JP6479806B2 - エネルギーを貯蔵するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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関連特許出願の相互参照
本出願は、2013年8月22日に出願された米国仮特許出願第61/868,927号明細書の優先権を主張し、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
社会のあらゆる種々のニーズに電力を供給するために十分なエネルギーを提供することは、年々、ますます問題となりつつある。石炭、石油、および天然ガス等の従来の源は、より高価かつ見つけるのが困難となってきている。同時に、燃焼副産物は、大気汚染をもたらし、大気中の二酸化炭素量を増加させ、地球環境に深刻な結果をもたらす恐れがある。断続生成から信頼性のある実行可能な電力供給に変換できる場合、エネルギー再生可能源、特に太陽熱収集器および風力タービンは、炭化水素の大部分を置き換える可能性がある。これは、太陽および/または風力源からの出力の相当の割合を大規模エネルギー貯蔵ユニットへと指向することによって達成される可能性があり、次いでそのエネルギーを必要に応じて放出する。
非常に大容量のエネルギー貯蔵のために現在使用されている主要な技術は、図1に示される揚水貯蔵発電であり、これは単に「揚水発電」とも呼ばれている。典型的な設置50では2つの大型の貯水池を採用し、第1のすなわち下方貯水池52が、第2のすなわち高所貯水池54より低い高度にある。余剰エネルギーが利用可能である場合は常時、モータ/発生機によって駆動されるパワープラントチャンバの水力ポンプタービン56が、下方貯水池52から高い貯水池54へ水を圧送する。必要に応じて、水は高所貯水池54から放出されて、ポンプタービンを通って下方貯水池52へと流れ、電気を発生させる。大型の設置では、1000メガワット超のピーク出力電力と、数千メガワット時の貯蔵容量とを有することができる。パワープラントチャンバ56は、駆動軸によってどちらもモータ発電機に連結される別個のポンプおよびタービンを含んでもよい。この配置は、エネルギーを貯蔵および放出する従来の設計と同じ方法で作動することができるが、柔軟性を大いに増加させる「水力ショート」と呼ばれる別のモードを提供する。
揚水発電は、数十年にわたって主要なバルク貯蔵技術であって、世界的には120ギガワットを超える発電容量であったが、増加する構築コストに加えて、貯水池の設計に付随する地理的、地質学的、および環境的制約が、将来的拡張に対して、この技術をそれほど魅力的ではないものにしている。したがって、この技術は、エネルギーの炭化水素源から再生可能源へのエネルギー供給基盤の重要な変換を支援するために必要とされる、汎用性、テラワット発電容量、低コスト、および環境適合性を提供する実践的方法ではない。
代替的な技術は、加圧流体を使用して中空シャフトのピストンを上昇させることによって、エネルギーを貯蔵することを含む。大きなシャフトおよびピストンの直径を有するシステムにおいて、いくつかの構築技術は、許容値の制御が制限されるために、シャフトおよび/またはピストン周縁に大きな変動を生成する可能性がある。ピストンとシャフトの壁との間のシールが良好なシール性能に必要な密着を維持するためには、周縁のそのような変動は、ピストンが上下動するときに、シール周縁に対応する動的な変動を必要とする。この動的な変動は、高い接触力に対応できる材料で実現することは困難である可能性がある。さらに、シールの接触面粗さにより、シールの性能が悪く、シールの摩耗が速くなる可能性がある。粗い接触面の小さい通路を通ってシールを過ぎる高圧漏れは、その表面の摩耗、材料の摩滅、およびシステムの劣化の加速を引き起こす可能性がある。
本発明の1つの実施形態は、エネルギーを貯蔵するためのシステムに関し、そのシステムは、本体と、流体を含有するための内部容積を画定する壁を有する中空シャフトとを含む。本体は、中空シャフトの内部容積内での第1の高度位置から第2の高度位置への重力による移動のために、中空シャフトの内部容積内に配設される。システムは、本体と中空シャフトの壁との間に配設されるシール部材をさらに含む。シール部材は取付面に連結され、かつ摺動自在に接触面に係合し、内部容積を本体の垂直下方に位置する第1の部分と本体の垂直上方に位置する第2の部分とに分割する。システムは、中空シャフトおよび電気エネルギーモータ/発生機と流体連通する流体通路をさらに含む。流体通路は、流体を中空シャフトの内部空間の第1の部分に連通する。モータ/発生機は、流体通路に動作可能に連結され、電気エネルギーモータ/発生機を駆動し、第1の高度位置から第2の高度位置への重力による本体の移動時に電気を発生させる。
別の実施形態は、エネルギーを貯蔵するためのシステムを構築する方法に関する。方法は、所望のシャフト深さまで中空シャフトを掘削することであって、中空シャフトが壁および底部で画定される、掘削することと、中空シャフトの底部に床を形成することとを含む。方法は、中空シャフトの床にピストンベースを形成することと、シャフト深さより低いピストン高さまでピストンベースに連結されるピストン側壁を形成することとをさらに含む。ピストンベースは、中空シャフトの直径より小さい直径を有する。ピストン側壁は、ピストンの中空内部を画定する。方法は、ピストンの中空内部をフィラー材で実質的に満たすことと、ピストンの内部を閉じるためにピストン側壁に連結されるピストン頂部を形成することとをさらに含む。
別の実施形態は、エネルギーを貯蔵するためのシステムを構築する方法に関する。方法は、第1の深さまで中空シャフトを掘削することであって、中空シャフトが壁および底部で画定され、および直径を有する、掘削することを含む。方法は、中空シャフトの直径以上の外径を有する環状部を、柱を画定する第2の深さまで掘削することと、柱のベースに沿ってトンネルを掘削することとをさらに含む。トンネルは天井および底部を有し、かついずれかの端部で環状部に通じている。方法は、トンネル底部でトンネルの第1のシャフト床部を形成することと、第1のシャフト床部にトンネルの第1のピストンベース部を形成することとをさらに含む。第1のシャフト床部は、トンネルの幅より小さい幅を有する。第1のピストンベース部は、第1のシャフト床部からトンネルの天井まで延在する。方法は、トンネルを広げることと、第1の部分に隣接するトンネル底部でトンネルのシャフト床の第2の部分を形成することと、第1のピストンベース部に隣接する第2のシャフト床部でトンネルの第2のピストンベース部を形成することと、柱がシャフト床部およびピストンベース部によって完全に支持されるまで、トンネルを広げて、シャフト床部およびピストンベース部を形成し続けることとをさらに含む。方法は、ピストンベースに連結されて柱を囲むピストン側壁を形成することと、ピストンの内部を閉じるためにピストン側壁に連結されるピストン頂部を形成することとをさらに含む。
これらのおよび他の局面は、以下の図面および例示的な実施形態の詳細な説明から明白となるであろう。
本発明の特徴、態様、および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および以下で簡潔に説明される図面に示される添付の例示的な実施形態から明らかになるであろう。
従来の先行技術である揚水貯蔵式水力発電所の概略図である。 エネルギーを貯蔵するとき、および電力を発生させるときの重力液圧エネルギー貯蔵システムの概略図である。 例示的な実施形態による、大規模な重力液圧エネルギー貯蔵システムの断面図である。 例示的な実施形態による、図3の重力液圧エネルギー貯蔵システムのためのシャフトの掘削の断面図である。 例示的な実施形態による、図4のシャフトに配設される組立式ピストンの断面図である。 図5のシャフト床、シャフト壁、および組立式ピストンの構造の詳細断面図である。 別の例示的な実施形態による、図3の重力液圧エネルギー貯蔵システムのためのシャフトの掘削および掘削ピストンの断面図である。 例示的な実施形態による、図7の掘削ピストンを掘削するためのプロセスの上面図である。 図8の掘削ピストンを掘削するためのプロセスのパノラマ断面図である。 図7の掘削ピストンを掘削するためのさらなるプロセスの断面図である。 図7のピストンの下に掘削されるトンネルの断面図である。 図11Aのトンネルの断面図であり、トンネルに形成されるシャフト床の一部を示す。 図11Aのトンネルの断面図であり、トンネルに形成されるピストンベースの一部を示す。 図11Cのピストンベースおよびシャフト床の一部の詳細断面図である。 図11Aのトンネルの断面図であり、トンネルに取り付けられる保持形態を示す。 図11Aのトンネルの断面図であり、トンネルに形成されているピストンベースの一部を示す。 シャフト床およびピストンベースの一部の形成後に広げられた、図11Aのトンネルの断面図である。 図11Aのトンネルの断面図であり、シャフト床およびピストンベースの第2の部分を示す。 図7のピストンおよびシャフトのベースの断面図である。 図3のエネルギー貯蔵システムで使用されるシールアセンブリマウントおよびシールアセンブリの断面図である。 整備のためにシールアセンブリが取りはずされている、図13のシールアセンブリマウントおよびシールアセンブリの断面図である。 例示的な実施形態による、図13のシールアセンブリのシール段の断面図である。 図15のシール段の一部の正面図である。 図15のシール段のシールキャリアの一部の上面図である。 別の例示的な実施形態による、図15のシールキャリアの部分の上面図である。 軸受へのアクセスを可能にするようにシールキャリアが移動されている、図15のシール段の断面図である。 例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの断面図であり、ピストン受け台を示す。 例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの断面図であり、ピストンガイドを示す。 図21のピストンガイドの詳細断面図である。 別の例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの断面図であり、ピストンガイドを示す。 図23のピストンガイドの上面図である。 例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの断面図であり、いくつかの粒子トラップを示す。 例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの発電室の詳細断面図である。 別の例示的な実施形態による、図3のエネルギー貯蔵システムの発電室の詳細断面図である。
