(57)【要約】  圧縮流体エネルギ貯蔵システムは、圧縮作動流体が充填され、水体に沈めてバラスト安定させる水中流体格納サブシステムを有しており、当該流体格納サブシステムはドーム状部を閉鎖する実質的に平坦な部分を有する。このシステムはさらに、作動流体を圧縮および膨張させるように配置された圧縮機と膨張機を有する。流体格納サブシステムは少なくとも部分的に可撓性があり、圧縮エネルギ流体を貯蔵するための上部と、バラスト材用の下部を有する。この下部は、バラスト材によって崩壊するのを防ぐために、平坦部に近接して先細になっていてもよい。流体とバラストの間の領域は交換ポートを有し、格納サブシステムの内側と外側の間で水を連通させる。他の実施形態では、開放型底部の流体格納システムは、テンセグリティ構造によってバラストシステムの下側の定位置に保持される。【選択図】図１
2017505096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮流体エネルギ貯蔵システムであって：
ａ．水体に沈めてバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、長手方向に垂直軸に沿って配置される水中流体格納サブシステムであって、ドーム状部を閉鎖する実質的な平坦部を具えている、水中流体格納サブシステムと；
ｂ．前記流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を前記流体格納サブシステムに供給するように構成された圧縮機と；
ｃ．前記流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、
ｉ．圧縮作動流体を前記流体格納サブシステムから受け取り、
ｉｉ．前記圧縮作動流体を膨張させる、
ように構成された膨張機と；
を具え、前記流体格納サブシステムは少なくとも部分的に可撓性であることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムがさらに、前記水体から前記流体格納サブシステムへと水を入れることができ、かつ、前記流体格納サブシステムから前記水体へと水および物質を放出することができるように、前記流体格納サブシステムのシェルに一般に配置される少なくとも１つの交換ポートを具えていることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの交換ポートは、前記流体格納サブシステム内の圧縮エネルギ流体が占めることになる所定の最も下側位置に対応する垂直位置よりも下側で、前記流体格納サブシステムのシェルに配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの交換ポートは、前記流体格納システムが最小容積の作動流体を収容したときに前記平坦部が実質的に垂直の湾曲部を呈する前記垂直軸からの最小径方向距離よりも前記垂直軸に径方向に実質的に近い距離で、前記流体格納サブシステムのシェルに配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記流体格納サブシステムがさらに、前記圧縮機および前記膨張機と流体連通するように前記流体格納サブシステムを配置するよう構成された第１の注入−排出ポートを具えていることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムがさらに、前記流体格納サブシステムの下部の内部に配置されたバラスト材を具えていることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記バラスト材が、前記水体の水底からの堆積物であることを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のシステムがさらに、前記流体格納サブシステムの内側で前記第１の注入−排出ポートに接続され、前記流体格納サブシステム内の前記バラスト材に方向付けられた流水導管を具えており、前記流水導管は、水を利用して前記流体格納サブシステムから交換ポートを通って前記水体へと前記バラスト材を流し出すように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムにおいて、前記流水導管が、前記注入−排出ポートに近接して穴が開けられていることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記注入−排出ポートが前記流体格納サブシステムの垂直頂部に配置され、前記垂直頂部は上方を向いていることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの交換ポートは、前記平坦部が実質的に垂直の湾曲部を呈する前記垂直軸からの最小径方向距離よりも前記垂直軸に径方向に実質的に近い距離で、前記流体格納サブシステムのシェルに配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項２に記載のシステムがさらに、前記流体格納サブシステムを前記水体の水底上またはその付近に沈めるためのバラストサブシステムを具えていることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムがさらに：
ａ．前記水体の水底に載置するよう構成されたバラストサブシステムと；
ｂ．前記流体格納サブシステムに配置された複数の繋留地点と；
ｃ．前記バラストサブシステムを前記複数の繋留地点のうち少なくとも１つに取り付ける少なくとも１つの繋留部と；
を具えており、前記バラストサブシステムの重量は、前記流体格納サブシステムに作用する浮力よりも大きいことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項２に記載のシステムがさらに、前記流体格納サブシステムと、前記圧縮機および膨張機との間の流体連通を提供するように配置された圧縮流体導管を具えていることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記圧縮流体導管が、可撓性、半可撓性、および関節型の何れか１つであることを特徴とすることを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムがさらに、前記圧縮流体導管を少なくとも１カ所で支持し、前記圧縮流体導管をカテナリー形にするように前記水体上に支持部を具えていることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１４に記載のシステムにおいて、更なる圧縮流体導管と更なる水中流体格納サブシステムとを具えており、前記圧縮機と流体連通している前記流体格納サブシステムは、前記更なる圧縮流体導管を介して前記更なる格納サブシステムと流体連通していることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１４に記載のシステムにおいて、前記圧縮流体導管に接続される前記流体格納サブシステムの領域が硬質であることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムにおいて、前記硬質の領域がポリ塩化ビニルを含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記圧縮機および前記膨張機が同一のデバイスであることを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記膨張機が発電機を駆動するように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記流体格納サブシステムの前記ドーム状部が、可撓性の流体貯蔵部であることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のシステムにおいて、前記流体貯蔵部の材料が可撓性膜であることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムにおいて、前記可撓性膜が複合材料を含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムにおいて、前記複合材料が、ポリエチレンマトリックスとガラス繊維とを含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項２６】
