(57)【要約】  冷却、熱、電力併給の工業規模エネルギートリジェネレーションプロセスベースのマイクログリッドを消費者に提供する。本発明は、電気、化学、熱エネルギーの変換、処理、抽出、および／または貯蔵システムを含む。本発明は、重要なエネルギー生成、加熱および冷却プロセスに、分散型再生可能エネルギー生成、エネルギー貯蔵および統合自動システムを包含するように設置されたコンポーネントを組み込んだ典型的な再生可能エネルギーエコシステムを提供する。本発明の自動システムは、システムコンポーネントの視聴、監視、分析、制御と、システムコンポーネントとの相互作用を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）風力エネルギー、光起電エネルギー、熱エネルギーのうち少なくとも１つを含むエネルギーを捕捉する工程と、
ｂ）発電機、タービン、電解槽、圧縮器、ガス分離器、蓄熱タンク、スターリングエンジン、および化学リアクタのうち少なくとも１つを使用して、前記捕捉エネルギーを少なくとも１つの中間生成物に変換する工程と、
ｃ）前記中間生成物が、蒸気、電気、水、水素、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、融解塩、グリコールと水の混合物、およびアンモニアのうち少なくとも２つを備える工程と、
ｄ）少なくとも１つの貯蔵媒体に、前記熱エネルギーと中間生成物の少なくとも一方を貯蔵する工程と、
を備えるプロセス。
【請求項２】
前記熱エネルギーが太陽熱エネルギーと地熱エネルギーの少なくとも一方を介して捕捉される請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
前記中間生成物が、蒸留器、発電機、タービン、電解槽、圧縮器、スイング吸着モジュールのうち少なくとも２つによって利用されて、化学副産物と熱副産物の少なくとも一方を生成する請求項１記載のプロセス。
【請求項４】
前記熱エネルギーが、アンモニアリアクタ、スターリングエンジン、放射加熱ループ、および放射冷却ループのうち少なくとも２つによって利用される請求項１記載のプロセス。
【請求項５】
前記スターリングエンジンが、
ａ）駆動シャフト、発電機、ベアリングのうち少なくとも１つと、
ｂ）圧縮側シリンダ、パワーピストン、再生器領域、ディスプレーサシリンダ、ピストンのうち少なくとも１つと、
ｃ）前記ディスプレーサシリンダと整合する特大高熱ループと、
ｄ）前記圧縮側シリンダと整合する氷水冷却ループと、
を備える請求項４記載のプロセス。
【請求項６】
複数の位置決め部材が、前記スターリングエンジンの前記シリンダを線形直列型Ｖ、ダブルＶ、Ｗ、または回転配列に配列する請求項５記載のプロセス。
【請求項７】
前記スターリングエンジンが追加ループインタフェースを備え、前記追加ループインタフェースが廃熱ループにおいて前記エンジンから熱媒体への廃熱を利用する請求項５記載のプロセス。
【請求項８】
装置と領域の少なくとも一方のために放射熱源として前記追加ループを利用する請求項７記載のプロセス。
【請求項９】
前記熱エネルギーが、
ａ）高熱容量流体と、
ｂ）中熱容量流体と、
ｃ）低熱容量流体と、
ｄ）作業流体と、
ｅ）それらの組み合わせと、
から成る群から選択される媒体である請求項１記載のプロセス。
【請求項１０】
前記媒体が、高温蓄熱タンク、中間温蓄熱タンク、および低温蓄熱タンクのうち少なくとも２つに貯蔵される請求項９記載のプロセス。
【請求項１１】
多効吸収冷凍システムをさらに備え、前記多効吸収冷凍システムが複数の蒸発器、吸収体、熱交換器、および復水器を備える請求項１記載のプロセス。
【請求項１２】
ａ）少なくとも１つの線形放物面反射体と、
ｂ）少なくとも１つの高温吸収体および中間温吸収体と、調整反射体および少なくとも１つの高温熱流体捕捉ループと中間温熱流体捕捉ループとを有するラジエータのうち少なくとも一方とを備える少なくとも１つの線形レシーバと、
ｃ）線形放物面反射体および前記線形レシーバに装着され、前記線形放物面反射体の自由かつ自主的な回転運動を可能にする三日月状交差支持体と、
をさらに備える請求項１記載のプロセス。
【請求項１３】
ａ）既存の電力網への少なくとも１つの入力および出力を、
さらに備える請求項１記載のプロセス。
【請求項１４】
ａ）前記捕捉エネルギー貯蔵変換装置と前記既存の電力網間の電気サブステーションを
さらに備える請求項１３記載のプロセス。
【請求項１５】
ａ）前記捕捉エネルギー、前記少なくとも１つの中間生成物の変換、および前記捕捉エネルギーの貯蔵を監視、処理、制御、及び再配分するコンピュータ制御システムをさらに備える請求項１記載のプロセス。
【請求項１６】
前記コンピュータ制御システムが、先のユーザ入力および定義されたルールの少なくとも一方に基づく機械学習により需要変化に適応する請求項１５記載のプロセス。
【請求項１７】
前記コンピュータ制御システムが、
ａ）マスター制御インテリジェント管理システムと、
ｂ）マスターネットワークオペレーションセンターと、
ｃ）ネットワークオペレーションセンターと、
ｄ）家電家庭制御層と、
ｅ）それらの組み合わせと、
から成る群から選択される、
少なくとも１つの層を備える請求項１５記載のプロセス。
【請求項１８】
ａ）風力エネルギー、太陽光起電エネルギー、および熱エネルギーを含むエネルギーを捕捉する工程と、
ｂ）蒸気タービンまたはスターリングエンジンを介して前記捕捉エネルギーのうち少なくとも１つを変換して電気エネルギーを生成する工程と、
ｅ）少なくとも１つの捕捉エネルギーを利用して、発電機を動作させて少なくとも１つの中間生成物を生成する工程と、
ｄ）前記中間生成物が蒸気、電気、水、水素、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、およびアンモニアのうち少なくとも１つを備えており、
ｅ）前記少なくとも１つの中間生成物が、蒸留モジュールを動作させて水を浄化する工程と、
ｆ）前記少なくとも１つの中間生成物が、電解槽を動作させて前記浄化した水をその化学物質成分の少なくとも１つに分離する工程と、
ｇ）前記少なくとも１つの中間生成物がアンモニア生成のために圧縮器を動作させる工程と、
ｈ）前記少なくとも１つの中間生成物がアンモニア生成のためにアンモニアリアクタを動作させる工程と、
ｉ）前記少なくとも１つの中間生成物が、圧力スイング吸着モジュールを動作させて窒素と希ガスを生成する工程と、
ｊ）前記少なくとも１つの中間生成物と捕捉エネルギーが、熱エネルギー貯蔵ユニット、化学物質貯蔵ユニット、および電力網ユニットのうち少なくとも１つに貯蔵される工程と、
を備えるプロセス。
【請求項１９】
前記熱エネルギーが、太陽熱エネルギーと地熱エネルギーの少なくとも一方を介して捕捉される請求項１８記載のプロセス。
【請求項２０】
ａ）サブステーションによって前記エネルギー捕捉工程、貯蔵工程、および変換工程から分離される既存の電力網への入力および出力、
をさらに備える請求項１８記載のプロセス。
【請求項２１】
前記熱エネルギーが、少なくとも１つの対応する蓄熱タンクに高熱容量流体、中熱容量流体、低熱容量流体、および作業流体の組み合わせで貯蔵される請求項１８記載のプロセス。
【請求項２２】
前記高熱容量流体、中熱容量流体、低熱容量流体、および作業流体のうち少なくとも１つを利用して、冷温エネルギー貯蔵のために少なくとも１つのアンモニア冷却蒸気変換器を動作させる請求項２１記載のプロセス。
【請求項２３】
前記スターリングエンジンが、
ａ）前記シリンダが少なくとも２列に配置される多気筒スターリングサイクル熱エンジンと、
ｂ）第２列のシリンダに対してジグザグに配置され、長手中心軸が前記第２列のシリンダの長手中心軸の斜めに位置する第１列のシリンダと、
ｃ）圧縮側シリンダ、パワーピストン、再生器領域、ディスプレーサシリンダ、ピストンのうち少なくとも１つと、
ｄ）前記少なくとも２列のシリンダを直列型Ｖ、ダブルＶ、Ｗ、または回転配列のうち少なくとも１つに配列する複数の位置決め部材と、
ｅ）前記ディスプレーサシリンダと整合する特大高温ループと、
ｆ）前記圧縮側シリンダと整合する氷水冷却ループと、
ｇ）追加ループインタフェースと、
ｈ）前記追加ループインタフェースが、廃熱ループにおいて前記エンジンから熱媒体への廃熱を利用することと、
ｉ）装置および領域の少なくとも一方の放射熱源として前記追加ループを利用することと、
を備える請求項１８記載のプロセス。
【請求項２４】
多効吸収冷凍システムをさらに備え、
前記多効吸収冷凍システムが、複数の蒸発器、吸収体、熱交換器、および復水器を備える請求項１８記載ののプロセス。
【請求項２５】
前記多効吸収冷凍システムが、
ａ）第４の発電機の最高入力温度と、
ｂ）第４の復水器と第３の発電機間の熱交換器と、
ｃ）第３の復水器と第２の発電機間の熱交換器と、
ｄ）第２の復水器と第１の発電機間の熱交換器と、
ｅ）前記各発電機が冷却蒸気の一部を除去して、最高入力温度を次の復水器の低温まで低下させることと、
をさらに備える請求項２４記載のプロセス。
【請求項２６】
