(57)【要約】【課題】【解決手段】水力発電プラントは、圧縮空気を提供するように圧縮空気ジェネレーターに接続された風車を用いる。圧縮空気は、水がタービンの中を通過するようにさせ、電力を発生させるために用いられる。水は、再利用され、発電所は、風速が十分でないときにも高圧の空気を発生させてプラントが作動し続けるのを可能にする圧縮空気溜めタンクを有する。発電所は、風力に基づいて連続的に作動されるように設計されている。風がおさまって予備収容量も使い果たされたときは、地域の共用供給者から電力が引かれ得る。発電プラントによって余分な電力が発生されたときは、発電所からの電気は、地域の電気供給者のグリッドに加えられ得る。
2004522046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気を一連の液体貯蔵タンクに供給するために圧縮空気ジェネレーターに接続された複数の風車を具備し、各液体貯蔵タンクは、高圧の液体用出口と、液体用入口と、空気用入口と、空気用出口とを備え、前記各貯蔵タンクの液体用出口は、液体が中を通過するときに電気を発生させるタービンの液体用入口に接続され、このタービンは、液体用出口と電力出力口とを有し、このタービンの液体用出口は、リサイクルラインに接続され、このリサイクルラインは、前記液体貯蔵タンクの夫々の液体用入口に接続され、また、
前記液体貯蔵タンクへの圧縮空気の移送と分配とを制御して、前記夫々の貯蔵タンクからタービンへの高圧の液体の流れを制御し、タービンの液体用出口から貯蔵タンクの夫々の液体用入口へ向かうリサイクル用の液体を制御するために接続された制御手段を具備し、前記タービンの電力出力口は、パワーラインに接続されている水力発電プラント。
【請求項２】
前記各圧縮空気ジェネレーターは、圧縮空気ジェネレーターによって発生された圧縮空気を乾燥させるエアドライヤを有する請求項１の水力発電プラント。
【請求項３】
風速が発電プラントを作動させるのに十分でないときに使用する高圧の空気を蓄えておくための高圧の空気溜めシステムが設けられ、この空気溜めシステムは、空気用入口と空気用出口とを有し、前記制御手段は、この空気溜めシステムから、及びこの空気溜めシステムへの高圧の空気の流れを制御するために接続されている請求項２の水力発電プラント。
【請求項４】
前記液体は、水であるか、主として水である請求項３の水力発電プラント。
【請求項５】
前記高圧の空気溜めシステムは、高圧の空気溜めタンク、地下の空洞部、塩空洞部、生石灰空洞部及び石灰岩空洞部のグループから選択された、高圧の空気を通さないコンテナである請求項４の水力発電プラント。
【請求項６】
前記各液体貯蔵タンクは、第１の貯蔵タンクと、第２の貯蔵タンクとから成り、第１の貯蔵タンクは、空気用入口と、空気用出口と、液体用入口と、液体用出口とを有し、この液体用出口は、第２の貯蔵タンクの液体用入口に接続され、第２の貯蔵タンクは、液体用入口に加えて液体用出口を有し、また、第１の貯蔵タンクは、第１の貯蔵タンクを出た液体が第２の貯蔵タンクに入るように第２の貯蔵タンクに接続され、常に少なくとも最少限の液体を中に有しており、第２の貯蔵タンクは、第１の貯蔵タンクのいずれかからの空気が第２の貯蔵タンクに入るのを防止するように、常に液体で満たされている請求項３の水力発電プラント。
【請求項７】
前記タービンの液体用入口の中へ流れる液体の気圧は、ほぼ一定の高さに維持される請求項５の水力発電プラント。
【請求項８】
６０サイクルの電気を発生させるように、前記タービンをほぼ一定の速度で回転させる制御手段が設けられている請求項５の水力発電プラント。
【請求項９】
前記制御手段は、液体貯蔵タンクへの圧縮空気の移送及び分配を制御するために接続された第１のコントローラー、液体貯蔵タンクからタービンへの高圧の液体の流れを制御するために接続された第２のコントローラー、タービンの液体用出口から貯蔵タンクの液体用入口へ向かうリサイクル用の液体を制御するために接続された第３のコントローラー、タービンの電力出力口からパワーラインへ電気を送ることを制御するために接続された第４のコントローラー及び前記第１、第２、第３及び第４のコントローラーを制御するために接続された第５のコントローラーを有する請求項５の水力発電プラント。
【請求項１０】
前記制御手段は、連続した実質的に空の液体貯蔵タンクの各々に接続され、液体貯蔵タンク内の空気がタービンの中に入らないように実質的に空の液体貯蔵タンクの各々の内に最少限の液体を残すようにする請求項１の水力発電プラント。
【請求項１１】
前記タービンは、ペルトン水車である請求項３の水力発電プラント。
【請求項１２】
