JP2017505880A - 水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムに関し、当該システムは、所定量の空気および／または水を実質的に密封して収容することのできる容器（４１）と、把持手段（４４）とをそれぞれ備える複数の重り（４０）と、重り（４０）と係合するように構成され、発電モードでは重りを底部区域（６０）まで降下させ、駆動モードでは重りを水面（５０）に向けて逆に上昇させるように設けられる発電機リフト（３０）と、水面で発電機リフト（３０）の上部を支持することのできる主フロート（１０）と、発電機リフト（３０）と係合し、発電モードでは降下する重り（４０）の作用により電気エネルギーを生成し、駆動モードでは発電機リフト（３０）の作動により重り（４０）を逆に上昇させる可逆モータ（２０）と、を備える。

Description

本発明は、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムに関する。

多数の団体が、エネルギー貯蔵の課題について研究している。既に多くの解決策が特定される、あるいは実際に実行されているが、増大するエネルギー需要をほぼ満足させるに近い真の打開策となる解決策は今の時点で存在しない。

現在の課題は輸送機関に関連し、輸送機関では、汚染を続け、有限な資源である化石燃料からのエネルギーと置き換えるため、大量の電気エネルギーを貯蔵する必要がある。また、現在の課題は、主に発電所由来の電気の家庭および産業用消費に関連する。この場合、解決すべき最も重要な課題の１つは、比較的限られた期間中に消費量が非常に高いレベルに達するピーク期間に関する。現時点では、平均消費量とピーク消費量との差に等しい量のエネルギーを貯蔵することができないため、最大消費量を満たすように発電所を設計しなければならない。このことは、非常に大きな資本投資を伴う。さらに、ピーク期間中に稼働するピーク用発電所も多数設けられている。これらの発電所は大抵がガスまたは石炭火力発電所であり、無視できない汚染源である。仮にピーク消費期間に必要な余剰エネルギーをピーク期間中に貯蔵することができれば、こうしたピーク用発電所の建造を回避することができる。

文献ＤＥ１０３３３５１３は、あらゆる水深に適しており、必要量のエネルギーを一度に充電することができる断続的作動駆動装置を提案している。水中、特に海中に配置することを目的とする工作機械が送電装置に装備される。浮揚体がケーブルの自由端に配置され、閉鎖された非圧縮性浮き球を設けて、浮力エネルギーを充填する。駆動装置の降下中、位置エネルギーが固定浮揚体によって吸収され、駆動装置の配置後、このエネルギーは、ラチェット機構の制御された解除によって機械的作用に変換することができる。

文献ＵＳ２０１０１０９３２９は、導体と搬送アセンブリ上の特定数の磁気素子との相互作用によって電気エネルギーを生成することを目的とした摺動機構を記載している。搬送アセンブリは、重力下で第２の方向に軸に沿って移動する。搬送アセンブリは、第１または第２の方向の少なくとも一部にわたって、搬送アセンブリの外面と流体とを分離するために、浮揚アセンブリの移動を減速させる減速機構をさらに備える。

文献ＪＰＳ５６９６７１は、フロートを備える水エネルギー保存および貯蔵システムを記載しており、エネルギー源は、エネルギーを保存および貯蔵するため、水中にフロートを沈めるように作用する。

これらの３つの文献は、海底に配置されたときに位置エネルギーを蓄積するのに供するフロートを用いるシステムについて記載している。これらの解決策は、特に直列に脱着させる必要がある複数のフロートを使用することが望ましい場合、実行するのが高額かつ複雑である。

文献ＷＯ２０１００５１６３０は、流体中に懸架され、リールへのつなぎ綱によって接続される担持バルーンを使用するエネルギー生成および貯蔵システムについて記載している。つなぎ綱はピンと張っており、浮力のためにバルーンの高さを維持する。モータによって、バルーンが浮力に対抗して下方に引かれるように、リールを巻き上げることができる。バルーンを上昇させて、つなぎ綱を引き、発電機に接続されるリールを回転させることによって、エネルギーを抽出することができる。

このシステムは、一部は水中、一部は陸上で、極めて適切な形態を必要とし、単独のフロートでのみ動作する。

文献ＤＥ１０２００６０５９２３３は、一時的電気エネルギー生成用のエネルギー貯蔵装置について記載している。その方法は、液体よりも比重の低い本体を有するエネルギー貯蔵手段を液体中に沈めることを備える。