請求項２２に記載のシステムにおいて、前記可撓性膜が、ポリウレタン、カーボン、アクリル、アクリレン、ポリエステル、およびガラスの少なくとも１つを含んでいることを特徴とするシステム。
【請求項２７】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記作動流体が、圧縮可能な気体、圧縮可能な液体、および超臨界流体のうち１つ以上であることを特徴とするシステム。
【請求項２８】
請求項２７に記載のシステムにおいて、前記圧縮可能な気体が空気であることを特徴とするシステム。
【請求項２９】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの交換ポートが複数の交換ポートであり、前記複数の交換ポートは、前記流体格納サブシステムを、取付部品を用いて互いに接合するように構成された別個の上側部分と別個の下側部分に分離することを特徴とするシステム。
【請求項３０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記実質的な平坦部が、実質的に円形の平坦部であることを特徴とするシステム。
【請求項３１】
請求項３０に記載のシステムがさらに、前記流体格納サブシステム周囲の前記水体の水底に配置された実質的に連続した防護壁を具えていることを特徴とするシステム。
【請求項３２】
請求項３１に記載のシステムにおいて、前記防護壁がニュージャージーバリアから構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項３３】
水体に沈めて内部に配置されたバラスト材を用いてバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、長手方向に垂直軸に沿って配置される水中流体格納サブシステムであって、ドーム状部を閉鎖する実質的な平坦部を具える、流体格納サブシステムにおいて：
ａ．前記流体格納サブシステムが、前記流体格納サブシステムのシェルに、前記実質的な平坦部から前記垂直軸に沿った距離で配置された少なくとも１つの交換ポートを具え；
ｂ．前記実質的な平坦部に近接している前記ドーム状部が、前記実質的な平坦部の周縁から前記垂直軸に向かって先細部を有している、
ことを特徴とするシステム。
【請求項３４】
請求項３３に記載のシステムにおいて、前記先細部が、前記バラスト材の密度および前記距離に基づいていることを特徴とするシステム。
【請求項３５】
請求項３３に記載のシステムにおいて、前記先細部は、前記流体格納サブシステム内の前記圧縮作動流体の容積が小さい場合に、前記ドーム状部の下部に掛かる前記バラスト材の崩壊作用を打ち消すのに十分大きいものであることを特徴とするシステム。
【請求項３６】
圧縮流体エネルギ貯蔵システムにおいて：
ａ．水体に沈むことができる可撓性の流体格納サブシステムと；
ｂ．前記水体内の沈むことができる前記流体格納サブシステムの上方に配置された別個のバラストシステムと；
ｃ．前記流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を前記流体格納サブシステムに供給するよう構成された圧縮機と；
ｄ．前記流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、
ｉ．圧縮作動流体を前記流体格納サブシステムから受け取り、
ｉｉ．前記圧縮作動流体を膨張させる、
ように構成された膨張機と；
ｅ．前記流体格納サブシステムを前記圧縮機および前記膨張機と流体連通するように配置された流体導管と；
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項３７】
請求項３６に記載のシステムがさらに、前記水体の水底に配置され、前記流体格納サブシステムを封入するテンセグリティ構造を具えており、前記バラストサブシステムは前記テンセグリティ構造上に載っていることを特徴とするシステム。
【請求項３８】
請求項３７に記載のシステムにおいて、前記テンセグリティ構造が六辺形のテンセグリティ構造であることを特徴とするシステム。
【請求項３９】
請求項３８に記載のシステムにおいて、前記テンセグリティ構造が、前記流体格納サブシステムの上面の少なくとも６か所で前記流体格納サブシステムを抑えるように配置されていることを特徴とするシステム。
【請求項４０】
請求項３７に記載のシステムにおいて、
ａ．前記流体格納サブシステムが、前記水体の水底および前記テンセグリティ構造の基部の一方に固定され；
ｂ．前記流体格納サブシステムが底部で開放している、
ことを特徴とするシステム。
【請求項４１】
圧縮流体エネルギ貯蔵部を配備する方法において：
ａ．流体格納サブシステムを、取り付ける圧縮流体導管と共に、バラストまたは圧縮エネルギ流体がない状態で前記流体格納サブシステムの位置に運搬するステップと；
ｂ．自然の浮力を打ち消すのに十分なバラストを用いて、前記流体格納サブシステムを前記位置における水体の水底に下降させるステップと；
ｃ．前記流体格納サブシステムと圧縮機および膨張機との間に前記圧縮流体導管を構成するステップと；
ｄ．スラリーとしてバラスト材を前記流体格納サブシステム内に注入するステップと；
ｅ．前記圧縮流体導管を介して、圧縮エネルギ流体を前記流体格納サブシステムに送り込むステップと；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項４１に記載の方法において、前記流体格納サブシステムを前記水体の水底に下降させるステップは：
ａ．前記水体の水底にバラスト材を配置するステップと；
ｂ．前記流体格納サブシステムを前記水体の水底まで制御して引っ張るステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項４１に記載の方法がさらに、前記水体の水面に残っている前記圧縮流体導管の一部を支持部に取り付けて、前記圧縮流体導管をカテナリー形にするステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は非仮出願であって、２０１４年１月１５日出願の米国仮特許出願第６１／９２７，６３４号の権利を主張するものであり、その開示は全てが参照により本書に援用されている。
【０００２】
本発明は概して、圧縮流体エネルギ貯蔵に関し、より具体的には、水中貯蔵デバイスに圧縮流体を貯蔵する方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
費用対効果が高い電力グリッドの貯蔵は送電サービスの当初から探し求められてきたが、未だに有用ではない。一日を通して、および季節ごとに電力需要は変化するため、一年の一時期しか利用されない発電所を有することが必要となり、最大能力未満で使用される発電所の資本コスト、動作コスト、および保守コストが増加してしまう。さらに、一部の発電所は、短期間で抑制または遮断してフルパワーまで戻すことが難しい。実用的なエネルギ貯蔵法がないことにより、電力グリッドを運営する当事者が直面する課題の大半が生じる。
【０００４】
燃焼している化石燃料からの継続的な二酸化炭素放出は多数の水準で持続不可能であり、原子力には拡散の懸念が存在するという認識の増大に伴い、比較的大量の再生可能エネルギ（ＲＥ）がグリッドに電力を供給するために必要になることが明らかになってきた。水力発電は、貯水池と組み合わせる場合には、変化する電力負荷に適合するようにスロットルアップおよびダウンすることができるＲＥ供給源の１つであり、“負荷追従型”とも呼ばれる。場所は限定されるが、地熱および海洋熱エネルギ変換も優れたベースロード型ＲＥ資源である。しかしながら、太陽光、風力、波力、潮力、および現在のエネルギは全て断続的である。これらの供給源がグリッドのエネルギ供給に実質的に寄与するためには、エネルギの貯蔵が必要となる。