以下の詳細な説明は、本発明の実施形態を実装することの現在想定される最良の形態である。本説明は、限定的意味で捉えられるものではなく、単に本発明の実施形態の一般的原理を例示する目的としてなされるものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって最良に規定される。
本発明の実施形態は、たとえば、「オフピーク」時間(すなわち、エネルギー需要が、「ピーク」時間と比較してあまり大きくない時間帯)の間に発生されるエネルギー、および/または風および太陽などの再生可能源から発生されるエネルギーを貯蔵するために使用することができる、エネルギーを貯蔵するためのシステムおよび方法に関するものである。特定の実施形態において、エネルギーを貯蔵するための方法およびシステムは、地上での動作のために構成される。他の特定の実施形態において、エネルギーを貯蔵するための方法およびシステムは、水環境(たとえば、外洋であるが、それに限定されない)における動作のために構成される。
1つの実施形態によると、「ピーク」時間のエネルギー需要は、オフピーク時間のエネルギー需要よりも約50%高いと考えられる。他の実施形態によると、「ピーク」時間のエネルギー需要は、他の好適なレベル(オフピーク時間のエネルギー需要よりも約100%または200%高いレベルを含むが、それに限定されない)に規定可能である。
本発明の1つの態様は、ピーク時間の間の使用のために、オフピークエネルギーおよび/または再生可能エネルギーを貯蔵することを伴う。このように、本発明の実施形態によると、エネルギー貯蔵システムは、信頼性のある実行可能な電力供給だけではなく、断続生成供給としても役立つ。本発明の特定の実施形態によると、太陽および/または風力源からの出力の相当の部分が、エネルギー貯蔵システムへと指向されてもよく、次いで、たとえば、必要に応じて、そのエネルギーを放出してもよい。
重力液圧貯蔵システム
図2を参照すると、揚水発電の制約を回避し、同時に、同様またはより良好なエネルギー貯蔵性能および経済性を提供する、エネルギーを貯蔵するためのエネルギー貯蔵システム60が示される。エネルギー貯蔵システム60は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる2012年5月1日に本発明者に付与された「System and Method for Storing Energy」という名称の米国特許第8,166,760号明細書に記載される、エネルギーを貯蔵するためのシステムと動作が類似でもよい。エネルギー貯蔵システム60は、風力または太陽光などの源からの、オフピークのまたは再生可能なエネルギーを貯蔵するために利用されてもよい。
エネルギー貯蔵システム60は、流体で満たされる内部容積を有する中空の垂直シャフト64に吊り下げられる大型ピストン62として示される本体を含む。ピストン62はシャフト64の内部容積を、ピストン62より上の第1のすなわち上方チャンバ66と、ピストン62より下の第2のすなわち下方チャンバ68とに分割する。チャンバ66および68は、パイプ管70(たとえば、接続パイプ)によって提供される通路を通して互いに流体連通する。ピストン62がシャフト64内を移動すると、チャンバ66および68の容積が増加および減少し、チャンバ66および68の間の流体を、パイプ管70を通して強制的に流す。例示的な実施形態によると、ピストン62は、同様に形づくられるシャフト64に受けられる円筒体である。他の実施形態において、ピストン62およびシャフトは、別のように形づくられてもよい。シール63は、ピストン62とシャフト64の壁との間に配設される。エネルギー貯蔵システム60は、単一のピストン62およびシャフト64のみ含むように図2に示されるが、他の実施形態において、エネルギー貯蔵システム60は、いくつかのピストンおよびシャフトの列を含んでもよく、チャンバ66および68を接続する複数の通路を含んでもよい。
ポンプタービン72は、パイプ管70を流れる流体がポンプタービン72を回すように、パイプ管70に配設される。ポンプタービン72は、たとえば駆動シャフト76を介して、電気モータ/発生機74に機械的に連結される。エネルギー貯蔵システム60に貯蔵されるエネルギーは、電気モータ/発生機74を駆動するために使用され、モータ/発生機74、駆動シャフト76、およびポンプタービン72の相互接続によってポンプタービン72を回転させる。ポンプタービン72は、流体を上方チャンバ66から下方チャンバ68までパイプ管70を通して強制的に流し、ピストン62の下の下方チャンバ68により高い圧力を発生させる。差圧により、ピストン62はシャフト64の頂部に向けて上方に持ち上げられ、重力位置エネルギーの形態のエネルギーが貯蔵される。貯蔵されるエネルギーは、ピストン62がシャフト64で下降することを可能にすることによる、エネルギー貯蔵システム60からの出力でもよい。ピストンの重量により、流体は下方チャンバ68から上方チャンバ66までパイプ管70を通って強制的に流される。流体はポンプタービン72を通って流れ、ポンプタービン72を回転させる。モータ/発生機74は、モータ/発生機74、駆動シャフト76、およびポンプタービン72の相互接続によって駆動されて、電力を生成する。電力はたとえば電力網78に供給されてもよい。
大規模システム
図3を参照すると、エネルギーを貯蔵するための大規模なエネルギー貯蔵システム100が示される。エネルギー貯蔵システム100は、上記のエネルギー貯蔵システム60と同様に作動し、水などの作動流体で満たされる内部容積を有する深い垂直シャフト104に吊り下げられる大型ピストン102として示される本体を含む。ピストン102は、その高さに沿った比較的一定の周縁と、平滑で硬い外面とを有するように構成される。ピストン102はシャフト104の内部容積を、ピストン102より上の第1のすなわち上方チャンバ106と、ピストン102より下の第2のすなわち下方チャンバ108とに分割する。チャンバ106および108は、通路110を通して互いに流体連通する。通路110は、垂直通路112(たとえば、導水路)を含む。垂直通路112は、上方の交差通路116(たとえば、放水路)を通して上方チャンバ106と連通し、下方の交差通路118を通して下方チャンバ108と連通する。ピストン102がシャフト104内を移動すると、チャンバ106および108の容積が増加および減少し、チャンバ106および108の間の流体を、通路110を通して強制的に流す。他の実施形態において、下方通路108は、通路を通して上方チャンバ106と流体連通しなくてもよい。代わりに、下方通路108は、たとえばシャフト104と近接して設けられる貯水池またはタンクなどの非加圧流体の別の源と流体連通してもよい。
シールアセンブリ130は、ピストン102を囲んで設けられ、ピストン102とシャフト104の壁との間の環状空間105に配設される。シールアセンブリ130は、上方チャンバ106と下方チャンバ108との間のピストン102のまわりの流体の流れを妨げるように構成される。ピストン102の外壁およびシャフト104の壁のうちの一方が取付面を提供し、同時に、もう一方の表面が接触面を提供する。シールアセンブリ130は取付面に連結され、環状空間105全体に延在して、接触面に摺動自在に係合する。シャフト104の壁、ピストン102の外面およびシールアセンブリ130は、高圧または流体の粒子がシャフト104、ピストン102、またはシールアセンブリ130に損傷を与えることを防止し、エネルギー貯蔵システム100の稼働寿命を最大化するように構成される。図3に示される実施形態において、シールアセンブリ130はシャフト104の壁に連結されて、垂直方向に固定され、ピストン102はシールアセンブリ130を通って上下に摺動するように構成される。他の実施形態において、シールアセンブリ130は、ピストン102に取り付けられてもよく、シャフト104の壁に沿って上下に摺動するように構成されてもよい。
ポンプタービン120は、通路110を流れる流体がポンプタービン120を回すように、上方の交差通路116に配設される。ポンプタービン120は、上方の交差通路116を、ポンプタービン120から上方チャンバ106まで延在する第1の部分122と、ポンプタービン120から垂直通路112まで延在する第2の部分123とに分ける。ポンプタービン120は、第1の方向に回転するときはポンプとして、第2の反対方向に回転するときはタービンとして動作するように構成される回転装置である。ポンプタービン120は、たとえば駆動シャフト126を介して、電気モータ/発生機124に機械的に連結される。ポンプタービン120は、ポンプタービン120が電気モータ/発生機124から機械的に分離されることを可能にする、クラッチまたはトルクコンバータなどの中間部材を介して、駆動シャフト126に連結されてもよい。ポンプタービン120、電気モータ/発生機124、および駆動シャフト126のうちの1つまたは複数のものは、地表から地下に広がる発電室128として図3に示される施設に収容されてもよい。
