(57)【要約】  地中に掘られた穴（１１０、１１０’）に沿って移動するように構成された少なくとも１つの移動体（１０、１０’）を含むエネルギ貯蔵システムが説明される。エネルギ貯蔵システムは、穴（１１０、１１０’）内に封止アセンブリを含む。封止アセンブリ（１９、２７；１９’、２７’）は、支持部材（１９、１９’）および封止要素（２７、２７’）を含む。支持部材は、穴（１１０、１０’）内で移動体（１０、１０’）を２方向に移動可能な形で支持するように構成され、封止要素（２７、２７’）は、穴（１１０、１１０’）内の２つの領域を互いから分離するように構成される。システム（１００、１００’）はまた、第１の流体（５、５’）および第２の流体（１２、１２’）を穴（１１０、１１０’）に独立して供給できる流体充填システムを含む。第１の流体（５、５’）は、使用時、エネルギ貯蔵システム（１００、１００’）を１０満たすために、封止要素（２７、２７’）の第１の面に圧力を加えるように構成される。第２の流体（１２、１２’）は、第１の流体（５、５’）よりも密度が大きく、封止要素（２７、２７’）の第２の面に圧力を加えるように構成される。流体充填システムは、封止アセンブリ（１９、２７；１９’、２７’）がシステムを充填状態にする、または放出状態にするために移動するときに、封止（２７、２７’）要素にかかる圧力差が小さくなり、したがって、封止材（２７、２７’）と穴１１０の壁との間の摩擦損失を最小限にする、より１適切なシール要素（２７、２７’）が使用されるのを可能にするように、穴内の第２の流体（１２、１２’）の高さを制御することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に掘られた穴内を移動するように構成された少なくとも１つの移動体と、
前記穴内で前記少なくとも１つの移動体を２方向に移動可能な形で支持するように構成された封止アセンブリであって、支持部材および封止要素を含み、前記穴内の２つの領域を互いから分離するように構成された封止アセンブリと、
第１の流体および第２の流体を前記穴に独立して供給できる流体充填システムと、
を含むエネルギ貯蔵および回生システムにおいて、
使用時、前記第１の流体は、前記封止要素の第１の面に隣接して圧力を加え、前記第１の流体は加圧されて、前記エネルギ貯蔵システムを満たすことができ、第２の流体は、前記第１の流体よりも密度が大きい流体を含み、
前記第２の流体は、前記封止要素の第２の面に隣接して圧力を加え、
前記流体充填システムは、前記穴内の前記第２の流体の高さを制御するように動作可能であることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２】
請求項１に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第１の流体には、オイルが含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第２の流体には、溶融金属または溶融金属合金が含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項４】
請求項３に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記溶融金属合金は、７０℃未満の融点を有することを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項５】
請求項３または４に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記金属合金は、次のオプション、すなわち、共晶合金または非共晶合金、ビスマス系合金または可溶性合金、あるいは水銀または水銀合金の少なくとも１つを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、少なくとも前記第２の流体を加熱するように機能する加熱手段をさらに含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項７】
請求項６に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記加熱手段は、次のオプション、すなわち、地熱エネルギ、外部源から前記穴に供給される熱、または前記エネルギ貯蔵システムに接続された補助装置からの廃エネルギの少なくとも１つを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記穴は断熱ライナを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項９】
請求項１に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第１の流体には、水またはオイルが含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第２の流体には、微粒子物質が流体の外相に分散された懸濁液が含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第２の流体には、微粒子物質がオイル中に分散された懸濁液が含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１２】
請求項９または１０に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記微粒子物質は、次のもの、すなわち、金属粉末、鉄粉、または鉛粉の少なくとも１つを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、使用時、微粒子物質および流体で構成される前記懸濁液を撹拌するように動作可能な撹拌手段をさらに含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記懸濁液の撹拌は、次のもの、すなわち、使用時、部分的にエネルギを貯蔵または回生するための前記少なくとも１つの移動体の移動、前記懸濁液を循環させるように構成されたポンプ装置、混合装置、前記流体が前記穴を移動するときに、懸濁流体を撹拌するように動作する磁気システムの少なくとも１つによって行われることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のエネルギ貯蔵装置において、前記磁気システムは、以下のもの、すなわち、前記移動体に巻き付けられたコイル、前記穴のケーシングに巻き付けられたコイル、または前記穴内で回転または移動するように動作可能な永久磁石装置の少なくとも１つによって形成されることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、使用時、前記穴内で、前記少なくとも１つの移動体が、前記第２の流体に浸されることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記第２の流体の前記密度は、実質的に前記少なくとも１つの移動体の密度であることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１８】
請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記少なくとも１つの移動体は、前記支持部材の、前記封止要素の前記第２の面と同じ側に近接して配置可能であることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記穴は、前記穴の周縁で長手方向に延びる複数のパイプを含み、各パイプは、前記穴のベース部に向かって開放され、前記第１の流体は、前記パイプから供給することができ、前記第２の流体は、前記穴に供給することができることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、使用時、前記流体充填システムは、第２の流体の高さを制御し、結果として、前記封止アセンブリ近辺の前記第２の流体の圧力を制御することを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記流体制御システムは、所定量の第２の流体が前記穴内で維持されて、前記封止要素の前記第２の面の圧力が、前記封止要素の前記第１の面の圧力と一致する適切なレベルに維持されるように、前記第２の流体を供給する、または取り出すように構成されることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記移動体は、略円筒形の本体を含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記移動体は中実であることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記移動体は、固体物質を充填された中空シェルを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２５】
