(57)【要約】  この発明は、商業不動産の所有者または運営者のような、エネルギーのエンドユーザーが使用するエネルギーを貯蔵する方法と装置に関するものである。例えば大きな公益事業並び電力供給プラント及び電力網のようなエネルギー供給者に関係することがなく、しかもこれらによって使用されることが意図されないという範囲において、このエネルギーを貯蔵するシステムは、過去のシステムと異なる。このエネルギーを貯蔵するシステムは、ある期間にわたってコスト削減を達成する態様でエネルギーの消費を制御し管理するために、貯蔵したエネルギーの使用及びタイムシフト方法により、エネルギーのエンドユーザーが、エネルギー及びコストの削減を実行することができる態様に関連するものであるのが好ましい。このエネルギーを貯蔵する方法の１つの特徴は、使用するエネルギーをタイムシフトすることにより、すなわち、高需要／高コストの時期中の消費を減らし、低需要／低コスト期間の間に貯蔵したエネルギーを高需要／高コストの間に使うことにより、全てのエネルギーの需要経過と同様に前日の需要経過を記録しかつ分析し、短期及び長期の予測を用い、そして、ピーク需要を低減するのを助ける各種のエネルギー貯蔵／使用計画またはスケジュールを立てることにより、日常的に生じ得るエネルギー需要とエネルギーピークを正確に予測しかつ予報することに関するものである。【選択図】図１
2007510399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定められた場所におけるエネルギーのエンドユーザーコストを低減する方法であって、
来たるべき予め定められた期間中に、前記予め定められた場所で、どれぐらいのエネルギーが使用されるのかを予測し且つ予報することを助けるために、前記予め定められた場所の少なくとも１つの需要履歴を作り、
前記来たるべき予め定められた期間中に、エネルギー源からのエネルギーを、相対的に低い第１のレートで使用できるときと、相対的に高い第２のレートで使用できるときとを決定し、
エネルギー貯蔵システムを用意して、前記エネルギー貯蔵システムを前記エネルギー源に接続し、かつ、前記低い第１のレートが適用される第１の期間に前記エネルギー貯蔵システムがエネルギーを貯蔵するようにし、前記高い第２のレートが適用される第２の期間に、貯蔵された前記エネルギーを利用できるようにし、
前記第２の期間中に使用するエネルギーの前記コストを低減し、及び／または、前記第２の期間中に前記予め定められた場所で別に発生する可能性のあるスパイクまたはサージをオフセットするために、前記第２の期間中に、前記貯蔵されたエネルギーを放出する前記貯蔵システムを使用してなる方法。
【請求項２】
前記来たるべき予め定められた期間が２４時間の期間であり、
前記２４時間の期間中におけるエネルギーの使用を予測し且つ予報するために使用される前記少なくとも１つの需要履歴は、時間的に先行する２４時間のためのエネルギ使用履歴である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの需要履歴は、また、前記予め定められた期間が現れる全季節または期間のためのエネルギー使用履歴からなる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エネルギー源が、ストレージにエネルギーを供給するためにアクセス可能な電力網である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
所望のコスト削減を達成するためにストレージからの前記エネルギーがどのように使用されるべきかを決定するべく、前記来たるべき期間のためのエネルギー使用スケジュールを作成するために複数の前記予測及び前記予報を使用する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
所定の期間中に発生する可能性のある前記スパイクまたはサージに基づいて適用される需要料金を決定し、
前記所望のコスト削減を達成するように前記スパイクまたはサージを減少させ及び／またはオフセットするために、前記エネルギー使用スケジュールを作成する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記予め定められた場所が、エネルギーのエンドユーザーの商業不動産であり、
前記予め定められた場所におけるエネルギーの全コストを低減するために前記貯蔵システムを使用する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記貯蔵システムは、少なくとも１つのコンプレッサー、貯蔵タンク、ターボエキスパンダー及び発電機からなり、前記第２の期間中に前記貯蔵システムを使用できるようにするために、圧縮空気エネルギーを貯蔵するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項９】
各期間の見積りコスト削減が決定され、
次に、前記決定は長期間にわたって繰り返され、前記長期間中に前記貯蔵システムによって達成することができる全体的なコスト削減の決定を助ける請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギー貯蔵システムが、
（ａ）太陽熱コレクター、
（ｂ）熱慣性マス、
（ｃ）不凍液を前記タンクの内部に分配する壁の薄い管、
（ｄ）化石燃料バーナー、
（ｅ）前記コンプレッサーからの熱い空気を使用する循環装置からなるグループから選択された少なくとも１つの装置を含む請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記エネルギー貯蔵システムは、前記予め定められた場所で冷却及び／または冷凍の目的のために前記ターボエキスパンダーからの冷たい空気を使用するようになっている請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
予め定められた場所におけるエネルギーのエンドユーザーコストを低減するシステムであって、
前記予め定められた場所のための少なくとも１つのユーザー需要履歴と、
来たるべき予め定められた期間中の前記予め定められた場所におけるエネルギー使用を予報するために前記少なくとも１つの需要履歴を用いる複数の予測と、
エネルギー源に接続されたエネルギー貯蔵システムとからなり、
前記貯蔵システムは、低コストのエネルギーレートが適用される第１の期間中に前記エネルギー源からのエネルギーを貯蔵すること、及び、高コストのエネルギーレートが適用される第２の期間に貯蔵した前記エネルギーを放出するようになっており、