モータ/発生機124は、電力網などの電力の外部源および外部出力先に連結される。エネルギー貯蔵システム100に貯蔵されるエネルギーは、電気モータ/発生機124を駆動するために使用され、モータ/発生機124、駆動シャフト126、およびポンプタービン120の相互接続によってポンプタービン120を回転させる。ポンプタービン120は、流体を上方チャンバ106から下方チャンバ108まで通路110を通して強制的に流し、ピストン102の下の下方チャンバ108により高い圧力を発生させる。差圧により、ピストン102はシャフト104の頂部に向けて上方に持ち上げられ、重力位置エネルギーの形態のエネルギーが貯蔵される。貯蔵されるエネルギーは、ピストン102がシャフト104で下降することを可能にすることによる、エネルギー貯蔵システム100からの出力でもよい。ピストンの重量により、流体は下方チャンバ108から上方チャンバ106まで通路110を通って強制的に流される。流体はポンプタービン120を通って流れ、ポンプタービン120を回転させる。モータ/発生機124は、モータ/発生機124、駆動シャフト126、およびポンプタービン120の相互接続によって駆動されて、電力を生成する。電力はたとえば電力網に供給されてもよい。
ピストン102の比較的大きなサイズおよび垂直移動、ならびに、ピストン102の比較的控えめな速度のための比較的小さい引きずり損失により、かなりのエネルギーをエネルギー貯蔵システム100に貯蔵することを可能にする。1つの例示的な実施形態によると、シャフトは、約30メートルの直径と約500メートルの深さを有し、ピストンは、約250メートルの高さと約174,000立方メートルの容積を有する。ピストン102は、実質的にコンクリートから形成されてもよく、それは約1500kg毎立方メートルの水の中で負の浮力を有し、約14700ニュートンの下方力を提供する。水の中で1000メートルの高度を通して、1立方メートルのコンクリートを降下させることによって放出されるエネルギー(仕事量)は、以下の通りである。
W=力×距離=14,700N×1,000m=14.7メガジュール≒4.1キロワット時
250メートルの高度変化による移動を行う約174,000立方メートルの容積を有するコンクリートのピストンの場合、結果として生じる貯蔵容量は、40メガワット時を超える。
構築
ピストン102およびシャフト104は比較的簡素化された構築技術で構築され、エネルギー貯蔵および発生のための広い電力範囲を提供する。ここで図4を参照すると、シャフト104は、1つの例示的な実施形態により、岩盤に形成されていることが示される。シャフト104は、最初、岩石に穴をあけ、掘削穴に爆発材料を装填することによって形成されてもよい。爆発材料は爆発し、岩石を細かく破壊する。破砕された岩石片は、掘削機140によってコンベヤ142に積まれ、岩石片はシャフト104の外に移される。コンベヤ142は、水平コンベヤ144および垂直コンベヤ146の両方を含んでもよい。岩石片は、コンベヤ142に積む前に、砕岩機でサイズを小さくしてもよい。シャフト104がエネルギー貯蔵システム100の要件に十分な深さに達するまで、掘削プロセスは続けられる。
ここで図5および6を参照すると、ロックボルト150として示される安定化装置が、掘削によって破砕されているまたはそれ以外に弱められていることがある周囲岩石を安定させるために、壁152に埋め込まれてもよい。さらに、ライナ154を壁152に連結し、比較的硬く、平滑な表面を形成してもよい。例示的な実施形態によると、ライナ154は、ワイヤーメッシュ(たとえば、溶接金網)を含む。ライナ154は、シャフト壁上に吹き付けられる充填剤(たとえば、吹付けコンクリート)をさらに含んでもよい。防水シートによって形成される防水層155を、ライナ154と壁152との間に設けて、シャフト壁152へのまたはシャフト壁152からの水の通過を妨げてもよい。他の実施形態において、防水材料はライナ154のフィラー材に加えられてもよく、またはその他の場合、シャフト壁152に適用されてもよい。
ライナ154は、スリップフォームプロセスで形成されてもよい。ライナ154は、シャフト104の底部から開始して、シャフト104の頂部まで及ぶように取り付けられてもよく、必要に応じてライナ154に補強材が含まれてもよい。他の実施形態において、ライナ154は、シャフト104の頂部からシャフト104の底部までシャフトライナ154を取り付けるために、型枠プロセスで形成されてもよい。ライナ154を、比較的硬く、平滑な垂直外面を有するように構成し、シールアセンブリ130がピストン102に連結される場合に、シールアセンブリ130の動作を容易にするのに好適な摺動面を提供するようにしてもよい。ピストン102がシャフト104内を上下に移動すると、シールアセンブリ130がライナ154上で通過するあらゆる点で、流体圧が大きく変動する。ピストン102が上昇すると、シールアセンブリ130の下の高圧により、ライナ154の任意の隙間、細孔、または透過性材料に水が押し込まれる。その後、ピストン102およびシールアセンブリ130がシャフト104内で下降すると、シャフト壁152に隣接する水圧は下がる。ライナ154は、比較的硬く、高圧水が押し込まれる可能性がある空隙がないように構成され、それによって、高圧水がライナ154から排除されるときに生じる可能性があるライナ154への損傷を最小化する。他の実施形態において、シャフト104は、別に形成されるライナを含まなくてもよく、壁152を形成する本来の岩石材料を、比較的硬く、平滑な表面を提供するように処理(たとえば、研磨、被覆、溶封など)してもよい。
床156は、シャフト104の底に設けられる。床156は、ピストン102およびシャフト104内に含有される作動流体によって与えられる圧力に耐えることができるように構成される。例示的な実施形態によると、床156は鉄筋コンクリートおよび/または鋼鉄から形成される。たとえば、床156は、コンクリート層158と、コンクリート層158の頂部に配設される鋼板159とを含んでもよい。コンクリート層158は、コンクリート層158内に与えられる鉄筋またはその他の強化部材または添加剤(たとえば、粒子、繊維など)で補強されてもよい。他の例示的な実施形態によると、床156は、周囲の岩石への作動流体の通過を防止する防水層を含む鉄骨構造でもよい。別の実施形態において、床156は、砂利またはその他のフィラー材を組み込んでもよい。
図5〜6をさらに参照すると、ピストン102は、掘削されたシャフト104の中に構築される。ピストン102は通常、鉄筋コンクリート、鋼、岩石、またはいくつかの同様に高密度で比較的低コストの材料から構築される。ピストン102は、直径はシャフト104より小さく、ピストン102とライナ154との間の環状空間105は、構築および整備作業のためのアクセスが十分可能なだけ大きい。作動流体が水などの液体である場合、ピストン102の垂直移動は、結果的にピストン102の壁上の圧力サイクルになる。ピストン102は、これらの圧力サイクルによるピストン102の劣化が最小化されるような方法で構築される。
ピストンベース160は、ピストン102の底部に設けられる。例示的な実施形態によると、ベース160は鉄筋コンクリートおよび/または鋼鉄から形成される。たとえば、ベース160は、鉄筋コンクリート層162と、コンクリート層162の下で配設される鋼板164とを含んでもよい。鋼板164の底部表面は、エネルギー貯蔵システム100の作動中、作動流体の流入を可能にする通路163を含んでもよい。通路163は、たとえば、鋼板164の底部表面に形成される複数の溝またはチャネルによって形成されてもよい。通路163は、ピストンが床156に下降するとき、作動流体がベース160と床156との間から流出することを可能にし、ピストン102が床156から上昇するとき、作動流体がベース160と床156との間の空間に入ることを可能にする。他の実施形態において、鋼板159は、鋼板164の通路163の代わりに、またはそれに加えて通路を含んでもよい。
ピストン102の側壁は、シャフト104の床156上に設けられる移動可能なスリップフォームによって、ベース160上に形成されてもよい。ピストン102の側壁は、外層166を含む。例示的な実施形態によると、外層166は、金属または合金、たとえば、鋼、ステンレス鋼)あるいは別の耐蝕性の材料の板によって形成される。その板は、スリップフォームの外部の内側に沿って設置されて、溶接作業で互いに連結され、作動流体の通過に耐える一体化した本体が形成させる。ピストン102は長期間、作動流体に浸されて作動するため、外層166は、ピストン102の腐食を妨げるバリアを提供するように構成される。外層166は、外層166の内面167に溶接されるスタッド168として示される、内向きに延在する固定部材を含み、外層166の内層170との接合を容易にしてもよい。
内層170は、外層166の内部に形成され、スタッド168を囲み、外層166に連結される。例示的な実施形態によると、内層170はコンクリート材料から形成される。内層170は、外層166に隣接して取り付けられる鉄筋などの補強材を含んでもよい。
スライド式鋼製シャッターなどのブレース形態は、外層166の内部に設置され、内層170の所望の厚さで外層166から間隔をあけられ、スリップフォームの内側面を提供する。シャッターと外層166との間の空間は、内層170の始まりを形成する所望の深さまでコンクリートで満たされる。コンクリートが十分に硬化すると、スリップフォームは上げられ、距離および外層166の次の増加分(たとえば、追加の鋼薄板)が既存の構造に連結される。シャッターと外層166との間の空間は、コンクリートで再び満たされ、内層170を形成し続ける。このプロセスは、外層166および内層170が所望の高さに達するまで続けられる。
