JP7470126B2 - 風力エネルギー生成器システム - Google Patents

Description

本出願は、参照により本明細書にその全体が組み込まれている、２０１９年１月２５日に出願した米国仮特許出願第６２／７９６，９２４号の利益を主張するものである。

本発明は、一般に、クリーン・エネルギー・デバイスに関し、より詳細には、エネルギーを生成することと、後で電気を生成する際に使用するために前記エネルギーを蓄積することとが可能な風力エネルギー生成器に関する。

多くの国において、化石燃料エネルギー源に対するそれらの依存を制限し、より再生可能で、環境に優しいエネルギー源に転換することがより重要になりつつある。そのような代替エネルギー源のうちのいくつかは、太陽光エネルギーと、水力発電エネルギーと、風力エネルギーとを含み得る。風力の利用は、特に、化石燃料の代替としてますます普及しつつある。

電気を生成するための風力の利用は、一般に、ウィンド・タワーの最上部に発電機を配置することと、風を捕らえて発電機を駆動するために回転するファン・ブレードを使用することとを含む。発電機によって生成された電気は、次いで、電気をユース・ポイント（point of use）に運ぶ電力グリッド又は電力システムに供給される。多くのウィンド・タワー発電機が一箇所に配置されると、しばしばウィンド・ファームと呼ばれるものになる。

しかしながら、このようにして電気を生成するとき、いくつかの制限が生じる。たとえば、電気がグリッドの電線に沿ってより遠くに進まなければならないほど、グリッドを形成する材料のコストはかなり高くなり、電力における伝送損失が出る。しばしば、グリッドの長さに沿ってエネルギーを昇圧するために変圧器が必要とされ、電線自体における熱損失により、さらなる電力が失われ得る。これらのシステム及び電力グリッドの保守もコストがかかる。

より重要なことには、ウィンド・タワーのサイトにおける電気の生成には別の問題もある。電力は容易に蓄積され得ず、かつ確実に大規模には蓄積され得ないことから、電力をすぐに使用する必要があることは、電気の生成において本質的なものである。したがって、ウィンド・タワー発電機によって生成された電気は、即座に使用される必要があるか、さもなければ無駄になるか又は失われる。これは、このタイプの発電機を動作させるコストを大いに増加させ得、そのコスト増加は一般に消費者に転嫁される。

したがって、上述の問題のうちの少なくとも１つを解決することができる風力エネルギー生成システムの必要性が確実にある。たとえば、風力エネルギー生成システムが、電気を生成するのに後で使用するために、及び生成ポイントから離れたところで、エネルギーを生成することができることが必要である。

本発明は、風の中に含まれている一時的エネルギーを捕捉し、それを、後で電気を生成する際に使用するために蓄積可能なエネルギーの形態に変換することが可能である、新規の効率的なエネルギー生成器システムを対象とする。本エネルギー生成器システムは、流入空気を圧縮するための空気圧縮機と、ロータの上を流れる風に応答して圧縮機を動作させるためのロータとを含む、圧縮システムを含む。ロータは、空気圧縮機を動作させるために風の直線的な力を回転機械エネルギーに変換する。空気吸入（air intake）システムは、空気圧縮機に清浄な周囲空気を供給するために与えられ、蓄積システムは、空気圧縮機によって生成された圧縮空気を蓄積するために与えられ得る。圧縮システム及び吸気システムは、ロータを支持するためのヘッドと、風のエネルギーを捕捉するために十分な高さにロータを配置するための細長いパイロン（pylon）とを有する、ウィンド・タワー中に収容され得る。エネルギー生成器システムは、より高い量の圧縮空気エネルギーが所与の蓄積システム内に蓄積されることを可能にするために圧縮空気を冷却するための冷却システムと、電気を生成するために圧縮空気エネルギーを変換して回転機械エネルギーに戻すための変換システムとをさらに含み得る。

本発明の第１の実装形態では、エネルギー生成器システムは、空気を吸入するように構成された空気吸入システムと、風によって回転させられるように構成されたロータと、空気圧縮機を備える空気圧縮システムとを備える。エネルギー生成器システムは、ロータが回転しており、それによって空気圧縮機に動力供給している動作構成を採用するように構成され、空気圧縮機は、空気吸入システムと流体連通しており、空気吸入システムから空気を受け、空気圧縮機は、空気吸入システムから受けた空気を圧縮しており、圧縮空気を生成している。

第２の態様では、エネルギー生成器システムは、空気圧縮システムから圧縮空気を受け、圧縮空気を蓄積するように構成された圧縮空気蓄積システムをさらに含み得る。

別の態様では、圧縮空気蓄積システムは、少なくとも１つの貯蔵タンクと、少なくとも１つの貯蔵タンクを空気圧縮システムに接続する空気流出（outflow）ラインとを含み得る。

別の態様では、圧縮空気蓄積システムは、空気圧縮システムから受けた圧縮空気を冷却するように構成された冷却システムをさらに含み得る。

別の態様では、冷却システムは、ブラダー（bladder）と、冷却剤と、冷却剤の供給源とを含み得る。ブラダーは、空気圧縮システムからの圧縮空気を受け、収容するように構成され得る。冷却剤は、ブラダー内に収容された圧縮空気を冷却するためにブラダーを囲み得る。冷却剤の供給源は、ブラダーの周囲に冷却剤を与え得る。

別の態様では、冷却システムは、冷却剤から熱を取り除くための熱交換器をさらに含み得る。

別の態様では、空気圧縮システムは、空気圧縮機から受けた圧縮空気を冷却することによってより低温の圧縮空気を生成するように構成された１つ又は複数の中間冷却器（intercooler）をさらに含み得る。

別の態様では、エネルギー生成器システムは、１つ又は複数の中間冷却器からより低温の圧縮空気を受け、そのより低温の圧縮空気を蓄積するように構成された圧縮空気蓄積システムをさらに含み得る。

別の態様では、空気圧縮システムは、ロータを空気圧縮機に接続し、ロータからの回転エネルギーを空気圧縮機に伝達するように構成されたドライブ・トレイン（drive train）をさらに含み得る。

別の態様では、エネルギー生成器システムは、空気圧縮システムを格納し、風が当たるように十分な高さに支持するウィンド・タワーをさらに含み得る。ウィンド・タワーはハブ（hub）と細長いパイロンとを含み得、ハブはロータと空気圧縮システムとを支持し、パイロンはハブを支持する。