【０００５】
幾つかの主要な貯蔵技術の費用パラメータを大規模のエネルギシステムに関して検討することができる。それぞれの技術は、独自のコストドライバを有している。例えば、揚水発電式は数十年間使用されてきており、多くの場合、標準であるとみなされて、これによって他のグリッドエネルギ貯蔵案を評価する。これは効率的で、貯蔵エネルギを取り込むに当たって燃料を消費しないが、地形の制約を受ける。相当の高度変化と２つの貯水池が一般に必要とされる。北アメリカにおいて実行可能な立地の殆どは既に開発されたと考えられている。その費用にかかわらず、揚水発電式は追加のエネルギ貯蔵容量にそれほど寄与することはできないようである。さらに、電力単位当たりの資本コスト（＄／ｋＷ）の観点では相当の費用が掛かるにもかかわらず、エネルギ単位当たりの資本コスト（＄／ｋＷｈ）が相当低いため、利用可能な場合には広く使用されている。
【０００６】
多くの試みが「従来」の電池に行われているが、そのような試みの殆どは重量が重要なパラメータとなる電気自動車のエネルギ貯蔵に焦点を合わせている。このように、「新たな」電池技術の多くは、実際には、グリッドエネルギ貯蔵システム用に耐えうるよりも極めて費用が掛かる。したがって、このようなハイブリッド電気自動車用の電池は多くの場合、単価当たり相当なパワーを提供することはできるが、エネルギ単位当たりでは非常に費用が掛かる。フロー電池は、化学物質をタンクに貯蔵し、燃料電池と同様のシステムにおいて反応させる新たな技術である。反応物質として使用される極めて珍しい化学物質の費用により、エネルギ単位当たり且つ電力単位当たりのコストは適度に高くなってしまう。
【０００７】
圧縮空気エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）は、既知のエネルギ貯蔵技術にある多くの欠点を克服する魅力的なエネルギ貯蔵技術である。ＣＡＥＳに関する従来の手法は、圧縮機を用いて圧縮空気を地下に貯蔵するものである。このエネルギは、タービンを介して圧縮空気を膨張させることによって採取される。このプロセスにおいて、空気を天然ガスと混合して、タービンを介して燃焼し膨張させる。このシステムは、適度な容積の地下の洞窟または帯水層を利用するために、高い圧力で動作させる。その結果、システムは貯蔵および抽出プロセスの際に一定容積かつ可変圧力で動作することとなり、圧縮機およびタービンシステムは最大の一設定圧力で動作するため、圧縮機およびタービンシステムに余計な費用が生じる。適切な効率を得るためには、空気の圧縮時の加熱および膨張時の冷却もまた、特に注意を必要とする。
【０００８】
従来のＣＡＥＳは、（多くの場合、ガスタービンの排気ガスからの熱を吸収することによって）天然ガスの燃焼を利用して空気を効率的に再加熱する。このようなシステムは時として、２つの別個の圧縮機とタービンを有する。したがって、天然ガスの費用に加えて、多くの資本的経費が掛かる。その結果、購入したオフピーク電力を利用して空気貯蔵槽を充填する場合、発電所は、エネルギ単位当たりの天然ガスの使用が約２分の１となるが、程々に費用が掛かる設備のセットおよび高い燃料コストで電力を生成することになる。
【０００９】
従来の地下型ＣＡＥＳよりもエネルギ効率が高く、コストが低く、反応がよく、地理的に広く普及するグリッドスケールのエネルギ貯蔵を提供する必要性が存在する。
【発明の概要】
【００１０】
第１の態様では、圧縮流体エネルギ貯蔵システムが提供されており、当該システムは、水体に沈めてバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、長手方向に垂直軸に沿って配置される水中流体格納サブシステムであって、ドーム状部を閉鎖する実質的に平坦な部分を具える流体格納システムと；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムに供給するように構成された圧縮機と；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムから受け取ると共に圧縮作動流体を膨張させるよう構成された膨張機と；を具え、流体格納サブシステムは少なくとも一部が可撓性がある。圧縮機および膨張機は同一のデバイスとすることができ、膨張機は発電機を駆動するように配置することができる。作動流体は圧縮可能な気体、圧縮可能な液体、および超臨界流体の１つ以上とすることができ、圧縮可能な気体は空気であってもよい。実質的な平坦部は実質的に円形の平坦部とすることができる。
【００１１】
このシステムはさらに、水を水体から流体格納サブシステム内へと入れることができ、且つ、水および物質を流体格納サブシステムから水体へと放出することができるように、流体格納サブシステムのシェルに一般に配置される少なくとも１つの交換ポートを具えることができる。少なくとも１つの交換ポートは、流体格納サブシステム内に圧縮エネルギ流体が占めることになる所定の最も下側位置に相当する垂直位置よりも下側で流体格納サブシステムのシェルに配置することができる。少なくとも１つの交換ポートは、流体格納システムの使用時に、平坦部が実質的に垂直の湾曲部を呈する垂直軸からの最小径方向距離よりも、垂直軸に径方向に実質的に近い距離で、流体格納サブシステムのシェルに配置することができる。少なくとも１つの交換ポートは複数の交換ポートとすることができ、複数の交換ポートは、流体格納サブシステムを、取付部品を用いて互いに接合するように構成された別個の上側部分と別個の下側部分に分離することができる。
【００１２】
流体格納サブシステムはさらに、圧縮機および膨張機と流体連通するように流体格納サブシステムを配置するよう構成された第１の注入−排出ポートを具えることができる。
【００１３】
流体格納サブシステムはさらに、流体格納サブシステムの下部内部に配置されたバラスト材を具えることができる。バラスト材は水体の水底からの堆積物であってもよい。このシステムはさらに、流体格納サブシステムの内側にある第１の注入−排出ポートに接続され、流体格納サブシステム内のバラスト材に向けられた流水導管を具えることができ、この流水導管は、流体格納サブシステムから交換ポートを通って水体へとバラスト材を流し出すために水を利用するように配置されている。流水導管は、注入−排出ポートの近くに穴が開けられてもよい。注入−排出ポートは流体格納サブシステムの垂直頂部に配置することができ、この垂直頂部は上方を向いている。
【００１４】
このシステムはさらに、流体格納サブシステムと圧縮機および膨張機との間の流体連通を提供するように配置された圧縮流体導管を具えることができる。圧縮流体導管は、可撓性、半可撓性、または関節型とすることができる。このシステムはさらに、圧縮流体導管を少なくとも一カ所で支持して、圧縮流体導管をカテナリー形にするように水体上に支持部を具えることができる。
【００１５】
更なる実施形態では、このシステムは、流体格納サブシステムを水体の水底に、あるいはその付近に沈めるためのバラストサブシステムを具えることができる。このシステムはさらに、水体の水底に載置するよう構成されたバラストサブシステムと；流体格納サブシステムに配置された複数の繋留地点と；バラストサブシステムを複数の繋留地点のうち少なくとも１つに取り付ける少なくとも１つの繋留部と、具えることができ、バラストサブシステムの重量は流体格納サブシステムに作用する浮力よりも大きい。
【００１６】
圧縮流体エネルギ貯蔵システムは、複数の水中流体格納サブシステムを具えることができる。したがって、個々の流体格納サブシステムの段階で、このシステムは更なる圧縮流体導管と更なる水中流体格納サブシステムとを具え、圧縮機と流体連通している流体格納サブシステムは、更なる圧縮流体導管を介して更なる格納サブシステムと流体連通する。圧縮流体導管に接続された流体格納サブシステムの領域は硬質とすることができる。この硬質な領域は、ポリ塩化ビニルまたは他の耐海水材料を含みうる。
