JP2019507289A - パワー回収の改善 - Google Patents

Abstract

寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンクと、極低温貯蔵タンクからの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンクと流体連通するポンプと、高圧ガスを形成するためにポンプからの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプと流体連通する蒸発器と、機械的パワーを伝達するための駆動軸を備えるパワー回収装置と、パワー回収装置によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置の駆動軸に機械的に結合される電気機械とを備えるシステム。本システムは、パワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。

Description

本発明は、パワー回収システムおよび方法、特に極低温パワー回収システムおよび方法に関する。

送電および配電ネットワーク（またはグリッド）は、発電を消費者からの需要と釣り合わせなければならない。現在、これは普通、パワー出力が、負荷設定点を低減するかまたは発電所をグリッドから切り離すことによって、必要に応じて増加されまたは減少されてもよいように、発電所をオン、オフしかつ／またはいくつかの発電所を全負荷の近くで連続的に動かすことによりネットワークの発電側（供給側）を調節することによって達成される。全体的な釣り合いは、１秒ごとに基づいて維持されなければならない。

典型的には、オン、オフされるよりもむしろ、電気生産効率を最適化するために全負荷の近くで連続的に動かされる発電所は、時にはベースロード発電所として知られている。これらは典型的には、熱力学的蒸気サイクルを伴う。典型的な例は、原子力発電所、石炭火力発電所および、蒸気サイクルが、燃焼ガスタービンの排熱を使用して加熱される、複合サイクルガスタービンを含む。そのような熱力学的蒸気発電所は、温度源（原子炉、加熱炉、ガスタービン）および蒸気サイクルの温度を上げるために長い時間かかるので、迅速にオン、オフすることができない。全起動時間は典型的には、複合サイクルガスタービンについては４５分および原子力発電所または石炭火力発電所については数時間である。これらの発電所は従って、わずかにより低い負荷で動かされ、それらの負荷設定点を上げることによって電力需要の増加に対応することができる。これらの発電所は、すでに動いているので、そのような応答は典型的には、数秒のうちに達成されることもある。

ピーク需要を満たすために短い期間オンにされる発電所は、時にはピーク時用（ｐｅａｋｉｎｇ）発電所と呼ばれる。ピーク時用発電所は、より速い応答を提供するように設計されるが、しかし効率を損なう。従って、上で述べられた方法で供給側を釣り合わせることは、効率のペナルティをもたらす。大規模な場合、これらは典型的には、開放サイクルガスタービンであり、それらは、ジェットエンジンに似たガスタービン内でガスを燃やす。空気は、コンプレッサを用いて圧縮され、可燃性ガスと混合され、燃焼室内で燃焼される。結果として生じる高圧高温ガスは、仕事を生み出すためにタービン内で膨張され、その仕事は、発電機内で電気エネルギーに変換される。タービンからの高温排気は、それが、前に論じられたように熱くなるのに時間がかかる蒸気サイクルを加熱するために使用される、密閉サイクルガスタービン内で使用されているのとは対照的に、大気に排出される。開放サイクルガスタービン発電所は典型的には、約１５分のうちに起動することもある。これは主に、爆発を引き起こすこともあり得るどんな潜在的可燃性ガスの排気筒もパージする必要性および急速な熱衝撃を避けるために制御された仕方でタービンをその動作温度まで加熱する要件によって制限される。これらの発電所は従って、システムを起動するのにかかる時間を考慮するために、高い電力需要を予想して呼ばれる。

様々な技術に基づき、それ故に異なる起動継続時間を示す広範囲のピーク時用発電所が、現在利用可能である。これらの発電所は、２つの主なクラス、すなわち
− 非熱力学ベースのシステム（例えば電池、水力発電所、フライホイール）と、
− 熱力学ベースのシステム（例えば開放サイクルガスタービン（ＯＣＧＴ）、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）、液体空気エネルギー貯蔵（ＬＡＥＳ））とに分類されることもある。

ピーク時用水力発電所（非熱力学的）では、水は、発電機を駆動するために高所からタービンを通って流れることを許される。エネルギーは、単に高所に保持される水の質量のポテンシャルエネルギーに具体化されているので、単にバルブを開き、水がタービンに入ることを許容することによって発電所を起動するのは、比較的速い。この場合、起動時間は、発電機が、グリッドに結合される前に、タービンが公称速度に達するのにかかる時間およびその速度が電力グリッドと同期するように正確に制御されるのにかかる時間によって制限される。パワー出力信号に反応するのに必要とされる時間を低減するために、水力発電所は、急いで同期に達し、次いでグリッドに結合されたままであるがしかし水の流れはオフにされるように設計されることもある。このモードでは、タービンは、回転し続け、発電機は、グリッドに結合されているモータとして動作する。電力が、必要とされるとき、バルブは単に、水がタービンに入ることを許容、発電するために開かれる。このようにして、発電所は、１分未満のうちにアイドル回転状態から公称電力送出に切り替わることができる。ピーク時用水力発電所は、無害な放出物のさらなる利点をもたらすが、しかし構築するために特定の地理的特徴を必要とするため、展開可能性（deployability）が制限される。

地球温暖化に対抗するために、風力タービンおよび太陽熱収集器を含む、増加する大量の断続的な再生可能発電容量が、ネットワークに導入されており、これがさらに、発電側の一部の利用可能性に不確実性を生み出すことによってグリッドの釣り合わせを複雑にしており、すなわちエネルギー貯蔵を使用して対処できる問題である。

エネルギー貯蔵デバイスおよびシステムは典型的には、動作の３つのフェーズ、すなわち充電、貯蔵および放電を有する。エネルギー貯蔵デバイスは典型的には、送電および配電ネットワーク上に発電容量の不足がある場合に、高度に断続的に発電する（放電する）。これは、局所電力市場における電気の高価格によってまたは追加の容量のためにネットワークの動作に対して責任がある組織からの要請によって貯蔵デバイスオペレータに信号で伝えられてもよい。英国などのいくつかの国では、ネットワークオペレータは、ネットワークへのバックアップリザーブの供給について高速起動能力を有する発電所のオペレータとの契約を始める。そのような契約は、数か月または数年にさえ及ぶこともあるが、しかし典型的には電力提供者が稼働している（発電している）ことになる時間は、非常に短い。加えて、貯蔵デバイスは、断続的な再生可能発電機からグリッドへの電力の供給過剰時に追加の負荷を提供する際に追加のサービスを提供することができる。風速は、需要が低い夜間にしばしば高い。ネットワークオペレータは、低いエネルギー価格の信号もしくは消費者との特定の契約を通じて、超過供給を利用するためにネットワークへの追加需要を手配するか、または他の発電所もしくは風力発電所からの電力の供給を抑制しなければならない。場合によっては、特に風力発電機が補助を受けている市場では、ネットワークオペレータは、風力発電所を「オフにする」ために風力発電所オペレータに支払わなければならないことになる。貯蔵デバイスは、超過供給の時期にグリッドを釣り合わせるために使用できる有用な追加の負荷をネットワークオペレータにもたらす。

貯蔵システムまたはデバイスが商業的に実現可能であるためには、次の要因、すなわち１ＭＷ（電力容量）当たりの資本コスト、１ＭＷｈ（エネルギー容量）当たりの資本コスト、往復サイクル効率、初期投資および起動速度から期待できる充放電サイクル数に関する寿命が、重要である。幅広い実用規模の応用にとって、貯蔵デバイスが、地理的に制約されない、すなわちそれが、どこにでも、特に高需要の場所の隣にまたは送電および配電ネットワーク内の断続性の源もしくはボトルネックの隣に建設できるということもまた、重要である。