しかも前記貯蔵システムは、前記第２の期間中に前記予め定められた場所で使用されるエネルギーの全コストの低減を助け、及び／または、前記予め定められた期間中に前記予め定められた場所で別に発生する可能性のあるスパイクまたはサージをオフセットするように、前記貯蔵したエネルギーを前記第２の期間中に放出するようになっているシステム。
【請求項１３】
前記来たるべき予め定められた期間が２４時間の期間であり、
前記２４時間の期間中におけるエネルギーの使用を予測し且つ予報するために使用される前記少なくとも１つの需要履歴は、時間的に先行する２４時間のためのエネルギ使用履歴である請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの需要履歴は、また、前記予め定められた期間が現れる全季節または期間のためのエネルギー使用履歴からなる請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギー源が、ストレージにエネルギーを供給するためにアクセス可能な電力網である請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
所望のコスト削減を達成するためにストレージからの前記エネルギーがどのように使用されるべきかを決定するために、前記予測と前記予報を用いて前記来たるべき期間のエネルギー使用スケジュールを作成し、
前記スケジュールは、所定の期間中に発生する前記スパイクまたはサージを考慮して、前記所望のコスト削減を達成するように前記スパイクまたはサージを減らし及び／またはオフセットするために前記エネルギー使用スケジュールを作成する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記予め定められた場所が、エネルギーのエンドユーザーの商業不動産であり、
前記予め定められた場所におけるエネルギーの全コストを低減するために前記貯蔵システムを使用する請求項１２に記載のシステム。
【請求項１８】
前記貯蔵システムは、少なくとも１つのコンプレッサー、貯蔵タンク、ターボエキスパンダー及び発電機からなり、前記第２の期間中に前記貯蔵システムを使用できるようにするために、圧縮空気エネルギーを貯蔵するために使用される請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムが、
（ａ）太陽熱コレクター、
（ｂ）熱慣性マス、
（ｃ）不凍液を前記タンクの内部に分配する壁の薄い管、
（ｄ）化石燃料バーナー、
（ｅ）前記コンプレッサーからの熱い空気を使用する循環装置からなるグループから選択された少なくとも１つの加熱装置を含む請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記圧縮空気エネルギー貯蔵システムは、前記予め定められた場所で冷却及び／または冷凍の目的のために前記ターボエキスパンダーからの冷たい空気を使用するようになっている請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、エネルギー貯蔵システム（energy storage systems）の分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
アメリカ合衆国及び世界の至るところには、事実上、数え切れないほどのオフィスビル及び他の商業不動産（commercial properties）（以下「商業不動産」という）が存在する。そして、大部分の企業及び商業不動産は、日中に運営することが求められるため、一般的に、照明、暖房、冷房、その他を含む公益電力を供給するために日中の時間帯の間に大量の電気エネルギーを必要とする。例えば、快適な仕事環境を維持するためにエネルギーの必要性が相対的に高くなる真冬及び真夏の月の間に、まさに、暖房及び冷房が特に必要となる。
【０００３】
これらのピーク需要（peak demands）は、商業不動産に電力を供給する公益プラント（utility plants）及び電力網（grids）に重い負担をかける。公益プラント及び電力網は、しばしば、最も高需要の期間に合うように建設されなけならない。公益プラント及び電力網は、低需要の期間の間でも、非効率的に、すなわち、もっと低いピークの効率（efficiency）と性能（performance）で、必然的に運転されることを意味する。たとえピーク需要の期間が毎日のほんの少しの時間の間だけ発生するとしても、これは真実であるかもしれない。例えばピークの需要に応じて過度に便宜を図るような、高需要の期間について厳密に明らかにしないことは、頻繁な停電及び不具合をもたらす。また、電力網の１つの領域の不具合は、システム全体が機能しなくなる、すなわち、全ての地域で停電が発生する多大なストレスと負担を引き起こす可能性がある。
【０００４】
これらの需要は、商業不動産の所有者（owners）と運営者（operators）に高額な負担となる。公益企業（utility companies）は、しばしば、商業不動産によってピーク需要の時間の間に消費されるエネルギーに対して大幅な割増価格を課金する。この実行は、通常、有名な需要と供給の原則に基づいて行われる。例えば、エネルギーコストは、需要が高いときにより低く、需要が低いときにより高い。そして、大部分の商業不動産の所有者は日中に運営せざるを得ない理由から、その所有者は、ほとんどの場合、最も高需要の期間の間に最も高いエネルギーコストを支払わざるを得ない。
【０００５】
また、公益企業は、予め定められた期間の間、例えば１ヶ月の期間の間に生じる消費の最大ピークレート（maximum rate of consumption）に対する追加ペナルティ（penalty）または追加料金（surcharge）（以下「需要料金（demand charge）」という）を課すことによって、ピーク需要の期間の間のエネルギーに対して課金する。その期間の間のピークの「スパイク」または「サージ」の短さに関係なく、そして、スパイクまたはサージのすぐ前かすぐ後に適用されるレート（rate）に関係なく、例えば、その期間の間に発生する消費の最大「ピークの」レートに基づいて、需要料金が課金されるかもしれない。さもなければ、その期間の間の事実上の平均消費レート（average consumption rate）に関係なく、この需要料金が課される可能性があり、その平均消費レートは、そのピークのレートよりもかなり低くなる可能性がある。たとえ全体の平均使用レート（average rate of use）がかなり低くても、需要料金はその期間の間に経験される非常に高いピークのスパイクまたはサージに基づいて課される可能性がある。
【０００６】
