(57)【要約】【課題】より単純でより効率的な液体空気の製造システムと、電力貯蔵及び電力放出のためのシステム及び方法とを提供する。【解決手段】本発明に係るエネルギを貯蔵し放出するシステムないしは方法においては、入口空気が縦型冷却管組立体に導入され、冷却管組立体内で空気に含まれる水分の一部が除去される。この空気は、冷却管組立体から排出されて圧縮され、残りの水分が実質的に除去される。この空気中の二酸化炭素は吸着により除去される。この空気はメイン熱交換器内で冷却され、循環冷媒空気を用いて実質的に液化させられる。実質的に液化させられた空気は貯蔵装置に導入される。循環冷媒空気は、機械式冷凍機と、複数の循環冷媒空気膨張器とによって冷却される。エネルギ放出モードにおいては、循環作業流体は、放出された液体空気を加熱し、放出された液体空気が実質的に気化させられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵装置と、
１つ又は複数の熱交換器であって、該熱交換器のうちの少なくとも１つは前記貯蔵装置に流体的に接続されている熱交換器と、
前記熱交換器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている少なくとも１つの燃焼室と、
前記少なくとも１つの燃焼室と、前記熱交換器のうちの少なくとも１つとに流体的に接続されている１つ又は複数の発電機搭載高温ガス膨張器と、
前記高温ガス膨張器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている、電力を生成する少なくとも１つの発電機と、
液体空気流れ系統及び循環作業流体流れ系統とを備えているエネルギ放出システムであって、
前記液体空気流れ系統及び前記循環作業流体流れ系統は、互いに分離された異なる種類の流れ系統であり、
前記循環作業流体流れ系統は閉ループを形成し、
前記貯蔵装置から放出された液体空気は第１の全体流れ方向に流れる一方、前記循環作業流体は前記第１の全体流れ方向と実質的に反対向きである第２の全体流れ方向に流れ、
前記循環作業流体は、前記放出された液体空気が実質的に気化するように前記放出された液体空気を加熱し、
前記放出された液体空気は、前記循環作業流体が実質的に液化するように前記循環作業流体を冷却することを特徴とするエネルギ放出システム。
【請求項２】
前記循環作業流体がＣＯ２であることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項３】
前記実質的に気化させられた空気は、燃焼室に導入されて燃料の流れを燃焼させることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項４】
少なくとも１つの低温ポンプをさらに備えていて、
前記実質的に液化させられた循環作業流体であるＣＯ２は、前記少なくとも１つの低温ポンプによって加圧され、前記熱交換器のうちの少なくとも１つにおいて、高温の燃焼ガスによって気化させられ、
気化させられた前記高圧の循環作業流体であるＣＯ２は、発電機搭載高温ガス膨張器内で膨張させられることを特徴とする、請求項２に記載のエネルギ放出システム。
【請求項５】
少なくとも１つのバルブをさらに備えていて、
燃焼ガスは、前記燃焼室から、少なくとも１つの発電機搭載高温ガス膨張器に導入され、
前記膨張させられた燃焼ガスは、前記少なくとも１つのバルブによって、第１の部分と第２の部分とに分けられ、
前記第１の部分は前記第２の部分よりも多量であり、
前記第１の部分は第１の熱交換器に導入され、
前記第２の部分は第２の熱交換器に導入され、前記放出された液体空気を加熱して実質的に気化させることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギ放出システム。
【請求項６】
液体空気製造システムをさらに備えていて、該液体空気製造システムは、
１つ又は複数の入口空気圧縮器と、
第１の入口空気圧縮器に流体的に接続された分子篩組立体と、
前記分子篩組立体と第２の入口空気圧縮器とに流体的に接続された縦型冷却管組立体であって、その頂部又は該頂部の近傍に配置され入口空気が導入される空気入口と、その底部又は該底部の近傍に配置された出口とを有する縦型冷却管組立体と、
少なくとも１つの入口空気圧縮器に流体的に接続された、メイン熱交換器を含む１つ又は複数の入口空気熱交換器と、
前記メイン熱交換器に流体的に接続された貯蔵装置と、
前記冷却管組立体に流体的に接続された、作業流体を用いる吸収冷凍機と、
前記吸収冷凍機に流体的に接続された、冷媒流体を収容している機械式冷凍機と、
前記機械式冷凍機に流体的に接続された冷媒空気循環器組立体とを有することを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項７】
前記冷媒空気循環器組立体は、
１つ又は複数の循環冷媒空気圧縮器であって、少なくとも１つの循環冷媒空気圧縮器は前記メイン熱交換器に流体的に接続されている循環冷媒空気圧縮器と、
１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器とを有していて、
前記機械式冷凍機は、少なくとも１つの循環冷媒空気圧縮器と、少なくとも１つの循環冷媒空気低温膨張器と、前記吸収冷凍機と、前記メイン熱交換器とに流体的に接続され、
循環冷媒空気は、前記冷媒空気循環器組立体から前記メイン熱交換器に流入して前記入口空気を冷却することを特徴とする、請求項６に記載のエネルギ放出システム。
【請求項８】
前記循環冷媒空気は、前記１つ又は複数の循環冷媒空気圧縮器によって圧縮され、圧縮熱は少なくとも１つの吸収冷凍機によって回収されることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギ放出システム。
【請求項９】
さらに少なくとも１つのバルブを備えていて、
循環冷媒空気は、前記少なくとも１つのバルブによって、第１の部分が前記機械式冷凍機に導入される一方、第２の部分が少なくとも１つの循環冷媒空気低温膨張器に導入されるように分流され、
前記循環冷媒空気は、前記機械式冷凍機と前記１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器とによって冷却されて、前記メイン熱交換器に導入され、
前記機械式冷凍機内の冷媒流体は、前記吸収冷凍機から前記機械式冷凍機に輸送される低温の作業流体によって凝縮させられることを特徴とする、請求項８に記載のエネルギ放出システム。
【請求項１０】
前記実質的に液化させられた空気の蒸気部分から回収された冷熱が、さらに前記メイン熱交換器内の入口空気を冷却し、
前記実質的に液化させられた空気の前記蒸気部分は、前記入口空気からの熱と回収された圧縮熱とによって加熱され、
前記実質的に液化させられた空気の前記加熱された蒸気部分は分子篩組立体に導入され、前記実質的に液化させられた空気の前記蒸気部分は、前記分子篩組立体から二酸化炭素と水分とを除去することを特徴とする、請求項６に記載のエネルギ放出システム。
【請求項１１】
電力が２つのモードで生成され、
第１のモードでは、実質的に液化させられた循環作業流体がポンプで加圧されるとともに、高温の燃焼ガスによって気化させられ、
前記気化させられた高圧の循環作業流体は、前記発電機搭載高温ガス膨張器のうちの１つにおいて膨張させられ、前記発電機は、補助電力源として電力を生成し、
第２のモードでは、前記実質的に気化させられた空気は、燃焼室に導入されて燃料の流れを燃焼させ、前記発電機搭載高温ガス膨張器のうちの１つにおいて膨張させられることを特徴とする、請求項６に記載のエネルギ放出システム。
【請求項１２】
貯蔵された液体空気を放出する過程と、
前記放出された液体空気をポンプで加圧する過程と、
前記放出された液体空気と循環作業流体とが互いに分離された異なる種類の流れとなるように、前記循環作業流体を収容している閉ループを形成する過程と、
前記放出された液体空気を、少なくとも１つの熱交換器を経由して第１の全体流れ方向に流れさせる過程と、
前記循環作業流体が前記第１の全体流れ方向とは実質的に反対向きの第２の全体流れ方向に流れるように、前記循環作業流体を、前記少なくとも１つの熱交換器を経由して流れさせる過程と、
前記放出された液体空気が実質的に気化するように、前記放出された液体空気を前記循環作業流体で加熱する過程と、
前記循環作業流体が実質的に液化するように、前記循環作業流体を前記放出された液体空気で冷却する過程とを有することを特徴とする貯蔵されたエネルギを放出する方法。
【請求項１３】
前記循環作業流体がＣＯ２であることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記実質的に液化させられた循環作業流体をポンプで加圧する過程と、
前記圧縮されて液体となった循環作業流体であるＣＯ２を、高温の燃焼ガスとの熱交換により気化させる過程と、
前記加圧された作業流体であるＣＯ２を、発電機搭載高温ガス膨張器内で膨張させる過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記実質的に気化させられかつ加圧された空気を燃焼室に導入する過程と、
前記実質的に気化させられた空気が電力を生成するように、前記実質的に気化させられた空気で燃料の流れを燃焼させる過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記燃焼室から排出された燃焼ガスを第１の発電機搭載高温ガス膨張器に導入する過程と、
前記少なくとも１つの発電機搭載高温ガス膨張器内で前記燃焼ガスを膨張させる過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記膨張させられた燃焼ガスを第１の部分と第２の部分とに分流する過程であって、前記第１の部分は前記第２の部分よりも多量である過程と、
前記第１の部分をメイン熱交換器に導入して、圧縮された低温の空気流れを加熱する過程と、
前記第２の部分が放出された空気から冷熱を回収するのに用いられる循環系統の内部の液体空気を加熱して実質的に気化させるように、前記第２の部分を第２の熱交換器に導入する過程であって、循環するＣＯ２を、第２の発電機搭載高温ガス膨張器内で加熱して膨張させる過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記メイン熱交換器から排出される高温の排気流れを水分分離器に導入する過程と、
前記水分分離器内の高温の排気の流れから水分を除去する過程と、
回収された液状の水分をポンプで加圧する過程と、
前記水分を高温の熱交換器内で回収された熱によって加熱する過程と、
回収された水分を、前記第１の発電機搭載高温ガス膨張器に導入する過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
貯蔵装置と、
１つ又は複数の熱交換器であって、該熱交換器のうちの少なくとも１つが前記貯蔵装置に流体的に接続されている熱交換器と、
前記熱交換器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている少なくとも１つの燃焼室と、
前記少なくとも１つの燃焼室と、前記熱交換器のうちの少なくとも１つとに流体的に接続されている１つ又は複数の発電機搭載高温ガス膨張器と、
前記高温ガス膨張器のうちの少なくとも１つに流体的に接続され、補助電力源として電力を生成する少なくとも１つの発電機と、
液体空気流れ系統及び循環作業流体流れ系統とを備えている、電力を放出するためのシステムであって、
前記液体空気流れ系統及び前記循環作業流体流れ系統は、互いに分離された異なる種類の流れ系統であり、
前記循環作業流体流れ系統は閉ループを形成し、前記貯蔵装置から放出された液体空気は第１の全体流れ方向に流れる一方、前記循環作業流体は前記第１の全体流れ方向とは実質的に反対向きである第２の全体流れ方向に流れ、