ａ）少なくとも１つの線形放物面反射体と、
ｂ）少なくとも１つの線形レシーバであって、
ｉ）少なくとも１つの高温吸収体と、
ｉｉ）少なくとも１つの中間温吸収体と、
ｉｉｉ）調整反射体および少なくとも１つの高温熱流体捕捉ループと中間温熱流体捕捉ループとを有するラジエータのうち少なくとも一方と、
を有するレシーバと、
ｃ）前記線形放物面反射体と前記線形レシーバに装着されて、前記線形放物面反射体の自由かつ自主的な回転運動を提供する三日月状交差支持体と、
をさらに備える請求項１８記載のプロセス。
【請求項２７】
ａ）先のユーザ入力および定義されたルールの少なくとも一方に基づく機械学習で前記捕捉エネルギー、少なくとも１つの前記中間生成物の変換、前記捕捉エネルギーの貯蔵を監視、処理、制御、再配分するコンピュータ制御システムと、
ｂ）少なくとも１つの制御層であって、
ｉ）マスター制御インテリジェント管理システム層と、
ｉｉ）マスターネットワークオペレーションセンター層と、
ｉｉｉ）ネットワークオペレーションセンター層と、
ｉｖ）家電家庭制御層と、
ｖ）それらの組み合わせと、
から成る群から選択される少なくとも１つの制御層と、
をさらに備える請求項１８記載のプロセス。
【請求項２８】
前記マスター制御インテリジェント管理システム層が、ベース負荷およびピーク需要入力に基づきエネルギーの捕捉および生成を管理し、前記マスターネットワークオペレーションセンター層が電力網運転を監視および分析し、電力品質を追跡し、請求書および報告書を作成し、需要の変化に応答し、エネルギー貯蔵を監視および制御する請求項２６記載のプロセス。
【請求項２９】
ａ）風力エネルギー、太陽光起電エネルギー、太陽熱エネルギー、及び地熱エネルギーを含むエネルギーを捕捉することと、
ｂ）蒸気タービンまたはスターリングエンジンを介して前記少なくとも１つの捕捉エネルギーを変換して電気エネルギーを生成することと、
ｃ）前記少なくとも１つの捕捉エネルギーを利用して、発電機を動作させて少なくとも１つの中間生成物を生成することと、
ｄ）前記少なくとも１つの中間生成物が蒸気、電気、水、水素、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトン、及びアンモニアのうち少なくとも１つを備えることと、
ｅ）前記少なくとも１つの中間生成物が、蒸留モジュールを動作させて水を浄化することと、
ｆ）前記少なくとも１つの中間生成物が、前記浄化された水をその化学物質成分のうち少なくとも１つに分離する電解槽を動作させることと、
ｇ）前記少なくとも１つの中間生成物が、アンモニア生成のために圧縮器を動作させることと、
ｈ）前記少なくとも１つの中間生成物が、アンモニア生成のためにアンモニアリアクタを動作させることと、
ｉ）前記少なくとも１つの中間生成物が、圧力スイング吸着モジュールを動作させて窒素と希ガスを生成することと、
ｊ）高熱容量流体、中熱容量流体、低熱容量流体、作業流体の組み合わせを含む熱中間生成物に、前記捕捉エネルギーおよび中間生成物の少なくとも一方を貯蔵することと、
ｋ）前記高熱容量流体、中熱容量流体、低熱容量流体、および作業流体のうち少なくとも１つが、少なくとも１つの冷温エネルギー貯蔵用のアンモニア冷却蒸気変換器を動作させることと、
ｌ）前記捕捉エネルギーと中間生成物のうち少なくとも一方を化学中間生成物と電気中間生成物のうち少なくとも一方として貯蔵することと、
ｍ）複数の蒸発器、吸収体、熱交換器、および復水器を備える多効吸収冷凍システムと、
ｎ）前記多効吸収冷凍システムが
ｉ）第４の発電機の最高入力温度と、
ｉｉ）第４の復水器と第３の発電機間の熱交換器と、
ｉｉｉ）第３の復水器と第２の発電機間の熱交換器と、
ｉｖ）第２の復水器と第１の発電機間の熱交換器と、
ｖ）前記各発電機が冷却蒸気の一部を除去して、最高入力温度を次の前記復水器の低温まで低下させ、
ｏ）少なくとも１つの線形放物面反射体と、
ｐ）少なくとも１つの線形レシーバと整合する前記少なくとも１つの線形放物面反射体と、
ｑ）前記線形レシーバであって、
ｉ）少なくとも１つの高温吸収体と、
ｉｉ）少なくとも１つの中間温吸収体と、
ｉｉｉ）反射体および少なくとも１つの高温熱流体捕捉ループと中間温熱流体捕捉ループとを有するラジエータのうち少なくとも一方と、
を有する線形レシーバと、
ｒ）前記線形放物面反射体と前記線形レシーバに装着され、構造上の支持と、太陽の動きを追跡する、前記放物面反射体の自由かつ自主的な回転運動とを提供する三日月状交差支持体と、
ｓ）８以上２４以下である前記反射体対前記レシーバの比と、
ｔ）既存の電力網に接続される前記プロセスと、
を備えるプロセス。
【請求項３０】
前記スターリングエンジンが、
ｊ）シリンダが少なくとも２列に配置される多気筒スターリングサイクル熱エンジンと、
ｋ）第２列のシリンダに対してジグザグに配置され、長手中心軸が前記第２列のシリンダの長手中心軸の斜めに位置する第１列のシリンダと、
ｌ）圧縮側シリンダ、パワーピストン、再生器領域、ディスプレーサシリンダ、およびピストンのうち少なくとも１つと、
ｍ）前記少なくとも２列のシリンダを、直列型Ｖ、ダブルＶ、Ｗ、または回転配列のうち少なくとも１つに配列する複数の位置決め部材と、
ｎ）前記ディスプレーサシリンダと整合する特大高温ループと、
ｏ）前記圧縮側シリンダと整合する氷水冷却ループと、
ｐ）追加ループインタフェースと、
ｑ）前記追加ループインタフェースが前記エンジンからの廃熱を利用して廃熱ループにおいて媒体を加熱することと、
ｒ）装置および領域の少なくとも一方のための放射熱源として前記追加ループを利用することと、
を備える請求項２９記載のプロセス。
【請求項３１】
前記既存の電力網が少なくとも１つの電気サブステーションによって前記プロセスから分離される請求項２９記載のプロセス。
【請求項３２】
先のユーザ入力および定義されたルールの少なくとも一方に基づく機械学習で捕捉ステップ、変換ステップ、貯蔵ステップのうち少なくとも１つを監視、処理、制御、再配分するコンピュータ制御システムをさらに備え、前記コンピュータ制御システムが、
ｊ）マスター制御インテリジェント管理システムと、
ｋ）マスターネットワークオペレーションセンターと、
ｌ）ネットワークオペレーションセンターと、
ｍ）家電家庭制御層と、
のうち少なくとも１つを備え、
前記マスター制御インテリジェント管理システム層が、ベース負荷およびピーク需要入力に基づきエネルギーの捕捉および生成を管理し、前記マスターネットワークオペレーションセンター層が電力網運転を監視および分析し、電力品質を追跡し、請求書および報告書を作成し、需要の変化に制御応答し、エネルギー貯蔵を監視および制御し、
前記ネットワークオペレーションセンターが電力ピークと周波数安定化を監視および分析し、前記家庭制御層がエンドユーザの宅内使用を監視および報告し、エンドユーザに宅内の電気機器の制御を提供する、
請求項２９記載のプロセス。
【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、２０１２年１１月１５日に提出された米国仮出願第６１／７２７，１０８号の「ハイブリッド風力／太陽光／水素アンモニア再生システム」、２０１３年７月２９日に提出された米国仮出願第６１／８５９，３７７号の「分散型ハイブリッドエネルギー生成貯蔵システムと統合型監視／分析／制御システム」、２０１３年９月１３日に提出された米国仮出願第６１／８７７，４６７号の「分散型ハイブリッドエネルギー生成貯蔵システムと統合型監視／分析／制御システム」、２０１３年１０月３日に提出された米国仮出願第６１／８８６，２１３号の「監視／分析／制御用統合自動システムを用いて加熱、冷却、発電、エネルギー貯蔵を提供するハイブリッド太陽光トリジェネレーションシステムベースのマイクログリッドＣＣＨＰ」、２０１３年１０月２６日に提出された米国仮出願第６１／８９６，０３９号の「監視／分析／制御用統合自動システムを用いて加熱、冷却、発電、エネルギー貯蔵を提供するハイブリッドトリジェネレーションシステムベースのマイクログリッドＣＣＨＰ」に優先権を主張する。米国仮出願第６１／７２７，１０８号、米国仮出願第６１／８５９，３７７号、米国仮出願第６１／８７７，４６７号、米国仮出願第６１／８８６，２１３号、米国仮出願第６１／８９６，０３９号の内容は、参照により全文を本願に組み込む。
【０００２】
発明の分野
本発明は、エネルギーを捕捉および変換し、そのプロセス（工程）を監視するプロセスに関する。より具体的には、本発明は、ハイブリッド風力および太陽光エネルギー生成を含む分散型エネルギー生成、エネルギー移送、エネルギー変換、エネルギー貯蔵、エネルギー提供、エネルギーの監視と分析を提供し、自動インタフェース／制御を構築するインテリジェントソフトウェアおよびハードウェアインタフェースを包含する各要素に関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