これらの価格設定は、上述のようにピーク需要の期間に合わせて設計された公益発電プラント（utility power plants）及び電力網を建設した公益企業の高いコストをオフセット（offset）し、及び／または、埋め合わせるのを助けるように設定されている。
【０００７】
また、これらの価格設定は、商業不動産の所有者と運営者が、代替のエネルギー源を可能な限り見つけようとするのと同様に、ピーク需要の期間の間のエネルギー消費を減らすのを促す。それにもかかわらず、大部分の商業不動産の所有者及び運営者は、日中の間にその所有者及び運営者の企業を運営しなければならならず、そして、代替のエネルギー源は必ずしもすぐに利用できないため、その所有者及び運営者は、たびたび、最も高いレートの期間の間にエネルギーを使わなければならないことを、自ら感じる。さらに、エネルギー消費のレートは変動し、サージとスパイクがさまざまな局面で発生する可能性があることから、潜在的に莫大な需要料金が適用されるかもしれない。
【０００８】
公益企業及び他のエネルギーの提供者は、低需要の期間の間に供給されるエネルギーが貯蔵され、後でそのエネルギーがピーク需要の期間に使用されるという特定のタイムシフトの方法を過去に実装していた。これらの方法は、電力網で提供されるエネルギーを補うため、一般的に、エネルギーを貯蔵し、後でその貯蔵したエネルギーを使用する必要がある。これは、理論的には、エネルギーコストが相対的に高いときはエネルギーを消費をより多くし、エネルギーコストが相対的に低いときはエネルギーの消費をより少なくし、それによって、高いレートのコストを潜在的に減らすことを可能にする。
【０００９】
そのような、例えば地下の空洞などの圧縮空気エネルギー（compressed air energy）の貯蔵システムは、過去にいくつか使用されてきた。しかしながら、今までのところ、そのようなシステムの主な不利のうちの１つは、それらのシステムが相対的にエネルギー効率が悪いということである。例えば、圧縮空気エネルギーシステムは、貯蔵されるエネルギーのかなりの部分を損失する傾向がある。そのため、ストレージ（storage）から使用したエネルギーは、貯蔵されていたエネルギーよりも実際のコストが高くなる。これらのエネルギーの非効率性は、この種類のエネルギー貯蔵装置を設置する経済的インセンティブ（economic incentive）をかなり減らすことになる。たとえ多少の利点がそのようなエネルギー貯蔵装置にあるとしても、特にエンドユーザーのレベルでは、そのようなシステムの設置及び操作に関連する付加コスト（added costs）は財政的な負担になる可能性がある。したがって、エネルギーを使用する商業不動産の所有者と運営者は、そのようなシステムを設置し使用するためのコストを正当化するのにたびたび苦労する。さらに、設置の費用を理由に、その所有者または運営者が、融資及び賛同を獲得するのは難しい。例えば、その所有者または運営者は、しばしば、がそのコストを取り戻すことができるかどうか疑問に思うことから、そのようなシステムの整備及び設置に必要な資金を費やす投資家及び／または貸手を引きつけることは難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、エネルギーの個々のエンドユーザーが使用でき、または電力網からのエネルギーのエンドユーザーの消費を制御及び管理する商業不動産の所有者及び運営者が使用できる方法とシステムが必要である。そのために、全体的な需要の低減及びピーク需要の期間に起こりうるスパイク及びサージの低減を達成するだけでなく、電力網に対する全体的なストレス（stress）と負担（strain）を低減し、長期の期間ためにわたって達成することができるコスト削減を予測する手段を提供するために、低コスト低需要の期間の間により多くのエネルギーを消費し、高コスト高需要の期間の間により少ないエネルギーを消費する。そして、この方法とシステムは、エネルギー貯蔵システムの設置及び操作のコストと費用を正当化することができ、それによって、エネルギー貯蔵システムをより広く使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
［発明の概要］
本発明は、高需要期間中における電力網に対する依存を減らし、ひいてはそれに関連する運営コストを減らし、長期間にわたるコスト削減を得ることを助けるようにそれを実施するために、商業不動産の所有者や運営者が、エネルギーコスト（energy costs）が相対的に低い期間にエネルギーを貯蔵し、かつエネルギーコストが相対的に高い期間にその貯蔵したエネルギーを使用するために使用することができる方法及びエネルギー貯蔵システムに関するものである。
【００１２】
本発明は、例えばオフィスビル、ショッピングセンター及びその他のエネルギーのエンドユーザー（end-user）のような商業不動産の所有者及び運営者により使用されるのが好ましい。この点において、例えば大きな公益事業並びに電力供給プラント及び電力供給網のような複数のエネルギー供給元と関係することがなく、しかもこれらによって使用されることが意図されないという範囲において、本システムは過去のシステムと異なる。すなわち、好ましくは、本システムは、長期間にわたるコストの削減を達成するように、エネルギーの消費を制御しかつ管理するために、エネルギー貯蔵方法及びタイムシフト（time-sift）方法を使用することにより、エネルギーのエンドユーザーがエネルギー及びコストの削減を実行することができる方法に関するものである。このコスト削減方法は、「季節別時間帯別（Time-Of-Use）」またはＴＯＵと呼ばれる。
【００１３】
この点において、本方法及びシステムの一つの特徴は、好ましくは、全体的なエネルギー需要の履歴と一緒に前日の履歴を記録し分析し、短期及び長期の予測を使用し、そして、使用されるエネルギーをタイムシフトすることにより、すなわち、低需要／低コストの期間に貯蔵されたエネルギーを、高需要／高コストの期間中に使用することで、高需要／高コストの期間の消費を減らすことによって、ピーク需要を減らすのに役立つ可変的なエネルギー貯蔵／使用プランまたはスケジュールを立てることにより、日常的に生じ得るエネルギー需要とエネルギーピークを正確に予測し且つ予報することができることに関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本出願で使用される典型的なエネルギー貯蔵システムを示すものである。
【図２】任意の加熱装置付きの典型的な貯蔵タンクシステムを示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［発明の詳細な説明］
