JP7193538B2 - 水中エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Description

本発明は、水体の表面下にエネルギーを蓄える水中エネルギー貯蔵システムに関する。

なお、本記述においては、本明細書を通して使用される「水体（ｗａｔｅｒｂｏｄｙ）」という用語は、海、海洋、水路、または他の同様に大きな水塊を指す。

さらに、本明細書においては、水中エネルギー貯蔵システムは「ＵＷ－ＥＳシステム」と略されることもある。

水体の表面下にエネルギーを蓄える水中エネルギー貯蔵システムは、例えば、ＷＯ２０１５／０５３６１５Ａ１の図１Ａから知られている。

本発明の目的は、既知の水中エネルギー貯蔵システムに対して改良された、代替の水中エネルギー貯蔵システムを提供することである。

そのため、本発明は、添付の独立請求項１に記載の水中エネルギー貯蔵システムを提供する。本発明の好ましい実施形態は、添付の従属請求項２－５によって提供される。

したがって、本発明は、水体の表面の下にエネルギーを蓄える水中エネルギー貯蔵システムであって、水中エネルギー貯蔵システムは、ベース構造を有するタンク構造を備え、タンク構造はベース構造によって水体の底に置かれており、タンク構造は、ベース構造に対してそれぞれ支持される加圧タンクと減圧タンクを有し、加圧タンクと減圧タンクはそれぞれ、水体の表面の下に、水体の水から分離させて動作液体を保持し、加圧タンクは、変形可能な壁構造を有し、変形可能な壁構造に作用する水の静水圧の影響による変形可能な壁構造の変形によって加圧タンク内に収容された動作液体を加圧するように設置されて構成され、減圧タンクは、水の静水圧の影響による加圧から、減圧タンク内の動作液体を遮断するように設置されて構成された剛体壁構造を有し、水中エネルギー貯蔵システムはさらに、減圧タンクから加圧タンクへ動作液体の一部を移動することにより、タンク構造内の動作液体の位置エネルギーを高めることによってエネルギーを蓄えるように構成されたエネルギー貯蔵サブシステムと、加圧タンクから減圧タンクへ動作液体の一部を流して解放することにより、タンク構造内の動作液体の位置エネルギーを減少させることによって、貯蔵されたエネルギーを回収するように構成されたエネルギー回収サブシステムとを備える、水中エネルギー貯蔵システムを提供する。

ＷＯ２０１５／０５３６１５Ａ１の図１Ａから知られた水中エネルギー貯蔵システムと比べて、本発明によるＵＷ－ＥＳシステムは、異なるタンク構造を有している。主な違いは、本ＵＷ－ＥＳシステムのタンク構造は、タンク構造が水体の底に置かれるためのベース構造を有し、変形可能な壁構造を有する加圧タンクを備えることである。これらの違いにより、位置エネルギーを蓄え、回収するときに、本ＵＷ－ＥＳシステムは、水体の水中において当然に利用可能であって、加圧タンクの変形可能な壁構造に作用する静水圧を利用できる。静水圧はタンク構造が載置される水体の底付近で非常に強力であるため、静水圧を利用することにより、本ＵＷ－ＥＳシステムのタンク構造は、ＷＯ２０１５／０５３６１５Ａ１の図１Ａから知られたシステムのタンク構造よりもかなりコンパクトでかなり安価に建設することができる。つまり、上記既知のシステムは、比較的大型の上部タンク２と下部タンク３とを備える。これらが大型である理由は、上記既知のシステムでは、位置エネルギーを蓄え、回収するときに、動作液体自体の静水圧のみが利用されるからである。上記既知のシステムは、水体の水が有するはるかに高い静水圧を全く利用していない。