文献ＤＥ４１３５４４０は、日々のピークエネルギー消費期間を補填するため、エネルギーを電力網に供給することを目的とした陸上エネルギー生成設備について記載している。

これらの文献は、比較的限られた実効高で実現するのが複雑な難しい解決策に関する。

したがって、生態系に関して、より効率的かつ経済的な解決策が必要とされる。

本発明は、こうした様々な欠点を改善する各種技術的手段を使用する。

まず、本発明の第１の目的は、低消費量と入れ替わる電気エネルギー消費量ピークに対処することのできる電気エネルギー貯蔵および生成システムを提供することである。

本発明の別の目的は、大量の電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、消費量ピークの関数として需要に応じて動作する、電気エネルギーの貯蔵および生成用の自律システムを提供することである。

本発明の別の目的は、可能な限り環境に優しく、悪天候から保護される利用可能な空間を使用する解決策を提供することである。

こうした目的を達成するため、本発明は、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムを提供し、当該システムは、
所定量の空気および／または水を実質的に密封して収容することのできる少なくとも１つの容器と把持手段とのそれぞれに協働する複数の重りと、
重りと協働し、発電モードでは重りを底部区域まで降下させ、駆動モードでは重りを水面に向けて逆に上昇させるように構成される発電機リフトと、
水面で発電機リフトの上部を支持することのできる主フロートと、
発電機リフトと協働し、発電モードでは降下する重りの作用により電気エネルギーを生成し、駆動モードでは発電機リフトの作動により重りを逆に上昇させる可逆モータと、
を備える。

このような構造で、本発明は、電力消費のピーク時とオフピーク時の両方を管理することができる需要についての解決策を提案する。容器は重りの内側であっても外側であってもよい。

好適な一実施形態によると、当該システムは、発電機リフトの上部と協働する主フロートによって担持される可逆モータを備える。

別の好適な実施形態によると、発電機リフトは、主フロートと底部区域との間のベルトを作動させる１セットのプーリーから成る。

別の好適な実施形態によると、１セットのプーリーは、主フロートによって担持される水面プーリーと、底部プーリーと、を備える。

別の好適な実施形態によると、水面プーリーは、伝達装置を介して可逆モータと機械的に協働する。

別の好適な実施形態によると、発電機リフトは、主フロートによって担持されるウィンチと、ウィンチケーブルと、少なくとも１つのフックと、から成る。

好ましくは、ウィンチは、伝達装置を介して可逆モータと機械的に協働する。

同じく好ましくは、重りは、略細長であり、容器が主に一方の端部の方に配置され、フロートがこの端部と協働する。

同じく好ましくは、重りは、それぞれ、容器の内部と重りの外部とを流体連通させて、容器内の空気と水の流体流速を管理する制御システムを備える。

本発明は、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成する方法をさらに提供し、当該方法は、
発電モードでは、実質的に水面の主フロートと底部区域とを接続する発電機リフトを用いて、複数の重りを底部区域まで降下させて、電気エネルギー生成モードで、重りの力によって、発電機リフトが可逆モータを作動させることと、
駆動モードでは、発電機リフトを用いて重りを逆に水面に向かって上昇させて、可逆モータが駆動モードとなり、発電機リフトの駆動を確保することと、
を備える

実施形態の詳細のすべてを単に非限定的な例として図１〜図５と共に以下説明する。
図１は、プーリーのシステムによって実現される、本発明に係る水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムの例示的な第１の実施形態の概略図である。 図２は、ウィンチによって実現される、本発明に係る水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムの例示的な第２の実施形態の概略図である。 図３は、本発明に係る、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム用の重りの１例の立面図である。 図４は、図１に示すエネルギーの貯蔵および生成システムの別の実施形態を示す。 図５は、図４に示すエネルギーの貯蔵および生成システムの重り−容器アセンブリを示す。

図１は、本発明に係る水環境で電気エネルギーを貯蔵するシステムの第１の実施形態を示し、位置エネルギーは、水中の底部６０に向かって下降するにつれ、発電機を作動させて電気エネルギーを生成する複数の重り４０によって貯蔵される。好ましくは、このエネルギーは、本発明のシステムに接続される主配電網のピーク消費期間中、この主エネルギー生産網を支援するために生産される。

好ましくは、当該システムは多数の重り４０を備えることによって、長期間にわたって、反復的に（または継続的に）エネルギーを生成することができる。

図示されるシステムは、該当する水環境の略水面で、１つ以上の可逆モータ２０を収容することができる主フロート１０を備える。主フロート１０は、略水面または水中で、後述の発電機リフト３０の上部を保持する支持部としても機能する。