風力タービン、太陽光発電機、太陽熱、光起電（「ＰＶ」と称することもある）太陽光、化学物質、電解槽、ハーバー・ボッシュ法、熱エネルギー貯蔵は従来技術において既知である。さらに、スターリングアプリケーションおよびプロセス、冷却機、冷凍、加熱、冷却、空調、水加熱、蒸留、水の浄化および脱塩システム、圧力スイング吸着、ならびにエネルギーを生成してエネルギー需要を満たす様々な種類の燃料と様々な設計および構造の化学物質および熱源が、従来技術において既知である。しかしながら、従来技術のシステムおよび装置は上記の物も含め、特にシステムが物理的に配備され、統合システム環境内のサブシステムとして高効率からの恩恵を得るように計画、確立、および／または調整されていない場合には欠点を有する。概して、従来のシステムは、個別装置に基づく効率性、かつ標準以下のシステム設計性能で配備を計画されている。従来技術の配備では、部品数、製造コスト、組立コスト、輸送コスト、副部品数、および在庫が必要とされる高コストの特注部品の増加が必須である。さらに、従来のシステムは、重複する複製サブシステム、問題となる頻繁な保全および修理コストを余儀なくし、エネルギーおよび製品生産コストが上昇する。この結果、営業費用の高騰、電力網とエネルギーの接続問題、移送ラインの喪失につながる。
【０００４】
従来技術のスマートグリッド設計は、使用の監視のため消費者接続部のスマートメータを主に使用する。従来技術のスマートグリッド実施例を基に、本発明は、使用の監視、装置データ通信を介したエネルギー使用源の特定、手動の消費者入力、共通電気信号指紋を介して実行される。さらに、本発明はプロファイルデータセットを記憶し、抽出された使用プロファイルからの適切なエネルギー予測に応答し、エネルギー負荷が増大する日中使用量を分析し、電力品質とエネルギー可用性とを分析して電力網全体の安定性を向上させる。本願の発明によるエンドユーザ要件の供給補償から電力網の安定性を満たすための電子監視、識別、エネルギー生成、ベース負荷エネルギー負荷反応およびエネルギー供給ならびに制御素子は、今後既知となり、上記から「ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）」として知られるシステムの特徴および機能を備える素子として呼ばれる。
【０００５】
コジェネレーション、すなわち熱電併給（「ＣＨＰ」）はヒートエンジンまたは地域発電所を使用して、電気と有効な熱とを同時に生成することである。トリジェネレーション、すなわち冷却熱電併給（「ＣＣＨＰ」）は、利用可能なプロセスと適用から電気と有効な加熱および冷却を同時に生成することを指す。電気、加熱、冷却の生成システムはトリジェネレーションまたはポリジェネレーションプラントと称される。
【０００６】
コジェネレーションは燃料の熱力学的有効利用である。独立した発電では、一部のエネルギーを廃熱として廃棄しなければならないが、コジェネレーションではこの熱エネルギーが利用される。すべての火力発電所は発電中に熱を発し、その熱は冷却塔、煙道ガス、またはその他の手段を通じて自然界に放出され得る。
【０００７】
対照的に、ＣＨＰは加熱用に副産物の熱の一部または全部を、発電所の極近傍で、または対応する近隣および／または地域暖房のために約８０〜１８０℃（１７６〜３５６°Ｆ）の温度の温水または水とグリコール混合物のいずれかの形で捕捉する。これは熱電地域暖房（「ＣＨＰＤＨ」）としても知られる。小型ＣＨＰ発電所は分散型エネルギーの一例である。中間温度（１００〜１８０℃、２１２〜３５６°Ｆ）の容易に入手可能な廃熱エネルギーも、能動冷却、放射冷却、低温エネルギー貯蔵のために冷却機および冷凍機を用いる吸収冷却プロセスにおいて使用することができる。
【０００８】
高温熱エネルギーの供給は主に、スターリングサイクルエンジンまたは蒸気発電機への熱エネルギー入力などで熱集約用途を駆動し、その後、低温となった廃熱エネルギーはコジェネレーションで述べるように蒸留、水、放射空間の加熱に使用される。トリジェネレーションとコジェネレーションの差異は、廃熱エネルギーが通常は吸収冷却機または冷凍機を使用して加熱と冷却の両方に使用されることである。ＣＣＨＰシステムは、コジェネレーションまたは従来の発電所よりもずっと高い効率を実現することができる。米国では、トリジェネレーションの建物への適用は建物冷暖房電力（「ＢＣＨＰ」）と呼ばれる。直接的あるいは受動的放射加熱および冷却を介した加熱冷却出力は、需要とシステム構成ならびに利用可能な廃熱エネルギーの量と質に応じて同時にまたは交互に実行することができる。
【０００９】
コジェネレーションは、最も初期の発電施設で実行された。中央ステーションが分散型電力を供給する前、産業界はプロセス加熱のために排出蒸気を用いて独自にエネルギーを生成していた。通常、大型のオフィス、アパート、ホテル、店舗などは自ら発電し、建物の暖房のために廃蒸気を使用していた。早くに購入された電力の高コストのため、これらの分散型ＣＨＰ運転は、公共の電気が入手可能になった後も何年も継続された。
【００１０】
マイクロＣＣＨＰ、「マイクロトリジェネレーション」は、分散型エネルギー源（「ＤＥＲ」）の理想的な実施例とみなされることが多い。設備は通常、家庭、小事業、および／または軽商業用途では５ｋＷｅ未満である。単に空間や水を加熱冷却するために、燃料を燃焼させる、あるいはエネルギー捕捉システムを使用する代わりに、直接加熱、冷却、または受動放射加熱および冷却に加えて、エネルギーの一部が電気に変換される。この電気は家庭や事業所内で使用し、電力網の管理者が許可すれば、電力網に売り渡すこともできる。この小規模ＣＣＨＰシステムの開発を通じて、屋内エネルギー不足の際、備蓄が枯渇したときの最後の頼みの綱であるバックアップ源として電力網のエネルギーを使用する機会が提供された。
【００１１】
マイクログリッドは、通常は従来の中央電力網（マクログリッド）に接続されて動作する発電、エネルギー貯蔵、負荷の地域グループ分けである。マクログリッドとの共通結合は切断することができる。その後、マイクログリッドは自発的に機能する。マイクログリッド内の発電と負荷はふつうは低電圧で相互接続される。電力網事業者の観点からすると、接続されたマイクログリッドは、１つの独立体のように制御されうる。マイクログリッド源が燃料電池、風力、太陽光、またはその他のエネルギー源を含むことができる。生成源が複数に分散され、マイクログリッドを大規模ネットワークから切り離すことができるため、電力が非常に確実に供給される。スターリングサイクルエンジンなどの生成源からの熱は、地域直接プロセス加熱および冷却または受動放射空間冷暖房のために使用することができ、ニーズ間の柔軟な交換と、加熱、冷却、電力を供給する現実的な方法が可能になる。
【００１２】
スターリングサイクル熱エンジンは、金属および／または類似の特性を有する材料から製造される。スターリングサイクル熱エンジンは、容器周囲の液体冷却口を使用する圧縮用パワーピストンを備えた圧縮側シリンダとしても知られる圧縮側と、接続された熱源、蓄熱領域、ピストンを有するディスプレーサを含む高温側容器としても知られるディスプレーサ側とを有する。熱の差がスターリングサイクルエネルギー生成の基本である。従来技術のシステムおよびプロセスは空冷またはファンと周囲空気を用いた共通熱分散システム型の水冷を利用して、システムの圧縮側から熱を放射させる。
【００１３】
スターリングサイクル熱エンジンは、内燃機関、蒸気タービン、ガスタービンの代替のエンジン設計である。複数の設計のスターリング熱エンジンが開発され、従来技術で説明されている。内燃機関よりも高い熱力学的効率が得られるカルノー機能を備えるにもかかわらず、スターリングサイクル熱エンジンは過去においてあまり頻繁に使用されず、用途が非常に限られる。これは、特殊な製造能力の不足、特殊金属および合金の不足、設計の複雑さ、安価な可処分エネルギー入力、輸送手段に使用される際の内燃機関対スターリングサイクル熱エンジンの利用可能なエネルギーの種類、トルク回転エネルギー出力のエネルギー単位当たりのエンジン重量、熱エンジン始動時の困難さなど、調査期間中によく発生したいくつかの要因による。
【００１４】
理想的なスターリングサイクルは、作業流体に作用する以下の３つの熱力学的プロセスを含む。１）等温膨張−膨張空間とそれに関連する熱交換器が一定の高温で維持され、ガスが略等温膨張して、熱源から熱を吸収する、２）一定体積（等積または等容として知られる）熱除去−ガスが蓄熱器を通過し、そこで冷却されて、次のサイクルでの使用のために熱エネルギーを蓄熱器に移送する、３）等温圧縮−圧縮空間とそれに関連する熱交換器が一定の低温で維持されるため、ガスが略等温圧縮して熱を冷温シンクに排出する。理論上の熱効率は、仮想上のカルノーサイクル、すなわち熱エンジンによって取得可能な最高効率と等しい。
【００１５】
アルファ、ベータ、ガンマ型スターリングエンジンは当該技術において十分既知である。ガンマ型スターリングエンジンは、単にパワーピストンがディスプレーサピストンシリンダに並ぶ別個のシリンダに搭載されるベータ型スターリングエンジンである。しかしながら、同一のフライホイールとクランクシャフトに接続されている。２つのシリンダ内のガスは両者間を自由に流れ、単体を保持する。通常、この構造は低い圧縮比となるが、機械的にはより単純であり、多気筒スターリングエンジンにおいて使用されることが多い。
