(57)【要約】加圧タンクにより加圧された流体を使用してタービンを回転させ、次いでこのタービンが発電機またはオルタネータを動作させ、次いで使用後の流体が、加圧タンクにポンプ圧送によって戻される、といったプロセスを継続する閉ループ／自給型システムを用いて電気を発電する発電装置および発電方法を提供する。
2017502636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を貯留するように構成された加圧タンクと、
前記加圧タンクに接続された導管と、
入口および出口を有するノズルであって、前記導管を介して前記加圧タンクに接続されており、前記入口において前記加圧タンクから移動してくる流体を受け入れるように構成され、前記ノズルの前記出口から、前記入口で受け入れた速度よりも速い速度で前記流体を配送するように構成された前記ノズルと、
前記ノズルにより配送される前記流体によって衝撃が与えられるように構成されたタービンと、
前記タービンに衝突した後の前記流体を受け入れるとともに、前記流体を前記加圧タンクに戻すように構成されたポンプと、
を備えたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記タービンと前記ポンプとの間に接続されるとともに、前記タービンに衝突した後の前記流体が前記加圧タンクにポンプ圧送して戻される前に、前記流体を受け入れて貯留するように構成された貯留タンクをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ノズルは高圧ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記流体は水であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記流体は気体であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項６】
前記タービンに接続された発電機をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項７】
前記タービンに接続されたオルタネータをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項８】
流体を加圧タンクに貯留するステップと、
前記流体を、前記加圧タンクからノズル中を通過させるステップであって、前記ノズルが、前記流体の速度を増大させるとともに速度が増大した前記流体をタービンに衝突させるステップと、
前記タービンに衝突した後の前記流体を前記加圧タンクにポンプ圧送して戻すステップと、
を含むことを特徴とする発電方法。
【請求項９】
前記タービンに衝突した後の前記流体が前記加圧タンクにポンプ圧送して戻される前に、前記流体を貯留タンクに貯留するステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【請求項１０】
前記ノズルは高圧ノズルであることを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【請求項１１】
前記流体は水であることを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【請求項１２】
前記流体は気体であることを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【請求項１３】
前記タービンを使用して発電機を動作させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【請求項１４】
前記タービンを使用してオルタネータを動作させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置および発電方法に関し、特に、液体または気体などの流体を用いた閉ループ／自給型システムを用いて発電を行う発電装置および発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年１２月９日に出願された、「Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」という名称の米国特許仮出願第６１／９１３４８０号の継続であり、その出願日の利益を主張するものである。その仮特許出願は、本明細書に完全に記載されるかのように、参照によってここに組み入れられる。
【０００３】