前記タービンの液体用入口の中へ流れる液体の気圧は、ほぼ一定の高さに維持される請求項１、２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項１３】
６０サイクルの電気を発生させるために前記タービンをほぼ一定の速度で回転させる制御手段が設けられている請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項１４】
前記制御手段は、液体貯蔵タンクへの圧縮空気の移送と分配とを制御するように接続された第１のコントローラー、液体貯蔵タンクからタービンへの高圧の液体の流れを制御するように接続された第２のコントローラー、タービンの液体用出口から貯蔵タンクの液体用入口へ向かうリサイクル用の液体を制御するために接続された第３のコントローラー、タービンの電力出力口からパワーラインへ電気を送ることを制御するように接続された第４のコントローラー及び前記第１、第２、第３及び第４のコントローラーを制御するように接続された第５のコントローラーを有する請求項５の水力発電プラント。
【請求項１５】
高圧の空気によってタービンの液体用出口から液体貯蔵タンクへとリサイクル用の液体を戻す手段が設けられている請求項１の水力発電プラント。
【請求項１６】
タービンから液体が戻される前に実質的に空の液体貯蔵タンクから高圧の空気を放出させるための手段が設けられている請求項１５の水力発電プラント。
【請求項１７】
前記液体貯蔵タンクの液体用出口は、複数の弁を有する収集ラインに接続され、前記弁は、タービンの液体用入口に連続的に大量の液体を提供するために前記制御手段に接続されている請求項１の水力発電プラント。
【請求項１８】
前記タービンの液体用入口は、渦の形状の内部チャネルを有する請求項１の水力発電プラント。
【請求項１９】
高圧の空気の圧力が所定の最大値を超えたときに高圧の空気を放出させるために、タービン内に自動空気放出器が設けられている請求項１の水力発電プラント。
【請求項２０】
前記制御手段は、連続した実質的に空の液体貯蔵タンクの各々に接続され、空気がタービンの中にこれの液体用入口から入るのを防止するために実質的に空の液体貯蔵タンクの各々の中に最少限の液体を残すようにする請求項１の水力発電プラント。
【請求項２１】
前記液体貯蔵タンクにリサイクル用の液体を戻した後に、この中に高圧の空気を再び送るための手段が設けられている請求項１６の水力発電プラント。
【請求項２２】
液体用入口から高圧の空気を加えるか放出させるために、前記タービンに気圧コントローラーが設けられている請求項１の水力発電プラント。
【請求項２３】
前記圧縮空気ジェネレーターによって発生される高圧の空気は、ほぼ６、０００psiの圧力を有する請求項３の水力発電プラント。
【請求項２４】
前記パワーラインは、余分な電気がパワーラインからサービスラインへと、もしくは、この逆に、即ち、電気がサービスラインからパワーラインへと流れ得るように電気共用サービスラインに接続されている請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項２５】
前記パワーラインは、パワーラインからサービスラインへ、もしくは、この逆に電気を流すことを可能にする変電コントローラーを介して、電気共用サービスラインに接続されている請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項２６】
前記システム内の液体を補充する手段が設けられている請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項２７】
前記発電プラントによって発生される電力の無駄をなくす請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項２８】
前記液体は、徹底的に再利用され、漏れによる液体のロスによってのみ減少する請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項２９】
前記タービンを通る液体の流れは、小門の開閉によって制御される請求項１の水力発電プラント。
【請求項３０】
前記液体は、水であり、水は、非凝固剤を含む請求項１の水力発電プラント。
【請求項３１】
前記液体は水であり、水は、非凍結剤を含む請求項１の水力発電プラント。
【請求項３２】
前記タービンには一連の羽板が設けられている請求項１の水力発電プラント。
【請求項３３】
前記空気溜めシステムは、各々が空気用入口と空気用出口とを有する複数の空気溜めタンクである請求項３の水力発電プラント。
【請求項３４】
前記空気溜めタンク内の高圧の空気の圧力は、液体がタービンを通過するようにさせるのに必要な気圧よりも実質的に大きい請求項３３の水力発電プラント。
【請求項３５】