請求項２２乃至２４のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、前記移動体は鋼を含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２６】
請求項２５に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、請求項１乃至８に従属する場合に、前記固体物質には鉄が含まれることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムにおいて、請求項９乃至１５に従属する場合に、前記移動体はコンクリートを充填されることを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項１乃至２７のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、各移動体は、前記移動体の周縁にほぼ均等に分配された複数のローラ部材を含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項２９】
任意の請求項２８に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、各ローラは、前記移動体が前記穴を通過するときに回転するように構成されることを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【請求項３０】
請求項１乃至８または請求項２２乃至２６のいずれか１項に記載のエネルギ貯蔵システムにおいて、請求項１乃至８に従属する場合に、前記穴は、ほぼ垂直な部分と、前記ほぼ垂直な部分の底部から延びるほぼ水平な部分とを含むことを特徴とするエネルギ貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギ貯蔵および回生システムに関する。より詳細には、本発明は、エネルギを貯蔵および生成するために地中掘削穴および移動質量を利用する、重力に基づくエネルギ貯蔵および回生システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知のエネルギ貯蔵および回生システムの例として、重力（ポテンシャルエネルギ）に基づくシステムの例であるポンプ貯蔵システムがある。ポンプ貯蔵システムは、揚水発電システムとしても公知であり、一方が他方よりも高いように、それぞれが互いに異なる高さに位置する２つの貯水池を含む。余分なエネルギが存在する場合に、水が下側の貯水池から上側の貯水池に圧送され、そのようにして、水を上側の貯水器に保持することで、余分なエネルギがシステムに保存される。エネルギが必要とされる場合に、上側貯水池から下側貯水池への重力による水の流れの作用によって機械エネルギが発生するように、上側の貯水池から下側の貯水池に、通常タービンを通って水が放出される。発生した機械エネルギは、適切な手段、例えば、発電機によって電気エネルギに変換することができ、次いで、変電所を経由して配電網に供給される。
【０００３】
再生可能エネルギはますます普及してきており、この場合に、自然エネルギ源が取り込まれて電気エネルギに変換される。再生可能なエネルギ源の例として風力エネルギがある。風力エネルギは、通常、風力タービンによって機械エネルギに変換される。したがって、機械エネルギは、有用な電気エネルギに変換可能である。しかし、風力エネルギは自然発生的な資源であり、その特質により、予測がきわめて困難である。相応して、風力タービンによって発生する電気エネルギの量も時間とともに変わりやすい。
【０００４】
風力エネルギのこの予測不可能性により、エネルギ貯蔵システムの開発が促進されたが、このエネルギ貯蔵システムは、風が強く、エネルギが必要とされない期間に発生したエネルギを喪失するのではなく、同様に、風がない需要期に電力がないのではなくて、必要とされるときに使用できるように、風力エネルギを取り込み、そのエネルギを貯蔵することができる。
【０００５】
風力エネルギを利用してエネルギを貯蔵し、必要とされるときにエネルギを放出するエネルギ貯蔵システムの例として、重力を利用したシステムがあり、このシステムでは、深い穴が掘削され、穴内の第１の高度から第２の高度に至る穴内の移動質量を利用して、電気に変換できるエネルギを発生させる。
【０００６】
石炭、石油、およびガスなどの従来の電力源がより高価になっているために、および埋蔵量が激減していることから、再生可能なエネルギ源がますます探査されつつある。
【０００７】
したがって、改良された再生可能エネルギ源を提供することが望ましい。
【０００８】
風力エネルギ生成物で動作可能なエネルギ貯蔵システムを提供することが望ましい。
【０００９】
一様でない風力エネルギから実質的に一定のエネルギ供給源を生成できるエネルギ貯蔵システムを提供することが望ましい。
【００１０】
一様でない風力エネルギ生成物を断続的なエネルギ需要動向に適合させることができるエネルギ貯蔵システムを提供することも望ましい。
【００１１】
摩擦作用によるエネルギ損失を最小限にするために、平衡圧力を利用する、エネルギ効率のよいエネルギ貯蔵および回生システムを提供するのがさらに望ましい。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、
地中に掘られた穴内を移動するように構成された少なくとも１つの移動体と、
穴内で少なくとも１つの移動体を２方向に移動可能な形で支持するように構成された封止アセンブリであって、支持部材および封止要素を含み、穴内の２つの領域を互いから分離するように構成された封止アセンブリと、
第１の流体および第２の流体を穴に独立して供給できる流体充填システムと、
を含むエネルギ貯蔵および回生システムが用意され、
使用時、第１の流体は、封止要素の第１の面に隣接して圧力を加え、第１の流体は加圧されて、エネルギ貯蔵システムを満たすことができ、
使用時、第２の流体は、第１の流体よりも大きい密度の流体を含み、第２の流体は、封止要素の第２の面に隣接して圧力を加え、
流体充填システムは、穴内の第２の流体の高さを制御するように動作可能である。
【００１３】
穴内の第２の流体の高さを制御することで、第１および第２の流体による封止要素近辺の圧力差が低減され、封止要素近辺の圧力は、封止アセンブリ、特に、通常は中実構造体である封止材支持部材の両側間の、通常はより大きい、圧力に起因する力の全体的な不平衡により封止アセンブリが移動している場合でさえ、実質的に平衡することができる。
【００１４】
封止要素は、両面にかかる流体圧力のみを受け、したがって、封止要素にかかる負荷は小さくなり、最小にすることができるが、その理由は、封止要素の両面にかかる圧力が下げられるからであり、封止要素の両面にかかる圧力作用は平衡するのが好ましく、したがって、封止要素にかかる流体圧力の作用は実質的にごくわずかであり得る。
【００１５】
したがって、封止要素は、実際上、第１および第２の流体を離れた状態に保つようにのみ機能し、ひいては、穴の内側面に作用する大きな摩擦負荷を発生させないので、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、先行技術のシステムに勝る改善された効率を有する。したがって、本発明の封止アセンブリを使用して、摩擦によるエネルギ損失が最小限になる。
【００１６】
エネルギ貯蔵システムは、第１および第２の流体を穴に独立して供給できる流体充填システムをさらに含み、穴は、穴の周縁で長手方向に延びる複数のパイプを含み、各パイプは、穴のベース部に向かって開放され、第１の流体はパイプから供給することができ、第２の流体は穴に供給することができる。使用時、第２の流体は、穴内で少なくとも１つの移動体を囲むことができる。
【００１７】
パイプおよび穴の構成は、Ｕ字管構成を形成し、したがって、境界領域が封止要素の位置にあることが保証され、そのため、封止要素の位置での圧力の平衡が、ひいては、封止要素と穴との間の摩擦の最小化が保証される。
【００１８】
本発明の第１の実施形態によれば、第１の流体はオイルとすることができ、第２の流体は、溶融金属または溶融金属合金とすることができる。適切な溶融金属合金、例えば、共晶合金の例には、ウッドメタル、フィールドメタル、Ｃｅｒｒｏｌｏｗ  １３６、Ｃｅｒｒｏｌｏｗ  １１７などがある。好ましくは、金属合金は、放出および充填時に、それぞれ金属合金を穴に補充する、および穴から取り出すことができるように、合金を溶融流体の状態に維持するのに望ましい、比較的低い融点を有する。
【００１９】
第２の流体の適切な例には、低融点の金属合金があり得る。低融点とは、１００〜１２０℃の範囲内とすることができる。好ましくは、低融点とは７０℃以下である。
【００２０】