【００１６】
ガンマ型エンジンはベータ機と同様だが、異なるシリンダにディスプレーサとパワーピストンとを有する。このため、ディスプレーサシリンダと対応付けられる熱交換器と、ピストンと対応付けられる圧縮膨張作業空間との間が簡便に完全分離される。よって、アルファまたはベータ型エンジンよりも幾分大きな死空間を有する傾向にある。多気筒スターリングサイクルエンジンでは、シリンダが列で配置され、一方の列のシリンダが他方の列のシリンダとジグザグに配置され、第１列のシリンダの縦軸が第２列のシリンダの縦軸に対して斜めに配置される。
【００１７】
風力エネルギー技術は通常、風力からの運動エネルギーを機械エネルギーおよび／または電気に変換するために使用される。風力を抽出するため、風力タービンは、１セットの羽根と羽根に接続される回転翼シャフトとを有する回転翼を含むことができる。羽根に接続される回転翼上を通過する風により、羽根を動かして回転翼シャフトを回転させることができる。さらに、回転翼シャフトは、水のポンピングなどの機械的タスクを実行する機械システム、大気ガス分離圧縮器などに連結することができる。もしくは、回転翼シャフトは、回転エネルギーを電気に変換する発電機に接続して、消費者、商業／産業施設、および／または送電網に電力を供給することができる。
【００１８】
通常、太陽光エネルギー技術は、太陽からの放射光エネルギーを熱エネルギーおよび／または光起電電気に変換するために使用される。太陽光エネルギーを抽出するため、収集面および／または反射体（太陽光エネルギーを上記の太陽熱収集器表面に集中させる太陽熱技術と同様）は、収集面に衝突する太陽光エネルギーが光起電による電気エネルギーに変換される、あるいは生成される熱が直接使用、移送および／または貯蔵されるように用いられる。しかしながら、風の可変的性質と太陽光エネルギーの可用性が、ベース負荷および／またはオンデマンド発電、風力および太陽光エネルギーからの生成物および副産物を妨害する場合がある。たとえば、化学物質と熱技術を利用するエネルギー貯蔵は、風力および太陽光エネルギーから生成される電気、生成物、副産物の変動を補う、および／または民間および公共電力網における確実な電気／熱エネルギー供給を維持する必要がある。
【００１９】
通常、電解槽技術は、水ベースの導電性混合物内に置かれた電極を用いて電気エネルギーを変換し、水素と酸素を分離するために使用される。該プロセス（ｐｒｏｃｅｓｓ）は、伝導率を高めるのに電解質の添加物を使用する。水をばらばらの成分に分離させるため、陽極と陰極の一対の電極に正電圧と負電圧がそれぞれ印加されて、水素と酸素を分離し、その後、分離されたガスは貯蔵または追加物質のさらなる処理のために移動させられる。ハーバー・ボッシュはアンモニア生成技術である。予め貯蔵された水素が（処理空気すなわち圧力スイング吸着から得られた）窒素と、圧力容器内の適切な圧力および熱出力で触媒作用し、合成無水液体アンモニアを形成する。このステップはアンモニア合成ループ（ハーバー・ボッシュプロセスとも称される）３Ｈ２＋Ｎ２＝２ＮＨ３として知られる。従来技術のハーバー・ボッシュアンモニア合成プラントは、後に結合されて冷却塔で冷却される水素と窒素ガスの合成のために使用される生成熱を用い、アンモニアを冷却して大量の利用可能な熱エネルギーを生成する。この従来技術は追加エネルギーを用いて熱を除去し、貯蔵されるアンモニアを冷却するために効率性が低下し、製造コストが嵩む。
【００２０】
圧力スイング吸着（「ＰＳＡ」と称することもある）は、ガス生成物用の特別フィルタとふるいを用いて分子特性に応じた圧力下でガス混合物から特定のガスを分離する技術である。大気ガスの収集、加圧、分離は通常、窒素や酸素などの目的の特定のガスを抽出し、次のステップでの不活性ガス分離のための供給原料ガスを提供するために行われる。通常、ガス分離用の大気不活性原料ガスは熱蒸留プロセス（ｐｒｏｃｅｓｓ、方法）を使用して、アルゴン、ヘリウム、キセノン、およびその他の一般的に既知な大気ガスなどの個々の目的のガスを抽出する。特定のガス特有ガス抽出部分を備えるガスが各種用途にとって重要であり、輸送され、ガス状に処理され、適切な種類の貯蔵システム用に液状に再処理することができる。
【００２１】
直接太陽熱エネルギー生成技術として知られる現行の従来技術は以下の欠点を備える。
１．必要な空間が大きく、反射体面対地面比が制限される。これは、隣接する反射体の重複シャドウイング効果（入射または反射する日光が遮断される）を最小限にするように設計されたシステムにとって典型的な問題である。反射体パネル列間の距離とその方向は、年１回のみ（春分と秋分で２回）発生する空に対する太陽位置の特定に対して最適化することができる。反射体パネル面を最大限に利用するため、列の間には相当の距離を配する。このように、所与の熱出力に必要なフィールドの範囲は大きくなり、広範囲で高額な配管とその他のサービスインフラが必要となる。
２．鏡の線形長単位当たりの反射エネルギーが制限される。これは、反射体フィールドの面積を最小限にするように設計されたシステムにとって典型的な問題である。この場合、反射体の列は相互に均等に狭い間隔をおいて配置されることが多い。これらのシステムは、上記の遮断シャドウイング効果のために反射体領域の利用率が低い。
３．季節的にエネルギーが制限される。これは、浮いて回転する「ソーラーアイランド」コンセプトを含むすべての既知のシステムにとって典型的な問題である。この欠点は、集電器に対して反射体の位置が固定されることが原因である。この鏡の固定位置は、最適化されたとしても１年のうち１時間しか理想的ではない。１年の残りの時間、鏡は集電器間で最適化された分布を要する。
４．集電器および／または吸収体の効率が低い。既知の集電器システムは熱損失が大きいか、放射捕捉効率が低い。熱損失は高表面温度と高入射輻射束から生じる。非効率な集電および／または吸収体効率の根本的原因は、吸収体までの距離が比較的遠い集束鏡の不正確性である。たとえば、集電器および／または吸収体の活性な吸収体面は（最適値に）限定されなければならない。さらに、反射放射光を受ける最も近い集電器までの反射体パネルの距離は、利用可能な日光の最適エネルギーを捕捉できるように小さく維持する必要がある。
５．作動流体ループシステムの限られた流体安定性、低いターンダウン比と不十分な制御性。広い領域を長距離延在する水平の吸収体−配管のため、従来技術システムは圧力損失が非常に大きく、熱輸送の安定性と蒸気の品質制御が非効率である。凍結防止が限られているか、あるいは行われておらず、高速の水撃現象を起こしやすい。
６．構造の高コストと複雑さ。ＬＦＲ技術、特に小型ＬＦＲは他の技術と比較して最も簡易で費用効率が高いが、設置コストはまだ高く、改善の余地は大きい。
【００２２】
熱エネルギー貯蔵（「ＴＥＳ」）は、太陽熱、電気、および／または化学反応集電器システムから生成される高温および／または中間温での熱エネルギー移送流体を介して、および／または冷温熱エネルギー貯蔵への移送のために単独および複数の効用の冷却、冷却機、冷凍システムなどの冷却システムでの変換から提供することができる。また、熱エネルギーは、電気エネルギーから熱エネルギーへの貯蔵技術の方法として、加熱および／または冷却素子またはその他の用途プロセスからの移送を介して生成し、媒体への熱搬送を開始させることができる。熱エネルギーオンデマンドは、熱エネルギー生成サービスとして直接使用のために熱移送流体を汲み上げる、すなわち、暖房機器、給湯器、その他の熱集中用途を提供するＴＥＳシステムから利用可能である。このプロセスは、（１）スターリングエンジンおよび／または蒸気タービンなどの熱移送装置への流体、（２）熱集中用途、および／または（３）廃熱エネルギーの貯蔵および再利用のための二次的な熱移送液体を介して実行することができる。
【００２３】
電力網規模エネルギー貯蔵とも称される電力網バックアップエネルギー備蓄は、消費者のエネルギー電力網内で消費者電力網規模でエネルギーを貯蔵するために使用される方法を指す。エネルギーは、エネルギー生成要素からの生産量が地域エネルギー消費量を超過するときに貯蔵され、貯蔵されたエネルギーは、消費量が利用可能なベース負荷生成量を超過する、あるいはより高いベースラインエネルギー要件を確立するときに利用される。このように、エネルギー生産は瞬間的な消費要件を満たすようにドラスティックに増減させる必要はない。生産レベルは、エネルギー品質が高いまま、より一貫して安定したレベルで維持される。これが、エネルギー貯蔵ベースの発電所および／または熱エネルギーを、一定生産レベルで効率的かつ容易に操作できる利点である。
【００２４】
