JP7431965B2 - 組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム - Google Patents

Description

[001]組み合わされた重力水圧式（ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ）電気エネルギー貯蔵システムは、主に、グリッドが余剰電気エネルギーを生産する期間中に、多くの／相当な量のエネルギーを消費のピーク期間中に供給するために貯蔵するように使用される、電気グリッド動作を対象としている。システムは、動作中の環境コストおよびリスクのないエネルギー貯蔵を提供し、製品寿命が尽きたときに１００％リサイクル可能な材料から構築される。初期の環境コスト（たとえば、ＣＯ_２フットプリント）は驚くほど少なく、環境リスクが高い材料は使用されていない。システムは、１００％消費者プロファイリングされた電気グリッド動作を記憶および提供するために、任意のグリーンエネルギー生産システムのためのバッファとして働くことができる。

[002]ＡＧＩＲ公報、付録１／２０１５の論文「Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｔｏ ｗｈｉｃｈ ｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ（エネルギー貯蔵システム、様々なエネルギー貯蔵システムの断続的な再生可能源が接続される電力網の動作を最適化するためのソリューション）」において、いわゆる「揚水式水力システム（ＰＨＳ）」を含む、電気の貯蔵に関するいくつかの技術が記載されている。これは、システムが余剰電力を生産する期間または時間間隔中に、上流水盤（上部タンク）において、タービンの排水口に位置する水盤（水力発電プラントの動作中に集められる、下部タンク）から廃水を汲み上げることによってエネルギーを貯蔵する、「水力ポンプステーション」からなる。こうした水力ポンププラントは、下部廃水収集水盤を必要とし、通常は、可能な限り効率を上げるために、フランシスまたはカプランから導出される可逆タービン－発電機アセンブリを使用するが、非常に大量の水を要するという欠点を伴う。景観および河川に与える重大な影響に起因して、こうした技術の環境コストは極端に高い。

[003]ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｒａｖｉｔｙｐｏｗｅｒ．ｎｅｔ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ｇｒａｖｉｔｙ－ｐｏｗｅｒ－ｅｎｅｒｇｙ－ｓｔｏｒａｇｅ／のサイト上には、重力電力モジュール（ＧＰＭ－Ｇｒａｖｉｔｙ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）が提示されており、水で満たされた深い井戸または坑道内に置かれた非常に大型のピストンを備え、ピストンには、周囲からの漏れを防ぐためのスライド式ガスケットと、ピストンの底部を地表面に位置する電気機械に結合された可逆フランシスタービン型に接続する、ピストンの外側に位置する垂直戻りパイプと、が提供される。ピストンは、強化岩またはコンクリートで作られる。井戸は動作の最初にいったん水で満たされ、その後閉じられて、この最初の充填後には追加の水は必要ない。ピストンが降下して電気が作り出されると、貯蔵井戸から戻りパイプを介し、またタービンを介して水を上昇させ、電気機械を発電機モードで回転させる。エネルギーを貯蔵する必要があるとき、電気機械は幹線から電力が供給されるモータモードで制御され、水を戻りパイプで降下させるために、井戸の基部で同じタービン（可逆）をポンプモードで回転させ、ピストンを上昇させる。ＧＰＭモジュールはアイデアレベルでのみ提示され、可逆技術（可逆タービン／発電機グループ）の使用は、制限された（２０～３０バール）圧力は効率が低く、ＭＷｈ当たり最大水量の貯蔵を必要とするという欠点を有する。

[004]特許文献から、２０１４年１２月３１日公告の「Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ｗｉｎｄ ｅｎｅｒｇｙ（風力エネルギーを貯蔵するための水力発電システム）」と題するＣＮ２０４０６１０５３（Ｕ）の発明が知られている。この発明に従ったシステムは、どちらも沿岸地域に配置された、第１の垂直井戸および第２のより深い垂直井戸、第１の垂直井戸の下部に位置する水力発電ユニット（タービン－発電機グループ）、ならびに、第２の垂直井戸の下部に配置されたポンプのグループからなる。地中線を介して余剰電力を供給する水力発電ユニット内の第１の垂直井戸内に、海水が注入される。その後、水は、第２の垂直井戸の基部においてパイプを介して導かれ、外部風力タービンによって駆動されるポンプのグルーブによって、水盤内で地表へとポンプで汲み上げられる。したがって、プール用水は、風力エネルギーをポテンシャルエネルギーの形で貯蔵し、その後、発電のために使用することができる。