略一定の周縁の移動するスリップフォームで構築されるピストン102は、上記のように、略一定の外周を有するように構成される。スリップフォームの熱膨張によって引き起こされることがあるわずかな変化は、スリップフォーム構築プロセス中の温度変化を最小化することによって最小化することができる。内層170および外層166は、ピストン102がシャフト104内で垂直に移動するとき、シールアセンブリ130がピストン102との接触を維持するために変形しなければならない量を最小化することによってシールアセンブリ130の動作を容易にするために、ピストン102の壁が実質的に垂直であるように形成される。例示的な実施形態によると、内層170および外層166は、ピストン102の側壁が±100mm以内の鉛直度を有するように形成される。好ましい実施形態によると、内層170および外層166は、ピストン102の側壁が±50mm以内の鉛直度を有するように形成される。特に好ましい実施形態によると、その内層170および外層166は、ピストン102の側壁が±25mm以内の鉛直度を有するように形成される。
外層166は、硬く、平滑で、防水の外面を設けるように構成される。薄鋼板の外層166を形成することによって、低粗度の実現が可能であり、それによりシールアセンブリ130の漏れは最小化され、シールアセンブリ130の寿命は最大化される。例示的な実施形態によると、外層166は、0.5μm未満の平均粗さRaを有する材料から形成される。好ましい実施形態によると、外層166は、0.1μm未満の平均粗さRaを有する材料から形成される。他の実施形態において、ピストン102は、外層166を含まなくてもよい。代わりに、ピストン102は、内層170が硬化(たとえば、化学的に硬化)され、硬く、平滑な外面を作成するために研磨されるように形成されてもよい。他の実施形態において、外層166は、比較的硬く、平滑で、防水の外面を提供するように内層170に吹き付けられる、付着される、またはそれ以外に連結される別の材料(たとえば、高分子材料、セラミック、材料、複合材料など)でもよい。シールアセンブリ130がシャフト104の壁に連結される固定部材である場合、そのような比較的硬く、平滑で、防水の外面は好適な摺動面を提供し、シールアセンブリ130の動作を容易にする。
ベース160、外層166、および内層170は、キャビティ172を画定する中空のシェルをともに形成する。キャビティ172は、岩石(たとえば、シャフト104を掘削するときに取り除かれた岩石片)、セメントなどの高密度で、安価なフィラー材174で徐々に満たされる。いくつかの実施形態において、フィラー材174に鉄鉱などの、岩石片より大きい密度を有する材料を含め、ピストン102の密度を高めて、エネルギー貯蔵システム100のエネルギー貯蔵容量を増やしてもよい。
キャビティ172がフィラー材174で満たされた後、ピストン頂部176はベース160の反対側のピストンの端部に連結される。頂部176は防水シール層を提供する。頂部176は、コンクリートによって覆われる防水シートを含んでもよい。いくつかの実施形態において、頂部176は、鋼薄板(たとえば、外層166と同様の鋼薄板)によって形成される外層を含んでもよい。他の実施形態において、頂部は、比較的硬く、平滑で、防水の外面を提供するようにピストン102の頂部に吹き付けられる、付着させる、またはそれ以外に連結される別の材料(たとえば、高分子材料、セラミック、材料、複合材料など)によって形成される外層を含んでもよい。
ピストン102は、シャフト104内のピストン102を垂直方向から傾ける横力を最小化するために均一にバランスがとられるように構築される。フィラー材によるキャビティ172の不平衡な充填を最小化するために、圧力センサまたは歪ゲージなどの測定装置が構築プロセス中に利用されてもよい。たとえば、測定装置をさまざまな位置(たとえば、床156の下、床156の頂部、ピストンベース160の底部、ピストンベース160の頂部など)に取り付けてもよい。測定装置をネットワークに連結して、中心となる位置の分析装置(たとえば、コンピュータ)に測定情報を提供してもよい。測定装置からのデータ(たとえば、圧力読取値、歪読取値など)を分析装置で比較することによって、ピストン102の質量分布を測定することができ、ピストン102の質量のバランスをとるために、より高密度の材料(たとえば、鉄鉱、鉄)の追加、およびより低密度の材料(たとえば、岩石片など)、あるいは開口(たとえば、ピストン102に形成されるシャフトまたはキャビティ)を選択的に増加または減少させることなどによって、調整することができる。たとえば、ピストン102の質量の中心が一方側へオフセットされる場合、反対側のピストン102の頂部に穴を掘削し、取り除かれた岩石より高密度の鉄鉱または鉄などの材料で満たすことができる。あるいは、質量オフセットと同じ側のピストン102の頂部に穴を掘削し、取り除かれた岩石より低密度の材料で再び満たす、または何も満たさないことができる。
代替的な構築
図7〜9を参照すると、掘削プロセスによる別の例示的な実施形態によって構築されているピストン102が示される。掘削プロセスは、後述されるように、上記の製作プロセスと同様のピストン102およびシャフト104の構造を発生させるが、ピストン102は、岩石片およびコンクリートなどの充填材料から形成される芯の代わりに、本来の岩石から形成される芯を有する。
シャフト104は、上記のように地面に開口を掘削することによって形成される。しかし、掘削プロセスはシャフト104の所望の深さの一部のみのために続けられ、次いで停止する。たとえば、シャフト104は、シャフト104の所望の深さとピストン102の所望の高さとの違いに略等しい深さまで掘削されてもよい。1つの例示的な実施形態によると、ピストン102は、シャフト104の深さの約1/2の高さを有し、シャフト104は、上記のプロセスによる所望の最終深さの約1/2の深さまで掘削される。
次いで環状部180を切削するために使用されたその時の第2のプロセスが中央岩石柱182を囲み、ピストン102を形成する。環状部180は、図8〜9に概略的に示される1つまたは複数の掘削機械184によって形成される。掘削機械184は、たとえば、多関節式ブーム上に回転切削ヘッドを有するロードヘッダ機械(たとえば、連続掘削機械)でもよい。他の実施形態において、環状部180は、溝掘機またはドリルおよび爆薬などの別の装置で形成されてもよい。環状部180は、点検および整備のためのアクセスを可能にするのに十分大きい、ピストンとシャフト壁との間の隙間を作成するように形成される。
図8〜9に示されるように、環状部180は、シャフト104の外周に設置される3つの掘削機械184を使用して形成される。それぞれの掘削機械184は、連続的な円形経路に沿って排水溝を切削し、排水溝を徐々により深くする。取り除かれた材料は、掘削機械184の後部に送られる。材料はコンベヤ185に積まれ、コンベヤはシャフト104から外に材料を送る。コンベヤ185は、水平コンベヤ186および垂直コンベヤ188の両方を含んでもよい。例示的な実施形態において、コンベヤ185は、環状部180の周囲で吊り下げられる円形水平コンベヤ186と、環状部180の端部のシャフト189に設けられる垂直コンベヤ188とを含む。シャフト189は、シャフト104および環状部180と同時に掘削されてもよい。取り除かれた材料は、それぞれの掘削機械184によって水平コンベヤ186上に置かれ、垂直コンベヤ188に送られて、環状部180およびシャフト104から取り除かれる。環状部180がピストン102のための所望の高さを岩石柱182が有するのに十分な深さに達するまで、環状部180を形成する掘削プロセスは続けられる。
前述のとおり、環状部180が形成されてくると、シャフト壁152は、ロックボルト150およびライナ154で徐々に安定させることができる。ライナ154はスリップフォームプロセスで形成されてもよく、または吹付けコンクリート吹付けプロセスで形成されてもよい。同様に、岩石柱182を徐々に安定させることができる。
ここで図10〜11Gを参照すると、岩石柱182を周囲岩石183から切り離し、岩石柱182のベースによってキャビティ190を形成することによって、ピストン102を形成し、キャビティ190は、環状部180へと外方へ延在する。図11Aを参照すると、キャビティ190は、最初に岩石柱182の幅方向に水平トンネル192を形成して、いずれかの側で環状部180から延在することで形成される。トンネル192は、ロードヘッダ、爆破掘削、または任意のその他の従来の採鉱技術を使用して掘削することができ、取り除かれた材料は、上記のように、コンベヤシステム142によってトンネル192から取り除かれる。例示的な実施形態によると、トンネル192は、約3〜4メートルの、すなわち岩石柱182の全直径の約15%未満の幅を有する。したがって、岩石柱182は、本来の岩石に実質的に支持されたままである。トンネル192は、シャフト104の床156およびピストン102のベース160の製作を考慮した高さを有する。
図11Bを参照すると、トンネル192の天井194は、天井194に打ち込まれるロックボルト196などの安定化装置によって安定させることができる。トンネル192の一方側に沿って、コンクリート層162の一部を形成するコンクリートストリップ198が取り付けられる。コンクリートストリップ198は、トンネル192の幅より小さい幅を有し、トンネル192内で作業する作業者のために十分な間隙を提供する。コンクリートストリップ198は、たとえばコンクリートストリップ198内に設けられる鉄筋またはその他の強化部材または添加剤(たとえば、粒子、繊維など)で補強されてもよい。鋼板159の一部を形成する鋼板199は、コンクリートストリップ198の上面に配設される。鋼板199は、たとえばスタッド、ボルト、接着剤などでコンクリートストリップ198に連結されてもよい。あわせて、コンクリートストリップ198および鋼板199は、トンネル192の長さ方向に沿って延在し、シャフト104の床156の一部を形成する。コンクリート198および鋼板199はセクションに取り付けられてもよく、各セクションは、トンネル192の全長の一部である長さを有する。
図11C〜Dを参照すると、別の鋼板200は鋼板199の頂部に配設され、鋼板164の一部を形成する。鋼板200の底部表面は、エネルギー貯蔵システム100の作動中、作動流体の流入を可能にする通路163を含んでもよい。鉄筋204は、鋼板200とトンネル192の天井194との間に取り付けられる。