前記循環作業流体は、前記放出された液体空気が実質的に気化するように前記放出された液体空気を加熱し、
前記放出された液体空気は、前記循環作業流体が実質的に液化するように前記循環作業流体を冷却し、
実質的に気化させられた空気は、前記少なくとも１つの燃焼室に導入され、燃料の流れを燃焼させ、前記発電機搭載高温ガス膨張器の１つにおいて膨張させられることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
前記循環作業流体がＣＯ２であることを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願との相互参照）
本願は、２０１０年１０月１８日に出願された米国特許出願第１２／９０６,９１９号に係る優先権を主張するものである。この米国特許出願は、２００９年３月１８日に出願された米国特許出願第１２／４０６,７５４号の一部継続特許出願である。この一部継続特許出願は、２００８年５月２７に出願された米国特許出願第１２／１２７,５２０号の一部継続特許出願である。前記各特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、電力貯蔵（power storage）及び電力放出（power release）のためのシステム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
風力発電は望ましいものである。なぜなら、風力は繰り返し利用することが可能であり、また風力発電は典型的には化石燃料を用いる電力源よりクリーンだからである。風力タービンは、移動する空気のエネルギを捕らえて電力に変換する。しかしながら、風力タービンの発電量を予測することは不可能である。風力タービンは、しばしば、ピーク需要期間中に比べて電力の価値が実質的に低い低電力需要期間中に多く発電する。ピーク需要期間（「固定（firm）」電力とも呼ばれている）における電力供給の確実性を実現する方法は存在せず、また電力の価値が高いピーク需要期間中に電力を放出するために、低価値のオフピーク電力を貯蔵しておく方法も存在しない。このため、風力発電及びその他の繰り返し利用が可能な電力生成源を用いた間欠的発電は、その成長が制約され、また世界全体における電力生成系統の一部として十分な可能性をもつことが妨げられている。
【０００４】
風力発電等の間欠的電力源のもう１つの不利な点は、間欠的電力源が送電系統に組み入れられた場合、システム「平衡（balance）」問題が生じることである。この問題は、新規な（とくに繰り返し利用することが可能な）電力源が克服しなければならない大きな障害である。天然ガス（ＮＧ）燃焼タービンに隣接し、天然ガス燃焼タービンと連結して運転される風力タービン（又はその他の繰り返し利用が可能な間欠的電力源）は、１００％確実な電力を生成することができる。なぜなら、ＮＧタービンが風力タービンを「バックアップ」することができるからである。しかしながら、この手法は、ＮＧタービンの運転時間の増加に比例して環境の悪化を生じさせ、また経済的に実行困難なものである。なぜなら、２つの電力出力システムは、必然的に完全に重複したものとなり、したがって、発電能力利用性（稼働率）及び経済の資本利益率が減少するからである。最も重要なことは、標準的な風力発電施設及びバックアップＮＧタービンは、いずれも、オフピーク期間中に広範囲に利用可能である風力エネルギを「貯蔵」しておくことはできないということである。
【０００５】
他のタイプの実用規模の電力源の不利な点は、それらがオフピーク期間中に又は間欠的に大量の不要な電力を生成することである。固定及び間欠的な従来の電力システムの別の主要な不利な点は、送電ラインがしばしば「閉塞され（clogged）」又は過負荷となって、送電システムがアンバランスとなることである。送電ラインの過負荷に対する１つの従来の解決策は、「電力融通（wheeling）」によって電力を送ることである。電力融通は、各最終利用者に特定の量の電力を送ることであり、任意の「電力生成物」が、送電システムに入り、送電システムから除去された任意の他の電力生成物を「平衡させる」ために用いられることを可能にする。電力融通のための現在の貯蔵システムを用いることの不利な点は、すべての時間中（そのほとんどはピーク需要時間ではない）に電力が生成され、ピーク需要時間と実質的に重なり合わないことである。別の不利な点は、すべての時間中（そのほとんどはピーク需要時間ではない）に起る送電がピーク需要時間と実質的に重なり合わないことである。
【０００６】
今日存在する（又は以前から提案されている）ごく少数の実用規模の電力貯蔵システムもまた、非効率的な熱及び冷熱の回収機構、とくに高温の貯蔵媒体及び低温の貯蔵媒体のための複数のシステムを必要とする熱の回収機構及び冷熱の回収機構などを必要とするといった、主要な不利な点を有する。別の不利な点は、同じシャフト上においていくつかの前端要素が後端要素から分離されることを可能にする「クラッチ」を有する、しばしば同じシャフト上の多くの膨張器及び圧縮器の形式における複雑性である。いくつかの従来の発電所は、復熱装置を有する単純なサイクルガスタービンを用い、このサイクルガスタービンの場合、前端圧縮器は、入口空気を圧縮する熱ガス膨張器と同じシャフト上にある。しかしながら、その構成において電力出力のおよそ６３％は、入口空気を圧縮するために消費される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、確実性と、任意の電力生成源、とくに風力などの間欠的な電力生成源から出力される固定の堅実なエネルギとを提供することができるシステムに対するニーズがある。固定（すなわち、ベースロード）電力源と、間欠的電力源との両方を含み、オフピーク期間中に大量の電力を生成する電力生成源に接続して用いられる、電力のための便利な貯蔵システムを提供することに対するニーズもまたある。より効率的な熱の回収機構及び冷熱の回収機構と、より単純でより効率的な圧縮システム及び膨張システムとを有する電力貯蔵及び電力放出のための組立体に対するさらなるニーズもある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の概要）
本発明は、その多くの実施形態において、電力貯蔵（power storage）及び電力放出（power release）を行うために、エネルギを液体空気（L−Air）に変換し、かつ熱交換目的のために液体空気及び周囲空気を用い、これにより従来の電力貯蔵システムの不利な点を大幅に改善するものである。放出された液体空気の冷熱（cold）のすべては、より大きいエネルギ出力を得るために、循環作業空気（working loop of air）によって回収される。本発明の１つの実施形態では、熱交換によって空気を冷却し、加熱し、システムから熱及び冷熱の両方を回収し、液体空気としてエネルギを貯蔵し、液体空気をポンプで加圧してエネルギを放出させることにより、エネルギの効率的な貯蔵、交換及び放出（release）を実現する。
【０００９】
本発明の実施形態は、本明細書においては、Vandor's  Power  Storage（VPS）Cycleと呼ばれる。ＶＰＳサイクルは、電力貯蔵のためのシステム及び方法と、エネルギ放出のためのシステム及び方法とを含む。ＶＰＳサイクルの電力を貯蔵する方法の１つの実施形態では、縦型冷却管組立体（vertical cold flue assembly）を介して入口空気（inlet air）を下向きに方向付けるようにしている。冷却管組立体は、その頂部又はその近傍に入口空気を方向付ける空気入口（air inlet）を有し、また縦型冷却管組立体の底部又はその近くに出口を有する。入口空気は、冷却管組立体の頂部から冷却管組立体の底部に向って下降する。この貯蔵方法はまた、冷却管組立体内の空気を冷却し、冷却管組立体内の空気から水分の一部を除去するステップをさらに含む。冷却管組立体は、該冷却管組立体の全体が（水平断面図又は平面図において）丸い「管」に類似するように構成され（プレートが同心円などの最適なアレンジメントである）、かつ上下方向に動作するように構成された、絶縁されたアルミニウムプレートフィン熱交換器を含む。冷却管組立体の使用が好ましいが、横置き型（水平構成）の通常のプレートフィン熱交換器を電力貯蔵方法に用いることができる。
【００１０】
空気は、冷却管組立体の出口から出るように方向付けられる。次いで、空気は圧縮され、圧縮熱が圧縮空気から回収される。好ましくは、空気の圧縮は、２ステージの圧縮を含み、この２ステージの圧縮において、空気はまずサイクルのこのステージにおいて第１の圧力に圧縮され、圧縮熱は圧縮空気から除去される。圧縮空気から回収された圧縮熱は、吸収冷凍機に方向付けられ、吸収冷凍機を駆動する。吸収冷凍機は、冷却管組立体に流体的に接続される。冷媒は、吸収冷凍機から冷却管組立体に方向付けられ、冷却管組立体に入る入口空気を冷却することを助勢する。残りの水分及び二酸化炭素（ＣＯ２）は、好ましくは分子篩組立体を用いて、吸着作用によって空気から除去される。
【００１１】
次に、好ましい実施形態において、空気は第２の圧力に圧縮され、圧縮熱は再び圧縮空気から除去される。圧縮が、効率性のいくらかの損失のある１つのステージで行われるか、又は効率性の利益はあるが複雑性及び資本費の増加のある３つ以上のステージで行われることが注目されるべきである。貯蔵方法の好ましい実施形態は、次に、循環冷媒空気を用いて空気が実質的に液化されるようにメイン熱交換器において空気を冷却することを含み、循環冷媒空気は、冷媒循環プロセスによって生成される。最後に実質的に液化された空気は、貯蔵装置、好ましくは液体空気貯蔵タンクに導入される。
【００１２】
貯蔵装置における実質的に液化された空気の蒸気部分（vapor portion）、又は「気化空気（flash air）」は、メイン熱交換器に方向付けられ、蒸気部分から回収された冷却熱は、流入する入口空気をさらに冷却するために用いられる。この蒸気部分は、入口空気によって加熱される。蒸気部分は、具体的にはプロセスにおける他の場所から回収された圧縮熱によって、好ましくは約２２０°Ｆにさらに加熱される。実質的に液化された空気の加熱された蒸気部分は分子篩組立体（molecular sieve assembly）に方向付けられ、その結果、実質的に液化された空気は、そこに集められた二酸化炭素及び水分を除去する。高温の掃気空気（sweep air）は、それが気化空気として貯蔵タンクを出たときはほぼ７０ｐｓｉａの圧力であるが、発電機搭載高温ガス膨張器に流入し、器具、バルブ、ポンプ及び他のそのようなデバイスのいくつかを駆動するために現場で用いられる電力を生成し、したがって、貯蔵のためにシステムに送電される電力の全量とその電力の結果として生じる液体空気の量との関係を改善する。（これは分子篩組立体の「掃気（sweeping）」と呼ばれ、したがって、分子篩組立体に方向付けられる実質的に液化された空気の温められた蒸気部分もまた本明細書において「掃気空気」と呼ばれる）。
【００１３】
本発明に係る貯蔵方法は、好ましくは、循環冷媒空気の流れ（refrigerant loop air stream）を第１の圧力に圧縮する過程と、圧縮熱を回収する過程と、次いで循環冷媒空気を第２の圧力（オプションでは第３の圧力）に圧縮する過程と、再び圧縮熱を回収する過程とを含む。次に、循環冷媒空気は、その第１の部分が機械冷凍機（mechanical chiller）に方向付けられ、循環冷媒空気の第２の部分が循環冷媒空気低温膨張器（refrigerant loop air cryogenic expander）に方向付けられるように分けられる。循環冷媒空気は、次いで、機械冷凍機及び循環冷媒空気低温膨張器において冷却され、メイン熱交換器に戻るように方向付けられ、熱交換器において、循環冷媒空気は、さらに冷却され、次いで流れをさらに冷却するために膨張させられる。循環冷媒空気は、次いで、液化される入口空気を冷却する、十分に冷却された冷媒流れとしてメイン熱交換器に戻される。冷媒は、吸収冷凍機（absorption chiller）から機械冷凍機に方向付けられ、機械冷凍機を冷却する。上記の概略説明のとおり、冷凍サイクル（refrigeration cycle）においては、冷媒空気流れは、入口空気によって温められ、ループの始点に戻り、ループの始点において冷媒空気流れは、再び圧縮され、再び冷却される。