世界のほとんどは電気に依存している。この依存性の満足のために、大型の発電プラント群およびその上にあるネットワークが必要とされてきた。グリッド外の孤立した地域では、高価な自然依存のシステム、または持続不可能な資源を必要とするシステムが導入されてきた。さらに、洪水、地震、竜巻などといった自然災害の後には、被災地域の電力を復旧するために数ヶ月という多くの時間を要することがある。可搬型のガソリン発電機や天然ガス発電機をこれらの地域に持ち込んでもよいが、それら発電機を運転するためのガソリンまたは天然ガスの供給を維持するのが困難となる場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、化石燃料を必要とせずに、持続して電気を供給することのできる、低コストの発電装置を考案することは有益である。また、可搬型のそのような発電装置を提供することも有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の多くの利点は、本発明の１または複数の実施形態によって決定されて達成され、それらの実施形態は、広義において、化石燃料を必要とせずに電気を発生させるための、基本的に閉鎖型のシステムおよび方法を提供する。少なくとも１つの実施形態においては、貯留槽から加圧タンク中にポンプ圧送された流体（例えば、液体、気体またはプラズマ）を含んで構成される発電装置が提供される。加圧タンクから供給される流体は、高圧ジェットを通されて、タービンを回転させるのに使用される。そして、その使用後の流体は、システム全体を通したリサイクルのために貯留槽に戻される。タービンは、電気を発生するために、従来型の発電機またはオルタネータにつないでもよい。１つまたは複数のバッテリが設けられ、それらは、太陽光、水力、風力、またはこれらの任意の組合せによって充電されてもよいし、またシステムで発電した電気を受けて部分的に充電されてもよい。１つまたは複数のバッテリは、貯留槽から加圧タンク中に流体をポンプ圧送するためのポンプを稼働させるために使用される。
【０００６】
次に、本発明を、例証された実施形態および実施方法と関連付けて説明する。しかしながら、特許請求の範囲で示される本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、様々な修正、追加および削除を行い得ることは、当業者には明白であろう。
【０００７】
本発明のより詳細な理解のために、添付の図面に合わせて以下の説明を参照する。添付の図面においては、それらの全体を通して、同一符号が同一部品を指している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の１または複数の実施形態に係る力学的（機械的）エネルギーを発生させるための装置の正面図である。
【図２】図１の装置の側面図である。
【図３】図１〜２の装置を組み込んだ、本発明の１または複数の実施形態に係る発電装置の左側面図である。
【図４】図１〜２の装置を組み込んだ、本発明の１または複数の実施形態に係る発電装置の右側面図である。
【図５】図１〜２の装置を組み込んだ、本発明の１または複数の実施形態に係る発電装置の背面図である。
【図６】図１〜２の装置を組み込んだ、本発明の１または複数の実施形態に係る発電装置の他の実施形態の装置の正面図である。
【図７】図６の実施形態の装置の右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明を、例証された実施形態および実施方法と関連付けて説明する。しかしながら、特許請求の範囲で示される本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、様々な修正、追加および削除を行い得ることは、当業者には明白であろう。
【００１０】
各図面には、それらの全体を通して、同一の符号が同一の要素を識別するように付与されている。図面をつぶさに参照すると、本発明による発電装置および発電方法が図１〜７に示されている。本発明の原理と動作は、それらの図面とそれに伴う説明を参照することで、より詳細に理解することができる。
【００１１】
以下の要素が、各図面において識別される：
１  ダイアフラム式圧力タンク（加圧タンク）
２  減圧弁
３  圧力逃し弁（安全弁）
４  排水バルブ
５  ボールバルブ
６  高圧水ジェット（高圧ジェット）
７  圧力遮断機能を備えるウォータポンプ
８  バッテリ
９  発電機／オルタネータ
１０  ペルトン水車と高圧水ジェット（高圧ジェット）を備える水力発電ボックス
１１  バッテリコントローラ
１２  貯留槽（貯留タンク）
１３  逆流防止弁
１４  バッテリチャージャ
１５  ダイバータヒータ（Diverter Heater）
１６  高圧水管
１７  密封圧入ベアリング
１８  封水材
１９  Ｏリング
２０  回転軸
２１  ペルトン水車
２２  レクスタンカバー（Lextan Cover）
２３  Ｏリング
２４  １１０ボルト／２２０ボルトインバータ（パワーインバータ）
２５  切断ボックス／ヒューズ
２６  ブレーカボックス（メインヒューズボックスアウトレット）
２７  電圧／電流計
２８  １１０ボルトプラグ（１１０ボルトアウトレット）
２９  ２２０ボルトプラグ
３０  ヒューズ
３１  分岐バルブ
【００１２】