従って、環境に優しく、地理的に制約されず、低資本コストで、経済的に実現可能でかつ高速応答するエネルギー貯蔵デバイスおよびシステムならびにこれらのエネルギー貯蔵デバイスおよびシステムからパワーを回収するためのシステムおよび方法の必要性がある。

液体空気エネルギー貯蔵（ＬＡＥＳ）は、寒剤（液体空気または液体窒素などの）を使用するエネルギーの貯蔵および発電するために発電機に結合されるターボ膨張器を駆動することができる高圧ガスにそれを熱力学的に処理することによるその後のパワー回収を可能にする。ＬＡＥＳはそれに応じて、無害物質を用い（電池およびＯＣＧＴと異なり）、地理的に制約されず（水力発電所と異なり）、市場にいくつかの利点をもたらす。大まかに言えば、ＬＡＥＳシステムは典型的には、その充電フェーズにおいて、第１の液化フェーズ中に空気または窒素などの作動流体を液化するために、低需要または断続的再生可能発電機からの超過供給の期間に、低コストのまたは余った電力を利用するということになる。これは次いで、貯蔵フェーズ中に極低温流体として貯蔵タンクに貯蔵され、その後極低温ポンプにおいて高圧にポンピングされ、蒸発され、タービンを駆動するために使用され、高需要または断続的再生可能発電機からの不十分な供給の期間に、放電またはパワー回収のフェーズ中に電力を生み出す。

ＬＡＥＳは、熱力学的プロセスである。他の熱力学的プロセスと同様に、パワー回収フェーズを起動するのに必要とされる時間の大部分は、動作温度に達し（特に極低温ポンプを冷却するために）、ターボ膨張器を期待通りの速度に（up to speed）回転させ、発電機をグリッドに同期させるためにその回転速度を細かく制御するためにかかり、発電機は、駆動軸を介してターボ膨張器に機械的に結合される。起動時間は典型的には、数分かかる。

発電機が、グリッドに電磁気的に結合するために回転しなければならない、回転速度は、同期速度として当業者に知られている。この速度は、発電機ロータ上の磁極の数およびグリッドの周波数に依存し、その周波数は、例えばヨーロッパでは５０Ｈｚおよび合衆国では６０Ｈｚである。今後は、同期速度はまた、ターボ膨張器および膨張段に関しても使用されることになる。ターボ膨張器またはターボ膨張器を構成する個々の膨張段は、ギアボックスを通じて発電機に結合されてもよく、発電機の同期速度に対応する回転速度が、異なってもよいことを意味するので、当業者は、これが、必ずしも発電機と同じ回転速度を暗示しないということを理解することになる。用語同期速度は従って、この明細書においては、グリッドと同期している発電機に対応する、問題になっている機器を回転させる事項の回転速度を意味することを目的としている。

ターボ膨張器は、膨張の１つまたは複数の段を備える回転膨張機械であると理解されるものとし、各々は、ケーシング内に設置される少なくとも１つの膨張ホイールを備える（膨張段）。これらの膨張段は、同じ速度で回転する共通の駆動軸（これは、一緒に機械的に結合される多重軸を含む）に接続されるか、または異なる速度で回転し、ギアボックスを通じて少なくとも１つの駆動軸に接続される多重軸に接続されてもよい。

膨張段は、前記多重軸の少なくとも１つを少なくとも１つの他の膨張段と共有してもよい。例えば、ターボ膨張器は、第１および第２の速度で回転しかつ第３の速度で回転する駆動軸にギアボックスを介して接続される２つの軸上に配置される４つの膨張段（１つの軸当たり２つの段）を備えてもよい。膨張段は、ガス流内に並列に接続される、２つ以上のそれぞれのケーシング内に２つ以上のホイールを備えてもよい。

典型的には、駆動軸は、駆動軸における機械的パワーを発電機の電気端子における電力に変換するために発電機に接続される。

本発明者らは有利には、ＬＡＥＳシステムのパワー回収フェーズを起動し、パワーをグリッドに送出するのに必要とされる時間を低減するシステムおよび方法を考案した。これは、電気グリッドが、より断続的な再生可能発電容量の導入に伴ってより不安定になるだけであるということを考えると、非常に有効である。

本発明の一態様によると、
寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンクと、
極低温貯蔵タンクからの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンクと流体連通するポンプと、
高圧ガスを形成するためにポンプからの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプと流体連通する蒸発器と、
機械的パワーを伝達するための駆動軸を備えるパワー回収装置と、
パワー回収装置によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置の駆動軸に機械的に結合される電気機械とを備えるシステムであって、
本システムは、
パワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、および
パワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モード（motored mode）において動作可能である、システムが、提供される。

モータ動作モードの提供は、システムが、用いられる極低温ポンプに応じて、即座にまたはほとんど即座に（例えばわずか数秒で）、例えばグリッドオペレータまたは発電所オペレータからの起動信号に反応することができることを意味する。これは、最新技術を超える著しい改善を表す。

本システムは、そのモータ動作モードとそのパワー回収モードとの間で切り替え可能であってもよい。オプションとして、ポンプは、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を蒸発器に供給しない。本システムは、ポンプから蒸発器への高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能であってもよい。

電気機械は、システムが、そのパワー回収モードにあるときは、発電機として動作し、パワー回収装置によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するように構成されてもよい。電気機械は、パワー回収装置が、そのモータ動作モードにあるときは、パワー回収装置を駆動するように構成されてもよい。電気機械は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、モータとして動作するように構成されてもよい。

本システムはさらに、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、パワー回収装置をポンプおよび／または蒸発器から隔離するように構成される少なくとも１つのバルブを備えてもよい。

電気機械は、外部の電気グリッドに結合されるように構成されてもよい。電気機械は、システムが、そのパワー回収モードにあるときは、電気エネルギーを外部の電気グリッドに供給するように構成されてもよい。電気機械は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、パワー回収装置を駆動するために外部の電気グリッドからパワーを引き出すように構成されてもよい。本システムはさらに、電気機械を電気グリッドに結合しかつ／または電気グリッドから切り離すための電気ブレーカを備えてもよい。

パワー回収装置は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、第１の所定速度で駆動されてもよい。パワー回収装置は、システムが、そのパワー回収モードにあるときは、第２の所定速度で駆動されてもよい。第１の所定速度は、第２の所定速度と同じであってもよい。第１および／または第２の所定速度は、電気機械が電気グリッドに同期するために必要とされる速度であってもよい。

当技術分野において知られているように、十分に大きい極低温貯蔵タンクを備える大容量システムについては、極低温ポンプは、タンク内の周囲の寒剤によって低温状態に維持されるように、極低温タンク内部に設置され、寒剤中に沈められてもよい。極低温ポンプを収容するための十分なスペースがない小さい極低温タンクを備える小容量システムでは、極低温ポンプは、極低温タンクの外部に設置される。

本システムはさらに、ポンプを冷却するための第１の冷却手段を備えてもよい。第１の冷却手段は、寒剤を極低温貯蔵タンクからポンプに輸送するための第１の導管を備えてもよい。ポンプは、極低温貯蔵タンク内の寒剤によってポンプが冷却されることを可能にするために極低温貯蔵タンク内に設置されてもよい。第１の冷却手段は従って、極低温貯蔵タンク内に寒剤を備えてもよい。

