JP2024507360A - 質量体変位発電機 - Google Patents

Abstract

タワー１１と、落下及び持ち上げのためにタワー１１によって吊られた第１の質量体１２とを備える質量体変位発電機１０。第１の質量体１２は、第１の質量体１２の上方でタワー１１に固定された滑車５０の第１の集合と、第１の質量体１２に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって吊るされる。ケーブル２８は滑車５０の第１及び第２の集合を通って延在し、ケーブル２８の一端は、タワー１１の１つ又は第１のマス１２に固定される。ウィンチ３８はバレル３６を含み、その周りに、第１の質量体１２が落下するにつれてケーブル２８が巻き出て、第１の質量体１２が持ち上がるにつれて巻き付く。ウィンチ３８は、フライホイール６０に駆動接続しており、その結果、第１の質量体１２が落下するにつれて、ケーブル２８がバレル３６から巻き出て、バレル回転がフライホイール６０を回転させるように駆動する。フライホイール６０は、発電機６２に駆動接続しており、フライホイール６０の回転が、電気エネルギーを生成するために発電機６０を駆動する。【選択図】図１

Description

優先権の相互参照
本出願は、２０２１年２月１９日に出願されたオーストラリア仮特許出願第２０２１９００４４１号の優先権を主張し、その内容は、この参照により本明細書に組み込まれるとみなされるべきである。

技術分野
本発明は電気エネルギー生成及びエネルギー貯蔵の分野に関し、特に、質量体変位によって電気を生成するための装置及び方法に関する。

以下の本発明の背景の議論は、本発明の理解を容易にすることを意図している。しかし、議論は、議論の任意の側面が本出願の優先日における共通の一般的知識の一部であったことの承認又は了承ではないことを理解されたい。

石炭、ガス又は原子燃料を使用する発電所において、又は流水を利用して発電タービンを駆動する水力システムにおいて電気が生成されることができ、より最近において、ソーラー・パワー及び風力が大規模発電設備及び小規模発電設備の両方において使用されている。ソーラー・パワーによる発電は、太陽光発電（ＰＶ）モジュール若しくはセルによって、又は後にタービンを駆動できる作動流体を蒸発させるために太陽光線を焦点に集中させることによって行われうる。波力は、電気を生成するために使用されうるエネルギーの別の形態である。

上記の形態の発電のうち、いくつかは化石燃料（石炭及びガス）に基づくものであり、他のものは再生可能燃料（水、太陽、風及び波）に基づくものである。核燃料は通常、化石燃料とはみなされないが、再生不可能な燃料であり、核燃料の使用から生じる廃棄物は廃棄することが困難かつ危険である。

質量体変位は、発電に使用されうる別の動力源である。重りを下げ、落下する重りの運動量を利用するための重力の使用は、発電のためにタービン又はロータを回転させるために使用されうる。

質量体変位システムは、特に石炭、ガス及び原子力発電所と比較して、環境排出利益に関して、本書で前述した既存のシステムのいくつかを上回る発電における利点を有する。質量体変位システムはまた、例えば水力発電と比較して環境に対して、又は水力発電、風力発電及び波力発電で生じるような環境の美観に対して、低減された損傷を与えうる。

質量体変位システムのさらなる利点はそれらが比較的単純であり、よって、動作するのに信頼性があることである。さらに、それらは、比較的コンパクトであり、大規模動作又は小規模動作のいずれにも適合するようにサイズ決定されうる。

質量体変位発電の例は、ＰＣＴ国際出願ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０６８０４３号（ＷＯ２０２０／２６０５９６）に示されている。この例示的な従来技術のＰＣＴ出願では、エネルギー貯蔵システムが開示されており、それによって、ウィンチからのケーブルによって重りが吊るされ、電力が必要な場合に、発電タービンを駆動するために重力で重りを下げることができ、電力が必要でない場合に、重りは後で再使用するために持ち上げられうる。システムの利点は、グリッド内の余剰電力が利用可能である場合に、重りを持ち上げることができ、一方、グリッド内に供給可能なより多くの電力が必要とされる場合に、重りは、グリッドにより多くの電力を追加するように、重力で下がることが可能にされることであるように思われる。

国際出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０６８０４３号は、地面ベースのシャフト内で重りが下降及び上昇させられるように動作されることが意図されている。したがって、重りを下降及び上昇させるウィンチは、地面レベルに配置され、ウェイトはウィンチの下で地面内に延在するシャフト内で下降及び上昇させられる。シャフトは、地面に穿孔される垂直シャフトでありうる。この構成は、質量体変位発電機が配置されるエリアに対してなされる審美的外乱を最小限に抑えるため、有利である。しかし、システムが有効であるために、シャフトが約２０～３０メートルの深さまで穿孔される必要があり、このことは最初にシャフトを穿孔し、シャフトの軸を変位させることができるためにシャフト内の重りの移動を妨げうる通常の地面の動きに対してシャフトを維持するために多大な労力を必要とする。