【００１７】
圧縮流体エネルギ貯蔵システムはさらに、流体格納サブシステム周囲の水体の水底に配置された実質的に連続した防護壁を具えることができ、この防護壁は、例えばニュージャージーバリアから構成することができる。
【００１８】
流体格納サブシステムのドーム状部は可撓性の流体貯蔵部とすることができ、流体貯蔵部の材料は可撓性膜とすることができる。可撓性膜は複合材料を含むことができる。複合材料は、水体内の流体格納サブシステムと；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムに供給するよう構成された圧縮機と；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、（ｉ）圧縮作動流体を流体格納サブシステムから受け取り、（ｉｉ）圧縮作動流体を膨張させるように構成された膨張機と；流体格納サブシステムを圧縮機および膨張機と流体連通させるように配置された流体導管と、を具えうる。このシステムはさらに、流体格納サブシステムを封入するように配置されたテンセグリティ構造を具えることができ、バラストサブシステムはテンセグリティ構造上に載っている。このテンセグリティ構造は、六辺形のテンセグリティ構造とすることができる。テンセグリティ構造は、流体格納サブシステムの上面の少なくとも６カ所で流体格納サブシステムを抑えるように配置することができる。流体格納サブシステムは底部で開放し、水体の水底またはテンセグリティ構造の基部の何れかに固定することができる。
【００１９】
更なる態様では、圧縮流体エネルギ貯蔵部を配備する方法が、流体格納サブシステムを、取り付ける圧縮流体導管と共に、バラストまたは圧縮エネルギ流体がない状態で流体格納サブシステムの位置に運搬するステップと；自然の浮力を打ち消すのに十分なバラストを用いて、流体格納サブシステムをその位置における水体の水底へと下降させるステップと；流体格納サブシステムと圧縮機および膨張機との間に圧縮流体導管を構成するステップと；水体の水面に残っている圧縮流体導管の一部を支持部に取り付けて、圧縮流体導管をカテナリー形にするステップと；スラリーとしてバラスト材を流体格納サブシステム内に注入するステップと；圧縮流体導管を介して圧縮エネルギ流体を流体格納サブシステムに送り込むステップと、を含む。流体格納サブシステムを水体の水底へと下降させるステップは、水体の水底にバラスト材を配置するステップと；流体格納サブシステムを水体の水底へと制御して引っ張るステップと、を含みうる。
【００２０】
他の態様では、水体に沈めて、内部に配置したバラスト材でバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、水中流体格納サブシステムは長手方向に垂直軸に沿って配置され、この流体格納システムは、ドーム状部を閉鎖する実質的に平坦な部分を具え、（ａ）流体格納サブシステムは、流体格納サブシステムのシェルに実質的な平坦部から垂直軸に沿った距離で配置された少なくとも１つの交換ポートを具えており；（ｂ）実質的な平坦部に近接したドーム状部は、実質的な平坦部の周縁から垂直軸に向かって先細部を有している。この先細部は、バラスト材の密度および上記距離に基づくものとすることができる。先細部は、流体格納サブシステム内の圧縮作動流体の容積が小さい場合に、ドーム状部の下部に掛かるバラスト材の崩壊作用を打ち消すのに十分大きいものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明の上述した特徴および目的、他の特徴および目的、並びにそれらに到達する方法は、添付の図面と併せて本発明の実施形態の以下の記載を参照することによって、一層明らかとなり、本発明自体もより理解されるであろう。
【図１】図１は、圧縮流体エネルギ貯蔵システムを示している。
【図２】図２は、図１の一部をより詳しく示している。
【図３】図３は、圧縮流体エネルギ貯蔵システムを配備する方法の流れ図を示している。
【図４】図４は、圧縮流体エネルギ貯蔵システムの他の実施形態を示している。
【図５】図５は、テンセグリティ構造に基づく圧縮流体エネルギ貯蔵システムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
対応する符号は、幾つかの図面を通して対応する部分を示している。これらの図面は本発明の実施形態を表しているが、図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明をよりよく図示して説明するために、特定の特徴を強調していることがある。流れ図もまた本質的には代表なものであって、本発明の実際の実施形態は、図面に示されていない更なる特徴またはステップを含むことがある。本書に説明された例示は一形態における本発明の実施形態を示すものであり、このような例示は、いかなる方法によっても本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。
【００２３】
以下に開示する実施形態は、以下の詳細な説明において開示した形態そのものに本発明を徹底する、または限定することを意図するものではない。むしろ、これらの実施形態は、当該分野における当業者がその教示を利用することができるように選択し、記載したものである。２０１０年９月２３日出願の米国特許出願第１２／８８８，９７１号は本明細書に関連しており、その開示は本明細書に組み込まれている。以下の米国仮特許出願、すなわち２００９年９月２３日出願の米国仮特許出願第６１／２４５，２７９号；２０１０年３月１日出願の米国仮特許出願第６１／３０９，４１５号；２０１０年７月１４日出願の米国仮特許出願第６１／３６４，３６４号；および２０１０年７月１４日出願の米国仮特許出願第６１／３６４，３６８号は全てが本発明に関連しており、これらの開示は本明細書中に組み込まれている。
【００２４】
用語「流体」は、本明細書において、例えば限定ではないが、空気、ＣＯ２等の超臨界流体を含む圧縮可能な気体または液体を表すために使用されている。本明細書では、頭字語「ＣＡＥＳ」は、圧縮空気エネルギ貯蔵システムだけでなく、より一般的な圧縮流体エネルギ貯蔵システムをも表すために使用されている。用語「水体」は、本明細書において、例えば限定ではないが、重力により有用な静水圧を生じさせるのに十分な深さの海洋、海、湖、貯水池、湾、港、入り江、河、またはその他の人工物あるいは自然物を表すために使用されている。用語「堆積物」とは、本明細書において、水体の水底、床部または底部からの海洋物質を表すために使用され、例えば、砂利、砂、泥砂、粘土、泥、有機物または水体の水底、床部あるいは底部に沈殿した他の物質を含みうる。
【００２５】
本明細書は、第１の実施形態において、図１に図示し、図２に詳しく図示されたような圧縮流体エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）システム１００を提供している。ＣＡＥＳシステム１００は、作動流体を圧縮するための圧縮機１１０と、流体を膨張させるための膨張機１２０とを具え、それにより、膨張機１２０によって駆動される適切な発電機１３０に電力を発生させる。適切な多岐管閉止弁１４０が圧縮機１１０または膨張機１２０の何れかを水体１６０の水底１６２上あるいはその付近に位置する水中流体格納サブシステム１５０と流体連通するようにする、または格納サブシステム１５０と圧縮機１１０および膨張機１２０の双方との間の全ての流体連通を遮断する。格納サブシステム１５０は、水体１６０に沈めてバラスト安定させて、圧縮した作動流体で充填すると、長手方向に垂直軸１７０に沿って配置される。流体格納サブシステム１５０の少なくとも一部は可撓性がある。
【００２６】