前記空気を放出させる手段は、空気を、空気溜めタンクもしくは液体が再補充された貯蔵タンクに放出させるために接続されている請求項１６の水力発電プラント。
【請求項３６】
前記タービンをほぼ一定の速度で回転させる手段が設けられている請求項２、３もしくは４の水力発電プラント。
【請求項３７】
圧縮空気ジェネレーターに接続された複数の風車によって得られる圧縮空気を利用して液体貯蔵タンクを有する水力発電プラントを作動させる方法であって、
前記風車に接続された圧縮空気ジェネレーターを作動させるような風が吹いていないときに圧縮空気を発生させる工程と、この圧縮空気を、液体でほぼ満たされた複数の貯蔵タンク中に導入する工程と、各貯蔵タンクの液体用出口弁を制御して、タービンの液体用入口に接続された出口ラインの中へと高圧の液体を放出させるようにする工程と、液体をタービンの中にこれの液体用入口を通して流し、及び液体用出口を通してこれから外に出し、これによって電気を発生させる工程と、液体をタービンの液体用出口から実質的に空の液体貯蔵タンクの中へとポンピングして戻す工程と、液体貯蔵タンクに高圧の空気を再補充する工程と、タービンの中にこれの入口から液体を再補充する工程を繰り返す工程と、タービンの液体用出口から液体を放出させる工程と、液体貯蔵タンクを再補充する工程と、タービンによって発生された電気がパワーラインに流れるようにする工程とを具備する方法。
【請求項３８】
水力発電プラントが高圧の空気溜めシステムを有する請求項３７の方法であって、風が吹いているときに風車によって発生された余分な圧縮空気を、前記システムを作動させるのに十分な風速の風が吹いていないときに利用するために、空気溜めシステムの中に蓄える工程を具備する方法。
【請求項３９】
前記空気溜めシステムは、複数の高圧の空気溜めタンク、１つ以上の地下空洞部、塩空洞部、石灰空洞部もしくは石灰岩空洞部である請求項３８の方法。
【請求項４０】
前記各液体貯蔵タンクは、第１の液体貯蔵タンクと第２の液体貯蔵タンクとを有し、第１の液体貯蔵タンクと第２の液体貯蔵タンクとの各セットは、第１の貯蔵タンクから流れ出る液体が第２の貯蔵タンクへ、続いて、第２の貯蔵タンクから出てタービンへと流れるように接続され、そして、第１の貯蔵タンクは、第２の貯蔵タンク中へと水をあけて実質的に空になり、最少限の液体だけを常に保持し、第２の貯蔵タンクは、常に液体で満たされているように、第１の貯蔵タンク内の液体の量を制御する工程を具備する請求項３７の方法。
【請求項４１】
前記液体は、水であるか、主として水である請求項３７、３８もしくは３９の方法。
【請求項４２】
前記液体は、水であるか、主として水である請求項４０の方法。
【請求項４３】
前記各圧縮空気ジェネレーターは、エアドライヤを有しており、空気ジェネレーターによって発生された圧縮空気を乾燥させる工程を具備する請求項３７の方法。
【請求項４４】
風速が発電プラントを作動させるのに十分でないときに使用するための高圧の空気を蓄える高圧の空気溜めシステムが設けられ、この空気溜めシステムは、空気用入口と、空気用出口とを有しており、風車によって発生された余分な圧縮空気を高圧の空気溜めシステム内に蓄える工程と、高圧の空気溜めシステムから、及びこの中へと流れる空気を制御する工程と、高圧の空気溜めシステムからの空気を利用して液体で満たされた貯蔵タンク内に圧力を発生させる工程とを具備する請求項４３の方法。
【請求項４５】
所定の最少限の液体だけ残してほぼ空にされた前記液体貯蔵タンクから空気溜めタンクの中へと圧縮空気を放出させる工程と、このように貯蔵タンクから圧縮空気を放出させた後にタービンの液体用出口から実質的に空の貯蔵タンクへと液体を戻して再利用する工程と、液体で満たされた貯蔵タンクに高圧の空気を再び補充する工程と、空気溜めシステムからの高圧の空気を、もしくは、風車によって発生された高圧の空気を、貯蔵タンク内の気圧に加える工程とを具備する請求項４４の方法。
【請求項４６】
前記タービンの液体用入口を通る気圧を制御する工程を具備する請求項４５の方法。
【請求項４７】
前記タービンをほぼ一定の速度に制御し、タービンから６０サイクルの電気を発生させる工程を具備する請求項４６の方法。
【請求項４８】
前記タービンをほぼ一定の速度で作動させる工程を具備する請求項３７の方法。
【請求項４９】
前記液体は水である請求項４３、４４もしくは４５の方法。
【請求項５０】