本説明は、本発明で使用することができるエネルギー貯蔵システム装置の基本的な構成要素のいくつかを説明することから始める。本発明は、各種のエネルギー貯蔵装置がここに考察される方法と関連して使用され得ることを考慮している。いずれにせよ、以下の説明は、本発明と関連して使用することができる好ましいシステムを説明するものである。
【００１６】
本システムは、オフィスビル、ショッピングセンターまたは他のエネルギーのエンドユーザーを問わず、商業不動産の内部に納まるくらい小型の圧縮空気エネルギー貯蔵装置を備えている。例えば、本システムでは、オフィスビル、ショッピングセンターまたは商業複合施設の地下に設置することができ、そこには、他の実用機器が配置されることもある。貯蔵タンクは、屋根または他の屋外の場所に配置することもでき、例えば、タンクが太陽からの熱エネルギーを吸収するのを可能にするために、黒く塗装されたタンクについては、後に説明する。
【００１７】
図１に示すように、システム１は、電力網３に直接接続されているのが好ましい。これは、他の商業不動産と同様に、このシステムが電力網３から電力を引き込むのを可能にする。しかしながら、相違点は、本システムがどのようにしてエネルギーの消費を制御することができて、管理することができるかであり、この点は後に説明する。
【００１８】
貯蔵システム１は、好ましくは、コンプレッサー（compressor）５、貯蔵タンク（storage tank）７、エアーフロー制御バルブ９（airflow control valve）、ターボエキスパンダー（turbo-expander）１１、発電機（electrical generator）１３、その他を含む、この種のエネルギー貯蔵装置で見受けられる複数の構成要素から構成される。コンプレッサー５は、好ましくは、オフピークの低需要の時間帯、例えば夜間に、電力網３からの電気エネルギーを圧縮空気エネルギーに変換することができるように、電源に接続されている。コンプレッサー５は、好ましくは、電力網３からの電気エネルギーを使い、空気を圧縮して貯蔵タンク７に圧縮充填する。これにより圧縮された空気は、エネルギーの需要とコストが相対的に高いときにおいて、後に使用されるまで、そのタンク内に貯蔵される。
【００１９】
一般に、本システムのエネルギー貯蔵部は、圧縮空気エネルギーを貯蔵し且つ使用する手段で構成するのが好ましい。この点において、貯蔵タンク７は、好ましくは、コンプレッサー５から与えられるような圧力に耐えられるように設計され、タンク７内の温度を維持するために断熱（insulated）されている。タンク７は、大きな圧力損失なしに、圧縮空気をタンク７に運ぶことができるように、システム１が電力網３に接続されている近くに配置するのが好ましい。
【００２０】
本発明では、いろいろな大きさ（size）のタンクが使用できるが、貯蔵タンク７の大きさは、コンプレッサー５の能力、ターボエキスパンダー１１の能力、その場所で予想されるエネルギー需要量、利用可能スペースの大きさ等のような、他の要因と一緒に、所定の用途のために必要とされる圧縮空気エネルギーの量に依存する。
【００２１】
本発明では、圧縮空気を電気エネルギーに変換する多くの従来の方法をどれでも使用できる。一つの実施の形態においては、１または複数のターボエキスパンダー１１が、電気エネルギーを作り出す発電機１３に使用することができる高速度の気流を作り出すために、貯蔵タンク７からの圧縮空気を放出するのに使用される。この電気は、後に説明するように、必要なときに電力網３によって供給されるエネルギーを補うのために用いることができる。ターボエキスパンダー１１は、好ましくは、交流発電機にエネルギーを供給し、交流発電機はＡＣ−ＤＣコンバータ（AC to DC converter）に接続され、続いてＤＣ−ＡＣインバーター（DC to AC inverter）に接続される。
【００２２】
ターボエキスパンダー１１は、例えばピークの需要期中のような「需要に応じて（on demand）」適当な時期に、圧縮空気を放出して膨張させるために用いられる。これにより放出されて膨張した空気は、発電機１３を駆動することができる。このように、「必要に応じて」の基準に従って、タンクに貯蔵されたエネルギーは、電力を発生させるのに用いることができる。例えば、以下で説明するように、需要が低く、且つモニター（monitored）された電力需要の履歴に基づいた、来たるべき高需要の期間中に特別なエネルギーが必要となることが予測されるときには、ターボエキスパンダー１１を、稼動状態にすることができる。他方、相対的な高需要、高コスト期間中においては、高コストエネルギーがタンク７に空気を圧縮充填するために用いられないように、ターボエキスパンダー１１を、停止（shut down）することができる。この基準は、ターボエキスパンダー１１が、停止から始まって、ピーク回転速度に向かって加速し、それから、もとの停止へと減速することを考慮するのが好ましい。本発明では、貯蔵タンク７及び／または関連する複数の構成要素、及びそれらの熱慣性マス（thermal inertia masses）は、圧縮及び膨張中においても、相対的に安定した温度でタンク７内に貯蔵された圧縮空気を維持するために、熱を吸収し且つ放出するように設計することができる。例えば、１つの実施の形態においては、貯蔵タンク７の内部を通って延ばされた管８から作られた熱伝達システムを使うことができ、ここでは熱伝達流体（不凍液のような流体）を、管８を介して分配することにより、タンク７内の温度を安定させるためのコスト効率の高い方法を提供することができる。これにより、機械システムよりもさらにコスト効率が高くなるように、システム１の温度を静的に安定させることができる。
【００２３】
本実施の形態では、（後に説明されるべき）各種のコレクター（collectors）からの熱をタンク７内の圧縮空気に分配することができる手段は、タンク７を通って延びる、薄い壁に囲まれた管８の広い表面積（surface area）から構成される。管８は、タンク７の内部の総面積（total area）のおよそ１％から構成するのが好ましく、銅またはカーボンスチール（carbon steel）から構成するのが好ましい。また手段は、コレクターによって加熱することができて、タンク７の内部の至るところにある管８によって分配される不凍液を含むのが好ましい。薄い壁によって囲まれた管８は、好ましくは熱交換器の働きをし、熱慣性システムの一部となる。タンク７は、内部からの熱損失を防ぐために、断熱材（insulation）１９で内側が覆われているのが好ましい。
【００２４】