圧縮流体は、流体格納サブシステム１５０から発電機１３０へと、または圧縮機１１０から流体格納サブシステム１５０へと、圧縮流体導管１８０と多岐管閉止弁１４０とを介して流れる。当該分野における当業者は、圧縮流体貯蔵器が圧縮作動流体で膨張したときに水面に浮くことがないように、圧縮流体貯蔵器をバラスト安定または固定させる必要があることを理解するであろう。異なる実施形態では、流体格納サブシステム１５０はその容積１５５内のバラスト材によって、または別個のバラストサブシステムによってバラスト安定しており、この双方について以下に詳しく記載する。流体格納サブシステム１５０内の圧縮作動流体の体積は、その内部の流体量の関数として、および水体１６０内の流体格納サブシステム１５０の深さの関数として、ほぼ等圧に貯蔵される。周囲の水の静水圧は圧縮流体に関する支配的な制限パラメータであり、圧縮流体は流体格納サブシステム１５０へと圧縮機１１０、弁１４０、および圧縮流体導管１８０を通して加圧される。圧縮機１１０と膨張機１２０は、水中、または地上、海上、あるいは大気中の水体の外側に配置することができる。
【００２７】
ここで、水体１６０の水底１６２上またはその付近に配置された可撓性の水中流体格納サブシステム１５０について検討する。流体格納サブシステム１５０が可撓性であるという点で、その正確な形状は、製造された形状、水体内での深さおよび関連する静水圧、その容積内の圧縮流体の量、並びに沈めるために如何なるバラスト配置が使用されるか、を含む様々な要因によって決まる。さらには、バラスト重量がどのように、どこに格納サブシステム１５０に適用されるかによる影響を受ける。このように列挙した要因に基づくばらつきにかかわらず、水中に沈んだ流体格納サブシステム１５０は、圧縮作動流体を充填して適切にバラスト安定させた時には、本明細書では「ドーム状部」１５９と称する実質的に放物体、楕円形、または円錐形の部分を閉鎖する実質的に平坦な部分１５１を具えており、このような状況下では、長手方向に垂直軸に沿って配置される。幾つかの実施形態では、平坦部１５１は実質的に円形とすることができる。流体格納サブシステム１５０の内部容積は、ドーム状部１５９の大体の上部に流体貯蔵部１５２を具えている。流体格納サブシステム１５０のシェルは少なくとも部分的に、可撓性膜、例えば、ガラス繊維とポリエチレンマトリックスを含む高分子膜である複合物を具えることができる。考えられる他の頑丈なポリマは、ポリウレタン、カーボン、アクリル、アクリレン、ガラス、ポリエステル等を含む。流体貯蔵部１５２は特に可撓性とすることができる。
【００２８】
用語「シェル」は本書では、流体格納サブシステム１５０の内部容積を水体１６０から分離する、流体格納サブシステム１５０の部分を表すために使用されている。用語「実質的に放物体、楕円形、または円錐形」とは、本明細書において、長軸周りに実質的に回転対称であって、実質的に円錐形状であるか、長軸に沿った断面が放物形に近いか、または長軸を長半径として有する楕円の半球体の一部に近いかの何れかであるドーム状部の中空の三次元形状を表すために使用されている。動作時、ドーム状部１５９は、内部に貯蔵された圧縮作動流体による圧力下で凸状の変形を呈し、その結果、純然たる円錐部の形状からその形状が逸脱することがあることを特に理解されたい。同様に、圧縮作動流体で十分に膨らんでいない場合も変形を呈することがある。
【００２９】
実質的に円形の平坦部は、少なくとも一部が扁平楕円形または扁平放物形であってもよく、底部の大部分にわたって完全に平坦であってもよい。動作時に、実質的に円形の平坦部は、その内部に収容された物質または気体による圧力下で変形を呈することがあることを特に理解されたい。このように、実質的に扁平楕円形または扁平放物形の「円形平坦部」は、その表面の相当の割合にわたって平らとすることができる。
【００３０】
実質的に円形の平坦部１５１は、円形平坦部１５１からドーム状部１５９へと空間が変化し、平坦部１５１とドーム状部１５９の双方といたるところで隣接している移行部１５４によって、ドーム状部１５９に接続されている。
【００３１】
より一般的な実施形態では、流体格納サブシステム１５０は、さらに一般的な回転楕円形、扁平回転楕円形、楕円形、滴状、またはその他の直線形あるいはその他の単に接続された形状を具えうる。
【００３２】
流体格納サブシステム１５０は、流体格納サブシステム１５０のシェルに配置され、水を水体１６０から流体格納サブシステム１５０へと入れられるようにすると共に、水や物質を流体格納サブシステム１５０から外部の水体１６０へと放出できるようにするための少なくとも１つの交換ポート１５６を具えている。流体格納サブシステム１５０が圧縮作動流体で充填されるにつれて、周囲の水よりも密度が低い流体が流体貯蔵部１５２内の空間内に据わり、圧縮作動流体のバブル１５３の下端が更に下方へと延びてくる。圧縮作動流体と周囲の水の間の密度差による垂直圧力は、このプロセスにおいて流体貯蔵部１５２を変形させる。圧縮作動流体のバブルの下端１６６が少なくとも１つの交換ポート１５６にまで達すると、余分な圧縮作動流体が少なくとも１つの交換ポート１５６を通って放出される。図１および２には、複数の交換ポート１５６が図示されている。交換ポート１５６は、流体格納サブシステム１５０内の圧縮エネルギ流体のバブル１５３が占めることになる所定の最も下側位置に相当する垂直位置よりも下側で流体格納サブシステム１５０のシェルに配置することができる。
【００３３】
特に、幾つかの実施形態では、少なくとも１つの交換ポート１５６は、平坦部１５１が実質的に垂直の湾曲部を呈する流体格納サブシステム１５０の垂直軸１７０からｄ１の最小径方向距離よりも、垂直軸１７０に実質的に近いｄ２の距離で、流体格納サブシステム１５０のシェルの径方向に配置することができる。平坦部１５１の湾曲部１５７の地点は図２に図示されている。この特定の配置は、バラスト材によってドーム状部１５９の下部が崩壊するのを防ぎ、ひいては、流体格納サブシステム１５０の可撓性構造が全体として事実上崩壊するのを防ぐ。
【００３４】
ドーム状部１５９に垂直張力が殆どない場合、ドーム状部１５９の下部はバラスト材１５５の圧力下で崩壊する可能性がある。このような状況は、圧縮エネルギ流体のバブル１５３に圧縮エネルギ流体がほとんどない一方、バラスト材１５５の相当の負荷が存在しうる場合、圧縮エネルギ流体をサブシステム１５０内に注入する初期の段階で関係してくることがある。流体格納サブシステム１５０の下部の形状は、このような状況下で崩壊するのを防ぐのに役立つような形状を有している必要がある。
【００３５】
流体貯蔵部１５２内の圧縮エネルギ流体のバブル１５３が最大許容量となると、ドーム状部１５９のシェルの垂直方向の力は大きくなり、サブシステム１５０の下部にあるバラスト材１５５の量は、その力と釣り合ってサブシステム１５０を沈めた状態に維持するのに十分である必要がある。この要件は、サブシステム１５０の下部の範囲内への大量のバラスト材１５５を論じることとなり、その結果、圧縮エネルギ流体の注入がほぼ最小で、バラストがほぼ最大の場合にドーム状部１５９の下部が崩壊する可能性を高めてしまう。これらの検討事項は、ドーム状部１５９の下部の形状の条件を規定する。
【００３６】
過剰な圧縮流体を容器へと導入しても下方のバラスト力を確実に超えないようにするため、交換ポートの位置および容器の上部と下部の形状は、その可能性を排除するように選択される。流体貯蔵部１５２内の圧縮エネルギ流体の高さが変化すると、ドーム状部１５９の垂直張力が変化する。張力の大きな変動は、流体格納サブシステム１５０全体の形状を大きく変化させることができる。より多くのエネルギ貯蔵流体の貯蔵に付随して張力が高くなると湾曲部１５７の地点は垂直軸１７０に向かって移動する傾向があり、それに対応して、地点１５７の径方向外側の流体格納サブシステム１５０のシェルに掛かる下方への力の量が増加する。
【００３７】