別の態様では、空気吸入システムはパイロン内に収納され得る。

別の態様では、空気吸入システムは、パイロン内に配置される空気チャンバを含み得、空気チャンバの内側と流体連通している空気吸入ポートをさらに含み得る。

別の態様では、空気チャンバは、空気循環デバイスによって分離された上側空気チャンバ・セクションと下側空気チャンバ・セクションとを特徴的に有し得る。下側空気チャンバ・セクションは、空気吸入ポートから空気を受けるように構成され得る。今度は、空気循環デバイスは、空気圧縮システムに向かって下側空気チャンバ・セクションから上側空気チャンバ・セクションに通る空気中に渦を生成するように構成され得る。

別の態様では、空気吸入システムは、空気チャンバ内に配置され、空気チャンバを通って空気吸入ポートから空気圧縮システムに向かって流れる空気によって搬送される粒子をろ過するように構成された、フィルタをさらに含み得る。

別の態様では、フィルタは、空気チャンバの内側側壁から離間した、空気チャンバの中央エリア中に配置され得る。

別の態様では、エネルギー生成器システムは、空気圧縮システムによって生成された圧縮空気を電気に変換するように構成された変換システムをさらに含み得る。

別の態様では、変換システムは少なくとも１つの気流（air stream）生成器と発電機とを含み得る。少なくとも１つの気流生成器は、空気圧縮システムによって生成された圧縮空気を受け、受けた圧縮空気を回転機械エネルギーに変換するように構成され得る。発電機は、少なくとも１つの気流生成器によって生成された回転機械エネルギーによって動力供給されたときに電気を生成するように構成され得る。

別の態様では、少なくとも１つの気流生成器は複数の気流生成器と複数の弁とを含み得る。複数の弁は、空気圧縮システムから複数の気流生成器の各気流生成器への圧縮空気の流れを調整するように動作可能であり得る。

本発明のこれら及び他の目的、特徴、並びに利点は、添付の図面及び以下の好ましい実施例の詳細な説明からより容易に明らかになるだろう。

以下で、同様の名称が同様の要素を示す、本発明を限定するのではなく例示するために与えられる添付の図面と併せて本発明の好ましい実施例について説明する。

エネルギー生成器システムが第１のタイプの空気圧縮機を備える、本発明のエネルギー生成器システムの例示的な実施例を示す側面概略図を提示する図である。 エネルギー生成器システムが第２のタイプの空気圧縮機を備える、本発明のエネルギー生成器システムの例示的な実施例を示す側面概略図を提示する図である。 本発明のエネルギー生成器システムのウィンド・タワーの正面概略図を提示する図である。 空気循環デバイスの分離された上面図を示す、本発明のエネルギー生成器システムのウィンド・タワーの一部分の側面概略図を提示する図である。 本発明のエネルギー生成器システムのウィンド・タワーの空気吸入システムを通る風の流れの方向を示す、図４と同様の、側面概略図を提示する図である。 エネルギー生成器システムを通る風の流れの方向、及びウィンド・タワー貯蔵タンクと、複数のエネルギー生成器システムに関連付けられたウィンド・パーク貯蔵タンク（wind park storage tank）とを含むオンサイト（on-site）圧縮空気貯蔵タンク・システムへの圧縮空気の伝達を示す、本発明のエネルギー生成器システムの側面概略図を提示する図である。 オンサイト圧縮空気貯蔵タンク・システムと、伝達ラインと、本発明のエネルギー生成器システムに関連付けられ、エネルギー生成器システムのオンサイト圧縮空気貯蔵タンク・システムから下流に位置する複数の地下主貯蔵タンクを含むオフサイト（off-site）圧縮空気貯蔵タンク・システムとの側面概略図を提示する図である。 追加の地下主貯蔵タンクを通したオフサイト・システム容量の拡大の可能性を示す、本発明のエネルギー生成器システムに関連付けられたオフサイト圧縮空気貯蔵タンク・システムの側面概略図を提示する図である。 オフサイト圧縮空気貯蔵タンク・システムと、圧縮空気エネルギーを電気エネルギーに変換するための、本発明のエネルギー生成器システムに関連付けられた、エネルギー変換システムとの側面概略図を提示する図である。 動作可能な気流制御弁によって制御されるように複数の空気タービン中に圧縮空気を選択的に供給する動的マニホルド構成をさらに示す、圧縮空気エネルギーを電気エネルギーに変換するための、本発明のエネルギー生成器システムに関連付けされた、オフサイト圧縮空気貯蔵タンク・システム及びエネルギー変換システムの側面概略図を提示する図である。 本発明のエネルギー生成器システムの圧縮空気冷却システムの側面概略図を提示する図である。 安定した空気の流れ状態中の図９の圧縮空気冷却システムの側面概略図を提示する図である。

図面の複数の図全体にわたって同様の参照番号は同様の部分を指す。

以下の詳細な説明は、本質的に例示的なものにすぎず、説明した実施例、又は説明した実施例の適用及び使用を限定するものではない。本明細書で使用する際、「例示的な（exemplary）」又は「例示的な（illustrative）」という単語は、「例（example、instance、又はillustration）の働きをする」ことを意味する。本明細書で「例示的な（exemplary）」又は「例示的な（illustrative）」として説明されるいかなる実装形態も、必ずしも他の実装形態より好ましい又は有利であると解釈されるとは限らない。以下で説明する実装形態のすべては、当業者が本開示の実施例を作製又は使用することを可能にするために与えられる例示的な実装形態であり、特許請求の範囲によって定義された本開示の範囲を限定するものではない。本明細書での説明の目的で、「上側」、「下側」、「左側」、「後方」、「右側」、「前方」、「垂直」、「水平」という用語、及びそれらの派生語は、図１において配向されているように本発明に関係するものとする。さらに、先行する技術分野、背景、概要又は以下の詳細な説明において提示されたいかなる明示若しくは暗示された理論によっても制限される意図はない。また、添付の図面に示され、以下の仕様において説明される特定のデバイス及びプロセスは、添付の特許請求の範囲に定義される発明的概念の例示的な実施例にすぎないことを理解されたい。したがって、本明細書で開示される実施例に関する特定の寸法及び他の物理的特性は、特許請求の範囲が別段に明記しない限り、限定的であると考えるべきでない。

