(57)【要約】  電気エネルギーを発生させるために帯水層の圧力を利用するシステム及び方法である。前記システムは、帯水層と、前記帯水層に流体的に連結された井戸と、ポンプと、タービン発電機と、を含む。前記ポンプは、水を前記井戸から流れ出させるように配置される。前記井戸から流れ出す水に応じて、補充する水は、前記帯水層から前記井戸内へ自然に流れる。タービン発電機は、前記補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置される。
2011513615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯水層と、
前記帯水層に流体的に連結された井戸と、
水を前記井戸から流れ出させるように配置されたポンプと、
を備えているシステムであって、
前記システムが、前記井戸から流れ出る前記水に応じて、補充する水が前記帯水層から前記井戸内へ流れるように配置され、
前記システムが、前記補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置されたタービン発電機を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記ポンプは、前記井戸の静的な流体レベルの下に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ポンプは、前記補充する水の流れに対して前記タービン発電機の下流に配置されることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ポンプは、前記井戸の内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記タービン発電機のタービンは、前記井戸の内側に配置されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記タービン発電機のタービンは、前記井戸と前記帯水層との間に配置されることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記ポンプは、前記井戸と前記帯水層との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ポンプは、前記タービン発電機より高い高さにあることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記補充する水は、前記水が前記井戸から流れ出す場合に、前記帯水層と前記井戸との間に生成された差圧のおかげで、前記帯水層から前記井戸内へ自然に流れることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ポンプは、略連続的な割合で、前記水を前記井戸から流れ出させるように適合させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して、前記井戸から流れ出す水を利用するために適合された１つ又は複数のコンポーネントをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
井戸から水を取り除くステップと、
取り除かれた前記水に応じて、前記井戸に流体的に連結された帯水層から水を前記井戸へ補充するステップと、
前記帯水層から前記井戸内へ流れている補充する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記補充する水の流れは、前記帯水層と前記井戸との間の差圧のおかげで自然に流れることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記差圧は、前記水が前記井戸から取り除かれた結果として起きることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記運動エネルギーを変換するステップは、流れている補充する水を、タービン発電機を通じて方向付けるステップを備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記水は、前記井戸の静的な水レベルの下に配置されたポンプで前記井戸から取り除かれることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ポンプは、前記補充する水の流れに対して、前記タービン発電機の下流に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記水は、略一定の割合で前記井戸から取り除かれることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して、前記井戸から取り除かれた前記水を利用するステップをさらに備えていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
帯水層と、
前記帯水層に流体的に連結された井戸と、
水を前記井戸から流れ出させるように配置されたポンプと
を備えているシステムであって、
前記システムが、前記井戸から流れ出ている前記水に応じて、補充する水が前記帯水層から前記井戸内へ流れるように配置され、
前記システムが、
前記補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置されたタービン発電機と、
１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して、前記井戸から流れ出る前記水を利用するように適合された１つ又は複数のコンポーネントと、
を備えているシステムにおいて、
前記ポンプは、前記補充する水の流れに対して前記タービン発電機の下に配置され、