具体的には、光起電太陽光、太陽熱、風力タービンなどの電力網に接続された間欠的エネルギー源の使用は、電力網のエネルギー蓄熱からの恩恵を得ることができる。太陽および風力源から得られるエネルギーは性質上可変である、つまり、生産される電気エネルギー量は時間、曜日、季節、天気の可変性から発生するランダムな環境要因と共に変動する。エネルギー貯蔵を有する電力網および／または熱集約システムでは、風や太陽光から生成されるエネルギーに頼るエネルギー源は、電力網規模のエネルギー貯蔵を、間欠的エネルギー源のエネルギー生産量の増減に見合うように拡大および縮小させなければならない。よって、電力網のエネルギー貯蔵は、消費者が局地エネルギー生産量を、時間と共に変動するオンデマンドの局地エネルギー消費量に対応するように適合させることができる方法である。これは、エネルギー生産の効率向上とコスト低減、および／または間欠的エネルギー源の使用の統合および促進のために行われる。
【００２５】
一般的に、熱エネルギー貯蔵は、太陽集熱システムまたは電気的に生成された熱の投入によって収集された熱を貯蔵するために使用される高温移送および貯蔵媒体として融解塩混合物を使用する。貯蔵エネルギーは、利用可能なエネルギーの生成が不十分であるとき、あるいは極端な気象時に、発電する、あるいは用途およびプロセスに熱エネルギーを供給することができる。１年にわたって９９％の熱効率が予測されている。ＴＥＳシステムが示すように、貯蔵用の電気入力と電気出力（往復）の効率は、増強されたエネルギー回収システムを用いて７５〜９３％である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
したがって、主に風力、光起電太陽光、太陽熱、その他の再生可能エネルギー源から成るエネルギーによる安定した発電と関連して可変性および／または間欠性の軽減機構が必要とされる。また、熱エネルギー利用のための太陽光集熱からは十分な太陽光エネルギーを生成することができない。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
概要
本実施形態は、局地的な分散型エネルギー生成およびエネルギー貯蔵の技術に関する。さらに、本実施形態は、熱エネルギー生成用の太陽熱システムと、貯蔵された熱、電気、および／または化学および電気エネルギーを使用して加熱および冷却型の熱エネルギー集約用途のためにオンデマンドで電気および熱エネルギーを生成することに関する。また、本実施形態は、電気、化学、熱エネルギーの生成から成るその他のエネルギー生成および貯蔵システムの統合を可能にする。
【００２８】
本実施形態は、共通データインタフェースをサブシステムに組み込み、バックボーンネットワークを双方向的インテリジェント制御管理システムと相互接続する相補的コンピュータデータシステムを用いたエネルギー生成、処理、エネルギー貯蔵に関する。このシステムは、過去の使用量とコンピュータ予測されたエネルギー生成ニーズとに基づき、インテリジェントエネルギー供給を提供する。これには、監視システム、セキュリティシステム、ハードウェアおよび／またはソフトウェアを含む他製造業者の家電との互換性／接続性など、高レベルな機能との相互作用を含む。本発明は、発電用のエネルギー生成、蓄熱用の熱エネルギー、熱集約用途を提供する、柔軟な相互接続エネルギーシステムソリューションを実現する完全に統合された分散型再生可能エネルギーエコシステムとして使用されるように企図される。
【００２９】
本発明の実施形態は、人工知能インタフェースコンポーネント層を導入および拡張する。当該層は、装置自動システムを構築することと、電力品質分析、エネルギーコスト追跡、エネルギー需要制御、自動請求および報告のためのハードウェアおよびソフトウェアベースの電力監視、分析、制御システムを利用することを含むがそれらに限定されない。主要な目的は、短期的で非効率な代案に対して長期的な効率化およびコスト削減を実現することである。好適な実施形態は、監視、分析、制御素子を相互連結するインテリジェントインタフェースを含むことで、信頼性を向上させ、エネルギーの流れを管理し、消費者生産量を増加させ、コストと損失を低減する。
【００３０】
ＰＶ太陽光、熱、ＣＣＨＰハイブリッドシステムは本発明の統合化の基盤であり、従来の電気加熱システムに比べてエネルギーの無駄を大幅に低減することができる。また、本発明は、ＰＶ太陽光および熱併合施設のシェアを大きく拡大することができる。余剰熱からの廃棄物を低減するため、ＰＶ太陽光、熱、ＣＣＨＰシステムの生成および貯蔵から冷却用ＣＣＨＰ生成熱エネルギーを利用する吸収冷却機が提案されている。トリジェネレーションＰＶ太陽光システムは、従来のオンデマンド電力、加熱、冷却源に比べて多くのエネルギーを節減し、排出量を低減することができる。本発明のハイブリッド側面は複数の入力および出力と、高温、中間温、低温、冷温蓄熱である。
【００３１】
本発明の一実施形態はスターリングサイクル熱エンジンを使用する。この実施形態のスターリングエンジンは、外部の高温入力と新規の冷温外部低温入力とを含み、さらに大きな温度差を生成する。温度差が大きいほど、高温入力や、従来技術が有する移送損失、金属疲労や腐食、システムの低寿命などの問題を増大させずにエネルギー出力を増加させることができる。
【００３２】
たとえば、標準的な施設の高温入力４２６．６７℃（約８００°Ｆ）と低温では、夏期の周辺空気サンプル温度３７．７８℃（約１００°Ｆ）が３８８．８９℃（約７００°Ｆ）の温度差を生じる。しかしながら、本発明の改善された態様によると、同じ高温入力４２６．６７℃（約８００°Ｆ）だが−２８．８９℃（約−２０°Ｆ）の低温貯蔵装置からの低温入力により４５５．５６℃（約８２０°Ｆ）の温度差が生じることで、高温入力を増大させて同じ温度差を招く悪影響なしに、冷却器を動作させるシステム全体の出力効率を大幅に上昇させ寿命を延ばすことができる。
【００３３】
本発明は、内側容器と外側容器を安定化させる複数の類似の位置決め部材を備えるスターリングエンジンを利用する。これは、線形直列型「Ｖ」、ダブル「Ｖ」、「Ｗ」および／またはラジアルシリンダレイアウトで列を配置することによって実行される。ディスプレーサシリンダと圧縮シリンダ間を延在する位置決め部材を設けることによって、内側容器と外側容器を相互に強化して、薄壁容器の使用を可能にし、スターリングサイクル熱エンジンの重量と材料要件を低減しつつ熱効率を向上させる固定構造が取得される。
【００３４】
太陽熱はオンデマンド用に貯蔵する熱出力にとって十分であることが多いため、スターリングエンジンは貯蔵された熱エネルギーを発電用の回転エネルギーおよび／または回転エネルギー集中用途のために使用する。風力または光起電太陽光エネルギーを含めることで、主に局地消費用の電気エネルギーが生成され、余剰発電は蓄熱または公共電力網の供給用に移送される。余剰およびピーク発電は約９３％の効率で熱エネルギーとして貯蔵することができる。
【００３５】
本発明の一実施形態は、太陽熱と光起電（ＰＶ）素子の両方を有する太陽光エネルギーの主要なエネルギー生成源を企図する。ワット当たりのＰＶのコストと効率のため、ＰＶは主にセンサ、太陽追跡ポジショナモータ１４８にエネルギーを供給するバッテリの充電と熱捕捉流制御バルブシステムへの電力供給とに充てられる。ＰＶ電力のその他の機能は、局地ＰＬＣまたは制御、分析、監視システム用コンピュータを動作させることである。
【００３６】
太陽熱システムは、約５６５．５６℃（１０５０°Ｆ）で高温の融解塩流体から成る高温ループと、約１１０℃（２３０°Ｆ）で中間温の水／グリコール混合流体から成る第２のループの２つの別々の温度ループを有する。中間温度の流体の企図される比率は水４０％、グリコール６０％である。本発明の高温流体と中間温流体は、オンデマンドでの使用のためにそれぞれ対応する温度の貯蔵容器に移される。
【００３７】
高温貯蔵容器は、限定されない以下の一般的目的を含む。１）熱出力をアンモニア（ＮＨ３）プロセス（水素（Ｈ２）と窒素（Ｎ２）の分離のためのＮＨ３合成またはＮＨ３分解）に供給する、２）回転作用のためにスターリングエンジンに熱入力を供給する、３）電気出力生成のため回転作用を提供する、４）圧力スイング吸着モジュール（圧力スイング吸着空気ガス分離）を動作させるため回転作用を提供する、５）逆浸透浄水および高所貯水のためポンプを動作させる回転作用を提供する、６）ガス液化のためスターリング冷却機を動作させる回転作用を供給する、７）熱出力を回転作用のため蒸気タービンの蒸気生成に供給する、８）電気出力の生成のため回転作用を提供する、９）その他の各種高温用途のために熱入力を供給する。
【００３８】
中間温貯蔵容器は、限定されない以下の一般的目的を含む。１）所要の熱入力を吸収冷却に供給する、２）温水加熱機能を提供する、３）暖房機器用の熱入力を提供する、４）初期始動中の高温熱ループ用の余熱を提供する、５）所要の熱入力をガス蒸留および／または浄水に提供する、６）スターリングエンジン、蒸気タービン、各種熱プロセスからの廃熱用の中間温貯蔵容器を提供する、７）その他の各種中間温用途のための熱入力を提供する。
【００３９】
低温貯蔵容器は、限定されない以下の一般的目的を含む。１）地熱および／または受動加熱用途に所要の熱入力を提供する、２）歩道および駐車場の暖房を提供する、３）暖房機器用の熱入力を供給する、４）初期始動時の中間温熱ループ用の余熱を提供する、５）ガス蒸留および／または浄水サブシステムに所要の熱入力を提供する、６）スターリングエンジン、蒸気タービンおよび／またはその他の各種熱プロセスからの廃熱用の低温貯蔵容器を提供する、７）その他の各種低温用途のために熱入力を提供する。