第２の流体の例には、ビスマス系合金もしくは可溶合金、共晶合金、非共晶合金、水銀、または水銀合金があり得る。
【００２１】
上記の合金を流体として維持するために、穴内の流体の温度は、少なくとも第２の流体の融点温度に維持されるべきである。穴は、金属を加熱し、金属を流体の状態に維持するために地熱エネルギを利用することができる。
【００２２】
地熱エネルギは、穴に１２０〜１４０℃の範囲の温度を付与することができる。通常、穴の領域が深くなるほど熱くなり、そのため、コイル状の構成とすることができる、閉じたチューブ内で液体を穴に沿って上方に循環させて、穴の底部部分から地熱を吸収し、周囲温度が融点未満である穴の上部部分に地熱を送ることができる。（この上部部分は断熱することもできる）。
【００２３】
代替案として、またはそれに加えて、外部源から穴に熱を供給することもできる。好ましくは、エネルギ貯蔵システムに接続された補助装置、例えば、機械エネルギを電気エネルギに変換するのに使用される発電機、または流体をシステムに供給するのに使用されるポンプなどからの廃エネルギを使用して、外部熱源が用意される。さらに、穴は、穴内の熱のレベルがほぼ一定であり、穴内の熱損失が最小化されるように、断熱ライナを含むことができる。
【００２４】
本発明の第２の実施形態によれば、第１の流体は水とすることができるし、または第１の流体はオイルとすることもでき、第２の流体には、微粒子物質が流体の外相に分散された懸濁液があり得る。第２の流体には、オイル、または任意選択で、水よりも粘度が高い液体中に分散された微粒子物質を含む懸濁液があり得る。
【００２５】
微粒子物質には、金属粉末があり得る。金属粉末は鉄粉とすることができる。あるいは、金属粉末は鉛粉とすることができる。
【００２６】
懸濁液中での金属粉末の分散を維持するために、システムは、金属粉末のオイルからの沈殿／分離が起こらないように、使用時、懸濁液を撹拌するように動作可能な撹拌手段をさらに含むことができる。
【００２７】
使用時、エネルギを充填する、または放出する動作により、穴内での移動体の移動による、部分的な、または全体的な撹拌を引き起こすことができる。
【００２８】
懸濁液は、移動体と穴との間に画定された環状領域、および隣接する移動体間の任意のギャップを満たす／占有することができる。そのようにして、移動体が穴壁に対して移動した結果として、撹拌を起こすことができ、その理由は、使用時、第２の流体（懸濁液）と穴壁との間、および第２の流体と移動体との間の剪断力が、懸濁液を連続撹拌する手段となることができるからである。
【００２９】
代替案として、またはそれに代えて、ポンプ装置を使用して懸濁液を循環させるなど、外部源によって撹拌を起こすことができる。微粒子または金属粉末が沈殿しないように、混合装置を使用して、例えば、保持タンク内で懸濁液をかき混ぜる／撹拌することができる。
【００３０】
金属粉末が鉄粉を含む場合、磁気システムを使用して、懸濁流体が穴を移動するときに懸濁流体を撹拌することができる。適切な磁気源は、移動体に巻き付けられたコイルによって形成することができる。あるいは、適切な磁気源は、穴ケーシングに巻き付けられたコイルによって形成することができる。いずれの方法を使用しても、コイルを通り抜ける磁気パルスは、金属粉末の鉄元素を引き付けるのに有効であり、それによって、懸濁液を撹拌し、オイル中の金属粉末の分散を維持することができる。
【００３１】
あるいは、穴内で回転または移動可能な永久磁石装置によって磁界を発生させることができる。
【００３２】
第１および第２の実施形態の両方によれば、第２の流体の密度および移動体の密度はほぼ等しい。
【００３３】
特に、第２の流体が溶融金属を含む第１の実施形態に関して、少なくとも１つの移動体は、略円筒形の本体を含むことができる。移動体は中実とすることができる。あるいは、移動体は中空とすることができ、物質を充填することができる。移動体は鋼で作製することができる。移動体は、例えば、鉄を充填された中空の円筒体を含むことができる。中空円筒体は鋼で作製することができる。
【００３４】
各移動体は、移動体の周縁にほぼ均等に分配された複数のローラ部材を含むことができる。各ローラは、移動体が穴を通過するときに回転するように構成することができる。各ローラは、穴を通る移動体の移動をより容易にする助けとなるように機能することができ、穴壁からの移動体の間隔を維持して、穴内での移動体の詰まりを回避するように機能することもできる。
【００３５】
特に、第２の流体として、微粒子物質が外相流体に分散された懸濁液が含まれる第２の実施形態に関して、少なくとも１つの移動体は、略円筒形の本体を含むことができる。移動体は中実とすることができる。あるいは、移動体は中空とすることができ、物質を充填することができる。移動体は鋼で作製することができる。移動体は、例えば、コンクリートを充填された中空の鋼製円筒体を含むことができる。移動体は、約２８００ｋｇ／ｍ３の密度を有する材料組成物を含むことができる。各移動体は、移動体の周縁にほぼ均等に分配された複数のローラ部材を含むことができる。各ローラは、移動体が穴を通過するときに回転するように構成することができる。各ローラは、穴を通る移動体の移動をより容易にする助けとなるように機能することができ、穴壁からの移動体の間隔を維持して、穴内での移動体の詰まりを回避するように機能することもできる。
【００３６】
穴は、そのベース部で実質的に水平な部分に達する実質的に垂直な部分を含むことができる。穴の垂直部分は、少なくとも２ｋｍの深さとすることができる。
【００３７】
穴の垂直部分は、自然発生する地熱作用を利用して、金属または金属合金を溶融流体の状態に維持することができるように３ｋｍ以上の深さであるのが好ましい。水平部分は、少なくとも１つの移動体が通過できる連続路を形成するように、最大で５ｋｍの長さとすることができ、垂直部分の底部から延びる。
【００３８】
第２の実施形態によれば、第２の流体として、微粒子物質が外相流体に分散された懸濁液が含まれ、穴はほぼ垂直とすることができる。穴は、少なくとも２ｋｍの深さとすることができる。本発明の実施形態によるエネルギ貯蔵システムは、エネルギを取り込むために使用される１つまたは複数の装置、およびエネルギ貯蔵システムから放出されたエネルギによって生じた電気を供給するための１つまたは複数の装置とともに利用することができる。例えば、風力タービンは、エネルギを取り込む自然システムとして使用することができ、取り込んだエネルギを利用して、エネルギ貯蔵システムを満たすことができ、その結果、エネルギ貯蔵システムは、ポテンシャルエネルギを含む。その特質から、風力エネルギは一定ではないが、風力タービンによって発生したエネルギは、エネルギ貯蔵システムでポテンシャルエネルギとして蓄えることができるので、風力タービンによって取り込まれたエネルギは保存することができ、ほぼ一定にすることができ、それにより、エネルギ貯蔵システムは、要求に応じて、適切な手段により有用な電気に変換できる機械エネルギとしてエネルギを放出することができる。したがって、本発明によるエネルギ貯蔵システムに接続された風力タービンは、より信頼性高く設置することができ、ひいては、風が吹いているときに限らず、需要に応じてより確実に配電することもできる。エネルギ貯蔵システムは、ほぼ一定量の電気エネルギを発生させることができるので、したがって、風力エネルギは、原子力または燃料を基本とした発電所などの他のエネルギ源と同程度の信頼性とすることができる。
【００３９】
例えば、風力タービンとともに使用する場合、２つの可変要求、すなわち、生産および消費が考えられる。上記のように、風力エネルギは、予測がきわめて困難なことがあり、したがって、生産および消費の要求を確実に満たすことができない。したがって、エネルギ貯蔵システムは、生産および消費要求が食い違っている場合に、より多くの量のエネルギを貯蔵でき、消費要求の方が大きい場合に、要求に対応できるように、より大きい貯蔵容量を必要とする。このようにして、風力エネルギ源は、より信頼できる需要時供給システムになる。
【００４０】
本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による、充填されたエネルギ貯蔵システムの概略図を示している。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態による、放出されたエネルギ貯蔵システムの概略図を示している。
【図３ａ】図３ａは、本発明の第１の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される移動体の平面断面図を示している。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明の第１の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される移動体の概略的な長手方向断面図を示している。