前記補充する水は、前記水が前記井戸から流れ出す場合に、前記帯水層と前記井戸との間に生成された差圧のおかげで、前記帯水層から前記井戸へ自然に流れることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００８年２月２５日付けで提出された米国特許出願番号第１２／０３６，７８９号の利益及び優先権を主張し、米国特許出願番号第１２／０３６，７８９号の開示がその全体を参照によって本願明細書に組み込まれる。
【０００２】
本願の開示は、電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用することに関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的に、帯水層は、含水の透水性岩石又は未固結の物質（例えば、砂利、砂、沈泥、又は粘土）の自然発生の一の地下層（又は複数の地下層）である。
【０００４】
水井戸（water well）は、地下の帯水層から水を引き出す目的のために使用された人工的な堀削（artificial excavation）である。水は、例えば、電気式ポンプ又は機械式ポンプを使用して井戸から引き出される場合がある。井戸は、深さにおいて、水量及び水質を大きく変えることができる。
【０００５】
所定の実施形態において、実質的な量の水は、飲むために、加熱するために、冷却するために、灌漑のために、及び他の使用のために井戸から取り除かれる場合がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一の態様において、帯水層と、前記帯水層に流体的に連結された井戸と、水を前記井戸から流れ出させるように配置されたポンプと、を含むシステムが開示される。前記システムは、前記井戸から流れ出している水に応じて、補充する水（replenishing water）が前記帯水層から前記井戸内へ流れるように配置される。前記システムはまた、前記補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置されたタービン発電機を含む。
【０００７】
いくつかの実施形態において、前記ポンプは、前記井戸の静的な流体レベルの下に配置される。典型的に、ポンプは、補充する水の流れに対してタービン発電機の下流に配置される。ポンプは、井戸の内側に、又は井戸と帯水層との間に配置されでもよい。タービン発電機のタービンは、井戸の内側に、又は井戸と帯水層との間に配置されてもよい。典型的に、ポンプは、タービン発電機よりも高い高さにある。
【０００８】
典型的な実施形態において、補充する水は、水が井戸から流れ出す場合に、帯水層と井戸との間に生成された差圧のおかげで、帯水層から井戸内へ自然に流れる。
【０００９】
ポンプは、水を略連続的な割合で前記井戸から流れ出させるように適合させてもよく、又は、断続的に動作するように適合させてもよい。
【００１０】
１つ又は複数のコンポーネントは、１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途（domestic or industrial applications）に関連して（in connection with）、井戸から流れ出す水を利用するように適合させる場合がある。
【００１１】
他の態様において、方法は、井戸から水を取り除くステップと、取り除かれた前記水に応じて、前記井戸に流体的に連結された帯水層から水を前記井戸に補充するステップと、前記帯水層から前記井戸内へ流れている補充する水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するステップと、を含む。
【００１２】
前記補充する水は、典型的に、帯水層と井戸との間の差圧のおかげで自然に流れる。前記差圧は、水が井戸から出て行く結果として起きることができる。いくつかの実施形態において、運動エネルギーを変換するステップは、補充する水の流れを、タービン発電機を通じて方向付けるステップを含む。
【００１３】
所定の実施形態において、水は、井戸の静的な水レベルの下に配置されたポンプで、井戸から取り除かれる。典型的に、ポンプは、補充する水の流れの方向に対して、タービン発電機の下流に配置される。水は、略連続的な割合で、又は断続的に、前記井戸から取り除かれてもよい。それ故に、取り除かれた水は、１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して、利用されることができる。
【００１４】
さらなる他の態様において、システムは、帯水層と、帯水層に流体的に連結された井戸と、水を井戸から流れ出させるように配置されたポンプと、を含む。前記システムは、井戸から流れ出している水に応じて、補充する水が帯水層から井戸内へ流れるように配置される。システムはまた、補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置されたタービン発電機を含む。１つ又は複数のコンポーネントは、１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して、井戸から流れ出す水を利用するように適合させる。ポンプは、井戸の静的な流体レベルの下に配置され、且つ補充する水の流れに対して、タービン発電機の下流に配置される。補充する水は、前記水が井戸から流れ出す場合に、帯水層と井戸との間に生成された差圧のおかげで、帯水層から前記井戸内へ自然に流れる。
【００１５】
いくつかの実施形態において、以下の１つ又は複数の利点が存在する場合がある。
【００１６】
例えば、十分な量の電気エネルギーは、環境に優しい方法で発生させることができる。さらに、本願明細書に開示された技術は、比較的低コストで実施させることができる。さらに、水は、高効率の方法で、井戸から抜き取られる場合がある。
【００１７】