本発明はＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０６８０４３号と同じ分野にあるが、第ＰＣＴ／ＥＰ２０２０／０６８０４３号によって提供されるものとは異なる発電の解決策を提供することを意図されている質量体変位発電機に関する。

本発明によれば、質量体変位発電機であって、
ａ．タワーと、
ｂ．落下及び持ち上げのために前記タワーによって吊るされた質量体であって、前記質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって吊るされる、質量体と、滑車の前記第１及び第２の集合を通って延在するケーブルであって、前記ケーブルの一端は、前記タワーのうちの１つ又は前記質量体に固定される、ケーブルと、
ｃ．前記質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含むウィンチと、を備え、
ｄ．前記ウィンチは、フライホイールに駆動接続しており、その結果、前記質量体が落下するにつれて、前記ケーブルが前記バレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動し、
ｅ．前記フライホイールは、発電機に駆動接続しており、その結果、前記フライホイールの回転が、電気エネルギーを生成するために前記発電機を駆動する、質量体変位発電機が提供される。

また、本発明は、電気を生成するシステムであって、
ａ．タワーにおいて第１の質量体を、前記第１の質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記第１の質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって吊るすことと、滑車の前記第１及び第２の集合を通ってケーブルを延在することと、前記ケーブルの一端を、前記タワーのうちの１つ又は前記第１の質量体に固定することと、
ｂ．前記ケーブルの自由端を、前記第１の質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記第１の質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含むウィンチに延在することと、
ｃ．フライホイールを駆動するために前記ウィンチを前記フライホイールに接続し、その結果、前記第１の質量体が落下するにつれて、前記ケーブルがバレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動することと、
ｄ．前記フライホイールを発電機に接続し、その結果、前記フライホイールの回転が、電気エネルギーを生成するために前記発電機を駆動することと、を有するシステムを提供する。

本発明による質量体変位発電機は、発電機を駆動するフライホイールを駆動することによって、発電するために落下質量体を利用する。さらに、質量体は、歯車として作用する滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルによって落下し、その結果、ケーブルが通って延在する滑車の個数を変更することによって、質量体がより速く又はより遅く落下でき、それによってフライホイールの回転速度を増加又は減少させ、よって、生成される電気の量を増加又は減少させることができる。フライホイールは、一貫したエネルギー生成のために発電機への回転エネルギーの一定の供給を容易にするので、本発明の質量体変位発電機の重要な構成要素を形成する。本発明によって企図される方法でのフライホイールの採用は、先行技術の一部であることが出願人に知られていない。

本発明による発電機の出力は、質量体の重量を増加又は減少させることによって、滑車の第１及び第２の集合の滑車の個数を増加又は減少させることによって、又はウィンチとフライホイールとの間及び／又はフライホイールと発電機との間の歯車接続を変更することによって、変えられうる。例えば、質量体の落下を遅くすることは、発電の時間を延ばすが、電気出力を減少させる。質量体が落下する速度を遅くするか又は増加させることは、上述の変形のいずれかによって実現され得る。

質量体が落下する速度は、質量体の重量を増加させることによって、電気出力を減少させることなく、遅くされうる。

本発明による発電機の出力は、第２の質量体の上方でタワーに固定された滑車の第１の集合と、第２の質量体に固定された滑車の第２の集合と、滑車の第１及び第２の集合を通って延在し、ケーブルの一端がタワー又は質量体の１つに固定されているケーブルとを備える第２の滑車構成によってタワーによって吊られた第２の質量体の追加によって変えられうる。ケーブルは第１の質量体と同じように第２のウィンチまで延在でき、ウィンチは第１の質量体と同じフライホイールに接続でき、又は第２のフライホイールに接続できる。第２のフライホイールは、第２の発電機を駆動できる。

第２の質量体は、第１の質量体と同じタワーで支持されることができ、本発明のいくつかの構成において、第２の質量体は、第１の質量体と同じ垂直方向の移動又は降下を有し、その結果、第２の質量体は、発電について第１の質量体と同じエネルギーを生成するように動作可能である。第２の質量体は、本発明による発電機の容量を２倍にするために、第１の質量体を単純に複製できる。

第３及び第４の質量体が発電機に追加されることができ、上述のように第２の質量体に従って動作できる。実際、発電機の所望の発電容量に必要とされるように任意の数の質量体が提供されうる。