図３〜５および図６〜７に示した１または複数の実施形態において、システムは、主に、加圧タンク（圧力タンク）１、貯留タンク（貯留槽）１２、ウォータポンプ７、バッテリ８、およびペルトン水車２１（または、その他のタイプの水／流体を利用する衝動タービン）および水ジェット６を備える水力発電ボックス１０などを含んで構成されている。図には、複数のバッテリ８と複数のウォータポンプ７を示している。当業者は、これが設計的事項であることを認識するであろう。１つだけのバッテリ８または複数のバッテリ８があっても、また１つのウォータポンプ７または複数のウォータポンプ７があってもよいのである。さらに、複数の貯留タンク１２および／または複数の加圧タンク１があってもよい。１または複数の好ましい実施形態において、貯留タンク１２の貯水可能な容量、または複数の貯留タンクが用いられている場合には複数の貯留タンク１２全体での貯水可能な容量は、加圧タンク１が貯水可能な容量と同等以上である。そして、ウォータポンプ７が、水力発電ボックス１０を介して戻された貯留タンク１２中の流体について再び加圧タンク１へポンプ圧送することのできるのと、少なくとも同量の流体を貯留タンク１２（または複数の貯留タンク１２）に保持するようにする。これによって、空気が、流体のポンプサイクルに混入してその流れを中断することが防止される。好ましくは、しかしこれは必須ではないが、加圧タンク１は、水力発電ボックス１０の備えるジェット６が噴射しているのと、少なくとも同量の水（流体）を保持するようにする。このことは、加圧タンク１がより多くの量を保持するほど、ウォータポンプ７がポンプ圧送しなくてはならない流体の量が少なくなるので、ウォータポンプ７における部品の消耗を少なくする。当業者はまた、（様々な電気的要素を、電気を必要とする要素に接続するのに使用される）ワイヤ、（流体をある場所から別の場所に移送するのに使用される）パイプ／チューブ、（パイプ／チューブを接続するための）継手、（システム内を循環する流体の流れを制御するための）バルブ、（ある装置から別の装置へと回転エネルギーを伝達するための）ベルト、などのシステムを構成するその他の要素があることを認識するであろう。しかしながら、これは特許出願であって、製造仕様書ではないので、本発明は、当業者によれば確実に理解されるであろうそのような詳細に深入りすることなく記載するのが最適であろう。上記にもかかわらず、当業者は、貯留タンク１２からウォータポンプ７へのチューブと、ウォータポンプ７から加圧タンク１へのチューブとは、それが必須ではないが、同等、または実質的に同等の直径を有すべきであることを認識するであろう。加圧タンク１から分岐バルブ３１までのチューブは、それが必須ではないが、貯留タンク１２から加圧タンク１へのチューブよりも小さい直径を有すべきであり、また分岐バルブ３１からジェット６へのチューブは、それが必須ではないが、加圧タンク１から分岐バルブ３１へのチューブよりも小さい直径を有すべきである。このことが圧力を倍加させて、それによって、ペルトン水車２１に対するより高い駆動力を生成する。
【００１３】
図３に示されるように、システムには、余剰に電気が発電された場合にシステムから電気を抜き出すために用いるダイバータヒータ１５を含むようにしてもよい。当業者であれば、これが安全機能であり、本発明の１または複数の実施形態の動作に対して必須ではないことを認識するであろう。当業者はまた、これと同一または類似の機能に対して、他の装置またはシステムを使用してもよいことを認識するであろう。図４に示されるように、システムは、バッテリコントローラ１１およびバッテリチャージャ１４を含んでもよい。バッテリコントローラ１１は、発電機９および１または複数のバッテリ８と電気的に通信して、１または複数のバッテリ８に送られる電気の量を制御する。バッテリコントローラ１１はまた、余剰な電気をシステムから抜く必要がある場合にはダイバータヒータ１５と電気的に通信するとともに、余剰な電気をダイバータヒータ１５へ分流させる。バッテリチャージャ１４は、ウォータポンプ７への電力の供給に使用される１台のバッテリ８を充電する。バッテリチャージャ１４は、システムによって生成された電気を、１または複数のバッテリ８を介して受け取る。１または複数のバッテリ８は、パワーインバータ（１１０ボルト／２２０ボルトインバータ）２４に給電を行う。このパワーインバータ２４は、メインヒューズボックスアウトレット（ブレーカボックス）２６に接続されている。このメインヒューズボックスアウトレット２６から、電気は、１１０ボルトアウトレット（１１０ボルトプラグ）２８に供給される。バッテリチャージャ１４は、１１０ボルトアウトレット２８から、動作のための電力を引き出す。パワーインバータ２４は、１または複数のバッテリ８からの電気を、直流（ＤＣ）から１１０／２２０ボルトの交流（ＡＣ）へ変換するのに使用される。当業者は、ＤＣ発電機に対してＡＣ発電機を使用することによって、パワーインバータ２４を削除することもできることを認識するであろう。
【００１４】