図11Eを参照すると、保持形態206は、コンクリート198および鋼板199に当接するように鉄筋204のそばに取り付けられ、トンネル192の天井194と床195との間で延在する。保持形態206は、トンネル192の全長に沿って延在してもよく、またはトンネル192の一部のみに沿って延在してもよく、その場合、保持形態206は、鋼板200と天井194との間でトンネル192にわたって延在する先端部を含んでもよい。
図11Fを参照すると、トンネル192の鋼板200、天井194、保持形態206、および壁197の間の空間を完全に満たすために、コンクリートが打設される。あわせて、コンクリートストリップ202および鋼板200は、トンネル192に沿って延在し、ピストン102のベース160の一部を形成する。コンクリートストリップ202および鋼板200がセクションに取り付けられてもよく、各セクションはトンネル192の全長の一部である長さを有する。セクションで形成される場合、鉄筋204は、鉄筋204がコンクリートストリップ202の複数のセクションを貫通するように、保持形態206を越えて延在するように構成されてもよい。
コンクリートストリップ198および202、ならびに鋼板199および200の形成中、圧力センサまたは歪ゲージなどの測定装置を、さまざまな位置(たとえば、鋼板199の下、鋼板199の頂部、鋼板200の底部、鋼板200の頂部など)に取り付けてもよい。
図11G〜11Hを参照すると、コンクリートストリップ198および202、ならびに鋼板199および200がトンネル192に取り付けられた後、トンネル192は広げられる。上記の手順は、コンクリートストリップ198および202、ならびに鋼板199および200の別のセットを取り付けるために繰り返され、すでに取り付けられた構造に当接する。溶接作業またはメカニカルファスナーで、隣接する鋼板199および/または隣接する鋼板200を互いに連結してもよい。手順は、岩石柱182のベースが周囲の岩石から完全に切り離され、ピストン102の芯を形成するまで、最初のトンネル192の両側で繰り返される。コンクリートストリップ198および202、ならびに鋼板199および200は、床195からトンネル192の天井194まで延在する構造を形成する。したがって、岩石柱182は、手順の間、開口したトンネル192の比較的細い幅を除いて、下から絶えず支持され、トンネル192の崩落またはピストン102のクラックの形成の確率を最小化する。
ここで図12を参照すると、岩石柱182が周囲岩石から切り離されて安定し、シャフト床156およびピストンベース160が構築された後、外層166が環状部180における岩石柱182の円筒状側面上に形成される。安定化層171は、たとえば、岩石柱182上に吹き付けられる吹付けコンクリートでもよい。鉄筋207の一部分として示される補強材は、岩石柱182のベースのまわりで環状部180に取り付けられる。外層166は、ピストン102の全高より低い高さおよびピストン102の全周より小さい幅を有するセクションで形成されてもよい。例示的な実施形態によると、外層166は、約2〜4メートルの高さを有する複数のセクションで形成される。外層166を形成するバッキングスタッド168を有する鋼薄板は、鉄筋207の外に設置され、内層170の所望の厚さによって岩石柱182から切り離される。ブレース形態208は外層166のまわりで組み立てられ、ピストン102が所望の周縁および輪郭を有するように外層166を配置する。次いで安定化層171と外層166との間の空間にコンクリートが打設され、鉄筋204を囲んで内層170のセクションを形成する。次いで手順は、内層170および外層166が所望の高さ(たとえば、岩石柱182の頂部)に形成されるまで、第1の部分に隣接する内層170および外層166の次のセクションを作成するために繰り返される。上記のように、他の実施形態において、ピストン102は、外層166を含まなくてもよく、内層170の外面を硬化させて研磨して、ピストン102の十分に硬く、平滑な外面を提供してもよく、または内層170を別の材料で被覆してもよい。内層170および外層166のセグメントごとに同じブレース形態を使用することにより、ピストン102は、その高さに沿って一定の周縁および輪郭を有するように形成される。
ピストン頂部176は、内層170および外層166が所望の高さに形成された後、ベース160の反対側の岩石柱182の端部に連結される。頂部176は、防水シール層を提供する。
シールアセンブリ
ここで図13〜17を参照すると、例示的な実施形態による、エネルギー貯蔵システム100のためのシールアセンブリ130が示される。シールアセンブリ130は、上方チャンバ106と下方チャンバ108との間で、シャフト104内部のピストン102を通り過ぎる過度の流体漏れを防止するように構成される。シールアセンブリ130は、ピストン102とシャフト104の壁152に連結されるライナ154との間の隙間に配設される。例示的な実施形態によると、シールアセンブリ130は、ライナ154に固定されるシールアセンブリマウント210によって、ライナ154に連結される。シールアセンブリ130は、ピストン102の外面214に摺動自在に係合する複数のシール212を含む。外面214は、平滑で硬い表面(たとえば、外層166または内層170の硬化された外面)であるように構成され、シール212に対する摩耗を減少させ、シールアセンブリ130を通り過ぎる流体の漏れを減少させる。
例示的な実施形態によると、エネルギー貯蔵システム100は、数十〜何千メガワット時以上の電力に相当するエネルギーを貯蔵するように、かつ、数百メガワット以上に及ぶ電力レベルを収容するように構成されてもよい。エネルギー貯蔵システム100は、高い流体圧を発生させる大型ピストン102を含んでもよい。たとえば、エネルギー貯蔵システム100が250メートルの高さおよび2500kg毎立方メートルの密度を有するピストン102を含み、作動流体が水である場合、作動圧は、3.7MPa(≒540psi)である(すなわち、シールアセンブリ130直下の圧力は、シールアセンブリ130直上の水圧より3.7MPa高い)。他の実施形態において、作動圧は、ピストン102のサイズおよび密度に応じて、1MPa(145psi)未満から10MPa(1450psi)超の範囲にわたってもよい。
シールアセンブリマウント210は、ピストン102が最も低い位置にある(すなわち、シャフト104の床156上に静止している)ときのピストン102の頂部と略等しい高さのライナ154上に設けられる。シールアセンブリマウント210は、それは、マウント210の下の高圧作動流体とマウント210より上の低圧流体との間の大きな差圧に耐えることができるように構築される。シールアセンブリマウント210は、たとえば、鋼構造物として、あるいは、鋼鉄カバーまたはシェルを有する鉄筋コンクリート構造物として構築されてもよい。1つの実施形態において、シールアセンブリマウント210は、略台形の断面、シャフト104の壁に連結される外面216、截頭円錐上面217、内面218、および截頭円錐下面219を有する環状の部材である。他の実施形態において、シールアセンブリマウント210は、それ以外に形づくられてもよい。たとえば、上面217および/または下面219は、シャフト床156に略平行の水平表面でもよく、または曲面でもよい。例示的な実施形態によると、シールアセンブリマウント210は、壁152および/またはライナ154にロックボルトなどで恒久的に固定されるように形成される。他の実施形態において、シールアセンブリマウント210は、取りはずし可能な構造でもよい。
シールアセンブリマウント210は、内面218が比較的細い隙間215によってピストン102の外面214から切り離されるように内向きに延在する。例示的な実施形態によると、隙間215は、ピストン102の全周にわたって、約20センチメートル(8インチ)の一定の幅を有する。
図13を参照すると、シールアセンブリ130は、隙間215でシールアセンブリマウント210の内面218に連結される。シールアセンブリ130は、シール212が取り付けられる取付リング220を含む。例示的な実施形態によると、取付リング220は、バッキング板225に連結されるシール段226によって構築される。例示的な実施形態によると、シールアセンブリ130は、垂直に配置される3つのシール段226を含むように構成される。他の実施形態において、シールアセンブリ130は、3つより少ないシール段226、または3つより多い段226を含んでもよい。
シールアセンブリ130は、シールアセンブリマウント210の下面219に連結される内向きに延在するブラケット228によって支持される。シールアセンブリ130は、係止板222および係止ピン224によって、シールアセンブリマウント210に対する所定の位置に係止される。係止板222は、シールアセンブリマウント210でスロット227に係合し、シールアセンブリマウント210に対するシールアセンブリ130の上方移動を防止し、ブラケット228に抵抗してシールアセンブリ130を止める。係止板222は、複数の円弧セクションに分けられる。
図14を参照すると、シールアセンブリ130は、係止ピン224を取りはずすことによって、シールアセンブリマウント210から取りはずすことができる。係止ピン224を取りはずすことによって、係止板222の部分は、スロット227から内向きに摺動させることができる。次いでシールアセンブリ130を上に移動させることができる(たとえば、天井クレーン機構で吊り上げる)。このようにして、作動流体が液体である場合、シャフト104から作動流体をくみ出すことなく、シールアセンブリ130にアクセスして、シール212を調査、交換することができ、エネルギー貯蔵システム100の整備の難しさおよび費用を大いに削減することができる。
図15〜18を参照すると、単一のシール段226が、作動流体の高圧に耐えるように設計された鋼鉄チャネル230内部に組み立てられていることが示される。鋼鉄チャネル230は、垂直ウェブ232、上方環状フランジ234、および下方環状フランジ236によって形成されるC字型断面を有する。補強材238(たとえば、フィン、ガセットプレート、ブレースなど)が、チャネル230の強度および剛性を増やすために設けられてもよい。