発電機の各質量体は、単一のフライホイール又は相異なるフライホイールを駆動するための落下モードで使用されうる。単一のフライホイールは、エネルギーをシステムに供給する落下質量体の個数によって、１つのシステムの容量が変化させることが可能になるため、好ましい。質量体の落下運動の終端は、質量体に関連付けられたケーブルが巻き付くバレルの回転を制御することによって行われうる。バレル回転を制動することによって、又はバレル回転を終了することによって、発電機への入力が低減又は終了される。

本発明による発電機は、単一のフライホイールで動作でき、又は２つ以上のフライホイールが含まれうる。これらのフライホイールは、順々に接続するように構成されることができ、その結果、質量体が落下運動を開始するとき、及び質量体が所定の落下速度に達した場合に、発電の初期開始中に第１のフライホイールがウィンチに接続されることができ、第２のフライホイールは、落下速度を遅く又は低減するために接続されうる。クラッチ構成が、第２及び追加のフライホイールの接続及び切断を制御するために採用されうる。

滑車の第１及び第２の集合を通って延在し、タワー又は第１の質量体に取り付けられるケーブルはまた、第２の質量体及び提供される追加の質量体に関連付けられた滑車の第１及び第２の集合を通って延在できる。これは、質量体を連結し、それらは一緒に落下するように構成されうる。この構成において、ケーブルは、第１及び第２の質量体、並びに提供されるならば追加の質量体の滑車の第１及び第２の集合を通って延在し、タワー又は第１又は第２又は追加の質量体のうちの１つに取り付けられた１つの端部を有し、ケーブルはウィンチまで延在する。

滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルは、相当の長さであることが必要である。滑車の各集合は、１２０個の滑車、又は２４０個、又は３６０個、又は４８０個の滑車を有しうることが想定される。さらに、質量体の落下距離は、約２１ｍ、又は１９ｍ、又は１６ｍ、又は１４ｍでありうる。これらの相異なる構成は、少なくとも約２６００ｍ又は４５００ｍ、又は５８００ｍ又は６５００ｍのケーブル長を必要とする。ケーブルの長さは、ウィンチのバレルから、質量体の上方でタワーに固定された滑車の第１の集合まで、そして滑車の第１及び第２の集合の滑車のそれぞれを通って延在するのに十分であることが必要である。質量体が最低点に落下した場合に、滑車の第１の集合と第２の集合との間の距離は最大になり、ケーブルは、滑車の第１及び第２の集合における滑車の個数と同じ数を最大距離に乗じただけ延ばす必要があることに留意されたい。よって、滑車の各集合が１２０個の滑車を有するならば、ケーブルは、滑車の第１の集合の滑車と、滑車の第２の集合の滑車との間を接続するために、１２０回昇降する。よって、滑車の第１の集合と第２の集合との間に延在するケーブルの１２０本のストランドが存在し、例えば、質量体の落下距離が約２１ｍであるならば、ケーブルの長さは、１２０ｍ×２１＝２５２０ｍを超える必要がある。ケーブルは滑車の周りに延在する必要があり、ケーブルはウィンチまで延在する必要があるため、ケーブルの長さはこれよりも長くなる。

１つ以上の質量体の落下距離は、タワーの高さから１つ以上の質量体の高さを引いたものでありうる。２５ｍのタワーと２．６ｍの高さの質量体とを組み合わせることで、２１．４ｍの落下が可能になりうる。さらなる実施例は、以下の図面の議論の後に与えられる。

本発明による発電機は、数時間にわたって信頼性のある発電を提供することを意図される。当初の計算において、約１２階又は約３７ｍの高さのタワーが、１２ｍ×７．５ｍ×１０ｍの寸法及び約２２００ｔの重量を有するコンクリート質量体ブロックと使用されうることが示唆されている。ウィンチのバレルは、約２．４ｍの直径及び約２０ｍの軸方向長さを有しうる。ケーブルは、約１２ｋｍの長さを有しうる。そのような構成において、質量体ブロックは、約３時間にわたって約２ｍｍ／ｓの速度で落下しうる。

上記の構成において、フライホイールは、約８００トンの重量及び約２０ｍの直径×２．４幅を有しうる。

その又は各質量体が最大距離を落下すると、フライホイールは、駆動入力がなくなるにつれて遅くなる。本発明のいくつかの形式において、１つの質量体が最大距離を落下するとすぐに、別の質量体が落下を開始することができ、又はより可能性が高い場合に、第１の質量体がその落下の底部に達する前に、新たな質量体の落下の開始に重複が存在しうる。

