(57)【要約】  エネルギーを貯蔵および放出するシステムが本明細書に開示され、本システムは、発電機/モータと、発電機/モータによって加えられる力に応じて第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で油圧作動油を送ると共に、第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で流される油圧作動油に応じて発電機/モータに力を付与することもできる油圧ポンプと、第1のポンプポートを介して油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第1の圧縮/膨張容器と、第2のポンプポートを介して油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第2の圧縮/膨張容器と、選択的に、第1のガス圧縮/膨張容器および第2のガス圧縮/膨張容器からガスを貯蔵したり、第1のガス圧縮/膨張容器および第2のガス圧縮/膨張容器にガスを放出したりするガス貯蔵サブシステムと、貯蔵と放出との間で切り替えるように、ガス貯蔵サブシステムに関連付けられた少なくとも複数のガス弁を制御する制御サブシステムとを備え、貯蔵中、油圧ポンプによって第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で送られる油圧作動油に応じて、ガスが、ガス貯蔵サブシステムにおいて圧縮させられ、それによってエネルギーを貯蔵し、放出中、ガス貯蔵サブシステムからの圧縮ガスの放出による圧力に応じて、油圧作動油が、第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で流され、それによってエネルギーを放出する。
2013530661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーを貯蔵および放出するシステムであって、
発電機/モータサブシステムと、
前記発電機/モータサブシステムによって加えられる力に応じて第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で油圧作動油を送ると共に、前記第1のポンプポートと前記第2のポンプポートの間で流される油圧作動油に応じて前記発電機/モータサブシステムに力を付与することもできる油圧ポンプと、
前記第1のポンプポートを介して前記油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第1の圧縮/膨張容器と、
前記第2のポンプポートを介して前記油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第2の圧縮/膨張容器と、
選択的に、前記第1のガス圧縮/膨張容器および前記第2のガス圧縮/膨張容器からガスを貯蔵したり、前記第1のガス圧縮/膨張容器および前記第2のガス圧縮/膨張容器にガスを放出したりするガス貯蔵サブシステムと、
前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器のそれぞれの中にある内部熱交換器であって、当該内部熱交換器内で前記油圧作動油と前記ガスとの間で熱交換するための内部熱交換器であり、各内部熱交換器が、前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器内のガスの質量と比べて非常に大きい熱質量を有する、内部熱交換器と、
前記貯蔵と放出との間で切り替えるように、前記ガス貯蔵サブシステムに関連付けられた少なくとも複数のガス弁を制御する制御サブシステムと
を備え、
貯蔵中、前記油圧ポンプによって前記第1のポンプポートと前記第2のポンプポートの間で送られる油圧作動油に応じて、ガスが、前記ガス貯蔵サブシステムにおいて圧縮させられ、それによってエネルギーを貯蔵し、
放出中、前記ガス貯蔵サブシステムからの圧縮ガスの放出による圧力に応じて、油圧作動油が前記第1のポンプポートと前記第2のポンプポートの間で流され、それによってエネルギーを放出する、
システム。
【請求項２】
前記ガス貯蔵サブシステムが、
それぞれのガス弁の開/閉状態に応じて、前記第1の圧縮/膨張容器との間か、または前記第2の圧縮/膨張容器との間で選択的にガスをやりとりするための高圧ガスチャンバと、
それぞれのガス弁の開/閉状態に応じて、前記第1の圧縮/膨張容器との間か、または第2の圧縮/膨張容器との間で選択的にガスをやりとりするための低圧ガスチャンバと
を備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項３】
各内部熱交換器において、前記熱交換器のメッシュまたは金属発泡体の密度が、圧縮または膨張の熱が最大であるシリンダの上部において実質的に増加する、請求項2に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項４】
曲線因子が、実際のところ、前記膨張/圧縮チャンバ内の利用できる容量の25%未満であっても、前記メッシュまたは金属発泡体の材料が、圧縮下で前記ガスより実質的に高密度であり、好ましくは1gm/ccのアグリゲート密度である、請求項3に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項５】
各内部熱交換器が、前記各容器の内側容積の約25パーセント未満を占めている、請求項4に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項６】
各内部熱交換器が、前記各容器の前記内側容積の約3パーセントを占めている、請求項5に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項７】
各内部熱交換器が金属発泡体である、請求項3に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項８】
前記金属発泡体中のほぼ全ての細孔のサイズが、約5立方ミリメートル未満である、請求項7に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項９】
各内部熱交換器が、金属からなる極めて多孔質の焼結プラグである、請求項3に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１０】
各内部熱交換器がコイルである、請求項3に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１１】
各内部熱交換器が、銅、アルミニウムのうちの少なくとも1つを含む、請求項10に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１２】
油圧作動油と大気との間で熱を交換するための、前記油圧作動油に接触する外部熱交換器をさらに備える、請求項3に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１３】
前記発電機/モータサブシステムに関連付けられたフライホイールをさらに備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１４】
前記放出中に前記発電機/モータサブシステムからの電力を調整するための前記発電機/モータサブシステムに関連付けられた電力調整用モジュールをさらに備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１５】
前記油圧ポンプが、油圧作動油が前記第1のポンプポートから前記第2のポンプポートへ流れていようと、前記第2のポンプポートから前記第1のポンプポートへ流れていようと、同じ方向に回転するように構成されている、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１６】
前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器のそれぞれの中のガス圧、および前記ガス貯蔵サブシステムの中のガス圧に関して前記制御システムにデータを通信するための圧力変換器をさらに備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１７】
前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器の少なくとも1つが、前記圧縮/膨張容器内の油圧作動液位に関して前記制御システムにデータを通信するための各液面変換器を収納する、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１８】
前記油圧作動油が、不燃性の非反応性流体である、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項１９】
前記不燃性の非反応性流体がKRYTOX（登録商標）である、請求項18に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２０】
前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器のそれぞれの中の前記ガスと前記油圧作動油との間に、不燃性および非反応性であり、前記油圧作動油よりも低密度で不透過性が高い第2の流体をさらに備える、請求項18に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２１】
前記第2の流体が、エチレングリコール/水/阻止剤ベースの冷却剤である、請求項20に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２２】
前記油圧作動油および前記第2の流体が、アイソレータピストンによって隔てられる、請求項20に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２３】
前記油圧作動油および前記第2の流体が、互いに直に隣り合っている、請求項20に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２４】
前記第1の圧縮/膨張容器および前記第2の圧縮/膨張容器が、前記油圧作動油および前記第2の流体のうちのより重い方が、前記油圧作動油および前記第2の流体のうちのより軽い方の下方にあるように構成されている、請求項22または23のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２５】
前記油圧作動油が、DuPont社のKRYTOXの真空ポンプ流体、Dupont社のKRYTOXのNRTシリーズオイル、及び、約1.9gm/ccの密度を有するハロカーボン油からなる群から選択される、請求項23に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２６】
前記第2の流体が、約1.5gm/ccの密度を有するイオン流体である、請求項23に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２７】
前記イオン流体が、EMIM BTA、BMIM BTA、およびBMMIM BTAからなる群から選択される、請求項26に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２８】
前記発電機/モータサブシステムが、ユニット式発電機/モータを備える、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【請求項２９】