前記液体は水である請求項４６、４７もしくは４８の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力で作動される水力発電プラント及びこれの作動方法、特に、風力によって発生された高圧の空気によって水がタービンの中を通るようにされる水力発電プラント及びこれの作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮空気を発生させるために圧縮空気ジェネレーターに接続された風車を有することが知られている。また、風が止んでいるときに電気を発生させるバックアップとして、バッテリーパックを用いて電気を発生させるために用いられる風車を有することも知られている。バッテリーパックは、風車に接続された電気ジェネレーターによって充電される。風が吹き止むと、バッテリーパックは、瞬時に電力を使い果たす。また、バッテリーパック内のバッテリーが充電され、複数回放電されると、バッテリーは、多額の費用をかけて交換されなくてはならない。風車は、風車に直接接続された電気ジェネレーターを有することによって、簡単に電気を発生させることができる。しかし、電気ジェネレーターに接続された風車は、風車の速度が変わることから、常に６０サイクルの電気を発生させることができない。６０サイクルの電気を有さないので、従来の風車／電気システムは、電気共用グリッドシステムに接続されることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電気ジェネレーターを介して電気を発生させる現在の風車システムは、欠点を有する。それは、風が止んでいるときは風車によって電気を発生させ得ないことである。更に、既存の風車システムは、風が吹いているときに発生された十分なエネルギーを蓄えておくことができず、従って、こうしたエネルギーを、風が止んでいるときに電気を発生させるために使用できない。また、バッテリーパックは、非常に高価で、十分な長い時間にわたってエネルギーを蓄えておくことができない。また、バッテリーパックは、再補充できず、交換が必要になる。
【０００４】
本発明の目的は、電気を発生させるエネルギーを得るために風車を利用する水力発電プラントを提供することである。本発明の更なる目的は、風が止んでいるときに電気を発生させるための溜め部を有する水力発電プラントを提供することである。本発明の更なる目的は、風力に基づいて水力発電プラントを作動させ、また、風が止んでいるときに使用できるように、風が吹いているときに発生された余分なエネルギーを蓄える方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
水力発電プラントは、圧縮空気を一連の液体貯蔵タンクに供給するために圧縮空気ジェネレーターに接続された複数の風車を具備している。各液体貯蔵タンクは、高圧の液体用出口と、液体用入口と、空気用入口と、空気用出口とを有する。各貯蔵タンクの液体用出口は、液体が中を通過するときに電気を発生させるタービンの液体用入口に接続されている。このタービンは、液体用出口と電力出力口とを有する。このタービンの液体用出口は、リサイクルラインに接続され、このリサイクルラインは、前記液体貯蔵タンクの夫々の液体用入口に接続されている。制御手段が、液体貯蔵タンクへの圧縮空気の移送と分配とを制御して、前記夫々の貯蔵タンクからタービンへの高圧の液体の流れを制御し、タービンの液体用出口から貯蔵タンクの夫々の液体用入口へ向かうリサイクル用の液体を制御するために接続されている。タービンの電力出力口は、パワーラインに接続されている。
【０００６】
好ましくは、発電プラントは、発電プラントを作動させるのに十分でないときに使用する高圧の空気を蓄えておくための高圧の空気溜めシステムを有する。この空気溜めシステムは、空気用入口と空気用出口とを有する。制御手段は、プラントを作動させるほど十分に風が吹いていないときに電気を発生させる。
【０００７】
圧縮空気ジェネレーターに接続された複数の風車によって得られる圧縮空気を利用して液体貯蔵タンクを有する水力発電プラントを作動させる方法は、
前記風車に接続された圧縮空気ジェネレーターを作動させるような風が吹いていないときに圧縮空気を発生させる工程と、この圧縮空気を、液体でほぼ満たされた複数の貯蔵タンク中に導入する工程と、各貯蔵タンクの液体用出口弁を制御して、タービンの液体用入口に接続された出口ラインの中へと高圧の液体を放出させるようにする工程と、液体をタービンの中にこれの液体用入口を通して流し、及び液体用出口を通してこれから外に出し、これによって電気を発生させる工程と、液体をタービンの液体用出口から実質的に空の液体貯蔵タンクの中へとポンピングして戻す工程と、液体貯蔵タンクに高圧の空気を再補充する工程と、タービンの中にこれの入口から液体を再補充する工程を繰り返す工程と、タービンの液体用出口から液体を放出させる工程と、液体貯蔵タンクを再補充する工程と、タービンによって発生された電気がパワーラインに流れるようにする工程とを具備する。
【０００８】