【００１４】
エネルギ貯蔵システムの１つの実施形態は、１つ又は複数の入口空気圧縮器（inlet air compressor）を含む。所望の構成にしたがって、液化及び貯蔵される入口空気を圧縮するために、単一の複数ステージ圧縮器又は複数の圧縮器が用いられる。システムはまた、第１入口空気圧縮器に流体的に接続された分子篩組立体を含んでいてもよい。好ましい実施形態において、縦型冷却管組立体は、分子篩組立体及び第２入口空気圧縮器に流体的に接続され、縦型冷却管組立体は、その頂部又はその近傍に入口空気を方向付ける空気入口を有する一方、その底部又はその近傍に出口を有する。冷却管組立体は、好ましくはプレートフィン熱交換器から成り、その頂部又はその近傍に入口空気を方向付ける空気入口を有する一方、その底部又はその近傍に出口を有する。
【００１５】
作業流体を用いる吸収冷凍機は、冷却管組立体に流体的に接続されている。また、エネルギ貯蔵システムは、１つ又は複数の入口空気圧縮器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されるメイン熱交換器、好ましくは低温熱交換器（cryogenic heat exchanger）を含む１つ又は複数の熱交換器を含む。組立体は、メイン熱交換器に流体的に接続された貯蔵装置（storage apparatus）をさらに含む。冷媒流体を含む機械冷凍機は、吸収冷凍機に流体的に接続され、循環冷媒空気組立体は、機械冷凍機に流体的に接続されている。
【００１６】
好ましい実施形態において、冷媒空気循環器組立体（refrigerant loop air assembly）は、１つ又は複数の循環冷媒空気圧縮器と、１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器とを含み、圧縮器のうちの少なくとも１つはメイン熱交換器に流体的に接続されている。機械冷凍機は、少なくとも１つの循環冷媒空気圧縮器と、少なくとも１つの循環冷媒空気膨張器と、吸収冷凍機と、メイン熱交換器とに流体的に接続されている。この実施形態において、循環冷媒空気は、冷媒空気循環器組立体からメイン熱交換器に流れ、入口空気を冷却し、液化させる。
【００１７】
冷媒循環プロセス（refrigerant loop process）の好ましい実施形態において、空気流れは、接続されたループを通って独立した冷凍組立体（refrigeration assembly）から流れ、独立した冷凍組立体は、循環冷媒空気が第１の圧力に圧縮され、圧縮熱が回収されるように、循環冷媒空気を圧縮する複数の循環冷媒空気圧縮器を含む。循環冷媒空気は第２の圧力に圧縮され、圧縮熱は回収される。循環冷媒空気は、第１の部分が機械冷凍機に方向付けられ、第２の部分が少なくとも１つの循環冷媒空気低温膨張器に方向付けられるように分けられる。循環冷媒空気は、機械冷凍機及び１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器によって冷却される。機械冷凍機内の冷媒は、吸収冷凍機から機械冷凍機に輸送される低温の作業流体によって凝縮させられる。
【００１８】
エネルギ放出システム（energy release system）の１つの実施形態は、貯蔵装置と、１つ又は複数の熱交換器とを含み、熱交換器のうちの少なくとも１つは、貯蔵装置に流体的に接続されている。少なくとも１つの燃焼室は、熱交換器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている。１つ又は複数の発電機搭載高温ガス膨張器は、少なくとも１つの燃焼室及び熱交換器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている。システムは、膨張器のうちの少なくとも１つに流体的に接続された少なくとも１つの発電機をさらに含み、発電機は電力を生成する。エネルギ放出システムの１つの実施形態において、液体空気は、貯蔵装置から放出され、第１の全体流れ方向に流れる。循環作業空気、二酸化炭素（ＣＯ２）又はその他の適切な作業流体は、第２の全体流れ方向に流れる。第２の全体流れ方向は実質的に第１の全体流れ方向と反対向きである。循環作業空気は放出された液体空気が実質的に気化させられるように放出された液体を加熱し、放出された液体空気は循環作業空気が実質的に液化させられるように循環作業空気を冷却する。２つの流れは決して混合されず、１つ又は複数の熱交換器において熱エネルギを交換するだけである。実質的に液化した循環作業空気は、次いでポンプで加圧され、高温の燃焼ガスによって気化させられる。気化させられた高圧の循環作業空気は発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられ、発電機は電力を生成する。
【００１９】
典型的な実施形態においては、空気の代わりに作業流体（working fluid）が用いられる。循環作業流体（working loop fluid）は第２の全体流れ方向に流れる。この第２の全体流れ方向は、第１の全体流れ方向と実質的に反対向きである。循環作業流体は、放出された液体空気が実質的に気化するように、放出された液体空気を加熱する。そして、放出された液体空気は、循環作業流体が実質的に液化するように、循環作業流体を冷却する。２つの流れは決して混合されず、１つ又は複数の熱交換器において熱エネルギを交換するだけである。典型的な実施形態においては、循環作業流体はＣＯ２である。実質的に液化した循環作業流体であるＣＯ２は、次いでポンプで加圧され、高温の燃焼ガスによって気化させられる。気化させられた高圧の循環作業流体であるＣＯ２は、発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられ、発電機は電力を生成する。
【００２０】
放出された液体空気の一部は、少なくとも１つの発電機に方向付けられ、発電機のための支持空気（bearing air）として用いられる。実質的に気化させられた空気は、燃焼室に方向付けられ、燃料の流れを燃焼させる。燃焼ガスは、燃焼室から少なくとも１つの膨張器に方向付けられ、膨張器において膨張させられる。膨張させられたガスは第１の部分と第２の部分とに分けられる。第１の部分は第２の部分に比べて多量である。燃焼ガスの第１の部分は、第１の熱交換器に方向付けられ、ここで、第１の熱交換器は、放出され以前にポンプで加圧された液体空気を気化させる。第２の部分は、該第２の部分が電力流出サイクル（power outflow cycle）の循環空気セグメント（loop air segment）において生成される液体を加熱して実質的に気化させるように、第２の熱交換器に方向付けられる。この方法で、発電機搭載高温ガス膨張器を出る高温の排気ガスに含まれる熱エネルギは、第一に燃焼室への入口空気を気化させ、加熱するために用いられ、第二にサイクルのループ空気部分において生成される液体空気を気化させ、加熱するために用いられる。高温かつ高圧の空気流れもまた、それ自身の発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられる。したがって、外側を流れポンプで加圧された液体空気に含まれる冷熱エネルギは、循環空気のより小さい流れを液化するために用いられ、膨張させられた燃焼ガスに含まれる熱エネルギは、これらの２つのポンプで加圧された液体空気流れを気化させるために用いられ、これらの両方が電力を生成する。
【００２１】
本発明の実施形態に係る方法は、貯蔵された液体空気を放出することを含む貯蔵されたエネルギを放出する過程と、放出された液体空気をポンプで加圧する過程と、少なくとも１つの熱交換器を介して第１の全体流れ方向に放出された液体空気を方向付ける過程とを有する。循環作業空気、ＣＯ２又はその他の作業流体は、循環作業空気が第２の全体流れ方向に流れるように少なくとも１つの熱交換器を介して方向付けられる。第２の全体流れ方向は、第１の全体流れ方向とは実質的に反対向きである。放出された液体空気は、放出された液体空気が実質的に気化させられるように循環作業空気によって加熱される。循環作業空気は、循環作業空気が実質的に液化させられるように放出された液体空気によって冷却される。実質的に液化された循環作業空気は、次いで高温の燃焼ガスを用いて熱交換によって、ポンプで加圧され、気化させられる。加圧された循環作業空気は、次いで、発電機が電力を生成するように発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられる。
【００２２】
エネルギ放出方法の典型的な実施形態においては、空気の代わりに循環作業流体が用いられる。循環作業流体は、循環作業空気が第２の全体流れ方向に流れるように少なくとも１つの熱交換器を介して方向付けられる。第２の全体流れ方向は第１の全体流れ方向と実質的に反対向きである。放出された液体空気は、放出された液体空気が実質的に気化させられるように循環作業空気によって加熱される。循環作業空気は、循環作業空気が実質的に液化させられるように放出された液体空気によって冷却される。典型的な実施形態においては、循環作業流体はＣＯ２である。実質的に液化された循環作業流体であるＣＯ２は、次いで高温の燃焼ガスを用いて熱交換によって、ポンプで加圧され、気化させられる。加圧された循環作業流体であるＣＯ２は、次いで、発電機が電力を生成するように発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられる。
【００２３】
貯蔵されたエネルギを放出する方法は、放出された液体空気の一部を少なくとも１つの発電機に方向付ける過程と、発電機のための支持空気（bearing air）として放出された液体空気を用いる過程とをさらに含む。放出された液体空気は発電機を冷却し、発電機は放出された液体空気を加熱する。好ましい方法において、複数の熱交換器が設けられ、熱交換器のうちの少なくとも１つは低温熱交換器である。エネルギ放出方法の１つの実施形態は、実質的に気化させられ加圧された空気を燃焼室に方向付ける過程と、実質的に気化させられた空気で燃料の流れを燃焼させる過程とをさらに含む。燃焼ガスは燃焼室から第１の発電機搭載高温ガス膨張器に導入され、燃焼ガスは第１の発電機搭載高温ガス膨張器において膨張させられる。
【００２４】
膨張させられた燃焼ガスは次いで第１の部分と第２の部分とに分けられる。第１の部分は第２部分比べて多量である。第１の部分は、メイン熱交換器に方向付けられ、ここで、メイン交換器は、ポンプで加圧された液体空気のメイン流出流れを気化させる。第２の部分は、該第２の部分がメイン放出空気からの冷却熱を回収するために用いられるループにおいて液体空気を加熱し、実質的に気化させるように、第２熱交換器に方向付けられる。ここで、循環空気は、第２の発電機搭載高温ガス膨張器において加熱され、膨張させられる。前の高温の排気流れは、メイン熱交換器から水分分離器（moisture separator）に方向付けられ、高温の排気流れからの水分は、水分分離器において回収される。その回収された液体水分は、次いでポンプで加圧され、熱交換器において回収された熱によって加熱され、回収された水分は第１の発電機搭載高温ガス膨張器に方向付けられる。