前記発電機/モータサブシステムが、発電機及びモータの両方を備え、前記発電機及びモータのそれぞれが、前記油圧ポンプに機械的に接続される、請求項1に記載のエネルギー貯蔵/抽出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づいて、2010年4月9日に出願した米国仮特許出願第61/322,778号、2011年2月24日に出願した米国仮特許出願第61/446,387号、2011年2月15日に出願した米国仮特許出願第61/443,171号、および2011年3月24日に出願した米国仮特許出願第61/467,168号による優先権を主張するものであり、各出願の内容は、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願は、一般に、電力変換およびエネルギー貯蔵に関し、より詳細には、圧縮ガスにエネルギーを貯蔵し、圧縮ガスからエネルギーを抽出するシステムおよび方法、ならびにそれらに関するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギーの効率的な貯蔵および抽出を可能にするプロセスと装置の両方を開発することが望まれている。エネルギーの貯蔵および抽出の改善により、自動車のシステムにおいて、または(風力タービンや太陽電池パネルのような)断続的な源によって生成されるエネルギーのバッファリングなど、多くの種々の分野において重要な用途がもたらされ、エネルギーを蓄積し、貯蔵し、次いで必要なときに(またはその需要を反映して価格が最も高いときに)放出できるようになる。
【０００４】
多くの様々なタイプのエネルギー貯蔵システムが、すでによく知られている。これらのうち最も一般的なものは、再充電可能電池であり、自動車における鉛酸蓄電池のような簡単で一般的な例を含み、リチウムイオン系、および他の電池におけるより最近のイノベーションにまで及ぶ。再充電可能な電池は、最も広く用いられている一般的なエネルギー貯蔵/抽出システムの中の一部である。他のスケールおよび期間において、フライホイールは、発電機またはシャフトの回転速度を一定に維持するために使用することができ、水は、丘に汲み上げられて、水力発電ダムと併せて使用されるときに大規模なエネルギー貯蔵および抽出システムを提供することができ、少なくとも2つは、圧縮空気エネルギー貯蔵(CAES)の存在を例に挙げるものであり、これは、ウィンドファーム(または他の断続的な源)が、電気を発生させるために使用され、この電気を使用して圧縮機に電力を供給し、圧縮機は鍾乳洞に圧縮空気を送り、そこで圧縮空気内のポテンシャルエネルギーは貯蔵されたままとなる。次いで、貯蔵されたエネルギーを使用して(General Electric（登録商標）のLM2500のような)ガス膨張タービンの駆動力の大部分を供給することができるが、1000psi〜15psi(1気圧)の膨張しているガスの熱力学のために、大きな熱損失が、膨張されたガス内で生じ、運用システムを維持するために、天然ガスが、ガスタービン中で燃焼させて「合理的な」動作温度を可能にするのに十分な熱を供給しなければならない。
【０００５】
知られているCAESシステムに関して既知の問題があり、これらは2つの特定の分野に関する。第1に、知られているシステムは、正確には「再生可能な」ではなく、というのもそれらは、熱を与えて系の熱力学を平衡させるために、天然ガスの燃焼(または何か他の燃料)に頼るものだからである。第2に、それらは、比較的非効率的であり、全効率は、30〜40パーセントである(ただし、効率は、出るエネルギーの量を入るエネルギーの量で割るものとして定義される)。
【０００６】
WO2008-139267におけるRuferらは、ガスのピストン圧縮および膨張を使用することによって、特にこの圧縮/膨張を実現するために液体ピストンを使用することによって可能な根本的な基礎効率を特定した。Ruferらは、油圧モータポンプ作動油を貯蔵容器の作動流体から隔てるために往復装置を使用することを教示すると共に、エネルギー密度、およびそのような装置を用いて達成可能な効率について教示する。Ruferらは、装置の「液体ピストン」部内の熱交換が、可能なエネルギー密度を改善することになることをさらに教示する。ガス圧縮膨張に関与する物理系の2つの境界条件のいずれか、すなわち断熱か等温かを選ぶ場合、(実世界の装置で実現可能でない)プロセス自体が、100パーセント効率的になり得るということになる。しかし、Ruferらは、準等温であるプロセスが、圧縮ガスの単位体積当たりずっとより良いエネルギー貯蔵密度を実現することを教示する。
【０００７】
さらなる詳細は、Sylvain LEMOFOUET-GATSIの博士論文(題名「Investigation and optimisation of hybrid electricity storage systems based on compressed air and supercapacitors」、(Thesis N 3628 (2006)、Swiss Federal Institute of Technology、Lausanne (EPFL Lausanne-Switzerland))において与えられる。
【０００８】
Van de VenおよびLi(Applied Energy 86, 10)は、液体ピストン圧縮を用いて得られる(83パーセントを超える)高効率を教示する。
【０００９】
PCTの国際公開WO2009-076757におけるKenwayらは、ガス圧縮比を約3.2:1に限定することによって熱力学がより良く管理されることを教示する。開示された装置は、油空圧圧縮の実施を実現するために一般的な市販の構成部品を利用する。
【００１０】
PCTの国際公開WO2006-034748におけるAdlerおよびSiebertは、ガス状媒体、特に水素を圧縮する装置の実際的な実現可能な設計をさらに教示する。適当な液体(イオン液体)を使用することによって、駆動ポンプ/モータのキャビテーションの恐れなしに液体ピストンの利点をフルに利用することができるので、非常に高い圧縮(および圧縮比)を実現することが可能であることが教示される。
【００１１】
キャビテーション(または発泡(fizz))は、同伴ガスによって形成され、通常、油圧作動油(hydraulic fluid)中の小さい不純物の周りで核となる非常に破壊的な泡の出現である。ガスの膨張が、例えば1000倍である場合、ミクロンのスケールで伴われた泡は、小爆発の破壊的な力で10mmまで膨張する。
【００１２】
AdlerおよびSiebert、ならびにVan VenおよびLiは、液体ピストンが、圧縮チャンバ(またはシリンダ)内に熱交換器を容易に収容し、それによって準等温の条件の維持が、従来の圧縮機またはエキスパンダを用いるよりもはるかにより実現され易くなることをさらに教示する。
【００１３】
以下の参考文献、すなわち、米国特許第3,947,736号(Byersら)、米国特許第4,286,203号(Ehret)、米国特許第3,971,972号(Stitch)、米国特許第4,128,793号(Stitch)、米国特許第4,618,810号(Hagermanら)、米国特許第4,364,073号(Beckeら)、Bose, Bimal K.(1980)、Adjustable Speed AC Drive Systems、New York: IEEE Press、ISBN0-87942-146-0; Heinlein, R.(1982). Friday. New York, Holt Reinhart and Winston-Shipstoneも最先端を理解するために役立つ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】WO2008-139267
【特許文献２】WO2009-076757
【特許文献３】WO2006-034748
【特許文献４】米国特許第3,947,736号
【特許文献５】米国特許第4,286,203号
【特許文献６】米国特許第3,971,972号
【特許文献７】米国特許第4,128,793号
【特許文献８】米国特許第4,618,810号
【特許文献９】米国特許第4,364,073号
【特許文献１０】米国特許出願第2007/0258828号
【特許文献１１】PCT出願第2010/135658A2号
【特許文献１２】米国特許第7,802,426号
【特許文献１３】PCT国際公開WO2008/139267
【特許文献１４】PCT国際公開WO2009/034421
【特許文献１５】米国特許第5,021,125号
【特許文献１６】PCT出願第PCT/US2010/035795号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Sylvain LEMOFOUET-GATSIの博士論文(題名「Investigation and optimisation of hybrid electricity storage systems based on compressed air and supercapacitors」、(Thesis N 3628 (2006)、Swiss Federal Institute of Technology、Lausanne (EPFL Lausanne-Switzerland).)
【非特許文献２】Van de VenおよびLi (Applied Energy 86, 10)
【非特許文献３】Bose, Bimal K. (1980)、Adjustable Speed AC Drive Systems、New York:IEEE Press、ISBN 0-87942-146-0;Heinlein, R.(1982). Friday. New York, Holt Reinhart and Winston-Shipstone
【非特許文献４】「Cavitation Wear in Hydraulic Systems」(http://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear-hydraulic)、E. C. Fitch
【非特許文献５】Energy Storage for Distributed Energy Resources and Other Electric Power Systems (2003)
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一態様によれば、エネルギーを貯蔵および放出するシステムが提供され、このシステムは、発電機/モータサブシステムと、発電機/モータサブシステムによって加えられる力に応じて第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で油圧作動油を送ると共に、第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で流される油圧作動油に応じて発電機/モータサブシステムに力を付与することもできる油圧ポンプと、第1のポンプポートを介して油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第1の圧縮/膨張容器と、第2のポンプポートを介して油圧ポンプとの間で油圧作動油をやりとりする第2の圧縮/膨張容器と、選択的に、第1のガス圧縮/膨張容器および第2のガス圧縮/膨張容器からガスを貯蔵したり、第1のガス圧縮/膨張容器および第2のガス圧縮/膨張容器にガスを放出したりするガス貯蔵サブシステムと、第1の圧縮/膨張容器および第2の圧縮/膨張容器のそれぞれの中にある内部熱交換器であって、当該内部熱交換器内で油圧作動油とガスとの間で熱交換するための内部熱交換器であり、各内部熱交換器が、第1の圧縮/膨張容器および第2の圧縮/膨張容器内のガスの質量と比べて非常に大きい熱質量を有する、内部熱交換器と、貯蔵と放出との間で切り替えるように、ガス貯蔵サブシステムに関連付けられた少なくとも複数のガス弁を制御する制御サブシステムとを備え、貯蔵中、油圧ポンプによって第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で送られる油圧作動油に応じて、ガスが、ガス貯蔵サブシステムにおいて圧縮させられ、それによってエネルギーを貯蔵し、放出中、ガス貯蔵サブシステムからの圧縮ガスの放出による圧力に応じて、油圧作動油が、第1のポンプポートと第2のポンプポートの間で流され、それによってエネルギーを放出する。