発電機リフト３０は、１つ以上の重り４０を底部または水面に向かって移動させることを目的とした装置からなる。伝達装置２１は、発電機リフト３０を可逆モータ２０に接続することができる。重り４０はそれぞれ、略水面位置での保管を確保する、あるいは底部に向かう下降を促進するため、重り４０の重量を均等化する、あるいは少なくとも部分的に増大させることができる量の空気および／または水を収容することを目的とした容器４１を有する。

第１の実施形態によると、容器４１は重り４０内に配置される。図３を参照して、具体的な構成をより詳細に説明する。

図１に示す第１の実施形態では、発電機リフト３０は、プーリーと協働するベルト３３またはケーブルの回転運動を確保する１セットのプーリーを備える。本例では、水面プーリー３１は発電機リフト３０の上部を担持し、底部プーリー３２は底部６０または水底に向けてベルトを保持する。伝達装置２１は、水面プーリー３１と可逆モータ２０との機械的接続を確保する。

電気エネルギー生成モードでは、重り４０は、発電モードで動作している発電機リフト３０によって誘導されて、底部６０に向かって１つずつ下降する。可逆モータ２０によって生産されるエネルギーは、たとえば隣接する海岸（図示せず）に位置する消費場所までケーブルによって送られる。すべての重り４０が底部６０にあるとき、当該システムはエネルギーの生成を停止する。電気の消費期間が発生すると、発電機リフト３０は駆動モードで使用して、重り４０を逆に水面５０に向かって保管位置まで上昇させることができる。必要なエネルギーは、当該システムに電気的に接続される生産場所から得られる。配電網内の発電所がピーク消費期間に対処するのを支援するため、上昇した重り４０は、接続する主配電網で新たな消費増期間が発生するまで、可能な限り長時間、保管位置に滞在させることができる。

図２は、図１に示すシステムの変形実施形態を示し、発電機リフト３０は、主フロート１０の高さに設けられ、伝達装置２１によってモータ−発電機２０に接続されるウィンチ３４を備える。ウィンチ３４は、フック（本例では２つのフック３６）を設けたウィンチケーブル３５を作動させる役目を果たす。

フックフロート３７は、フック３６の近傍に位置決めされて、重り４０の把持手段４４に対する良好な位置決めを推進し、重り４０の脱着作業を簡易化することができる。好ましくは、定積の重りフロート４６が重りケーブル４５によって重り４０に接続され、重りケーブル４５は重り４０を把持手段４４（本例ではループ状）に接続する役割も果たす。

図３は、第１の実施形態に係る重り４０の一例の断面図である。好ましくは、重り４０は、細長の円筒形または矩形であり、上部に内側容器４１を備える。流量制御システム４２は、容器４１からの水の出入りを管理して、重り４０の移動を制御する。制御システム４２は、特定量の水を進入させて、底部に向かう重り４０の下降を誘発することができる。再上昇時、制御システム４２は、水を脱出させて、重り４０の浮揚と、水面区域での保管を促進することができる。流量制御システム４２は、貯蔵および生成システムによって自動的に、および／または遠隔配置される手動または自動オペレータによって遠隔から制御される。一変形では、底部に向かって重り４０を移動させることによって下降を誘発させることができる。

容器４１の入出路４３を通じて、容器４１と外部との間で流体を交換することができる。図示する例では、重り４０は、空気を保持するフラップ４７をさらに備え、容器４１が不注意で傾いた姿勢を取る場合でも、空気の漏れを回避することができる。

図４および図５は本発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態によると、重り４０は固体であり、外側膨張式容器４１に接続される。上側フロート４６（図１〜図３と同様）がアセンブリを完成させる。図５は、外側容器４１に接続される重り４０を示す。外側容器４１は、空気で満たされた弾性外被を備える。容器外被を作製するのにいくつかの種類の弾性材料を使用することができる。好ましくはポリマー材料が使用される。膨張すると、容器４１は、重り４０を水面５０上に浮かせる程度の寸法である。収縮すると、容器４１は浮揚効果を失い、重り４０は底部６０で見つかることとなる。図４は、収縮して底部に向かって下降する移行段階と併せて、これらの２つのモードを示す。