図全体にわたって示されているように、本発明は、風の力を利用し、風の直線的エネルギーを、後で電気を生成する際に使用するための蓄積可能な圧縮空気エネルギーを生成するために使用される機械的に生成される回転エネルギーに変換することが可能である、便利で経済的なエネルギー生成器システムを対象とする。

最初に図１を参照すると、風力空気圧縮システムとして構成された、本発明の例示的な実施例によるエネルギー生成器システム１００が示されている。図示のように、エネルギー生成器システム１００は、概して、空気圧縮システム１１０と、空気圧縮システム１１０に清浄な空気の流れを供給するための空気吸入システム１１２と、圧縮システム１１０によって圧縮された空気の蓄積のための圧縮空気蓄積システム１１４とを含む。圧縮空気蓄積システム１１４は、圧縮システム１１０によって与えられた圧縮空気をある時間期間の間蓄積し、蓄積された圧縮空気を、圧縮空気エネルギーが需要に応じて電気に変換され得る場所までの距離にわたって伝達し得る。図示のように、空気吸入ライン１１６が空気吸入システム１１２と圧縮システム１１０との間に延び、圧縮空気流出ライン１１８が圧縮システム１１０と圧縮空気蓄積システム１１４との間に延びる。

圧縮システム１１０は、自然発生的で直線的に移動する風の変動する一時性エネルギー又は力を、圧縮空気の形態で不変形態の蓄積されたエネルギーに変換するために与えられる。空気圧縮システム１１０は、空気圧縮機１２０と、空気圧縮機１２０に移動可能に取り付けられ、空気圧縮機１２０を駆動するように構成された多翼ファン又はロータ１２２とを含む。ロータ１２２は、ロータ１２２の上を通る風によって回転させられ、風のエネルギーを吸収し、直線的に移動する風に含まれているエネルギーを回転機械エネルギーの形態に変換するように構成される。回転機械エネルギーはドライブ・トレイン１２４を通してロータ１２２から空気圧縮機１２０に伝送される。特に、ロータ１２２はドライブ・トレイン１２４のロータ・シャフト１２６上に取り付けられている。ドライブ・トレイン１２４は、さらに、ロータ・シャフト１２６に接続されたギア・アセンブリ１２８と、ギア・アセンブリ１２８を空気圧縮機１２０に接続するドライブ・シャフト１３０とを含む。ロータ１２２の回転エネルギーは、ロータ・シャフト１２６を通り、ギア・アセンブリ１２８を通り、ドライブ・シャフト１３０を介して空気圧縮機１２０上に伝達される。ギア・アセンブリ１２８は、空気圧縮機１２０によるより効率的な使用のために、システムの回転毎分すなわち「ｒｐｍ」のレートを、ロータ１２２におけるより遅いｒｐｍからドライブ・シャフト１３０におけるより高いｒｐｍに上げるために与えられる。このようにして、ロータ１２２に当たり、ロータ１２２を駆動する風の概して直線的な力は、空気圧縮機１２０による使用のために圧縮システム１１０によって機械的回転エネルギーに変換される。

いくつかの実施例では、図１に示されているように、空気圧縮機１２０は、流入空気を圧縮し、圧縮空気を圧縮空気蓄積システム１１４に伝達することが可能なドリル又はスクリュー型圧縮機を備えることができるとともに、始動トルクが低くて済み、大きい体積の空気を移動させることが可能であるので、システムはより効率的になり、より低い風速で動作することが可能になる。他のより好ましい実施例では、たとえば図２に示されているように、空気圧縮機１２０は、大きい空気体積及び圧力を供給することが一般に可能なタイプの圧縮機である、遠心空気圧縮機を備えることができる。簡単のために、別段に明記されていない限り、以下で空気圧縮機１２０に対して行われる参照は、いずれかのタイプの空気圧縮機１２０（図１のドリル若しくはスクリュー型空気圧縮機、又は図２の遠心空気圧縮機）に、或いは圧縮システム１１０中に潜在的に含まれ得る代替タイプの空気圧縮機に不明瞭に適用される。さらに、別段に明記されていない限り、図２に対して行われる参照は図１にも適用される。

図１及び図２に示されているように、エネルギー生成器システム１００の空気吸入システム１１２は空気吸入ポート１３２と空気チャンバ１３４とを含む。空気吸入ポート１３２は、エネルギー生成器システム１１０の外側から周囲空気を受け、周囲空気が空気チャンバ１３４中に入ることを可能にする。マイクロ・フィルタ１３６が空気チャンバ１３４中に与えられ、空気吸入ライン１１６を通して空気圧縮機１２０に接続される。より詳細には、空気吸入ライン１１６の第１の端部１３８は、空気圧縮機１２０の空気吸入口又は空気入口（air inlet）１２１ａに接続され、空気吸入口又は空気入口１２１ａと流体連通しているが、空気吸入ライン１１６の第２の端部１４０は、マイクロ・フィルタ１３６に接続され、マイクロ・フィルタ１３６と流体連通している。図２は、概略的に描写されており、空気吸入ライン１１６の第１の端部１３８を空気入口１２１ａに接続するラインを省略しているが、そのようなラインは、空気入口１２１ａが概して遠心空気圧縮機１２０の中心に配置されるので、説明の明快のみのために省略されていることに留意されなければならず、空気吸入ライン１１６の第１の端部１３８が空気入口１２１ａに接続され、空気入口１２１ａと流体連通していることが同様に理解されるべきである。

引き続き図１及び図２を参照すると、使い捨てであり得るマイクロ・フィルタ１３６は、周囲空気中に存在し得る汚染物質及び微粒子をフィルタで除去し、空気圧縮機１２０に清浄な外気の供給源を与えるために与えられる。以下でより詳細に説明するように、周囲空気を空気吸入ポート１３２からマイクロ・フィルタ１３６に移動することと、マイクロ・フィルタ１３６による空気の清浄化とを促進するために、空気循環デバイス１４２が空気チャンバ１３４内に与えられ得る。以下でより詳細に説明する空気循環デバイス１４２はデブリ・リムーバとしても働き得る。