【００１７】
他の態様および実施形態は、本明細書に開示されている。
【００１８】
ここで、添付図面を参照して、実施形態をより完全に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一実施形態による圧縮ガスを用いたエネルギーを貯蔵および抽出するシステムの概略図である。
【図２】図1のシステムの様々な構成要素を有する制御サブシステムの接続の概略図である。
【図３Ａ】内部熱交換器がない場合の図1のシステムのための圧縮/膨張容器、およびその内部のそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。
【図３Ｂ】内部熱交換器がない場合の図1のシステムのための圧縮/膨張容器、およびその内部のそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。
【図３Ｃ】内部熱交換器がある場合の図1のシステムのための圧縮/膨張容器、およびそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。
【図３Ｄ】内部熱交換器がある場合の図1のシステムのための圧縮/膨張容器、およびそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。
【図４】一方の圧縮/膨張容器がその内部で最大量の油圧作動油を有し、別の圧縮/膨張容器がその内部で最小量の油圧作動油を有する、エネルギーを貯蔵するためのガス圧縮中の図1のシステムの構成要素を示す概略図である。
【図５】圧縮/膨張容器がその内部で最小量より多くの量の油圧作動油を有し、また圧縮/膨張容器がその内部で最大量より少ない量の油圧作動油を有する、エネルギーを貯蔵するためのガス圧縮中の図1のシステムの構成要素を示す概略図である。
【図６】圧縮/膨張容器がその内部で最小量より多くの量の油圧作動油を有し、また圧縮/膨張容器がその内部で最大量より少ない量の油圧作動油を有する、エネルギーを放出するためのガス膨張中の図1のシステムの構成要素を示す概略図である。
【図７】ガス貯蔵サブシステムの代替実施形態の概略図である。
【図８】圧縮ガスを用いたエネルギーを貯蔵および抽出するシステムの代替実施形態である。
【図９】経時的な発電機/モータの電力の出力/入力の変化を示すグラフである。
【図１０】経時的な発電機/モータの回転の角速度の変化および電力の出力/入力の変化を示すグラフである。
【図１１】電力の出力/入力の変化を平滑化するために経時的な角速度の変化を有する発電機/モータの励起電流の変化を示すグラフである。
【図１２】図11に示す励起電流の変化によって経時的な発電機/モータの結果として生じる電力の出力/入力の変化を示すグラフである。
【図１３】油圧ポンプの容量、および流れの方向の時間に伴う変化を示す図である。
【図１４】エネルギー貯蔵(抽出)中に発電機/モータに印加される(それを介して放出される)三相電力を調整する回路の概略回路図である。
【図１５】フィルタ処理されたパルス幅変調の結果としての出力電圧波形を示す図である。
【図１６】二液のバッファリングされた構成のための隔離シリンダと協働している圧縮/膨張容器を示す図である。
【図１７】二液のバッファリングされていない構成のための、その内部に液体の二層を有する圧縮/膨張容器を示す図である。
【図１８】一体ピストンを用いる二液のバッファリングされた構成の代替実施形態の2つの圧縮/膨張容器を示す図である。
【図１９】無停電電源の概略図である。
【図２０】図19の無停電電源のための整流段(rectification stage)の概略図である。
【図２１】図19の無停電電源の代替の整流段の概略図である。
【図２２】図19の無停電電源の電圧整流段、平滑化段、および逆転段の概略図である。
【図２３】図19の無停電電源の出力段の概略図である。
【図２４】図23の出力段の絶縁ゲートバイポーラトランジスタの複数組の1つの概略図である。
【図２５】一実施形態による一次電源共に複数の二次電源と電力バスの相互接続を示す概略図である。
【図２６】一実施形態による一次三相電源共に複数の二次三相電源と電力バスの相互接続を示す概略図である。
【図２７】複数の三相負荷と電力バスの相互接続を示す概略図である。
【図２８】電圧スイッチ機構を示す概略図である。
【図２９】一次電源および二次電源に関する電圧変化を示すグラフである。
【図３０】複数の電源の集中制御、および複数の負荷へのそれらの電力供給を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ここで図1を参照すると、本発明の一実施形態による、エネルギーを貯蔵および抽出する(すなわち、放出する)システムが示されており、全体的に参照符号5によって特定される。システム5は、制御サブシステム7によって制御され、本実施形態では、制御サブシステム7は、プログラム可能論理制御装置(PLC)であるが、適当なインタフェースハードウェアを有するパーソナルコンピュータ等などの別の装置によって代わりに実行されてもよい。システム5は、発電機/モータサブシステムも備え、本実施形態では、発電機/モータサブシステムは、シャフト連結器を用いて油圧ポンプ12に機械的に結合された単一の発電機/モータ10を含み、回転力を油圧ポンプ12に付与することによってポンプエネルギー貯蔵中に油圧ポンプ12の第1のポート14と第2のポート16の間で油圧作動油13をポンプするようになっている。さらに、説明するように、発電機/モータ10および油圧ポンプ12は、機械的に結合され、エネルギー放出中に第1のポート14と第2のポート16の間でポンプされる油圧作動油13に応じて、油圧ポンプ12が回転力を発電機/モータ10に付与できるようになっている。
【００２１】
本実施形態では、発電機/モータ10は、励起巻き線を有する三相交流(AC)発電機/モータであり、これは、エネルギー貯蔵中に電力を加えると油圧ポンプ12のための原動機として機能し、エネルギー放出中に油圧ポンプ12により回転すると電気発電機として機能する。
【００２２】
本実施形態では、油圧ポンプ12は、可変容積、およびオーバーザセンター構成を有し、それによって油圧ポンプ12は、油圧作動油13が、第1のポート14から第2のポート16へ流れていようと、第2のポート16から第1のポート14へ流れていようと、一方向だけに(例えば、時計回りに)に回転するシャフトを有する。つまり、油圧作動油13の流れの方向に関わらず、貯蔵および放出全体にわたって、油圧ポンプ12は、単一の方向に回転する。油圧ポンプ12は、その動作のためにフィルタ、弁、およびチャージ圧力回路を備える。本実施形態では、油圧ポンプ12中の弁(図1を確実に簡単に理解するために図示されていない)は、制御サブシステム7によって供給される信号を介して電気的にそれぞれ制御される。
【００２３】
フライホイール18は、油圧ポンプ12を通じて流体が流れる最中の回転、圧力変化、油圧作動油13のポート14とポート16の間の流れの方向の変化、およびモード変化(すなわち、説明するように、エネルギー貯蔵からエネルギー放出へ、およびその逆も同様に)を維持するためにシャフト連結器に機械的に結合される。フライホイール18は、追加の角運動量を与え、角運動量は、本実施形態では約1秒〜10秒である短期間のrpmの損失によって発電機/モータによって電気エネルギーへ変換することができる。
【００２４】
電力調整用モジュール19は、発電機/モータ10と電気の主管(図示せず)の間で結合されて、発電機/モータ10を制御し、電力電気の主管に供給するのに用いるために発電機/モータ10からの電力を調整する。本実施形態では、電力調整モジュール19は、整流ダイオードおよびスティッフなDCコンデンサ(stiff DC capacitor)が先にあるインバータである。もちろん、主管とモータ態様の発電機/モータサブシステムとの間の反対方向の電力調整は、同様の逆転の回路、可変周波数駆動である。
【００２５】
油圧ポンプ12は、第1のポート14から延び第1の圧縮/膨張容器20の外壁を通じて第1の圧縮/膨張容器20の内側容積の底部の近くで終端をなす流体ライン40を通して第1の圧縮/膨張容器20の内側容積と流体連通している。油圧作動油13は、流体ライン40を通して、油圧ポンプ12と第1の圧縮膨張容器20の内側容積のとの間で流れることができる。
【００２６】
油圧ポンプ12は、第2のポート16から延び第2の圧縮/膨張容器30の外壁を通じて第2の圧縮/膨張容器30の内側容積の底部の近くで終端をなす流体ライン50を通して第2の圧縮/膨張容器30の内側容積とも流体連通している。油圧作動油13は、流体ライン50を通して油圧ポンプ12と第2の圧縮/膨張容器30の内側容積との間で流れることができる。
【００２７】
流体ライン40および50は、システム5中の油圧作動油13に付与される圧力に耐えることができる1種類または複数種類の鋼鉄などの任意の材料で構成される。
【００２８】
本実施形態では、油圧作動油13はKRYTOX（登録商標）であり、これは、空気などの酸素を含むガスの圧縮での使用に適した不燃性の非反応性液体である。他の適当な油圧作動油が、用いられてもよい。
【００２９】
第1の圧縮/膨張容器20の内側容積は、第1の圧縮/膨張容器20の内側容積の上部近くから第1の圧縮/膨張容器20の外壁を通じてガス貯蔵サブシステム100へ延びるガスライン60を通してガス貯蔵サブシステム100とも流体連通している。
【００３０】
第2の圧縮/膨張容器30の内側容積は、第2の圧縮/膨張容器30の内側容積の上部近くから第2の圧縮/膨張容器30の外壁を通じてガス貯蔵サブシステム100へ延びるガスライン70を通してガス貯蔵サブシステム100とも流体連通している。
【００３１】
ガスライン60および70は、システム5中のガスに付与される圧力に耐えることができる1種類または複数種類の鋼鉄などの任意の材料で構成される。
【００３２】
少なくとも1つの液面変換器24が、第1の圧縮/膨張容器20の内側容積内に配設され、第1の圧縮/膨張容器20内の油圧作動油13の液位を示す液面信号を生成する。同様に、少なくとも1つの液面変換器34が、第2の圧縮/膨張容器30の内側容積内に配設され、第2の圧縮/膨張容器30内の油圧作動油13の液位を示す信号を生成する。制御サブシステム7は、液面変換器24、34から液面信号を受け取り、それに応じてシステム5を制御するようになっている。概して、制御サブシステム7は、油圧作動油13が、ガスライン60、70に入らないことを確実にする。液面変換器24、34は、第1の膨張/圧縮容器20および第2の膨張/圧縮容器30の外側の制御サブシステム7によって受け取られ得るそれぞれの信号を生成する。そのような信号は、有線によってまたは有線と無線の両方によってサブシステム7を制御するように与えられてもよいことを理解されよう。
【００３３】
第1の内部熱交換器22も、第1の圧縮/膨張容器20の内側容積内に配設され、第2の内部熱交換器32も、第2の圧縮/膨張容器30の内側容積内に配設される。内部熱交換器22、32のそれぞれは、圧縮/膨張容器20、30内の任意の油圧作動油13と、それぞれ圧縮/膨張容器20、30内で圧縮/膨張している任意のガスとの間で熱を交換するように機能する。熱交換器は、圧縮/膨張モジュールの容量内に遍在し、熱的に大容量(物理的密度約1gm/cc)であり、(利用できる容量の25%未満に取って代わる)多孔質である。内部熱交換器は、ガスに比べて熱的に大容量であり、遍在しているので、ガスが温度を大きく変化させることは困難であり、このプロセスは、準等温のままである。液体ピストンの液体が、この多孔質の大容量の内部熱交換器に入退出するときに、液体ピストンの液体は、熱交換器内でトラップされた熱を獲得し、そして熱は、液体油圧作動油へ伝達される。
【００３４】
流体ライン40に関連付けられた第1の外部熱交換器42は、流体ライン40内の油圧作動油13と周囲大気の間で熱を交換するように機能する。同様に、流体ライン42に関連付けられた第2の外部熱交換器52は、流体ライン42の油圧作動油13と周囲大気の間で熱を交換するように機能する。