【００４０】
冷温貯蔵容器が、限定されない以下の一般的目的を有する。１）スターリング熱サイクルエンジンの冷却側面で使用される熱入力を提供する、２）スターリングクライオクーラシステムの冷却側面で使用される熱入力を提供する、３）能動または受動冷却システムにおける空調で使用される熱入力を提供する、４）ガス分離用の蒸留プロセスで使用される熱入力を提供する、５）その他の各種低温および冷却用途のための熱入力を提供する。
【００４１】
電力網を向上させるアプローチとして、上述のエネルギー貯蔵は本発明のＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）を含める。上述したように、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）は、本発明による電子監視、識別、エネルギー生成、ベース負荷エネルギー反応、エネルギー供給、制御素子である。現行の従来技術の電力網は生成源がオンデマンド消費者ニーズに対応できるように設計開発されていないが、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）ベースのスマートグリッドは風力エネルギーや太陽光エネルギーなどの間欠的電力源からの使用量をオンデマンドで変更するように設計することができる。さらに、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）は、電気および／または熱集約システムの両方に消費者電力網用の貯蔵エネルギーを放出することによって安定化される。エンドユーザの負荷は、ピーク使用期間中の始動のために事前に予想され、時間が指定されている。さらに、エネルギーコストはピーク期間と非ピーク期間とのあいだで動的に変動する可能性があり、非必須の高エネルギー負荷の切断と制御アプリケーションの起動が同時に発生しないように促す。
【００４２】
もう１つの改良点は、消費者電力網規模の蓄熱のために電気的に得られた熱生成を介して、消費者電力網規模の剰余エネルギーを利用することである。これにより、数百、もしくは数千キロワット時、さらには数十メガワット時、および需要に応じてさらにずっと多くのオンデマンドで利用可能なエネルギーを貯蔵することができる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明は、消費者電力網規模の熱エネルギー貯蔵として余剰の風力および／または光起電太陽光電気エネルギーを貯蔵することができる。熱エネルギーとして貯蔵される余剰電気エネルギーは、消費者電力網ベース負荷用のエネルギー生成のために活動中またはオンデマンドのエネルギー源として利用する、あるいは負荷安定性、電圧安定性、局地的消費者電力網の効率に関する高ピーク需要の負荷ニーズを満たすために使用することができる。また、本発明は、エネルギー生成、蓄熱維持熱生成、電力網ベース負荷、中間負荷ピーク支援のためのオンデマンドエネルギー源として使用することができる、あるいは負荷安定性、周波数整合、電圧安定性、電力網効率に関する高ピーク需要負荷ニーズを満たすために使用することができる局地オンサイト熱および地熱エネルギー貯蔵の完全な統合である。
【００４４】
本発明は、重複するサブシステムの必要性を完全に排除して、複製システムおよびサブシステムを省略することによって部品数と余分なエネルギー使用量を低減する。従来技術は主に、装置効率の向上と製造コストの低減への努力に依存していた。これらの方法は有益ではあるが、この種の開発にとって典型的な漸進的向上のせいで範囲や効果が制限されていた。また、従来技術は、徹底的かつ根本的な革命的変化よりも、穏やかな進化的改変に重きを置いていた。
【００４５】
本発明は、熱および地熱貯蔵素子に太陽熱、風力、光起電太陽光を組み込む点で他の従来技術と異なる。本発明は、重複要素およびプロセスを排除することによってエネルギー入力要件を低減しつつ、発電、熱用途エネルギー用の熱、低温要求用途用の低温を通じた上記統合により他の従来技術システムと異なる。従来技術は追加エネルギー入力を使用して熱を除去することで、消費者の仕切られた領域内で直接的または受動的な方法で領域を冷却するためにエネルギーの使用効率を低下させる。一方で、本発明は有益な作用のために熱エネルギーを利用する。本発明は発電プロセスから生じた廃熱を入力エネルギーとして、単独または複数の効用の冷却、冷蔵、冷凍、蒸気、圧縮冷却プロセス、浄水、脱塩、温水機器プロセス用の熱源に利用することで、不十分な設計のためにエネルギー損失および非効率を生じる従来技術と比較して、利用可能なエネルギーを使用する追加の恩恵をもたらす。
【００４６】
本発明はその他の従来技術、特に、容器内に水と水酸化カリウムＫＯＨの混合物を使用し、混合物内の２つの電極に直流を印加して水素と酸素を分離させるアルカリ水素電解槽と異なる。本発明は、その他の従来技術のハーバー・ボッシュアンモニア合成プラントおよび類似の装置と異なる。本発明は、抵抗を減じて効率を向上させることのできる他の従来技術の生成／再生システムおよび類似の装置と異なる。
【００４７】
本発明の特徴と機能の基本的アプローチを備えた完全なシステムは、モジュール式高度インテリジェント商業エネルギーシステム（「ＭＡＩＣＥＳ」）として知られる。ＭＡＩＣＥＳは、分散型電気、化学、熱エネルギー、電気、化学、熱エネルギーを保存する局地的貯蔵、供給の安全性のための基盤を成す。
【００４８】
本発明の目的は以下を含むが、それらに限定されない。
【００４９】
本発明の第１の目的は、オンデマンド利用のために局地生成および局地エネルギー貯蔵を使用して高額な商業用電力網で計量されるエネルギーの使用量を削減することによって、利用可能な消費者電力網エネルギーを増大させることで地域消費者電力網を大幅に強化することである。
【００５０】
本発明の第２の目的は、利用可能な局地エネルギー生成および貯蔵をプライムタイムの電力網使用の低減のために利用して、非プライムタイムのエネルギー生成およびエネルギー消費をより効率的にする装置を提供することである。
【００５１】
本発明の第３の目的は、複数のコンポーネントが相互にアプリケーションで関連付けられ接続されて、効率と発電機能を向上させる装置を提供することである。これは、構成プロセスを組み合わせて熱ライン損失と電力ライン損失を低減することと、装置素子サイクルと熱および電気エネルギー電力需要のアプリケーションを組み合わせることでエネルギーコンポーネントの非効率な損失を低減することによって実行される。
【００５２】
本発明の第４の目的は、システムコンポーネントの不都合な重複する製造および材料要件を低減することである。
【００５３】
本発明の第５の目的は、ハイブリッド統合および生成の向上により、コンポーネントの数と領域使用要件を低減し、システムコンポーネント設置コストを考慮に入れて生成されるエネルギーの割合を大幅に増大させることである。
【００５４】
本発明の第６の目的は、個々のコンポーネントアプリケーションおよびプロセスのオンデマンド生成により非効率に増大した起動／切断エネルギー要件に対して、高温および低温熱エネルギーの蓄熱を利用したオンデマンド利用を提供し高効率を実現することである。
【００５５】
本発明の第７の目的は、エネルギー生成、貯蔵、コンポーネントおよび領域冷却および／または加熱要件を単独の直接受動システムソリューションに含めることであり、その他のプロセスの廃熱からの熱エネルギーをリサイクルして、効率を高め、システムエネルギー入力要件を低減することである。
【００５６】
本発明の第８の目的は、直接的かつ受動的な方法の閉ループ冷却システムにおいて貯蔵された水を使用するために再生廃熱エネルギーをリサイクルして、サブシステム要件およびメンテナンスを削減することである。
【００５７】
本発明の第９の目的は、入力エネルギー要件を低減しつつ、地下水および廃水の再利用のために再生廃熱をリサイクルすることである。
【００５８】
本発明の第１０の目的は、入力エネルギー要件を低減しつつ、脱塩での使用のために生成された廃熱をリサイクルすることである。
【００５９】
本発明の第１１の目的は、入力エネルギー要件を低減しつつ、蒸留のために使用される再生廃熱をリサイクルすることである。
【００６０】
本発明の第１２の目的は、入力エネルギー要件を低減しつつ、オンデマンドで利用可能な使用および貯蔵用の水を加熱するために再生廃熱をリサイクルすることである。
【００６１】
本発明の第１３の目的は、地域の未処理水源または汚染された公共水道から飲み水を提供することである。
【００６２】
本発明の第１４の目的は、熱エネルギーを貯蔵して、大規模に実現可能な消費者向け大量エネルギー貯蔵を可能にすることである。
【００６３】
本発明の第１５の目的は、局地的ベース負荷電気エネルギーへの変換のために蓄熱エネルギーを使用することである。
【００６４】
本発明の第１６の目的は、オンデマンド利用のために局地熱用途に変換するため蓄熱エネルギーを使用することである。