圧縮空気蓄積システム１１４は、後で圧縮空気を電力に変換する際に使用するために圧縮空気を蓄積するために与えられる。好ましい実施例では、圧縮空気蓄積システム１１４は１つ又は複数の圧縮空気貯蔵タンクを含む。異なる実施例では、１つ又は複数の貯蔵タンクは、ローカルであるか又はエネルギー生成器システム１１０に隣接するか、２つ又はそれ以上のエネルギー生成器システム１１０によって共有されるか、リモートであるか又はエネルギー生成器システム１１０から物理的に離れているか、或いはそれらの組合せであり得る。たとえば、図１及び図２に示されているように、圧縮空気蓄積システム１１４は、エネルギー生成器システム１１０内に位置するか又はエネルギー生成器システム１１０に隣接する１次貯蔵タンク１４４を含むことができる。

圧縮システム１１２の空気圧縮機１２０によって圧縮された空気は、圧縮空気流出ライン１１８を通して圧縮空気蓄積システム１１４に伝達又は供給される。図１に示された例など、いくつかの実施例では、圧縮空気流出ライン１１８の第１の端部１４６が、圧縮システム１１０の空気圧縮機１２０の空気出口（air outlet）１２１ｂに接続され、空気出口１２１ｂと流体連通している。図２に示された例など、他の実施例では、空気圧縮機１２０の空気出口１２１ｂは、代わりに、一連の１つ又は複数の中間冷却器（intercooler）１９０の空気入口１９２に接続され、圧縮空気流出ライン１１８の第１の端部１４６は、１つ又は複数の中間冷却器１９０の空気出口１９４に接続され、空気出口１９４と流体連通している。両方の例において、圧縮空気流出ライン１１８の第２の端部１４８が圧縮空気蓄積システム１１４に接続され、圧縮空気蓄積システム１１４と（たとえば、圧縮空気蓄積システム１１４の１次貯蔵タンク１４４と）流体連通している。

随意に圧縮システム１１０中に含まれ、空気圧縮機１２０の下流に与えられ得る、上述の１つ又は複数の中間冷却器１９０は、空気圧縮機１２０によって生成された圧縮空気を圧縮空気蓄積システム１１４に供給する前に、圧縮空気を冷却するように構成される。１つ又は複数の中間冷却器１９０は、１つ又は複数の冷却剤取入れライン（coolant intake line）１９６を介して１つ又は複数の中間冷却器１９０中に供給された冷却剤と熱を交換することによって、空気圧縮機１２０によって生成された圧縮空気を冷却し得る。暖められた冷却剤は、暖められた冷却剤出口ライン１９８を介して１つ又は複数の中間冷却器１９０から抽出され得、暖められた冷却剤によって運ばれた熱は、随意に、工業プロセスなど、他の目的のために使用され得る。１つ又は複数の中間冷却器１９０は遠心空気圧縮機１２０と一緒に示されているが、図面に示されたこの特定の組合せは、限定的であるとして理解されるべきでないことに留意されなければならない。たとえば、１つ又は複数の中間冷却器１９０は代替のタイプの空気圧縮機（たとえば、図１のドリル又はスクリュー型空気圧縮機１２０）とともに使用され得、別の例では、遠心空気圧縮機１２０の後に上述の１つ又は複数の中間冷却器１９０が来ないことがある。

次に図３を参照すると、エネルギー生成器システム１１０は、圧縮システム１１０と空気吸入システム１１２とを支持し、格納するためのウィンド・タワー１５０を含む。ウィンド・タワー１５０は、エネルギー生成器システム１００の出力を最適化するために、典型的には確実に一定な風の流れを受ける場所に配置され、取り付けられ得る。いくつかの実施例では、各々がそれらのそれぞれのウィンド・タワー１５０をもつ複数の圧縮システム１１０が一緒に配置され、後で電気に変換するためにかなりの量の清浄で効率的な蓄積されたエネルギーを与えることができるウィンド・パーク（図示せず）を形成し得る。図３に示されているように、開示されたウィンド・タワー１５０は、細長いタワー・パイロン１５２と、タワー・パイロン１５２の最上端１５６上に取り付けられたヘッド又はハブ１５４とを含む。タワー・パイロン１５２は空気吸入システム１１２を格納する。空気吸入ポート１３２は、タワー・パイロン１５２に取り付けられ、タワー・パイロン１５２を通って延びるが、タワー・パイロン１５２の内側１５８（図４）は空気吸入システム１１２の空気チャンバ１３４とマイクロ・フィルタ１３６と空気循環デバイス１４２とを格納する。空気吸入ポート１３２は空気チャンバ１３４と流体連通している。

今度は、ウィンド・タワー１５０のハブ１５４は、圧縮システム１１０のロータ１２２を支持し、空気圧縮機１２０と、ドライブ・トレイン１２４と、（適用可能な場合）圧縮システム１１０の１つ又は複数の中間冷却器１９０とを格納する。パイロン１５２は、ハブ１５４、したがってロータ１２２を持続的な風の経路中に配置するのに十分な高さがある。いくつかの実施例では、ハブ１５４は、ロータ１２２が、あらゆる方向から吹き寄せる自然発生する風を利用するために最も好適に配置又は配向され得るように、垂直回転軸の周りなど、タワー・パイロン１５２の最上端１５６上に回転可能に取り付けられ得る。

図４に最も良く示されているように、空気循環デバイス１４２は、空気吸入ポート１３２とマイクロ・フィルタ１３６との間の空気チャンバ１３４の内側１６０内に配置される。空気循環デバイス１４２は、中央ハブ１６６上に取り付けられた複数の静的ファン・ブレード１６４を囲むハウジング１６２を含む。空気チャンバ１３４の内側１６０内の空気循環デバイス１４２の位置は、空気チャンバ１３４を下側チャンバ・セクション１６８と上側チャンバ・セクション１７０とにそれぞれ分離する。今度は、同図に示されているように、マイクロ・フィルタ１３６は、以下で説明する目的のために、空間１３７がそれによってマイクロ・フィルタ１３６と内側側壁１３５との間に形成されるように内側１６０に面する空気チャンバ１３４の内側側壁１３５から実質的に離間して、空気チャンバ１３４の内側１６０の（半径方向）中央エリア中に配置される。