【００３５】
第1の内部熱交換器22、第2の内部熱交換器32、第1の外部熱交換器42、および第2の外部熱交換器52は、概して、第1の圧縮/膨張容器20および第2の圧縮/膨張容器30の外側の周囲大気と、第1の圧縮/膨張容器20および第2の圧縮/膨張容器30内のガスとの間の熱交換を行うように協働する。そのような熱交換は、準等温の条件がシステム5で存在することを可能にすることによってシステムの有効性および効率を維持するために大切である。結果として、圧縮膨張下のガスおよびさらに油圧作動油13は、概してほぼ一定の温度で維持される。
【００３６】
米国特許出願第2007/0258828号(Adlerら)は、液体ピストン圧縮機があれば、液体ピストンガス圧縮機の圧縮チャンバ内に熱交換器を取り付けることが可能であることを開示する。受動的熱交換が、球またはプレートで容量を部分的に満たすことによって可能であり得ることも述べられている。
【００３７】
PCT出願第2010/135658A2号(Aborn and Ingersoll)は、気泡を捕らえ、それによって熱交換を改善するために薄いカップ状構造が装置内で使用できることを開示する。
【００３８】
米国特許第7,802,426号(Bollinger)は、ガスの高効率近等温圧縮(high efficiency near-isothermal compression)が、ガスの流れを外部熱交換器を通じて外部循環させることによって実現することができることを開示する。圧縮比および熱交換流が、適切に選ばれ、圧縮比が十分に遅い場合、近等温の結果が実現できることが教示されている。
【００３９】
PCT国際公開WO2008/139267(Lemofouetら)は、圧縮チャンバ内の熱交換は、液滴のシャワーが圧縮チャンバを満たすときに液滴のシャワーの中に液体を向けることによって実現することができることを開示する。
【００４０】
PCT国際公開WO2009/034421(Lemofouetら)は、1つは液体ピストンガス圧縮に対して独立した流れであり、他のものは密封された圧縮プロセスまたは膨張プロセスを超えて熱交換流体を単に流す、多くの小さいチューブ(従来の熱交換器のようなもの)の構造として熱交換器が実施される場合、熱交換器が、圧縮と膨張の両方ではるかにより有効であり得ることを教示する。
【００４１】
本明細書に開示された本発明の本実施形態では、内部熱交換器22および32は、互いに同一であり、金属発泡体で作製される。内部熱交換器22、32は、熱交換のアクセスが内側容積ほぼ全体にわたって(好ましくは約1ミリメートル以下の)分子近くまで利用できるように、そのそれぞれの容器20、30の内側容積ほぼ全体にわたってそれぞれ分布されることが好ましい。したがって、熱伝達に対して大きい利用可能な熱質量がもたらされる。このようにして、システム5の準等温の動作は、最も良く維持することができる。好ましくは、金属発泡体の内部熱交換器22、32の場合、金属発泡体内のほぼ全ての細孔は、約5立方ミリメートル未満であるサイズを有する。しかし、ガスと油圧作動油13(または説明するように二液系における他の液体ピストン材料)の間の熱の伝達においてそれほど効率的でなく、したがってあまり急速ではない熱伝達を提供する代替構造が与えられてもよい。内部熱交換器22および32の構成に配慮を払うべきであるが、これは、実際のシステムでは、ガスを圧縮または膨張させるために必要な時間は、そのようなシステムで実現可能な電力レベルに反比例し、同様に、そのような配慮なく、低いフリーエアデリバリ(FAD)または有効電力レベルを有する圧縮機の「値」に反比例するからである。
【００４２】
代替として、圧縮されまたは膨張しているガスの温度変化の急速性によりシステム5の準等温の動作を行うために分子の熱交換のアクセスが最も重要である場合、内部熱交換器22、32は、それぞれのその圧縮/膨張容器20、30の内側容積の上部近くに単に配置しさえすればよい。
【００４３】
メッシュまたは金属発泡体を使用するときは、内部容積内の熱交換器22、32の遍在に関わらず、内部熱交換器22、32によって占められている圧縮容積の比率は、圧縮容積の25%で維持されればよく、3%まで下がることさえある。
【００４４】
金属発泡体またはメッシュが、内部熱交換器22、32に関して上述した実施形態で参照されてきたが、代替のものもあり得ることを理解されたい。例えば、内部熱交換が、金属の非常に多孔質の焼結プラグによって、および/またはきつく巻かれた金属コイルによって、および/または導電性材料の形成されたチューブまたはフィンガー部のサブシステムによって同様に与えられてもよい。選ばれる金属などの導電性材料は、銅および/またはアルミニウムであり得る。必要に応じて、他の材料が、内部熱交換器22、32に使用されてもよい。さらに、内部熱交換器22、32は、流体ライン40、50に接続されてもよく、または何らかのやり方で流体ライン40、50に一体化されてもよい。
【００４５】
図3Aおよび図3Bは、内部熱交換器がない場合の圧縮/膨張容器20または30、およびその内部のそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。図3Cおよび図3Dは、内側容積内に配置されたきつく巻かれたらせん状の銅メッシュの形態である内部熱交換器がある圧縮/膨張容器20または30、およびそれぞれの異なる油圧作動油液位の図である。
【００４６】
本実施形態では、ガス貯蔵サブシステム100は、高圧ガスチャンバ110、および低圧ガスチャンバ120を備える。第1の圧縮/膨張容器20からのガスライン60は、第1の高圧チャンバのガス弁(FHPcV)112が、開かれるように制御されているか、閉じられるように制御されているかに応じて、ガスのやりとりのために高圧ガスチャンバ110との流体連通を行う。同様に、第2の圧縮/膨張容器30からのガスライン70は、第2の高圧チャンバのガス弁(SHPcV)114が、開かれるように制御されているか、閉じられるように制御されているかに応じて、ガスのやりとりのために高圧ガスチャンバ110との流体連通を行う。または、第1の圧縮/膨張容器20からのガスライン60は、第1の低圧チャンバのガス弁(FLPcV)122が、開かれるように制御されているか、閉じられるように制御されているかに応じて、ガスのやりとりのために低圧ガスチャンバ120との流体連通を行う。また、第2の圧縮/膨張容器30からのガスライン70は、第2の低圧チャンバのガス弁(SLPcV)124が、開かれるように制御されているか、閉じられるように制御されているかに応じて、ガスのやりとりのために低圧ガスチャンバ120との流体連通を行う。FHPcV112、SHPcV114、FLPcV122およびSLPcV124の開閉状態の電気制御、およびそれによってガス貯蔵サブシステム100中のガスを貯蔵および放出する制御は、本明細書に説明する制御サブシステム7によって行われる。
【００４７】
各圧縮/膨張容器20、30、高圧ガスチャンバ110および低圧ガスチャンバ120の各々の内部のガス圧を測定するためのガス圧変換器(図1を確実に簡単に読むようにするために図示されてない)が設けられ、これらの構成要素内のガスについての圧力データを与えるために制御サブシステム7と連通する。この圧力データは、システム5の動作の制御中に、制御サブシステム7によって受け取られ、使用される。さらに、システム5の油圧作動油の圧力を測定するための1つまたは複数の油圧作動液(hydraulic liquid)圧力変換器(図1を確実に簡単に読むようにするために図示されていない)が設けられ、システム5中の油圧作動油についての圧力データを与えるために制御サブシステム7と連通する。
【００４８】
図2は、圧力変換器、電子式弁、油圧ポンプ12などから制御信号を受信すると共に、それらへ制御信号を送信するために、システム5の様々な構成要素と連通している制御サブシステム7の接続の概略図である。
【００４９】
次に、エネルギーを貯蔵および放出するシステム5の動作の概要を、図4、図5および図6を参照して説明する。
【００５０】
図4は、初期状態にあるときのシステム5の構成要素の概略図である。図示するように、圧縮/膨張容器20が油圧作動油13の最大液位にあり、圧縮/膨張容器30が油圧作動油13の最小液位にある。この状態では、制御サブシステム7は、FLPcV122が開かれており、FHPcV112が閉じられており、SLPcV124が閉じられており、SHPcV114が開かれているように信号を供給している。
【００５１】
制御サブシステム7は、油圧ポンプ12が、ポンプとして動作しているように信号を供給し、油圧作動油13の流れが、第1のポート14から第2のポート16へ移動する。この状態では、図5に示されるように、発電機/モータ10は、油圧ポンプ12を駆動している。発電機/モータ10が油圧ポンプ12を回転させると、油圧作動油13が、高圧ガス貯蔵チャンバ110と低圧ガス貯蔵チャンバ120の間の圧力差Δpに打ち勝ちつつ、第1のポート14から第2のポート16へポンプされる。それによって、発電機/モータ10を駆動する電気エネルギーは、変換されており、ガス貯蔵チャンバ110、120の間のガス圧差によってポテンシャルエネルギーとして貯蔵される。
【００５２】
このサイクルの任意の瞬間において、それぞれの流体液位変換器によって測定されるときに、第1の圧縮/膨張容器20内の液体の液位が最大液位未満であり、第2の圧縮/膨張容器30内の液体の液位が最小液位より大きいとき、システム5は、エネルギー貯蔵からエネルギー放出の状態に変化することができる。図6に示すように、これは、油圧ポンプ12内の油圧作動油13の流れの方向を逆転させ、油圧作動油13が、油圧ポンプ12に力を付与することを可能にし、それによってそのシャフトを回転させ、発電機/モータ10を駆動することによって実現することができる。
【００５３】
油圧ポンプ12が、「オーバーザセンター」の構成を有するので、流れの方向の逆転が、油圧ポンプ12のシャフトの回転の方向を変化させない。結果として、角運動量は、大きくは乱されない。「オーバーザセンター」ポンプが、この逆転を実行するための整定時間/遷移時間は、0.1秒程度であり得、この整定時間/遷移時間中、フライホイール18の角運動量は、ほぼ一定の角速度で回転を維持する。
【００５４】
エネルギー貯蔵からエネルギー放出の状態の変化の場合、ここでは、発電機/モータ10は発電機として動作し、発電機/モータ10により生成される電気が電気負荷によって使用されるとき、発電機/モータ10は、油圧ポンプ12の回転に抵抗するトルクを逆に与え、(ここでは、ガス圧差によって駆動されるモータとして働いている)油圧ポンプ12から発生する力学的エネルギーを吸収する。
【００５５】
システム5は、サイクルの途中(すなわち、「終わりではない」中間)で貯蔵から放出へ上記のように切り替えることができるが、切り替えは、サイクルの途中で行われる必要はないことが理解されよう。エネルギー貯蔵からエネルギー放出へ、または放出から貯蔵へ切り替えるとき、概して、流体の流れの方向は、逆転され(すなわち、左から右へ、右から左へ、または逆も同様である)、油圧ポンプ12は、電気発電機/モータ10がモータから発電機へ(または発電機からモータに)切り替えるのと同じ遷移の時間の間に、ポンピングから被駆動へ(または被駆動からポンピングへ)切り替える。
【００５６】
油圧作動油が油圧ポンプ12を通じて左から右へ流れる間の貯蔵が、上記の通り抽出のために中断されるのではなく継続する場合、流れの「ストローク」は、本実施形態では流体液位変換器を用いて決定されるとき、第1の圧縮/膨張容器20内の油圧作動油13の液位が、最小液位に到達するときに終わり、これは第2の圧縮/膨張容器30内の油圧作動油13の液位が最大液位に到達することに対応する。このストロークの終わりに、異なる遷移が生じると、貯蔵が継続できる。流体液位変換器のバックアップとして、圧力センサおよび温度センサが、冗長性として使用されてもよい。
【００５７】