なお、水体の水自体を、位置エネルギーを蓄えて回収するために移動される動作液体として利用する他のシステムが知られている。その意味で、これらの他の既知のシステムは水体の水の静水圧を利用する。しかしながら、これらの他の既知のシステムには、水体の水がこれらのシステムの構造部品を汚染するという不都合がある。一方、本発明によるＵＷ－ＥＳシステムでは、動作液体は調整済み（ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）の動作液体であって、水体の未調整（ｕｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）の水から分離して保持されている。

本発明の好ましい実施形態において、水中エネルギー貯蔵システムは、減圧タンクと、水体の表面上のエアスペースとの間に空気の流れを供給するように設置され構成された通風管構造をさらに備える。通風管構造のおかげで、減圧タンクから加圧タンクへ、およびその反対への動作液体の一部の様々な多数の移動の間、減圧タンク内の空気圧を実質的に大気圧レベルに保つようにすることができる。任意に、必要であれば、減圧タンク内の空気圧を他の様々な圧力レベルに制御するために、制御可能なバルブ手段および／または制御可能な空気移動装置を有する通風管構造を提供することも可能である。

他の好ましい実施形態において、本発明は、本発明による水中エネルギー貯蔵システムだけでなく、動力取出システムも備える、動力取出しおよび貯蔵システムを提供し、動力取出システムは、水中エネルギー貯蔵システムのタンク構造のベース構造によって、水体の底に載置されている。したがって、この好ましい実施形態は、水中エネルギー貯蔵システムと動力取出システムの両方に対し、水体の底における少なくとも共有された土台を提供する。これにより、両方のシステムの設備と保守の総合的なコストに関する相乗作用がもたらされる。

本発明の他の好ましい実施形態において、動力取出および貯蔵システムは、エネルギー貯蔵サブシステムにより、動力取出システムによって供給されたエネルギーを貯蔵するように構成されている。これにより、両方のシステムの設備と保守の総合的なコストに関するさらなる相乗作用がもたらされる。

本発明の他の好ましい実施形態において、動力取出および貯蔵システムの動力取出システムは、風力タービンである。風力タービンは比較的堅い土台を必要とするので、両方のシステムの設備費に関する上記の相乗作用が十分に活用される。したがって、本発明は、統合されたその場所にある（ｉｎ－ｓｉｔｅ）エネルギー貯蔵システムと組み合わされるコンパクトな風力タービンシステムを提供することができる。このように風力タービンシステムとエネルギー貯蔵システムとを組み合わせたシステムは、２つのシステムの設備と保守について最適なコストを有するだけでなく、操作エネルギーについても最適な経済性を提供できる。これは、風力エネルギーを、それが取り出されるまさにその場所、通常は沖合、において貯蔵できるためである。

本発明の上述した態様および他の態様は、以下に非限定的な例として説明する実施形態、および添付の図面に示された概念図を参照して、明瞭にされる。

図１は、本発明による水中エネルギー貯蔵システムの一実施の形態の一例を示す断面図である。 図２は、本発明による水中エネルギー貯蔵システムに用いられる上記通風管構造の特定の実施形態の一例を示す、図１と同様の断面図である。

図１および２に用いる参照符号は、以下に示すように、上述した本発明の部分と態様、さらに関連する部分および態様を示している。
１ 水体
２ 水体の水
３ 水体の表面
４ 水体の底
５；１０５ タンク構造
６ ベース構造
７Ａ，７Ｂ 加圧タンク
８Ａ，８Ｂ 減圧タンク
９ 動作液体
１０ 動力取出および貯蔵システム
１１Ａ，１１Ｂ エネルギー貯蔵サブシステム
１２Ａ，１２Ｂ エネルギー回収サブシステム
１４；１１４ 通風管構造
１５Ａ，１５Ｂ エネルギー貯蔵導管
１６Ａ，１６Ｂ エネルギー回収導管
１７Ａ，１７Ｂ 変形可能壁構造
１８Ａ，１８Ｂ 剛体壁構造
１９ アンカーシステム
２１ ポンプ
２２Ａ，２２Ｂ タービン
３０ 水中エネルギー貯蔵（ＵＷ－ＥＳ）システム
５０ 動力取出システム（風力タービン）
７０ 動力取出システム（表面波エネルギー抽出機）
７１ フロート
７２ 巻上線
７３ 液体ガイド構造