シール212は、シールキャリア240に連結される。図17の上面図を参照すると、シールキャリア240は、鋼鉄などの強く、弾性のある材料から形成される連続的なリングとして形成されてもよい。図18の代替的な実施形態の上面図を参照すると、シールキャリア244は、ピストン120の周縁の変化に対応するために伸び縮みする能力を増加させる波形を有する連続的なリングでもよい。シールキャリア240は、シール212および接触パッド246を受ける空間を含む。シール212は、合成ポリマー(たとえば、ポリウレタン、ポリブタジエンなど)などの弾性材料から形成され、それはピストン102に対して圧縮し、外面214に従わせることが可能であり、シールアセンブリ130とピストン102との間の作動流体の通路に対するシールを作成する。例示的な実施形態によると、シール212は、直径が数十または数百メートルにさえなる連続的なリングに溶接または接着される範囲とすることができるセグメントで形成されてもよい(たとえば、機械加工、鋳造、押し出しなど)。接触パッド246は、圧縮に抵抗する超高分子ポリエチレンまたはVesconiteなどの強く、低摩擦の材料から形成される。接触パッド246は、シール212より上および/または下に配設され、ボルト締めまたはそれ以外の方法でシールキャリア240に取り付けられ、シールキャリア240ピストン102の間の接触を防止するように構成される。シール212および接触パッド246は、ピストン102の外層166などの鋼鉄表面上で摺動するとき、またはピストン102の内層170などの平滑なコンクリート表面上で摺動するときに、低摩擦係数を有するように構成される。シールアセンブリ130がピストン102の表面の高くなった不連続部(たとえば、リッジ、バンプ、うねりなど)に直面した場合、比較的硬い接触パッド246が、シールキャリア240を不連続部の領域の外側に局所的に移動させ、比較的軟かいシール212を剪断作用から保護する。
軸受面250は、シールキャリア240の上辺沿って設けられる。エネルギー貯蔵システム100の作動中、下方チャンバ108の高圧流体は、シールキャリア240の底部への上向き力、およびシールキャリア240の外面への内向き力を加え、シールキャリア240を、軸受面250に対して上向き、そしてピストン102に対して内向きに押しやる。軸受面250は、上部フランジ234の下面に取り付けられる軸受シール252および軸受構造254に接触する。軸受シール252および軸受構造254はそれぞれ、シール212および鋼鉄チャネル230と材料および構築について同様でもよい。軸受面250は、シールキャリア240が上部フランジ234に対して半径方向に摺動することを可能にし、同時に、チャネル230とシールキャリア240との間の流体の通過を防止する。軸受面250は、シールアセンブリ130によって提供されるシールの完全性を危うくすることなく、シールキャリア240がピストン表面214の鉛直性における任意の変化に従うことを可能にする。例示的な実施形態によると、シールキャリア240は、半径方向に+/−25mm移動させることができるように構成される。
作動中、シール212は、シールアセンブリ130の下の下方チャンバ108の作動流体の圧力のために、半径方向内向きに広がり、シールキャリア240とピストン102との間の隙間をきつくふさぎ、流体を通り過ぎて漏れることを防止する。シールキャリア240は、シールキャリア240に沿った領域258に圧力が作用することによって、ピストン102の方へ方へ押しつけられる。領域258は、シール212の中央から上方の接触パッド246の底部まで、概略から延在する。領域258に作用する圧力の大部分は、接触パッド246によって吸収される。鋼鉄表面上で摺動するとき、接触パッド246およびシール212は低摩擦係数を有するため、シールアセンブリ130は、シール212のための低い摩擦、優れたシーリング、および長寿命を提供する。
鋼の弾性係数は、上記のようなピストンの構築(たとえば、製作手順または掘削手順)から生じるピストン102の周縁における任意の小さい変化に従うのに十分大きなパーセンテージによって、シールキャリア240が伸縮することを可能にする。たとえば、500メガパスカルの降伏強さおよび180ギガパスカルの弾性係数を有するステンレス鋼の場合、最大歪は以下の通りである。
歪=500MPa/180GPa=2.8×10−3=0.28%
ステンレス鋼から形成され、96フィート(30メートル)の直径を有するシールキャリア240の場合、シールキャリア240の周縁の最大歪は、以下の通りである。
.0028×π×96=0.84フィート(26センチメートル)
1200メガパスカルの降伏強さおよび210ギガパスカルの弾性係数を有する高強度鋼の場合、最大歪は以下の通りである。
歪=1200MPa/210GPa=0.57%
そのような高張力鋼から形成され、30メートルの直径を有するシールキャリア240の場合、シール周縁の最大伸びは、54センチメートルである。上記のピストン構築手順を使用する場合、0.28%のシールキャリアの伸びは一般に、十分過ぎるものである。しかし、0.57%の伸びでさえ不十分であるシステムにおいて、波形を有するシールキャリア244の構築は、シールキャリア240が拡張または収縮できる量を増やすことができる。半径方向のさらなる拡張または収縮はシール212によって提供され、それは鋼材料より低い弾性係数および非常に高い弾性限界を有するために、何度もシールキャリア240の周囲の拡張が可能である。
作動流体の高圧を受けるため、ピストン102の周縁がシールキャリア240の弛緩した周縁より小さい場合、シールキャリア240は圧縮することも可能である。シールキャリア240が座屈する可能性を避けるため、シールキャリア240は、少なくともピストン102の最小の周縁と同じくらい小さい弛緩した周縁を有するように構成される。
整備中、シールアセンブリ130がシールアセンブリマウント210から上に、そして作動流体から表面まで吊り上げられた後、軸受シール252へのアクセスを改善するために、シールキャリア240を移動させることができる。シールキャリア240の垂直移動は、チャネル230の垂直ウェブ232を係合する、図15および19に保持ピン256として示される部材で制限される。保持ピン256を取りはずすことによって、シールキャリア240は、図19に示されるように、チャネル230の底部まで降ろすことができる。チャネル230の底部までシールキャリア240を降ろすことによって、点検および修理のために軸受面250および軸受シール252にアクセスすることができる。
代替的な実施形態において、シールアセンブリマウント210は、ピストン102上に取り付けられてもよく、シールアセンブリマウント210の外面216が隙間によってライナ154から切り離されるように外側に延在する。シールアセンブリ130は外面216に連結され、シール212がライナ154に押しつけられるように隙間に延在する。本実施形態において、ライナ154は、平滑で、硬く、防水の表面を提供するように構成され、効果的なシールの形成を可能にし、圧力スイングからの損傷を防止する。
上記のようなシールアセンブリ130は、エネルギー貯蔵システム100の破局故障の確率を減少させ、それらにおいては、ピストン102とシャフト104の壁との間の流体の妨害のない流れは、ピストン102を制御されていない状態で、流体力学的抗力によってのみ制限されるその速度で落下させることを可能にする。シールアセンブリ130は、シール段226のそれぞれがエネルギー貯蔵システム100の完全作動圧力に対応できるように構成することができる。個々のシール段226のうちの1つが故障した場合、シール段226のうちの少なくとも1つが完全な状態である限り、シールアセンブリ130は作動し続けるであろう。シール段226のすべてが故障した場合、シールアセンブリ130の強固な構造、およびピストン102とシールアセンブリマウント210と間の比較的細い隙間215が、流体流れを制限して、落下するピストン102の速度を制限する。
ピストン受け台
ここで図20を参照すると、ピストン受け台260が、シャフト104の下部分に配設されて示される。ピストン受け台260は、ピストンとシャフト壁との間の隙間を徐々に細め、流体の流れを収縮させる。ピストン102がシャフト104の床156に接近すると、ピストン102とシャフト104の壁との間の隙間が減少し、ピストン102のまわりの下方チャンバ108から上方チャンバ106への作動流体の流動速度を減少させる。流動速度の減少により、ピストン102の下の下方チャンバ108の圧力は増加し、ピストン102の下降を遅らせるためのクッションを提供する。したがって、ピストン受け台260は、シールアセンブリ130がピストン102の上昇により故障した場合にピストン102の下降を遅らせるための機構を提供する。
例示的な実施形態において、ピストン受け台260は、鉄筋コンクリートおよび鋼鉄構造である。ピストン受け台260の外面は、ステンレス鋼などの耐久性のある材料であり、作動流体への長期間の曝露または高圧流れからの浸食による劣化を防止する。ピストン受け台260は、ピストン102の下部分を受けるように構成される中央ソケット263を画定する内面261を含み、ピストン102の直径より最小限に大きい直径を有する。ピストン受け台260は、シャフト104の名目上の内径(たとえば、ライナ154の内径)からソケット263の直径までの、ピストンを受ける空間の直径を縮小させる截頭円錐上面262をさらに含む。
また、ピストン受け台260は、突然、通路110を通る流体が制限なく流れることを可能にする通路110の(たとえば、弁、またはポンプタービン120などの機構の)故障に対する防護も提供する。ピストン102がシャフト床156に接近すると、ピストンは下方交差通路118への流れをブロックし始め、実質的にゲート弁の役割を果たす。ピストン受け台260は、小さい空間264が下方交差通路118への開口部266とピストン102との間に残り、ピストン102が完全に下降したときでも、下方交差通路118との間の流体の小さい流動速度を可能にするように構成され、通常作動の間、ピストン102の上下を可能にする。