質量体の落下はパルス化されることができ、その結果、質量体は、よりゆっくりと落下するが、フライホイールの連続回転による発電を中断することはない。パルス化が十分に短いならば、フライホイールの回転は中断されない。質量体のパルス化は任意の適切な方法で実現されることができ、本発明のいくつかの形式において、発電機は、質量体の移動にブレーキをかけるために、ウィンチのバレルに直接、又はウィンチとフライホイールとの間の駆動接続に取り付けられてもよい。発電機は、クラッチ装置によってなどして、バレル又は駆動接続との接続と切断との間で切り換えられうる。接続時間は例えば３～５秒間であってもよく、その後、同様の期間、切断されてもよい。発電機は、質量体を減速させるか又はそれを完全に停止させるように質量体の移動を制動できる。発電機は、フライホイールに駆動接続している発電機であってもよく、又は、フライホイールに駆動接続している発電機に対する第２又は追加の発電機であってもよい。

本発明による質量体変位発電機は、複数のウィンチを含みうる。例えば、本発明による発電機は２つの質量体重りを含むことができ、ケーブルは、各質量体重りから別個のウィンチまで延在できる。ウィンチのペアは、単一のフライホイール又はフライホイールのペアを駆動できる。本発明による構成において、４つの質量体重りが設けられ、ケーブルが各質量体重りから別個のウィンチまで延在し、その結果、４つのウィンチが設けられる。４つのウィンチは、単一のフライホイール又はフライホイールのペア又は４つのフライホイールを駆動できる。

本発明による質量体変位発電機は発電機の設置が大きいにもかかわらず、簡便にコンパクトな構成で構築されることができ、又はコンパクトな設置面積を有しうる。しかし、設置が主に高さを必要とすることを考慮すると、設置面積は比較的小さくなりうる。よって、設置は有利には相当な土地面積を必要とせずに住宅エリアで行われることができ、中層又は高層住宅又は商業ビルの建設エリアに適しうる。

これに代えて、本発明による質量体変位発電機は例えば、農村環境又は採掘現場での使用のために設置されることができ、それによって、利用可能なエネルギー源の混合物に追加される。

本発明がより完全に理解されうるように、いくつかの実施形態がここで図面を参照して説明される。

本発明の１つの実施形態に係る質量体変位発電機の斜視図である。

図１の質量体変位発電機の反対側からの斜視図である。

図２の質量体変位発電機の同じ図であるが、ウィンチのバレルを示すために、１つのウィンチのハウジングの一部が切り取られて示されている。

図１の質量体変位発電機の上部の詳細図である。

図１の質量体変位発電機の正面図である。

図１の質量体変位発電機の側面図である。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る質量体変位発電機１０を説明する。

発電機１０は、タワー１１と、タワー１１内に吊るされた第１～第４の質量体１２、１４、１６、１８とを含む。質量体１２～１８がそれぞれ断面において正方形で、長さ方向で長方形であり、タワー１０がこれらを並べて又は互いに隣接して支持することが図１から並びに図２及び図３から見て取れる。

質量体１２～１８はそれぞれ、上側タワー・プレート２０、２２、２４及び２６の内側に固定された滑車の第１の集合と、質量体１２～１８の上面に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって、タワー１１内に吊るされる。ケーブル２８、３０、３２及び３４は、滑車の第１及び第２の集合を通って延在し、各ケーブルの一端はタワー又は質量体の一方に固定され、他端は下向きに及びバレル３６（図３参照）の周りに延在し、これらのうちの１つのみが図３に示されるが、別個のウィンチ３８、４０、４２及び４４のそれぞれの一部を形成する。

図３に示されるように、ケーブル２８は、質量体１２の上下の移動方向に依存して、ウィンチ３８のバレル３６に巻き付き、巻き出る。図において、質量体１２及び他の質量体１４～１８はすべて、タワー１１のプレート２０～２６と、タワー１１が延在する元のベース４６との間のそれらの垂直移動の約３分の１で示されている。本発明のいくつかの形態において、質量体１２～１８はそれぞれ、約３時間にわたって約２ｍｍ／ｓの速度で落下する。後続する例は、これがどのように行われうるかを示す。質量体１２～１８はすべて同じ速度で又は異なる速度で一緒に落下してもよく、又は質量体１２～１８の一部のみが落下してもよく、残りの質量体は静止したままであるか、又は質量体のうちの１つ以上がより低い位置から持ち上げられる。静止している質量体は、質量体の他のものが、例えばそれらが落下しうる最低レベルに達すると、落下を開始してもよい。