好ましくは、プラントは、高圧の空気溜めシステムを有し、方法は、空気溜めシステム内を風が吹いているときに風車によって発生された余分な圧縮空気を蓄える工程を有する。
【０００９】
好ましくは、パワーラインは、電気共用サービスラインに接続され、電気の流れは、電力プラントがパワーライン内に余分な電気を発生させているときに電気が変電コントローラーを通って電気共用グリッドの中に流れるように、また、発電プラントが十分な電気を発生させていないときに空気溜めシステムから及びこれへの高圧の空気の流れを制御するために電気が接続されるように、変電コントローラーによって制御される。
【００１０】
更に好ましくは、発電プラント内で用いられる水が凍るような機構では、氷結温度を下げるために不凍剤が水に加えられる。また、非凝固剤が水に加えられることも好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１では、複数の風車を表わす風車のアレイが示されている。風車は、夫々に、圧縮空気ジェネレーターに接続されている。圧縮空気ジェネレーターは、気圧制御及び自動分配装置に接続されている。この装置は、高圧の空気溜めシステムに、もしくは、直接に複数の液体貯蔵タンクに、圧縮空気を送る。液体貯蔵タンクは、実質的に水で満たされている（水が凍らないことを確実にするように水に不凍剤を加えなくはならないような非常に寒い天候の時を除いて）。高圧の空気溜めシステムは、一連の空気溜めタンクである。各圧縮空気ジェネレーターは、空気ジェネレーターによって発生された圧縮空気を乾燥させるためにエアドライヤを有している。他のエアドライヤが、必要に応じて、水力発電プラント内に設けられ得る。水が液体貯蔵タンク中に入れられた後、高圧の空気が、高圧の空気溜めシステムから、もしくは、直接に気圧制御及び自動分配装置から、液体貯蔵タンクの上部へと導入される。液体貯蔵タンクは、排水弁を有し、この排水弁が開けられたとき、高圧の空気により発生された圧力によって各液体貯蔵タンクから水が出されて空にされる。好ましくは、各液体貯蔵タンクのための各排水弁は、収集ライン（collector line）に沿って配置されており、弁は、タービンの水用入口に連続的に大量の水を提供するように制御され得る。
【００１２】
自動空気放出器が、タービン内の空気を気圧制御及び自動分配装置へと戻すためにタービンの上部に設けられている。タービンへの供給部は、水がタービンの水用入口からこれの中に入れられるように水を導くことが好ましい。水用入口は、タービンの電気ジェネレーターに水が供給される際の渦の力を利用できるように渦形状の内部チャネルを有していると好ましい。液体貯蔵タンクからの水の供給は、収集ライン内の液体コントローラーによって、各液体貯蔵タンクが連続して空にされるように制御される。
【００１３】
水がタービンを通って流れ、電気を発生させた後、水は、排水口を通ってタービンからリサイクルライン中へと流れ出て、自動液体補充コントローラーへ戻る。液体補充コントローラーは、液体貯蔵タンクが空にされたときと同じ順番でこのタンクへの再補充を調節する。即ち、貯蔵タンクは、空にされた順に、再補充される。再補充する前に、実質的に空にされた貯蔵タンク内に残った所定の高圧の空気が、貯蔵タンクから高圧の空気溜めタンク中へと戻される。液体貯蔵タンクが実質的に水で再び満たされた後、空気溜めシステムから、もしくは、直接に気圧制御及び自動分配装置から高圧の空気が、タンク中の水面へと送られる。このようにしてタンクに水と高圧の空気とが再補充されると、空にされる準備が整う。残りのタンクも、連続して、同様に減圧され、水が再補充され、高圧の空気が再補充される。
【００１４】
この方法によって、タンクが空にされ、圧力下にある水が水力タービンの水用入口へと流れるようにされる。この方法は、繰り返される。タービンによって発生された電力が、タービンから変電コントローラーへ流れる。好ましくは、この変電コントローラーは、電気共用サービスラインに接続されており、発電プラントが需要量を超えた電気を発生させているときに、電気が、このラインを通して変電コントローラーから電気共用グリッドシステム中へと流れるようにされている。代わって、水力発電プラントが電力を発生させていないとき、もしくは、しばらくの間風が十分な速度で吹いていないことから十分な電力を発生させることができないとき、もしくは、水の貯蔵タンクを空にするようにタービン中へと水を送り出すためにシステム内の高圧の空気が全く、もしくは、十分に利用できないときは、電気が、電気グリッドシステムから変電コントローラーを介して電力ラインへと流れ、発電プラントの消費者の需要を満たす。
【００１５】