[005]２０１２年８月３０日公告の「Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｏｒｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ， ｒｅｃｏｖｅｒｓ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｔａｎｋ ｉｎｔｏ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｗａｔｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｕｍｐ ｄｅｖｉｃｅｓ ｕｎｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ， ｄｕｒｉｎｇ ｆｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔａｎｋ（電気エネルギーの印加の下で、ポンプデバイスを使用してタンクを周辺水域内に空にすることによって発生するポテンシャルエネルギーを、タンクの充填中に回収する、貯蔵タンク発電プラント用の電力貯蔵デバイス）」（Ｗｅｒｎｅｒ ＲＡＵ）と題する、ＤＥ１０２０１１０１２２６１（Ａ１）の発明も知られている。デバイスは、何らかのバラスト材料（たとえば、砂利、コンクリート）の上に水で満たされたタンクを有し、タンクは海底に配置される。タンクは、圧縮なしの空気交換、およびタンクを空にすることによる水の上の空気室形成を可能にするように、パイプまたはホースを介して外気に接続される。吸入バルブ、電気モータ／発電機に結合された逆タービンを介して、水は、外側からタンクに送られるか、または内側から周辺水域にポンプで汲み戻されるかのいずれかである。電気エネルギーの印加の下で、水圧または空気ポンプデバイス（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｎｄ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｕｍｐ ｄｅｖｉｃｅ）を使用してタンクを周辺水域内に空にすることによって発生するポテンシャルエネルギーは、タンクの充填中に回収される。水の流量は、逆タービンおよび電気モータ／発電機の電力が電気グリッドの要件に適合されるように調節される。

発明は、低効率を有する可逆技術（可逆タービン／発電機グループ）を使用する。
[006]さらに、２０１２年３月１日公告の「Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｔａｎｋ（貯水タンク用発電機システム）」（Ｍｙｕｎｇ Ｈｏｅ ＫＯＯ）と題する米国特許出願公開第２０１２／００４９６７３号の発明も知られている。この発明は、頂部開口および底部開口を有する円柱形状の貯水タンクと、貯水タンクを貯水タンクの底部開口の近くで接合される第１の垂直柱および第２の垂直柱に分割する、貯水タンク内に垂直に配設された隔壁とを備える、発電機システムを提供する。円柱板の各々が、貯水タンクの対応する垂直柱を介してピストン運動を実行するように配設および構成され、前記円柱板はロープを介して滑車によって接続され、水が下方のみに流れるようにするために、各々が複数の単方向ホールを有する。ソーラーパネルによって電力が供給される電気モータが、第１の円柱板または第２の円柱板を交互に持ち上げるために滑車を駆動させる。タービン発電機が、円柱板を落下させることによって生成される水流を用いて電力を生成するために、貯水タンクの底部開口に配設され、貯水タンクの底部開口に配設された下端と貯水タンクの頂部開口へと開いた上端とを有する戻りパイプが、タービン発電機から貯水タンクへと水を戻すために提供される。

タービンの効率は、戻りパイプ内の水柱によって下げられる。

[007]本発明によって解決される技術的問題は、重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム内に貯蔵されるＭＷｈ当たりに必要な水容量の削減、したがって、構築される容量当たりの高い貯蔵エネルギー密度である。

[008]本発明による、組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムは、均一な質量分布のためにピストンの表面上に対称的に固定された、高容量質量密度の材料のブロックが加重／搭載された、大型重ピストンを備え、鉄筋コンクリート壁および高品質鋼製ライナを備える水で満たされた円柱内部で、垂直に持ち上げることによって、ポテンシャル重力エネルギーを蓄積させる役割を有し、ピストンは、何らかのガイドを介して円柱の垂直壁上をガイドされ、円柱の軸の中央に円形開口が提供され、ピストンを通過し、衝動タービンを使用して円柱の基部から発電システムへと加圧水を導く、高圧チャネルが存在し、排出チャネルは頂部で密閉および脱気され、電力生産のサイクル内で使用される水は、ピストン上方で、大気圧において戻りチャネルを介して、円柱内へと放出され戻り、電気ネットワークからのエネルギーの吸収および貯蔵のサイクルのために、高圧ポンプおよび変流量のシステムも含み、このシステムはピストン上方の水を取り込み、戻りチャネルを介してこれを圧力チャネル内へと導入し、ピストン下方でこれを上昇させ、それによってエネルギーを蓄積させる。