遷移のために、油圧ポンプ12は、制御サブシステム7によって制御され、油圧ポンプ12を通じた圧作動油13の流れの方向を逆転する。さらに、上記の通り、油圧ポンプ12のシャフトは、オーバーザセンター構成により同じ方向に回転し続けることになり、この流れの方向が変化する間、フライホイール18の変化は、油圧ポンプ12のシャフトの角運動量を平滑化する。しかし、弁112、114、122、124の状態は、慎重に逆転される。
【００５８】
しかし、逆転の前に、続く電力ストロークへの遷移の時点で開かれるガス弁112、114、122、124の状態は、制御サブシステム7によって閉じられることになる。全てのそのような事前に開かれるガス弁が、閉じられた場合、次いで、SLPcV124が開かれる。ここで、(油圧作動油13が、その容器内で最大液位にあるので)この時点で第2の圧縮/膨張容器30内にはガスがないことになるため、ガスはほとんど流れない、またはガスは全く流れないが、それによって、圧力は、油圧作動液13と低圧ガス貯蔵チャンバ120内のガスの間で平衡を保つことになる。
【００５９】
発電機/モータ10が、再連結されるが逆転された油圧ポンプ12に電力を供給するとき、油圧ポンプは、第2の圧縮/膨張容器30から第1の圧縮/膨張容器20へ油圧作動油13を移動させ、それによって内部でガスを圧縮する。第1の圧縮/膨張容器20内のガス圧が、概して、高圧ガス貯蔵チャンバ110内のガス圧との平衡に到達するとき、上記のように圧力変換器からの信号に応じて制御サブシステム7によって決定されて、FHPcV112が開かれる。
【００６０】
油圧作動液13の液位が、第2の圧縮/膨張容器30内の最小にあって再び有効であり、それに応じて第1の圧縮/膨張容器20内の油圧作動液13の液位が、有効に満杯であるとき、このサイクルは、再び逆転する。この逆転中、別の貯蔵ストロークを行うために、油圧ポンプ12は、再び、制御サブシステム7によって選択させられて油圧作動油13の流れの方向を変更させ、それによってポンプポート14からポンプポート16への流れは、ポンプポート16からポンプポート14への流れに変化する。再び、フライホイール18が、発電機/モータ10および油圧ポンプ12の回転を維持する。制御サブシステム7が、やはりFHPcV112、SHPcV114、FLPcV122およびSLPcV124のそれぞれを閉じる。
【００６１】
この時点で、制御サブシステム7は、FLPcV122を開いて第1の圧縮/膨張容器20を低圧ガス貯蔵チャンバ120と流体連通させ、ポンプポート14からポンプポート16への油圧作動油13の流れが可視される。十分な圧縮が達成され、それによって第2の圧縮/膨張容器30と高圧ガス貯蔵チャンバ110の間で圧力がほぼ平衡にあるとき、SHPcV114を開いて高圧ガス貯蔵チャンバ110を第2の圧縮/膨張容器30と流体連通させる。
【００６２】
この時点で抽出サイクルが開始されることになる場合、FHPcV112を開いて第1の圧縮/膨張容器20を高圧ガス貯蔵チャンバ110と流体連通させ、SLPcV124を開いて第2の圧縮/膨張容器30を低圧ガス貯蔵チャンバ120と流体連通させる。
【００６３】
エネルギーの抽出(加圧ガスの膨張および排出)に対して様々な方策を用いることができ、そのうちの1つは、第1の圧縮/膨張容器20内の油圧作動油13の割合が、低圧ガス貯蔵チャンバ120内のガス圧と高圧ガス貯蔵チャンバ110内のガス圧の比に適合するまでFHPcV112を開いたままにすることである。サイクルおよび高圧ガス弁(または高圧弁および低圧弁)を循環させるように選ばれる正確な瞬間に関わらず、抽出における次の「ストローク」は、第1の圧縮/膨張容器20内の液面が、その最小に到達したとき、および第2の圧縮/膨張容器30内の液面が、その最大に到達したときに開始する。その時点で、ガス弁の全てが閉じられる。
【００６４】
しかし、次のストロークは、流体の流れを逆転させる油圧ポンプ12への指令から始まり、それによって次のストロークは、ポンプポート16からポンプポート14への流体の流れを開始し、油圧ポンプ12はモータとして働き、電気発電機/モータ10は、発電機として働く。SLPcV124を開いて、それによって低圧ガス貯蔵チャンバ120と第2の圧縮/膨張容器30の間の流体連通を可能にする。また、SHPcV114を開いてガス圧の差が流体を駆動し続けるようにするが、このストロークでは、駆動は、ポンプポート16からポンプポート14へとなる。高圧ガス貯蔵チャンバ110と第2の圧縮/膨張容器30を接続する弁の閉鎖の瞬間は、同様に上述したように、ガス圧の割合に適合する油圧作動油の液位の割合に対応する。
【００６５】
図7は、ガス貯蔵サブシステムと圧縮/膨張容器の間の弁が、実際には「2重」にされ得、それによって弁の開放および閉鎖の厳密なタイミングはそれほど重要でない代替実施形態の概略図である。この代替実施形態では、一方向ポペット弁は、圧縮容器の圧力が、高圧ガスチャンバ中の圧力に等しいまたはわずかに上回るときにガスが圧縮下の容器から逃れることを可能にするに過ぎない。実際には、ガス弁の「2重」は、電気的に制御される弁が、設計によって一方向である場合に必要である。弁が「2重」である場合、エネルギーの貯蔵と抽出の間の逆転は、一対の弁のその逆転も電気的に選択されることを必要とする。
【００６６】
上記の貯蔵/抽出プロセスは、油圧作動液が、イオン液体(またはキャビテーションの現象が起こり得ないように同様にガスを吸収しない油圧作動液)である場合、あるいは低圧ガス貯蔵チャンバと高圧ガス貯蔵チャンバの間の圧力差が、3または5などの小さい比で維持される場合、うまく適用することができる。
【００６７】
圧力比の制限に関する問題の1つは、達成できるエネルギー密度が、チャンバのサイズが与えられる可能性のあり得るもののごく一部に制限されることである。イオン液体の使用に関する問題の1つは、イオン液体が、かなり高価であり、つまり鉱油より約500倍程度なことである。
【００６８】
高価なイオン液体の問題に対処するために、液体の大部分に対してあまり高価ではないKRYTOXなどの液体、つまり酸素とは非反応性であるように配合される密度2.1のフッ素化真空ポンプ油を用いることができるが、ガス/液体の界面を保護するために(1.4などのより高い密度を有する)純イオン液体のKRYTOXの上部に少量のガード層を浮かすこともある。しかし、液面は、イオン液体が、圧縮/膨張容器20、30内に完全に留まり、油圧ポンプ12の中に排出されないように制御されなければならない。結果として、ストロークは、より短くなるように制御されることになる。
【００６９】
鉱油が選ばれる場合、圧力状態は、3または5などの小さい比率に限定される必要があり、そこで圧縮/膨張容器20、30内のガスは、反応手的または爆発的な混合が起こることを確実にするように慎重に選ばれなければならない。例えば、窒素が選ばれてもよい。他方、イオンキャップ層を有するイオン液体(EMIM TFSIのような)またはKRYTOXが使用される場合、圧縮/膨張容器20、30内のガスは、空気であり得る。
【００７０】
圧縮/膨張容器20、30内で空気が使用され、高圧ガス貯蔵チャンバ110が5000psi以上まで保持されるように動作圧または最大圧が選ばれる場合、金物類の2つの付随部品を有する「単一の」リザーバシステム、液体ピストンを用いる最終的な低比率の圧縮の前に低圧ガス貯蔵チャンバを「事前チャージする」または満たすためにスクリュー圧縮機または他の機械的圧縮機、および過度の膨張空気を大気圧に戻すように排出するための空気エンジンを使用することが可能である。低圧ガス貯蔵チャンバは、例えば300psi〜1000psiの圧力で作業リザーバとして維持される。これは、従来の(しかし、効率的な)圧縮機が、最終的な低比率だが高いエネルギー圧縮に使用される大容量の低圧(1000psi未満)の空気を集めるような大きさに正確に作製されることを可能にする。この構成を有する代替実施形態が図8に示される。この構成の場合、エネルギー貯蔵/抽出作用の80パーセントが、5000psiのその最終的な圧力までバッファ(低圧)リザーバ中の空気の圧縮において行われる。上記の準等温の液体ピストン圧縮機の使用の場合、効率が高いので、そのプロセスの効率は、80パーセントを超えることが予期され得る。バッファリザーバの中への従来の圧縮、または空気エンジンを通じての膨張から予期される効率は、(従来の圧縮空気エネルギー貯蔵、またはCAESに比べて)30パーセントの範囲内であることが予期されるが、高い損失が、1気圧〜60気圧の「低圧」圧縮膨張において利用できるエネルギーの20パーセントに限定され、それによって全損失は、30パーセントに制限される(全効率が約70パーセント)。
【００７１】
この30パーセントの損失のうち、14パーセントは、プロセスの低圧部分(20パーセントの70パーセント)、および高圧サイクルからの(80パーセントの20パーセントを表す)残りの16パーセントに由来する。これは、エネルギー貯蔵サイトとして必要とされるたった1つの大きいリザーバを用いて、非常に高い総エネルギー貯蔵/抽出効率をさらに可能にする。
【００７２】
そのような単一の大きいリザーバは、好都合なことに、鋼鉄チューブの組立体として実施することができ、または、好ましくはカーボンファイバ複合構造として実施することができる。適切な場合、これは、かなりの量のポテンシャルエネルギーを加圧ガスに形態で貯蔵するのに十分に大きい容量を有する地質学的貯留層(塩岩ドーム、または枯渇した油井さえも)としてさらにより効果的であり得る。地質学的貯留層は、100メガワット時間分を貯蔵する可能性をもたらし、それによってかなりの風力または太陽エネルギー設備をバッファリングする。カーボンファイバ複合構造、または鋼鉄チューブは、現在あまり経済的でないが、遠隔地でのエネルギー貯蔵を行うのに、または可搬車両(portable vehicle)において有効なことになり得る。
【００７３】
ガスを圧縮するために液体ピストンを使用することは、現在の技術開発の中で非常に盛んな分野である。油圧作動液によってガスの吸収を隔絶または制限する、または油圧作動液および特定の装置内のガスが溶解することを減少させることをもたらす一手法が、本明細書に開示される。
【００７４】
米国特許出願公開第2007/0258828A1号(Adlerら)は、液体ピストン圧縮機内のガス吸収を避けることの重要性、およびガスを吸収しない液体を使用することからなる解決策を開示している。提供される特定の液体は、イオン液体である。しかし、ガス溶解度10-4mol/lバール未満が利用可能なイオン液体、例えば[EMIN/I][TFSI]または[BMIM] [TFSI]を含むTFSI(トリフルオロメタンスルホンイミド)系イオン液体は、非常に高価である。
【００７５】
米国特許第5,021,125号(Phillipら)は、長い垂直なチューブを通じた層流によってガスの豊富な液体の重力分離を可能にすることによる、パルプ工場内で使用され得る、非常に大きいピストンレスのアキュムレータに関連した油圧作動液のガス吸収を取扱う手段について論じている。これは、非常に大きい物理的構造を必要とし、多大な費用がかかるのにも関わらず、少しばかり効果的であるのに過ぎない。
【００７６】
PCT出願第PCT/US2010/035795号(Abornら)は、気泡を捕らえるために、傘状の「カップ」を用いて圧縮コラム構造の中に挿入することからなる解決策を提案している。必要とされる構造は複雑であり、その有効性は立証されていない。
【００７７】
米国特許出願第12/813,781号、およびPCT出願第PCT/CA2008/002178号(共にKenwayら)は、2つの装置の使用を開示しており、第1のものは、(水圧増加機に似た装置の中で)固体金属ピストンが、液体と気体を分離する(適当な整流弁を有する)分離ピストンシャトルである。第1のものは、液体ピストン圧縮機に直接関連しないが、「ピストンレス」アキュムレータに関する。第2のものは、圧縮機流体EXXCOLUB（登録商標）のような低吸収液体の使用、または油圧作動油の上部に浮いている「ガスを通さない軽い油」の浮動層の使用に関するものである。
【００７８】