変電コントローラーは、工場などの電力消費者に接続されている。変電コントローラーは、本発明の水力発電プラントが消費のために十分な電力を発生させていないとき、電気共用サービスライン（もしくは共用グリッドシステム）から電力消費者への電気の流れを制御する。水力発電プラントが、消費者が日々必要とする以上の十分な電力を発生させているとき、変電コントローラーは、電気を、電気共用サービスラインを通して電気共用グリッドシステム（即ち、局地的なパワーシステム、図示されず）の中へ送る。即ち、本発明の水力発電プラントが十分な電力を発生させていないときは、いつでも、本発明の発電プラントの電力消費需要が、局地的なパワーシステムによって満たされる。水力発電プラントによって電力消費者が必要とする以上の電力が発生されたときは、電力が、地域のパワーシステムへ送られる。
【００１６】
本発明の水力発電プラントは、物理的に電力消費者の近くに設置されることができ、よって、サービスを提供して、長距離にわたる電力の変電によって生じる電力のロスをなくすように設計されている。
【００１７】
気圧制御及び自動分配装置は、高圧の空気をタービンに供給するか、所望のレベルに達したら自動的にタービンから高圧の空気を放出させるかするように、タービンに接続されている。タービン内の高圧の空気が、水がタービンを通るようにさせて、電力を発生させる。コントローラーと弁は、１つ以上のコンピュータによって制御されるのが好ましい。
【００１８】
図２には、水力発電プラントの部分の概略的な拡大図が示されている。ここでは、ポンプが水リサイクルライン内に設けられているのを見ることができる。タービン供給部内の空気クッションが２００フートポンドの圧力を維持する。他のタービンは、適当に運転するために多少の圧力が必要となるかもしれない。高性能風車によって動力供給された空気ジェネレーターによって、ほぼ６０００psiの気圧が発生可能であると予測される。高圧の空気溜めシステム内の気圧の圧力は、圧縮されてタービンに水を供給することができる状態の貯蔵タンク内の空気の圧力よりも高い。様々のタイプ及びサイズのタービンが、ペルトン（登録商標）水車と共に使用され得る。タービンは、上部から底部に向けて狭窄にされた供給部を有するのが好ましい。
【００１９】
図３には、圧縮空気ジェネレーターによって発生された圧縮空気の電気制御を表わすフロー図が示されている。更に、タービンからの電力の出力と、工業的な消費者及び電気共用サプライへ出力する分配とが示されている。
【００２０】
図４及び５は、タービンを通って流れる水がフィン（図示されず）を回転させてシャフトを中心にステーターに対してローターを回転させ、これによって、電力を発生させるタービンの斜視図である。タービン中に入った水が、タービンの入口周辺でリング形状に位置された一連の羽板を通る。タービンの中に入る水の量は、必要に応じて小門を開閉することによって調節され得る。操作者は、電荷が様々に変わるような状態においてもタービンが一定の速度で回転することを維持できる。発生される電気の周波数を決定するのは回転速度なので、正確な速度を維持することは重要である。タービンは、長いシャフトによって電気ジェネレーターに連結されている。このジェネレーターは、大きな回転ローターと静止ステーターとから成る。ローターの外側リングは、各々が電磁石として働く一連の銅巻き鉄のセルもしくはポールである。ステーターは、鉄コアのスロット内に配置された一連の垂直方向に向いた銅コイルでできている。ローターが回転すると、これの磁界が、ステーター巻き線内の電流を誘導して、電気を発生させる。これらのタービンの動作は従来と同じなので、詳しく説明しない。ペルトン水車も同様に従来型である。本発明の発電プラント内で用いられるタービンは、水が重力によってタービンの中を通る水力発電プラント（例えばナイアガラの滝の水力発電プラント）のタービンと同じ方法で作動する。
【００２１】
本発明の水力発電プラントでは、水が、重力によってタービンを通って流れず、及び再利用され得ないことから、高圧の空気が水に加圧して、水が水系に沿って流れるようにさせ、重力によって流れる水をシミュレートする。圧力制御することで、水にかかる圧力がほぼ一定に維持されることを確実にする。タービンへの水の流れは、ほぼ一定で、従って、タービンは、ほぼ一定の速度で回転する。このようにして、タービンは作動されて、６０サイクルの電気を発生させ得る。
【００２２】