図５を参照すると、空気吸入ポート１３２は、下側チャンバ・セクション１６８中に入り、空気循環デバイス１４２を通る周囲空気４００の流れを可能にする。空気圧縮機１２０は、マイクロ・フィルタ１３６を通して空気チャンバ１３４の上側チャンバ・セクション１７０から空気を引き出す。空気循環デバイス１４２は、空気が静的ブレード１６４（図４）を通って移動することができ、静的ブレード１６４の角度により、方向を変え、空気チャンバ１３４中でスピンすることを開始させられ、それによって渦を形成するとともに、最初に周囲空気４００を清浄化するために、遠心力がデブリをパイロン１５２に向かって外側に移動させることができるように設計される。空気循環デバイス１４２はまた、空気を空気チャンバ１３４の下側チャンバ・セクション１６８から上側チャンバ１７０セクションに上方にスムーズに移動させる。特に、周囲空気４００は矢印「Ａ」の方向において空気吸入ポート１３２中に引き込まれ、そこで周囲空気４００は空気チャンバ１３４の下側チャンバ・セクション１６８に入る。周囲空気４００は、次いで、空気循環デバイス１４２を通って矢印「Ｂ」の方向において上方に流れ、空気チャンバ１３４の上側チャンバ・セクション１７０中に流れ込む。空気循環デバイス１４２は、周囲空気４００をマイクロ・フィルタ１３６のほうに導く渦中で矢印「Ｃ」の方向において周囲空気４００に渦巻を起こさせ得る。周囲空気４００は、次いで、空気吸入ライン１１６を通って空気圧縮機１２０中に入るために、矢印「Ｄ」の方向においてマイクロ・フィルタ１３６中に引き込まれる。周囲空気４００は空気チャンバ１３４を通って移動させられる際に、周囲空気４００が空気圧縮機１２０に入る前に周囲空気４００が冷却されることに留意されたい。このことは、空気圧縮機１２０にわずかに高い密度の周囲空気４００を与え、空気圧縮を促進する。

次に図６を参照して、風５００の比較的直線的な流れのエネルギーを利用し、風５００の力を回転機械エネルギーに変換し、その回転機械エネルギーを使用して、蓄積し、後で電気を生成する際に使用するために周囲空気４００を圧縮して圧縮空気４１０にする際におけるエネルギー生成器システム１００の動作について、以下に説明する。最初に、ウィンド・タワー１５０のハブ１５４は、風５００からのできるだけ多くのエネルギーを利用するために、ロータ１２２が風５００の中に直接対向しているように配向される。風５００は、ロータ１２２が風５００によって回転軸１２３の周りを回転させられるように、ロータ１２２の上を吹くか、又は流れる。ロータ１２２の回転の速度は、低速で移動する風５００から最大量の回転力を獲得するために、又はロータ・シャフト１２６の過剰回転、したがって空気圧縮機１２０への損傷を防ぐために高速の風５００の中のロータ１２２の回転の速度を低減するために、ロータ１２２の角度又はピッチを調整することによって制御され得る。

ロータ１２２が風５００によって回転させられる際に、ロータ１２２は、ギア・アセンブリ１２８を通してロータ・シャフト１２６、したがってドライブ・シャフト１３０を回転させる。このようにして、風５００の直線的な動力は回転機械エネルギーに変換される。この回転機械エネルギーは、空気圧縮機１２０を動作させるためにドライブ・シャフト１３０によって空気圧縮機１２０に伝達される。空気圧縮機１２０が、図１及び図２、又は本発明の別の実施例では他の図に関して説明した空気圧縮機１２０のうちのいずれか１つを含み得ることを示すために、空気圧縮機１２０はボックスとして概略的に示されていることに留意しなければならない。

空気圧縮機１２０が動作すると、空気圧縮機１２０は、空気吸入ポート１３２を通して周囲空気４００をウィンド・タワー１５０中に引き込むための吸引力（suction）を生成する。具体的には、上記のように、周囲空気４００は、空気吸入ポート１３２を通して空気チャンバ１３４の下側チャンバ・セクション１６８中に引き込まれ、空気循環デバイス１４２を通って上方に流れ、空気チャンバ１３４の上側チャンバ・セクション１７０に入る。これまで説明したように、空気循環デバイス１４２は、下側チャンバ・セクション１６８からの周囲空気４００にスピンすることを開始させ、上側チャンバ・セクション１７０中に供給される渦を形成させるとともに、空気がスピンすることによって生成される遠心力がデブリをチャンバの内側側壁１３５に向けて半径方向外側に射出又は投射するので、側方空間１３７中よりも、マイクロ・フィルタ１３６が位置する中間部（すなわち、上側チャンバ・セクション１７０の半径方向中央エリア）中のほうが、空気がより清浄になる。より清浄な周囲空気４００は、次いでマイクロ・フィルタ１３６中に引き込まれ、そこで周囲空気４００は、空気圧縮機１２０に入る前にさらに清浄化される。清浄化された周囲空気４００は、マイクロ・フィルタ１３６から空気吸入ライン１１６を通って空気圧縮機１２０に入る。空気循環デバイス１４２によって引き起こされたスピンも、効率をより良くするために空気を冷却することができる。

周囲空気４００が、空気吸入ライン１１６を通って空気圧縮機１２０に入ると、周囲空気４００は、空気圧縮機１２０によって圧縮されて圧縮空気４１０の供給源になる。空気圧縮機１２０の動作は、今圧縮された空気４１０を、１つ又は複数の中間冷却器１９０（適用可能な場合）を通って、圧縮空気流出ライン１１８を通って、圧縮空気蓄積システム１１４の１次貯蔵タンク１４４中に押し下げる。本明細書に示されている圧縮空気蓄積システム１１４の１次貯蔵タンク１４４は、ウィンド・タワー１５０のすぐ内側にか、それに隣接してか、又はそれの極めて近くに配置されることに留意されたい。圧縮空気４１０は、以下で説明するように、すぐに又は後日、電気を生成する発電機を動作させるために使用され得る。