【００２５】
したがって、本発明の実施形態は、風力エネルギ又は他のエネルギ源から固定の堅実な電力を提供するための、エネルギ貯蔵の方法及びシステムと、エネルギ放出の方法及びシステムとを提供する。本発明のこれらの特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付の図と共に本発明の以下の詳細な説明を検討することから理解されるであろう。添付の図において、類似の参照数字は、全体を通じて類似の部分を示している。
【００２６】
本発明の前述の目的及び他の目的は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を考慮することにより、明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明に係る電力貯蔵方法及び電力貯蔵システムの１つの実施形態を示すプロセス図である。
【図２】図２は、本発明に係るエネルギ放出方法及びエネルギ放出システムを示すプロセス図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下の段落では、本発明の実施形態が、添付の図面を参照しつつ、具体例として詳細に説明される。図面は一定の縮尺で描かれていない。例示された各構成要素は、必ずしも互いに実際の大きさに比例して描かれている訳ではない。本明細書に示された実施形態ないしは実施例は、本発明を限定するものとしてではなく、典型例として考えられるべきである。本明細書全体において、「本発明」との語は、本明細書で説明される発明の実施形態のうちの任意の１つ及びその任意の等価物を意味する。さらに、本明細書全体において、発明の種々の局面で参照された具体例（参照例）においては、全ての主張される実施形態又は方法が参照された局面を含まなければならないことを意味する訳ではない。参照された温度、圧力、密度及び他のパラメータの具体例は、発明の実施形態の能力の代表及び例示として考えられるべきである。実施形態は、幅広いさまざまなそのようなパラメータでもって実施することができる。
【００２９】
図１には、電力を貯蔵するための方法及びシステムの実施形態が示されている。電力貯蔵システム２０は、概略的にみれば、圧縮・冷却・浄化システム２２（compression, cooling and clean up system）と、このシステムとは独立した冷凍システム２４（refrigeration system）とを有し、両システム２２、２４は、メイン熱交換器１００を経由して流体的に接続されている（fluidly connected）。メイン熱交換器１００は、好ましくは低温熱交換器（cryogenic heat exchanger）である。縦型の冷却管組立体７（cold flue assembly）は、上下方向に伸び、頂部及び底部を有するとともに、プレートフィン熱変換器（図示せず）を有している。上下方向に伸びるプレートフィン熱変換器は、好ましくは図示していない同心「入れ子」円形プレート（concentric "nested" circular plate）を有する。いくつかの実施形態において、プレートは、たるの中のたる（barrels within barrels）のような形態のものであり、その頂部及び底部に、プレートを所定の位置に保持するマニフォールドを備えている。プレートは、好ましくはフィンにより分離されている。マニフォールドは、さまざまな流体流れが冷却管組立体７の頂部、中間部及び底部に流入及び流出することを可能にする。冷却管組立体７は、保護カバー（図示せず）及びエアーフィルタ２３をその頂部に備えていてもよく、また１組の凝縮プレートを「管（flue）」内に備えていてもよい。この凝縮プレートは、下降する冷却空気が含有している水分を約３２°Ｆで凝縮させることを可能にし、空気の水分含有量の約９０％を取り除くことを可能にする。また、凝縮プレートは、冷水が冷却管組立体の頂部に還流して、流入する（高温の）空気を前冷却する冷媒として機能することを可能にする。その後、冷水は、排水溝、又は吸収冷凍機８として機能する冷却タワーに輸送される。冷却タワーは、図１中の長方形の図形８「内」に存在すると考えられるべきである。
【００３０】
本発明では、高温ガスが「煙突効果」により管頂部まで上昇することを効果的に可能にする通常の管に代えて、「冷却管」仕様（"cold flue" design）の管が用いられる。この冷却管は、冷却された空気が、冷却管組立体７の頂部を経由して下降することを可能にする。ここで、空気は、大気圧（約１４．７ｐｓｉａ）かつ比較的高い温度（例えば、約９５°Ｆ）で、約５５％の相対湿度を有して冷却管組立体に流入する。そして、冷却管組立体内で冷却されるのに伴って、重力により下降し続け、プレートフィン熱交換器を経由して降下し続ける。この空気は、冷却管組立体内をさらに下降するのに伴って、その密度を増加させ、底部に到達し、底部を経由してさらに降下し続け、空気圧縮器に到達する。この場合、空気は、圧縮器フランジへの入口を経由して、０°（Ｆ）より低い温度で、ほとんど圧力の低下を伴うことなく、また空気を輸送するために電力を消費する送風機及びファンを必要とすることなく流れ続ける。冷却管組立体の代わりに、標準的な横置き型（horizontal configuration）の普通のプレートフィン熱交換器を用いてもよいということに注目すべきである。
【００３１】
好ましい実施形態において、吸収冷凍機８は、その２つの部位で、冷却管組立体７に流体的に接続されている。冷媒（refrigerant）は、冷却管組立体７に導入され、冷却管組立体７に流入する空気を冷却し、冷却管組立体内を流通（循環）し、次いで、吸収冷凍機８に戻り、再び冷却される。空気の冷却は、冷媒の流れ６６、好ましくは低温アンモニア水の流れにより行われる。アンモニア水は、下降する空気から熱を取り除いた後、再冷却のために吸収冷凍機８へ戻される。流入空気が冷却されるのに伴って、流入空気の密度は高くなり、その結果流入空気を圧縮するのに必要なエネルギの入力が減少する。この空気密度の増加は、空気が、ほとんど圧力の低下を伴うことなく重力により、冷却管組立体７内を第１の圧縮器に向って下降することを可能にする。吸収冷凍機８には、いくつかの熱回収システム（熱交換器）により電力が供給される。この熱回収システムでは、圧縮熱は、吸収冷凍機８によって用いられる熱源である。図を簡明にするため、熱回収システムの熱交換系統は図示されていない。代わりに、吸収冷凍機８のための熱エネルギ源が、各圧縮器でのさまざまな中間冷却器及び最終冷却器として示されている。１つの例外は、中間冷却器７００である。中間冷却器７００は、空気の圧縮熱の大半を、掃気空気流れ５４５（sweep air stream）に移動させる。これにより、掃気空気流れ５４５は加熱され、分子篩１０を掃気又は再生するのに用いられ、ＣＯ２及び水分を除去する。掃気空気流れ５４５は、排気口１９を介して放出される前に、発電機６３０が搭載された高温ガス膨張器３４５において、ほぼ大気圧まで膨張させられる。発電機６３０は、さまざまなポンプ、センサ、計量器及びモータで用いられる電力を生成する。高温の掃気空気５４５は膨張可能である。なぜなら、掃気空気源は、低温貯蔵容器から約７０ｐｓｉａの圧力で放出された気化空気（flash air）であるからである。気化から掃気への空気の流れ経路（flash-to-sweep air route）は、気化空気の冷熱エネルギ（cold energy）を熱交換器１００で回収するといった役割を果たすだけでなく、中間冷却器７００で空気の圧縮熱を回収するといった役割も果たす。したがって、その高温の掃気空気は、膨張器アセンブリ３４、３、６３０に搭載された発電機で、自由な電力（free power）を発生させることが可能である。
【００３２】
ここで、本発明の概要で用いられている「入口空気圧縮器（inlet air compressors）」との語は、図１に示された複数の圧縮器を意味する。これらの圧縮器は、周囲の入口空気を、その液化及び液体空気貯蔵タンクへの到達の前に、所定の圧力まで加圧する。入口空気圧縮器は、図１中に参照番号２００及び２１０で示されているが、これとは異なるさまざまな別の方法で構成されてもよい。第１の圧縮器２００は、冷却管組立体７のすぐ下流ないしは直下に配置され、冷却管組立体７に流体的に接続されている。圧縮器２００は、第１の中間冷却器７００と流体的に接続されている。第１の中間冷却器７００は、空気中の廃熱（圧縮熱）を上記で説明したように、気化空気の流れ５３５ないしは蒸気部分５４５に供給してこれを加熱する。エネルギ貯蔵システム２０の圧縮・冷却・浄化システム２２は、さらに、マルチ容器構成（multi-vessel configuration）である分子篩組立体１０と、前冷却熱交換器１１０と、第２の圧縮器２１０と、後冷却器７１０とを備えている。後冷却器７１０は、メイン熱交換器１００に流体的に接続されている。メイン熱交換器１００は、１つ又は複数の圧縮器２００及び２１０と、液体空気を貯蔵するのに適した（極）低温・断熱タンクである貯蔵装置１６とに流体的に接続されている。
【００３３】
以下、本発明に係るエネルギ貯蔵方法を説明する。入口空気５００は、縦型冷却管組立体７を通して導入される。入口空気５００は、冷却管組立体の頂部２６に、好ましくは少なくとも１つの電力源１（電力源１は、任意の固定、つまりベースロードの電力源又は風力タービンのような任意の間欠的電力源であってもよい）から導入される。冷却管組立体７は、プレートフィン熱交換器（示されていない）を有する。入口空気５００は、プレートフィン熱交換器を通り、冷却管組立体７の底部２８を通って下降する。このような「冷却管（cold flue）」の仕様は、冷却される入口空気５００が、冷却管組立体に流入し、冷却管組立体内で冷却されるのに伴って重力により降下し続け、冷却管組立体内でより深く降下するのに伴って密度を増加させ続けることを可能にする。そして、入口空気は下降して、圧縮器フランジの入口に約３２°Ｆで到達する。この場合、ほとんど圧力の低下は起こらず、また空気を移動させるための電力送風機及びファンを設ける必要がない。冷媒の流れ６６は、入口空気５００が冷却管組立体７を通過する際に、入口空気５００を冷却する。したがって、入口空気５００は冷却され、その水分が冷却管組立体７内で空気から除去される。
【００３４】
入口空気５００（夏は温かく、冬は冷たいことが多い）は、冷却管組立体７の底部まで下降し、部分的に冷却された空気５１０として、第１の圧縮器２００又はマルチステージ圧縮器のうちの第１のステージに流入する。ここで、部分的に冷却された空気５１０は、約３５ｐｓｉａの第１の圧力まで圧縮される。本発明に係る方法の圧縮ステップ及び冷却ステップを駆動するための電力は、電力源又はエネルギ変換源（energy conversion sources）により供給される。これらの電力源としては、限定されるわけではないが、風力発電（風力が利用可能なとき）、電気格子又は独立した発電プラントからの電力があげられる。あるいは、核、石炭、地熱、太陽、水力電気、埋立地発生ガス、嫌気性消化装置ガス、コールベッドメタン、付随ガス、大きな産業工場から回収された熱、液化天然ガスインポートターミナルから回収された冷却熱、潮波エネルギなどを電力生成源とする発電があげられる。
【００３５】