米国特許第7,802,426 (Bollinger)は、圧縮機中のピストンを「駆動する」ために使用できる液体であるが、一体ピストンによって液体と気体の間で隔離が維持されるべきであることを教示している。この手法は、ガスに直接接触する液体を有することから生じる熱力学的な利点の多くを除外する。
【００７９】
油圧作動油のガス吸収は、油圧システムのキャビテーションの現象のために、最小化されるように求められる(またはガス可溶性液体が、高圧ガスから隔絶されなければならない)。刊行物では、題名「Cavitation Wear in Hydraulic Systems」(http://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear-hydraulic)、E. C. Fitchが、以下のことを教示している。
「キャビテーションの現象は、液体の連続性の分布にあり、そこでは圧力のかなりの局所的な減少がある。液体内の泡の形成(キャビテーション)は、所与の温度で流体の飽和蒸気の圧力に等しいまたは近い陽圧が存在する場合でも開始する。キャビテーションのメカニズムは、以下のように説明することができる。任意の液体は、ガス状または蒸気状の泡を含み、これがキャビテーション核としての役割を果たす。圧力が、あるレベルまで減少させられると、泡は、蒸気または溶解容易なもの(dissolved ease)の収納場所になる。この状態の即座の効果は、泡が急速にサイズを増大させることである。大部分の液体における容積安定性の減少は、固体の濡れない粒子(solid unwetted particle)、およびガス蒸気泡、特に超微小レベルのものなどの様々な混合物の内容に関連しており、それらは、キャビテーション核としての役割を果たすと考えられる。キャビテーション消耗プロセスの重要な態様は、表面と露出された流体の間の大きい相対運動によって引き起こされる表面破壊および材料の変位である。そのような運動の結果として、流体の局所圧力は減少する。圧力が、(流体の蒸気圧より高い)正常に戻るとき、爆縮が生じ、キャビティまたは蒸気泡を崩壊させる。この泡の崩壊は衝撃波を発生させ、この衝撃波は、隣接した金属表面上に高い衝撃力をもたらし、加工硬化、疲労、およびキャビテーションピットを引き起こす。したがって、キャビテーションは、流体中の蒸気泡(またはキャビティ)が成長し、局所圧力変動により崩壊する機構に与えられる名称である」。
【００８０】
E. C. Fitchの刊行物の上記引用は、吸収されたガスと油圧作動液の蒸気の両方を考えるので、温度効果を強調しない。蒸気の場合、局所表面流から生じる油圧作動液全体の圧力変化は、相変化を引き起こし、「泡」の完全な崩壊を完成し得る。吸収されたガスの場合、メカニズムは、(泡が、空気、酸素、または反応性ガスを含む場合、)局所的な燃焼の結果として、泡においてまたは泡の破裂においても局所的に劇的な温度変化に関連して大いに異なり得る。一部の液体ピストン圧縮機/エキスパンダの設計は、油圧作動液を制御および移動するために油圧ポンプまたはモータまたは弁に依存するので、ガスの吸収の最小化、およびガスとガスが溶解する油圧作動液の間の隔離の向上は、重要な考慮対象である。
【００８１】
液体ピストンの実施形態が、本明細書で検討される。
【００８２】
二液バッファプロセス(two liquid buffered process)の使用は、液体ピストンのためのある液体、および油圧ポンプ12の動作のための第2の液体を用いる。第1の液体は、反応性ガスの圧縮のために、例えば、エチレングリコール/水/阻止剤ベースの冷却剤であり得るが、これは、この液体が、凍結せず、または容易に沸騰し、不燃性でもあり、したがって空気と組み合わさって爆発性混合物を生成しないからである。第2の液体は、例えば油圧オイルであってもよい。2つの液体は、(固体材料の)アイソレータピストンによって隔離され、液体ピストンの液体が、キャビテーションを生成する可能性のある構成要素の通過を決してしないようになっている。
【００８３】
バッファを用いる二液システムが、図16に示されている。好ましくは、そのような装置は、より重い液体が、より軽い液体の「下に」常にあるように構成される。したがって、2つの液体が、それらの封止を通って漏洩する場合でも、それらの基本的な秩序は維持される。「圧縮液体」203が、熱交換に使用されるので、「圧縮液体」203は、導管205を通じて下り、導管205は、圧縮/膨張チャンバ211から途中で、隔離シリンダ204の背後を上昇し、外部高圧シェル206およびチューブ熱交換器207を通過する。バッファピストンチャンバ液体203は、液体210と同じであり、この液体は、圧縮/膨張チャンバの内側の内部熱交換メッシュを通過する。液体201は、より軽い(より密度の低い)油圧オイルであり、実際には、液体201は、従来の油圧ポンプ、モータ、および弁に出入りして流れる。これは、ガスと接触せず、一体ピストン202によってバッファリングされる。
【００８４】
バッファのない二液システムが、図17に示されている。このシステムは、高密度であり、DuPont社のKRYTOXの真空ポンプ流体、Dupont社のKRYTOXのNRTシリーズオイル、または約1.9gm/ccの密度を有するハロカーボン油のような非反応性液体である一次液体を用いる。バッファ液は、例えば約1.5gm/ccの密度を有するイオン液体[GEMIM][BTA]、[BMIM][BTA]、または[BMMIM][BTA]などの極端に低いガス溶解度を有する液体である。バッファ液は、一次液体に浮くので、および一次液体だけが、ポンプを通過する(または、圧縮/膨張チャンバから出る)ので、バッファキャップは、浮いたままとなる。さらに、イオン液体が、低い速度を有するので、イオン液体は、液体ピストン圧縮/膨張チャンバ内の内部熱交換構造を容易に通過する。
【００８５】
バッファのない二液システムは、不必要なバッファリングシリンダを有さないので、かなりより簡単である。上述のように流体液位は、KRYTOXまたはハロカーボン油が、圧縮/膨張容器から決して排出されないように制御されなければならない。これは、この時点で、より軽いイオン液体が、このシステムの従来の油圧部分において油圧弁、ポンプ、およびモータのキャビティを通じて分布している場合、浮いている隔離バッファを維持する重力密度分離が、回復可能であるか明らかでないためである。
【００８６】
油圧ポンプの第1および第2のポート14、16を隔離するために一体ピストンを用いるシステムが、図18に示されている。この実施形態は、図16に示されるバッファリングされた「二液」システムに非常に類似している。しかし、図18に示される実施形態では、2つの隔離ピストンが、従来の油圧ポンプ/モータ(例えば、Linde HPW280のような、軸方向ピストン可変容積オーバーザセンターポンプ/モータ)の第1および第2のポンプポート14、16を受容し、ポンプポート14、16を水圧増加機に似ている構造の中央の2つの環状チャンバに接続する単一の構造によって置き換えられる。この目的は二重であり、第1は、液体ピストンとして働く液体からモータポンプを通過する油圧作動液を隔離することであり、第2は、「オフセット圧力」またはチャージ圧力を無効にすることである。多くの油圧構成要素は、チャージ圧力を必要とする。油圧モータまたはポンプが、チャージ圧力を必要とする場合、ポンプポート14、16における圧力は、チャージ圧力未満に低下し得ない。液体ピストンMAYを伴う圧縮/膨張装置の圧力は、チャージのための任意の圧力レベル(約300PSI)未満に低下するので、上記の開示したもののようなアイソレータが必要である。ポンプポート14、16が、増加機の構造の中央の2つの環状チャンバに共に接続され、増加機のエンドチャンバを含む2つの円筒形の容量が、実際の液体ピストン圧縮/膨張チャンバにそれぞれ接続され、増加機内の各エンドシリンダの容量が、各圧縮/膨張チャンバの容量とほぼ同じである場合、2つの液体は隔離され(ガスの吸収を最小化することになる)、かつチャージ圧力は無効にされ、ポンプポート14とポンプポート16の間の差圧だけが、圧縮/膨張液体および圧縮/膨張プロセスを駆動するようになる。
【００８７】
代替実施形態では、並列な増加機の構造のクラスタを、圧縮/膨張チャンバの容量より小さい容量にそれぞれ並列に接続することができるが、総計の容量は、圧縮/膨張チャンバの容量を超える。例えば、4つの増加機の構造が使用され、それぞれが増大比1を有する場合、それぞれは、圧縮/膨張チャンバの容量の4分の1(つまり1/4)よりわずかに大きい容量を有するように選ぶことができる。
【００８８】
代替として、適当な配管接続によるクラスタ内で、一体ピストンの運動の方向は、交互になり得、それによってピストンの加速は、機械的構造および支持体に対する力とモーメントの総量の減少をもたらす。
【００８９】
代替として、実際の増大比は、増加機に組み込まれてもよく、低圧ガスと共により高い油圧システム(higher pressure hydraulics)が使用されてもよいようになっており、またはその逆も同様である(例えば、5000PSIの油に対して圧縮/膨張1000PSIのガスの場合、5:1の増大)。
【００９０】
エネルギーが、発電機/モータ10に送達可能、または発電機/モータ10から引き出し可能である上記のシステムの場合、電力調整回路が設けられる。つまり、電力が制御下で発電機/モータ10(すなわち電気原動機)へ送達されるために、可変周波数駆動(VFD)の要素を含む回路が、電力源(主電源または送電網)と発電機/モータ自体の間に接続される。一般に、VFDがよく知られていることを理解されよう。
【００９１】
例えば、交流電流(AC)波形の合成は、米国特許第3,947,736号(Byersら)に記載されており、これらの合成駆動波形の使用によるACインダクションモータ内のすべりの制御は、米国特許第4,286,203号(Ehret)に記載されており、モータへの電流および電圧の基本単位を切り替えるためのパルス幅変調(PWM)の使用が、米国特許第3,971,972(Stitch)に記載されており、より有効な切り替え要素としてシリコン制御式整流器(SCR)またはThyristorsの使用が、米国特許第4,128,793(Stitch)に記載されており、PWMによる完全な合成のための制御可能な電圧および電流の源を提供するために(直接構成と反転構成の両方における)これら全ての相を使用することの検討が、米国特許第4,618,810(Hagermanら)に記載されている。
【００９２】
さらに、Beckeらの米国特許第4,364,037号は、電力を切り替えるために必要とされる装置を簡素化した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を開示している。Boseらは、電気機械の滑らかな制御においてこの装置を使用するために必要とされる原理をさらに述べている。
【００９３】
この開示した実施形態の一部である原動機は、誘導電動機ではないが、厳密な制御はやはり重要である。同期モータとして動作する同期発電機の制御は、ACインダクションモータを制御するために通常用いられる従来のVFDの使用について定める方策の修正を必要とする。
【００９４】
同期モータとして使用されるとき、高調波に対するより極端なフィルタリングと同期モータに必要とされる遅い加速を認識するフィードバック制御との両方が、発電機を「始動」するために用いられる。典型的には、「変圧器」として励起巻き線を使用するために、発電機が角速度ゼロから始動されるとき、励磁電流が、40〜240Hzの周波数のAC波形として印加されなければならない。このゼロrpm状態で、励磁ステータ巻き線を変圧器の一次として使用し、励磁ロータ巻き線を二次として使用し、それにより変圧された電流を受け取り、この電流がモータとして使用されている発電機の主ロータ巻き線に流れる前に変圧された電流を整流することによってロータにかなりの磁場を誘導することがさらに可能である。
【００９５】