【００６５】
本発明の第１７の目的は、電気および熱エネルギーへの変換のために貯蔵された化学エネルギーを使用することである。
【００６６】
本発明の第１８の目的は、電気および熱生成のための二酸化炭素排出量を低減することである。
【００６７】
本発明の第１９の目的は、局地的エネルギー消費のための二酸化炭素排出量を低減することである。
【００６８】
本発明の第１２の目的は、生成、貯蔵、再生用の局地的再生可能エネルギーエコシステムを可能にすることである。
【００６９】
また、その他の目的は図面と以下の説明から自明になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明による電気プロセスの一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【図２】図１の実施形態に係る出力を示すフローチャートである。
【図３】本発明による層状蓄熱容器の一実施形態の１つ以上の例を示す概略図である。
【図４】本発明による太陽熱プロセスの一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【図５ａ】本発明によるシリンダのスターリングエンジンブロックの一実施形態の１つ以上の例の概略全体図である。
【図５ｂ】本発明によるデュアルピストンを備えた単スターリングエンジンの一実施形態の１つ以上の例の端部断面を示す概略図である。
【図５ｃ】本発明によるエンジン設計を拡大縮小するのに必要な変更のみを加えた単スターリングエンジンの端断面の一実施形態の１つ以上の例を示す概略図である。
【図６ａ】吸収体フィールドユニット（「ＡＦＵ」）と２つのデュアル集電器ユニット間に配置される反射体パネルの一実施形態の１つ以上の例の概略図である。ＡＦＵと反射体パネルは、デュアル集電器ユニットに対する太陽の見かけ上の角度に関して図示されている。反射体パネルの位置と配向は最大反射エネルギーを得るために最適化されている。図６ａは反射体パネルを移動させる搬送装置も示す。図６ａは、追跡機構の「移動および回転」動作も示す。
【図６ｂ】本発明による太陽熱集電器と太陽光起電装置の一実施形態の１つ以上の例の概略図である。
【図６ｃ】本発明による集電機の超軽量ケーブルトラス橋構造の一実施形態の１つ以上の例の全体および一部の細部を示す概略図である。
【図７】本発明による水素エネルギー再生可能型エネルギーステーション（「ＨＥＲＯＥＳ」）の一般的接続を示す一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【図８】一実施形態に係る多効冷凍プロセスの一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【図９】本発明による再生可能エネルギーアルミニウムプラント（「ＲＥＡＰ」）および再生可能エネルギー鋼鉄プラント（「ＲＥＳＰ」）の一般的施設連結の一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【図１０】本発明による改良されたスマートグリッド、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）層の一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
以下、統合制御システム（「システム」とも称することがある）を備えたハイブリッドトリジェネレーションシステムベースのマイクログリッドの一実施形態を詳細に説明する。以下の説明は、当業者が本発明のプロセスを実行できるように提示され、具体的な用途および要件の下で提供される。当業者にとっては開示する実施形態の様々な変更は容易に自明となり、本願に定義する一般的原理は本発明の精神と範囲を逸脱せずに他の実施形態および用途に適用することができる。よって、本発明は示される実施形態には限定されず、本願に開示する原理および特徴に一致する最大範囲に従うべきである。以下の説明は、好適な実施形態の例示を提供する添付図面を参照して行う。しかしながら、このような実施形態は本発明の全範囲を示すものではない。発明者が自らの発明とみなす主題は、本願の請求項において具体的に指摘され明瞭に請求される。
【００７２】
図面を参照すると、図１は、本発明による電気プロセスの一実施形態の１つ以上の例のフローチャートである。該プロセスは、風力１０４、光起電用の太陽光１０７、太陽熱１０６、地熱１００、水力１０２、エネルギー貯蔵サブシステム１１０、および／または公共電力網１０８を含むがそれらに限定されない１つ以上のエネルギー源を利用する。公共電力網１０８を除く上述のリストは、本発明の再生可能エネルギー源１１２から成る。再生可能エネルギー源１１２はエネルギーを民間電力網１０９に供給し、次いで発電機１１４および／またはスターリングエンジン１１６を介して利用可能な仕事を生成するために使用することができる。公共電力網１０８は、高温蓄熱容器１１８の熱を再加熱または保持するシステム内で、民間電力網１０９がエンドユーザの電力需要に対して不足する場合のバックアップエネルギー源として使用される。上記スターリングエンジン１１６は、再生可能エネルギー源１１２および高温蓄熱容器１１８からの１つ以上の熱エネルギーを利用して、有用な作業および／または電気エネルギーを生成する。
【００７３】
本発明は、共有インテリジェント双方向エネルギー生成システム１７８とインテリジェント機械学習システムとを備えたエネルギー生成、処理、移送、貯蔵用のコア再生可能エネルギー装置１１０を備える。開示する実施形態は、熱エネルギーを生成する、あるいは冷温蓄熱用の冷却機および／または冷却プロセス１２４と通信するプロセスを提供する。太陽光１０６、１０７は太陽集熱システムによって収集することができ、風力１０４は風力タービンによって収集することができ、地熱電気１００は、地熱電力プラントから収集され、水力電気１８２は水力発電源、または利用可能な電力網１０８エネルギー源に接続される電力網１０８から収集することができる。
【００７４】
再生可能電力１１２のコストを低減する、および／または信頼性を高めるため、図１のシステムは再生可能エネルギー生成からのエネルギーを貯蔵し、その後、電力需要に基づき、貯蔵エネルギーから電気、熱、水素、不活性ガス抽出物、アンモニアの形状でエネルギーを生成することができる。まず、エネルギーは、バッテリなどの化学物質貯蔵システム、水素、アンモニア１８３、その他の貯蔵されるガス（たとえば、アルゴン、ヘリウム、ネオンなど）内に貯蔵することができる。
【００７５】
第２に、エネルギーは、高、中、低熱流体（たとえば、融解塩など）内の熱として、または冷温蓄熱１２４（たとえば、氷、位相変化物質）として貯蔵することができる。さらに、高温、中間温、低温、冷温作業流体は断熱貯蔵容器に入れて、貯蔵された流体および／または材料として短期間熱エネルギーを保持する、および／または外部熱出力を使用して使用可能な熱エネルギーを保持することができる。低熱容量作業流体は断熱貯蔵容器に入れて、貯蔵された低熱容量流体内の熱を短期間保持する、および／または外部熱出力を使用して使用可能な低熱容量流体機能を保持することができる。
【００７６】
貯蔵エネルギーから発電するには、化学物質伝達機構は、貯蔵容器１１０から化学物質を選択的に移送して、オンデマンドでエネルギーを生成することができる。また、熱伝達機構エネルギー生成により、システムは蓄熱容器１１０からの熱を選択的に移送してオンデマンドでのエネルギー生成を提供することができる。変換なしの熱エネルギーは、スターリングエンジン１１６の熱エネルギー入力を開始するのに使用することができる。いったん熱が移送されれば、熱は作業流体を沸騰させて（たとえば、作業流体の低沸点のため）、タービン１７６の回転翼羽根を回転させるのに用いられる蒸気および／または水蒸気を生成することができる。タービン１７６および／またはスターリングエンジン１１６は、ポンプまたは圧縮器に回転および／または線形エネルギーを供給する、および／または熱集約用途に熱エネルギーを供給するなど、負荷またはその他の用途に電気を供給するため発電機１１４を駆動するのに使う使用可能な作業エネルギーを生成することができる。
【００７７】
このような貯蔵された再生可能エネルギーからのエネルギーのオンデマンド生成は、他の発電所の運転と関連するコストをさらに低減し、再生可能エネルギー１１２からのエネルギー生成の変動を埋め合わせることができる。同一ラインに沿って特殊流体に連結される機械素子（たとえば、回転伝達機構、線形伝達機構、回転翼羽根、および／またはガス／作業流体式ピストン）と摩擦を利用してエネルギーを貯蔵することで、バッテリおよび／または環境および地域に特定される揚水式発電所などの従来のエネルギー貯蔵機構よりもコストを節減する。言い換えると、図１のシステムは、再生可能エネルギー１１２を用いることで、電気、水素、アンモニアの有効で経済的および／または確実な生成、不活性ガスの処理、その他の熱集約用途を簡易化する。
【００７８】