サブシステム１５０の下部の側壁の形状は、側壁が流体貯蔵部１５２内の圧縮エネルギ流体の量の関数として実質的に位置が変化するか否かに影響を与えうる。側壁の形状が、交換ポート１５６の下側およびその付近の領域における側壁に掛かる上向きの力が、湾曲部１５７の地点の付近およびその外側の側壁に掛かる下向きの力と同等、あるいはそれよりも大きくなるような形状の場合、容器内の圧縮流体の量に依存することなく、サブシステム１５０の下部について比較的安定した形状を維持することができる。その結果、実質的に空の状態から作動流体でシステムを充填する際に起こるような流体貯蔵部１５２内に少量の圧縮エネルギ流体しかない場合、または作動流体が非常に低いレベルにまで抽出された場合でも、側壁は垂直に崩壊しない。これにより、流体格納サブシステム１５０の上側部分の厳密な形状を著しく自由にすることが可能となる。以上の点から、径方向位置ｄ２が径方向位置ｄ１の実質的に内側となる場合、水よりも密度が高いバラストによって生じる力が、生じうる完全な範囲の圧縮エネルギ流体の高さに対して側壁の略垂直向きを維持する。交換ポート１５６の位置は、流体格納サブシステム１５０内のバラスト材１５５の高さ、ひいては重量に直接的な影響を与える。
【００３８】
平坦部１５１、および少なくとも１つの交換ポート１５６の下側にあるドーム状部１５９の下部は、実質的に内向きに垂直軸１７０へと垂直方向に先細となっていることが見て分かる。先細の程度は、平坦部の上側の少なくとも１つの交換ポート１５６の高さおよびバラスト材１５５の密度に基づいており、流体貯蔵部１５２内の作動流体の容積が小さい場合に、ドーム状部１５９の下部の崩壊に耐えるのに十分となるよう選択される。水中流体格納サブシステム１５０は、水体１６０に沈めて、内部に配置したバラスト材１５５でバラスト安定させて、圧縮作動流体で流体貯蔵部１５２内を充填すると、長手方向に垂直軸１７０に沿って配置され、流体格納システム１５０はドーム状部１５９を閉鎖する実質的に平坦な部分１５１を具えており、（ａ）流体格納サブシステム１５０は、流体格納サブシステム１５０のシェルにおいて、実質的な平坦部１５１から垂直軸１７０に沿った距離に配置された少なくとも１つの交換ポート１５６を具えており；（ｂ）実質的な平坦部１５１に近接するドーム状部１５９が、実質的な平坦部１５１の周縁から垂直軸１７１に向かって先細部を有しており；（ｃ）当該先細部は、バラスト材１５５の密度および上記距離に基づいている。先細部は、流体格納サブシステム内の圧縮作動流体の容積が小さい場合に、ドーム状部の下部のバラスト材の崩壊作用に反する程度に十分大きいものである。
【００３９】
流体格納サブシステム１５０はさらに、圧縮機および膨張機と流体連通するように流体格納サブシステムを配置するよう構成された第１の注入−排出ポート１５８を具えている。特に有用な位置の１つは圧縮エネルギ流体バブル１５３を収容する流体格納サブシステム１５０のドーム状部１５９の垂直頂部１８２であるが、第１の注入−排出ポート１５８は、流体格納サブシステム１５０の様々な位置に配置することができる。
【００４０】
第１の一般的な実施形態では、流体格納サブシステム１５０用のバラストは、流体格納サブシステム１５０内のバラスト材１５５であって、流体格納サブシステム１５０の平坦な底部に載置するバラスト材１５５を含む。このバラスト材１５５は、圧縮流体導管１８０を介して供給することができる。他の実施形態では、バラスト材１５５は別個のバラスト供給導管（図示せず）を介して供給することもできる。バラスト材は、流体格納サブシステム１５０付近の水体１６０の水底１６２からの堆積物であってもよい。このため、水中ポンプ１６４を流体格納サブシステム１５０付近に配置し、堆積物を取り込んで、それを堆積物用導管１６８および圧縮流体導管１８０あるいは別個のバラスト供給導管（図示せず）を介して供給してもよい。適切なバラストがその場所で入手できない場合、違う場所で調達して、陸上の導管で流体格納サブシステム１５０の位置まで運搬し、圧縮流体導管１８０を介して流体格納サブシステム１５０に供給してもよい。堆積物のバラストは、スラリーとして流体格納サブシステム１５０へと送り込むことができる。一実施形態では、迅速かつ連続して充填するために、水中団粒スラリー中の砂などの細かい団粒を送り込むことができる。過剰なバラストのスラリーは、交換ポート１５６を通って流出させる。
【００４１】
格納サブシステム１５０の流体貯蔵部１５２に収容された圧縮流体バブル１５３、および交換ポート１５６の下側の格納サブシステム１５０の部分に実質的に収容されたバラスト材１５５がある場合には、水の層１６８がおおよそ交換ポート１５６に近接して存在することを理解されたい。このことは、格納サブシステム１５０が連続的な閉じた“モノコック”構造ではなく、その代わりに、上部と下部を互いに係合することが可能な取付部材を支える別個の上部と下部とを具える実施形態へとつながる。取付部材間の空間は、図１および図２の交換ポート１５６と同じ機能を果たす。これは、交換ポート１５６の全体的な領域はバラストまたは圧縮エネルギ流体の何れかに対して収容する役割を有しておらず、むしろ、バラスト材１５５と圧縮流体バブル１５３の間の領域において格納サブシステム１５０の内側と外側の静水圧の平衡を助けているという事実によって可能となる。
【００４２】
圧縮流体導管１８０は、可撓性、半可撓性、および関節型の１つ以上とすることができる。ＣＡＥＳシステム１００は、圧縮流体導管１８０を少なくとも一か所で支持して、圧縮流体導管１８０をカテナリー形にするように水体１６０上に支持部１９０を具えることができる。
【００４３】
流体格納サブシステム１５０内の圧縮エネルギ流体のバブル１５３は、更なる圧縮流体導管によって、更なる流体格納サブシステム１５０’内の他の圧縮エネルギ流体バブルに関連付けることができる。これにより、複数の流体格納サブシステム１５０を連続して動作させることが可能となる。代替的に、複数の流体格納サブシステムを圧縮機１１０および膨張機１２０に独立して接続して、複数の流体格納サブシステムを平行して動作させるようにすることもできる。本発明の一実施形態によると、圧縮流体貯蔵システムをモジュール型に構成して、システム全体を遮断する必要なく、システム全体のうち一部をメンテナンスあるいは修理のために一時的に遮断する、または恒久的に閉鎖することができるようにすることも可能である。
【００４４】
流体格納サブシステム１５０はさらに、流体格納サブシステムの内部で第１の注入−排出ポートに接続され、流体格納サブシステム内のバラスト材に向けられた流水導管１８５を具えることができ、この流水導管１８５は、流体格納サブシステムから交換ポート１５６の少なくとも１つを通って水体１６０へとバラスト材１５５を流し出すために水を利用するように配置されている。
【００４５】
更なる態様では、例えば、圧縮流体エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）システム１００を配備する方法は、図３に示すように、流体格納サブシステム１５０を、取り付ける圧縮流体導管１８０と共に、バラストまたは空気がない状態で流体格納サブシステム１５０の位置に運搬するステップ［３１０］と、自然の浮力を打ち消すのに十分なバラストを用いて、流体格納サブシステム１５０を水体１６０の水底１６２へと下降させるステップ［３２０］と、を含む。下降させるステップは、例えば限定ではないが、最初にバラスト材を水体１６０の水底１６２に配置し、次いで、流体格納サブシステム１５０を水体１６０の水底１６２へと制御して引っ張るステップによるステップとすることができる。
【００４６】
圧縮流体導管１８０は、流体格納サブシステム１５０と圧縮機１１０の間に構成されている［３３０］。水体１６０の水面上に残っている圧縮流体導管１８０の一部は支持部１９０に取り付けられて［３４０］、圧縮流体導管１８０をカテナリー形にする。
【００４７】
圧縮流体導管１８０は、例えば沿岸からその水面の距離に沿って、分散するように重みをつけてもよい。代替的に、水面からおよそ中間地点までのホースの前半部の間では、水よりも重くなるようにホースをバラスト安定させて、カテナリー形を形成することができる。このホースの後半部は、延在して、風や海流の変化およびボート／プラットフォームの動きに対して回復しやすいＳ字型が生じる逆さのカテナリーとなるように、およそ中間地点から流体格納サブシステム１５０が配置される海底まで、浮揚性があるものである。
【００４８】