【図４】図４は、システムが静止状態にある場合の、本発明の第１の実施形態で使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図５】図５は、システムが充填しつつある場合の、本発明の第１の実施形態で使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図６】図６は、システムが放出しつつある場合の、本発明の第１の実施形態で使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態による、放出されたエネルギ貯蔵システムの概略図を示している。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態による、充填されたエネルギ貯蔵システムの概略図を示している。
【図９ａ】図９ａは、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される移動体の平面断面図を示している。
【図９ｂ】図９ｂは、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される移動体の概略的な長手方向断面図を示している。
【図１０】図１０は、システムが静止状態にある場合の、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図１１】図１１は、システムが充填しつつある場合の、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図１２】図１２は、システムが放出しつつある場合の、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システムで使用される封止アセンブリの概略図を示している。
【図１３ａ】図１３ａは、スーパーマーケットまたはショッピングセンタにエネルギを供給するのに利用される、本発明の第２の実施形態による、充填されたエネルギ貯蔵および回生システムの応用例を示している。
【図１３ｂ】図１３ｂは、スーパーマーケットまたはショッピングセンタにエネルギを供給するのに利用される、本発明の第２の実施形態による、放出されたエネルギ貯蔵および回生システムの応用例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、本発明の第１の実施形態によるエネルギ貯蔵システム１００の例を示している。エネルギ貯蔵システム１００は、穴掘り、または掘削によって地中に配置されたＬ字形状の穴１１０を含む。示した実施形態では、穴は鋼製のケーシング１７で内側を覆われ、移動体１０は、ケーシング１７に沿って移動することができる。
【００４３】
示した実施形態では、穴１１０は、垂直部分２０および水平部分２１を含み、移動体１０は、垂直部分２０および水平部分２１を移動して、システム１００にエネルギを充填するか、またはシステム１００からエネルギを放出することができる。システム１００を使用した充填および放出については、下記にさらに説明する。
【００４４】
現在の穴掘り技術を用いて、超深度坑が実現可能である。超深度という用語は、坑の深度について説明する際に石油およびガス技術で使用される用語を指す。石油およびガス産業では、２０００ｍ〜３０００ｍの深さの坑は一般的であると考えられる。
【００４５】
図示した実施形態では、穴１１０は地中１３に形成され、深さが約２ｋｍの垂直部分２０と、長さが約５ｋｍの水平部分２１とを含む。システム１００は、穴１１０の上側部と下側部に、密度が異なる２種類の流体を収容するＵ字管構成を利用する。Ｕ字管構成については、図３ａを参照して下記にさらに説明する。
【００４６】
図１および図２は、配電網１および風力タービン２に接続されたエネルギ貯蔵システム１００を概略的に示している。この特定の実施形態では、エネルギ貯蔵システム１００は、風力タービン２からエネルギを取り込み、そのエネルギをポテンシャルエネルギとして貯蔵し、このポテンシャルエネルギは、次いで、一般消費するために配電網に放出される。システム１００の構成により、貴重な自然エネルギ源を無駄にしないように、断続的な風負荷を効率的に利用することが可能になる。
【００４７】
エネルギ貯蔵システム１００は、上記のポンプ貯蔵システムと同じ原理で動作し、この場合に、エネルギは、システム内の質量／重量を移動させることで貯蔵および放出される。この例では、移動物質は、ポンプ貯蔵システムで使用されるような水ではなくて、代わりに、複数の物理的移動体１０であり、各移動体１０は、エネルギを貯蔵するために、穴１１０を通って地表に向かって上昇する。さらに、エネルギに対する需要がある場合に、エネルギを放出するために、移動体１０は解放され、重力により穴１１０を通って下降する。特定の実施形態では、各移動体１０は、鉄を充填した中空の鋼製シリンダを含み、したがって、８０００ｋｇ／ｍ３の平均密度を有することができる。
【００４８】
移動体１０を穴１１０の長さ方向に沿って移動させるために、図示した実施形態は、パイプ１６を介して水平部分２１から（移動体１０の下の）穴１１０の下側領域に供給されるランナ流体（ｒｕｎｎｅｒ  ｆｌｕｉｄ）５を利用し、パイプ１６は、ケーシング１７内で穴１１０の縁部に沿って延びている。パイプ１６は、流体を受け入れるために上部で開放され、流体５を穴の水平部分２１に放出するために、底部２２で開放されている。システムはまた第２の流体１２を利用し、第２の流体１２は、垂直部分２０を通って穴１１０の上側領域に供給されて、移動体１０が第２の流体１２に浸されるようにする。
【００４９】
第１の実施形態のこの例では、第１の流体５はオイルである。第２の流体１２は、融点が低い溶融金属または溶融金属合金である（下記にさらに説明する）。システム１００内でオイル５および溶融金属１２を使用することで、移動体１０が実質的に最小限の摩擦で穴１１０を移動するのが容易になる。最小限のエネルギ損失で、実質的に骨を折ることなく移動体１０を移動させることについては、図４、図５、および図６を参照して下記にさらに説明する。
【００５０】
図１および図２に示すシステム１００は、エネルギを充填および放出するときに、それぞれ移動体１０が穴１１０に入る、および穴１１０から出ることができる構成を示している。図１は、移動体１０が、主に、地表に配置された適切な容器９に収容された充填済みのシステムを示している。図２は、移動体１０が容器９から放出され、穴１１０内の領域を占有している放出済みのシステムを示している。
【００５１】
上記のポンプ貯蔵システムと同様に、移動体１０の充填した状態への移動は、流体５を下側部に圧送することで流体圧力を使用して行われ、システムを放出状態にするために重力が利用される。
【００５２】
この例では、オイル５は、穴１１０の上部の地表面における大気圧でタンク４に貯蔵されている。システム１００を加圧するために、オイル５は、タンク４から穴１１０の水平部分２１に向かって圧送される。穴１１０は、Ｕ字管構成をなすように構成され、Ｕ字管構成については、図３ａを参照して下記にさらに説明する。圧力差が生じて、封止アセンブリ１９、２７（図４、図５、および図６を参照のこと）の上側に作用する上側流体１２（この例では溶融金属）を押して、システムから別のタンク１１に放出するように働く。システム１００内の溶融金属または溶融合金１２の高さは、制御システム１５を使用して知能制御され、制御システム１５は、システム１００内で流体１２の高さを維持するために、適切なポンプおよび配管システム１４を含む。
【００５３】
図示したシステム１００は、配電網１（高圧電力伝送網）および風力タービン２への接続器を含む。単一の風力タービン２が図示されているが、当然ながら、これは、複数のそのような風力タービンを含む風力発電所であってもよい。
【００５４】
ポンプ貯蔵システムと同様に、システム１００から発生するエネルギは機械エネルギであり、この機械エネルギは取り込まれ、有用な電気エネルギに変換される。プロセスのこのステップは、当業者に公知の適切な変電／変換要素を使用して行われ、図１および図２に参照数字３、７で示されている。
【００５５】
図示した例では、配電網１は、大規模な給電装置を表し、風力タービン２は小規模な給電装置を表している。当然ながら、システム１００は、大規模システムおよび小規模システムの両方とともに使用することができ、他方から独立したいずれかのシステムとともに動作することもできる。したがって、当然ながら、エネルギ貯蔵システム１００が、風力タービン装置だけとともに使用される場合、システムに対する需要が低くなる可能性が最も高く、そのため、必要とされる掘削の規模が影響を受けることもある。
【００５６】
図３ａは、図１および図２を参照して上記に説明した掘削穴１１０の平面断面図を示している。この構成は、ランナ流体５（この場合オイル）が、穴１１０に挿入されたケーシング１７の外側面に沿って延びる管またはパイプ１６を介して、封止アセンブリ１９、２７の下の領域に供給されるＵ字管構成を示している。溶融金属または溶融金属合金１２は穴１１０に供給され、さらに、ケーシング１７と移動体１０との間の空間によって画定される環状領域を満たす。溶融金属または溶融金属合金１２はまた、移動体１０が、溶融金属１２に効果的に浸されるように、移動体１０間の任意の空隙を埋める。図示した例では、パイプ１６は、ケーシング１７とコンクリート層２５との間に固定されている。