別の実施の形態においては、相対的に壁の厚い貯蔵タンク７は、単独で、熱シンク（thermal sink）及び熱源としての働きをする。例えば、空気が貯蔵タンク７内に圧縮充填され、その空気が加熱されると、この加熱された空気は、貯蔵タンクの壁の温度を上げるのを助けることができる。すなわち、壁が熱を吸収する。さらに、タンク７が屋外に配置され、黒く塗装されると、タンクの複数の壁は、太陽からの熱を吸収することができ、タンクの複数の壁はヒートシンク（heat sink）の働きをする。
【００２５】
この場合において、特別な金属を、それらの壁に付加することができる。その結果、壁が不凍液充填管(anti-freeze filled tubing)８と同様に類似熱慣性機能（similar thermal inertia function）を与えるが、すなわち、腐食の長期作用（long term effects）のわりには、長期間修理がいらない状態で貯蔵タンク７を保持することができる追加安全性を付加することができる。さらに、タンクの内部の空気は、高圧で水蒸気を大量に含むことができないので、例えば腐食のような、多くの問題が減少することを期待することができる。この点において、コンプレッサー５は、空気が圧縮される間に、大部分の水蒸気を除去するのを助ける。そして、タンク７で凝縮される水は、例えば、排水手段等により、毎日、排水するのが好ましい。その結果、貯蔵タンク７内の空気は、非常によく乾燥した状態とすることができる。
【００２６】
タンク７のマスは、タンク７の中の空気のマスと比べて、相対的に大きくすることもできる。その結果、タンク７の内部の空気の温度を維持するのを助けるために、タンクの壁の温度を大きく増加させる必要はない。例えば、ターボエキスパンダー１１により空気が排出されるとき、タンク７内の空気の温度はエントロピーの法則に従って低下しようとする。しかし、この熱交換プロセスは、タンクの壁によって熱が吸収された結果として生じ、タンクの壁はタンク７内の温度を維持するための熱源の働きをする。したがって、タンク７の内部で合理的な空気の温度が利用できる、すなわち、ターボエキスパンダー１１による使用のために、温度の低下は制限される。
【００２７】
本システムは、図２に示すように、熱を効率的に利用することができるように、補足的な熱を温水器及びボイラーと建造物または不動産のその他の領域に提供するために、多段コンプレッサーの階間（interstage）冷却水に吸収された熱を使用する手段を含む、他のエネルギー効率を良くする方法及びシステムを組み入れることもできる。また、本発明では、貯蔵タンク７で温度と圧力を増やすために必要な熱を提供するために、太陽熱（太陽熱吸収装置１５を用いる）、コンプレッサー５からの廃熱、燃焼器、低レベルの化石燃料パワー１７等の１または複数の組み合わせを使用することも考えられる。この点において、コンプレッサー５で発生した熱は、タンク７から空気が放出されて膨張する際に、ターボエキスパンダー１１の冷却作用をオフセットするために、タンク７内の温度の安定性を維持するのに用いることができる。
【００２８】
例えば、貯蔵タンク７は、できれば、アンモニア冷却プラント（ammonia-refrigerated plants）から除去する必要がある廃熱を用いると非常に効果的である。例えば、貯蔵タンク温度が華氏１２０度（１２０ degree F）より下がるときはいつでも、そのプラントの冷却サイクルからの熱いアンモニアはタンク７内の管８の中を流れることができる。この点において、注目すべきは、ターボエキスパンダー１１が空気供給圧力に依存するだけでなく、より空気供給温度が高ければ高いほど、ターボエキスパンダー１１が作り出すエネルギーが大きくなることである。
【００２９】
貯蔵タンク７の内部の増加温度は、いくつかの利点を提供する。第１に、ターボエキスパンダー１１により行われる全体的な仕事の効率に、熱が大いに寄与することが分かっている。したがって、貯蔵タンク７内の圧縮空気の温度を上げることによって、同じ大きさの貯蔵タンクから、より大量のエネルギーを発生することができる。第２に、貯蔵タンク７内で空気の温度を上げることによって、タンクの内部の圧力を高くすることができ、ターボエキスパンダー１１を介して、より速い速度（velocity）を発生することができる。第３に、タンク７内の空気を加熱することは、その他に、タンク７内の空気の膨張が原因となって生じることがある凝固（freezing）を防ぐことができる。発熱要素がなければ、タンク７から放たれる空気の温度は、極低温レベル（cryogenic levels）に近き、タンク７の内部の水蒸気と二酸化炭素ガスが凝固して、システムの効率を悪くする。本発明は、膨張する空気の温度を許容できるレベルに維持することができて、システムの運転効率を維持することができる。
【００３０】
その上、圧縮空気を膨張させるターボエキスパンダー１１から生じる冷却効果は、建物または不動産の中でエアコンディショナー（air conditioners）やその他の冷却システムを補うために用いることができる。本システムでは、エアコンディショナーを動かすために必要なエネルギーを補うために夏の月間中と同様に、冷蔵庫や冷凍庫を温度を冷えた状態に保持するために必要とされる冷却のような追加の冷蔵目的のために、ターボエキスパンダー１１から排出する圧縮空気の膨張によって作り出された冷たい空気を使用できることが考慮されている。このように、このシステムは、商業不動産の範囲内にすでに配置されている既存のエネルギーシステムを補うのに使用することができる。図２で示すように、コンプレッサーを冷たくしておくために、冷たい空気は、コンプレッサー５へとパイプを介してルート変更することもできる。
【００３１】
このシステムは、また、貯蔵タンク７、コンプレッサー５、ターボエキスパンダー１１、加熱装置、冷却部品等の運転を制御する制御システムを備えて構成されるのが好ましい。貯蔵タンク７の内部と外部で圧縮空気の流れを管理することによって、適当なレベルでタンク７内で圧縮空気エネルギーのレベルを維持することができるように、制御システムを設計するのが好ましい。この制御は、タンク７内の空気の温度を制御するのを助けるのに用いられる複数の熱交換器の制御及び操作にも用いられる。これらの制御は、いかなる所定のときにおいていずれの熱交換器を使用するか、及び、圧縮空気にどれくらいの熱を与えなければならないかを決定する。この制御システムは、システムが自動的に動くことができるように、前もってプログラムされたマイクロプロセッサーを備えているのが好ましい。この制御システムは、圧縮空気エネルギーを使用するべきときをユーザーに決定させることができるようにするのが好ましい。
【００３２】
