさえ主な関心事であり、積極的に除去することが考えられるが、それがうまくいくためには、空気を利用しやすくする必要がある。もし１回の通過で１％のＣＯ２を除去することができれば、５０〜１００年でＣＯ２の濃度を１０％低下させることができるであろう。

あるいは、そうした発電プラントは、乾燥した陸地上、好ましくは不毛な高温の砂漠に建てることもできるであろう。湿度や海洋の熱容量がないので、効率が低くなり昼と夜の運転の間で変動がより激しくなるが、建設はより単純になり、おそらくコストが低くなるであろう。

マイクロ波ビームを中心とする対流大気セルを示す図である。 マイクロ波ビームを使って対流大気セルを作り、空気流の一部をその中心周辺と地表面の近くに集めてその運動エネルギーの一部を電気に変換する発電プラントの概略図である。 通過する空気の湿度を低下させることによって浄水を生成する凝縮およびサイクロンの段階がある、浮動するプラットフォームに基礎を置く発電プラントを示す図である。 本発明の実施形態による、陸上に基礎を置く発電プラントを示す図である。 太陽集熱器をもつ、陸上に基礎を置く発電プラントを示す図である。 効率を増加させるためにマイクロ波ビームにより補われる、連結した冷却塔／煙道スタックを示す図である。 マイクロ波により駆動される煙道塔を示す図である。 浮動プラットフォーム上の、屋根の構造がない発電プラントの概略図である。

本発明による発電プラントは、高温多湿の空気を熱源として、上層大気をヒートシンクとして利用して、好ましくは海に浮かぶプラットフォーム上で動作するものである。そうしたプラントは、熱帯／亜熱帯の海洋の大陸沿岸（平均的に吸収される日射が２００〜３００Ｗ／ｍ２の範囲内であり、海面温度が３００Ｋ程度である）に沿って係留されて、ギガワット（ＧＷ）のレベルで連続的に動作するように建てることができるであろう。プラントの中心周辺での空気の循環は自然のサイクロンに似ており、プラントからの上向きのマイクロ波ビームにより加熱されたプラント上の気柱の浮力によって、鉛直方向への流出が誘発される。マイクロ波ビームの周波数は、酸素分子の吸収帯内の、ほぼ６０ＧＨｚに集中している。好ましいマイクロ波ビーム源はジャイロトロンである。

そのプラントは、クリーンな電力に加えて、海水面の湿った空気からの凝縮により浄水を供給することもできる。大型の暴風雨（大西洋ではハリケーンと、太平洋では台風と、インド洋では熱帯サイクロンと呼ばれる）によってほとんどが脅かされる沿岸に沿ってそうした発電プラントの列を係留すると、海面の空気がより冷たく湿気もより少ないため、これらの暴風雨が横切ることができない防壁をもたらすことにもなるであろう。

さらに、大量の空気がそうしたプラントを通って移動することになり、大気中の二酸化炭素を積極的に除去する可能性が与えられる。

あるいは、乾燥した高温の居住に適さない陸地にそうした発電プラントを建てることもできる。別の選択肢として、ソーラー・チムニー・プラント用に提案されたものなどの温室の囲いによって（ただし、チムニーの物理的な構造をマイクロ波により発生した上昇気流で置き換えて）、空気の流入を促進することができるであろう。その上昇気流は圏界面まで達することができ、したがって、その上昇気流により、チムニー建設のコストが多額になることを避けながら、発電容量の最大値を増加させることができる。