本発明者らは、従来の熱力学的発電システムと異なり、ＬＡＥＳプロセスが、パワーをグリッドに送出することなくかつ寒剤作動流体の有意量の消費およびその中に具体化されるエネルギーの損失なしに、システムが長期間にわたって動作することを可能にすることによって、極低温システムの起動におけるあるステップがパワー回収を予想して行われることを可能にするように構成されてもよいということを実現した。さらに、ＬＡＥＳ発電所がモータ動作モードにある間の極低温貯蔵タンク内の液体空気の利用可能性は、極低温ポンプがまた、パワー回収を予想して冷却されてもよいことを意味する。いったん極低温ポンプが、動作温度まで冷却されると、ただしそれが、良く断熱されているならば、その温度を維持するための液体空気の消費は、非常に少なく、従って、極低温ポンプは、長時間にわたってその冷却された状態に維持できる。ポンプを冷却された状態に維持しながらモータ動作モードにあることは、発電するための信号に応答してパワー回収装置を起動するのにかかる時間の低減を可能にする。

別法としてまたは追加として、本システムはさらに、パワー回収装置を冷却するための第２の冷却手段を備えてもよい。第２の冷却手段は、寒剤を極低温貯蔵タンクからパワー回収装置に輸送するための導管を備えてもよい。

従って、第２の冷却手段は、パワー回収装置の温度がしきい温度（例えばその最大動作温度）を上回って上昇するのを防止するために使用できる。パワー回収装置の温度は、パワー回収装置において放散されるパワー（例えばパワー回収装置内のベアリングによる）および空気力学的摩擦が、熱の形であるので、上昇させられることもある。

パワー回収装置は、１つもしくは複数のターボ膨張器、または複数のターボ膨張器を備えてもよい。各ターボ膨張器は、１つの膨張段、１つもしくは複数の膨張段、または複数の膨張段を備えてもよい。各膨張段は、１つの膨張ホイール、１つもしくは複数の膨張ホイール、または複数の膨張ホイールを備えてもよい。１つまたは複数のターボ膨張器は、それらの膨張段のすべてを駆動軸に接続されてもよい。各膨張段は、駆動軸に接続されてもよい。

これらの膨張段は、同じ速度で回転する共通の駆動軸（これは、一緒に機械的に結合される多重軸を含む）に接続されるか、または異なる速度で回転しかつギアボックスを通じて少なくとも１つの駆動軸に接続される多重軸に接続されてもよい。

上で論じられたように、ターボ膨張器は、１つまたは複数の膨張段を備える回転膨張機械であってもよく、各々は、ケーシング内に設置される少なくとも１つの膨張ホイールを備える（膨張段）。これらの膨張段は、同じ速度で回転する共通の駆動軸（これは、一緒に機械的に結合される多重軸を含む）に接続されるか、または異なる速度で回転しかつギアボックスを通じて少なくとも１つの駆動軸に接続される多重軸に接続されてもよい。

膨張段は、前記多重軸の少なくとも１つを少なくとも１つの他の膨張段と共有してもよい。例えば、ターボ膨張器は、第１および第２の速度で回転しかつ第３の速度で回転する駆動軸にギアボックスを介して接続される２つの軸上に配置される４つの膨張段（１つの軸当たり２つの段）を備えてもよい。膨張段は、ガス流内に並列に接続される、２つ以上のそれぞれのケーシング内に２つ以上のホイールを備えてもよい。上記の配置は、発電の技術分野において知られている。

例えば、図１〜図６に示されるように、パワー回収装置は、発電機に接続される同じ駆動軸上にすべて配置される４つの膨張段を有する１つのターボ膨張器を備えてもよい。

本システムはさらに、高圧ガスが、パワー回収装置において膨張される前に、高温熱エネルギーを高圧ガスに移送するように構成される熱交換器を備えてもよい。本発明のために、高温熱エネルギーは、８０から３００℃の間の温度で流体内に埋め込まれたエネルギーを指す。本システムは、高圧ガスが、１つもしくは複数のターボ膨張器または１つもしくは複数の膨張段において膨張される前に、高温熱エネルギーを高圧ガスに移送するように構成される１つまたは複数の熱交換器を備えてもよい。高温熱エネルギーは、ガスが、各ターボ膨張器または各膨張段において膨張される前に、熱交換器によって高圧ガスに移送されてもよい。

本システムはさらに、システムが、モータ動作モードにあるときは、下流の膨張段から上流の熱交換器または膨張段への低温または高温ガスの流れを可能にするために、下流の膨張段の出口と上流の熱交換器または膨張段との間にバイパス導管を備えてもよい。バイパス導管は、バイパス導管を通るガスの流れを制御するためのバイパスバルブを備えてもよい。

本システムはさらに、システムが、モータ動作モードにあるときは、パワー回収装置を駆動するための電気モータを備えてもよい。

本システムは、アイドルモードとモータ動作モードとの間で切り替え可能であってもよい。

オプションとして、アイドルモードでは、パワー回収装置は、まったく駆動されない。言い換えれば、オプションとして、アイドルモードでは、蒸発器によって供給される高圧ガスおよび電気グリッドに結合される電気機械がない（電気ブレーカは、オフにされる）。オプションとして、蒸発器によって供給される高圧ガスおよび電気グリッドに結合される電気機械がなく、パワー回収装置の駆動軸に接続されるどんな小型電気モータも、システムが、そのアイドルモードにあるときは、オフにされる。

寒剤は、液体空気または液体窒素を含んでもよい。本システムはさらに、パワー回収装置と流体連通する排気管を備えてもよい。

寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンクを準備するステップと、
極低温貯蔵タンクからの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンクと流体連通するポンプを準備するステップと、
高圧ガスを形成するためにポンプからの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプと流体連通する蒸発器を準備するステップと、
機械的パワーを伝達するための駆動軸を備えるパワー回収装置を準備するステップと、
パワー回収装置によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置の駆動軸に機械的に結合される電気機械を準備するステップと、
パワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、および
パワー回収装置が、蒸発器によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードのうちの１つを選択するステップとを含む方法もまた、提供される。

用語「高圧」および「低圧」は、当技術分野において良く理解されており、当業者は、本発明の文脈においてこれらの用語によって何が意味されるかを理解することになる。例えば、高圧ガスは、システムが、そのパワー回収モードにあるとき、パワー回収装置を駆動するために使用されるガスであってもよい。低圧ガス（および／または低圧寒剤）は、システムが、モータ動作モードにあるとき、パワー回収装置を駆動する以外の目的のため、例えば蒸発器および／またはポンプおよび／またはパワー回収装置などのコンポーネントを冷却するために使用されるガス（および／または寒剤）であってもよい。

本発明は、添付の図面を参照して今から述べられることになる。

本発明の実施形態による第１のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第２のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第３のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第４のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第５のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第６のシステムを示す図である。 本発明の実施形態による第７のシステムを示す図である。

図１は、本発明によるシステム１０を示す。システム１０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク１００と、極低温貯蔵タンク１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク１００と流体連通する極低温ポンプ２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプ２００と流体連通する蒸発器３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸３６０を備えるパワー回収装置３５０と、パワー回収装置３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置３５０の駆動軸３６０に機械的に結合される電気機械６００とを備える。電気機械６００は、電気ブレーカ７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り込むまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０は、パワー回収装置３５０が、蒸発器３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置３５０が、蒸発器３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム１０は、ポンプ２００からの高圧寒剤の供給を導入することによって、そのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。これは、以下でさらに詳細に説明されることになる。

パワー回収装置３５０は、４つの熱交換器４０１、４０２、４０３および４０４、ならびに４つの膨張段５０１、５０２、５０３および５０４を備えるターボ膨張器を備える。システム１０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒８００、ならびにバルブ１１０、１１１、１１２、１１５および１１６も備え、それらの目的は、以下で説明されることになる。