本発明は、コンピュータ操作制御システムにより構成するのが好ましく、このシステムは、電力網からのエネルギーの消費を制御し管理するのを助け、システムに高需要期間中の消費を減少させ、次に低需要期間中の消費を増加させることを可能にし、しかもシステムが長期間にわたってコスト削減を達成するのを可能にするようにする。ミクロレベルにおいて、本システムでは、好ましくは、低コスト期間中にもっと多くのエネルギーを消費し、高いコスト期間中により少ないエネルギーを消費することにより、そして、その他に莫大な需要料金が課される結果を生じさせることができるスパイク（spike）及びサージ（surges）の発生を低減することにより、商業不動産の所有者または運営者にエネルギーコスト削減を経験させることが可能になる。本発明によって意図される方法及びシステムは、ピーク需要期間中のように、公益設備及び電力網にある全体の需要を減らすことをマクロレベルで可能にし、電力網における全体的なストレス（stress）と歪み（strain）を減らすのを助けることができて、それによって、将来的に起こりうるシステム全体の停電（blackouts）と他の故障の可能性を低減することができる。
【００３３】
本システムによって適用される独自の方法は、以下の通りである。
【００３４】
最初のステップは、大きさと容量とが異なる複数の貯蔵装置を設置し及び運転することに必要なコストを決定するために、ある調査を行うことを含んでいるのが好ましい。これらのコストの値が決定され次第、例えば原価償却サイクル（depreciation cycle）の終了までのような予め定められた期間のコース（course）を越えた全体的なコスト削減を達成するために、どのようなコスト削減レート（rate of cost savings）がシステムのためにならねばならないかを決定する情報を使用することを、この方法では意図している。つまり、この方法では、例えば１０または１５年のような長期間にわたる全体的なコスト削減を達成するために、いかなる所定のシステムのために、コスト削減レートがどれほどでなければならないかを、例えば日割り基準（daily basis）で、決定するプロセスを使用することを意図している。
【００３５】
エンドユーザーの不動産の大きさと種類に基づいて、その所有者または運営者は、どのようなシステム・コンポーネント（system components）を使用すべきかについて、いくつか選択肢を作ることができる。そのようなシステムの選択は、その営業不動産によって消費されるエネルギーの総量、いかなるエネルギーの最大需要またはピーク需要があるものと予想されるか、不動産に対して作られなければならない期待される生長及び／または変更、システムがどこに配置されるか、貯蔵タンク７を設置するのにどのくらいのスペースがあるか等を含む多くの要因に基づいていてもよい。但し、これらに限定されるものではない。これらの総額の決定またはこれら選択の作成において、この方法では、見積もられた原価償却サイクルにわたる設置及び運転の総コストの計算と見積もりをするのが好ましい。例えば、１つのシステムのための１０年の期間にわたる総コストは、600,000.00ドルであるかもしれない。
【００３６】
その額が判ったら、設置コストとこれに関連する運転コストとをオフセットするために、この方法では、好ましくは、時間外に適当なコスト削減レートを作るために、そのコストと能力との間の比較に基づいて、使用される最もエネルギー効率とコスト効率の良いシステムを選択する。
【００３７】
そうするために、次のステップは、例えば所定の２４時間のコースにわたって、エンドユーザーによって、典型的に、どのくらいエネルギーが使われるかを決定し、そして１年のコースにわたって毎日この決定をすることを含むのが好ましい。これは、前の２４時間またはそれよりも長い期間におけるその不動産でのエネルギー消費レートを測定すること、及び、昼夜を通してエネルギー消費レベルを追跡するためそのデータを図に記すこと、及び、次に来る２４時間の間にどのくらいのエネルギーの使用が予想されるかを表すカーブを図に示すためにそのデータを使用することを含むのが好ましい。このカーブは、また、スパイク及びサージの大きさを含んで、一日または期間中に起こる可能性のあるスパイク及びサージの推定や、いつそれらが発生するのか、そしてそれらがどのくらい長く続くのかということを含んでいるのが好ましい。
【００３８】
この方法は、また、１年のある季節から次の季節までに発生する可能性があるエネルギー消費の大きな変化があるか否かを決定するために、必要であれば、数日、数週間または数ヶ月間のコースにわたって、例えば、数シーズンのコース中におけるデータを取ることを含むのが好ましい。一年の異なる複数の時期におけるパターンを探すことによって、システムの運営者は、エネルギー消費に大きな変化がいつ生じるかの予測及び予測をすることを助ける情報を使用することができ、この情報は、いつ消費レート（consumption rates）が増加するか、またはいつスパイクとサージが起こるかを、より正確に予測及び予報するために使用することができる。
【００３９】
この点において、この方法では、一年のある期間の履歴データに基づいて、必要に応じて曲線は調節することができる。その結果、システムは、作成された複数のカーブの特質（nature）を決定するために、短期及び長期のデータを考慮することができる。これは、データの短期分析が、一年の特定の期間の間における特定の不動産のための長期分析と一致することを確実にすることを助ける。
【００４０】
それから、これらのプロセスによって得られた情報は、いかなる所定の２４時間の間でも、一日のどんな所定の時間の間でも、エンドユーザーによる、期待される消費レートを正確に予報して、予測するのに使用することができる。すなわち、いかなる所定の２４時間のためにも、この方法では、他の履歴データと一緒に、前の２４時間の期間からのデータを使用することを意図しており、どれくらいのエネルギーがその日にいつ使用されることが期待されるかを予測及び予報することができる。
【００４１】
本方法は、消費レートが最も高くなったと思われるときを事前に知るために、これらの予測と予報とを使用する。また本方法では、スパイクとサージがいつ発生しまたどのくらい長いかを予測しようとする試みのためにこれらの予測と予報とを使用する。その結果、低需要の期間にエネルギーを貯蔵し、かつ、高需要の期間、及び／またはスパイクとサージが起こりうるときはいつでも、その貯蔵したエネルギーを使用することにより、適当な制御と制限を、ピーク需要期から離れたタイムシフトエネルギー消費のために実施することができる。このようにすると、最もレートの高い期間中のエネルギー消費量及び別途に起こり得るスパイクとサージのレベルを減らすことができ、その期間中に適用するエネルギーコストを減らすことができる。
【００４２】