さらに、従来のチムニー、特に産業用の種類のものは、マイクロ波ビームにより駆動される空気の上昇気流で補うかまたは置き換えることができるであろう。

本発明では、プラントの中心からの上向きのマイクロ波ビームによって上昇気流を発生させ、ビームが通過する気柱を効果的に加熱するようにマイクロ波の周波数を選択する。空気は、海抜が低いところから上に移動するとき、ビームを通って進み、上昇する途中でエネルギーを吸収し続ける。周波数の理想的な選択肢は、酸素分子の吸収帯内の６０ＧＨｚ周りである。大気中の圧縮空気を通って進むと、この周波数のマイクロ波は約１０ｄＢ／ｋｍで吸収される。すなわち、１ｋｍの空気を通って進むと、ビームはそのエネルギーの９０％を渡すことになる。海抜がより高くなると密度がより低くなって、吸収は低下し、したがって、ビームはより高いところへ突き抜ける。ピークの上下では、吸収がより低く、したがって、突抜けはより高くなる（詳細なデータは、Ｔｒｅｔｙａｋｏｖ Ｍ Ｙｕ，Ｋｏｓｈｈｅｌｅｖ ＭＡ，Ｄｏｒｏｖｓｋｉｋｈ ＶＶ，Ｍａｋａｒｏｖ ＤＳ，Ｒｏｓｅｎｋｒａｎｚ ＰＷ，６０−ＧＨｚ ｏｘｙｇｅｎ ｂａｎｄ：ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｅｎｔｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｆｉｎｅ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｌｉｎｅｓ，ａｂｓｏｌｕｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｔ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｄ ｒｅｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｉｘｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ，Ｊ．ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，２３１，（２００５）：１〜１４に示されている）。吸収スペクトルのピークも空気の圧力および温度とともに変化する。これは面倒な問題であるが、ビームの突抜けを最適化するための好機でもある。最終的には、加熱された空気と付随する風の垂直方向の速度については、ビームをいつ最適化するかということを考慮する必要がある。ビームを風下に傾けることにより、付随する風の効果を部分的に補償することができるであろう。したがって、より高層の大気への導管である動的なチムニーがマイクロ波ビームによって発生し、その効力と安定性は、より冷たくより密度が高い空気を外側に押し出す渦流によって強化される。

最近十年間で、高出力のマイクロ波発生器は効率と出力に急速に進歩が見られており、その発展の多くは、ＩＴＥＲプロジェクト（トカマク・ベースの核融合炉である国際熱核融合実験炉）のニーズによって動機付けられているが、ミリメートル波長のマイクロ波の産業用の使用が拡大していることによっても動機付けられている。２ＭＷの出力で３０ＧＨｚから１００ＧＨｚを優に上回って連続波モードで動作するジャイロトロンが手の届くところにある（１ＭＷ付近のものは商用化されている）。効率は５０％を超えている（Ｇ．Ｇ．Ｄｅｎｉｓｏｖ，Ｖ．Ｅ．Ｚａｐｅｖａｌｏｖ，Ａ．Ｇ．ＬｉｔｖａｋおよびＶ．Ｅ．Ｍｙａｓｎｉｋｏｖ，Ｍｅｇａｗａｔｔ Ｇｙｒｏｔｒｏｎｓ ｆｏｒ ＥＣＲ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ−Ｆｕｓｉｏｎ Ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，Ｒａｄｉｏｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．１０，２００３）。ドームで覆われたパラボラアンテナによりビームをコリメートして上向きに送る。風を補償することがビームの軸外の舵取りで必要であれば、好ましくは、アンテナを機械的に傾けることによって行うことができるであろう（電子的な舵取りではジャイロトロンの位相制御が必要になる）が、費用のかかる提案である（Ｊ．Ｔ．ＫａｒｅおよびＫ．Ｌ．Ｇ．Ｐａｒｋｉｎ，Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｐｐｒｏａｃａｈｅｓ ｔｏ ＣＷ Ｂｅａｍｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｕｎｃｈ，Ｂｅａｍｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ：Ｆｏｕｒｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００６）。

地表面で入口を通って放射状にプラントに入りプラントの最上部で出口から軸方向に出て行く空気流から、タービンにより運動エネルギーを取り出す。マイクロ波を案内する動的な導管によって、出口はより高層の大気に接続されている。主要な入口ベーン（これらはまた、浮動プラットフォーム上に直立した全体構造を支持する）により、流入する空気を機械の中心に案内する。発電プラント内への空気の流れは、自然のサイクロンや一種の微小なハリケーンに似ている。ハリケーンはむしろ安定な自然現象であり、太陽の熱的エネルギーによって駆動される。海面温度の狭い範囲内で起こるに過ぎない水の蒸発と液化をエネルギー変換サイクルが含むという点で、ハリケーンは特別な条件を必要とする。自然のハリケーン（それらは海洋の塊の上を移動し、それらが通った跡の表面の水を冷却する）とは対照的に、利用可能な出力の一部分をこれらの発電プラントが使って、より高層の大気までの固定された導管を意図的に作ることによって循環セルの位置を固定し、酸素分子の吸収帯の中に適切にチューニングされたマイクロ波ビームによって上昇気流を発生させる。湿った空気の液化によって放出されるエンタルピーにより、本明細書で提案する高出力マイクロ波ビームが発生させる上昇気流の効力が増加する。速度の増加に起因する圧力降下と、湿った空気内に注入される水ミストへの凝集とによって、液化が実現される。鉛直な渦流で空気がプラントを出て行く前に、液化した水はサイクロンの段階で空気から分離される。