圧縮熱は、好ましくは回収され、吸収冷凍機８に導入されて該吸収冷凍機を駆動する。好ましい実施形態において、圧縮熱は、上記及び下記のとおり、分子篩を再生するための掃気空気５４５を加熱するために用いられる。回収された圧縮熱の別の使用方法は、熱エネルギを吸収冷凍機に供給することであり、その目的は下記のとおりである。水分含有量の約９０％を失った部分的に冷却された入口空気５１０は、続いて分子篩組立体１０に導入される。ここで、そのＣＯ２含有量及び残りの水分がゼオライト（zeolyte）又は当技術分野で公知のその他の材料の吸着作用により、空気から取り除かれる。好ましい実施形態において、水分は、「気化」空気として液体空気貯蔵タンクを出て、分子篩を再生する「掃気空気」５４５として機能する比較的高温の中間圧力空気により再生される（又は、飽和ＣＯ２及び水分が浄化される）。２つ以上の容器を使用し、熱い、清潔な、再生のために加圧されたガスに依存する、そのような分子篩は、一般的にさまざまなガス処理システムにおいて用いられ、処理デザイナー及び製造者からよく理解されている。分子篩組立体１０は、マルチ容器構成であってもよく、１つ又は複数の容器の再生を可能にする一方で、残りの容器のうちの１つ又は複数のものは、空気流れからＣＯ２及び水分を取り除く。残りの水分及び二酸化炭素（ＣＯ２）は、空気から好ましくは分子篩組立体を用いて、吸着作用により取り除かれる。
【００３６】
分子篩組立体１０から流出した乾いた入口空気５２０は、吸収冷凍機によりさらに冷却され、約７５ｐｓｉａの第２の圧力まで圧縮され、上記で説明したように、圧縮熱の取り除き及び回収の後、約５０°Ｆでメイン熱交換器１００の方へ移動する。空気圧縮を単一のステージで行うことができるが、この場合、効率が低下しやすいことに注意すべきである。あるいは、３つ以上の圧縮ステージを用いてもよいが、この場合、効率は高くなるが、構造がより複雑となり設備費が増加する。下記のとおり、圧縮の第２のステージ（１つの圧縮ステージで実行される場合は第１のステージ）からの選択された流出圧力は、変化することができるが、これは貯蔵タンク１６に貯蔵される液体空気に対する選択された貯蔵温度及び圧力に依存する。
【００３７】
冷却の（しかし冷たくはない）、乾いている、約７４ｐｓｉａの入口空気５２０は、約１．０ｐｐｍ（百万分率）の非常に低いＣＯ２含有量で、次いで、冷却のためにメイン熱交換器１００に流入する。乾いた入口空気５２０は、約−２８３°Ｆまで冷却され、いくらかの圧力を失って、約７３ｐｓｉａで実質的に液化した（及び部分的に低温蒸気として）空気５３０として、メイン熱交換器１００から流出し、低温フロー及び圧力制御バルブ４００を通って移動し、貯蔵装置１６、好ましくは断熱・低温液体空気貯蔵タンク（単数又は複数）に約７０ｐｓｉａで約−２８３°Ｆで流入する。７５ｐｓｉａは、このモデルにおいて、流入サイクルにより発生させられる液体空気が、その圧力で液体空気貯蔵タンクに約−２８３°Ｆで貯蔵されることを可能にするために選択される。貯蔵圧力が異なれば、液体空気の温度が変わるが、このような貯蔵条件も、前記の約７０ｐｓｉａ及び−２８３°Ｆの条件の代わりに選択することができる。この場合、第２のステージでの約７５ｐｓｉａまでの圧縮が適切に調節される。そのような決定は、各配置に対する工学的な処理の一部として選択され得る「最適化」である。別の最適化は入口空気圧縮の３ステージを用い得る。
【００３８】
蒸気及び液体が約−２８３°Ｆの温度及び約７０ｐｓｉａの圧力で貯蔵タンクに流入するときに、流入する実質的に液化された空気５３０のうちの約１５％は「気化」する。この蒸気部分５３５又は気化空気は非常に低温であるが、それは比較的少量である。このため、部分的に冷却された入口空気５１０から実質的に液化された空気５３０への冷却は、冷媒空気流れにより実行される。独立した冷凍システム２４は、乾いた入口空気５２０を液化するのに必要な冷凍の大部分を実施する。好ましい実施形態において、独立した冷凍システム２４は、機械冷凍機３０により補強される（augmented）低温空気圧縮／膨張冷凍システムを備えていてもよい。機械冷凍機３０は、アンモニア吸収冷凍機８により補強される。
【００３９】
独立した冷凍システム、又は「冷媒空気循環組立体（refrigerant loop air assembly）」は、空気の連続的なループ（循環冷媒空気５４０）を含み、それは、液体空気貯蔵タンクに送られる流入空気とは独立している。この冷媒ループは、いくつかの圧縮器（図１で２２０、２３０及び２４０として示され、「循環冷媒空気圧縮器」と呼ばれる）と、いくつかの低温膨張器（図１で３００及び３１０として示され、「循環冷媒空気低温膨張器」と呼ばれる）とを有する。ここで、より高圧な空気の膨張は、その空気（作業流体）が冷却される原因となる。この空気流れを冷却することは、標準的な機械冷凍機により適度に増強され、機械冷凍機は、交替に吸収冷凍機からの低品質な冷却により助勢される。吸収冷凍機は、回収された圧縮熱からエネルギを得て、機械冷凍機を機械冷凍機内の冷媒（作業流体）を凝縮させるのを助勢することにより補強する。図１に示された構成は、圧縮器２２０がメイン熱交換器に流体的に接続され、膨張器３１０がそのように接続されていることを示す。しかし、他の構成は、発明の実施形態によりカバーされ、資本費、作業効率に関する理由又は他の理由のために選択される。
【００４０】
機械冷凍機は、典型的には蒸発器（evaporator）、圧縮器及び凝縮器を有し、電気モータ又は直接燃料エンジンにより駆動される。炭化水素又は「フレオン」の一種のような冷媒は、冷凍機を通り圧縮及び気化のサイクルで動き、熱を吸収し及び熱を放出し、冷凍を達成するが、圧縮器を駆動するための電力源を必要とする。機械冷凍機は、吸収冷凍機及びターボ膨張冷凍機とは異なる。全３タイプは、当該サイクルの最適点（optimal points of in the subject cycle）で用いられる。冷媒ループに統合された機械冷凍機は、（風力のような）入口圧縮器である同じ源及び冷媒ループに対する圧縮器により電力が供給される。さらに、機械冷凍機の冷媒のかなりの部分は、上記のとおり、低温の冷媒の流れを吸収冷凍機から送ることにより減少させられる。これは、回収された圧縮熱により駆動される。冷媒ループで用いられる冷媒空気流れは、本明細書でより具体的に説明されているように、好ましくは空気であるが、当分野で公知の他の冷媒も、用いることができる。循環冷媒空気５４０は、サブシステム２４内をサブシステム２２の空気と混ざることなく移動するが、熱を取り除くことによりサブシステム２２の空気を冷却する。循環冷媒空気圧縮器及び循環冷媒空気膨張器の１つのアレンジメントの例示は、図１において、サブシステム２４に圧縮器を表す項目２２０、２３０及び２４０、低温膨張器を表す項目３００及び３１０として見ることができる。他の構成も、選択することができ、本発明の実施形態によりカバーされる。
【００４１】
機械冷凍機３０は、圧縮器−膨張器アレイに流体的に接続され、また、吸収冷凍機に流動的に接続される。吸収冷凍機は、冷媒の冷却流れを機械冷凍機に送ることにより、冷媒を機械冷凍機内で凝縮するのを助勢する。したがって、流入圧縮空気流れの液化に適用される冷媒の総計は、３つのタイプの冷凍機（圧縮及び膨張、機械冷凍機及びアンモニア吸収冷凍機）により、各冷凍機が最も効率的な範囲内で働き、各々が他の冷凍機により実行される冷却機能を補強及び増補する最適なアレイで提供される。冷媒空気流れは、メイン熱交換機に方向付けることができ、かつメイン熱交換器から、独立した冷凍アセンブリに方向付けることができる。冷凍アセンブリは、好ましくは閉ループシステムである。したがって、冷媒空気流れは、いくつかのデバイスによりいくつかのステップで冷凍を行うループにおいて、冷媒空気流れを続け、冷媒空気がメイン熱交換器で熱に交換される、流入し、圧縮され、乾燥した、ＣＯ２を含まない空気を液化するのに十分冷たい温度まで、冷媒空気がループを通り移動するにつれ、冷媒空気を冷却する。
【００４２】
冷凍システム２４は、乾いた空気を作業流体として用い、圧縮され、液化されて貯蔵装置へ送られる空気流れとは独立して、一連の圧縮、膨張及び熱交換ステップを連続的なループ（「冷媒循環処理」）で動作する。２つの空気流れは決して交わらず、熱交換のみを行う。その他の冷媒を、必要に応じて、空気の代わりに用いることができる。機械冷凍機３０は、圧縮／膨張アレイと同じエネルギ入力により電力供給されることができ、吸収冷凍機８からの低温の冷媒流れ６６により増補されることができる。機械冷凍機３０を含めることは、独立した冷凍システムの効率を増加させるのを助勢するが、複雑さ及び資本費における適度な増加を伴う。独立した冷凍システム２４は、冷媒空気流れ５４０を圧縮するための複数の圧縮器２２０、２３０、２４０と、ここでは、冷媒空気流れを冷却するための第１及び第２の循環冷媒空気低温膨張器３００、３１０として示される複数の膨張器とを含む。複数の圧縮器は、好ましくはメインマルチステージ圧縮器２２０（好ましくは４ステージ）と、第１及び第２のブースタ圧縮器２３０、２４０（またはブースタステージ）とを含む。複数の膨張器は、２つの膨張器ステージを有することができる。圧縮器及び膨張器は、好ましくは全て同じシャフト３上にあり、風駆動発電機／モータ６００（または他の電力源）により電力供給される。圧縮器ステージ及び／又は膨張器ステージをさまざまな電力移送システムを用いて複数のシャフトに分離する他の構成も実現可能である。示される構成は、唯一の可能なアレンジメントであり、例示的目的のために選択される。他の構成は、発明の実施形態により予想され、当業者は、さまざまな構成を採用することが可能である。
【００４３】
循環冷媒空気流れ５４０は、メイン低温熱交換器１００から流出し、独立した冷凍機組立体２４に戻る。ここで、循環冷媒空気流れ５４０は、複数の圧縮器２２０、２３０、２４０により圧縮され、圧縮熱は、エネルギフローアセンブリにより回収され、電力吸収冷凍機８に送られる。メイン４ステージ圧縮器２２０に送られる流入循環冷媒空気流れ５４０は、温度が約４０°Ｆであり圧力が約８５ｐｓｉａであって、貯蔵のために液化される実質的に液化された空気５３０まで、メイン熱交換器１００で、その「冷凍含有量（refrigeration content）」を失う。図１には、圧縮熱をマルチステージ圧縮器２２０から回収する第３の中間冷却器７２０が示されている。現実には、第３の中間冷却器７２０は、圧縮の各ステージの後にアレンジされた中間冷却器及び後冷却器の一群であるが、図１においては、明瞭さのために、単一のユニットとして示されている。流れは、約７００ｐｓｉａまで圧縮され、（上記で説明されるように）中間冷却及び後冷却され、ブースタ圧縮器２３０に送られる。ここで、流れは、約８４０ｐｓｉａの第１の圧力まで圧縮され、冷媒空気流れ５４０は、この圧力でブースタ圧縮器２３０から流出する。圧縮熱は、熱移送により（熱交換器を介して）中間冷却器又は後冷却器から回収され、サイクルの適切な部位、例えば、吸収冷凍機、及びより少ない程度に、分子篩を再生する気化空気流れなどの適切な部位に移送される。次いで、冷媒空気流れ５４０は、第４の中間冷却器７３０で後冷却され、第２のブースタ圧縮器２４０へ送られる。ここで、冷媒空気流れ５４０は、第２の圧力まで圧縮され、約１，１５０ｐｓｉａで流出し、後冷却されてメイン熱交換器１００へ約５０°Ｆで導入される。冷媒空気流れ５４０は、そのフローストリームにいくつかの「裂け目（breaks）」を伴うが、図１に示すように、全て再接続されて、冷媒空気流れ５４０は単一の連続的なループとして取り扱うことができることが注目される。冷媒流れは、１つのステージで圧縮されてもよいが、実質的に効率が減少することが注目されるべきである。本明細書の他の場所で論じられるように、図１に示されるさまざまな中間冷却器及び後冷却器が、いくつかの圧縮器により発生させられる圧縮熱を回収する。例えば、第２の後冷却器７４０は、第２のブースタ圧縮器２４０により発生させられる圧縮熱を回収する。
【００４４】