【００５７】
図示した実施形態のＵ字管構成は、穴１１０の長さ方向に沿ってケーシング１７に固定されたいくつかの小口径パイプ１６を含む。ランナ流体５は、パイプ１６を介して穴１１０の下側領域に補充される。パイプ１６は、穴１１０の底部２２で開放されており、したがって、移動体１０を収容した穴１１０の中央部分は、封止アセンブリ１９、２７の下の領域だけでパイプ１６と実際に流体連通し、こうしてＵ字管構成を形成している。
【００５８】
穴１１０がパイプシステム内にパイプを含み、外側パイプ、例えば、ケーシング１７が閉じた端部を有し、内側パイプが開放され、したがって、内側パイプとケーシング（外側パイプ）との間に環状路を画定する代替のＵ字管構成（図示せず）も実現可能である。環状路領域はランナ流体５を供給され、内側パイプは剛性移動体１０を収容し、溶融金属または溶融金属合金１２を供給される。
【００５９】
図示した実施形態では、移動体１０は、穴１１０の内径よりも小さい直径を有する。当然ながら、移動体１０の直径は、穴１１０内での詰まりの危険性を最小限にするためにより小さくなっている。移動体１０の寸法は、穴１１０の垂直部分２０から水平部分２１への方向の転換により存在する制約に基づいても決めることができる。
【００６０】
移動体１０の長さは、穴１１０の寸法と、穴１１０の垂直部分２０から水平部分２１への方向の転換という観点から存在する制約とに基づいて決めることもできる。
【００６１】
図３ａおよび図３ｂは、各移動体１０が、最小の摩擦で穴１１０内を移動できるように、移動体１０がローラ２４に取り付けられているのを示している。ローラ２４は、穴１１０の内側面に接触し、穴１１０に沿った移動体１１０の移送を容易にする。ローラ２４はまた、詰まりの危険性が最小限になるように、移動体１０と穴１１０の内側面との間にギャップまたは隙間が維持されるのを保証する。
【００６２】
図４、図５、および図６を参照すると、移動体１０と穴１１０の壁との間のギャップまたは隙間と、隣接する移動体１０間のギャップまたは隙間とは、比較的高密度の流体１２で満たされている。封止アセンブリ１９、２７は、封止材支持体１９および封止要素２７を含む。図示した例では、流体１２は、溶融金属または溶融金属合金であり、移動体１０の下に配置された封止要素２７の両側の圧力は平衡し、封止アセンブリ１９、２７は静止する。本発明の第１の実施形態の第２の流体１２は、低い融点を有する金属合金１２である。第２の流体１２は、移動体１０の密度に近い密度を有する。
【００６３】
オイル５をオイルタンク４からＵ字管構成に圧送して、移動体１０を収容した穴１１０によって画定される柱を加圧することができる。これにより、封止アセンブリ１９、１７が上方に移動し、溶融金属１２が穴１１０から外に移動して、地表にある容器１１に貯蔵される。オイル５のポンプ圧送は、移動体１０のすべてが移動し、溶融金属１２のすべてがその容器１１に貯蔵されるまで続けることができる。ポンプが停止すると、溶融金属１２はオイル５よりも密度が高いので、溶融金属１２と移動体１０の重量とは、オイル５をオイルタンク４に押し戻すように作用する。当然ながら、ポンプはこのとき油圧モータとして挙動し、オイルが通過中に回転し、貯蔵されたポテンシャルエネルギを解放する。
【００６４】
油圧シリンダは、産業界において、重負荷を持ち上げる／移動させるのに幅広く使用されている。しかし、そのような装置は、通常、重い重量を数メートル移動させることしかできない。そのような油圧ツールでは、液体（通常は特定のタイプ）は、シリンダを通るピストンを押すように作用する駆動用液体である。液体は、流体圧力が高くなり、ピストンを移動させるのに必要とされる機械力を発生させるように、ピストンによってチャンバ内に完全に密封される。そのような構成では、チャンバが適切に封止されない場合、チャンバ内に収容された液体が漏れ、機械的な移動を引き起こすのに必要とされる圧力上昇が起こらないので、十分な封止は不可欠である。油圧持ち上げ機構は、十分な封止が得られるように、正確かつ高度な機械加工を必要とする。
【００６５】
本明細書で説明したように、移動体に穴の中を移動させることに関連して、そのような効率的な封止を行うことが非常に困難で費用がかかるのは当然のことである。これは、約７ｋｍであり、垂直部分が約２ｋｍの深さである穴１１０の奥行きに特に関係する。
【００６６】
実際上、境界部を完全な形で機械加工するという実現不可能なオプションは脇に置いて、非剛性の封止材（ゴムおよびエラストマーなど）を使用する場合に、封止の完全性と発生する摩擦損失との間のペイオフがある。より大きい圧力および負荷を使用できるように、封止の完全性を高めるにつれて、摩擦損失が大きくなる。
【００６７】
図１および図２に示すエネルギ貯蔵システムは、封止問題を解決し、封止材２７と、移動体１０と、穴１１０の壁との間の摩擦損失を最小限にするために、流体対流体機構を使用している。この構成は、図４、図５、および図６に最もよく示され、これらの図を参照して説明される。
【００６８】
図４、図５、および図６はそれぞれ、オイル５および溶融金属１２の境界領域付近の圧力分布を示している。図４では、システム１００は静止しており、移動体１０は封止アセンブリ１９、２７の上で休止し、封止アセンブリ１９、２７は移動体１０を支持し、さらに、オイル５を溶融金属１２から分離する封止要素２７を含む。
【００６９】
封止要素２７の機能は、流体５、１２を分離した状態に保ち、したがって、流体５、１２の混合を防止して、封止要素２７近辺の圧力差を最小に維持することである。封止要素２７は、２つの流体の境界として機能し、そのため、２つの流体５、１２が対向する領域に圧力差はほとんどなく、封止材２７にかかる負荷もほとんどない。矢印２９は、移動体１０が静止しているときの圧力分布を示している。封止材の両面の圧力分布は平衡している。
【００７０】
システムを満たす、またはシステムから放出するために封止アセンブリ１９、２７が移動する場合、封止アセンブリ１９、２７、特に、封止材支持部材１９の両側にかかる圧力は異なる。しかし、この圧力差は、封止アセンブリ１９、２７の中央領域（封止材支持体１９）に限定され、穴１１０の壁との境界に近い封止材２７の位置での圧力差は、下記に説明するように、第２の流体１２の流体圧力を調整することでより小さくなる、または最小限になる。この方法では、完全性を達成するために、大きな摩擦損失を引き起こし、かつ費用がかかる、封止材２７の圧縮および壁への押し付けを行う必要がない。
【００７１】
溶融金属１２および移動体１０は個別に挙動する。溶融金属１２内の圧力は液頭で決まり、したがって、溶融金属１２が、比較的小さい液頭（垂直部分の液柱高さ）を有して、移動体２０よりも密度が高い場合、溶融金属１２は、穴１１０の底部で移動体１０の柱と実質的に同じ圧力であり得る。したがって、穴１１０は、溶融金属で満杯にする必要はない。
【００７２】
システム１４、１５（図１および図２を参照のこと）は、溶融金属１２の高さを制御し、結果として、封止アセンブリ１９、２７近辺の溶融金属１２の圧力も制御する。システム１４、１５は、ポンプ、測定機器、および制御機器を含む。システム１４、１５の機能は、封止面の圧力が適切なレベルであるように、穴１１０の溶融金属１２の高さを維持するために、溶融金属１２を供給する、または取り出すことである。
【００７３】
封止アセンブリ１９、２７が占有する表面領域は、片側をオイル５で完全に覆われるが、反対の側では、封止アセンブリ１９、２７の表面領域は、移動体１０と溶融金属１２との間で分割され、移動体１０は、封止領域１９のほとんどを覆い、封止要素２７が占有する残りの領域は、溶融金属１２で覆われている。
【００７４】
図５および図６は、それぞれシステム１００が充填および放出している間の圧力分布５４、５６を示している。
【００７５】
図５では、移動体１０に作用するランナ流体圧力５４は、システムが充填しつつある間に高くなり、移動体１０と、溶融金属１２と、穴１１０内での移動による摩擦作用３１とで生じる圧力よりも高い。溶融金属１２により移動体１０に作用する流体圧力は、移動体によって加えられる圧力５６よりも高い。したがって、溶融金属１２の高さは、両方の流体で覆われた封止要素２７のまわりの圧力が実質的に平衡するように制御システムによって調整される。
【００７６】
図６では、システムは、重力による放出状態（エネルギの解放）で示されている。移動体１０に作用するランナ流体圧力５４と摩擦作用３１とを組み合わせたものは、移動体１０および溶融金属１２による圧力よりも小さく、したがって、穴１１０内で移動体の下方への移動が起こる。したがって、溶融金属１２の高さが、制御システム１４、１５（図１および図２を参照のこと）によって調整され、両方の流体で覆われた封止要素２７のまわりの圧力は実質的に平衡する。