システム１０はまた、バルブ１１５を介して極低温タンク１００のヘッドスペースと熱交換器４０１の入口との間に接続部（例えば導管）、およびバルブ１１６を介して最終膨張段５０４の下流にベントも備える。

システム１０の「通常」動作中は（すなわちパワー回収モードでは）、液体寒剤（典型的には液体空気または液体窒素）は、極低温タンク１００から取り出され、高圧に、例えば５０から２５０バールに極低温ポンプ２００を用いてポンピングされ、高圧でかつ周囲温度に近い、例えば−２０から３０℃のガスを生成するために蒸発器３００において蒸発される。蒸発器３００において寒剤から回収された冷気は、低温倉庫（図示されず）に貯蔵され、後で空気液化装置における冷却を支援するために使用されてもよい。

高圧ガスは次いで、周囲の熱または別個の熱プロセス、例えば発電所、製造工場（例えば製鋼所、その他）およびデータセンタなどの、ＬＡＥＳシステムと同一場所に設置されかつ前記ＬＡＥＳシステムの外部にあるシステムにおいて生じる別個の熱プロセスからの廃熱（８０から３００℃の間に含まれる温度に対応する）を使用して熱交換器４０１において過熱される。高圧ガスを過熱するために使用される廃熱はまた、ＬＡＥＳシステムそれ自体によってまたはＬＡＥＳシステムおよび前記ＬＡＥＳシステムと同一場所に設置されかつ前記ＬＡＥＳシステムの外部にあるシステムによって発生されてもよい。

例えば、過熱された高圧ガスは次いで、４つの膨張段５０１、５０２、５０３、５０４において１４０バールから周囲圧力近くに膨張される。各膨張段の間で、ガスは、熱交換器４０２から４０４において再加熱される。４つの膨張段５０１、５０２、５０３、５０４は、駆動軸３６０を介して電気機械６００に機械的に結合される。電気機械６００は、システムが、パワー回収モードにあるときは、発電機としての役割を果たすように構成され、駆動軸３６０の回転における機械的仕事を電気エネルギーに変換する。

当業者は、本発明が、４つの膨張段に限定されず、膨張段の数およびそれらの圧力比の選択が、システムの効率とコストとの間の妥協であることを認識することになる。

当業者によって実施可能である、本システムの起動（すなわち静止またはアイドルモードからの）を詳細に述べることは、この記述の目的ではない。しかしながら、主なフェーズは、次の通りに述べられてもよい。
１． 制御された仕方での極低温ポンプ２００のその動作温度への冷却。
２． パワー回収装置３５０（例えばターボ膨張器）の公称動作速度近くへのスピンアップ。
３． パワー回収装置３５０を通るガスの流れの制御による電気機械６００ロータの回転速度の同期速度への微細制御。
４． 電気機械６００ロータを電気グリッドに電磁気的に結合するためのブレーカ７００の閉鎖。
５． グリッドに送出されるパワーを必要とされる値まで増加するためのパワー回収装置３５０のパワーアップ。

ステップ１は典型的には、ポンプが、熱衝撃を避けるために制御された仕方で周囲温度近くからその動作温度（典型的には周囲圧力近くでの液体空気の飽和温度近く、例えば−１７０℃）まで冷却されるので、用いられるポンプのサイズおよび種類に応じて、３または４時間の間かかる。ポンプは、液体空気の制御された流れがポンプに入ることを許すことによって冷却される。ポンプが、冷却されると、ボイルオフガスが、液体空気から生成され、それは、極低温貯蔵タンクのヘッドスペースに運ばれて戻るか、または大気に放出されてもよい。このプロセスにおいて消費される液体空気の量は、わずかである。

ステップ２から４は、パワー回収装置および電気機械軸における慣性ならびに必要とされる精度で同期速度を達成するために必要とされる時間に起因して２から５分の間かかることもある。これは、
・極低温ポンプの速度を制御することか、または
・極低温ポンプを低速度で動かし、入口案内羽根もしくは制御バルブなどの流れ制御手段を使用して少なくとも１つの膨張段を通る流れを制御すること、または
・寒剤を配送するために極低温タンクのヘッドスペース内の圧力を使用し、流れ制御手段を使用して少なくとも１つの膨張段を通る流れを制御することによって達成されてもよい。ステップ５は典型的には、極低温ポンプをその必要とされる動作速度までスピンアップするために必要とされる時間に対応して、数十秒かかる。

この記述は、同期発電機としての役割を果たす電気機械を使用するシステムの動作を述べ、その場合発電機は、同期速度で動作する。本発明はまた、非同期発電機にも適用可能であり、それは、グリッドとの同期速度をわずかに上回る速度で動作する。非同期発電機はまた、同期速度をわずかに下回る速度でモータとして動作してもよい。当業者は、本発明が、動作速度に達するのに必要とされる時間を低減することにおいて同じ利点をもたらすことを認識することになる。

本発明者らは、従来の熱力学的発電システムと異なり、ＬＡＥＳプロセスが、パワーをグリッドに送出することなくかつ寒剤作動流体の有意量の消費およびその中に具体化されるエネルギーの損失なしに、システムが長時間にわたって動作することを可能にすることによって、ステップ２から４がパワー回収を予想して行われることを可能にするように構成されてもよいということを実現した。さらに、ＬＡＥＳ発電所が、モータ動作だがしかし充電された状態（極低温貯蔵タンクは、寒剤で満たされている）にある間の極低温貯蔵タンクにおける液体空気の利用可能性は、ステップ１がまた、パワー回収を予想して行われてもよいことを意味する。いったん極低温ポンプが、動作温度まで冷却されると、ただしそれが、良く断熱されているならば、その温度を維持するための液体空気の消費は、非常に少なく、従って、極低温ポンプは、長時間にわたってその冷却された状態に維持できる。これは、ポンプが冷却された状態に維持されることを可能にし、従って発電するための信号に応答してステップ２から４に必要とされる時間を削減することを価値のあるものにする。

それに応じて、図１のシステム１０は、モータ動作モードまたはパワー回収モードにおいて動作してもよい。

モータ動作モードでは、電気機械６００は、電気グリッドに同期されかつ電磁気的に結合され、極低温ポンプ２００は、停止されるが、しかし冷却された状態に維持される。言い換えれば、システム１０は、上で述べられた起動順序のステップ１から４を通って進んだが、しかし低温ポンプ２００は、停止されている、または停止されたままである（同期化を達成する上述の方法に応じて）。膨張段５０１、５０２、５０３、５０４にわたる圧力差は、極低温ポンプ２００によって維持されていないので、パワー回収装置（例えばターボ膨張器）は、仕事を生成していない。電気機械６００が、グリッドに同期されると、それは、モータとして動作し、パワー回収装置３５０の駆動軸３６０を回転させる。駆動軸３６０を回転させ、パワー回収装置３５０を駆動するために必要とされるエネルギーは、パワー回収装置３５０のベアリングおよび／またはギアボックスにおける摩擦ならびに空気力学的摩擦（今後は、摩擦）として放散されるエネルギーだけに対応し、パワー回収モードにおけるパワー回収装置のパワー出力に対して小さい。さらに小さい負荷が、パワー回収装置３５０のベアリング内の潤滑油を循環させるのに必要とされる。駆動軸を回転させるための全負荷は典型的には、システムの定格パワーの１〜３％未満を表す。

アイドルモード（パワー回収装置３５０および電気機械６００が、静止している場合）からモータ動作モードに移行するために、ステップ１から４が、普通着手される。少量の寒剤が、電気機械６００をグリッドに同期させるために使用される。

ステップ４が、達成されると、パワー回収装置３５０を通る寒剤の流れは次いで、下げられ、パワー回収装置３５０は、モータ動作する（motoring）電気機械６００によって駆動される同期速度で動作し続ける。