[009]従来技術との関連で、本発明による重力水圧式サイクル組み合わせ電気貯蔵システムは、下記の利点を有する。
－ 動作中、環境コストはゼロおよび環境リスクはゼロである。システムは閉じているため、環境との間で物質は交換されず、漏出の場合、内部流体（水）は環境に対して中性である。タービンまたはポンプの障害の場合、標準ＰＨＳシステムにおけるように、油は自由流水内に解放されない。構造は、作業に投入する材料および機器の極端に低いカーボン・フットプリントで貯蔵されたＭＷｈ当たりの極端に低い平均コストと競合する。プラントのライフサイクルの終わりに、内部のすべての材料は１００％リサイクル可能である。

－ 貯蔵される水のＭＷｈ当たりの減少した水量が、完全な閉サイクルにおいて１００％再利用されることが必要である。
－ システムは、入力および出力用の別個の機器を有するため、オフピーク時間帯（２から６時、または余剰グリーンエネルギーが利用可能であるとき）のフルローディングおよびピーク時間帯（６から１８時、グリーンエネルギーがわずかに利用可能であるかまたは利用不可であるとき）のアンローディングを可能にするために、不均一に寸法を決めることができる。

－ グリッド動作は、制御不能なグリーンエネルギー（すなわち、風、太陽、波など）の１００％計画された使用に適した、電力の入力または出力の、いずれかの動作感覚で１００％プロファイリングされる。

－ インストールされた出力容量の０から１００％の間の電力生産の連続変化が、小／中位の分布グリッドに関して消費者を完全にプロファイリングすることができる。
－ インストールされた入力容量の０から１００％の間の電力の連続吸収が、小／中位の制御不能な発電容量に関して、生産を完全にプロファイリングすることができる。

－ 機器の機械的／電気的保守コストのみで、無制限の理論上のローディング－アンローディングサイクル数を可能にする。
－ 理論上無制限の貯蔵、期間中の損失なしに、エネルギーの長期貯蔵を可能にする。

－ 小さい設置面積および特別な地球物理学的要求のないことに起因して、こうしたユニットのグリッド変電所近くへの設置を可能にする。
－ 占有地域が極端に小さいため、こうしたユニットの過密地域（市街地域）内での設置を可能にし、完全に地下の構造が、他の目的で、加えてランドマークへの影響なしに、地表からの土地の再利用を可能にする。

[010]本発明の実施形態が、図１～図６に関連して下記に与えられる。

本発明による、組み合わされた重力水圧式電気貯蔵システムを示す概略図である。 円柱壁／円柱水盤の設計詳細を示す図である。 圧力チャネル設計の詳細を示す図である。 重ピストン設計の詳細を示す図である。 図５ａは円柱のコンクリート壁についての設計を示す概略図である。図５ｂは円柱のプレキャスト・コンクリートセグメントについての設計を示す図である。 円柱カラーについての設計を示す図である。

[011]本発明による組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムは、接続された電気ネットワークが余剰電力を生産する期間または時間間隔中、あるいは、ユニットのオペレータがエネルギーを貯蔵するように決定したとき、エネルギー吸収および貯蔵サイクルで動作し、および、ピーク消費期間中、またはユニットのオペレータがエネルギーを抽出するように決定したとき、ネットワークに対する電力生産のサイクルで動作する。システムは、ピーク消費期間中に使用されるべき、制御不能な再生可能エネルギー（風および／または太陽）の長期または短期貯蔵にも使用可能である。システムは、（適切な寸法決定／適正なサイズ決定を伴う）発電変動に関わらず、小～中位グリッドに、１００％消費者がプロファイリングした電力を提供するようにも構成可能である。