引き続き図６を参照すると、上記のように、ウィンド・タワー１５０を含む複数のエネルギー生成器システム１００が、ウィンド・エネルギー・パーク（図示せず）を作るために単一の一般的な場所又はサイトにおいて与えられ得る。単一のサイトに複数のエネルギー生成器システム１００がある場合、これらのエネルギー生成器システム１００によって生成されたすべての圧縮空気４１０は、たとえば、限定はしないが、単一の又は主ウィンド・パーク貯蔵タンク１８０中に蓄積され得る。複数のパーク内移送ライン（in-park transfer line）１８２がエネルギー生成器システム１００の個々の主貯蔵タンク１４４と主ウィンド・パーク貯蔵タンク１８０との間に与えられ得る。

次に図７及び図８を参照すると、本発明によれば、電気を生成するために外気４００を圧縮することによって得られた圧縮空気４１０、したがってそれの中に含まれているエネルギーは、それが電気需要により実際に必要とされるまで蓄積され得る。さらに、圧縮空気４１０の一定の圧力を維持することによって、それの中に含まれているエネルギーは、１つ又は複数の必要ポイントまで長距離にわたって輸送されることが可能である。たとえば、主ウィンド・パーク貯蔵タンク１８０中に含まれている圧縮空気４１０は、１つ又は複数の移送ライン２０２を通してオフサイト貯蔵タンク２００まで一定の圧力で長距離にわたって移送され得る。移送ライン２０２は、たとえば、限定はしないが、圧縮空気テフロン（登録商標）・パイプから形成され得る。図８に最も良く示されているように、本開示によるオフサイト貯蔵の容量は、利用可能なオフサイト貯蔵タンク２００の数のみによって限定され、したがって、蓄積されるエネルギー容量を増加させるために、同じ又は異なる場所における、他のオフサイト貯蔵タンク２００ａの追加によって容易に拡大可能である。

風５００の動力及びエネルギーを捕捉し、そのエネルギーを１つ又は複数のオンサイト１次貯蔵タンク又は主ウィンド・パーク貯蔵タンク中に圧縮空気４００として蓄積し、及び／又はその圧縮空気を１つ又は複数のオフサイト貯蔵タンク２００に移送するための、エネルギー生成器システム１００の準備及び運転は、風５００の動力を電気エネルギーに変換する際の第１のステージを構成する。

図９を参照すると、風５００及び特に圧縮空気４１０の動力を電気に変換する第２のステージが開示されている。この第２のステージにおいて、電気を生成するために発電機３００を動作させるために、圧縮空気４１０内に含まれているエネルギーが変換されて回転機械エネルギーに戻される。ここで、オフサイト貯蔵タンク２００内に含まれている圧縮空気４１０は、移送ライン２０２によって、圧縮空気エネルギーを機械回転力に変換する１つ又は複数の空気タービン又は気流生成器３１０に運搬される。具体的には、圧縮空気４１０が気流生成器３１０中に解放されると、圧縮空気４１０は、膨張し、気流生成器３１０内のファン３１２を回転させる。ファン３１２が回転させられると、それらが今度は、ファン３１２に接続された発電機シャフト３１４を回転させる。発電機シャフト３１４は、今度は、電気を生成するために発電機３００を動作させる。このように、発電機３００及び気流生成器３１０は、圧縮空気４１０中の蓄積されたエネルギーを変換して回転機械エネルギーに戻すための変換システム３２０を形成する。発電機シャフト３１４によって搬送される回転機械エネルギーは発電機３００に伝達され、発電機３００は、次いで顧客又は大衆による使用のために電気を生成する。

このようにして、エネルギー生成器システム１００は、風５００内に含まれているエネルギーを（圧縮空気４１０を生成するために前記エネルギーを使用することによって）捕捉し、エネルギー（圧縮空気４１０）を距離又は需要に応じて後で使用するために蓄積し、その蓄積されたエネルギーを必要に応じて公衆による使用のために電気エネルギーに変換する。

本開示のエネルギー生成器システム１００は、需要に応じて異なる規模の発電所を作るために、異なる規模に容易に有利にスケーリングされ得る。たとえば、これまで説明したように、可変数個の圧縮システム１１０及び関連するウィンド・タワー１５０、及び／又は圧縮空気貯蔵タンクが、エネルギー生成器システム１００をスケーリングするために含まれ得る。さらに、図１０に示されているように、気流生成器３１０の数は、異なる大きさの電力を生成するために変動させられ、さらに、あらゆる規模のシステムに対してフレキシブルであるエネルギー生成器システム１００を得ることに寄与し得る。エネルギー生成器システム１００は、各気流生成器３１０への圧縮空気４１０の流れを制御するように構成された動作可能な弁３３０をさらに含み得る。弁３３０は、システム中に備えられたセンサーから受信したデータに応答可能なように１つ又は複数の電子プロセッサによって制御され、空気圧と、空気体積と、圧縮空気４１０に関連する他の変数とを測定するように構成され得る。これは、エネルギー生成器システム１００によって与えられるべき電気エネルギーの需要に対応するために、複数の気流生成器３１０を重ねることを可能にする。気流が、気流生成器３１０を動作させるには十分でなくなると、弁４１０は、圧力及び体積が回復されるまで各気流生成器３１０を遮断し、それによりエネルギー生成器システム１００をできる限り効率的に保ち得る。したがって、空気タービン又は気流生成器３１０の数は、所望の電力出力、利用可能な圧縮空気（圧縮空気圧）などに応じて動的に調整可能である。

次に図１１及び図１２を参照すると、開示されたエネルギー生成器システム１００の効率を高めるために、１次貯蔵タンク１４４、主ウィンド・パーク貯蔵タンク１８０及び／又はオフサイト貯蔵タンク２００とともに使用するための冷却システム２１０が設けられている。説明の目的で、冷却システム２１０について、オフサイト貯蔵タンク２００に関して説明する。冷却システム２１０は、概して、貯蔵タンク２００内に配置された可撓性の膨張式ブラダー２１２と、貯蔵タンク２００内でブラダー２１２の外側に取外し可能に配置された冷却剤２１４とを含む。移送ライン２０２は、貯蔵タンク２００の内側に格納されたブラダー２１２と流体連通している。冷却剤２１４を貯蔵タンク２００に供給するために冷却剤タンク２１６が設けられ、冷却剤２１４が圧縮空気４１０から熱を吸収する際に冷却剤２１４から余分な熱を取り去るために熱交換器２１８が設けられる。冷却剤タンク２１６は、タンク・ライン２２０を通して熱交換器２１８と流体連通している。たとえば、図示のように、タンク・ライン２２０は、冷却剤タンク２１６の底部と貯蔵タンク２００の底部との間の流体連通を行い得る。冷却剤タンク２１６は、貯蔵タンク２００を冷却剤２１４で、随意にその全体において（すなわち随意に貯蔵タンク２００の最上部２０４まで）充填することに資する重力及び流体圧力を増強するために、概して貯蔵タンク２００よりも高く配置され得る。今度は、熱交換器２１８は、ブラダー・ライン（bladder line）２２２を通してブラダー２１２と流体連通している。ブラダー２１２は、圧縮空気４１０がない場合、ブラダー２１２の形状を維持し、完全な圧潰（collapse）を防ぐことを支援するための、１つ又は複数の内部又は外部ブラダー支持体２２４を含み得る。