モータ動作モードからパワー回収モードに移行するために、極低温ポンプ２００は、起動され、パワー回収装置３５０が、詰め込まれた状態（ｌｏａｄｅｄ）になりかつ仕事を生成し始めるように、寒剤の圧力および流れを上昇させる。パワー回収装置３５０によって生成される仕事が、出力軸３６０を回転させるのに必要とされるエネルギーを超えると、電気機械６００は、パワーをグリッドに送出し始め、発電機として動作する。いったん冷却されると、極低温ポンプ２００は、その種類に応じて、数秒から１分の間に含まれる時間範囲内に公称速度までスピンアップする能力がある。従って、モータ動作モードからパワー回収モードにおけるパワー設定点に移行するのに必要とされる時間は、わずか数秒のこともある。

システム１０は従って、用いられる極低温ポンプに応じて、わずか終秒のうちに、例えばグリッドオペレータまたは発電所オペレータからの起動信号に反応することができる。これは、最新技術を超える著しい改善を表す。

図１を参照すると、モータ動作モードでは、バルブ１１１および１１２は、膨張段５０１、５０２、５０３、５０４および熱交換器４０１、４０２、４０３、４０４を極低温ポンプ２００および蒸発器３００から隔離し、どんな湿気の詰まった大気もパワー回収装置３５０と接触するのを防止するために閉じられる。バルブ１１０は、液体空気が、極低温ポンプ２００に入るのを許され、ポンプ２００内のボイルオフガスが、極低温タンク１００のヘッドスペースに運ばれるように開かれる。極低温ポンプ２００は、その動作温度に近い低温状態に維持され、膨張段５０１、５０２、５０３、５０４は、回転するのを許され、モータ動作する電気機械６００によって駆動され、それは、グリッドに同期され、結合される。

パワー回収装置３５０のベアリングおよび空気力学的摩擦において放散されるパワーは、熱の形である。わずかではあるが、時間とともにこれは、パワー回収装置３５０の温度を上昇させることになる。これは、モータ動作モードからパワー回収モードに移行するとき、コンポーネントへの熱衝撃を低減するためにパワー回収装置３５０を温かい状態に維持するのに有効である。しかしながら、それは、温度をパワー回収装置３５０の最大動作温度を上回って上昇させることもある。温度は、極低温タンク１００のヘッドスペースと連通するバルブ１１５を介して低温ガス（例えばボイルオフガス）のわずかな流れを導入することによってパワー回収装置３５０の最大動作温度を上回って上昇するのを防止される。バルブ１１６は、バルブ１１５を介して導入される低温ガスによって置き換えられるガスが解放されるのを可能にする。バルブ１１６は、４つの熱交換器４０１、４０２、４０３、４０４を備えるシステム部分およびパワー回収装置３５０における所望の温度を維持するための制御バルブであってもよく、その温度は、熱衝撃を避けるために十分に高く（パワー回収モードからモータ動作モードに切り替わるとき）かつ機器の物理的劣化を避けるために十分に低くなければならない。４つの熱交換器４０１、４０２、４０３、４０４を備えるシステム部分内の圧力は、システム部分中への湿気進入を防止するのを助けるために周囲圧力より上に維持されなければならない。バルブ１１５は、パワー回収装置３５０内の所望の圧力を維持するための制御バルブであってもよい。バルブ１１５および１１６は、パワー回収装置３５０を所望の温度および／または圧力範囲内に維持するために一緒に動作してもよい。

パワー回収信号が、発電所オペレータからかまたは遠く離れて受け取られると、バルブ１１１および１１２が、開かれ、バルブ１１５および１１６が、閉じられ、極低温ポンプ２００が、起動される。本システムは、今はパワー回収モードにある。極低温ポンプ２００の吐出圧力は、必要とされるパワー出力を達成するように制御される。パワー回収装置３５０が、高圧作業ガスを詰め込まれると、パワーが、上昇し、電気機械６００は、モータ動作から発電に（すなわちパワーを取り込むことから送出することに）移行する。ポンプ２００を起動し、パワー設定点を達成するのにかかる時間は、ポンプ２００のランプ速度によって決定される。典型的には、公称ポンプ速度は、極低温ポンプの種類に応じてわずか数秒のうちに達成できる。従って、システム１０が、グリッドから非常に少量の電気および貯蔵タンク１００から非常に少量の液体空気を消費している、モータ動作モードから、システム１０が、グリッドのために電気を生成している、パワー回収モードに移行するのにかかる時間は、わずか数秒であってもよい。

電気機械は、モータとして動作していても、同期コンデンサと同様に、界磁巻線の励起の調節によって無効電力を吸収するまたは供給するように制御されてもよいので、さらなる利点が、システム１０をモータ動作モードにおいて動作させることから導かれてもよい。これは、グリッド上の局所電圧の制御に寄与するために使用されてもよい。さらに、パワー回収装置３５０および電気機械６００の軸の回転は、慣性をグリッドに与え、それは、電気波形における周波数偏差の減衰に寄与する。

機器のいくつかの事項は、熱衝撃に敏感である。当業者は、これが、コンポーネント材料のゆがみをもたらす急速膨張または収縮を誘発する温度の急激な変化を意味し、それが、コンポーネントの疲労および異なるコンポーネントの一時的な意図されない相互作用に関する問題に寄与することもあるということを理解することになる。従って、場合によっては、熱衝撃を低減するために機器のある事項における温度の変化率を制限することが、必要である。図２は、これを達成するシステム２０を示す。

システム２０は、さらなる接続部が、蒸発器２３００の下流の配管とタンクのヘッドスペースとの間に提供されることを除いては、システム１０と同一であり、図１に関して上で述べられたように動作する。システム２０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク２１００と、極低温貯蔵タンク２１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク２１００と流体連通する極低温ポンプ２２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ２２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプ２２００と流体連通する蒸発器２３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸２３６０を備えるパワー回収装置２３５０と、パワー回収装置２３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置２３５０の駆動軸２３６０に機械的に結合される電気機械２６００とを備える。電気機械２６００は、電気ブレーカ２７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り込むまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０と同様に、システム２０は、パワー回収装置２３５０が、蒸発器２３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置２３５０が、蒸発器２３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ２２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム２０は、図１に関して上で述べられたように、ポンプ２２００からの高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。

パワー回収装置２３５０は、４つの熱交換器２４１０、２４０２、２４０３および２４０４、ならびに４つの膨張段２５０１、２５０２、２５０３および２５０４を備えるターボ膨張器を備える。システム２０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒２８００、ならびにバルブ２１１０、２１１１、２１１２、２１１５および２１１６も備える。

蒸発器２３００は、低温寒剤が、それに配送され、周囲温度近くまで温められるので、熱衝撃に耐えるように設計されてもよい。しかしながら、例えばシステム２０のコストを低減するために、急激な熱衝撃に耐えることができない蒸発器を使用し、それを極低温ポンプ２２００と同じ仕方で低温に維持することが、好ましいこともある。モータ動作モードに切り替えられたシステム２０では、いくらかの低圧寒剤が、それらの両方を冷却された状態に維持するために、静止極低温ポンプ２２００を通って蒸発器２３００に入ることを許されてもよい。蒸発器２３００が冷却されるとき、および蒸発器２３００における熱進入により生成されるボイルオフは、タンク２１００のヘッドスペースに運ばれて戻る（それは別法として、大気に放出されてもよい）。

第３のシステム３０は、図３に示される。それは、さらなる接続部が、バイパスバルブ３１１３を介して膨張段３５０４の放出部と熱交換器３４０１の入口との間に提供されることを除いては、システム１０と同一であり、図１および図２に関して上で述べられたように動作する。