下方交差通路118への開口部266の形状は、ピストン102が下降すると通路110への流動速度が滑らかに減少するように構成することができ、制御された方法でピストン102の加速を減少させ、ピストン102とシャフト床156との間の衝撃の力を最小化する。たとえば、円形の代わりに、開口部266は、垂直スロットまたはV字形として構成されてもよい。開口部266の表面は、ステンレス鋼などの耐久性のある材料であるように構成され、作動流体への長期間の曝露または高圧流れからの浸食による劣化を防止する。下方の交差通路118およびピストン受け台260の構造は十分に強く、ピストン下降時に発生する圧力の任意の増加に耐える。他の実施形態において、下方交差通路118は、開口部266がピストン受け台260より上に配設されるように設置することができる。
ピストンガイド
ここで図21〜22を参照すると、ピストンガイド270として示される位置合せ部材は、ピストン102とシャフト104の壁との間の空間に高度差をつけて設けられる。ピストンガイド270は、ピストン102の傾きまたは側方移動を抑制し、ピストン102の垂直の向き、およびシャフト104の中央位置を維持する。シャフト104内のピストン102の位置を調整することによって、ピストンガイド270は、ピストン102とシャフト104の壁との間のミスアラインメントまたは接触によって引き起こされる摩擦による、シールアセンブリ130、ライナ154、またはピストン102の損傷、およびシステム効率の減少を防止する。ピストンガイド270は、ピストン102がシャフト104の中央に位置することを維持し、シールアセンブリ130の故障の場合にさえ制御されていない落下を防止するように構成され、それによって、破局故障の可能性を減少させ、エネルギー貯蔵システム100の運用上の柔軟性を増加させる。
例示的な実施形態によると、ピストンガイド270は、屈曲ストラット272を含む。ストラット272の端部は、ライナ154上に設けられるポケット274で受けられる。ピストンガイド270は、ピストン102の周縁で互いの隣に配置される複数のストラット272を含んでもよい。ストラット272は、作動流体に浸されるときの腐食に耐える、炭素繊維複合材料、あるいは金属または金属合金(たとえば、ステンレス鋼)などの強い弾性材料から形成することができる。
ストラット272は、ピストン102に対するシャフト104の壁の間の隙間にわたって内向きに延在し、自由な内側端部は支持板276に連結され、支持板は接触パッド278を支持する。ストラット272は、ピストン102の側面に対して、支持板276および接触パッド278を押圧し、ピストン102の外面214に沿って摺動する。支持板276および接触パッド278はどちらも、ピストン102の湾曲に一致するように湾曲している(図24参照)。接触パッド278は、圧力の任意の予想されるレベルに耐えるだけ十分に高い圧縮強さを有する、超高分子ポリエチレンまたはVesconiteなどの低摩擦材料から形成される。支持板276は、金属または合金(たとえば、ステンレス鋼)などの剛性材料から形成される。
ストラット272は、ピストン102がシャフト104の中心にとどまる限り最小の力が加えられるように、ピストン102の側面に対して、支持板276および接触パッド278を押圧する。ピストン102がガイド270の方向にその中心位置から離れる場合、ストラット272は曲がって、接触パッド278によってピストン102に加えられる接触圧は増加し、ピストン102をシャフト104の中心に押し戻す。
接触パッド278は、低圧で大きい力の能力を提供するのに十分大きい表面積を有する。たとえば、1つの実施形態において、接触パッドは、100インチの幅および100インチの高さを有してもよく、したがって、10ポンド毎平方インチのみの加えられる接触圧で、100,000ポンド(>45,000kgf)のセンタリング力を提供することができる。ピストンの傾きが非常に大きくなる前に加えられる場合、そのような力は、垂直に近い非常に大型のピストンさえ保持するのに十分以上であり、したがって、さらにより大きな横力の必要性を回避できる。いくつかの実施形態において、ピストンガイド270は、1つまたは複数の測定装置279(たとえば、圧力センサ、歪ゲージなど)を含んでもよい。測定装置279は、ピストン102の側方移動を検出するために、支持板276上またはストラット272上に配設されてもよい。測定装置279は遠隔で監視することができ、エネルギー貯蔵システム100の正しい動作を検証し、任意の構造的故障が深刻な損傷を引き起こす前の是正処置を可能にする。
ストラット272、支持板276、および接触パッド278は、整備または交換のため、および上記のようにシールアセンブリ130を取りはずすことができるようにピストン102とシャフト104の壁との間の隙間をあけるために、ユニットとしてポケット274から取りはずす(たとえば、天井クレーン機構で吊り上げる)ことができる。ピストンガイド270は、エネルギー貯蔵システム100から作動流体を除去することなく取りはずすことができる。
ここで図23〜24を参照すると、別の例示的な実施形態によるピストンガイド270が示される。ストラット272の代わりに、ピストンガイド270はハイドロリックピストン271を含む。ハイドロリックピストン271は、ライナ154上に配設される板273に連結され、ピストン102に対するシャフト104の壁の間の隙間にわたって内向きに延在する。自由な内側端部は、旋回接続部275で支持板276に連結される。ハイドロリックピストン271は、ピストン102の側面に対して、支持板276および接触パッド278を押圧する。旋回接続部275は、ピストンが中心位置から離れる場合に、支持板276および接触パッド278がピストン102との接触を維持することを可能にする。ピストン102がガイド270の方向にその中心位置から離れる場合、ハイドロリックピストン271は圧縮され、接触パッド278によってピストン102に加えられる接触圧は増加し、ピストン102をシャフト104の中心に押し戻す。他の実施形態において、ハイドロリックピストン271は、空圧ピストンまたはばね装置(たとえば、コイルばね)などの別の好適な機構に置き換えられてもよい。図24を参照すると、ピストンガイド270は、ピストン102の一部の周縁まわりの半径方向に配置される複数のハイドロリックピストン271を含んでもよい。ハイドロリックピストンの圧力は、シャフトの中心の方へピストンを押し戻すために、ポンプ(図示せず)によって増加させることができ、またはピストン102と接触パッド278との間で摩擦を最小化するために減少させることができる。
粒子トラップ
ここで図25を参照すると、エネルギー貯蔵システム100が、1つまたは複数の粒子トラップ280を含むことが示される。エネルギー貯蔵システム100の構築からとどまっている、またはピストン102またはシャフト104の壁の劣化によって発生する粒子は、エネルギー貯蔵システム100の中を流れ、ポンプタービン72およびシールアセンブリ130などの構成部品に摩耗損傷を引き起こす可能性がある。前記の構築方法は、シャフト104またはピストン102の壁からそのような粒子が放出されることを最小化するように構成される。しかし、摩耗粒子は、さらにピストン102およびシャフト104の構築の結果として生じることがあり、またはエネルギー貯蔵システムを満たすために使用される作動流体などのその他の源からエネルギー貯蔵システム100にもたらされることがある。粒子トラップ280は、摩耗粒子がエネルギー貯蔵システム100の中を自由に流れて、構成部品に損傷を与えることを防止するように構成される。
粒子トラップ280は、粒子が収集領域に沈殿することを可能にする垂直通路などの構造に設けられ、同時に、作動流体の乱気流が、粒子トラップ280からエネルギー貯蔵システム100のその他の領域に粒子を運ぶことを防止する。粒子トラップは、たとえば、ピストン102の頂部、シールアセンブリマウント210の頂部、シャフト床156、および垂直通路112の底部端部に設けられてもよい。エネルギー貯蔵システム100の作動中、作動流体の摩耗粒子は、粒子トラップ280のうちの1つに沈殿し、エネルギー貯蔵システム100の整備時に取りはずされるまで、粒子トラップ280の中のままの傾向があるであろう。
発電
ここで図26を参照すると、発電室128がさらに詳細に示される。主弁282は、ポンプタービン120と垂直通路112との間の上方交差通路116の第2の部分123に配設される。例示的な実施形態によると、主弁282は、水力発電システムで一般に使用される弁と同様の球状弁である。第2の弁284は、上方交差通路116の開口部の下の、垂直通路112に配設される。例示的な実施形態によると、第2の弁284はゲート弁である。第2の弁284は、垂直通路112を閉じることができ、垂直通路112または発電室128の整備を可能にするためにシャフト104からの流体流れを防止し、たとえば、または垂直通路112の上方部分の漏れ口から作動流体が流出することを防止する。上方交差通路116への接続より上の垂直通路の頂端部は、空気を含んでもよく、そして、サージチャンバ286を形成してもよい。サージチャンバ286の空気は、作動流体の圧力の急激な変化に応じてクッションを提供し、ウォーターハンマーを軽減する。主弁282またはポンプタービン120の損傷または不具合の場合には、垂直通路112からシャフト104への追加の流体通路(図示せず)が設けられてもよい。追加の流体通路は、作動流体が発電室128を迂回することを可能にし、ピストン102を下降させ、作動流体の圧力を軽減する。