他の特徴及び利点は、詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用するシステムの断面正面図である。
【図２】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用する他のシステムの断面正面図である。
【図３】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用するさらなる他のシステムの断面正面図である。
【図４】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用するさらなる他のシステムの断面正面図である。
【図５】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用する他のシステムの断面正面図である。
【図６】電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用するさらなる他のシステムの断面正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、電気エネルギーを発生させるために、帯水層の圧力を利用するシステム１００の断面正面図である。図示されたシステム１００は、帯水層１０２と、井戸１０４と、ポンプ１０６と、タービン発電機１０８と、を含む。
【００２０】
図示された帯水層１０２は、閉じ込められた帯水層である。加圧層（confining bed）１１０は、それ故に、帯水層１０２の上側の少なくとも一部を境界付ける。加圧層１１０は、一般的に、被圧地下水（confined water）が存在する帯水層の物質より低い透水係数（hydraulic conductivity）を有する。
【００２１】
比較的透過性物質（relatively permeable material）の層１１４は、帯水層１０２の上部分に直接的に配置される。この比較的透過性物質の層１１４は、水が地表１１２から帯水層１０２内へ流れることを可能にする。この水の流れは、矢印１１６によって示される。図示されるように、帯水層１０２は、帯水層１０２と比較的透過性物質の層１１４との間の接合面１２０までほぼ水で満たされる。
【００２２】
井戸１０４は、帯水層１０２に流体的に連結される。井戸１０４は、地表１１２から、岩盤層１２２を通じて、帯水層１０２の加圧層１１０の一部分を通じて、帯水層１０２自体内へ延在する。井戸１０４の底部は、帯水層１０２に対して開口しており、それによって、水が帯水層１０２と井戸１０４との間で、自由に流れることができる。井戸１０４内の水のレベルは、帯水層１０２における水のレベルと略同一である。
【００２３】
ポンプ１０６は、井戸１０４の内側に配置され、且つ井戸の水のレベルの下に配置される。ポンプ１０６は、水を井戸１０４から流れ出させるように動作可能である（水の流れが矢印１２４によって示される）。井戸から流れ出す水は、例えば、水を必要とする任意の周知の家庭的用途又は工業的用途に関連して、使用されることができる。例えば、水は、家庭環境又は工業環境のいずれかにおいて、飲料用途のために、入浴用途のために、洗浄用途のために、冷却用途のために、又は加熱用途のために使用される場合がある。様々な実施形態において、ポンプは、略連続的に動作するように適合される。他の実施形態において、ポンプは、断続的に動作するように適合される。
【００２４】
帯水層１０２及び井戸１０４は、互いに対して相対的に配置され、それによって、ポンプ１０６が井戸１０４から水を取り除くために動作する場合に、帯水層１０２は、補充する水を井戸１０４へ供給する。帯水層１０２から井戸１０４への補充する水の流れは、矢印１２６によって示される。水が井戸１０４から流れ出す場合に、補充する水は、帯水層１０２と井戸１０４との間に生成される差圧のおかげで自然に流れる。
ポンプが、帯水層１０２から井戸１０４への補充する水の比較的一定の流れを維持する方法で動作されることができることは、必要とされていないが、一般的に所望される。典型的に、付与された体積の水が井戸１４から取り除かれるたびに、井戸１０４内に流れ込む補充する水の体積は、互いに等しい帯水層１０２及び井戸１０４における各水レベルを維持するのに十分である。
【００２５】
タービン発電機１０８は、井戸１０４の内側に配置される。タービン発電機は、井戸の水レベルの下にあり、且つポンプ１０６の下（ポンプ１０６よりも低い高さ）にある。タービン発電機１０８はそれ故に、補充する水の流れ（矢印１２６）の方向に対してポンプ１０６の上流に配置される。タービン発電機１０８は、補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置される。生じる電気エネルギーは、電力供給システム（図１に図示せず）に供給される。
【００２６】
井戸水利用コンポーネント１２７は、井戸１０４の外側にある。一般的に、その井戸水利用コンポーネントは、井戸からの水を受容し、１つ又は複数の家庭的用途又は工業的用途に関連して水を利用するように適合される。様々な実施形態において、該コンポーネントは、飲料用水ため（drinking water fountain）、冷却又は加熱のための井戸水を利用する産業用機械装置の一部品、家庭用暖房システム、又は、有益な目的に水を使用する任意の他のコンポーネント又は複数のコンポーネントの組み合わせとされる場合がある。
【００２７】
図２のシステム２００は、図２の帯水層２０２が閉じ込められた帯水層ではなく、閉じ込められていない帯水層である点を除いて、図１のシステム１００に類似である。閉じ込められていない帯水層２０２は、図１における加圧層１１０などの加圧層によって境界付けられていない。
【００２８】