システム３０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク３１００と、極低温貯蔵タンク３１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク３１００と流体連通する極低温ポンプ３２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ３２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプ３２００と流体連通する蒸発器３３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸３３６０を備えるパワー回収装置３３５０と、パワー回収装置３３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置３３５０の駆動軸３３６０に機械的に結合される電気機械３６００とを備える。電気機械３６００は、電気ブレーカ３７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り込むまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０および２０と同様に、システム３０は、パワー回収装置３３５０が、蒸発器３３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置３３５０が、蒸発器３３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ３２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム３０は、図１に関して上で述べられたように、ポンプ３２００からの高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。

パワー回収装置３３５０は、４つの熱交換器３４０１、３４０２、３４０３および３４０４、ならびに４つの膨張段３５０１、３５０２、３５０３および３５０４を備える膨張器（例えばターボ膨張器またはタービン）を備える。システム３０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒３８００、ならびにバルブ３１１０、３１１１、３１１２、３１１３、３１１５および３１１６も備える。

通常動作（パワー回収モード）中は、システム３０は、システム１０と同じに動作し、バルブ３１１３は、閉じられる。

モータ動作モードでは、システム３０は、第１のシステム１０と同じに動作し、バイパスバルブ３１１３は、開いており、熱交換器３４０１から３４０４の少なくとも１つは、例えば８０から３００℃の間に含まれる温度の熱を供給される。パワー回収装置３３５０の回転によって引き起こされる圧力差は、バイパス接続部を通るわずかな再循環の流れを引き起こす。空気力学的摩擦に起因してベアリングおよびパワー回収装置３３５０において放散される熱は、バイパスループの周りの再循環の流れに移送される。

パワー回収信号が、発電所オペレータからかまたは遠く離れて受け取られると、バルブ３１１１および３１１２が、開かれ、バルブ３１１５および３１１６ならびにバイパスバルブ３１１３が、閉じられ、極低温ポンプ３２００が、起動される。システム３０は、今はパワー回収モードにある。

このシステム３０は、バイパスループ内のすべてのコンポーネントを温められた状態に維持する特別な利点をもたらす。またしても、温度は、バルブ３１１５を介して低温ガスを導入することによって制御されてもよい。

モータ動作モード中にパワー回収装置において放散されるパワーは、少ないので、所望の動作温度に達するのにしばらく時間がかかることもある。かかる時間は、必要とされる温度が、達せられるまで、熱を熱交換器の少なくとも１つに導入することによって低減されてもよい。別法として、もしパワー回収装置からの熱放散の速度が、十分でないならば、熱は、モータ動作モード中に熱交換器に連続して提供されてもよい。

提供される熱は、パワー回収モードにおいて再加熱のために使用されるのと同じ廃熱源からであってもよい。もしその廃熱源が、連続して利用できないならば、熱貯蔵所が、利用可能であるときは、それが、熱を貯蔵するために使用されてもよく、廃熱源が利用できないときは、バイパスされるループに熱を供給してもよい。熱貯蔵所は、パワー回収中に熱を供給するために使用されてもよく、またはそれは、モータ動作モード中にだけ熱をシステムに供給するのに十分な容量を有する小さい熱貯蔵所であってもよい。

完全なＬＡＥＳシステム（液体窒素を使用するシステムを含む）では、図１から図３に示されるパワー回収システムは、液体空気を極低温タンクに供給するための空気液化装置もまた備えるより大きいＬＡＥＳシステムの一部を形成してもよい。当業者は、パワー回収システムが、タンクに入る寒剤のソースと相互作用しないので、空気液化装置の動作と無関係にモータ動作モードにおいて動作してもよいということを認識することになる。

第４のシステム４０は、図４に示される。それは、バルブ４１１４を介して極低温タンク４１００と極低温ポンプ４２００との間にまた余分な接続部も提供されることを除いて、システム３０と同一である。

システム４０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク４１００と、極低温貯蔵タンク４１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク４１００と流体連通する極低温ポンプ４２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ４２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプと流体連通する蒸発器４３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸４３６０を備えるパワー回収装置４３５０と、パワー回収装置４３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置４３５０の駆動軸４３６０に機械的に結合される電気機械４６００とを備える。電気機械４６００は、電気ブレーカ４７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り出すまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０、２０および３０と同様に、システム４０は、パワー回収装置４３５０が、蒸発器４３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置４３５０が、蒸発器４３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ４２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム４０は、図１に関して上で述べられたように、ポンプ４２００からの高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。

パワー回収装置４３５０は、４つの熱交換器４４０１、４４０２、４４０３および４４０４、ならびに４つの膨張段４５０１、４５０２、４５０３および４５０４を備えるターボ膨張器を備える。システム４０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒４８００、ならびにバルブ４１１０、４１１１、４１１２、４１１３、４１１４、４１１５および４１１６も備える。

ポンプの冷却運転中およびモータ動作モード中は、隔離バルブ４１１０は、閉じられたままであり、液体空気は、バルブ４１１４を介してポンプ４２００に入ることを許される。これは、より小さい口径のパイプが使用されることを可能にし、それは、流れを制限することができる。さらに、もし流れのどんな微細制御も、必要とされるならば、小さい制御バルブ４１１４が、使用されてもよく、大きい口径のバルブ４１１０は、微細な位置制御を有さないより簡単な隔離バルブであってもよい。これは、コストを低減することができる。

第４の実施形態は、ポンプを冷却された状態に維持する代替方法を示すことを目的としている。当業者は、図４に提示される原理を使用する他の適切な配置もまた、これを達成することができることを理解することになる。

図５は、システム４０と同じだが、しかし軸を介して４つの膨張段に接続される、小型電気モータなどの付加的モータ５９００の追加がある、第５のシステム５０を示す。

システム５０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク５１００と、極低温貯蔵タンク５１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク５１００と流体連通する極低温ポンプ５２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ５２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプ５２００と流体連通する蒸発器５３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸５３６０を備えるパワー回収装置５３５０と、パワー回収装置５３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置５３５０の駆動軸５３６０に機械的に結合される電気機械５６００とを備える。電気機械５６００は、電気ブレーカ５７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り込むまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０、２０、３０および４０と同様に、システム５０は、パワー回収装置５３５０が、蒸発器５３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置５３５０が、蒸発器５３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ５２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム５０は、図１に関して上で述べられたように、ポンプ５２００からの高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。

パワー回収装置５３５０は、４つの熱交換器５４０１、５４０２、５４０３および５４０４、ならびに４つの膨張段５５０１、５５０２、５５０３および５５０４を備えるターボ膨張器を備える。システム５０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒５８００、ならびにバルブ５１１０、５１１１、５１１２、５１１３、５１１４、５１１５および５１１６も備える。

モータ動作モードでは、小型電気モータ５９００は、パワー回収装置５３５０の４つの膨張段５５０１、５５０２、５５０３、５５０４および電気機械５６００が、それらの同期速度に達し、電気機械５６００が、グリッドに結合されるまで、それらを回転させる。その後、小型電気モータ５９００は、パワー回収装置５３５０の４つの膨張段５５０１、５５０２、５５０３、５５０４を駆動する責任を電気機械５６００に引き渡す。

小型電気モータ５９００を駆動するのに必要とされる少量のパワーは、パワー回収装置５３５０および電気機械５６００をシステム１０、２０、３０、４０においてそれらの同期速度に至らせるのに必要とされる少量の寒剤より好ましいこともある。