【００７７】
封止要素２７は、エネルギ貯蔵システム１００の流体要素５、１２を分離するのに有効であるが、封止材を穴１１０の壁に積極的に押し当てる必要がない。したがって、充填および放出中の封止要素２７の摩擦作用３１は実質的にない。そのようにして、本発明の第１の実施形態は流体−流体油圧機構を利用して、摩擦に関する問題を解決し、ひいては、封止問題によるエネルギ損失も解決する。図７、８、９ａ、９ｂ、１０〜１２、１３ａ、１３ｂを参照して下記に説明する本発明の第２の実施形態も、摩擦に関する問題を解決するために、ひいては、封止問題によるエネルギ損失も解決するために、流体−流体油圧機構を利用する。
【００７８】
図４、図５、および図６に示す例から明らかなように、封止アセンブリ１９、２７は、一方の面でランナ流体５からの圧力を受け、反対の面で、移動体１０および溶融金属１２からの圧力を受ける。封止要素２７は、単に、一方の面でオイル５からの圧力を受け、反対の面で、溶融金属１２からの圧力を受けるように配置されている。したがって、封止要素２７は流体境界圧力を受け、これは、２つの不溶性流体が接触する状況と比較することができる。したがって、封止要素２７は、実質的に負荷がかからない。
【００７９】
封止要素２７の位置で得られる平衡状態は、オイルおよび水銀などの密度が異なる２つの不溶性液体がＵ字管に注入される例で示すことができる。平衡状態では、境界圧力は、オイルおよび水銀の両方で等しい。
【００８０】
流体の直接接触および万一の混合汚染を回避するために、ゴム要素を使用して２つの流体を分離することができる。圧力はゴムの両面で等しいので、どの流体も他方の側に漏れないと分かる。ゴム要素は、流体の混合を回避するためのセパレータとしてのみ機能する。この原理が、図４、図５、および図６を参照して上記に説明したエネルギシステム１００に適用されている。
【００８１】
上記のように、図示した実施形態は、システム内の流体としてオイルおよび溶融金属を使用する。溶融金属１２は、移動体１０を移動させ、封止要素２７において圧力を平衡させる所望の密度を有する流体を提供するように選択された。
【００８２】
理論的には、水銀が所望の密度を有する流体を提供すると分かった。臭素およびヨウ素または他の成分も適切であると分かった。しかし、そのような物質を使用することに関する技術的および環境上の問題の有無にかかわらず、法外なコストによりこれらは不適切であるとされた。
【００８３】
水は、必要とされるボアホールの規模から非実用的な選択肢であると考えられた。
【００８４】
溶融または液体金属１２は、封止要素２７において、ランナ流体５と圧力が平衡するのに必要とされる物理特性を有する流体を提供する。適切な合金の例には、共晶合金およびいくつかの非共晶合金がある。共晶合金は、独自の単一化学組成と、通常、各構成要素の融点よりも低い独自の融点とを有する金属化合物の混合物である。
【００８５】
低温の融点を有する合金は、可溶合金または低融点ビスマス系合金として公知である。液体金属として使用するのに、７０℃未満の融点を有する合金が好ましい。液体の形態のこれらの合金は、腐食性であることがあり、したがって、これは、適切な合金を選択する際に考慮しなければならない。
【００８６】
低融点金属合金は産業界で幅広く使用されており、水銀と比較して費用がかからない。さらに、低融点金属合金は、通常、環境に対して害がなく、毒性がない。
【００８７】
いくつかの公知の低温溶融合金を、鋼の密度よりも高いそれらの密度とともに下記に列挙している。鋼の密度は、７８５０ｋｇ／ｍ３である。当然ながら、移動体１０は、鋼または鋼を含む組成物で作製することができる。
2015508988.tif 000003
【００８８】
溶融金属１２を溶融状態に維持するために、穴１１０および容器１１は、溶融金属または溶融金属合金を流体として保つ温度に維持される必要があるのは当然のことである。
【００８９】
図示した実施形態では、穴の垂直部分２０は、深さが少なくとも２ｋｍあるため、水平部分２１は、自然発生する地熱エネルギで温めることができる。構造プレート境界から離れる地熱勾配は、世界のほとんどの場所で、深さ１キロメートル（ｋｍ）当たり約２５〜３０℃である。したがって、深度３ｋｍ付近の穴では、温度は、金属／合金を流体の状態に維持するのに十分に熱い７５℃近辺であると予測される。
【００９０】
穴の垂直部分２０からの熱の損失を回避するために、エーロゲルまたはポリウレタンなどの断熱材料が適切であり得るが、その理由は、そのような材料の熱伝導性が低いからである。
【００９１】
計算によると、熱伝導率が０．１Ｗ／ｍＫの厚い断熱材料で覆われた、深さが３０００ｍで１４インチ口径の坑の垂直部分に沿った熱損失は、坑に沿った平均温度差を３０℃と仮定して約０．２ＭＷである。
【００９２】
熱損失を補うために、坑の水平部分２１に沿ったコイル内で液体を循環させることができる。この液体は、坑の温度を必要とされるレベルより高く維持するために、熱エネルギ源から熱を吸収し、垂直部分２０に沿って熱を分配する。
【００９３】
代替の熱源は、エネルギ変換システム７などの任意の補助装置からエネルギ損失分を取り込むことで生成することができる。エネルギ変換システム７は、約８０％の効率とすることができ、これは、エネルギの２０％が熱となって失われることを意味する。したがって、温度を維持するために、熱を再利用して穴１１０に送ることができる。
【００９４】
第１の実施形態の利点は、鉄製の移動体および溶融金属が、より大きい、体積当たりのエネルギ貯蔵容量をもたらす高密度材料であることである。
【００９５】
本発明の第２の実施形態が、図７、８、９ａ、９ｂ、１０〜１２、１３ａ、１３ｂを参照して説明される。理解を容易にするために、アポストロフィ「’」を含む同じ参照数字が、図１、２、３ａ、３ｂ、４〜６に示した上記の第１の実施形態の共通特徴部に対応する参照数字に適用される。
【００９６】
流体のタイプおよび移動体用の材料を除いて、第２の実施形態は同じ原理で動作する。したがって、第１の実施形態による様々な特徴部は、第２の実施形態に同様に適用可能である。同じ部品については、概ね再度説明しなかった。
【００９７】
第１の実施形態とは異なり、第２の実施形態では、第１の流体５’は水であり、第２の流体１２’は懸濁液である。さらに、移動体はコンクリートで作製することができる。これらの材料は密度が低いが、懸濁液は、液体の状態に維持するのに加熱を必要としない。さらに、これらの材料は費用があまりかからない。
【００９８】
図７は、本発明の第２の実施形態によるエネルギ貯蔵システム１００’の例を示している。図７および図８は、配電網１’および風力タービン２’に接続されたエネルギ貯蔵システム１００’を概略的に示している。第１の実施形態に関連して上記に説明したように、エネルギ貯蔵システム１００’は、システム内で質量／重量を移動させることでエネルギを貯蔵および放出する従来のポンプ貯蔵システムと同じ原理で動作する。
【００９９】
移動体１０’を穴１１０’の長さ方向に沿って移動させるために、図示した実施形態は、パイプ１６’を介して（移動体１０’の下の）穴１１０’の下側領域に供給されるランナ流体５’を利用し、パイプ１６’は、ケーシング１７内で穴１１０’の縁部に沿って延びている。パイプ１６’は、流体を受け入れるために上部で開放され、流体５’を穴１１０’の下側領域に放出するために、底部２２’で開放されている。システムはまた、第１の実施形態で説明したように、第２の流体１２’を利用する。
【０１００】
前の実施形態とは異なり、この実施形態の第１の流体５’は水であり、第２の流体１２’は懸濁液である。懸濁液は、沈殿するのに十分に大きい固体粒子を含む不均一混合物である。内相として公知の固体粒子は、外相として公知の流体内に分散する。エネルギ貯蔵システム１００’で使用する懸濁液１２’は、移動体１０’の密度に近い密度を有する。この構成は、図１０、図１１、および図１２を参照して下記にさらに説明するように、封止要素２７’に作用する圧力が平衡するのを可能にする。
【０１０１】
第２の流体１２’、この実施形態では懸濁液と移動体１０’との密度を高くすることで、システムの全容積が縮小され、ひいては、穴１１０’に必要とされる深さが短縮されるのが好ましい。こうして、そのような穴１１０’の掘削およびシステム１００’全体がより経済的になる。
【０１０２】
第２の流体１２’の例には、オイル中に浮遊する金属粉末を含む懸濁混合物がある。金属粉末には、通常、圧力を加えることで圧縮され、互いに結合して個体を形成している金属粒子が含まれる。適切な懸濁液の例では、オイル（外相）および鉄粉（内相）が使用される。そのような懸濁液は、約２８００ｋｇ／ｍ３の密度を有する。
【０１０３】
以下において、第２の流体１２’を示す任意の表現は、オイルおよび金属粉末を含む懸濁液を意味する。
【０１０４】