図６には、本発明の水力発電プラントの単純化された説明と、この発電プラントの作動順序とが示されている。本発明の装置と方法とは、風速が所望のレベルに達していないときのために予備として蓄えられた風によって発生されるエネルギーを利用する。システムの実際のデザインは、多くの変形例を有し、風車／空気ジェネレーターシステムは、予測される消費量よりも３０％多い収容量を発生させることが好ましい。更に、整備上の目的で周期的に停止される時のために、余分な風を蓄えておかなくてはならない。空気溜めタンクは、風がおさまっているときにも、システムが動作を続けて電気を発生させることを可能にする。不凍剤は、流れている水は凍らないことから極単に寒い気候のとき以外は必要ないが、必要に応じて水に加えられる。不凍剤に加えて、非凝固剤もシステム内の水に加えられることが望ましい。少量の水が失われることから、システム中に水を時折補充する手段が必要である。水は、徹底的に再利用され、漏れによるロスによって減少するのみである。発電プラントで発生される電力には無駄がない。液体貯蔵タンクが水を放出して実質的に空にされたとき、タンク内の気圧が、水で満たされたタンクに送られ、できる限り低い逆圧によって、再利用される水が空のタンクを再び満たす。
【００２３】
空気溜めシステムは、図１、２及び６に示された１つもしくは複数の高圧の空気溜めタンクであってよい。空気溜めシステムの容量は、サイズと、この空気溜めシステムが組込まれた発電プラントの動作パラメーターとによって変わる。色々なコンテナが、図７に示された地下の空洞部を含む空気溜めとして適当である。塩空洞部（Salt caverns）、石灰空洞部(calcitic caverns)もしくは石灰岩空洞部(limestorn caverns)が特に望ましいが、高圧の空気を通さない所定の封入スペースでもよいだろう。塩空洞部は、地下の塩水脈内で所望のサイズに形成され得る。地下の空洞部は、コスト面の利点だけでなく、空気溜めシステムが視界から隠されるという審美的な利点も有する。言うまでもなく、発電プラント内で用いられる貯蔵タンクは、水と空気のどちらを貯蔵する場合でも、同様に地下に位置され得る。図７を見ると、地下の空洞部が空気用入口ラインと排気用ラインとを有し得ることが分かる。各ラインは、高圧閉止弁を有し、これによって、空洞部から外に、もしくはこれの中に流れる空気の流れが制御され得る。空洞部は、高圧の空気溜めシステムと同じ方法で発電プラントに接続されている。
【００２４】
図８、９及び１０には、夫々に、３つの第１の液体貯蔵タンク５０の概略的な上面図、側面図及び端面図が示されている。各タンク５０は、２つの液体用入口５６と３つの液体用出口５８だけでなく、高圧の空気用入口５２と高圧の空気用出口５４とを有する。各第１のタンク５０のための２つの液体用入口５６は、図８では異なるサイズで示されているが、同じサイズであるのが好ましく、空気用入口５２よりも大きいとなお望ましい。液体用出口５８は、第２の液体貯蔵タンク６０に接続されている。１つの第１のタンクに対して、１つの第２のタンクが設けられている。第２のタンク６０は、この第２のタンクが接続された第１のタンク５０の下に配置されているのが好ましい。第１のタンク内にまだ十分な量の液体が収容されているときは、第１のタンク内の空気が第２のタンクに到達するのを防止するように、第１のタンク５０から第２のタンク６０への液体の流れが、各第１のタンク５０のための液体用出口５８が閉じられることによって制御される。第１のタンク５０と第２のタンク６０との間の出口ラインに設けられた弁６２は、好ましくは、各弁６２において水の重量が所定の最小まで達したときに自動的に閉じる自動閉止弁である。かくして、弁６２は、所定の空気が弁６２を通って第２のタンク６０へと流れる前に、自動的に閉じる。各第２のタンクは、タービン（図８、９及び１０には図示されていない）への入口ライン６８に接続された液体用出口６６を有する。非常に重要なことは、入口ライン６８からの空気がタービン（図８、９及び１０には図示されていない）に到達するのを防ぐことである。３つの第１のタンク５０が、連続して空にされ、続いて、タービンからの液体で再び満たされる。各第１のタンクが実質的に空であるとき、高圧の空気が、第１のタンクから排気され、第１のタンクは、連続して、リサイクルライン７０を介して再び液体で満たされる。第１のタンクが再び液体で満たされた後、各第１のタンクの中に高圧の空気が再び加えられる。このような方法が繰り返され、タービンが駆動される。第２のタンク６０は、常に液体（例えば水）で満たされた状態にある。２つの弁７２が、図９の各水用入口ライン５６内に示されている。これらの弁の１つは、ラインを閉止することなく弁を修理できるようにするサービス弁である。
【００２５】
本発明の水力発電プラントは、全く、もしくは、十分な電力が発生されないときにも作動し続けるので、本発明の電力発電プラントが余分な電力を発生させたときに共用グリッドに加えられた電力について必要なものと信用とが供給者から受けられたときに、共用ラインから電力が引かれ得るように、既存の水力発電プラントの供給者との間に合意とコネクションとを求めなくてはならない。地域の共用ラインと本発明の電力発電プラントとの間の変電スイッチングは、地域の共用ラインと本発明の水力発電プラントのどちらからパワーを供給されても本発明の発電プラントの消費者の混乱が最少限に抑えられるように、自動的な位相ロックによって自動的に作動するように設定されていなくてはならない。