図１および２では、図１および２に示す異なる実施形態において類似した部分および態様に同じ参照符号を付すことがある。

図面の簡単な説明を含む上記導入部分の記載に基づいて、および図面に用いられる上記参照符号に基づいて、図１および２に示す例は、大部分が容易に自明であり説明を要しない。以下に、追加の説明をする。

最初に、図１に示された例を参照する。図１には、動力取出および貯蔵システム１０の一部として、水中エネルギー貯蔵システム３０（ＵＷ－ＥＳシステム３０）が示されている。動力取出および貯蔵システム１０はさらに、２つの動力取出システム５０，７０を備える。動力取出システム５０は風力タービンである。動力取出システム７０は、表面波エネルギー抽出機であり、上記ＷＯ２０１５／０５３６１５Ａ１に記載された方法と同様に、水体１の表面波から運動エネルギーを抽出するように設置され構成されている。従って、ここでは表面波エネルギー抽出機７０の動作については詳述しない。ここでは、図１に示すフロート７１、巻上線７２、液体ガイド構造７３が、それぞれＷＯ２０１５／０５３６１５Ａ１の図３に示されたシステム１のフロート９、巻上線２８、液体ガイド構造５２と同様であることを簡単に述べておく。

ＵＷ－ＥＳシステム３０のタンク構造５のベース構造６は、剛性の防水の床であり、例えば、アンカースカート１９のようなアンカーシステム１９によって、水体１の底４に対してしっかりと固定されている。

タンク構造５は、２つの（互いに同様な）加圧タンク７Ａ、７Ｂと、２つのそれぞれ対応する（互いに同様な）減圧タンク８Ａ、８Ｂとを備える。加圧タンク７Ａ、７Ｂは袋状（ｂｌａｄｄｅｒ ｔｙｐｅ）の変形可能な壁構造１７Ａ、１７Ｂをそれぞれ備える。減圧タンク８Ａ、８Ｂは剛体壁構造物１８Ａ、１８Ｂをそれぞれ備える。さらに、剛性のベース構造６および剛性の通風管構造１４は、減圧タンク８Ａ、８Ｂの剛体壁構造の一部として機能する。

図１の左下部分に示すように、ＵＷ－ＥＳシステム３０は、さらにエネルギー貯蔵サブシステム１１Ａとエネルギー回収サブシステム１２Ａを有し、これらは加圧タンク７Ａと減圧タンク８Ａに対応する。また、図１の右下部分に示すように、ＵＷ－ＥＳシステム３０は、エネルギー貯蔵サブシステム１１Ｂとエネルギー回収サブシステム１２Ｂを有し、これらは加圧タンク７Ｂと減圧タンク８Ｂに対応する。

図１の左下部分に示すように、エネルギー貯蔵サブシステム１１Ａはエネルギー貯蔵導管１５Ａを備え、エネルギー貯蔵導管１５Ａを介して動作液体９の一部が減圧タンク８Ａから加圧タンク７Ａへ移動することができる。この動作液体９の移動は、変形可能な袋状タンク７Ａに作用する水２の静水圧の働きに対抗してなされる必要がある。表面波エネルギー抽出機７０の働きによって、動作液体９の移動を行うためのエネルギーが供給される。

図１の左下部分にさらに示すように、エネルギー回収サブシステム１２Ａはエネルギー回収導管１６Ａとタービン２２Ａを有し、これらを介して動作液体９が加圧タンク７Ａから減圧タンク８Ａに流れることができる。この動作液体９の流れは、変形可能な袋状タンク７Ａに作用する水２の静水圧の働きによって生成される。タービン２２Ａは、この動作液体９の流れから電気的エネルギーを発生するよう働く。