冷媒空気流れは２つに分けられ、一方の流れは機械冷凍機３０へ流れ、他方の流れは循環冷媒空気低温膨張器３００へ流れる。機械冷凍機３０へ流れた部分は、−４０°Ｆまで冷却され、熱交換器１００でさらに−８０°Ｆまで冷却され、わずかな圧力の低下を伴って熱交換器１００を流出し、膨張器３１０に流入し、この膨張器３１０を約−２９０°Ｆの温度及び約８８ｐｓｉａの圧力を伴って流出する。機械冷凍機３０に流れなかった冷媒空気流れ５４０の他方の部分は、循環冷媒空気低温膨張器３００により冷却される。冷媒空気流れ５４０のこの部分は、循環冷媒空気低温膨張器３００を約−２０４°Ｆの温度及び８７ｐｓｉａの圧力を伴って流出し、膨張器３１０に存在する冷媒空気流れ５４０の部分に合流する。２つの流れは、熱交換器１００内で合流し、流れ５３０を実質的に液化するのに必要な冷熱を提供する。
【００４５】
上記のとおり、実質的に液化された空気５３０のうちの約１５％は、蒸気に加えて液体が貯蔵タンク１６に流入する際に「気化」する。実質的に液化された空気又は気化流れのうちのその蒸気部分５３５は、液体空気貯蔵タンク１６から流出し、（約７０ｐｓｉａで）メイン熱交換器１００に流入する。ここで、蒸気部分５３５は、冷凍の１つの源として機能し、回収された冷熱は、上記で説明される乾いた流入空気又は入口空気５２０をさらに冷却するために用いられる。流入空気又は入口空気５２０は、熱交換器１００を通り、流れ５３０として、実質的に反対方向に気化空気５４０の通路から流れる。入口空気５３０は、また、実質的に液化された空気５５０のうちの蒸気部分５３５を温める。冷熱回収がなされ、回収された熱でさらに熱した後、ここで掃気空気と呼ばれる温められた蒸気部分５４５は、中間冷却器７００によりさらに加熱され、分子篩組立体１０に方向付けられる。ここで、蒸気部分５４５は、「掃気ガス」として、分子篩組立体１０に蓄積されている二酸化炭素及び水分を取り除くために用いられる。温められた掃気空気５４５は、分子篩１０を流出し、図１中では、参照番号３４５で示す部分（発電機搭載高温ガス膨張器本体）と、シャフト３（膨張器を発電機に接続する回転シャフト）と、参照番号６３０で示す発電機とを備えた小さな発電機搭載高温ガス膨張器とを通って流れる。この組立体は、各構成要素などに必要とされる電力のいく分かを提供し、熱い掃気ガスに残留しているエネルギのうちの価値ある部分を回収する。ここで膨張及び冷却された掃気ガスは、空気放出口１９を経由してシステムを出る。この掃気ガスは、元の入口空気５００のＣＯ２及び水分含有量を周囲の大気に戻すだけである。すなわち、元より多いＣＯ２及び水分を、放出口１９を通してわけではない。
【００４６】
一貫して論じているように、さまざまな圧縮器は、一般的に風力タービン又は別の間欠的電力源により直接には駆動されず、風力タービン、システムの電力出力の小部分、システムが配備され得るか、又は電気格子からのベースロード発電プラント、又は任意の他の電力源（単数または複数）から電力を受け取るモータにより駆動させられる。電力発生システムに精通している者により理解されるように、発電機及びモータは、本質的には同一のものであるが、一方は他方とは反対方向に回転する。例えば、図１は、独立した冷凍システムの発電機６００を駆動させる風力タービンを示している。この発電機６００は、交替に電力を、ケーブル４を経由してモータ６０５に供給し、モータ６０５は、シャフト３上の圧縮器を駆動する。これらは、図１中に、独立した冷凍システム２４として示されている。独立した冷凍システムのモータ６０５は、その電力は任意の他の電力源から供給され、モータ６０５の上に示された風力タービンにより駆動される発電機６００から供給されるのではない。
【００４７】
図１は、単に、本発明に係る入口空気圧縮、浄化、冷凍及びエネルギ貯蔵システムの実施形態を例示しているだけであることに注目すべきである。同じ実施形態の設計デザインの一部である配管、バルブ、センサ、断熱及びその他の「ハードウェア」及びソフトウェアの多くは、全てのそのような局面がガス処理及び電力発生に係るエンジニアにより、よく理解されているため、示されていない。同様に、吸収冷凍機、中間冷却器及び後冷却器、分子篩、膨張器、圧縮器、発電機及びモータの内部構成は示されていない。電力ケーブル接続４は、図１のいくつかの場所に示されており、電力発生発電機を、圧縮器を駆動させるモータに接続している。示されていない他のケーブルは、電気動作バルブなどの器具に接続されている。
【００４８】
同一又は類似の部品ないしは構成要素を用いる流入／エネルギ放出及び代替システム２０のさまざまな他の構成は、システムの費用及び性能を最適化し、配備サイトにコンパクトな「フットプリント」を作るように構成されることができる。システムの規模は、また、所望の量の液体空気貯蔵に対して土地が利用可能な、恐らく２ＭＷ未満の常時電力出力まで、上は数百ＭＷ出力まで変更することができる。
【００４９】
図２は、本発明に係るエネルギ放出システム及びエネルギ放出方法ないしはエネルギ放出モードを示している。図２は、エネルギ放出システム５０とそのサブシステムとを示しているが、図を簡明にするために、エネルギ放出時に動作しないシステム要素は示していない。例えば、前記の低温冷凍ループは、実際には物理的にメイン熱交換器１００に接続されているが、図２中では示していない。図２中には吸収冷凍機は示していないが、これはエネルギ放出時（during send-out）には吸収冷凍機は必要とされないからである。また、図２に流出プロセス（outflow process）の一部として示している低温ポンプ１７は、稼動準備の整った液体空気貯蔵タンク（単数又は複数）１６に接続されているが、図１中には示していない。
【００５０】
ここで説明しているように、本発明の実施形態は、流出液体空気（outflow liquid air）を放出するにより、貯蔵されたエネルギを放出する方法を含んでいる。貯蔵された液体空気５５０は、貯蔵装置１６から放出され、低温ポンプ１７により加圧・輸送される。この液体空気５５０の加圧・輸送は、放出された高圧の液体空気５５０が、第１の全体流れ方向（貯蔵装置から外部へ向かう方向）に流れるように行われる。この第１の全体流れ方向は、作業流体として機能する独立した循環空気が流れる方向である第２の全体流れ方向とは実質的に反対方向である。ここで、循環作業流体は、メイン流出空気流れ（main outflow air stream）により凝縮・液化させられ、下記のとおり、回収された廃熱（waste heat）により加熱され、気化させられる。このように気化させられた循環作業空気は、発電機搭載高温ガス膨張器で膨張させられ、エネルギ放出モード時に送電される（sent out）電力の一部を生成する。ここで、「独立した循環空気（independent loop of air）」又は「循環作業空気（working loop air）」との語は、図２に示されたサブシステム５５において、独立して循環する空気又はその他の作業流体を意味し、参照番号５５１、５７０及び５７５が付されている。循環作業空気の代わりに、他の適切な作業流体を用いてもよい、ということに注目すべきである。１つの可能な流体は二酸化炭素（ＣＯ２）であるが、高圧で沸騰することができ、（極）低温かつ低圧で凝縮することができれば、どのような流体でも用いることができる。「作業（working）」との語は、複合サイクル発電プラント（combined cycle power plants）で共通に用いられている、例えば水−スチームサイクル（water-to-steam cycles）における「作業流体」と同じ意味で用いられている。ここで、循環作業空気は、液化され、ポンプで加圧され、熱交換器により加熱され、発電機搭載高温ガス膨張器で膨張させられる。したがって、作業が実行され、膨張中に部分的に冷却され、次いで熱交換器によりさらに冷却され、さらに液化（凝縮）させられ、サイクルが再び始まることを可能にする。
【００５１】
低温液体空気貯蔵容器１６から放出された（released）液体空気は、まず、好ましくは低温ポンプ１７により加圧・輸送される。放出された液体空気５５０は、熱交換器内で、循環作業空気又は循環作業流体であるＣＯ２（循環作業ＣＯ２）などの他の流体５７５と向流で流れ、２つの流れの間で熱交換が起こる。液体空気５５０に対して向流で流れる循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５（より少量の流れである）は、放出された液体空気５５０を熱交換により加熱し、放出された液体空気は実質的に気化させられる（vaporized）。他方、放出された液体空気５５０は、循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５を熱交換により冷却する。これにより、「循環作業空気」又は「循環作業ＣＯ２」は実質的に液化させられる。循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５が液体空気５５０の多量の流れにより液化させられる際に、循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５は、一時貯蔵タンク（temporary storage）又はバッファタンク１６０に到達する。この後、循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５は、ポンプで加圧されて輸送され、熱交換器１５０で、発電機搭載高温ガス膨張器３３０（後でより詳しく説明される）で生成され排出された、排気熱を供給する高温の排気ガス流れ５により加熱される。そして、循環作業空気又は循環作業ＣＯ２５７５は、シャフト３により接続されている発電機６２１を備えた発電機搭載高温ガス膨張器３４０で膨張させられる。発電機６２１は、空気支持型（air bearing type）のものである。ここで、空気流れ５５５は、回転発電機６２１をハウジング１１内でサポートし、摩擦熱を除去し、空気が熱交換器１０２に到達する前に、図２に示されるように、ポイントＢ及びポイントＢ’で空気流れ５５５の加熱を助勢する。残りの熱は、燃焼室２に向かう途中のより大きな、高圧の気化させられた前液体空気流れ５５５を予め加熱するために用いられ、燃焼室２では、その外に向かう空気は、燃料１２（例えば、パイプライン９により輸送される天然ガス）を燃焼させる。この後、高温かつ高圧の燃焼生成物５が、発電機が搭載された１つ又は複数の高温ガス膨張器を通して輸送され、液体空気の含有エネルギを電気に変換し、数時間に渡り、液体空気貯蔵タンク１６を空にして、液体空気としてのエネルギを再び貯蔵する準備を整えるようにする。発電機６２０は、また、空気支持仕様（air bearing design）であり、空気流れ５５５は、ポイントＡ及びポイントＡ’により示されるように、発電機６２０に転換され、低温の空気が、回転発電機６２０により発生させられる摩擦熱により加熱されることを可能にし、したがって、空気流れ５５５を熱交換器１０２に向かう途中で予め加熱する。
【００５２】
したがって、好ましい実施形態では、電力は２つの「モード」で生成される。加熱され、気化させられた高圧の循環作業空気又は循環作業ＣＯ２（燃焼室に送られることはない）の膨張の結果、及び燃料を燃焼させるのを助勢する外に向かう空気の多量の流れの結果、膨張させられて電気出力の大部分を発生させる高温ガスの多量の流れが発生する。
【００５３】
また、図２は、図１に示された構成要素と同じ構成要素をいくつかを示しているが、それらの位置は少し異なる。例えば、図１では、メイン熱交換器１００は、液体空気貯蔵タンク１６に近接して示されているが、図２では、低温熱交換器１３０が、タンク１６と熱交換器１００との間に示されている。
【００５４】
図２は、貯蔵タンクから上向きに移動する低温の液体空気５５０と加圧された低温の空気５５５とを示している。ここで、これらに対して向流で流れる膨張した高温の空気（又は向流で流れる循環空気又は循環ＣＯ２）は、閉ループ５５内を流れ、低温熱交換器１３０内において冷熱回収媒体として機能する。これは、この好ましい実施形態の重要な特徴である。なぜなら、貯蔵された液体空気の冷熱（refrigeration content）は、空気又はＣＯ２の流れを「凝縮」（液化）させることにより回収されるからである。この後、空気又はＣＯ２の流れは、加熱され、さらに膨張させられ、以下で説明するようにさらなる電力を生成する。