使用の際、最初に、ブラダー２１２は概して収縮又は圧潰しており、冷却剤２１２の大部分は貯蔵タンク２００内に保持されている。加圧された圧縮空気４１０が移送ライン２０２を通ってブラダー２１２の内側２２６に入ると、圧縮空気４１０は、ブラダー２１２を拡大し、囲んでいる冷却剤２１４によってより低い温度に冷却されて、冷却圧縮空気４１０ａを形成する。ブラダー２１２が拡大すると、それは、冷却剤２１４を貯蔵タンク２００からブラダー・ライン２２２を通して熱交換器２１８中に押し出し、そこで冷却剤２１４によって吸収された熱が冷却剤タンク２１６からのより低温の冷却剤２１４によって取り去られる。拡大されたブラダー２１２によって加えられた圧力は、随意に、冷却剤２１４を押し上げ、冷却剤タンク２１６中に押し込むことができる。冷却システム２１０は重力送り式（gravity fed）であり、冷却剤タンク２１６は、貯蔵タンク２００よりも高い高さに配置されているので、冷却剤２１４は、貯蔵タンク２００内のブラダー２１２への圧力を常に維持している。

理想気体則（ideal gas law）はＰＶ＝ｎＲＴであることを規定し、ここで、Ｐは容器内の気体圧力であり、Ｖは容器内の気体の体積であり、Ｔは容器内の気体の温度である。残りのファクタ「ｎ」及び「Ｒ」は定数であり、ここで、ｎは気体中のモル数であり、Ｒは気体定数である。したがって、貯蔵タンク２００に流れ込む圧縮空気４１０の圧力、並びに貯蔵タンク２００、特にブラダー２１４の外に流れ出る冷却された圧縮空気４１０ａの圧力は、冷却剤２１４への露出によって圧縮空気４１０の温度を下げることによって一定に保たれるので、冷却された圧縮空気４１０ａの体積が減少する、すなわちより高い密度になり、したがって、圧縮空気４１０が周囲温度のままであった場合よりも多い冷却された圧縮空気４１０ａが貯蔵タンク２００の所与の固定の体積内に含まれることが可能になる。本明細書で開示する冷却システム２１０は、したがって、所与の貯蔵タンクの内側に蓄積された圧縮空気を冷却し、それによって前記所与の貯蔵タンク内に蓄積され得る圧縮空気の質量を高めることによって、エネルギー生成器システム１００の効率を高める。

冷却システム２１０についての上記説明は貯蔵タンク２００に関して行ったが、同じ冷却システムは、限定はしないが、これまで説明した１次貯蔵タンク１４４及び／又は主ウィンド・パーク貯蔵タンク１８０など、エネルギー生成器システム１００中に備えられる任意の圧縮空気タンク中に組み込まれ得る。実際に、上記で説明したように、冷却システム２１０をエネルギー生成器システム１００に関連するすべての貯蔵タンク中に組み込むことは、空気がシステムの第１及び第２のステージを通過する際にシステムの効率を大幅に高める。

ブラダー２１２の可撓性は、さらに、急激な風力変化又はシステム中の急激な空気体積変化から発生する異常圧力を均等化するか又は安定させることを可能にする。ブラダー２１２の可撓性は、（それの機械限界までの）圧力差を取り、圧力を正常化する。重力によって送られる冷却剤２１４の重さはブラダー２１２を常に圧潰状態に保つので、冷却剤２１４の重さとブラダー２１２中の空気圧との間の力が最良の成果のために「戦う」ことができる。

最後に、今冷却された圧縮空気４１０ａは、流出移送ライン（outflow transfer line）２２８を通過して、気流生成器３１０（図９又は図１０）を含む第２のステージに、又はさらなる蓄積若しくは追加の冷却のための追加の貯蔵タンクに移ることができる。

したがって、このようにして、冷却システム２１０を組み込んだエネルギー生成器システム１００は、風エネルギーを捕捉し、後で電気を生成する際に使用するために圧縮空気の形態で蓄積する新規で効率的な手段を与える。

本発明の説明した好ましい実施例に対して多くの詳細な改変、変形、及び変更が行われ得るので、上記の説明における及び添付の図面に示されたすべての事柄は、限定的な意味ではなく例示的なものと解釈されることが意図される。さらに、実施例中に提示された特徴のいずれも、別段に明記されていない限り、他の実施例のいずれかに一体化され得ることを理解されたい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及びそれらの法的均等物によって決定されるべきである。

Claims (13)