ケーブル２８～３４は、図４に示されるように、関連付けられたウィンチ３８～４４内のバレルから上方に延在し、上側滑車４８を通って９０度に延在する。図４は、バレル３６から延在するケーブル２８の上端を示し、それが上側滑車４８を通って延在することを示す。ケーブル２８は、滑車４８から、上側タワー・プレート２０の内側に取り付けられた滑車５０の第１の集合内に延在する。ケーブル２８は、滑車５０の第１の集合内の第１の滑車を通って延在し、その後、質量体１２の上面に取り付けられた滑車の第２の集合（図示せず）の滑車に下方に延在する。その後、ケーブル２８は、滑車５０の第１の集合の別の滑車に上向きに戻り、その後、滑車の第２の集合の滑車に下向きに戻る。よって、ケーブル２８は、滑車の第１及び第２の集合内の各滑車を、それがこれらの滑車のそれぞれを通過し、その後、それがタワー１１のうちの１つ又は質量体１２に固定されうるまで、縫うようにして進む。本発明のいくつかの形態において、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれに約４８０個の滑車（列ごとに２４個の滑車×２０行）があるが、より多い又はより少ない数が存在してもよい。

よって、ケーブル２８は、かなりの長さである必要がある。例えば、質量体１２が約２６ｍの距離を落下することができるならば、ケーブルの長さは、滑車の第１の集合と第２の集合との間にちょうど及ぶために、約２６×４８０＝１２，４８０ｍの部分を含む必要がある。１．０ｍ／ｓの落下速度で、質量体１２が落下するのに要する時間は約２０８分である。しかし、ケーブルはまた、滑車ホイールの周りに、バレルから滑車の第１の集合まで延在する必要がある。そこで、ケーブル２８の長さは、１２，４８０ｍよりも長くなる。タワーの高さがより大きい落下距離を可能にする場合、又は滑車の個数が増加する場合に、ケーブルの長さはより大きくなる。

滑車が重りを持ち上げ、下げるように動作する方法は、周知である。本発明について、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおける滑車の個数を増やすことは、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおける滑車の数が減少する場合よりも質量体１２がゆっくりと落下することを意味する。よって、質量体１２がタワー１１のプレート２０に隣接してベース４６まで落下する速度を変える１つの方法は、第１及び第２の集合の滑車のそれぞれにおける滑車の個数を増やすことである。

図４は、滑車５０の第１の集合の滑車を説明するに過ぎないが、ケーブル２８が延在し、縫うようにして進むために、同様の滑車構成が質量体１２の上面に取り付けられていることを理解されたい。

先に示したように、質量体１２～１８が落下すると、それぞれのケーブル２８～３４は、それぞれのウィンチ３８～４４内のバレル３６から巻き出る。各バレルはシャフトに接続し、シャフト５２、５４及び５６が図で視認可能である。ウィンチ４４（図５参照）に関連付けられたシャフトは図で視認可能でない。

シャフト５２～５６のそれぞれは、フライホイール６０に接続する駆動ホイール５８まで延在し、これは次いで発電機に接続され、その結果、駆動ホイール５８による駆動下のフライホイール６０の回転は、電気を発生するように発電機６２内のロータを回転する。駆動ホイール５８とフライホイール６０との実際の係合は、図に示される摩擦係合ではなく歯係合によるものであってもよい。もちろん、駆動ホイール５８とフライホイール６０との間で駆動を伝達するために、異なる形態の歯車接続よる、又はベルト若しくはチェーン駆動によるような他の構成が採用されうる。本発明は質量体１２～１８のうちの１つ以上が他の質量体とは独立して落下することができることを意図しているため、単一の駆動ホイール５８がフライホイール６０を回転するように駆動できるが、駆動ホイール５８のうちの２つ以上がフライホイール６０を駆動する場合よりも低速であることを理解されたい。

さらに、発電機１０は例えば、フライホイールのペア、又は４つのフライホイールを含むように変更されうる。フライホイールのペアが設けられるならば、ウィンチ３８及び４０から延在するような駆動ホイール５８のうちの２つは第１のフライホイールを駆動でき、ウィンチ４２及び４４から延在する駆動ホイール５８は第２のフライホイールを駆動できる。

さらに、フライホイール６０と発電機６２との実際の係合は任意の適切な形態であってもよく、例えば、フライホイール６０は回転するようにシャフトを駆動でき、当該シャフトは、発電機を駆動するために発電機６２のシャフトと歯車接続しうる。フライホイール６０と発電機６２との間のシャフト接続は図に示されていないが、当業者によって容易に想到されよう。

発電機６２は、質量体変位発電機１０における唯一の発電ポイントであってもよく、又は追加の発電機が設けられてもよい。発電機はウィンチ３８～４４のバレル３６に直接取り付けられてもよいし、質量体１２～１８の移動にブレーキを印加するように、ウィンチ３８～４４とフライホイール６０との間の駆動接続に取り付けられてもよい。これらの発電機は電力要件が低い場合に低減された電力を提供してもよく、質量体１２～１８のうちの４つすべてによって発電機６２を駆動する代わりに、質量体１２～１８のうちの１つ、２つ又は３つによって電力が生成されることを可能にしてもよい。