図示されたシステムにおいて、比較的透水性物質の層１１４は、帯水層１０２の略全体の上方に直接的に配置される。比較的透水性物質の層１１４は、水が地表１１２から帯水層２０２へ流れることを可能にする。この水の流れは、矢印１１６によって示される。図示されたシステム２００において、帯水層２０２は、帯水層１０２と比較的透水性物質の層１１４とのほぼ接合面１２０まで水で満たされる。井戸１０４内の水のレベルは、帯水層２０２における水のレベルとおおよそ等しい。ポンプ１０６及びタービン発電機１０８は、井戸１０４の内側に配置され、且つ井戸の水のレベルの下に配置される。
【００２９】
ポンプ１０６は、水を井戸１０４から流れ出させるように動作させることができる（水の流れが矢印１２４によって示される）。そのような水の除去に応じて、帯水層１０２は、補充する水を井戸１０４へ自然に供給する（水の流れが矢印１２６によって示される）。ターンビン発電機１０８は、補充する水の流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、該電気エネルギーが電力供給システム（図２に示されない）に供給される。
【００３０】
図３のシステム３００は、図３のシステム３００において、井戸１０４が帯水層１０２から水平方向にオフセットされる点を除いて、図２のシステム２００に類似である。図示されたシステム３００において、井戸１０４及び帯水層１０２は、それらの間で延在する水平方向のボーリング孔（horizontal borehole）３２８を介して互いに流体的に連結される。ポンプ１０６及びタービン発電機１０８の両方は、井戸１０４の内側に配置される。ポンプ１０６は、水を井戸から流れ出させる（水の流れが矢印１２４によって示される）ように配置され、且つタービン発電機は、補充する水の流れ（流れが矢印１２６によって示される）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するように配置される。
【００３１】
図４のシステム４００は、図４のシステム４００において、タービン発電機１０８が井戸１０４と帯水層１０２との間に配置される点を除いて、図３のシステム３００と類似である。より具体的には、タービン発電機１０８は、井戸と帯水層１０２との間で延在する水平方向のボーリング孔３２８内に配置される。
【００３２】
図５のシステム５００は、図５のシステム５００において、ポンプ１０６及びタービン発電機１０８の両方が井戸１０４と帯水層１０２との間に配置される点を除いて、図４のシステム４００に類似である。より具体的には、ポンプ１０６及びタービン発電機１０８は、井戸と帯水層１０２との間で延在する水平方向のボーリング孔３２８内に配置される。
【００３３】
図６のシステム６００は、図６のシステム６００において、ポンプ１０６が井戸１０４の外側に配置される点を除いて、図２のシステム２００に類似である。パイプ６４０は、井戸からポンプ１０６まで延在する。第２のパイプ６４２は、ポンプから井戸水利用コンポーネント１２７まで延在する。ポンプ１０６が井戸における水のレベルの下にない、図示されたそのような実施形態において、それにもかかわらず、ポンプ１０６は、水を井戸１０４から流れ出させることを可能にする。ポンプ１０６は、例えば、容積式ポンプとされる場合がある。さらに、所望する場合に、ポンプ１０６に呼び水を差す（prime）ための手段が設けられる場合がある。
【００３４】
本願発明の多くの実施形態が記載されている。それにもかかわらず、様々な改良が本願発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく行われることは、理解されるであろう。例えば、帯水層は、井戸を生成するためにタップされることができる任意の種類の地下水収集装置（subterranean collection of water）を備えることができる。帯水層は、透水性、半透水性、又は不透水性のいずれかである任意の種類の物質によって境界付けられることができる。タービン発電機は、井戸水内に全体的に沈められることができる。代替的は、タービン発電機の発電機部分が井戸水から流体的に離隔した状態で、タービン発電機のタービン部分のみが水中に沈められることができる。
【００３５】
特定の例において、井戸水（又は井戸水の少なくとも１部）は、その使用後に、帯水層及び／又は井戸に戻される場合がある。
【００３６】
ポンプは、渦巻きポンプ又は容積式ポンプとされる場合がある。多くのバルブの構成は、システムとともに実施される場合がある。複数の井戸又は関連したポンプ／タービン発電機のセットは、単一の帯水層と、帯水層の異なる部分と流体連通している井戸及び関連したポンプ／タービン発電機の各セットと関連される場合がある。
【００３７】
それ故に、他の実施は、特許請求の範囲内である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  システム
１０２  帯水層
１０４  井戸
１０６  ポンプ
１０８  タービン発電機
１１０  加圧層
１１２  地表
１１４  比較的透過性物質の層
１１６  水の流れを示す矢印
１２０  接合面
１２２  岩盤層
１２４  水の流れを示す矢印
１２６  補充する水の流れ
１２７  井戸水利用コンポーネント
２００  システム
２０２  帯水層
３００  システム
３２８  水平方向のボーリング孔
４００  システム
５００  システム
６００  システム
６４０  パイプ
６４２  第２のパイプ
【図１】
2011513615.tif 000003
【図２】
2011513615.tif 000004
【図３】
2011513615.tif 000005
【図４】
2011513615.tif 000006
【図５】
2011513615.tif 000007
【図６】
2011513615.tif 000008
【国際調査報告】
2011513615.tif 000009
2011513615.tif 000010