一旦、流体格納サブシステム１５０が水体１６０の底に配備されて構成されると、水中ポンプ１６４を用いて、圧縮流体導管１８０を介して格納サブシステム１５０付近の水体１６０の水底１６２から、あるいは圧縮流体導管１８０を介して地表容器の何れかから、スラリーとしてバラストが流体格納サブシステム１５０内に注入される［３５０］。過剰に充填された堆積物は、交換ポート１５６を介して流体格納サブシステム１５０から水体１６０の水底１６２へと流出させる。このようにして、流体格納サブシステム１５０の底部を堆積物でバラスト安定させるが、その上部は、穴があるため堆積物では充填されない。
【００４９】
一旦このプロセスが完了すると、空気が圧縮流体導管１８０を介して流体格納サブシステム１５０へと下方に送り込まれる［３６０］。この空気は、流体格納サブシステム１５０の流体貯蔵部１５２に貯蔵される。過剰に充填された空気は交換ポート１５６を介して外へと流出し、流体格納サブシステム１５０を過剰容量または過剰圧力から保護する。空気が流入していないときのシステムの正確な圧力をモニタすることによって、流体格納サブシステム１５０の充填レベルを特定することができると共に、その充填率または空き率も特定することができる。
【００５０】
一実施形態では、接続用の取付部材が、流体格納サブシステム１５０の上部を流体格納サブシステム１５０の底部に接続することができる。取付部材間の空間は交換ポートとして機能することができる。ダイバーまたは遠隔操作機（ＲＯＶ）は、必要に応じて取付部材を取り付けたり、あるいはメンテナンスのために、上部を底部から取り外すことができる。流体格納サブシステム１５０を構成するために、メリディオナルスライス（Ｍｅｒｉｄｉｏｎａｌ  ｓｌｉｃｅ）を互いに取り付けることもできる。これらは、互いを溶解、融合、接着、縫い合わせる、あるいは継ぎ合わせることができる。縫い目は耐水性とすることができる。圧縮流体導管１８０は、流体格納サブシステム１５０の頂部において注入−排出ポート１５８と係合することができる。
【００５１】
流体格納サブシステム１５０を回収することが望ましい場合には、水を圧縮流体導管１８０から流水導管１８５を通って放出し、ジェット水流をバラスト１５５へと向ける。十分に強力な水を適用すると、バラスト１５５を浮遊させて、バラスト１５５を交換ポート１５６を介して流体格納サブシステム１５０の外へと流出させる。一旦、バラスト１５５が十分に空になると、容器に再度空気を充填する。容器はバラスト安定していないため、この空気が海底から容器を上昇させて、水面まで持ち上げる。過剰な膨張用の空気は交換ポート１５６から漏出して、確実に過剰な圧力が蓄積されないようにする。
【００５２】
例えば、流体格納サブシステム１５０の底部付近に接続され、空気用ホースの水ジェットをバラスト１５５に方向付けて容器から外部へと砂の一部を迂回させるように整列させた引紐、ライン、またはコードを空気用ホース（図示せず）を通って有することも可能である。空にしている間、引紐の張力を適用して、引紐を短くし、流体格納サブシステム１５０の底部付近に空気用ホースを持ってくる。
【００５３】
２つの一次構造力が流体格納サブシステム１５０には作用する。流体格納サブシステム１５０の流体貯蔵部１５２内の空気による浮力は、メンブレンに垂直応力を作り出す。流体格納サブシステム１５０の底部におけるバラストの重量は、流体格納サブシステム１５０の下部に反対方向の力をもたらす。垂直方向に組織の向きを繊維強化すると、最小量の材料で、このような一次応力に対して互いに対応することができる。流体格納サブシステム１５０の頂部は、ＰＶＣのフランジまたは他の材料を具えてもよい。
【００５４】
空気が地表から流体格納サブシステム１５０へと下方に送り込まれると、空気と水１６６の界面は降下する。静水圧は、時間が横ばいになるまでの時間の関数として、地表で測定することができ、このことは過剰な空気は交換ポート１５６を通って地表へと放出されることを示している。したがって、圧力は、流体格納サブシステム１５０の充填高さを詳細に示すことができる。
【００５５】
図４に示す更なる実施形態では、図１に記載された一般的なタイプの圧縮流体エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）システムに使用する流体格納サブシステム４５０が、水体４６０の水底４６２に近接した流体格納サブシステム４５０をバラスト安定させるための別個のバラストサブシステム４５５を具えることができる。流体格納サブシステム４５０は、図１に記載された一般的なタイプと考えられる。明確にするために、流体格納サブシステム４５０の範囲を超える装置の全ては図４から排除している。この実施形態では、実質的な量のバラスト材は流体格納サブシステム４５０内にはない。バラストサブシステムは、水体４６０の水底４６２に載置するように構成されている。複数の繋留地点４６５が流体格納サブシステム４５０に配置され、少なくとも１つの繋留部４６７によってバラストサブシステム４５５を複数の繋留地点４６５の少なくとも１つに取り付けることが可能となる。バラストサブシステム４５５の重量は、流体格納サブシステム４５０に掛かる浮力よりも大きくなるように選択される。この構成により、圧縮エネルギ流体バブル４５３は、図１および２の構成よりも流体格納サブシステム４５０のさらに下方に及ぶことが可能となることは明らかである。したがって、交換ポート４５６は流体格納サブシステム４５０のドーム状部の下側に配置することができる。格納サブシステム４５０内の容積のバランスは、水４６８が大きく占めている。
【００５６】
図５に示す他の実施形態では、圧縮流体エネルギ貯蔵システム５００が、水体５６０内に沈むことができる可撓性の流体格納サブシステム５５０と；水体５６０内の水中流体格納サブシステム５５０上方に配置された別個のバラストシステム５５５と；流体格納サブシステム５５０と流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステム５５０に供給するよう構成された圧縮機５１０と；流体格納サブシステム５５０と流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステム５５０から受け取ると共に圧縮作動流体を膨張させて、膨張器５２０によって駆動される適切な発電機５３０に電力を発生させるよう構成された膨張機５２０と； 流体格納サブシステム５５０を圧縮機５１０および膨張機５２０と流体連通させるように配置された流体導管５８０と、を具えている。適切な多岐管閉止弁５４０は、圧縮機５１０または膨張機５２０の何れかを水体５６０の水底５６２上、またはその付近に配置された水中流体格納サブシステム５５０と流体連通させる、または格納サブシステム５５０と圧縮機５１０および膨張機５２０の双方との間の全ての流体連通を遮断する。圧縮機５１０および膨張機５２０は、水中、または地上、海上、あるいは大気中のいずれかの水体の外側に配置することができる。
【００５７】
システム５００は、圧縮流体導管５８０を少なくとも一カ所で支持して、圧縮流体導管５８０をカテナリー形にするために水体５６０上に支持部５９０を具えることができる。流体格納サブシステム５５０は全体的に、強化ポリマ繊維から構成することができる。
【００５８】
システム５００はさらに、流体格納サブシステム５５０を封入するように配置されたテンセグリティ構造５５２を具えることができる。このテンセグリティ構造５５２は、圧縮部材５５３と引張部材５５４とから構成することができる。特に、バラストサブシステム５５５はテンセグリティ構造５５２上に載せることができる。テンセグリティ構造は、密充填性、安定性、および他の利点を与えるように選択することができる。テンセグリティ構造は、繊維製の圧縮可能なバーから構成することができる。図の５００に示す非限定的な例によると、テンセグリティ構造５５２は六辺形のテンセグリティ構造とすることができ、流体格納サブシステム５５０の上面の少なくとも６か所で流体格納サブシステム５５０を抑えている。図５に示す一実施形態では、流体格納サブシステム５５０は底部が開放しており、水体５６０の水底５６２あるいはテンセグリティ構造５５２の基部に留め付けられている。複数の六辺形テンセグリティ構造５５２を、水体５６０の水底５６２の領域を塞ぐ密充填配列に配置することができる。これにより、転倒に対する構造の安定性を高める。テンセグリティ構造５５２、特にテンセグリティ構造のアレイは、大量の圧縮作動流体およびバラストを保持することができる。テンセグリティ構造５５２のアレイは、強度が高く、軽量の構造を含みうる。堆積物をバラスト材として利用することができ、バージによって採取したり落下させたりすることができる。代替的に、テンセグリティ構造５５２の付近の局地的な堆積物を、水中ポンプ（図示せず）を用いてバラストサブシステム５５５に送り込むことができる。