図１ａは、地表３上の、直径Ｄの円形領域にわたる、気柱の有効高さがＨである空気の対流セル１００の鉛直な断面を示す。セルはマイクロ波源１上を中心とし、そのマイクロ波源１は、対流セルの最上部４へ上向きにマイクロ波ビーム２を発生させる。セルの中心の上昇気流５は、ビーム２により更に加熱された地表の高温の空気の浮力によって駆動される。大気のより上の層では、宇宙への放射７によって放射状の流出６が冷却される。次いで、冷却された空気は、セルの外側の境界に沿って下に移動８する。地表の相互作用によって直接的および間接的に地表面の空気に蓄えられた太陽の熱１０により、求心的な空気の流れ９を暖める。上から見ると（図１ｂ）、地表に沿った空気の流入９には、地理的な位置に応じてコリオリの効果により引き起こされるいくらかの循環１１ができることがある。基本的な対流セルの大きさの第１の見積もりは、直径Ｄが２０ｋｍ、高さＨが１０ｋｍである。

図２ａは、対流セルの正に中心で空気の循環の一部を捕らえ、そのエネルギーの一部を取り出すように設計された発電プラント２０の基本的なレイアウトの鉛直な断面を示す。ドーム１２０によって保護されたアンテナ１２からマイクロ波ビーム２が発し、マイクロ波源１は地表面３に設置されている。プラント構造の屋根２１は、プラント内に空気流２２を効果的に案内するように形作られている。矢印２７で示すように、対流セル内を循環する空気の多くがプラントをバイパスすることは避けられない。しかしながら、現在の建設技術の物理的および経済的な限界内で、ギガワットの正味の出力の、期待される目標を満たすのに十分大きなプラントを建てることができることを、第１の見積もりは示唆している。プラントの上面図（図２ｂ）は、大型のベーン２３が接線方向に設置されていることを示しており、それらのベーン２３がプラントの体積を均等な部分２４に分割し、屋根２１を支持する。本発明の実施形態のうちの１つでは、部分２４のそれぞれが、タービン２５と発電機２６の組を収容する。ベーン２３が接線方向に配置されていることにより、マイクロ波ビーム２上へのプラントの最上部からの空気の流出２８に角運動量が与えられ、竜巻のシミュレーションによって実証された吸引管の機構による鉛直方向への到達距離が長くなる。

図３は、部分的に水面３０の下に沈められた円形の浮動プラットフォーム３１に基礎を置く発電プラント２０の鉛直な断面を示す。これは概略の図であり、本当の２次元断面はベーン２３が部分的に切り取られていることを示すはずであるが、ここでは分かりやすくするためにそうしなかった。プラントに入る空気２２は水分が多いため、空気流が渦流２８でプラントの最上部を通り過ぎる前に水を液化し分離することができるような手段が設けられている。タービン２５を通過した後、空気はくびれ３２を流れ、速度が増すとともに圧力が低下する。くびれを通過するときに空気流に水ミスト３３を噴射することにより、流れが塔の部分３４に入る前に結露を凝集するように作用するが、それはサイクロンのように機能する。液化した水は空気から分離されて、部分３４の壁に噴出され、そこから矢印３５で示すように壁を流れ落ち、プール３６に集められる。この水の一部を使って結露を凝集し、そのほとんどがポンプ３７で陸地に汲み上げられる。プラットフォームは、何本かの係留索３８によって、空気流により生じるトルクに逆らって、所定の位置に固定される。

図３に示したものなどの発電プラントは、プラントを通過する空気から二酸化炭素を除去する手段を付加的に備えることができるであろう。詳細は示さないが、くびれの流れでの凝集／液化プロセスとその後に続くサイクロン分離に、いくつかの既知の化学的な手段を容易に組み込むことができる。

目標とするＧＷの出力レベルでの機械の大きさを見積もるためには、対流セル内の空気流の詳細なシミュレーションを行わなければならないだろう。おそらく、水面上の構造物の高さは１５０ｍ程度が必要であり、プラットフォームの直径は５００ｍまで、すなわち、対流セルの直径の約２．５％が必要だろう。プラットフォームによって覆われる面積は、セルの面積の約０．０６％を占めるに過ぎない。本明細書で提案した太陽光による集電の効率が非常に低かったとしても、日光にさらされる面積がプラント自体の面積より１６００倍大きいという事実が、最先端の技術を用いたすべての太陽光システム（それらは、典型的には集電領域が全体を覆う必要がある）との主要な違いを示唆している。素晴らしいことに、これらの寸法は、今日建てられている同様の発電や輸送に関係する建造物（例えば、発電プラントの冷却塔や、船体、原子力プラントの格納構造、石油掘削プラットフォーム、コンテナ・ターミナル）の範囲内である（Ｉｉｊｉｍａ Ｋａｕｈｉｒｏ，Ｋｉｍ Ｙａｓｕｎｏｂｕ，Ｙａｏ Ｔｅｔｓｕｙａ，Ａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｆｅａｓｉｂｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｌａｒｇｅ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｋａｉｙｏ Ｋｏｇａｋｕ Ｓｈｉｎｐｏｊｉｕｍｕ，Ｖｏｌ．１９；ｐｇ．Ｒｏｍｂｕｎｎｏ．１６，２００６）。