【００５５】
貯蔵タンクに貯蔵された液体空気５５０は、貯蔵タンク１６（単数又は複数）１６から放出され、２８３°Ｆの温度及び約７０ｐｓｉａの圧力を伴って、低温ポンプ１７を経由して輸送される。低温ポンプ１７は、液体空気を、そのポンプ作用により約５９０ｐｓｉａの圧力に加圧する。他の圧力も作用し、この圧力は、選択された高温ガス膨張器及び該膨張器が動作する設計圧力に依存することに注目すべきである。このポンプ輸送は、ほとんどエネルギを必要としない（約０．１ＭＷ）。なぜなら、液体は、（実質的には）圧縮不可能であるので、その圧力は、ほとんどエネルギ入力を必要とすることなく達成することができるからである。低温ポンプ１７は、ケーブル４を介して、システムの全電力出力の一部（小部分）が供給されるポンプモーター６３０により駆動される。空気が気化させられると、低温ポンプ１７のポンプ加圧効果（pumped to pressure）が、「圧縮された空気（compressed air）」を生成する。ここで、「ポンプ加圧」及び「圧縮された」との語は、同様に「高圧の状態」を意味するものである。ただし、前の語は、空気の液体状態に適用され、後の語は、気化させられた状態に適用されることに注目すべきである。
【００５６】
約５９０ｐｓｉａの圧力を伴った液体空気５５０のポンプ輸送は、液体空気の温度をほぼ−２８０°Ｆまでわずかに上昇させる。高圧かつ低温の液体空気５５０は、次いで低温熱交換器１３０を通って移動し、液体空気５５０に対して向流で流れる作業流体である循環空気又は循環ＣＯ２を液化させる。作業流体は、発電機６２１を搭載している発電機搭載高温ガス膨張器３４０で膨張させられる。この発電機６２１は、システムの全電力出力のうちの約２３％又はメイン発電機６２０の電力出力の約２８％を生成する。かくして、液体空気流れ５５０は、循環空気流れ又は循環ＣＯ２流れ５７５により気化させられ、その反面、循環空気流れ又は循環ＣＯ２流れ５７５は、液体空気５５０の冷熱により液化させられるが、これらは同じ流れ比（same flow rate）ではない。典型的な実施形態における冷熱の回収交換では、循環空気流れ５７５が流出空気流れ５５５のおおむね８４％となるような流れ比となる。加圧された低温の空気５５５（元は液体空気）は、さらに熱交換器１００内で、発電機搭載高温ガス膨張器３４０から排出された高温の循環空気又は循環ＣＯ２と、発電機６２０を駆動するメイン高温ガス膨張器組立体から排出される多量の流れ５とによって加熱される。
【００５７】
引き続き図２を参照して説明を行う。流出空気５５５の流れは、熱交換機１００から、約９００°Ｆの温度及び約５８８ｐｓｉａの圧力を伴って排出され、燃焼室２に到達する。ここで、流出空気５５５の流れは、圧縮器２６０により同じ圧力に加圧された燃料流れ１２を燃焼させる。圧縮器２６０は、モータ６３０により駆動される。モータ６３０へは、ワイヤ４を経由して電力が供給される。燃料流れは、燃料配管９を経由して圧縮器２６０に供給される。
【００５８】
燃焼室２は、熱交換器ハウジング１１１に収容されている。熱交換器ハウジング１１１は、図２に示すように、還流する排気流れを再び加熱することを可能にする。例えば、高温かつ高圧の燃焼ガス５は、燃焼室２から排出され、第１の発電機搭載高温ガス膨張器３２０で膨張させられる。この後、燃焼ガス５は、加熱のために熱交換器１１１に還流させられる。また、燃焼ガス２は、第２の発電機搭載高温ガス膨張器３３０に輸送され、膨張させられる。これは、産業界で「再加熱による２ステージ膨張（two stage expansion with reheat）」として公知であり、高温ガス膨張（及び電力生成）サイクルの効率を増加させる役割を果たす。燃焼の生成物である高温ガスを膨張させるための他の構成を用いてもよい。これらのうちのある構成は、資本コストは低いが低効率あり、また他の構成は、コストは高いが多少は高効率である。図２に示す構成は、１つの装置の例示と解されるべきであり、他の装置を排除する意味はない。
【００５９】
発電機搭載高温ガス膨張器３３０から排出された流れ５は、バルブ４００により分流させられる（split）。流れ５のより大きな部分は、上記で説明されたように、熱交換器１００に送られ、次いで排気管１８に輸送される。流れ５のより小さい部分は、熱交換器１５０に輸送され、ここで、液体空気５５１を気化させて加熱するのを助勢する。液体空気５５１は、バッファタンク１６０を出て、まず低温ポンプ１７によりポンプ作用で加圧される。低温ポンプ１７は、モータ６４０により駆動される。システムのさまざまなモータには、参照番号６００、６０５、６１０、６３０、６４０などが付されている。これらの参照番号が付されたモータのサイズ及び容量については、ここでは何も規定ないしは示唆していないことに注目すべきである。各モータの具体的な消費電力ないしは出力は、各モータに係る機器の仕様を設計するときに、システムに適用される工学的な決定に基づいて設定される。続いて、冷熱回収・電力生成ループ５５を説明する。高温かつ高圧の空気５７０は、約９００°Ｆの温度及び１，２００ｐｓｉａの圧力を伴って、熱交換器１５０から排出され、第３の発電機搭載高温ガス膨張器３４０で膨張させられ、約４２５°Ｆの温度及び２００ｐｓｉａの圧力を伴って流れ５７５として流出する。その熱は、上記で説明したように、熱交換器１００内でメイン流出空気流れを加熱するのを助勢する。
【００６０】
図２には、冷熱回収ステップ及び熱回収ステップを簡明ないしは単純に示すために、ガス流れにいくつかの破断部（breaks）が存在する。例えば、メイン流出流れ５５５は、ポイントＡとポイントＡ’の間で「破断」されて示されている。これは、流れ５５５の一部が、ハウジング１１内で回転発電機６２０を浮遊させる（float）のを助勢する支持空気（bearing air）として、まずメイン発電機６２０に送られることを示している。このようにして、流れ５５５は、回転発電機から摩擦熱を取り出し、この回転発電機を冷却する一方、この流れ５５５は熱交換器１０２に流入する前に予め加熱される。したがって、熱交換器１３０と熱交換器１０２との間に位置するポイントＡ及びポイントＡ’は、それぞれ、発電機６２０の近くに示されたポイントＡ及びポイントＡ’と同一の地点である。同様に、熱交換器１３０と熱交換器１５０との間のポイントＢ及びポイントＢ’で示される流れ５５５の一部は、二次発電機６２１の支持空気として機能し、熱回収機能を果たす。これらのポイントＢ及びポイントＢ’は、発電機６２１の近くのポイントＢとポイントＢ’とに対応する。別の「流れの破断部」は、図２中の２つのポイントＣで示されている。これは、熱がどのように熱交換器１５０で熱い排気流れの部分から回収されるかを示している。熱い排気流れは、熱交換器１５０を通って移動し、流れ５５１を加熱する。熱交換器１５０を流出する冷却された排気ガス流れ６は、排気管１８の近くのポイントＤ’の上のポイントＣに対応するポイントＣで終端して示される。したがって、熱交換器１５０の近くのポイントＣは、管１８の近くに示されたポイントＣと同じ地点である。同様に、ポイントＤ及びポイントＤ’は、（熱交換器１０２を出た後の）残りの熱を放出し、また、熱交換器１５０で流れ５５１を加熱するメイン排気流れ５の熱回収を表している。同様に熱交換器１０２を約１２０°Ｆで出る高温の循環空気又は循環ＣＯ２の流れ５７５は、ポイントＥからポイントＥ’で破断されている。流れ５７５のうちの残りの熱は、水分８０１を加熱するために用いられることを示している。水分８０１は、高温の熱交換器１４０の水分分離器８００で回収され、ポンプで加圧された水分８０３は、高圧水蒸気流れとして発電機搭載高温ガス膨張器３３０に送られ、したがって、膨張器を通るマスフローを増加させ、その電力出力を改善する。
【００６１】
電力ケーブル接続４は、図２のいくつかの場所に示される。そのようなケーブルの各々は、任意の他のケーブルとは異なるサイズであってもよく、送電するのに必要な所望の電力量を反映している。図示していない他のケーブルは、電気動作バルブなどの器具に接続される。
【００６２】
工場製造の液体空気貯蔵タンクは、容易に入手可能である。横向きのタンクは、「整地」閉じ込めエリアに配備され得る。ここでは、局所地盤面水準２５のあまり大きくない落ち込みが作られることにより、掘り起こされた材料により組み立てられたあまり大きくない盛り土の後ろにタンクを含む。そのような構成は、貯蔵タンクに対して非常に低いプロファイル（very low profile）を生み出す。３つの７５，０００ガロンの工場製造液体空気貯蔵タンクが本明細書で概説されるモデルに対して好ましいが、それより少ない貯蔵タンクが状況に依存して用いられ得る。同じ又はより大きな容量の現地組み立てタンクも用いられ得る。第４又は第５のタンクは、貯蔵及び流出オプションを実質的に増加させ、週末及び風の強い夜の間に追加の入力容量を可能にし、上記で説明されるように、高需要期間中、「過剰空気発送」を可能にする。この追加の柔軟性の程度は、流入及び流出モードをバランスよく維持するのに要求される３つの基本貯蔵タンクに１つ又は２つの液体空気貯蔵タンクを加える比較的低コスト及びローテクな（low-tech）努力により達成される。
【００６３】
液体空気を含む低圧（１００ｐｓｉａ未満）低温貯蔵タンクに加えて、本発明は、また、低温圧力容器に冷圧縮空気（ＣＣ−Ａｉｒ）の貯蔵を予期する。ＣＣ−Ａｉｒは、非常に冷たい（例えば、−２００°Ｆより冷たい）、かなりの圧力（例えば、５００ｐｓｉａより大きい）の空気の蒸気（非液体）形態として定義することができ、ＣＣ−Ａｉｒの密度は、３２ポンド毎立方フィートより大きい（例えば、液体空気の密度のうちの７０％を達成する）。そのようなＣＣ−Ａｉｒは、液体空気に非常に似て、ほとんどさらなるエネルギ入力なしに、より高い圧力に対してポンプ輸送され得、比較的効率的な貯蔵容器に貯蔵され得る。それは、液体空気のうちの約７０％密度で、ＣＣ−Ａｉｒは、圧縮された空気よりかなり密度が高いが、発生させるために、約３０％少ないエネルギ入力を要求する利点を有するからである。したがって、本発明は、また、ＣＣ−Ａｉｒの製造、貯蔵及び放出を含む。そのオプションは、発明のより小さな実施形態、つまり貯蔵されるエネルギ出力の１０ＭＷ未満で、最も実現可能であり得、ここで、貯蔵容器（単数又は複数）のサイズは、貯蔵される空気を発生させるためのエネルギ入力程、決定的ではない。実際、本発明は、５００ｐｓｉａ及びそれ以上での近液体ＣＣ−Ａｉｒオプションから、１００ｐｓｉａ未満での液体空気オプションまで幅広い密度低温空気貯蔵オプション範囲と、任意の適切な温度及び圧力での任意のそのような密度局面低温空気コンディションとを含み、ここで、温度及び圧力の組み合わせは、約２５ポンド毎立方フィートの過剰な密度を有する空気を生成する。
【００６４】
図２には、燃料流れ１２（いくつかのケースにおいて、天然ガスである）を燃料ブースタ圧縮器２６０に輸送する燃料パイプライン９が示されている。燃料ブースタ圧縮器２６０は、ＮＧの圧力を発電機搭載高温ガス膨張器３２０及び３３０の設計圧力にする。他の燃料輸送方法も、同様によく機能する。例えば、パイプライン輸送ＮＧの代替案として、発明の実施形態は、埋立地発生ガス、嫌気性消化装置ガス又は燃料源としてのコールベッドメタン又は油井と共に見つかった「ストランデッド油井」または「付随ガス」からのＮＧを用い得る。いくつかの例において、燃料流れは、ブースタ圧縮を必要としない。なぜなら、例えばいくつかのストランデッドガス油井において、ガス流れの圧力は、発電機搭載高温ガス膨張器３２０及び３３０の設計圧力と同程度であるか、又はそれよりも高いからである。
【００６５】