本書で前述したように、これらの追加の発電機は、質量体１２～１８の移動を制動し、それらを減速させるか又はそれらを完全に停止させるように、質量体１２～１８の降下をパルス化するために使用されうる。これにより、質量体１２～１８は、フライホイールがまだ駆動されているならば、フライホイールの連続回転による発電を中断することなく、よりゆっくりと落下することができる。パルス化が十分に短いならば、フライホイールの回転は中断されない。

質量体１２～１８は、オフピーク電力使用時、又はグリッド内に超過電力がある場合に持ち上げられうる。これは、発電機１０が夜間に使用される状態になっているように質量体１２～１８が持ち上げられうるよう日中のピーク太陽発電時、又は日中若しくは夜間の任意の時刻に発生する高風イベント中でありうる。発電機１０は光又は停滞した風の状態に起因して発電が低下した場合に、又は太陽光が弱い曇天日の間、又は太陽光が利用できない夜間に、風力発電と協力して使用されうる。

よって、発電機１０は、一貫したベース負荷を供給するために、又は必要な場合に、又は他の１つ以上の形態の発電が枯渇した場合にベース負荷に追加するために、他の形態の発電と協力して稼働しうる。これに代えて、必要な場合に質量体１２～１８を持ち上げるために電源が利用可能である限り、発電機１０は発電の最初の形態でありうる。また、発電機１０は、バッテリー貯蔵設備内のバッテリーを再充電するために使用されうる。

発電機１０は、構造が比較的簡単であり、よって、時間がたってもロバストで信頼性の高い性能を提供することが期待される。また、発電機１０の環境上の利点は、化石燃料を使用しない点で有利である。これは、質量体１２～１８が太陽光発電、水力発電、風力発電、又は波力発電の使用によって持ち上げられうる特別な利点である。

例
以下の例は、質量体がタワーの頂部からベースまで利用可能な落下距離を移動するのにかかる時間に滑車の第１及び第２の集合内の滑車の個数がどのように影響するかを示す。例は、異なる落下距離、異なる重量を有する質量体、及び異なる長さのケーブルを有するタワーを使用する発電機構造を示す。

例はすべて、１．０ｍ／ｓの質量体降下速度を使用する。この落下速度は、システム内の摩擦抵抗及び発電機抵抗によって決定される。異なる落下速度が選択されてもよく、質量体の落下時間を変更する。

例１
２１．４ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が１２０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約２１．４×１２０＝２５６８ｍである。降下速度が１．０ｍ／ｓに設定されると、質量体が降下するのにかかる時間は４２．８分である。

例２
１８．８ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が２４０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約１８．８×２４０＝４５１２ｍである。降下速度が１．０ｍ／ｓに設定されると、質量体が降下するのにかかる時間は７５．２分である。

例３
１６．２ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が３６０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約１６．２×３６０＝５８３２ｍである。降下速度が１．０ｍ／ｓに設定されると、質量体が降下するのにかかる時間は９７．２分である。

例４
１３．６ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が４８０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約１３．６×４８０＝６５２８ｍである。降下速度が１．０ｍ／ｓに設定されると、質量体が降下するのにかかる時間は１０８．８分である。

質量体は重量を変えることができ、例は、５５０ｔ、１１００ｔ、１６５０ｔ及び２２００ｔを含む。滑車の個数が増加するにつれて、摩擦抵抗の増加を克服するために、１つ以上の質量体の重量を増加させることが好ましい。

上記の例がより高いタワーに適用されるならば、質量体の落下時間は増加する。よって、より大きな落下距離を提供するタワーが採用されるならば、上記の例で与えられた落下時間に対する以下の変更が適用される。

例５
３３．４ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が１２０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約３３．４×１２０＝４００８ｍである。１．０ｍ／ｓの落下速度で、質量体が落下するのに要する時間は６６分４８秒である。

例６
３０．８ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が２４０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約３０．８×２４０＝７３９２ｍである。１．０ｍ／ｓの落下速度で、質量体が落下するのに要する時間は１２３分１２秒である。

例７
２８．２ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が３６０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約２８．２×３６０＝１０１５２ｍである。１．０ｍ／ｓの落下速度で、質量体が落下するのに要する時間は１６９分１２秒である。

例８
２５．６ｍの利用可能な落下距離に基づいて、滑車の第１及び第２の集合のそれぞれにおいて滑車の個数が４８０である場合に、滑車の第１及び第２の集合を通って延在するケーブルの全長は、約２５．６×４８０＝１２２８８ｍである。１．０ｍ／ｓの落下速度で、質量体が落下するのに要する時間は２０４分４８秒である。