【００５９】
開示された圧縮流体エネルギ貯蔵システムは費用に係る利点を有する、および／またはシステムを水中の圧縮空気エネルギ貯蔵に現在使用されている場所、さらには先行技術のＣＡＥＳの構成要素およびシステムでは以前は経済的に利用不可能であった場所で著しい費用に係る利点を有するように動作させることができる。様々な実施形態に使用するバラスト材はインサイチュの堆積物を含む堆積物とすることができ、これは例えば、海底に沈殿した砂利、砂、泥砂、粘土、泥、有機物あるいは他の物質を含みうる。 他のバラスト材は、団粒、コンクリート、またはコンクリートと堆積物、鋼と堆積物、あるいは鋼、コンクリート、および堆積物の混合とすることができる。
【００６０】
団粒は、その場所へと岸から運ぶ、空気用ホースを介して送り込む、あるいは船またはバージによって運んで、バラスト収容機構（空気用容器またはバラスト用区画）へと送り込ことができる。このパイプおよび空気用ホースは、堆積物が加わった水の重量を、重量と質量流量の推力への流体格納サブシステムの向きを乱すことなく運ぶことができる。コンクリートを、陸上、沖合の船または容器、あるいは水中で成形することもできる。陸で成形する場合には、この形状は、例えば鋳造として暗渠パイプを使用して、コンクリート片のまま残すことができる。これらの物質の組み合わせを利用する混合形態を利用することもできる。混合の１つは、コンクリートと堆積物を使用することである。他の混合は、鋼と堆積物を使用することである。更に他の混合は、鋼、コンクリート、および堆積物を使用することである。これらのバリエーションは、特定の場所について最適化することが可能なバラスト材の費用に係る利点をもたらす。バラストを最終地点まで運搬する費用もまた、特定の条件に依存する場所に関して、これらのバリエーションのうちの１つ以上を利用することによって最適とすることができる。例えば、オーバーフローしている状態で一カ所からバラスト安定させることができる流体格納サブシステムに軸対称の設計を使用すると、実践的にバラストが均一となることを通常は保証し、十分な深さのバラストが流体格納サブシステムの下側部分にわたって存在する。
【００６１】
本明細書に記載されているように、配備する手法やその作用は、遠隔操縦機器を必要としない、および／または必要な機器の規模がわずかとなる実施形態に関して、費用に対する大きな利点をもたらす。配備に係る費用は材料の選択によっても決まり、インサイチュの堆積物を使用することによって著しく減少させることができる。このバラスト−空気コンパートメント構造および手法が提供するものは効率がよく、ひいては費用の面での利点をもたらす。以下に述べるように、これは極めて頑丈でもある。遠隔操縦機器を必要としない場合、またはＲＯＶの使用が最小限の場合にも、著しい費用に係る利点が得られる。流体格納サブシステム、および空気ホースとバラストを用いた当該システムの配備は、水の流動、付着あるいは噛み付き、腐食、破壊等による海の生物からの攻撃、および／または釣具の絡まりといった不注意による問題に対する耐性をもたらすことによって、更に頑丈となる。防護壁を流体格納サブシステム周囲の水体の水底に配置して、流体格納サブシステムの周囲に実質的に連続したバリアを形成することができる。例えば、海底のエネルギ貯蔵領域は、ニュージャージーコンクリートバリアあるいは適当な均等物の外辺部によって底引き網漁から保護することができる。
【００６２】
したがって、本発明の一実施形態によると、圧縮流体エネルギ貯蔵システムであって、水体に沈めてバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、長手方向に垂直軸に沿って配置される水中流体格納サブシステムであって、ドーム状部を閉鎖する実質的に平坦な部分を具える流体格納システムと；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムに供給するよう構成された圧縮機と；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムから受け取ると共に圧縮作動流体を膨張させるよう構成された膨張機と；を具え、流体格納サブシステムは少なくとも一部が可撓性がある、システムが提供されている。
【００６３】
本発明の他の実施形態によると、水体に沈めて、内部に配置したバラスト材でバラスト安定させて、圧縮作動流体で充填すると、水中流体格納サブシステムは長手方向に垂直軸に沿って配置され、この流体格納システムは、ドーム状部を閉鎖する実質的に平坦な部分を具え、（ａ）流体格納サブシステムは、流体格納サブシステムのシェルに実質的な平坦部から垂直軸に沿った距離で配置された少なくとも１つの交換ポートを具えており；（ｂ）実質的な平坦部に近接したドーム状部は、実質的な平坦部の周縁から垂直軸に向かって先細部を有している。この先細部は、バラスト材の密度および上記距離に基づくものとすることができる。先細部は、流体格納サブシステム内の圧縮作動流体の容積が小さい場合に、ドーム状部の下部に掛かるバラスト材の崩壊作用を打ち消すのに十分大きいものとすることができる。
【００６４】
本発明の更に他の実施形態によると、圧縮流体エネルギ貯蔵システムは、水体内に沈められる可撓性の流体格納サブシステムと；水体内の水中流体格納サブシステムの上方に配置された別個のバラストシステムと；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムに供給するよう構成された圧縮機と；流体格納サブシステムと流体連通するように配置され、圧縮作動流体を流体格納サブシステムから受け取ると共に圧縮作動流体を膨張させるよう構成された膨張機と；流体格納サブシステムを圧縮機および膨張機と流体連通させるように配置された流体導管と、を具えている。
【００６５】
本発明の更に他の実施形態によると、圧縮流体エネルギ貯蔵部を配備する方法は、流体格納サブシステムを、取り付ける圧縮流体導管と共に、バラストまたは圧縮エネルギ流体がない状態で流体格納サブシステムの位置に運搬するステップと；自然の浮力を打ち消すのに十分なバラストを用いて、流体格納サブシステムをその位置における水体の水底へと下降させるステップと；流体格納サブシステムと圧縮機および膨張機の間に圧縮流体導管を構成するステップと；水体の水面に残っている圧縮流体導管の一部を支持部に取り付けて、圧縮流体導管をカテナリー形にするステップと；スラリーとしてバラスト材を流体格納サブシステム内に注入するステップと；圧縮流体導管を介して、圧縮エネルギ流体を流体格納サブシステムに送り込むステップと、を含む。流体格納サブシステムを水体の水底に降下させるステップは、水体の水底にバラスト材を配置するステップと；流体格納サブシステムを水体の水底まで制御して引っ張るステップとを含みうる。
【００６６】
本発明は例示的な設計を有するように記載されているが、当該発明は、本開示の概念および範囲内において更に変更することができる。したがって、本出願は、その一般的な原理を利用した発明の任意のバリエーション、使用、あるいは改変を包含することを意図している。さらに、本出願は、本発明に関連する当該分野における既知または慣例的な手法の範囲内に入るように本開示から逸脱するものを包含することを意図している。
【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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【国際調査報告】
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