動作に際して、水は、貯留タンク１２の中に入れておくか、もしくは最初に加圧タンク１に貯留しておき初期動作のためのバッテリ電力を節約するか、またはいくらかの水を貯留タンク１２に貯留するとともにいくらかの水を加圧タンク１に貯留するか、プロバイダの設計選択に応じていずれとするようにしてもよい。水が貯留タンク１２の中に入れておかれる状況においては、バッテリ８はウォータポンプ７に給電し、次いでウォータポンプ７が、貯留タンク１２から加圧タンク１へと水をポンプ圧送する。この加圧タンク１から送水（供給）される高圧状態の水は、高圧ジェット／高圧ノズル６（図１）を通されて、ペルトン水車２１（図２）のバケット（羽根）に衝突し、その衝撃力によってペルトン水車２１をその回転軸２０周りに回転させるようになる。回転軸２０は、フライホイールもしくはギヤ、またはフライホール機構もしくはギヤ機構、またはペルトン水車２１の回転エネルギーを従来型の発電機もしくはオルタネータに伝達するためのその他の従来型の装置、または本システムによって提供される回転エネルギーを利用することのできる、その他の装置を含む（この点については図示していない。なぜなら、これは従来の態様であり、当業者は、ペルトン水車２１の回転エネルギーを従来型の発電機へ伝達するのに必要な接続の要件を理解するであろうことからである）。水は、ペルトン水車２１に衝突した後に、貯留タンク１２中に落下すると、そこで上記の工程が繰り返されるまで貯留される。
【００１５】
システムは、現在、往復９ガロン（３４．０６５リットル）／分サイクルに設定されている。貯留タンク１２は、４０ガロン（１５１．４リットル）であり、加圧タンク１は３０ガロン（１１３．５５リットル）である。これによって、貯留タンク１２に１０ガロン（３７．８５リットル）を残し、エアポケットが加圧タンク１に入るのを防止する。システムは、４０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）圧力（２７５．８ｋＰａ）で稼働するが、最適圧力は５０から６０ｐｓｉ（３４４．７５から４１３．７ｋＰａ）の間である。当業者は、所望の出力パラメータに応じて、その他のパラメータを使用してもよいことを認識するであろう。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態について説明した。この説明により本発明の利点が理解されるであろう。説明した実施形態を本発明の範囲を逸脱することなく変形した形態が存在する。すなわち、発電装置および方法が提供されることがわかる。本明細書では、特定の実施形態について詳細を開示したが、あくまでも、これは例示のためにのみ行われたものであり、特許請求の範囲で示される本発明の範囲に対する限定を意図するものではない。特に、本発明者らは、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨と範囲から逸脱することなく、様々な置換、変更、および修正を行うことができることを企図するものである。上記では、一例として、システムを動作させるための液体に水を使用するものとしてシステムを説明したが、圧力低下および必要とされるノズルの寸法に関して、他の液体の粘度が考慮されている限り、当該他の液体を使用することもできる。さらに、このシステムは、液体の代わりに気体を使用して動作させることもでき、そのことも本発明の範囲に含まれる。システムは、各要素が１つ含まれた構成について開示したが、当業者は、複数の貯留タンクまたは圧力タンクを使用可能であること、また、複数のバッテリ、複数のタービン、またはそれらの任意の組合せによる構成も本発明の範囲に含まれることを認識するであろう。その他の態様、利点、および修正も特許請求の範囲に含まれるものと考えられる。提示された特許請求の範囲は、本明細書において開示された発明を代表するものである。その他の、特許請求されていない発明も意図されている。本発明者らは、後の特許請求において、そのような発明を求める権利を留保するものである。
【００１７】
したがって、上記の説明に含まれる、または添付の図面に示されたすべてのことは、限定の意味としてよりも、説明のためのものと解釈されることを意図している。また、特許請求の範囲には、本明細書において記載された、本発明の包括的および特定的な特徴のすべてを含めることを意図しており、本発明の範囲のすべての記述は、言葉の問題として、その間に属するということができると理解されるべきである。
【００１８】
以上、本発明について記載したが、新規なものと主張し、特許証により保証されるべき本発明は、特許請求の範囲の記載として提示されている。
【図１】
2017502636.tif 000003
【図２】
2017502636.tif 000004
【図３】
2017502636.tif 000005
【図４】
2017502636.tif 000006
【図５】
2017502636.tif 000007
【図６】
2017502636.tif 000008
【図７】
2017502636.tif 000009
【国際調査報告】
2017502636.tif 000010