[012]図１を参照すると、重力水圧式サイクル組み合わせ電気貯蔵システムは、軸内に高圧チャネル／パイプ２０を有する、高圧に耐えるための鉄筋コンクリート壁および高品質鋼製ライナを備える直円柱１０からなり、円柱内には、可動式大型重ピストン３０が存在し、ピストン３０は、ピストンの下方および上方が水で満たされた円柱１０内部で垂直に持ち上げることによって、ポテンシャル重力エネルギーを蓄積させる役割を有する。ピストン３０には、中央に、高圧チャネル２０がピストン３０を通過できるようにするための円形開口が提供され、前記高圧チャネル２０は上端に少なくとも１つのエルボを有する。エネルギーの吸収および貯蔵サイクルにおいて、ピストン３０上方の水は、高圧チャネル２０を介して電力入力システム６０による圧力の下でポンプによって汲み上げられ、ピストン下方で、これを上昇させるため、重力ポテンシャルエネルギーを蓄積させ、電力生産のサイクルにおいて、円柱１０の基部からの加圧水は高圧チャネル２０を介して発電システム５０へと導かれ、同時にその重力ポテンシャルエネルギーを使用してピストン３０を押し下げる。高圧チャネル内の圧力は、ピストン３０の位置に関わらず一定であるため、入力６０および出力７０エネルギーシステムは、容易に設計可能である。発電サイクルにおいて処理された水は、水の上層において円柱１０を充填させ、水盤が構築される地理的地域特有の凍結深度より下に構築される、大気圧における戻りチャネル２５を介して、ピストン３０上方の円柱１０内へと放出され戻る。したがって、円柱１０内の水は閉回路内で使用され、システムの動作中の蒸発損失によってのみ補償され、霜から保護される。

[013]円柱１０は、所望の貯蔵容量に応じて、数十メートルの直径および高さを伴う、大型寸法の直円柱水盤である。これは、下記で説明する方法によって、地表面下に構築される。円柱１０は、プレキャストのプレテンショニングされた円柱シェル／空洞セグメント１２（こうしたコンクリートセグメントの一例が図５ｂに示される）の形の、プレキャストコンクリートから作られる壁を有し、前記コンクリートセグメントは鋼製ストランドでポストテンショニングされ、前記円柱１０は、頂部において円柱カラー７０（図６に示される）が提供され、底部において逆位置決めされたドーム４０が提供される。円柱１０内部は高品質鋼製ライナ１１によってコーティングされる。円柱１０は水で満たされ、ピストン３０は水容量内部にある。ピストン１０には、高容量質量密度を備える材料のブロックで作られた重り３１が装填され、ピストン３０の表面上に対称的に固定される。ピストン３０上方は、戻りチャネル２５の上部に沿うように記述された円柱の上位まで水である。重り３１は、設置プロセスで配置されるピストンの表面上に対称的に、均一な質量分布の範囲で正反対の位置にペアで同時に、固定される。

[014]円柱１０内で軸方向に、高圧チャネル２０が存在し、これが圧力下で、衝動タービン、たとえばペルトンタイプで作られる発電システム５０に水を導く。高圧チャネル２０の底部に給水－排水口２９が提供され、これを介して、動作サイクルに応じてピストン下方に水が導入または抽出される。高圧チャネル２０は頂部で密閉および脱気される。発電システム５０内で処理された水は、戻りチャネル２５を介して円柱１０内へと放出され戻り、チャネルは大気圧である。外部からエネルギーを入力するために、入力システム６０は高圧ポンプシステムを含み、変流量は（ピストン３０上方の）戻りチャネル２５から水を取り込み、これを高圧チャネル２０内へと導入し、ピストン３０下方へ押し入れるため、ピストン３０を持ち上げ、ポテンシャルエネルギーを蓄積させる。２つの水回路は完全に分かれている。高圧回路は円柱の基部から始まり、タービンアクセス弁（発電サイクルでのみ開く）、および、高圧ポンプの排水口にある一方向弁（エネルギー吸収および貯蔵サイクルでのみ開く）で終わる。