1. 空気を吸入するように構成された空気吸入システムと、
   風によって回転させられるように構成されたロータと、
   空気圧縮機を備える空気圧縮システムと
   を備えるエネルギー生成器システムであって、
   前記エネルギー生成器システムは、前記ロータが回転しており、それによって前記空気圧縮機に動力供給している動作構成を採用するように構成され、前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムと流体連通しており、前記空気吸入システムから空気を受け、前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムから受けた空気を圧縮しており、圧縮空気を生成していて、前記空気圧縮システムから圧縮空気を受け、前記圧縮空気を蓄積するように構成された圧縮空気蓄積システムをさらに備え、前記圧縮空気蓄積システムが、前記空気圧縮システムから受けた前記圧縮空気を冷却するように構成された冷却システムをさらに備え、前記冷却システムが、前記空気圧縮システムから圧縮空気を受け、収容するように構成されたブラダーと、前記ブラダー内に収容された圧縮空気を冷却するための、前記ブラダーを囲む冷却剤と、冷却剤の供給源とを備える、エネルギー生成器システム。
2. 前記圧縮空気蓄積システムが、少なくとも１つの貯蔵タンクと、前記少なくとも１つの貯蔵タンクを前記空気圧縮システムに接続する空気流出ラインとを備える、請求項１に記載のエネルギー生成器システム。
3. 前記冷却システムが、前記冷却剤から熱を取り除くための熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー生成器システム。
4. 前記空気圧縮システムが、前記空気圧縮機から受けた圧縮空気を冷却することによってより低温の圧縮空気を生成するように構成された１つ又は複数の中間冷却器をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー生成器システム。
5. 前記１つ又は複数の中間冷却器から前記より低温の圧縮空気を受け、前記より低温の圧縮空気を蓄積するように構成された圧縮空気蓄積システムをさらに備える、請求項４に記載のエネルギー生成器システム。
6. 前記空気圧縮システムが、前記ロータを前記空気圧縮機に接続し、前記ロータからの回転エネルギーを前記空気圧縮機に伝達するように構成されたドライブ・トレインをさらに備える、請求項１に記載のエネルギー生成器システム。
7. 空気を吸入するように構成された空気吸入システムと、
   風によって回転させられるように構成されたロータと、
   空気圧縮機を備える空気圧縮システムと
   を備えるエネルギー生成器システムであって、
   前記エネルギー生成器システムは、前記ロータが回転しており、それによって前記空気圧縮機に動力供給している動作構成を採用するように構成され、前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムと流体連通しており、前記空気吸入システムから空気を受け、前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムから受けた空気を圧縮しており、圧縮空気を生成していて、前記空気圧縮システムを格納し、風が当たるように十分な高さに支持するウィンド・タワーをさらに備え、前記ウィンド・タワーがハブと細長いパイロンとを備え、前記ハブが前記ロータと前記空気圧縮システムとを支持し、前記パイロンが前記ハブを支持し、前記空気吸入システムが前記パイロン内に収納されていて、前記空気吸入システムが、前記パイロン内に配置される空気チャンバを備え、前記空気吸入システムが、前記空気チャンバの内側と流体連通している空気吸入ポートをさらに備え、前記空気チャンバが、空気循環デバイスによって分離された上側空気チャンバ・セクションと下側空気チャンバ・セクションとを備え、前記下側空気チャンバ・セクションが、前記空気吸入ポートから空気を受けるように構成され、前記空気循環デバイスが、前記空気圧縮システムに向かって前記下側空気チャンバ・セクションから前記上側空気チャンバ・セクションに通る空気中に渦を生成するように構成された、エネルギー生成器システム。
8. 前記空気吸入システムが、前記空気チャンバ内に配置され、前記空気チャンバを通って前記空気吸入ポートから前記空気圧縮システムに向かって流れる空気によって搬送される粒子をろ過するように構成された、フィルタをさらに備える、請求項７に記載のエネルギー生成器システム。
9. 前記フィルタが、前記空気チャンバの内側側壁から離間した、前記空気チャンバの中央エリア中に配置された、請求項８に記載のエネルギー生成器システム。
10. 前記空気圧縮システムによって生成された圧縮空気を電気に変換するように構成された変換システムをさらに備える、請求項１又は７に記載のエネルギー生成器システム。
11. 前記変換システムが少なくとも１つの気流生成器と発電機とを備え、前記少なくとも１つの気流生成器が、前記空気圧縮システムによって生成された圧縮空気を受け、前記受けた圧縮空気を回転機械エネルギーに変換するように構成され、さらに、前記発電機が、前記少なくとも１つの気流生成器によって生成された前記回転機械エネルギーによって動力供給されたときに電気を生成するように構成された、請求項１０に記載のエネルギー生成器システム。
12. 前記少なくとも１つの気流生成器が複数の気流生成器と複数の弁とを備え、前記複数の弁が、前記空気圧縮システムから前記複数の気流生成器の各気流生成器への圧縮空気の流れを調整するように動作可能である、請求項１１に記載のエネルギー生成器システム。
13. ハブ、及び前記ハブを支持する細長いパイロンを備えるウィンド・タワーと、
    前記パイロン内に収容され、空気を吸入するように構成された空気吸入システムであって、前記空気吸入システムが、空気チャンバと、前記空気チャンバの内側と流体連通している空気吸入ポートとを備え、前記空気チャンバが、空気循環デバイスによって分離された上側空気チャンバ・セクションと下側空気チャンバ・セクションとを備え、前記下側空気チャンバ・セクションが、前記空気吸入ポートから空気を受けるように構成され、前記空気循環デバイスが、前記空気循環デバイスを通る空気中に渦を生成するように構成され、さらに、前記空気吸入システムが、前記空気チャンバの内側側壁から離間した、前記空気チャンバの中央エリア中に配置され、前記上側空気チャンバ・セクションを流れる空気によって搬送される粒子をろ過するように構成された、フィルタを備える、空気吸入システムと、
    前記ハブによって担持され、風によって回転させられるように構成されたロータと、
    前記ハブ内に収容され、空気圧縮機を備える空気圧縮システムと、
    前記空気圧縮システムから圧縮空気を受け、前記圧縮空気を蓄積するように構成された少なくとも１つの貯蔵タンクを備える圧縮空気蓄積システムと
    を備える、エネルギー生成器システムであって、
    前記エネルギー生成器システムは、
    前記ロータが回転しており、それによって前記空気圧縮機に動力供給しており、
    前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムと流体連通しており、前記下側空気チャンバ・セクションと前記空気循環デバイスと前記上側空気チャンバ・セクションとを介して前記空気吸入ポートから前記空気圧縮機に気流を吸引し、気流を引き起こすことによって前記空気吸入システムから空気を受けており、
    前記空気循環デバイスが、それを通って流れる空気中に渦を生成しており、前記渦内の遠心力が、前記空気によって搬送されるデブリを半径方向外側に投射し、
    前記フィルタは、前記渦の中央エリアからの空気が前記フィルタを通過し、前記空気圧縮機に向かうことを可能にしており、
    前記空気圧縮機が、前記空気吸入システムの前記フィルタから受けた空気を圧縮し、圧縮空気を生成しており、前記空気圧縮システムが前記圧縮空気蓄積システムに圧縮空気を与えている、動作構成を採用するように構成されたエネルギー生成器システム。

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