図６は、接続部が、バルブ５１１５を介して極低温タンク６１００のヘッドスペースと熱交換器６４０１との間に提供されないことを除いては、システム５０と同じである第６のシステム６０を示す。代わりに、ポンプからの少量の低温ガスが、バルブ６１１１を通って４つの膨張段に向かって流れることを許される。

システム６０は、寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンク６１００と、極低温貯蔵タンク６１００からの寒剤を高圧にポンピングするための、極低温貯蔵タンク６１００と流体連通する極低温ポンプ６２００と、高圧ガスを形成するためにポンプ６２００からの高圧寒剤を蒸発させるための、ポンプ６２００と流体連通する蒸発器６３００と、機械的パワーを伝達するための駆動軸６３６０を備えるパワー回収装置６３５０と、パワー回収装置６３５０によって回収された機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、パワー回収装置６３５０の駆動軸６３６０に機械的に結合される電気機械６６００とを備える。電気機械６６００は、電気ブレーカ６７００を介して外部の電気グリッドに結合するように構成され、構築され、それぞれグリッドからパワーを取り込むまたはグリッドにパワーを送出する、モータかまたは発電機としてそれが動作することを可能にするために、当技術分野において知られているような必須の制御システムを提供される。

システム１０、２０、３０、４０および５０と同様に、システム６０は、パワー回収装置６３５０が、蒸発器６３００によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、およびパワー回収装置６３５０が、蒸発器６３００によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である。ポンプ６２００は、システムが、そのモータ動作モードにあるときは、高圧寒剤を供給せず、システム６０は、図１に関して上で述べられたように、ポンプ６２００からの高圧寒剤の供給を導入することによってそのモータ動作モードからそのパワー回収モードに切り替え可能である。

パワー回収装置６３５０は、４つの熱交換器６４０１、６４０２、６４０３および６４０４、ならびに４つの膨張段６５０１、６５０２、６５０３および６５０４を備えるターボ膨張器を備える。システム６０はまた、パワー回収装置と流体連通する排気筒６８００、ならびにバルブ６１１０、６１１１、６１１２、６１１３、６１１４および６１１６も備える。

図６に示される配置は、極低温タンク６１００を極低温ポンプ６２００によって生成される高圧にさらすバルブ５１１５を除去し（図５と比較すると）、それは、パワー回収モード中に機能しないこともあり得る。

用語「高圧」および「低圧」は、当技術分野において良く理解されており、当業者は、本発明の文脈においてこれらの用語によって何が意味されるかを理解することになる。例えば、高圧ガスは、システムが、そのパワー回収モードにあるとき、パワー回収装置を駆動するために使用されるガスであってもよい。低圧ガス（および／または低圧寒剤）は、システムが、モータ動作モードにあるとき、パワー回収装置を駆動する以外の目的のために、例えば蒸発器および／またはポンプおよび／またはパワー回収装置などのコンポーネントを冷却するために使用されるガス（および／または寒剤）であってもよい。

前に述べられたように、ステップ５（グリッドに送出されるパワーを必要とされる値まで増加させるためのパワー回収装置３５０のパワーアップ）は典型的には、パワー回収装置が、グリッドオペレータによって必要とされる電力レベルを外部の電気グリッドに供給するために、極低温ポンプをその必要とされる動作速度までスピンアップするのに必要とされる時間に対応して、数十秒かかる。

本発明者らはさらに、グリッドオペレータの注文に応答してパワーを即座に送出することができるように、応答時間からステップ５を除去するための洗練された方法を見出した。そうするために、電池サブシステム８０が、システム１０、２０、３０、４０、５０または６０のいずれかの中に統合されてもよい。

図７は、システム１０内への電池サブシステム８０の統合を描写する。同じ仕方で、電池サブシステム８０は、システム２０、３０、４０、５０または６０の中に統合されることもあり得る。明確にするために、システム１０の一部が、図７に描写される。図１から図６に示され、発電機を外部の電気グリッドに電気的に結合するために使用される電気ブレーカは、第１の電気ブレーカと呼ばれる。電池サブシステム８０は、インバータ８９１０（すなわち整流器）およびブレーカ８９００を介して電気グリッドに電気的に結合される電池８９２０を備える。

発電機６００の端子は、ブレーカ７００を介して電気グリッドに結合されることが、思い出されるものとする。

アイドルモードかまたはモータ動作モード中は、電池８９２０は、インバータ８９１０の制御下で充電されてもよい。アイドルモードでは、ブレーカ７００は、開いており、発電機６００は、電気グリッドに結合されない。モータ動作モードでは、発電機６００は、閉じているブレーカ７００を介して電気グリッドに同期的に結合される。

いったん電池８９２０が、十分に充電されると、ブレーカ８９００は、閉じられたままか（充電は、インバータによって制御されるので）または開かれてもよい。ブレーカ８９００は、当技術分野において知られているように、典型的にはインバータが電池の充放電を迅速に制御することを可能にするために閉じられたままとなり、通常は維持管理のために開かれることになる。

モータ動作モードにあり、信号が、パワーを送出するために受け取られると、システム１０は、パワー回収モードに移行する。極低温ポンプ２００は、フルパワーまで上昇させられ、発電機は、電力を電気グリッドに送出する（ステップ５）。同時に、インバータ８９１０は、即座に放電するように電池８９２０を制御する。インバータ８９１０は、電気グリッドによって送出される全パワーが、必要とされる設定点を達成するように、電池８９２０によって送出されるパワーを制御する。極低温ポンプ２００が、必要とされる設定点まで上昇すると、電池によって送出されるパワーは、設定点が、維持されるように、下降させられる。

当業者は、発電機の最大出力と同じ程度に高い設定点を即座に達成するために、電池が、発電機と同じパワー定格を有するサイズにしなければならないことを認識することになる。

電池サブシステム８０の利点は、システムが、電池の即座に近い速度でパワー送出信号に応答できるということであるが、しかしながら、極低温システムの利点は、維持される。電池は、極低温ポンプを上昇／下降させるのに必要とされる短い期間にわたって動作することを必要とされるだけであるので、比較的小型であれば十分である。

本発明は、本発明の単一の実施形態をそれぞれ表す添付の図面を参照して例示的な形で上に述べられた。本発明の多くの異なる実施形態が、存在し、これらの実施形態がすべて、次の請求項によって規定されるような本発明の範囲内に入ることは、理解されよう。

１０ システム
２０ システム
３０ 第３のシステム
４０ 第４のシステム
５０ 第５のシステム
６０ 第６のシステム
８０ 電池サブシステム
１００ 極低温貯蔵タンク
１１０ バルブ
１１１ バルブ
１１２ バルブ
１１５ バルブ
１１６ バルブ
２００ 極低温ポンプ
３００ 蒸発器
３５０ パワー回収装置
３６０ 駆動軸、出力軸
４０１ 熱交換器
４０２ 熱交換器
４０３ 熱交換器
４０４ 熱交換器
５０１ 膨張段
５０２ 膨張段
５０３ 膨張段
５０４ 膨張段
６００ 電気機械、発電機
７００ 電気ブレーカ
８００ 排気筒
８９００ ブレーカ
８９１０ インバータ
８９２０ 電池

Claims (44)