【００２６】
好ましくは、制御手段は、貯蔵タンクへの圧縮空気の分配を切替え制御するために接続された第１のコントローラーである。第２のコントローラーは、好ましくは、タービンの貯蔵タンクからの高圧の水の流れを制御するために接続されている。第３のコントローラーは、好ましくは、タービンの排水口から貯蔵タンクの水用入口へ向かうリサイクル用の水を制御するために接続されている。第４のコントローラーは、好ましくは、タービンの電力出力口からパワーラインへ向かう電力の変電を制御するために接続されている。第５のコントローラーは、好ましくは、第１、第２、第３及び第４のコントローラーを制御するために接続されている。
【００２７】
水貯蔵タンクの水用出口は、複数の弁を有する収集ラインに接続されている。これら弁は、貯蔵タンクからタービンに向かう高圧の水の流れを制御する制御手段の一部に接続されている。タービン内には、空気の圧力が所定の最大値を超えたときに高圧の空気を放出させるために、自動空気放出器が設けられているのが好ましい。高圧の空気放出器は、タービンへの水の流れを制御する。代わって、タービンの水用入口は、タービンへの水の流れを制御するために高圧の空気を加えるか放出させるために気圧コントローラーを有してもよい。
【００２８】
圧縮空気ジェネレーターに接続された複数の風車によって得られる圧縮空気を利用して水力発電プラントを作動させる方法では、水貯蔵タンクを用いる。この方法は、風が、圧縮空気ジェネレーターに接続された風車を回転させるように十分に強く吹いているときに圧縮空気を作り出すことと、水でほぼ満たされた複数の貯蔵タンクの中に圧縮空気を導入することと、各貯蔵タンクからこれの排水口を通って外に出る水の流れを制御することと、水貯蔵タンクの排水口からタービンの水用入口に接続された収集ラインの中へと高圧の空気を放出させることと、水が水用入口を通ってタービン中に、及びタービンの排水口から外に流れるようにさせ、これによって電気を発生させることと、水をタービンの排水口から実質的に空の貯蔵タンクへと戻して再利用することと、風車によって発生された高圧の空気によって貯蔵タンク内の気圧を補うことと、タービンによって発生された電気がパワーラインの中へと流れるようにすることとを具備する。
【００２９】
本発明の電力発電プラントは、一連の弁と、空気圧縮機と、水が空にされた液体貯蔵タンク内の気圧を下げ、最少限の洗浄及び乾燥によって空気を再利用する真空ポンプとを有する。水は、コストが安くて幅広く使用できるので、タービンを駆動させるのに好ましい液体であるが、また、添加物を有することもできる。コストが安い場合には、他の液体が適していることもある。
【００３０】
本発明の水力発電プラントは、サイズに関して相当に融通が利く。また、夫々１つのタービンを運転する２つ以上の発電プラントが、互いに隣接するように組立てられてもよい。また、本発明に係る１つの発電プラントが、複数のタービンを運転するように設計されてもよい。本発明の水力発電プラントは余分な電力を発生させない。水系が複数の化学添加物を有しているときでも、水系は完全に再利用され、かくして、環境が保護される。本発明に従って設計された発電プラントによって発生されるパワーは、タービンのサイズや風車の数及びサイズなどによって様々であるが、２５０、０００キロワット時の電気を発生させるように設計された発電プラントが、様々な応用例に適すると考えられている。貯蔵タンク内の空気の圧力は、水がタービンを通って流れるようにさせるために必要な気圧を相当に超えるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】発電プラントの概略的なフローチャートである。
【図２】発電プラントの部分的な概略図である。
【図３】発電プラントのフローダイアグラムである。
【図４】水力発電タービンの部分的な概略斜視図である。
【図５】タービンのジェネレーターの概略斜視図である。
【図６】発電プラントの単純な概略フローチャートである。
【図７】高圧の空気が蓄えられる地下の空洞部の概略的な側面図である。
【図８】３つの第１の液体貯蔵タンクの上面図である。
【図９】第１の及び第２の液体貯蔵タンクの側面図である。
【図１０】図９の貯蔵タンクの端面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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