混合物が静止した状態でそのままに置かれた場合、その特質から、オイル中に浮遊した金属粉末は沈殿する（分離する）。したがって、金属粉末がオイル中に浮遊する状態を維持するために、システム１００’は、金属粉末の沈殿／分離が起こらないように懸濁液１２’を撹拌する撹拌手段を含む。
【０１０５】
懸濁液１２’は、それに限定するものではないが、以下のものを含む様々な方法で撹拌または混合することができる。
【０１０６】
移動体１０’が穴１１０’内を移動する、エネルギ貯蔵システム１００’の充填および放出時に、部分的に、または全体的に撹拌することができる。
【０１０７】
懸濁液１２’は、移動体１０‘と穴１１０’との間に画定された環状領域、および隣接する移動体１０’間の任意のギャップを満たす。したがって、撹拌は、移動体１０’が穴壁１１０’に対して移動した結果として起こり、その理由は、懸濁液１２’と、穴壁１１０’および移動体１０’によって形成された固体面との間の剪断力が、懸濁液１２’を連続撹拌する手段となるからである。
【０１０８】
あるいは、ポンプ装置（図示せず）を使用して懸濁液１２’を循環させるなど、外部源によって撹拌することができる。混合装置を使用して、金属粉末が沈殿しないように、例えば、保持タンク１１’内で懸濁液１２’をかき混ぜる／撹拌することができる。
【０１０９】
金属粉末が、例えば、鉄粉を含む場合、懸濁液がシステム１００’を移動するときに、磁気システムを使用して、懸濁液１２’を撹拌することができる。磁気源を使用する例には、移動体１０’または穴ケーシング１７’に巻き付けられたコイルに電流を流すものがあり得る。コイルを通り抜ける磁気パルスは、金属粉末の鉄元素を引き付けるのに有効であり、それによって、懸濁液１２’を撹拌し、オイル中の金属粉末の分散を維持することができる。
【０１１０】
あるいは、システム１００’内で回転または移動可能な永久磁石装置によって磁界を発生させることができる。
【０１１１】
システム１００’内でランナ流体５’および懸濁液１２’を使用することで、移動体１０’が実質的に最小限の摩擦で穴１１０’を移動するのが容易になる。最小限の摩擦損失で、実質的に骨を折ることなく移動体を移動させることについては、図１０、図１１、および図１２を参照して下記にさらに説明する。
【０１１２】
ランナ流体５’は、オイルまたは水のいずれかとすることができる。この特定の実施形態では、ランナ流体５’は水である。図示した実施形態では、境界領域は、主封止アセンブリ１９’、２７’の下の比較的短いオイル２１’の柱と、ランナ流体５’（水）と懸濁液１２’との間の直接接触を回避するように機能する補助封止アセンブリ２３’（図７および図８を参照のこと）とを含む。したがって、オイル２１’は、主封止アセンブリ１９’、２７’と補助封止アセンブリ２３’との間に閉じ込められている。
【０１１３】
図７および図８に示すシステム１００’は、エネルギを放出および充填するときに、それぞれ移動体１０’が穴１１０に入る、および穴１１０から出ることができる構成を示している。図７は、移動体１０’が適切な容器９’から放出され、穴１１０’内の領域を占有している放出済みのシステムを示している。図８は、移動体１０’が、主に、地表に配置された容器９’に収容された充填済みのシステムを示している。
【０１１４】
ポンプ貯蔵システムと同様に、移動体１０’の充填状態への移動は、流体５’を下側部に圧送することで流体圧力を使用して行われ、システムを放出状態にするために重力が利用される。
【０１１５】
図示した例では、水５’は、穴１１０’の上部の地表面における大気圧でタンク４’に貯蔵されている。システム１００’を加圧するために、水５’は、タンク４’から穴１１０’の底部に向かって圧送される。穴１１０’は、Ｕ字管構成をなすように構成され、Ｕ字管構成については、図９ａを参照して下記にさらに説明する。圧力差が生じて、封止アセンブリ１９’、２７’（図７および図８を参照のこと）の上側面に作用する懸濁液１２’を押して、システムから別のタンク１１’に放出するように働く。システム１００’内の懸濁液１２’の高さは、制御システム１４’、１５’を使用して知能制御され、制御システム１４’、１５’は、封止要素２７’（図１０、図１１、および図１２を参照のこと）に作用する圧力が、実質的に平衡するように、システム１００’内の懸濁液１２’の高さを維持するために、適切なポンプおよび配管システム１４を含む。
【０１１６】
充填時、ポンプ装置（図示せず）は、タンク４’から水５’を吸い込んで、水５’を加圧し、水５’をＵ字管構成に注入する。加圧された水５’は、円筒状の封止アセンブリ１９’、２７’の裏のオイル圧力が、移動体１０’を貯蔵領域９’に向かって地表面まで押すように、閉じ込められた境界オイル２１’を加圧する。
【０１１７】
図示したシステム１００’は、配電網１’（高圧電力伝送網）および１つまたは複数の風力タービン２’への接続器を含む。
【０１１８】
前の実施形態と同様に、システム１００’から発生するエネルギは機械エネルギであり、この機械エネルギは取り込まれ、有用な電気エネルギに変換される。プロセスのこのステップは、当業者に公知の適切な変電／変換要素を使用して行われ、図７および図８に参照数字３’、７’で示されている。
【０１１９】
図９ａは、図７および図８を参照して上記に説明され、前の実施形態の図３ａに類似した掘削穴１１０’の平面断面図を示し、同じ部分はこれ以上説明されない。
【０１２０】
図示した実施形態では、移動体１０’は、穴１１０’の内径よりも小さい直径（例えば、５％〜１０％小さい）を有する。当然ながら、移動体１０の直径は、穴１１０内での詰まりの危険性を最小限にするためにより小さくなっている。
【０１２１】
移動体の長さは、穴１１０’の寸法に基づいて決めることもできる。
【０１２２】
ランナ流体としての水５’をタンク４’からＵ字管構成に圧送して、移動体１０’を収容した穴１１０’によって画定される柱を加圧することができる。これにより、懸濁液１２’が穴１１０’から外に移動して、地表にある容器１１’に貯蔵される。水５’の圧送は、移動体１０’のすべてが移動し、懸濁液１２’のすべてがその容器１１’に貯蔵されるまで続けることができる。システムは、上記以外に、前の実施形態で説明した態様で機能することができる。図７および図８に示すエネルギ貯蔵システムは、封止問題を解決し、封止材２７’と、移動体１０’と、穴１１０’の壁との間の摩擦作用を最小限にするために、流体対流体機構を使用している。この構成は、図１０、図１１、および図１２に示され、これらの図を参照して説明される。
【０１２３】
図１０、図１１、および図１２はそれぞれ、ランナ流体５’および懸濁液１２’の境界領域付近の圧力分布を示している。図１０では、システム１００’は静止しており、移動体１０’は封止アセンブリ１９’、２７’に隣接して示され、封止アセンブリ１９’、２７’は移動体１０’を支持し、さらに、ランナ流体５’または閉じ込められたオイルを懸濁液１２’から分離する封止要素２７’を含む。
【０１２４】
封止要素２７’の機能は、第１の流体５’および第２の流体１２’を分離した状態に保ち、ひいては、流体５’、１２’の混合を防止して、封止要素２７’近辺の圧力差を最小に維持することである。封止要素２７’は、２つの流体の境界として働き、したがって、２つの流体５’、１２’が対向する領域に圧力差はほとんどなく、封止材２７にかかる負荷もほとんどない。矢印２９’は、移動体１０’が静止しているときの圧力分布を示している。封止要素２７’の両面の圧力分布は平衡している。
【０１２５】
システムを満たす、またはシステムから放出するために封止アセンブリ１９’、２７’が移動する場合、封止アセンブリ１９’、２７’の両側の圧力は異なる。しかし、この圧力差は、封止材支持体１９の中央領域に限定され、穴１１０’の壁との境界に近い封止材２７’の外縁部での圧力差は、下記に説明するように、第２の流体１２’の流体圧力を調整することでより小さくなる、または最小限になる。この方法では、封止材２７’は、大きな摩擦損失を引き起こし、かつ費用がかかるような完全性である必要はない。
【０１２６】
懸濁液１２’および移動体１０’は個別に挙動する。懸濁液１２’内の圧力は液頭で決まり、したがって、懸濁液１２’が、比較的小さい液頭（液柱高さ）を有して、移動体１０’よりも密度が高い場合、懸濁液１２’は、穴１１０’の底部で移動体１０’の柱と実質的に同じ圧力であり得る。したがって、穴１１０’は、懸濁液１２’で満杯にする必要はない。
【０１２７】
システム１４’、１５’（図７および図８を参照のこと）は、懸濁液１２’の高さを制御し、結果として、封止アセンブリ１９’、２７’近辺の懸濁液１２’の圧力も制御する。システム１４’、１５’は、ポンプ、測定機器、および制御機器を含む。システム１４’、１５’の機能は、封止面の圧力が適切なレベルであるように、穴１１０’内の懸濁液の量／高さを維持するために、懸濁液１２’を供給する、または取り出すことである。
【０１２８】
封止アセンブリ１９’、２７’が占有する表面領域は、片側をランナ流体５’で完全に覆われるが、反対の側では、封止アセンブリ１９’、２７’の表面領域は、移動体１０’との接触と懸濁液１２’との接触とに分割され、移動体１０’は、封止領域１９’のほとんどを覆い、残りの領域は、懸濁液１２’で覆われる。