[015]水は非圧縮性の液体であるため、ポテンシャルエネルギーを伝達するための理想的な媒介である。エネルギーは、ピストン３０の垂直位置を介してシステム内部に貯蔵される。円柱１０はピストンの下方および上方が水で満たされ、ピストン３０の垂直位置に関わらず、高圧チャネル２９内の圧力は一定である。少量の水を使用するためには、（装填重り３１と合わせた）ピストン３０の総重量が高いことが必要であり、ピストン３０の総重量が高いほど、静水圧は高いため、水１立方メートル当たりのシステム内に貯蔵されるエネルギー量は高くなる。

[016]一実施形態例において、円柱１０は、約数十メートル／２０～１００ｍの間の深さｈおよび１０から７５ｍの間の直径Ｄで、地表面下に建設される。円柱はプレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２で作られ、鋼製ストランド１５と接合およびポストテンショニングされ、高品質鋼製ライナ１１で内部がコーティングされる。図２には、円柱壁１０の詳細が示されている。円柱の垂直壁の内面には、高品質鋼製ライナ１１が存在し、ライナセグメントは工場で製造され、現場で設置、溶接、および修正され、それによってピストン３０を容易にスライドさせること、および、プレキャスト・コンクリートセグメント１２間の接合部から水平せん断区域内の圧力を利用することが可能になる。高品質鋼製ライナは、円柱１０内のフープ応力を利用するために、プレテンショニングされたセグメントとの組み合わせで働き、鋼製ストランドでポストテンショニングもされる。円柱の垂直壁の外面には防水加工１９が施され、建設および動作中の地中での膨張および圧縮を引き受けることを可能にする働きもする。

[017]高動作圧力でのシステムの、可能な最低建設コストとの整合性を保証するために、プレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２は、製造プラント内で制御された様式で製造され、一体成型前にプレテンショニングされ、円柱１０の外側になる部分にホールが提供され、それを介して高品質鋼製ストランド１５が引かれる。これらは、設置後、ピストン３０の重り装填３１から取得される静水圧に等しい、高品質鋼製ライナ１１の付加抵抗との平衡を保つために必要なフープ応力まで、現場でポストテンショニングされるため、壁内のコンクリートは、最大効率のためにピストンの位置に関わらず圧縮されたときにのみ働くことになる。また、プレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２には、縁部で、製造プラントから、それらの間での組み立てのための何らかの接続要素７２への何らかのアクセス場所が提供され、また、ストランド・テンショニングデバイスとストランドホールとの間に必要なギャップも提供される。実施形態において、前記ストランドホールは、コンクリートセグメント１２の長さまでの内部環状平行チャネル／ホールの形状を有する。

[018]既製ユニットの組み立て設計が、図５ａに示される。既製要素、すなわちプレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２は、ねじとナットタイプの取り外し可能接続要素７２を用いて適所に取り付けられる。既成要素１２は交互に（垂直にジグザグ状に）取り付けられるため、ストランドホールは図５ａに示されるように途切れなく続くが、連続する接合線は回避する。ピストン３０において、下方の静水圧は非常に高く（２００～５００バール）、上方の静水圧は低い（０～１０バール）ため、一定の／著しい円形せん断力につながる。これを引き受けるために、プレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２は、連続する接合線を回避し、したがって接合部に必要な抵抗を（および、暗黙にコストを）低減させるために、交互に精密に組み立てられる。高品質鋼製ライナ１１の変形を避けるために、高品質鋼製ストランド１５の設置およびテンショニングの後、接続要素７２およびストランド１５の伸張要素へのアクセスポイント、ならびに要素間の接合部は、サイト内で高密度コンクリートを用いて密閉される。

[019]図６を参照すると、地表（後の円柱１０の上部周辺）での提案されるサイト設計が示され、基礎７１は、地形の地形学的特徴および円柱１０の寸法、ならびに、重り３１を含むピストン３０の提案されるその後の重さに従って、寸法が決定される、円形リングの形状に作られる。基礎７１の上に、高密度の鉄筋コンクリートスラブ７０が現場で構築され、円柱１０と同じ提案される直径を有する円柱ネックと共に下方へと続き、プレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２を留める／取り付けるために必要な接続要素７２も含む。建設は、既製品１２の設置、ストランド１５の設置、高品質鋼製ライニング１１の取り付けのために、掘削の底部からの容易なアクセスを保証するように、設計されたプレテンショニングされたプレキャスト・コンクリートセグメント１２のサイズに応じて、ステージ内を下方へ掘り下げることによって実施される。設計された設置の最低（最下）レベルに達すると、底部逆ドーム４０は鉄筋補強され、サイト内でフォームコンクリートが注入され、逆底部ドームの鉄筋補強、および、給水－排水口２９のために高圧チャネル２０に接続された何らかのクランプ耳４１を提供し、水循環のためにクランプ耳４１の間に空間が提供される。つかみ突起は、高圧チャネル２０によって印加される上方への力の放出が、底部逆ドーム４０の補強に向かうものであることを保証しなければならない。逆ドームは、独自のシステム重りを使用して高圧チャネルを固定させるために必要な基礎を提供する範囲で設計され、したがって建設コストがさらに削減される。