ここで図27を参照すると、別の実施形態において、エネルギー貯蔵システム100は、液圧短回路電力システム290を含んでもよい。ポンプタービンの代わりに、液圧短回路電力システム290は、別個のポンプ292およびタービン294(たとえば、ペルトンタービン)を含む。ポンプ292およびタービン294はそれぞれ、駆動軸293および295によって、一般的なモータ/発生機296に連結される。ポンプ292は、上方交差通路112に配設される。タービン294は、垂直通路112と流体連通する第3の通路297に配設され、シャフト104に流れ込む出口299を有する。タービン294は、シャフト104の作動流体のレベルより上に設置される。弁298(たとえば、球状弁)は、タービン294と垂直通路112との間の第3の通路297に配設される。
ポンプ292は、高い出力要件(たとえば、約300メガワット)を有してもよく、この電力レベルでエネルギー貯蔵システム100に電力を貯蔵することのみ可能でもよい。タービン294は対照的に、0から全出力まで実質的にすべての範囲にわたるエネルギー貯蔵システム100からの出力電力を提供することが可能でもよい。液圧短回路電力システム290は、ポンプ292およびタービン294を同時に作動させることによってポンプ能力限界に打ち勝つことができる。ポンプ292は、全出力で作動させてもよく、一方、ポンプ292による高圧水出力の一部は、弁298を部分的に開けることによって、タービン294に流され、ポンプ292で必要な電力の一部を発生させる。
タービン294がシャフト104の作動流体レベルより上に設置されるため、タービン294がシャフト104の作動流体レベルより下に設置される場合に必要とされる、圧力ハウジングまたは加圧されたタービンチャンバを必要とせずに、出口299からの作動流体はシャフト104に自由に流れ込むことができる。シャフト104の作動流体レベルより上にタービン294を設置することにより、タービン294が地表面より上になってもよく、タービン294の設置および整備を容易にする。
したがって、液圧短回路電力システム290は、単にタービン電力を変えることによって、完全ポンプ能力から0ポンプ能力まで滑らかに、そして迅速に変化させることができる。これにより、グリッドシステムにおけるエネルギー貯蔵システム100の有用性は増加し、風および太陽などの可変電源は、貯蔵または発生させなければならない電力の量を迅速に変えることができる。
上記のエネルギー貯蔵システムは作動流体として水を使用するように一般的に記載されるが、他の実施形態において、別の流体が使用されてもよい。たとえば、流体は別の液体でもよく、または空気でもよく、いくつかのその他のガスは、水の所定の位置で使用される可能性がある。ガスが作動流体として使用される場合、ポンプタービンは、コンプレッサタービンに置き換えられてもよい。圧縮ガスが水の代わりに作動流体として使用される場合、所定のシャフトおよびピストンで貯蔵することができるエネルギーの量はさらに大きく、それはエネルギーがピストンを持ち上げることおよびガスを圧縮することによって貯蔵されるためである。
本発明の実施形態は、信頼性のある、実行可能な電力供給として役立つエネルギー貯蔵システムを対象とする。特定の実施形態では、システムは、太陽熱収集器および風力タービンによって収集されるものなど、再生可能源によって生成されるエネルギーを利用してもよい。本発明の実施形態によると、太陽および/または風力源からの出力の相当の割合が、大規模エネルギー貯蔵ユニット内へと指向され、次いで、後に(たとえば、必要に応じて)そのエネルギーを放出してもよい。
上述のある実施形態は、「オフピーク時」のエネルギーが、その後の「ピーク時」の使用のために貯蔵されるシステムを対象とするが、また、本発明の実施形態は、周波数調整、すなわち、エネルギー発生の調整のためのシステムも対象とする。そのようなシステムでは、発生されるエネルギーのレベルと、要求されるエネルギーのレベルとの間の差異は、そのような差異を縮小または最小限にするように均衡化される。そのような実施形態によると、ピストン(たとえば、図3のピストン102と類似するピストン)が進行し得る経路は、好適な垂直長(たとえば、約200メートル以上の長さを含むが、それに限定されない)を有してもよい。特定の実施形態では、経路の垂直長は、約200メートル〜400メートルである。
本発明のある実施形態の上述の説明は、例示および説明の目的のために提示されたものである。排他的または開示される正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上述の教示に照らして、多くの修正形態および変形形態が可能である。したがって、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付の請求項によって限定されるものであることが意図される。

Claims (17)

  1. 本体と、
    流体を含有するための内部容積を画定する壁を有する中空シャフトであって、前記本体が、前記中空シャフトの前記内部容積内での第1の高度位置から第2の高度位置への重力による移動のために、前記中空シャフトの前記内部容積内に配設される、中空シャフトと、
    前記本体と前記中空シャフトの前記壁との間に配設されるシール部材であって、取付面に連結され、かつ摺動自在に接触面に係合し、前記内部容積を前記本体の垂直下方に位置する第1の部分と前記本体の垂直上方に位置する第2の部分とに分割する、シール部材と、
    前記中空シャフトの前記内部空間の前記第1の部分と流体連通するための、前記中空シャフトと流体連通する流体通路と、
    電気エネルギーモータ/発生機であって、前記流体通路に動作可能に連結され、前記電気エネルギーモータ/発生機を駆動し、前記第1の高度位置から前記第2の高度位置への重力による前記本体の移動時に電気を発生させる、電気エネルギーモータ/発生機と
    を備え
    前記中空シャフトの前記壁が前記取付面を備え、および前記本体の外周面が前記接触面を備え、前記本体が前記第1の位置と前記第2の位置との間を移動するとき、前記シール部材が絶えず前記本体に係合し、
    前記シール部材がシールキャリアに取り付けられ、前記シールキャリアが、前記第1の位置と前記第2の位置との間の前記本体の前記動きに対して横方向に移動することができるように前記取付面に連結され、前記シールキャリアが、拡張または収縮できる周縁を有する、
    エネルギーを貯蔵するためのシステム。
  2. 前記接触面が平滑な垂直面を備える、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記接触面が±100mm以内の鉛直度を有する、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記接触面が0.5μm未満の平均粗さを有する、請求項2に記載のシステム。
  5. 前記シールキャリアが垂直面を備え、前記内部容積の前記第1の部分の前記流体が前記垂直面に内向き力を与えて、前記シール部材を前記接触面に押しやる、請求項1に記載のシステム。
  6. 前記シール部材が前記本体と前記中空シャフトの前記壁との間から上方向に取りはずし可能であるように構成される、請求項1に記載のシステム。
  7. 前記中空シャフトの前記内部容積に配設される受け台であって、ソケットを画定する内面を備え、前記ソケットが前記本体の下部分を受けるように構成される、受け台をさらに備え、前記本体と前記内面との間の空間の断面積が、前記本体と前記中空シャフトの前記壁との間の空間の断面積より小さい、請求項1に記載のシステム。
  8. 前記本体の周囲のまわりに配設され、前記中空シャフトの前記壁に連結され、かつ前記本体の外周面に摺動自在に係合する複数の位置合せ部材をさらに備え、前記位置合せ部材が、前記中空シャフトの中心に向かう方向に、前記本体への力を加えて、前記本体の前記外周面と前記中空シャフトの前記壁との間の隙間を維持し、前記第1の位置と前記第2の位置との間の前記本体の前記動きに対して横方向の前記本体の移動を抑制する、請求項1に記載のシステム。
  9. 前記位置合せ部材が、前記流体を前記中空シャフトの前記内部容積から除去することなく、前記本体と前記中空シャフトの前記壁との間から取りはずし可能であるように構成される、請求項8に記載のシステム。
  10. 前記複数の位置合せ部材のうちの1つに配設され、前記第1の位置と前記第2の位置との間の前記本体の前記動きに対して横方向への前記本体の移動を検出するように構成される、測定装置をさらに備える、請求項8に記載のシステム。
  11. 前記複数の位置合せ部材によって前記本体に加えられる前記力を制御可能に増加または減少させることができる、請求項8に記載のシステム。
  12. 前記流体通路と流体連通し、および前記電気エネルギーモータ/発生機に機械的に連結され、前記流体通路から流体圧を受けて、前記電気エネルギーモータ/発生機を駆動し、前記第1の高度位置から前記第2の高度位置への重力による前記本体の移動時に電気を発生させるタービンをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
  13. 前記流体通路と流体連通し、および前記電気エネルギーモータ/発生機に機械的に連結され、前記電気エネルギーモータ/発生機によって駆動されて、前記流体通路に流体圧を加え、前記第2の高度位置から前記第1の高度位置へ前記本体を移動させることによってエネルギーを貯蔵する流体ポンプをさらに備える、請求項12に記載のシステム。
  14. 前記タービンが、前記中空シャフト内に含有される前記流体の流体レベルより上に設置される、請求項13に記載のシステム。
  15. 前記流体ポンプと前記第1の部分との間の前記通路に配設されるカットオフバルブをさらに備える、請求項14に記載のシステム。
  16. 前記タービンと前記第1の部分との間の前記通路に配設されるをさらに備える、請求項15に記載のシステム。
  17. 前記本体および前記中空シャフトの前記壁が、前記内部容積内に含有される前記流体を実質的に通さない、請求項1に記載のシステム。
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