図１の右下部分に示すように、エネルギー貯蔵サブシステム１１Ｂはエネルギー貯蔵導管１５Ｂを備え、これを介して動作液体９が減圧タンク８Ｂから加圧タンク７Ｂに移動することができる。この動作液体９の移動は、変形可能な袋状タンク７Ｂに作用する水２の静水圧の働きに対抗してなされる必要がある。ポンプ２１の働きによって、動作液体９の移動を行うためのエネルギーが供給され、ポンプ２１は風力タービン５０によって供給されるエネルギーによって駆動される。

図１の右下部分にさらに示すように、エネルギー回収サブシステム１２Ｂはエネルギー回収導管１６Ｂとタービン２２Ｂを備え、これらを介して動作液体９の一部が加圧タンクＢから減圧タンク８Ｂに流れることができる。この動作液体９の流れは、変形可能な袋状タンク７Ｂに作用する水２の静水圧の働きによって生成される。タービン２２Ｂは、動作液体９の流れから電気的エネルギーを発生するよう働く。

図１に示す状態において、加圧タンク７Ａは比較的拡張した状態を示し、加圧タンク７Ｂは比較的潰れた状態を示している。これに対応して、減圧タンク８Ａは比較的少量の動作液体９を収容し、もう一方の減圧タンク８Ｂは比較的多量の動作液体９を収容している。

図１のＵＷ－ＥＳシステム３０は、減圧タンク８Ａ、８Ｂと、水体１の表面３上のエアスペースとの間に空気の流れを提供するように設置され構成された通風管構造１４を備える。図１の例では、通風管構造１４は剛性のシャフト状の通風管構造である。シャフトは、メンテナンス等のためにタンク構造５の内部へアクセスするために利用可能であり、例えば、エレベーター、または階段等がシャフト内部に設置され取り付けられて用いられる。

図１の例では、風力タービン５０は水体１の底４に置かれている。これはタンク構造５のベース構造６を介して実現されている。

次に、図１の通風管構造４とは異なる通風管構造１１４を示す図２を参照する。通風管構造１１４は剛性のシャフト状ではない。通風管構造１１４はその代わりに、柔軟性のあるホースを有し、ブイによって水体１の表面３で浮き続けるようにされている。

以上の記載および図面において本発明を詳細に説明したが、これらの記載や説明は例示および／または理解を助けるためのものであり、これらに限定されるものではなく、本発明は開示した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述した例では、加圧タンクの変形可能な壁構造は袋状であるとした。しかし、このような加圧タンクの変形可能な壁構造として他の種々のものが適用可能であり、例えばテレスコピック方式で伸縮可能である変形可能な壁構造も適用できる。

別の例として、上述した例では、ＵＷ－ＥＳシステムのタンク構造のベース構造はアンカー手段１９を用いて水体１の底４に載置されていた。この代わりに、タンク構造の係留を、タンク構造の重さ、またはより大きなＵＷ－ＥＳシステムの重さ、またはさらに大きな動力取出および貯蔵システムの重さ、のみによって行うようにしてもよい。

さらに別の例として、上述した例では、エネルギー貯蔵サブシステム１１Ａとエネルギー回収サブシステム１２Ａとを互いに分離した２つの構造物として形成し、エネルギー貯蔵サブシステム１１Ｂとエネルギー回収サブシステム１２Ｂとを互いに分離した２つの構造物として形成した。この代わりに、エネルギー貯蔵サブシステムとエネルギー回収サブシステムの両方の機能を果たす１つの構造物としてもよい。例えば、タービン発電機として、および反対に電動機駆動のポンプとしても作動する、既知の、いわゆるリバーシブル水力発電タービンを、エネルギー貯蔵サブシステムおよびエネルギー回収サブシステムの両方の機能を果たすように適用してもよい。