[020]高圧チャネル２０は、高品質スチール（たとえば、ＥＮ１００２７－２に従ったスチール１．５４２３であるが、他の使用可能な変形態を除外するものではない）で作られ、１～１０ｍの間の直径Ｄを有し、サイトアクセス制約およびコスト分析に依存して、３～１２ｍの間の長さのセクション内の製造施設で製造される。スチールセグメントが製造され、表面は１ｍｍより良好な許容誤差で補正され、端部では、最小の条痕がピストン円形ウォータシール／絶縁ガスケット３３にさらされることを可能にするために、接合フランジが提供される。接合部の詳細は図３に示されており、上部セクション２１は、精密なさね継ぎ２６によって下部セクション２２に取り付けられ、固定グリップは、対応するフランジ２７、および、たとえばねじとナットタイプの取り外し可能接合要素２５を用いて、高圧チャネル内部に作られる。セクション間の接合部では、好ましくは環状の何らかのゴム製ガスケット２４に対応する、好ましくは半環状のホールが、フランジに提供される。

[021]図４には、重ピストン３０の設計が示される。ピストンは、プラント内で製造されたスチールで作られ、現場で取り付けられる。ピストン３０は、たとえば鋼板セグメントで構築可能であり、設計された形を形成するように組み立てられた、中央が切り抜かれた先端を伴う円形セクタの形状を有する。このピストン３０は、均一に分散された静荷重のみにさらされ、実際には、圧力差を伴う２つの区域間の隔膜にすぎない。したがって、ピストンの変形を避けるためには、スチールＴプロファイルで作られる支持グリッドで十分である。ピストン３０には、ピストンが上下に移動する間に、ピストンの所望の水平位置を保証するために、円柱内部でピストンをガイドする役割を有する、ローラーガイド３５が提供される。ガイドは、各設置に依存して、個々の場合に応じた数およびサイズで作られる。図４に示された提案される設計では、ローラーガイド３５は、ピストン３０の上部表面に設置される、スチールプロファイルで作られた直角三角形の形状を有する。ピストン３０上には、高容量質量密度を備える材料のブロック（３１）が設置／固定され、ブロックはプラント内で製造され、経時的劣化を避けるために、水との接触から分離される。ブロック３１は、ガイド３５によって必要とされる抵抗を最小限にするためにピストン３０のアンバランスを回避する順序で、（設置および可能な保守動作中に）ピストンから装荷および除荷される。

[022]ピストン３０の下部表面上の、図４に示されるような円柱の鋼製ライニングに向かう外側下端上では、円柱１０の鋼製ライナ１１に関して、円形水圧絶縁ガスケット（ａ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｇａｓｋｅｔ）３２上の圧力を勾配で放出するように設計された、モノリシック・スチールガイド３６が提供される。ピストン３０が高圧チャネル２０を介して移動する中央部分でも、円形水圧絶縁ガスケット３３上の圧力を、高圧チャネル２０の外側壁へと勾配で放出するように設計された、モノリシック・スチールガイド３７が提供される。

[023]電気エネルギー入力（吸収）システム６０は、電気エネルギー生成（生産）システム５０とは別個である。これによって、最適化された高効率の電気および水圧式機器の使用が可能になる。電気エネルギーの生産は、水の低消費を保証する衝動タービン、たとえばペルトンタービンを用いて行われるため、システムは、水１立方メートル当たりの貯蔵されるエネルギー量を増加させることができる。システムは、入力レベルを出力レベルに対して完全に異なるものにできるという意味で、アンバランスに寸法を決定することもできる（たとえば、オフピーク時間帯中のフルローディングおよびピーク時間帯中のアンローディング）。