水平の軸をもつより従来の建築方法による多数のタービン、例えば１６ユニットを使った場合、おそらく多数の段をもち、タービンの直径は３０〜４０ｍ程度になるであろう。高い回転速度を可能にするためには、高強度の複合材が必要である。シュラウド付きのタービンの設計について行ったシミュレーションは、シュラウド（この場合は、プラットフォーム構造の基礎、屋根およびベーンにより画定される空気取入れ口）によりが面積を増加させる可能性を実現するために、シュラウドがタービンの周囲に隙間を残すべきであるということを示唆している（Ｍ．Ｇａｎｉｓ，ＣＦＤ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ Ｓｈｒｏｕｄｅｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ，Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕ．ｏｆ Ｕｄｉｎｅ，２００３，ｗｗｗ．ｄｉｐｌｏｍ．ｄｅ）。

図４は、本発明の実施形態による、陸上に基礎を置く発電所を示す。上部構造４０は、図２に示した海洋に基礎を置くプラントのものと同一であるが、地表４１の上に直接建てられる。進入トンネル４２により、マイクロ波源１を整備することが可能になる。海洋に基礎を置くプラントに対して行うことができるように、屋根２１の頂面はペンキで塗られて熱を吸収し、次いでその熱が、プラントを通過する空気または単にプラント上にある空気を加熱することによって上昇気流を支える。５００Ｗ／ｍ２程度で昼光にさらされると、直径５００ｍの屋根によって集められる全電力は、ほぼ１００ＭＷになる。

図５は、ソーラー・チムニーと併用して提案する、温室屋根の既知の原理と組み合わせた太陽光発電所５０を示す（Ｓｃｈｌａｉｃｈ Ｊ，Ｂｅｒｇｅｒｍａｎｎ Ｒ，Ｓｃｈｉｅｌ Ｗ，Ｗｅｉｎｒｅｂｅ Ｇ，Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｓｏｌａｒ Ｕｐｄｒａｆｔ Ｔｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ―Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，Ｊ．ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１２７（１），（２００５）：１１７〜１２４）が、チムニーをマイクロ波ビームで置き換えるか、または高く伸ばしている。中央の構造は直径５１まで伸びており、温室の屋根５２は直径数キロメートルのより大きな領域５３を覆う。マイクロ波ビーム源１が再びプラントの中心に示されており、アンテナ１２が塔５４の中心を通って上向きにビーム２を放射する。アンテナ１２はドーム１２０によって覆われている。シャフト５７によって接続されるタービン５５と発電機５６は、空気流が地表に沿って十分な流線型を保つように、いくらか傾いていてもよい。赤道以南の南オーストラリアに建てる場合は、コリオリの効果を強化し、出て行く空気流５９の角運動量を増加させるために、ベーン５８は時計回りに空気流を案内すべきである。

図６は、石炭を燃料とする発電プラントに建てられることがある、連結した冷却塔／チムニーを示す。導波管６４を通してアンテナ６３に電力を供給する源６１により発生する高出力マイクロ波ビーム６２を加えることにより、塔の効率を物理的な限度内で実質的に高めることができる。塔を通る冷却空気流６５と煙道ガス流６６の両方が大きく増加し、渦流６７になって最上部で塔から出て行く。

図７は、高層の物理的な構造のチムニーを動的なものに置き換えた産業用のチムニーを示す。その動的なチムニーは、マイクロ波ビーム７０を使って、好ましくは少なくとも２つの接線方向の出入口を介してチムニー７２に入る高温の空気７１を、上にある大気を通して渦流７３で案内する。マイクロ波発生器７４は、導波管７５を通してアンテナ７６を駆動する。アンテナはドーム７７によって保護されている。完全な構造は５０ｍと低くすることができるが、実効的な距離は、建造された最も高い従来のチムニー（４２０ｍの記録をカザフスタンのＧＲＥＳ−２発電所が保持している）よりもはるかに上である、地表より何千メートルも上まで到達することができるであろう。