【０１２９】
図１１および図１２は、それぞれシステム１００’が充填および放出している間の圧力分布５４’、５６’を示している。
【０１３０】
図１１では、移動体１０’に作用するランナ流体圧力５４’は、システムが充填しつつある間に高くなり、移動体１０’と、懸濁液１２’と、穴１１０’内での移動による摩擦作用３１’とで生じる圧力よりも高い。懸濁液１２’により移動体１０’に作用する流体圧力は、移動体によって加えられる圧力５６’よりも高い。したがって、懸濁液１２’の高さは、両方の流体で覆われた封止要素２７’のまわりの圧力が実質的に平衡するように、制御システム１４’、１５’（図７および図８を参照のこと）によって調整される。
【０１３１】
図１２では、システムは、重力による放出状態（エネルギの解放）で示されている。移動体１０’に作用するランナ流体圧力５４’と摩擦作用３１’とを組み合わせたものは、移動体１０’および懸濁液１２’による圧力よりも小さく、そのため、穴１１０’内で移動体の下方への移動が起こる。したがって、懸濁液１２’の高さは、両方の流体で覆われた封止要素２７’のまわりの圧力が実質的に平衡するように、制御システム１４’、１５’（図７および図８を参照のこと）によって調整される。
【０１３２】
封止要素２７’は、エネルギ貯蔵システム１００’の流体要素５’、１２’を分離するのに有効であるが、封止材を穴１１０’の壁に積極的に押し当てるようにすることを必要とされない。したがって、充填および放出中の封止要素２７’の摩擦作用３１’は実質的にない。そのようにして、本発明の第２の実施形態は、上記に説明した第１の実施形態と同様に、流体−流体油圧機構を利用して、摩擦に関する問題を解決し、ひいては、封止問題によるエネルギ損失も解決する。第２の流体１２’の圧力液頭は、エネルギ貯蔵および回生システム１００’が、可能な限り効率的に動作するように、制御システム１４’、１５’（図７および図８を参照のこと）によって制御される。
【０１３３】
図１０、図１１、および図１２に示す実施形態から明らかなように、封止アセンブリ１９’、２７’は、一方の面でランナ流体５’にさらされ、反対の面で、一部が移動体１０’にさらされ、一部（封止要素）が懸濁液１２’にさらされている。封止要素２７’は、一方の面でランナ流体５’（水）に、反対の面で懸濁液１２’にだけさらされるように配置されている。封止要素２７’は、境界圧力をかけられ、これは、２つの不溶性流体が接触する状況と比較することができる。したがって、封止要素２７’は、実質的に負荷がかからない。
【０１３４】
封止要素２７’で得られる平衡状態は、オイルおよび水銀などの密度が異なる２つの不溶性液体がＵ字管に注入される例で示すことができる。平衡状態では、境界圧力は、オイルおよび水銀の両方で等しい。
【０１３５】
流体の直接接触および万一の混合汚染を回避するために、ゴム要素を使用して２つの流体を分離することができる。圧力はゴム要素の両面で等しいので、いずれの流体も他方の側に漏れないと分かる。ゴム要素は、流体の混合を回避するためのセパレータとしてのみ機能する。この原理が、図１０、図１１、および図１２を参照して上記に説明したエネルギシステム１００’に適用されている。
【０１３６】
上記のように、図示した実施形態は、システム内の流体５’、１２’として、水と、オイル中に金属粉末がある懸濁液とを使用する。あるいは、ランナ流体５’はオイルとすることができる。オイルおよび金属粉末を含む懸濁液１２’は、移動体１０’を移動させ、封止要素２７’において圧力を平衡させる所望の密度を有する流体を提供するように選択された。
【０１３７】
懸濁液１２’は、封止要素２７’において、ランナ流体５’と圧力が平衡するのに必要とされる物理特性を有する流体を提供する。適切な懸濁液の例には、オイルと混合した鉄粉またはオイルと混合した鉛粉がある。
【０１３８】
図１３ａおよび図１３ｂは、スーパーマーケットまたはショッピングセンタにエネルギを供給するのに適用された、上記に説明したエネルギ貯蔵および回生システムの応用例を示している。
【０１３９】
英国には、それぞれ３００ｋＷの平均エネルギを消費する約６０００軒のスーパーマーケットおよびスーパーストアがある。ストアのすべてが、本発明の実施形態によるエネルギ貯蔵システムに接続された場合、ピーク需要は、約１８００ＭＷほど減少し得る。
【０１４０】
単一のエネルギ貯蔵システム２００’は、ビジネスまたはショッピングセンタ２１０’のエネルギ貯蔵および送達要求を賄うのに十分である。図示したエネルギ貯蔵システム２００’では、移動体１０’は、常に穴１１０’内に残る。そのようなシステムは、移動体が穴１１０’から出される上記のシステムの最大潜在容量の半分を使用する。
【０１４１】
図１３ａおよび図１３ｂに示すシステムでは、ランナ流体５’は一定の圧力を維持し、このシステムは、単純なエネルギ変換システムを必要とし、運転コストが安く、地上にさらなる貯蔵空間を必要としない。
【０１４２】
システム２００’は、充填（エネルギの貯蔵）時に穴１１０’から水５’を抽出し、水５’を加圧し、水５’を油圧Ｕ字管機構２３０’に注入するように動作する。水は、閉じ込められた境界オイル２２０’を加圧する。円筒状封止材１９０’の裏のオイル圧力は、穴１１０’の中で移動体１０’を押し上げる。
【０１４３】
エネルギ回生が必要とされる場合、移動体１０’は解放され、穴１１０’を下方に移動し、水５’を能動的に押し戻してモータまたはタービンに通す。モータまたはタービンは、ショッピングセンタまたはストア２１０’に電気を供給するために、発電機３００’を作動させる。
【０１４４】
このシステムは、穴１１０’の上部に閉じ込められたオイル７０’の柱を必要とする。封止要素９０’は、移動体１０’からランナ流体５’を分離している。
【０１４５】
図示した実施形態では、ランナ流体は水５’であり、したがって、穴１１０’内の懸濁液１２’の高さを制御する制御システム１４０、１５０が必要とされる。図示した実施形態では、穴１１０’内の懸濁液１２’の高さを制御するように動作する可動制御システム１５０’も、穴１１０’内で移動体１０’の上に配置されている。両方の実施形態に共通なものは上記に説明した。
【０１４６】
エネルギ変換システムは、エネルギを貯蔵する（電気エネルギを機械ポテンシャルエネルギに変換する）電気モータ−油圧ポンプの組み合わせと、エネルギを具現化する（ポテンシャルエネルギを電気エネルギに変換する）油圧モータ−発電機の組み合わせとを含むことができる。油圧ポンプおよび油圧モータは同様な動作特性を有する。電気モータおよび発電機は同様な動作特性を有する。これらの組み合わせが切り換え可能に設計された場合、単一の油圧−電気システムは、エネルギの貯蔵およびエネルギの生成を容易にすることができる。そのような構成は、本発明によるシステムの全体コストを効果的に下げることができる。
【０１４７】
本発明によるエネルギ貯蔵システムは、電気接続を介して既存の風力タービンまたは風力タービン基地を直接使用することができる。したがって、タービンによって発生した余分な電気エネルギは、エネルギ貯蔵システム１００、１００’を充填状態にするのに使用することができる。同様に、電気に対する過度な需要がある場合に、エネルギ貯蔵システムは、電気を発生させるように動作して、電気を配電網に送る。この例では、エネルギ変換には、機械（風力）から電気（タービン発電機）への変換、電気から機械（エネルギ貯蔵プロセス）、および最後に機械から電気（エネルギ発生プロセス）が必要である。エネルギ損失は、様々なステップに伴って発生することがある。しかし、エネルギ貯蔵システムをによる充填および放出時のエネルギ損失は、上記の構成により最小限に維持される。
【０１４８】
上記に言及した電気−機械エネルギ変換システムの例は、現在では業界で公知であり、したがって、適切な変換システムの細説は省いた。
【０１４９】
本発明の中で、そのようなエネルギシステムを風力タービンとともに使用することには、例えば、エネルギ貯蔵システムの一部を形成する油圧ポンプに接続することで、風力エネルギをエネルギ貯蔵システム１００に直接貯蔵することを含めることができる。そのような構成は、機械から電気への上記の第１のステップがなくなり、したがって、エネルギ貯蔵システムおよび風力タービンが、１つの発電機を共有できるので、システム効率を高め、さらにコストを下げると推測される。
【０１５０】
本発明の特定の実施形態が上記に説明されたが、当然のことながら、説明した実施形態とは異なるものも、やはり本発明の範囲に包含される。
【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９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【国際調査報告】
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