[024]発電システム５０は、発電機に接続された、１つまたは複数のペルトンタービンを含み得る。発電システム５０は、流量調節を備える典型的なペルトンシステムとすることができるため、タービン内の吸気弁の線形制御を介して、設置容量の０から１００％の間の連続電力生産の変動を伴う。エネルギー入力（吸収）システム６０は、調整可能量のエネルギーを吸収すること、および高効率を取得することを可能にするために、いくつかの高圧ポンプを含み、ポンプのセットは、１つまたは２つのみが変流量であり、残りは流量および圧力が固定されているため、より安く、より効率的であり、整備は少ない。エネルギー入力システム６０の設計は、固定電力ステップのために固定されたパワー同期式電気モータを使用すること、および、線形調整可能値のために可変パワー電気モータを使用することによって、電力伝達効率を最大にする。

[025]たとえば風力発電所の場合、制御様式で電気を連続して吸収するために、電気エネルギー吸収システム（入力システム）（６０）には、固定定格出力を備え、調整要素のない、電気モータに取り付けられた、一定圧力および一定流量のいくつかのポンプが提供され、低コスト、少整備、および高効率である。０～１００％の範囲内で継続的に調整するために、一定圧力であるが変流量の、電気モータが取り付けられた１つまたは２つのポンプを使用し、提供された電力制御システムが使用される。これらの可変システムは、吸収されるために必要な電力の方向および変動速度に関わらず、コントローラがエネルギー吸収を継続的に調整できるように、固定システムに比較して１５０％のユニット容量を有する。

[026]好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者であれば、多くの代替、改変、および変形が明らかになることを理解されよう。したがって、添付の特許請求の範囲に示されるような、その適用例の趣旨および範囲内に入るこうしたすべての代替、修正、および変形態を含むことが意図される。

Claims (8)