このシステムでは、実際のエネルギーレート及び公益発電プラントによって課される需要料金と関連性を持って、これらの予測と予報を作る。すなわち、この方法では、エンドユーザーの期待消費レートを知ること、及びその同じ期間のエネルギーの実際のコストがいかなるものかを知ることにより、達成することができるコスト削減を最大にするために、このシステムをどのように調節し且つ制御するかについて、評価することができる。要するに、この情報は、いつ、どのくらいの量のエネルギーを低需要の期間に貯蔵すべきか、そして、いつ、どのくらいの量のエネルギーをより高需要の期間に使用すべきかを知り、しかも一年を通して日割り基準でこの決定を行うために使用される。
【００４３】
多くの場合に、エネルギー価格表は、需要のレベルに基づいて、すなわち、高需要、中需要及び低需要に基づいて、毎日３つの期間に一般的に分けられる。３つの異なるレートを含む表は、例えば、以下のとおり、公益プラントによってしばしば使用される。第１中間コストの中間需要レートは、例えば、午前８時と正午の間に適用する。高コストの高需要レートは、正午と午後６時の間に適用する。第２中間コストの中間需要レートは、再び、午後６時と午後１１時の間に適用する。そして、低コストの低需要レートは、午後１１時と午後８時の間に適用する。この点において、公益企業は、一般的に、一日の異なる時間の間に消費されたエネルギーに対して１キロワット時（kW-H）あたり異なるレートを適用する段階的な価格表を持つことになる。
【００４４】
上記に明示したとおり、公益企業は、また、１ヶ月の期間のような予め定められたいかなる期間の間に現れるピーク“スパイクまたはサージ”需要エネルギー消費レート（peak “spike or surge” demand energy consumption rate）に基づいて、一般的に「需要料金」を課す。例えば、その国のある地域において、上記に説明した段階的な価格表に加えて、公益企業は、その期間の間に発生した１ｋＷの最大のピーク消費に基づいて、追加ペナルティまたは追加料金（an additional penalty or surcharge）を請求することがある。すなわち、たとえその一つの最大ピークレートが２、３分の間だけ続くとしても、その期間の間に発生する最大消費レートに基づいて、ペナルティまたは追加料金が課されることがある。ピークレート（peak rate）がピークの直前直後にどれくらい低いかに関係なく、そして、その期間の間に発生する平均消費レートに関係なく、この需要料金が一般的に課される。つまり、たとえピークが数分だけ続いているランダムなスパイクまたはサージであるとしても、そして、たとえそのピークがその期間の残りの期間の間に発生した平均消費レートを反映しないとしても、ペナルティまたは追加料金は、ピーク需要消費レートに基づいて課される。
【００４５】
さらに、多くの状況では、空調設備のニーズのためにエネルギー消費が最高になる夏季のピーク期間に、この需要料金の額は最も高くなる。これは、特に空調設備の需要がが非常に高くなる温暖気候地域で当てはまる。そして、それらの月では、最も高需要の期間となる、昼間の時間にエネルギーの価格は最も高くなる。例えば、夏季の月間では、その期間に適用される一般的な需要料金は、その期間の間に、すなわち、正午から午後６時00分までの間に、発生した一回のピークのスパイクレートに基づいて１ｋＷにつき20.00ドルになるかもしれない。他方で、１ｋＷにつき2.45ドルのみが中間需要の期間に適用され、また低需要の期間には0.00ドルになることもある。このように、たとえピークの夏季月のいかなる所定の日の平均レートが相対的に低くても（約300ｋＷ）、１５分のスパイクまたはサージがその月中に１回でもあるならば（すなわち、約700ｋＷのレートで）、たとえより高いレートが１５分のスパイクの間のみ発生したとしても、その月に課される需要料金の額は、より高いレート（700ｋＷの）に基づいて課され、低いレート（300ｋＷの）に基づいて課されることはない。したがって、ピーク時間中において、需要料金の額は、非常に高いものとなることがある。すなわち、需要料金は、単独のサージまたはスパイクがどんなにランダムでも、またはどんなに短くても、需要料金はその単独のサージまたはスパイクに基づくことになる。
【００４６】
このような状況における一般的な需要料金の例としては、こんなものが考えられる。すなわち、最も熱い夏季月の間、すなわち最も熱い４ヵ月間に、上述した使用レート（usage rates）に加えて、追加の１回の需要料金が、その月の間に生じた最大のピーク使用に基づいて課されるかもしれない。上記の例において、１ｋＷにつき20.00ドルよりも高い需要料金レート（demand charge rate）が、その月の間に発生する最も高いレートのスパイクまたはサージに適用されるかもしれない。そのため、もし最も高いスパイクまたはサージが700ｋＷであるならば、より高いレートが７００ｋＷに乗じられ、その月には14,000ドルの総需要レートとなる。他方で、スパイクまたはサージがその月の間に起こらないとき、あるいは、スパイクまたはサージが低くなったときには、すなわち、約400ｋＷのときは、需要料金はより低いレートに基づく、すなわち700ｋＷの代わりに400ｋＷのレートに基づくことになる。このような場合、20.00ドルが400ｋＷを乗じられるため、需要料金はわずか8,000.00ドルであり、この例では、１ヶ月につき6,000.00ドルのコスト削減を示す。
【００４７】
これが示すことは、多大な需要料金が課されるスパイク及びサージを減少させるか、または完全に除去することによって達成することができる顕著なコスト優位性があるということである。エネルギーが、高コスト、高需要の期間に使用されるとき、エンドユーザーは多大な需要料金を請求されるおそれがあり、このことは、エンドユーザーがそれらの期間にエネルギーを使えば使うほど、全エネルギーコストが大きくなることを意味する。
【００４８】
本方法で、これらの割増料金、ペナルティ及び追加料金に対応する方法を、以下の例によって示す。
【００４９】
上述した毎日の予測と予報に基づいて、システムは、来たるべき２４時間の間に、貯蔵にどれくらいのエネルギーが必要になりそうかを、毎日、決定する。例えば、夏季の月間は、需要が高くなるかもしれないため、午後１１時と朝午前８時の間のような低需要期間中に可能な限りの最大量を貯蔵する必要があるかもしれない。このさらなるエネルギーは、別途発生するかもしれないスパイク及びサージと同様に、最大の消費レートを制御及び制限するため、高需要の期間中に使うことができ、その結果、高需要レートに関連するコストを減らすために使うことができる。
【００５０】