したがって、ロータは、多極永久磁石の等価物に変換され、その回転トルクは、回転磁場を発電機のステータコイルに適用することによって発生する。その際ロータが静的または始動であっても、磁場およびステータ電流の強度はさらに高いので、「VFD」によって発生する場は、モータが回転し始めるときに幅広く分離された単一の半相パルスとして単に印加され得る。これらの場が、従来通り連続的に印加される場合、(同期モータとして働く)発電機は、大体固定された位置で回転または他の振動をし始めることができない可能性がある。
【００９６】
IGBT後のフィルタリングは、高インダクタンスかつ高同調であるべきであり、それによって波形は平滑になる傾向となる。同期整流器またはダイオードブリッジのIGBTの使用は、さらなる平滑化を実現するために使用され得る。システムが抽出モードにあるときに、インバータ回路を使用して「綺麗な」電力を主電源に戻すように送達するので、出力同調は、局所主周波数に関して高いピークがあり得る(高Q)。
【００９７】
モータとしての発電機の初期の回転は、「オーバーザセンター」油圧ポンプ12が「ニュートラル」位置にあるときにのみ開始されるべきであり、したがって発電機は、抵抗のない始動トルクを効果的にもたらす(または油圧ポンプ12が、実際にモータとして働いているときに、したがって油圧ポンプ12が「負の」トルクを発生させ、発電機/モータ10を回転させる)。
【００９８】
実際には、この装置は、一般に可逆的であるので、ガス圧差は、「エキスパンダ」モードで最初に使用されて、「オーバーザセンター」ポンプシャフトに始動トルクを発生させて、発電機がモータとしての速度までになるときに発電機シャフトの回転の始動を助けることができる。
【００９９】
典型的には、動作速度は、50Hzおよび60Hzの多極発電機に適当であるような500〜2000rpm(例えば、4極60Hzの発電機の場合、1800rpm)となる。上記の特別の手段によって克服される必要がある始動時の問題は、発電機/モータ10および油圧ポンプ12が結合されるシャフトに第1の数百RPMの回転速度を達成することに関する。
【０１００】
電力出力、角速度、および本発明の他の特徴に依存する時間に関する簡単な議論を次に行う。
【０１０１】
各膨張ストローク内で、高圧ガスが、膨張のために圧縮/膨張容器に最初に導入される瞬間は、この膨張ストロークにおける最大電力量が利用できる瞬間である。この膨張ストロークにわたって、利用できる電力は減少する。図9は、経時的な発電機/モータの電力の出力/入力の変化を示すグラフである。各ストロークが完了するとき、電力は低下し、流れが逆転するときにそのピーク値で再起動し、新しいストロークが開始する。逆サイクルは、圧縮サイクルにおけるエネルギーの貯蔵を説明する。圧縮時の電力の周期変動は、調節に等しく重要である。調節機構は、同じであるが、逆に使用される。
【０１０２】
「オーバーザセンター」油圧ポンプ12を回転要素として使用し、液体の流れを力学的エネルギーに結合するので、サイクルが逆転するときに、ポンプの回転方向は、変化する必要がない。したがって、油圧ポンプ12およびシステム5の電気発電機/モータの角運動量は、圧縮/膨張サイクルを通じてのエネルギーの獲得および損失に伴って変化する回転速度を維持する。
【０１０３】
図10は、経時的な発電機/モータの回転の角速度の変化および電力の出力/入力の変化を示すグラフである。発電機/モータ10のロータ内の磁性は、励起電流を用いて制御することができるので、電力が出入りする割合を調節することができる。励起電流の変調は、回転速度がその最小値に当たるときにピークに達し、回転速度がその最大値に当たるときに、励起電流の変調は下がる。これによりストロークおよびサイクル内の電力変化の平滑化を可能にする。
【０１０４】
図11は、電力の出力/入力の変化を平滑化するために、経時的な角速度の変化を伴う発電機/モータの励起電流の変調を示すグラフである。この励起電流の変調(または励起電流を説明するより高い周波数搬送波(40〜200Hz)の変調)は、図12に概略的に示されるように、電力出力の重要な調節を行い、図12は、励起電流の変化の結果として、経時的な発電機/モータの電力の出力/入力の結果として生じる変化を示すグラフである。
【０１０５】
電力出力(または入力)のこの調節は、「オーバーザセンター」油圧ポンプ12の容量に加えられる制御の変化と連携して達成される。図13は、これらの制御サイクルの同期の仕方を示す。
【０１０６】
「オーバーザセンター」ポンプの容量のこの変化および逆転は、本発明の不可欠な部分でもある。しかし、圧縮/膨張サイクルが大きなエネルギー貯蔵または抽出の可能性をもたらさないとき、(本実施形態では、フライホイール18を含む)システムの角運動量は、空所を埋める短期のエネルギーを供給するエネルギー貯蔵/抽出システム5のそれ自体一部であるので、回転周波数の変動はなおもある。
【０１０７】
普通の使用でシステム5が用いられる圧縮/膨張サイクルの時間は、30〜60秒程度であることが予期される。
【０１０８】
サイクルを滑らかにするのを助けるために、フライホイール18は、数秒程度の一定の時間でエネルギーを供給または吸収するためのものであるが、可変回転周波数は、VFDに類似する装置の使用により主電源または系統電力への効率的な接続を可能にすることを必要とする。これは、回転速度が、グリッド周波数(典型的には50または60Hz))によって要求される同期したモータ速度からやや変化しなければならないからである。この機能を実行する電子部品は、入力する三相電力の隔離された整流(isolated rectification)、異なる周波数でPWM IGBTからきて三相出力電源に入る出力波形をフィルタリングする手段による再合成、および電力が主電源から原動機へ供給できるように(または、電力が電気的に発生するときに周波数再合成を用いて、発電機から主電源に向かう反対方向に)その電力を慎重に切り替えることを可能にする。
【０１０９】
本実施形態によれば、そのような回路は、モータ/発電機10が、モータとして使用されているときの可変周波数駆動、およびモータ/発電機10が、(角速度の変化が、電力出力を平滑化するために必要であるので、主電源とは異ならなければならない周波数で発生させる)発電機として使用されているときに生成された電力を再サンプルするインバータとしての役割を果たす同じ回路要素の再使用を実現するために用いられる。
【０１１０】
実際には、抽出モードで、VFD要素は、周波数と相の両方においてグリッドの電力に適合される電気の主管またはグリッドへ供給するための電気出力を生成する。「ブリード」抵抗器は、発電機がモータと発電機の機能の間で切り替えられるときに3つのステータ巻き線に取り付けられる。図示されていないが、別個の接触器が、連続動作中に効率損失が制限されるようにブリードを切断するために使用することができる。
【０１１１】
図14に概略的に示される接触器、ダイオード、抵抗器、インダクタ、フィルタコンデンサ、およびIGBTは、PWM周波数合成電力制御のこの二重使用の一実施形態を示す。
【０１１２】
貯蔵モードでは、接触器S1およびS3が閉じられる。抽出モードでは、S2およびS4が閉じられる。順序は、「ブレークビフォメーク(break-before-make)」でなければならず、それによってS1/S3のペアは、S2/S4のペアとは決して同時に閉じられることはない。
【０１１３】
本実施形態では、典型的には発電機/モータ10は、システム5があるモードに関わらず連続的に回転しているので、ブリード抵抗器は、残留エネルギーのための「逃げ」道があることを確実にする。接触器が全て開いているとき、過度の過渡電流を避けるために励起電流を最小化する必要もある。励起電流、ポンプ容量、ポンプ方向、ガス弁、液面、およびIGBTモードのこの連係は、制御サブシステム7によって全て管理される。
【０１１４】
IGBTのゲートリード線は、典型的には、適当な開始/停止、およびPWMのストラテジの実施を実行するようにプログラムされたローカルマイクロコンピュータに接続され、制御サブシステム7によって制御され、順番付けられる。
【０１１５】
これらのPWMの方策は、この応用の大部分が、電気の主管の周波数に近い(しかしそれらとは連続的にわずかに異なる)周波数範囲内にあるので、典型的には、従来のVFDに見られるものとは異なる。さらに、電源の周波数および回転周波数で「ビートする」AC励磁機の周波数を選ぶことによって発電機(またはモータ)の出力を「同調する(tune)」ことができる。VFDインバータ制御は、図15に示されるように最終出力波形において最大の平滑性をもたらすように励磁機の制御を行わなければならない。システム5の開始および停止は、まれな出来事であるが、電力の効率および綺麗な合成は、通常の動作状態にも必要とされることが意図される。
【０１１６】
無停電電源などにおけるそのようなシステム5の使用の特定の概念は、エネルギーの貯蔵および抽出のための上記のシステム5に関連している。
【０１１７】
あるシステムにおける電力の遮断は、重大な結果を招く場合がある。例えば、丸太を切断中の工場では、停電は、数時間の作業時間の損失になると共に、切り出し中の丸太は、電力がないため手動で切り離されなければならない可能性がある。電源喪失に起因するさらにより危機的な状況は、原子炉または病院において経験され得る。
【０１１８】
遮断が「和らげられる」べき用途では、様々な構成の無停電電源(UPS)が、しばしば用いられる。大部分のUPS設計に関する1つの根本的な問題は、一次電源(通常、主電源(Mains))と二次電源の間で切り替えるための機構に存する。
【０１１９】
この問題は、複数の移行が含まれているときに特に切実である。例えば、主電源(グリッド)が一次電源である状況では、「ライドスルー」UPSが、ディーゼルのバックアップ発電機が始動されて安定化されるまでの15秒〜2分の電力を供給する。そのような環境においては、いくつかの移行が、シーケンス全体を横断し、最終的に電源の電力の復旧によって回復することが必要とされる。
【０１２０】
生じ得るこれらの問題は、電力レベルが100KWを超える電源システムにおいてより重大になる傾向があり、大量の電力が安全に「切り替え」されなければならないことになる。ドロップアウトまたは電源供給の一時停止が、典型的には電気の主管である一次AC電源に起こるときに、さらにいっそう概して継ぎ目のない高い電力レベルでの電源間の切り替えを可能にするプロセスと装置の両方を開発することが非常に望まれている。
【０１２１】
予備発電システムおよび無停電電源の基本概念はよく知られており、そのような1つのUPSシステムの電源構成要素が、図19に示される。
【０１２２】
一次電源から二次電源への継ぎ目のない移行に通じる問題が引き起こされる傾向があるのは、これは、VFDのような現代の「制御電子回路」と併せて使用するときに、小さい過渡的な「グリッチ」が、モータコントローラ、VFDのコンピュータ、および他の重要な機能をトリップアウトする傾向があるからである。UPSまたは予備電源システムは、電力の「フィルタ」を与えるが、移行は、予備電源が「作動する」ときに、コントローラのトリップ、金属蒸気光の消灯、またはブリーフフリッカ(brief flicker)におけるプロセス停止を管理するのが困難である。
【０１２３】
モータを制御するために高出力切り替え半導体を使用する概念は、Byersの米国特許第3,947,736号によって教示される。これらの合成駆動波形の使用によるACインダクションモータ内のすべりの制御はEhretの米国特許第4,286,203号によって開示されている。モータへの電流および電圧の基本単位を切り替えるためにパルス幅変調(PWM)を使用することは、Stitchの米国特許第3,971,972号によって教示されている。より有効な切り替え要素としてのSCRまたはThyristorsの使用は、Stitchの米国特許第4,128,793号によって教示され、およびPWMによる完全な合成のための制御可能な電圧および電流の源を提供するために(直接構成と反転構成の両方における)3つの相全てを使用することの検討は、Hagermanらの米国特許第4,618,810号によって教示されている。
【０１２４】