大気を通ってより暖かく海抜が低い空気を案内するためにマイクロ波ビームを使うことは、本発明の主要な革新的概念である。ビームによって消費される動力は、それ自体で空気を持ち上げるのではなく、むしろ、日光にさらされることによって加熱された表面の空気がそこを通って海抜のより高いところに逃げることができる「穴」を大気中にあけるのに使われるということを、強調しておかなければならない。有用なたとえは、皿の底にドリルで穴をあけて水が皿からなくなるようにすることである。穴をあけるのに必要なエネルギーは、重力のもとでなくなる水から取り出すことができる仕事に直接は関係していない。しかし、穴がなければ仕事を取り出すことはできない。何らかの環境破壊の可能性については（６０ＧＨｚのマイクロ波ビームの強度は非常に低いが）、ビームの出力はアンテナの皿の非常に大きな表面積（大型の発電プラントで直径５０ｍ程度）の全体に広がり、したがって、分子の規模ではいかなる変化ももたらすことはない。水を含めた他のいかなる大気中の構成要素による吸収も無視できる。通信に関する問題の可能性については、まさに酸素による強い吸収のために、この帯域は長距離の通信には実用的でなく、実際、規制されていない。最近、その帯域は、特に規制されていないために、非常に短距離の室内通信に使われている。

図８ａは、鉛直なベーン８３のみがあり、いかなる屋根の建造物もない、浮動プラットフォーム上の発電プラント８０の鉛直な断面を示す。これは、あまり効率的に対流セルの空気流を捕らえることはできないかもしれないが、建設するのがはるかに容易である。マイクロ波源８１は土手状のジャイロトロンを備え、プラント上に上向きにビーム８２を送出する。

図８ｂは、渦流が生じる中心に向けて空気を案内するベーン８３をもつプラントの上面図を示す。発電機８６はベーン８３から吊るされており、高速タービン８５によって動力が供給され、基本的にはヘリコプターの回転翼の逆である。ベーン８３の間にある空気ダクトのそれぞれには、最適に動力を捕らえるために、いくつかのタービン・発電機の組を吊るすことができる。例えば、図示したように、１６枚のベーンにより形成された１６ダクトの中にそれぞれ３組あると、４８個のタービン・発電機の組になる。それぞれは、直径約３５ｍの高速な回転翼をもつ、ほぼ３０ＭＷのものとすることができる。プラットフォームは直径が約６００ｍである。

陸上に基礎を置くプラント用にも同様の構造を使うことができる。

本発明の少なくとも１つの実施形態を開示したが、色々な調節や、修正、追加、改良ができることは、当業者であれば明らかである。そうした調節や、修正、追加、改良は本発明の一部であると考えられ、本明細書に添付したいくつかの請求項によってのみ、本発明は限定される。

Claims (15)

1. 鉛直に位置して空気の上昇気流を引き起こす高出力マイクロ波ビームと、
   前記空気の上昇気流により引き起こされる空気流の中に位置して電気を発生させる少なくとも１つの発電機と
   を備える発電システム。
2. 前記高出力マイクロ波ビームの周波数が酸素分子の吸収帯の中に集中している、請求項１に記載のシステム。
3. 前記高出力マイクロ波の周波数がほぼ６０ＧＨｚに集中している、請求項１に記載のシステム。
4. 前記高出力マイクロ波ビームによって位置が固定された太陽の熱により動力が供給される大気対流セルをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
5. 浮動発電プラントの上に前記大気対流セルが位置し、前記対流セルから運動の動力を受け取るように前記発電機が位置している、請求項４に記載のシステム。
6. 前記プラントを流れる前記空気から水分を凝縮して浄水を生成するための手段をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記プラントを流れる前記空気から二酸化炭素を除去するための手段をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
8. 陸上に基礎を置く発電プラントの上に前記大気対流セルが位置し、前記対流セルから運動の動力を受け取るように前記発電機が位置している、請求項４に記載のシステム。
9. 前記高出力マイクロ波ビームの周囲に位置して前記空気の上昇気流の中に渦流を引き起こす複数の入口ベーンをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記高出力マイクロ波ビームを引き起こすように位置した少なくとも１つのジャイロトロンをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 複数のジャイロトロンをさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
12. 鉛直に位置した高出力マイクロ波ビームを含む、大気の上昇気流を引き起こすシステム。
13. 陸上に基礎を置く太陽光発電プラントの上に上昇気流を補うように前記高出力マイクロ波ビームが位置し、太陽の熱の閉じ込めを促進する温室の屋根を前記太陽光発電プラントが備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 冷却塔の上に上昇気流を補うように前記高出力マイクロ波ビームが位置している、請求項１に記載のシステム。
15. チムニーの上に上昇気流を補うように前記高出力マイクロ波ビームが位置している、請求項１２に記載のシステム。

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