４つの質量体を有する質量体変位発電機について、例８において、降下時間は４×２０４．８分＝８１９．２分＝１３．６５時間である。

これらの例は、本発明による質量体変位発電機が長期間にわたって一定の割合の発電を生成することができ、よって、太陽光発電、風力発電、又は他の再生可能な形態の発電を通じて代替的な余剰発電の期間中に質量体が持ち上げられるならば、大部分が再生可能でありうる、信頼性のある代替的又は追加的な形態の発電を提供できることを示す。

有利には、本発明による質量体変位発電機は、ウィンチと、フライホイールと、発電機とを備える伝送トレインを通じて、落下質量体のエネルギーを利用する。発電機は、直接使用するため、又は電力グリッドに追加するため、又はバッテリー貯蔵のために、フライホイールの回転エネルギーを電気に変換する。フライホイールの介在は、発電機への回転エネルギーの一定の供給を維持するために本発明にとって重要である。本発明によって企図される方法でのフライホイールの採用は、先行技術の一部であることが出願人に知られていない。

「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えられた（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」又は「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語のいずれか又はすべてが本明細書（特許請求の範囲を含む）で使用される場合に、それらは述べられた特徴、整数、ステップ又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ又は構成要素の存在を排除しないことが意図される。

当業者は本書に記載された発明に対し、特に記載されたもの以外の変形及び変更が可能でということを理解するだろう。本発明は、本発明の精神及び範囲内に入るすべてのそのような変形及び修正を含むことが理解される。

Claims (20)