1. 寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンクと、
   前記極低温貯蔵タンクからの寒剤を高圧にポンピングするための、前記極低温貯蔵タンクと流体連通するポンプと、
   高圧ガスを形成するために前記ポンプからの前記高圧寒剤を蒸発させるための、前記ポンプと流体連通する蒸発器と、
   機械的パワーを伝達するための駆動軸を備えるパワー回収装置と、
   前記パワー回収装置によって回収された前記機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、前記パワー回収装置の前記駆動軸に機械的に結合される電気機械とを備えるシステムであって、
   前記システムは、
   前記パワー回収装置が、前記蒸発器によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、および
   前記パワー回収装置が、前記蒸発器によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードにおいて動作可能である、システム。
2. 前記システムは、前記モータ動作モードと前記パワー回収モードとの間で切り替え可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ポンプは、前記システムが、前記モータ動作モードにある場合は、高圧寒剤を前記蒸発器に供給しない、請求項１または請求項２に記載のシステム。
4. 前記システムは、前記ポンプから前記蒸発器への高圧寒剤の供給を導入することによって前記モータ動作モードから前記パワー回収モードに切り替え可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記システムが前記パワー回収モードにある場合に、前記電気機械は、発電機として動作しかつ前記パワー回収装置によって回収された前記機械的パワーを電気エネルギーに変換するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記パワー回収装置が前記モータ動作モードにある場合に、前記電気機械は、前記パワー回収装置を駆動するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記システムが、前記モータ動作モードにある場合に、前記電気機械は、モータとして動作するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記システムが前記モータ動作モードにある場合に、前記パワー回収装置を前記ポンプおよび／または前記蒸発器から隔離するように構成される少なくとも１つのバルブをさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記電気機械は、外部の電気グリッドに結合されるように構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記システムが前記パワー回収モードにある場合に、前記電気機械は、電気エネルギーを前記外部の電気グリッドに供給するように構成される、請求項９に記載のシステム。
11. 前記システムが前記モータ動作モードにある場合に、前記電気機械は、前記パワー回収装置を駆動するために前記外部の電気グリッドからパワーを引き出すように構成される、請求項９または請求項１０に記載のシステム。
12. 前記電気機械を前記電気グリッドに結合しかつ／または前記電気グリッドから切り離すための電気ブレーカをさらに備える、請求項９から１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記システムが前記モータ動作モードにある場合に、前記パワー回収装置は、第１の所定速度で駆動される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記システムが前記パワー回収モードにある場合に、前記パワー回収装置は、第２の所定速度で駆動される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記第１の所定速度は、前記第２の所定速度と同じである、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記第１の所定速度および／または前記第２の所定速度は、前記電気機械が前記電気グリッドに同期するのに必要とされる速度である、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のシステム。
17. 前記ポンプを冷却するための第１の冷却手段をさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
18. 前記ポンプは、前記ポンプが前記極低温貯蔵タンク内の寒剤によって冷却されることを可能にするために前記極低温貯蔵タンク内に設置される、請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステム。
19. 前記第１の冷却手段は、前記極低温貯蔵タンク内の寒剤を含む、請求項１７または請求項１８に記載のシステム。
20. 前記第１の冷却手段は、寒剤を前記極低温貯蔵タンクから前記ポンプに輸送するための第１の導管を備える、請求項１７から１９のいずれか一項に記載のシステム。
21. 前記パワー回収装置を冷却するための第２の冷却手段をさらに備える、請求項１７から２０のいずれか一項に記載のシステム。
22. 前記第２の冷却手段は、寒剤を前記極低温貯蔵タンクから前記パワー回収装置に輸送するための第２の導管を備える、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記パワー回収装置は、少なくとも１つのターボ膨張器を備える、請求項１から２２のいずれか一項に記載のシステム。
24. 前記パワー回収装置は、複数のターボ膨張器を備える、請求項２３に記載のシステム。
25. 各ターボ膨張器は、１つの膨張段、１つもしくは複数の膨張段、または複数の膨張段を備える、請求項２３または請求項２４に記載のシステム。
26. 前記パワー回収装置は、１つの膨張ホイール、１つもしくは複数の膨張ホイール、または複数の膨張ホイールを備える、請求項２３から２５のいずれか一項に記載のシステム。
27. １つまたは複数のターボ膨張器は、それらの膨張段のすべてを前記駆動軸に接続される、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のシステム。
28. 各膨張段は、前記駆動軸に接続される、請求項２３から２７のいずれか一項に記載のシステム。
29. ガスが前記パワー回収装置において膨張される前に、高温熱エネルギーを前記ガスに移送するように構成される熱交換器をさらに備える、請求項１から２８のいずれか一項に記載のシステム。
30. ガスが、１つもしくは複数のターボ膨張器または１つもしくは複数の膨張段において膨張される前に、高温熱エネルギーを前記ガスに移送するように構成される１つまたは複数の熱交換器を備える、請求項２３から２９のいずれか一項に記載のシステム。
31. 高温熱エネルギーは、ガスが、各膨張段において膨張される前に、熱交換器によって前記ガスに移送される、請求項３０に記載のシステム。
32. 下流の膨張段から上流の熱交換器または膨張段への低温または高温ガスの流れを可能にするために、前記下流の膨張段の出口と前記上流の熱交換器または膨張段との間にバイパス導管をさらに備える、請求項２３から３１のいずれか一項に記載のシステム。
33. 前記バイパス導管は、前記システムが前記モータ動作モードにある場合だけ動作するように構成される、請求項３２に記載のシステム。
34. 前記バイパス導管は、前記バイパス導管を通るガスの流れを制御するためのバイパスバルブを備える、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記システムが前記モータ動作モードにある場合に、前記パワー回収装置を駆動するための電気モータをさらに備える、請求項１から３４のいずれか一項に記載のシステム。
36. 前記システムは、アイドルモードと前記モータ動作モードとの間で切り替え可能である、請求項１から３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記システムが前記アイドルモードにある場合は、前記パワー回収装置は、駆動されない、請求項３６に記載のシステム。
38. 前記システムが前記アイドルモードにある場合は、前記電気機械は、前記電気グリッドに結合されない、請求項３６または請求項３７に記載のシステム。
39. 前記システムが、前記アイドルモードにある場合は、前記蒸発器は、高圧ガスを前記パワー回収装置に供給しない、請求項３６から３８のいずれか一項に記載のシステム。
40. 前記システムが前記アイドルモードにある場合は、前記電気モータは、オフにされる、請求項３６から３９のいずれか一項に記載のシステム。
41. 前記寒剤は、液体空気または液体窒素を含む、請求項１から４０のいずれか一項に記載のシステム。
42. 前記パワー回収装置と流体連通する排気管をさらに備える、請求項１から４１のいずれか一項に記載のシステム。
43. 前記システムが、そのモータ動作モードにあるとき、前記ポンプおよび前記蒸発器を冷却された状態に保つために、低圧寒剤を前記極低温貯蔵タンクから前記ポンプを通って前記蒸発器に輸送するための手段を備える、請求項１から４２のいずれか一項に記載のシステム。
44. 寒剤を貯蔵するための極低温貯蔵タンクを設けるステップと、
    前記極低温貯蔵タンクからの寒剤を高圧にポンピングするための、前記極低温貯蔵タンクと流体連通するポンプを設けるステップと、
    高圧ガスを形成するために前記ポンプからの前記高圧寒剤を蒸発させるための、前記ポンプと流体連通する蒸発器を設けるステップと、
    機械的パワーを伝達するための駆動軸を備えるパワー回収装置を設けるステップと、
    前記パワー回収装置によって回収された前記機械的パワーを電気エネルギーに変換するための、前記パワー回収装置の前記駆動軸に機械的に結合される電気機械を設けるステップと、
    前記パワー回収装置が、前記蒸発器によって供給される高圧ガスによって駆動されかつ高圧ガスから機械的パワーを回収する、パワー回収モード、および
    前記パワー回収装置が、前記蒸発器によって供給される高圧ガス以外の駆動手段によって駆動される、モータ動作モードのうちの１つを選択するステップとを含む、方法。

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