このプランは、翌日の次の高需要期間に対して日々貯蔵されたエネルギーを蓄えておくことを要求しているが、ある場合には、次の中間需要期間に対しても、同様に、いくらかのエネルギーを蓄えておくことが望まれるかもしれない。このことは、ピーク需要期間中の消費レートを十分に制御するために十分なエネルギーが貯蔵してあるか、及び／または利用できる過剰なエネルギーがあるかどうか、そして、そのエネルギーを中間需要期間に適用する際にどれくらいの利益があるかによって決まる。
【００５１】
もしその日中の電力レートが、危機的な夏季月間中の夜と比較して十分に高いならば、別の運転モード（mode of operation）があることに注意する。例えば、その日の経過の中で、電力使用の小康状態（lull）を利用することができ、そして、さらに空気を貯蔵タンクに圧縮充填するためにコンプレッサーを運転するための電力を実際に使うことができる。したがって、もし、需要中に午後遅いサージがある場合には、ターボエキスパンダーの前の過度な励起から貯蔵タンクが空にされることをおそれる必要なく、需要電力中のそのスパイクに打ち勝つことができる。たとえオフピーク電力における日中のエネルギーが使用されても、それに続く重大なスパイクを避けるために、この運転モードに従うことは、まだ経済的であるかもしれない。低電力の期間における日中のコンプレッサーの運転は、より大きな貯蔵タンクを持つことに等しい。
【００５２】
一旦適当なエネルギー量が貯蔵されれば、このシステムは、その翌日に起こる、より高需要の期間を待って、そしてエネルギーを適当な時間に放出することができるようにエネルギーを節約する。この点において、このシステムは、いつでも調子を合わせて発生する消費レートを瞬時に測定する消費計量器（consumption meter）または他の指示器（indicator）を持っているのが好ましい。これらを持っていれば、例えばその日中に別に起こるかもしれない、より高い消費レート及びスパイク及び／またはサージをオフセットするために、貯蔵されているエネルギーがいつ放出されるべきか、そしてエネルギーが適当な期間にどのくらいの量放出されるべきかを、システムは知ることになる。
【００５３】
例えば、ピーク需要の期間に５分間永続するサージがあり、及び／または、３分間続くいくつかのスパイクがそれぞれあり、しかもサージ及び／またはスパイクの予測される量が約800ｋＷであると予報が予測した場合、このシステムは、その期間の間は、電力網から引き込む電力を予め定めた閾値（threshold amount）、すなわち400ｋＷまで、減らすのに十分な貯蔵量を蓄える。このように、その日に生じる最高消費レートを、本システムを用いない場合に生じる800ｋＷから400ｋＷまで減らすことができ、結果的に、適用される需要料金を十分に減らすことができる。この例では、ピークのスパイク及びサージがその月中は日々400ｋＷ以下に減少するならば、需要料金を決定することを目的として、その月にトータルで400ｋＷ以上の減少があり、その場合、その月に8,000.00ドルのコストが削減される。これは、400ｋＷの違いによって１ｋＷにつき乗じる20.00ドルに基づいている。また、これがその月に毎日繰り返されるならば、高需要の４ヵ月の期間に、毎月8,000.00ドルのコスト削減の可能性があり、毎年32,000.00ドルのコスト削減をもたらすことができ、１０年にわたって320,000.00ドルのコスト削減をもたらすことが分かる。
【００５４】
日々節約される追加エネルギーは、ピーク需要期間中に放出することもでき、その日の間に発生するエネルギーの全体の消費を減らし、その結果、その日の全使用コストを下げる。例えば、もしレートが、高需要期間中は１キロワット時につき0.2ドルであり、中間需要期間中は１キロワット時につき0.1ドルであり、そして、低需要期間中は１キロワット時につき0.08ドルであるとすると、１キロワット時につき0.2ドルから１キロワット時につき0.08ドルまでエネルギーをタイムシフトすることによって、２つのレート間の差に基づいた潜在的なコスト削減を達成することができる。それにもかかわらず、エネルギー貯蔵と関連する減少効率（reduced efficiency）があるため、低需要期にタイムシフトすることにより実際に達成することができるコスト削減はそれほど大きくはない。つまり、たとえピーク需要期間に使われる全てのエネルギーが、１キロワット時につき0.20ドルのより高いレートに代えて、１キロワット時につき0.08ドルの低いレートで購入することができたとしても、エネルギー貯蔵から生じる潜在的に殆ど５０％の潜在的な減少効率があるため、１キロワット時につき0.12ドルの代わりに、実際のコスト削減は１キロワット時につき0.04ドルだけかもしれない。もちろん、これらのコスト削減は、使用されているシステムの実際の効率によって変わる。システムは、各種の加熱装置及び上述のコレクターを使用することにより、およそ７０％の効率パーセンテージ（efficiency percentage）が潜在的に得られるようにできるだけ効率的に設定されるのが好ましい。
【００５５】
この本発明の特徴に関係するコスト削減は、１年間にわたる間にこのシステムにより消費された総キロワット時によって増加するキロワット時あたりのコスト削減に基づいており、これは有意義なことである。例えば、システムがピーク需要期間中に１年あたり2,000,000キロワット時を消費するならば、コスト削減は、潜在的に0.04ドルのキロワット時のキロワット時レート（the per kW-H rate）の差が2,000,000キロワット時に乗算される。上記の例では、これは年間80,000.00ドルのさらなるコスト削減をもたらすかもかもしれない（１年あたり0.04ドルのキロワット時の2,000,000倍）。したがって、これが１０年にわたって800,000.00ドルのさらなるコスト削減に至ることが分かる。
【００５６】
上記の例を用いると、1,120,000.00ドル（320,000ドルに800,000ドルを加える）の潜在的なコスト削減が１０年の期間にわたって達成されることが分かる。そして、貯蔵効率が上述の加熱装置とコレクターとを用いることにより改善されると、これらの総額を潜在的に増加することができる。したがって、同じ期間にわたってこのシステムを設置し、運転するコストが600,000.00ドルであるならば、520,000.00ドルの純貯蓄の可能性を秘めており、このシステムの設置及び運転のコストは正当化されるであろう。
【図１】
2007510399.tif 000003
【図２】
2007510399.tif 000004
【国際調査報告】
2007510399.tif 000005
2007510399.tif 000006