1. 質量体変位発電機であって、
   ａ．タワーと、
   ｂ．落下及び持ち上げのために前記タワーによって吊るされた第１の質量体であって、前記第１の質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記第１の質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって吊るされる、第１の質量体と、滑車の前記第１及び第２の集合を通って延在するケーブルであって、前記ケーブルの一端は、前記タワーのうちの１つ又は前記第１の質量体に固定される、ケーブルと、
   ｃ．前記第１の質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記第１の質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含むウィンチと、を備え、
   ｄ．前記ウィンチは、フライホイールに駆動接続しており、その結果、前記第１の質量体が落下するにつれて、前記ケーブルが前記バレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動し、
   ｅ．前記フライホイールは、発電機に駆動接続しており、その結果、前記フライホイールの回転が、電気エネルギーを生成するために前記発電機を駆動する、質量体変位発電機。
2. 請求項１に記載の質量体変位発電機であって、第２の質量体であって、前記第２の質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記第２の質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む第２の滑車構成によって前記タワーによって吊るされている、第２の質量体と、滑車の前記第１及び第２の集合を通って延在するケーブルであって、前記ケーブルの一端は、前記タワーのうちの１つ又は前記第２の質量体に固定される、ケーブルと、を含み、前記ケーブルは、前記第２の質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記第２の質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含む第２のウィンチに延在し、前記ウィンチは、前記フライホイールに駆動接続しており、その結果、前記第２の質量体が落下するにつれて、前記ケーブルが前記バレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動する、質量体変位発電機。
3. 請求項１に記載の質量体変位発電機であって、第２の質量体であって、前記第２の質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記第２の質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む第２の滑車構成によって前記タワーによって吊るされている、第２の質量体と、滑車の前記第１及び第２の集合を通って延在するケーブルであって、前記ケーブルの一端は、前記タワーのうちの１つ又は前記第２の質量体に固定される、ケーブルと、を含み、前記ケーブルは、前記第２の質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記第２の質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含む第２のウィンチに延在し、前記ウィンチは、第２のフライホイールに駆動接続しており、その結果、前記第２の質量体が落下するにつれて、前記ケーブルが前記バレルから巻き出て、バレル回転が前記第２のフライホイールを回転するように駆動し、前記第２のフライホイールは、発電機に駆動接続しており、その結果、前記第２のフライホイールの回転が、電気エネルギーを生成するために前記発電機を駆動する、質量体変位発電機。
4. 請求項３に記載の質量体変位発電機であって、第２のフライホイールが、第２の発電機を駆動する、質量体変位発電機。
5. 請求項２又は３に記載の質量体変位発電機であって、前記第２の質量体は、前記第１の質量体と同じタワーに支持される、質量体変位発電機。
6. 請求項２又は３に記載の質量体変位発電機であって、前記第２の質量体は、第２のタワーに支持される、質量体変位発電機。
7. 請求項２乃至６の何れか１項に記載の質量体変位発電機であって、前記第２の質量体は、前記第１の質量体と同じ垂直移動を有する、質量体変位発電機。
8. 請求項１に記載の質量体変位発電機であって、１つ以上の更なる質量体であって、前記１つ以上の更なる質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記１つ以上の更なる質量体に固定された滑車の第２の集合とをそれぞれが含む１つ以上の更なる滑車構成によって前記タワーによって吊るされている、１つ以上の更なる質量体と、滑車の前記第１及び第２の集合を通って延在するそれぞれのケーブルであって、前記ケーブルの一端は、前記タワーのうちの１つ又は前記１つ以上の更なる質量体に固定される、それぞれのケーブルと、を含み、前記それぞれのケーブルは、前記１つ以上の更なる質量体が落下するにつれて前記１つ以上の更なるケーブルが巻き出て、前記１つ以上の更なる質量体が持ち上がるにつれて前記１つ以上の更なるケーブルが巻き付くバレルを含むそれぞれのウィンチに延在し、前記ウィンチは、前記フライホイールに駆動接続しており、その結果、前記１つ以上の更なる質量体が落下するにつれて、前記ケーブルが前記バレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動する、質量体変位発電機。
9. 請求項１に記載の質量体変位発電機であって、第１及び第２のフライホイールを含み、前記第１のフライホイールは、前記第１の質量体が落下運動を開始している場合、及び前記第１の質量体が所定の落下速度に達した場合に、発電の初期開始中に前記ウィンチに接続し、前記第２のフライホイールは、前記第１の質量体の前記落下速度を遅く又は低減するように前記ウィンチに接続する、質量体変位発電機。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の質量体変位発電機であって、前記ウィンチ又は各ウィンチは、前記ウィンチに関連付けられた前記質量体を持ち上げるために、前記ウィンチに関連付けられた前記ケーブルに巻き付くように駆動可能である、質量体変位発電機。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の質量体変位発電機であって、前記タワーは、約１２階又は約３７ｍの高さを有する、質量体変位発電機。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の質量体変位発電機であって、前記第１の質量体は、約１２ｍ×７．５ｍ×１０ｍの寸法及び約２２００ｔの重量を有する、質量体変位発電機。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の質量体変位発電機であって、前記第１の質量体は、約３時間にわたって約１ｍ／ｓの速度で落下するように構成される、質量体変位発電機。
14. 電気を生成するシステムであって、
    ａ．タワーにおいて第１の質量体を、前記第１の質量体の上方で前記タワーに固定された滑車の第１の集合と、前記第１の質量体に固定された滑車の第２の集合とを含む滑車構成によって吊るすことと、滑車の前記第１及び第２の集合を通ってケーブルを延在することと、前記ケーブルの一端を、前記タワーのうちの１つ又は前記第１の質量体に固定することと、
    ｂ．前記ケーブルの自由端を、前記第１の質量体が落下するにつれて前記ケーブルが巻き出て、前記第１の質量体が持ち上がるにつれて前記ケーブルが巻き付くバレルを含むウィンチに延在することと、
    ｃ．フライホイールを駆動するために前記ウィンチを前記フライホイールに接続し、その結果、前記第１の質量体が落下するにつれて、前記ケーブルがバレルから巻き出て、バレル回転が前記フライホイールを回転するように駆動することと、
    ｄ．前記フライホイールを発電機に接続し、その結果、前記フライホイールの回転が、電気エネルギーを生成するために前記発電機を駆動することと、を有するシステム。
15. 請求項１４に記載の電気を生成するシステムであって、前記質量体の重量を増加又は減少させることによって、滑車の前記第１及び第２の集合の滑車の数を増加又は減少させることによって、又は前記ウィンチと前記フライホイールとの間、及び／又は前記フライホイールと前記発電機との間の歯車接続を変更することによって、生成される前記電気の出力を変える、システム。
16. 請求項１４又は１５に記載の電気を生成するシステムであって、前記第１の質量体の落下運動の終端は、前記第１の質量体に関連付けられた前記ケーブルが巻き付く前記バレルの回転を制御することによって制御される、システム。
17. 請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の電気を生成するシステムであって、前記第１の質量体が最大距離を落下することを可能にし、その後、第２の質量体が落下し始めること可能にすることを含む、システム。
18. 請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の電気を生成するシステムであって、前記第１の質量体が所定の距離を落下することを可能にし、前記第１の質量体が最大距離を落下する前に、第２の質量体が落下し始めること可能にすることを含む、システム。
19. 請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の電気を生成するシステムであって、前記質量体は、落下中にパルス化される、システム。
20. 請求項１９に記載の電気を生成するシステムであって、前記質量体は、前記質量体の移動にブレーキをかけるために、発電機を前記ウィンチの前記バレルに直接、又は前記ウィンチと前記フライホイールとの間の前記駆動接続において接続することによって、パルス化される、システム。

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