先の実施形態と同様、底部６０に向かう重り４０の下降が発電機リフト３０を駆動し、発電モードで作動させることによって、エネルギーが生成される。

図面と上述の説明は、本発明を限定ではなく例示するものである。特に、本発明とその各種変形は、重りが単独の容器を備える具体例に関して説明した。

上側フロートは、輸送およびアセンブリを促進し、寸法の自由度を持たせ（産業用のスケールアップ）、嵐の発生時に海面形状に柔軟に適合するため、１セットのフロートから成ってもよい。

２つのプーリー間の永続的な張力を確保するように、少なくとも１つのベルト３３またはチェーンと２つのプーリーを設けるが、複数のチェーンまたはベルトと複数のプーリーを使用してもよい。

モータは、動作モードに応じて発電機として機能することができ、その逆もまた可である。２つの別々の構成要素を設けることもできる。

エネルギー調節装置のパワーは、チェーン／ベルトの速度を変更する、あるいは装着する重り４０の数と質量を変更することによって調節することができる。

請求項の参照符号は、本質的に限定的ではない。「備える」という動詞は、請求項に列挙される構成要素以外の構成要素の存在を除外するものではない。

１０：主フロート
２０：可逆モータ
２１：伝達装置
３０：発電機リフト
３１：水面プーリー
３２：底部プーリー
３３：ベルト
３４：ウィンチ
３５：ウィンチケーブル
３６：フック
３７：フックフロート
４０：重り
４１：容器
４２：流量制御システム
４３：入出路
４４：把持手段
４５：重りケーブル
４６：フロート
４７：空気保持フラップ
５０：水面
６０：水中の底部区域

Claims (10)

1. 水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステムであって、
   所定量の空気および／または水を実質的に密封して収容することのできる少なくとも１つの容器（４１）と把持手段（４４）とのそれぞれに協働する複数の重り（４０）と、
   前記重り（４０）と協働し、発電モードでは前記重りを底部区域（６０）まで降下させ、駆動モードでは前記重りを水面（５０）に向けて逆に上昇させるように構成される発電機リフト（３０）と、
   前記水面で前記発電機リフト（３０）の上部を支持することのできる主フロート（１０）と、
   前記発電機リフト（３０）と協働し、発電モードでは降下する前記重り（４０）の作用により電気エネルギーを生成し、駆動モードでは前記発電機リフト（３０）の作動により前記重り（４０）を逆に上昇させる可逆モータ（２０）と、
   を備える、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
2. 前記可逆モータ（２０）は、前記主フロート（１０）によって担持され、前記発電機リフト（３０）の上部と協働する、請求項１に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
3. 前記発電機リフト（３０）は、前記主フロート（１０）と前記底部区域（６０）との間のベルト（３３）を作動させる１セットのプーリー（３１、３２）から成る、請求項１または２に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
4. 前記１セットのプーリーは、前記主フロート（１０）によって担持される水面プーリー（３１）と、底部プーリー（３２）と、を備える、請求項３に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
5. 前記水面プーリー（３１）は、伝達装置（２１）を介して前記可逆モータ（２０）と機械的に協働する、請求項４に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
6. 前記発電機リフト（３０）は、前記主フロート（１０）によって担持されるウィンチ（３４）と、ウィンチケーブル（３５）と、少なくとも１つのフック（３６）と、から成る、請求項１または２に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
7. 前記ウィンチ（３４）は、伝達装置（２１）を介して前記可逆モータ（２０）と機械的に協働する、請求項６に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
8. 前記重り（４０）は、略細長であり、前記容器（４１）が主に一方の端部の方に配置され、フロート（４６）がこの端部と協働する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
9. 前記重りがそれぞれ、前記容器の内部と前記重りの外部とを流体連通させて、前記容器（４１）内の空気と水の流体流速を管理する制御システム（４２）を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成するシステム。
10. 水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成する方法であって、
    発電モードでは、実質的に水面（５０）の主フロート（１０）と底部区域（６０）とを接続する発電機リフト（３０）を用いて、複数の重り（４０）を前記底部区域（６０）まで降下させて、電気エネルギー生成モードで、前記重り（４０）の力によって、前記発電機リフト（３０）が可逆モータ（２０）を作動させることと、
    駆動モードでは、前記発電機リフト（３０）を用いて前記重りを逆に前記水面（５０）に向かって上昇させて、前記可逆モータ（２０）が駆動モードとなり、発電機リフト（３０）の駆動を確保することと、
    を備える、水環境で電気エネルギーを貯蔵および生成する方法。

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