図２には、天然ガス（ＮＧ）燃料流れ１２に対する燃料ブースタ圧縮器２６０が示されている。燃料ブースタ圧縮器２６０は、燃焼室２に到着する圧縮空気の想定される圧力と同じ、例えば６０ｐｓｉａから５８８ｐｓｉａまで、その流れの圧力を上昇させる。このブースタ圧縮器は、システムのエネルギ放出ステージの全電力出力に対して、ほとんどエネルギを用いない（０．３ＭＷより少ない）。ブースタ圧縮器は、燃料ガスが、より高い圧力で、サイトに、例えば高圧領域天然ガス移送ライン又はあるストランデッドガス地から到着した場合、さらにエネルギを用いない。他の燃料は、（圧縮された空気フローに対して）適切な比率でＮＧの代用になり得、同様な電力出力結果を生み出す。上記で概説される電力出力サイクル中、風力も利用可能な場合、そのエネルギは、液体空気に変換されるよりは、むしろ発電プラントの出力に直接加えられる。燃焼室を出る排気ガス又は燃焼ガスは、約２，０００°Ｆであるが、この高い温度は、他のサイクルでよりも少ない燃料で達成される。なぜなら、入口空気は、約９００°Ｆまで事前に温められているからである。約２，０００°Ｆ、約−８ｐｓｉａの燃焼ガスは、２ステージ発電機搭載高温ガス膨張器３２０、３３０で、まず約９８ｐｓｉａまで膨張させられ、次いで、約１６ｐｓｉａまで下げられる。膨張３２０の第１のステージから、いく分冷却された流出は、約２，０００°Ｆまで燃焼室で再び熱せられ、第２のステージ３３０に（約９６ｐｓｉａで）送られ、第２のステージを約１，１４１°Ｆで約１６ｐｓｉａで出る。上記で論じたように、発電機搭載高温ガス膨張器３３０を出る排気流れ５は、バルブにより２つに分割される。分割された流れの各部分は、上記で論じたように、他の流れを熱交換器１０２及び１５０で熱するために用いられる。２つの流れは、流れ６として再び接合し、水分分離器８００に到着する。水分分離器８００では、冷却された排気ガス６の含有水分が分離され、部分的に排水溝８０２の方へ送られ、一部はポンプ１３及び温かい熱交換器１４０を通り、次いで発電機搭載高温ガス膨張器３３０に送られる。冷却された排気流れ６の含有水分は、分離される。なぜなら、流れは、水分が濃縮するのを可能にするのに十分に冷却されているからである。しかし、回収された水分の全てが発電機搭載高温ガス膨張器３３０により用いられるわけではなく、回収された水分のいく分かは、排水溝８０２に送られる。ポンプ１３は、この水分をエネルギ入力をほとんど伴なわずに加圧する（なぜなら、液体は、実質的に圧縮不可能であり、したがって、所望の圧力にほとんどエネルギ入力なしに到達するからである）。その高圧８０１ストリームが１４０で熱せられたとき、高圧流れ８０１は、大部分が蒸気８０３として出て、したがって、３３０で膨張させられているガス流れの質量を増加させる低コストな方法を提供する。流れ８０３の目的は、熱いマスフローを発電機搭載高温ガス膨張器３３０を通して増加させることであり、したがって、発電機６２０の電力出力を改善する。
【００６６】
風力貯蔵のためのＶＰＳサイクルの適用に対して、発明の実施形態の各配備は、昼／夜及び季節のパターンを説明するサイトの「風歴」及び見込まれる「容量因子」に基づくことが多く、昼／夜及び季節のパターンは、事前に見込まれており、ピーク電気需要と比較される。ピーク電気需要は、また、昼／夜及び季節のパターンを説明する。各システム配備に対して選ばれた液体貯蔵の全量は、貯蔵システムに利用可能な土地エリアの制限内で、確実性及び風の安定性に対するニーズを貯蔵のコスト（タンク、バルブ及び配管）に対してバランスを保たせる。
【００６７】
したがって、エネルギ貯蔵及び放出システムと方法が提供されることが分かる。先述の構成及び専門化された構成要素のいずれかは、交換可能に前述の実施形態のシステムのいずれかと一緒に用いられ得ることは理解されるべきである。本発明の好ましい例示的実施形態が本明細書の上記で説明されるが、さまざまな変更及び改変は、それに関して、発明から逸脱することなしになされ得ることが当業者には明らかである。添付の特許請求の範囲において、発明の真の精神及び範囲内に該当する全てのそのような変更及び改変をカバーすることが意図される。
【符号の説明】
【００６８】
２０  電力貯蔵システム、２２  圧縮・冷却・浄化システム、２４  冷凍システム、１００  メイン熱交換器。
【図１】
2014500424.tif 000003
【図２】
2014500424.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月30日(2013.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵装置と、
１つ又は複数の熱交換器であって、該熱交換器のうちの少なくとも１つは前記貯蔵装置に流体的に接続されている熱交換器と、
前記熱交換器のうちの少なくとも１つに流体的に接続されている少なくとも１つの燃焼室と、
前記少なくとも１つの燃焼室と、前記熱交換器のうちの少なくとも１つとに流体的に接続されている１つ又は複数の発電機搭載高温ガス膨張器と、
前記高温ガス膨張器のうちの少なくとも１つに接続されている少なくとも１つの発電機と、
液体空気流れ系統及び循環作業流体流れ系統とを備えているエネルギ放出システムであって、
前記液体空気流れ系統及び前記循環作業流体流れ系統は、互いに分離された異なる種類の流れ系統であり、
前記循環作業流体流れ系統は閉ループを形成し、
前記貯蔵装置から放出された液体空気は第１の全体流れ方向に流れる一方、前記循環作業流体は前記第１の全体流れ方向と実質的に反対向きである第２の全体流れ方向に流れ、
前記循環作業流体は、前記放出された液体空気が実質的に気化するように前記放出された液体空気を加熱し、
前記放出された液体空気は、前記循環作業流体が実質的に液化するように前記循環作業流体を冷却することを特徴とするエネルギ放出システム。
【請求項２】
前記循環作業流体がＣＯ２であることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項３】
前記実質的に気化させられた空気は、燃焼室に導入されて燃料の流れを燃焼させることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項４】
少なくとも１つの低温ポンプをさらに備えていて、
前記実質的に液化させられた循環作業流体であるＣＯ２は、前記少なくとも１つの低温ポンプによって加圧され、前記熱交換器のうちの少なくとも１つにおいて、高温の燃焼ガスによって気化させられ、
気化させられた前記高圧の循環作業流体であるＣＯ２は、発電機搭載高温ガス膨張器内で膨張させられることを特徴とする、請求項２に記載のエネルギ放出システム。
【請求項５】
少なくとも１つのバルブをさらに備えていて、
燃焼ガスは、前記燃焼室から、少なくとも１つの発電機搭載高温ガス膨張器に導入され、
前記膨張させられた燃焼ガスは、前記少なくとも１つのバルブによって、第１の部分と第２の部分とに分けられ、
前記第１の部分は前記第２の部分よりも多量であり、
前記第１の部分は第１の熱交換器に導入され、
前記第２の部分は第２の熱交換器に導入され、前記放出された液体空気を加熱して実質的に気化させることを特徴とする、請求項４に記載のエネルギ放出システム。
【請求項６】
液体空気製造システムをさらに備えていて、該液体空気製造システムは、
１つ又は複数の入口空気圧縮器と、
第１の入口空気圧縮器に流体的に接続された分子篩組立体と、
前記分子篩組立体と第２の入口空気圧縮器とに流体的に接続された縦型冷却管組立体であって、その頂部又は該頂部の近傍に配置され入口空気が導入される空気入口と、その底部又は該底部の近傍に配置された出口とを有する縦型冷却管組立体と、
少なくとも１つの入口空気圧縮器に流体的に接続された、メイン熱交換器を含む１つ又は複数の入口空気熱交換器と、
前記メイン熱交換器に流体的に接続された貯蔵装置と、
前記冷却管組立体に流体的に接続された、作業流体を用いる吸収冷凍機と、
前記吸収冷凍機に流体的に接続された、冷媒流体を収容している機械式冷凍機と、
前記機械式冷凍機に流体的に接続された冷媒空気循環器組立体とを有することを特徴とする、請求項１に記載のエネルギ放出システム。
【請求項７】
前記冷媒空気循環器組立体は、
１つ又は複数の循環冷媒空気圧縮器であって、少なくとも１つの循環冷媒空気圧縮器は前記メイン熱交換器に流体的に接続されている循環冷媒空気圧縮器と、
１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器とを有していて、
前記機械式冷凍機は、少なくとも１つの循環冷媒空気圧縮器と、少なくとも１つの循環冷媒空気低温膨張器と、前記吸収冷凍機と、前記メイン熱交換器とに流体的に接続され、
循環冷媒空気は、前記冷媒空気循環器組立体から前記メイン熱交換器に流入して前記入口空気を冷却することを特徴とする、請求項６に記載のエネルギ放出システム。
【請求項８】
前記循環冷媒空気は、前記１つ又は複数の循環冷媒空気圧縮器によって圧縮され、圧縮熱は少なくとも１つの吸収冷凍機によって回収され、
該エネルギ放出システムは、さらに少なくとも１つのバルブを備えていて、
循環冷媒空気は、前記少なくとも１つのバルブによって、第１の部分が前記機械式冷凍機に導入される一方、第２の部分が少なくとも１つの循環冷媒空気低温膨張器に導入されるように分流され、
前記循環冷媒空気は、前記機械式冷凍機と前記１つ又は複数の循環冷媒空気低温膨張器とによって冷却されて、前記メイン熱交換器に導入され、
前記機械式冷凍機内の冷媒流体は、前記吸収冷凍機から前記機械式冷凍機に輸送される低温の作業流体によって凝縮させられることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギ放出システム。
【請求項９】
前記実質的に液化させられた空気の蒸気部分から回収された冷熱が、さらに前記メイン熱交換器内の入口空気を冷却し、
前記実質的に液化させられた空気の前記蒸気部分は、前記入口空気からの熱と回収された圧縮熱とによって加熱され、
前記実質的に液化させられた空気の前記加熱された蒸気部分は分子篩組立体に導入され、前記実質的に液化させられた空気の前記蒸気部分は、前記分子篩組立体から二酸化炭素と水分とを除去することを特徴とする、請求項６に記載のエネルギ放出システム。
【請求項１０】
貯蔵された液体空気を放出する過程と、
前記放出された液体空気をポンプで加圧する過程と、
前記放出された液体空気と循環作業流体とが互いに分離された異なる種類の流れとなるように、前記循環作業流体を収容している閉ループを形成する過程と、
前記放出された液体空気を、少なくとも１つの熱交換器を経由して第１の全体流れ方向に流れさせる過程と、
前記循環作業流体が前記第１の全体流れ方向とは実質的に反対向きの第２の全体流れ方向に流れるように、前記循環作業流体を、前記少なくとも１つの熱交換器を経由して流れさせる過程と、
前記放出された液体空気が実質的に気化するように、前記放出された液体空気を前記循環作業流体で加熱する過程と、
前記循環作業流体が実質的に液化するように、前記循環作業流体を前記放出された液体空気で冷却する過程とを有することを特徴とする貯蔵されたエネルギを放出する方法。
【請求項１１】
前記実質的に液化させられた循環作業流体をポンプで加圧する過程と、
前記圧縮されて液体となった循環作業流体を、高温の燃焼ガスとの熱交換により気化させる過程と、
前記加圧された循環作業流体を、前記発電機が補助電力源として電力を生成するように、発電機搭載高温ガス膨張器内で膨張させる過程とをさらに有することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記循環作業流体がＣＯ２であることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
【国際調査報告】
2014500424.tif 000005
2014500424.tif 000006