さらに、Beckeらの米国特許第4,364,037号は、電力を切り替えるために必要とされるデバイスを簡素化したIGBTの使用を開示している。Boseらは、題名Adjustable Speed AC Drive Systems、New York: IEEE Press、ISBN0-87942-146-0の刊行物において、電気機械の滑らかな制御についてこの装置を使用するための原理をさらに教示している。
【０１２５】
図20は、図19の無停電電源のための整流段の概略図である。図20に示される整流器は、実際にはシリコン制御整流器またはSCRである。これらは、チャージのとても良好な制御を可能にするが、大部分の用途において、単純な半導体ダイオードは十分である。
【０１２６】
図21は、図19の無停電電源のための代替の整流段の概略図である。図21中の回路は、より高い電力レベルについてより実際的であり、DCを貯蔵し、本来の知られている設計においてDCバスの従来の剛性を与えるコンデンサの制御されたチャージングを可能にする。
【０１２７】
図22は、図19の無停電電源に関する変形例の電圧整流段、平滑化段、および逆転段の概略図である。適当なフィルタリングが、コンデンサ(このコンデンサは、DCバスの定義ノーダルセンタ(nodal centre)である)において、チャージ回路が滑らかなDCを生成するように設けられる。
【０１２８】
図23は、図19の無停電電源の出力段の概略図であり、パルス幅変調(PWM)の技法を用いて再合成されたAC波形を与える。これは、図24に概略的に示されており、それはIGBTの複数組の1つを隔離する。
【０１２９】
本発明の本実施形態によれば、強化されたDCバスが、(多様な高馬力ACモータのような)様々な負荷、両AC主電源、電気貯蔵システム、および予備発電機の間の相互接続の一次手段として使用される。特に、一次電源の瞬間のドロップアウトまたは電力供給の一時停止の場合、励磁が、ダイオードブリッジのありのままの切り替え特性と組み合わせて制御されて、予備電源と一次電源の間の概してより継ぎ目のない移行を可能にする。そのような制御は、励起電圧および励起電圧、ならびに同期AC発電機の励磁コイルに印加される電流の制御によって行われてもよい。
【０１３０】
DCバスレベルでの相互接続の集中化は、可変周波数駆動(VFD)駆動機能が、ライドスルー保護を与えるという同時の恩恵を伴いながら、工場または大きい設備中にわたって分散されたいくつかのモータまたは負荷により経済的に提供されることを可能にするので、概してより継ぎ目のない移行を可能にするための励磁の制御の概念は、重要な機能のためにモータ制御(すなわち、重要な機能のために予備電源)に適用することができる。
【０１３１】
閾値レベルを作り出すためのDCバスの「強化」および複数のAC発電機内の励磁の制御(従来技術では、いわゆるAVR、すなわち自動電圧調節回路によって各発電機内で局所的に管理されてきた機能)、およびDCバス値の小さい変化に対する「弾力性」を作り出すためのIGBT出力段における従来のPWMのストラテジの変化は、DCバスを「工場規模(factory wide)」または施設広域接続点(institution wide connection point)として適したものにさせることができる。
【０１３２】
図25に示されるように、一実施形態による複数の二次電源および一次電源は、DCバスに並列に接続される。このバスは、複数の可能なDC電圧源を有するので、このバスは、通常のVFDまたはUPS内のDCバスより「強化」されている。これは、超コンデンサを加えることによってさらに強化されてもよく、Energy Storage for Distributed Energy Resources and Other Electric Power Systems (2003)のようにEPRI、Sandia、NETL材料において示唆される通りである。
【０１３３】
同様に、DCバスは、バッテリを二次電源として接続することによってさらに強化され得る。
【０１３４】
並列AC源がなくても、そうしたDCバスは、コンデンサ、超コンデンサ、またはバッテリの負荷の中への放電時間に主に依存してDCバスは比較的安定しているという利点をすでに有する。
【０１３５】
大きい電力システムでは、三相AC電圧の二次源は、図26に示されるように、通常、ACオルタネータまたは発電機でもある。
【０１３６】
このようにして複数の二次電源を一次電源に相互接続するために、励磁電圧は、管理され、「強化DCバス」構造の一部として利用できる共有されたダイオードの切り替えのおかげで、サブサイクル切り替え時間で非同期「スピニング」が保たれるとき、高出力発電機が、「スタンバイ」のままであることができるようになっている。
【０１３７】
自動電圧調節(AVR)は、デジタル制御のAVRも存在するが、従来からアナログ機能であったものであり、一般的なデジタル制御は、同期リソースの管理のためのより大きい発電設備に時々使用され、「強化DCバス」は、改善をもたらす。従来のAVRは、実際には、取り除かれ、(デジタルアナログ、すなわちD/Aによって)コンピュータ制御された励起電流、制御コンピュータに取り付けられた変換器、またはPLCに取り付けられたアナログ出力モジュールによって置き換えられる。装置内の発電機での励磁電流は、あるレベルに保持され、それにより電源を整流することによって生成される電圧レベルの「直下」で整流された出力を生成する。装置のシャフトは、常に回転しているので、装置は、電磁弁を介してガス圧の放出だけを必要としており、オーバーザセンターポンプ内の「斜板」の運動が、発電機のシャフトへのパワーを放出し、励磁電流の穏やかな制御が、「強化DCバス」を共有するいくつかの大きく高い電源の間での移行を滑らかにする手段を与える。
【０１３８】
例えば、「強化DCバス」に電力を供給する発電機は、互いに同期される必要がない。このことは、回転式発電機を通じてそれらのAC出力を生成するフライホイール、または(上記のシステム5およびその変形例のような)他のエネルギー貯蔵抽出装置を示唆し、またはオルタネータが、「強化DCバス」の通常の変化が、その特定のAC電源からのピーク整流電圧レベルを横切らないのに十分直下のレベルでそれらの励磁電圧を単に保持することによってスタンバイで保持されてもよいことを示唆する。
【０１３９】
したがって、一次電源が、ドロップアウトまたは電圧を下げる場合、回転式ACオルタネータ内のパワーは、DCバスが、特定の二次電源についてダイオード閾値未満に落ち込むと引き出される。これにより、二次電源への概して継ぎ目のない移行がもたらされ、システム5などのフライホイールまたはシステム、および本明細書に記載の代替を可能にし、それによって15秒〜2分の電力を与えて、DC電圧レベルを維持し、落ち込みの割合を抑制する。
【０１４０】
図27に示されるように、全ての負荷が、独立して制御されたIGBTインバータブロックを介して取り付けられる場合、重要な負荷の滑らかな制御が、一次電源の故障の場合にはうまくなされ得る。
【０１４１】
優先負荷が、(おそらく、決まっていないが、負荷が、劇場の電力、または原子炉の冷却ポンプを動作させている場合)、必要である限りの間維持されてもよい。それらを駆動する反転AC電力が、IGBT出力ブロックによって個々に制御されるので、非優先負荷は、滑らかに電圧を下げることができ、または順番付けから外すことができる。
【０１４２】
そのような半導体出力ブロックは、(例えば、フル実装されたVFDに比べて)ほとんどコストがかからず、最低限でも常にモータ/負荷のソフト始動を提供する。しかし、PWMモジュール制御用のアルゴリズムが、DCバス中のある「落ち込み」を可能にするように修正されてもよいので、これらのIGBTブロックは役立つ。
【０１４３】
図29に示されるように電源の継ぎ目のない移行を行うためにダイオード切り替えを使用する場合、そのような落ち込みは、避けられない。それらのそれぞれが、電源管理に「関わる」ときに、二次ACオルタネータで励磁電圧を大きく上げることによって、落ち込みは、一部緩和することができる。各励起電圧が上昇するにつれて、特定のオルタネータに関連したAC電圧がそのように上昇し、次いでこの源は、「強化DCバス」にアクセスするダイオード切り替えにおいて優勢になる。
【０１４４】
図28は、基本的な電圧切り替え機構を示す。
【０１４５】
図30は、電源管理全体に対する集中制御を示す。落ち込みを克服ために必要とされる(従来からの)PWMのストラテジの変化は、「強化DCバス」の公称の設定電圧が、通常必要とされるものより高く設定されるという概念で簡単に表すことができ、それによって通常の動作を実現するために必要とされるパルスのパルス幅および密度は、通常よりも短くおよび低くなる。落ち込みが、(このタイプのプロセスまたは装置に必要とされる5または10%の限界まで)沈むにつれて、その際、パルス幅および密度は、正常に対して「劣化」する。これは、わずかに高い電圧のIGBTの選択を必要とするが、割増し費用は、大きくないはずである。
【０１４６】
「強化DCバス」構造は、このプロセスまたはこのタイプの装置を利用する工場または設備全体中にわたって高電圧DCケーブルを物理的に引き回す必要もあり得る。
【０１４７】
実施形態を説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定められるその目的および範囲から逸脱することなく、変形および修正をなし得ることが理解されよう。
【０１４８】
例えば、実施形態は、ユニット式発電機/モータサブシステムを用いるものとして上述されてきたが、代替実施形態では、発電機/モータサブシステムは、モータから別個の構成要素である発電機を備えてもよい。したがって、油圧ポンプ12が結合されるシャフトは、2つの構成要素、すなわちモータおよび発電機にも結合される。そのような構成の場合、モータは、外部から電力を受け取る要求、および油圧ポンプを分割する要求に対して選択されおよび/または合わされてもよく、ならびに発電機は、油圧ポンプによって駆動され、電気を発生させる要求に対して選択され、および/または合わされてもよい。
【０１４９】
発電機は、例えば、100kWを発生させることが望まれる場合、多様な所望の電力を発生させることができる発電機が選択されるように特大サイズであってもよい。システムインフラの費用は、増大するであろうが、とても効率的な範囲内で動作するより大きい発電の熱損失が、最も効率的な範囲の外側でおそらく動作するより小さい発電機の熱損失より少ないので、動作効率は増される。
【符号の説明】
【０１５０】
5  システム
7  制御サブシステム
10  ユニット式の発電機/モータ、発電機/モータ、電気発電機/モータ、モータ/発電機
12  油圧ポンプ
13  油圧作動油、油圧作動液
14  第1のポート、ポンプポート
16  第2のポート、ポンプポート
18  フライホイール
19  電力調整用モジュール、電力調整モジュール
20  第1の圧縮/膨張容器、圧縮/膨張容器
22  第1の内部熱交換器、内部熱交換器、熱交換器
24  液面変換器
30  第2の圧縮/膨張容器、圧縮/膨張容器
32  第2の内部熱交換器、内部熱交換器、熱交換器
34  液面変換器
40  流体ライン
42  第1の外部熱交換器
50  流体ライン
52  第2の外部熱交換器
60  ガスライン
70  ガスライン
100  ガス貯蔵サブシステム
110  高圧ガスチャンバ、高圧ガス貯蔵チャンバ
112  第1の高圧チャンバガス弁(FHPcV)、ガス弁、弁
114  第2の高圧チャンバガス弁(SHPcV)、ガス弁、弁
120  低圧ガスチャンバ、低圧ガス貯蔵チャンバ
122  第1の低圧チャンバのガス弁(FLPcV)、ガス弁、弁
124  第2の低圧チャンバのガス弁(SLPcV)、ガス弁、弁
201  液体
202  一体ピストン
203  圧縮液体、バッファピストンチャンバ液体
204  隔離シリンダ
205  導管
207  外部高圧シェルおよびチューブ熱交換器
210  液体
211  圧縮/膨張チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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