特許請求の範囲に記載された発明を実施する技術分野の当業者にとっては、図面、明細書および添付の特許請求の範囲の研究から、開示した実施形態の他の変形も理解され、実現され得る。特許請求の範囲において、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、他の要素またはステップを除外するものではなく、不定冠詞の「ａ」または「ａｎ」は複数を除外しない。特許請求の範囲に記載された複数の構成の機能を、１つの部分によって実現してもよい。明確かつ簡潔な説明のために、ここでは同一のまたは別々の実施形態の部分として構成を開示したが、本発明の範囲は、開示された構成の全てまたはいくつかを組み合わせた実施形態を含んでもよいことが理解されるべきである。ある手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に用いることができない、ということを示すものではない。特許請求の範囲の参照符号は、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (5)

1. 水体（１）の表面（３）の下にエネルギーを蓄える水中エネルギー貯蔵システム（３０）であって、
   前記水中エネルギー貯蔵システムは、ベース構造（６）を有するタンク構造（５；１０５）を備え、前記タンク構造は前記ベース構造によって前記水体の底（４）に置かれており、
   前記タンク構造は、前記ベース構造に対してそれぞれ支持される加圧タンク（７Ａ、７Ｂ）と減圧タンク（８Ａ、８Ｂ）を有し、前記加圧タンクと前記減圧タンクはそれぞれ、前記水体の前記表面（３）の下に、前記水体の水（２）から分離させて動作液体（９）を保持し、
   前記加圧タンク（７Ａ、７Ｂ）は、変形可能な壁構造（１７Ａ、１７Ｂ）を有し、前記変形可能な壁構造に作用する前記水（２）の静水圧の影響による前記変形可能な壁構造の変形によって前記加圧タンク内に収容された前記動作液体（９）を加圧するように設置されて構成され、
   前記減圧タンク（８Ａ、８Ｂ）は、前記水（２）の静水圧の影響による加圧から、前記減圧タンク内の前記動作液体（９）を遮断するように設置されて構成された剛体壁構造（６、１４、１８Ａ、１８Ｂ）を有し、
   前記水中エネルギー貯蔵システム（３０）はさらに、
   前記減圧タンクから前記加圧タンクへ前記動作液体の一部を移動することにより、前記タンク構造内の前記動作液体（９）の位置エネルギーを高めることによってエネルギーを蓄えるように構成されたエネルギー貯蔵サブシステム（１１Ａ、１１Ｂ）と、
   前記加圧タンクから前記減圧タンクへ前記動作液体の一部を流して解放することにより、前記タンク構造内の前記動作液体の位置エネルギーを減少させることによって、貯蔵されたエネルギーを回収するように構成されたエネルギー回収サブシステム（１２Ａ，１２Ｂ）とを備える、水中エネルギー貯蔵システム。
2. 請求項１に記載の水中エネルギー貯蔵システム（３０）において、
   前記減圧タンク（８Ａ、８Ｂ）と、前記水体（１）の前記表面（３）上のエアスペースとの間に空気の流れを供給するように設置され構成された通風管構造（１４；１１４）をさらに備える、水中エネルギー貯蔵システム。
3. 動力取出および貯蔵システム（１０）であって、
   動力取出システム（５０、７０）と、
   請求項１または２に記載の水中エネルギー貯蔵システムとを備え、
   前記動力取出システムは、前記水中エネルギー貯蔵システム（３０）の前記タンク構造（５）の前記ベース構造（６）によって、前記水体（１）の前記底（４）に載置されている、動力取出および貯蔵システム。
4. 請求項３に記載の動力取出および貯蔵システム（１０）において、
   前記エネルギー貯蔵サブシステム（１１Ａ，１１Ｂ）により、前記動力取出システム（５０，７０）によって供給されたエネルギーを貯蔵するように構成されている、動力取出および貯蔵システム。
5. 請求項３または４に記載の動力取出および貯蔵システム（１０）において、
   前記動力取出システム（５０）は、風力タービンである、動力取出および貯蔵システム。

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