1. 水で満たされた円柱（１０）の形状のタンク内に置かれたピストン（３０）と、
   前記タンクの底部からの水流を、地表面に位置する発電機に結合された衝動水力タービンにつなぐ、垂直戻りパイプにより形成された高圧チャネル（２０）と
   を備えた組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記ピストン（３０）は、均一な質量分布のために前記ピストンの表面上に対称的に固定されたブロック（３１）により加重され、
   前記ピストン（３０）は、鉄筋コンクリート壁を備え鋼製ライナ（１１）によって覆われた内面を有する前記タンク内部で、該ピストン（３０）を垂直に持ち上げることによって、ポテンシャル重力エネルギーを蓄積させる役割を有し、
   前記ピストン（３０）は、ローラーガイド（３５）を用いて前記タンクの前記壁上をガイドされ、
   前記ピストン（３０）の中央には円形開口が設けられ、
   前記高圧チャネル（２０）は、前記タンクにおいて、該タンクの形状である円柱の軸に沿って位置付けられ、前記円形開口を通り、
   前記ピストン（３０）には、前記タンクの前記鋼製ライナ（１１）に関して第１絶縁ガスケット（３２）が、前記高圧チャネル（２０）に関して第２絶縁ガスケット（３３）が設けられ、前記第１絶縁ガスケット（３２）および前記第２絶縁ガスケット（３３）は、前記ピストン（３０）の周囲からの漏れを防ぐためのスライド式ガスケットであり、
   前記高圧チャネル（２０）は、前記タンクの底部から、前記衝動水力タービンを使用する発電システム（５０）へと加圧水を導き、
   前記発電システム（５０）により電力生産のプロセス内で使用される前記水は、大気圧で戻りチャネル（２５）を介して前記タンク内へと前記ピストン（３０）上方で放出され戻り、
   前記組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムは、電気ネットワークからの電気エネルギーの入力および貯蔵のサイクルのための電気エネルギー入力システム（６０）も備え、
   前記電気エネルギー入力システム（６０）はポンプを備え、
   前記ポンプは、前記戻りチャネル（２５）を介して前記ピストン（３０）上方から前記水を取り込み、取り込んだ前記水を前記ピストン（３０）下方の前記高圧チャネル（２０）内へと導入し、前記ピストン（３０）を上昇させる
   ことを特徴とする、組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
2. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記タンクは、地表面下に構築され、ストランドホールが設けられた円柱シェルセグメント（１２）の形のプレキャスト・コンクリートセグメントを接合することによって組み立てられる前記壁を有し、
   前記プレキャスト・コンクリートセグメントは、鋼製ストランド（１５）でポストテンショニングされ、
   前記タンクの頂部から下方へと続く、基礎（７１）上に存在する鉄筋コンクリートスラブ（７０）が設けられ、前記タンクの前記頂部に設けられた前記鉄筋コンクリートスラブ（７０）は、該タンクの形状である円柱と同じ直径を有する円形カラーを形成し、
   前記タンクの底部において逆ドーム（４０）が設けられ、
   前記タンクの前記壁は、前記ピストン（３０）が容易にスライドできるように、鋼製ライナ（１１）を用いて内側において裏打ちされ、
   動作中の地中での膨張および圧縮を引き受けること、ならびに、前記地中からの水に対して前記タンクを保護することを可能にする役割を有する防水加工（１９）が、前記タンクの外側において施される、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
3. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記ピストン（３０）は、スチールで作られ、
   前記ピストン（３０）の上部表面上には、前記ブロック（３１）と、前記ピストン（３０）の水平位置を保証する役割を有する前記ローラーガイド（３５）とが取り付けられ、
   前記ピストン（３０）の下部表面上には、該ピストン（３０）の縁部に、前記タンクの前記鋼製ライナに関して傾いた向きで前記第１絶縁ガスケット（３２）に圧力をかけるスチールガイド（３６）が設けられ、
   前記ピストン（３０）が前記高圧チャネル（２０）と交差する中央部分には、前記高圧チャネル（２０）の外側壁に関して傾いた向きで前記第２絶縁ガスケット（３３）に圧力がかかることを保証するために、スチールガイド（３７）が設けられ、
   前記第１絶縁ガスケット（３２）および前記第２絶縁ガスケット（３３）は円形水圧絶縁ガスケットでもある、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
4. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記高圧チャネル（２０）は、スチールで作られた、上端に少なくとも１つのエルボを備える円柱パイプであり、少なくとも上部セクション（２１）と下部セクション（２２）とにより構成され、
   前記上部セクション（２１）の少なくとも１つの端部及び前記下部セクション（２２）の少なくとも１つの端部には、接合フランジ（２７）が設けられ、
   上部セクション（２１）は、下部セクション（２２）に、さね継ぎ（２６）によって取り付けられ、前記接合フランジ（２７）および取り外し可能接合要素（２５）を用いて前記高圧チャネル（２０）内部で固定され、
   前記上部セクション（２１）と前記下部セクション（２２）との間の接合部には、ゴム製ガスケット（２４）に対応するホールが設けられた、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
5. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記ピストン（３０）には、前記タンクの前記鋼製ライナ（１１）に関して傾いた向きで前記第１絶縁ガスケット（３２）に圧力をかけるように設計されたスチールガイド（３６）が設けられ、
   前記第１絶縁ガスケット（３２）は円形水圧絶縁ガスケットでもある、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
6. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記ピストン（３０）には、前記高圧チャネル（２０）の外側壁に関して傾いた向きで前記第２絶縁ガスケット（３３）に圧力をかけるように設計されたスチールガイド（３７）が設けられ、
   前記第２絶縁ガスケット（３３）は円形水圧絶縁ガスケットでもある、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
7. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、前記ポンプは、
   固定定格出力を備え、電力／速度調整のない電気モータによって駆動される複数の一定圧力および一定流量のポンプと、
   一定圧力であるが変流量の、電力／速度制御調整が設けられた電気モータによって駆動される１つまたは複数のポンプと
   を含む、組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。
8. 請求項１に記載の組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システムであって、
   前記発電システム（５０）は、０～１００％の範囲内で調整可能な出力電力の範囲を有し、前記衝動水力タービンを備え、
   前記衝動水力タービンは、前記発電機に接続され、各々が０～１００％の範囲内の流量制御を伴う１つまたは複数のタービンを含む、
   組み合わされた重力水圧式電気エネルギー貯蔵システム。

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