熱エネルギーの生成は、生成入力の変動が高ネルギー生成中に生産量を最大化する固有設計の改変により許容可能であり、低生成能力期間中の入力制限に見合うように下方に縮小する、あるいは待機モードに設定することができるという前提に基づく。しかしながら、再生可能エネルギー１１２技術の生成出力は、環境上の変化や有効な動作の変動により変化する場合がある。さらに、このような変動は、再生可能エネルギー１１２生成技術がエネルギー生成とエネルギー需要（たとえば、電力網需要、熱アプリケーションおよびコンポーネント）とのバランスを取ることを阻む場合がある。その結果、システムは、電力需要の変化または再生可能エネルギー供給量の変動に応じて他の形のエネルギー（たとえば、水素、アンモニア、熱、石炭、天然ガス、水力発電１０２、原子力）から電力供給を受ける発電機１１４の動作および／または切断にかかるコストを負担する。好適な実施形態は、ハイブリッド風力エネルギー生成システム１０４と太陽エネルギー生成システム１０６とを相互接続することによって、電気、熱、化学物質の相互作用とエネルギー変換を促進することで実現される。もしくは、地熱１００、水力発電１０２、その他の電力網１０８のエネルギーを結合した入力源に置き換えることができる。好適な実施形態の効率性と費用効果は、例示のエネルギー生成、すなわち、廃熱回収システムを含め、再生エネルギーを現実化し利用可能なシステムリソースすべてを用いて最大限の恩恵をもたらすハイブリッドエネルギー生成システム１７８を介して実現される。インフラの利用率を最大化してエネルギーコストをできる限り最小化することは、重複する不要なプロセスを削減しつつ、資本集約型の固定資産を貨幣化することによって達成される。本発明は、投資資本の出費に対する収益を強化することで投資資本要件を実質上低減する。
【００７９】
図２は、一実施形態に係る熱エネルギー伝達機構を示す。上述したように、熱エネルギー伝達機構は、中間温貯蔵容器１２０または低温貯蔵容器１２２から作業流体への熱エネルギーの選択的移送、および／または冷温エネルギー貯蔵容器１２４への伝達のための吸収冷却プロセスと組み合わせた使用を可能にする。熱エネルギー伝達機構および／または装置は、断熱管などの断熱素子を含むことができる。伝熱素子は、金属面、マニホルド、伝熱ロッド、ラジエータ、および／または熱エネルギー伝達機構を助けるその他の構造を含むことができる。逆に、断熱素子は、真空断熱パネルおよび／またはその他の断熱材または構造を含むことができる。
【００８０】
開示する実施形態は、発電と熱利用という主目的のために電気および熱エネルギーを生成するシステムを提供する。動作中、該システムは風力１０４と太陽光１０６エネルギーのハイブリッド型混合を利用して、日中と夜間の電気および熱エネルギー生成を最大限にする。内部産業用利用のためにまたは外部電力網エネルギー供給源としてイントラグリッド１０９に接続される。さらに、地熱１０２、水力発電１０２、または外部源を電気エネルギー生成入力のために使用することができる。次に、生成されたエネルギーは水素電解槽に結合することができる。この段は入ってくる水と電流を使用して、水を水素および酸素ガスに分離する。分離された水素と酸素ガスは浄化器と乾燥器段に移動させられて不純物を除去し、関連する一時貯蔵システムへの移送準備に入る。これにより、貯蔵されたガスを供給原料としての出力に使用する、および／または次の段で追加の生成物および副産物に処理することができる。
【００８１】
本発明は、熱エネルギー１０６を収集するために配備される集中太陽集熱システム１２６を含む。熱エネルギー１０６は移送され、高温蓄熱容器１１８、中間温蓄熱容器１２０、または低温蓄熱容器１２２に貯蔵されて、冷温蓄熱容器１２４で処理される。夜間や集熱が不十分な間、システムは、アプリケーション使用または電気エネルギー生成のために蓄熱容器１１８、１２０、１２２、１２４の栓を開ける。もしくは、熱生成および熱エネルギー回収のために、地熱１００およびその他の電気／化学反応を利用することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、熱エネルギーの特殊流体から作業流体への選択的移送は、特殊流体と作業流体間に断熱素子を配置して特殊流体に熱エネルギーを保持することと、断熱素子の場所を変えて伝熱素子を通じて特殊流体から作業流体へ熱を移送することとを含む。高温蓄熱容器１１８、中温蓄熱容器１２０、低温蓄熱容器１２２、冷温蓄熱容器１２４はオンデマンドで熱エネルギーを供給するという主目的のために配備される。この熱エネルギーは、熱用途と熱電気変換用途に必要とされる。また、該システムは冷却システムおよび冷却機システムを配備して、局地冷温蓄熱容器１２４、さらに能動および受動使用のための冷温要件に適切な圧力と冷却を提供する。高温蓄熱容器１１８、中温蓄熱容器１２０、低温蓄熱容器１２２、冷温蓄熱容器１２４は、移送流体または作業流体を用いて熱交換に必要な熱エネルギーを供給し、タービンシャフトを回転させて回転作業エネルギーおよび／またはスターリングサイクル１１６、ガスおよび／または作業流体の膨張収縮を引き起こし利用可能な作業を行わせる。また、作業流体は利用可能な作業を提供するために、ガスおよび／または作業流体を膨張収縮させて、ピストンに力を印加して運動を引き起こすことができる。いくつかの実施形態は、プロペラ、インペラ、１つ以上のパドル、および／またはドラムのうち少なくとも１つを含む回転翼羽根を使用する。いくつかの実施形態は、低沸点の作業流体を使用する。その後、作業流体は、エネルギーリサイクルのために再利用され、システム再利用のために処理され得る。
【００８３】
いくつかの実施形態では、該システムは、特殊流体に熱を保持するために断熱容器１１０または地熱貯蔵容器も使用する、いくつかの実施形態では、伝熱素子は、金属面、マニホルド、伝熱ロッド、および／またはラジエータなどの伝熱率の高い素子である。最後に、該システムは、伝達された回転エネルギーを使用して負荷またはトルクを生成する。
【００８４】
また、いくつかの実施形態では、移送された特殊流体が作業流体を沸騰させる。その後、圧縮ガスおよび／または作業流体を露出させて、ガスおよび／または作業流体を膨張させ、ピストンに力を印加し、その運動をクランクシャフト２０２上の回転または線形発電機１１４の線形運動に変えることによってシリンダ内の回転エネルギーを生成することができる。回転エネルギーまたは線形運動は、機械リンク機構、斜板、圧縮器、ポンプ、発電機１１４などの用途や要素の駆動に使用される。
【００８５】
生成された回転および／または線形作業エネルギーは、シャフト回転および／または線形運動を印加して、入ってくる水を加圧し、たとえば脱塩、蒸留、および／または逆浸透から成る浄水システムを通過するのに必要なエネルギーを水ポンプに供給するように利用され、その後は、オンデマンド使用のために追加のエネルギー貯蔵容器１１０であるタンクおよび／または水タンクに貯蔵される。次に、生成された回転および／または線形作業エネルギーは、回転および／または線形エネルギーを提供して圧縮器を駆動し、十分な作動圧力を確立するために使用することができる。この結果、適切に機能する圧力スイング吸着が実現される。このプロセスにより、ガスおよび／または作業流体をオンデマンド使用のための追加エネルギー貯蔵容器１１０として分離、隔離、貯蔵することができる。最後に、生成された回転および／または線形作業エネルギーは、回転および／または線形エネルギーを提供して発電機１１４を駆動し、電気エネルギーを生成するために使用することができる。次に、このエネルギーは、システムでの使用、および電解槽に電力を供給することによる追加の水素生成のために内部電力網１０９に移送させることができる、あるいは電力網エネルギーとして利用可能にすることができる。
【００８６】
図３は、層状熱エネルギー貯蔵容器１９６を示す。本発明の一実施形態によると、中間および低熱エネルギー流体は同じ貯蔵容器１１０に貯蔵することができる。別個の中間温および低温ループインタフェースと共に温度躍層２００を使用することは図示されるように必須である。本発明の一実施形態では、中間温貯蔵部１２０は約１５．５６℃（６０°Ｆ）で流体を保持し、低温蓄熱容器１２２は約４．４４℃（４０°Ｆ）で流体を保持するとされる。図３に示す具体的なステップの構成は、実施形態の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【００８７】
図４は、一実施形態に係る太陽熱プロセスのフローチャートである。図示される断熱容器は、熱容量流体への再生可能エネルギー１１２の貯蔵を簡易化する。その後、貯蔵エネルギーは、エネルギー要件に関連付けられるエネルギー需要に基づき電気および熱エネルギーを生成するのに使用することができる。貯蔵エネルギーから発電するため、貯蔵装置１１０内の特殊流体の化学物質および／または熱を作業流体に選択的に移動させることができる。たとえば、断熱素子を特殊流体と作業流体との間に配置して、特殊流体に熱を保持させることができる。太陽光１０６および／または風力１０４が少ないとき、および／または電力需要が大きいとき、断熱素子は、金属面、マニホルド、伝熱ロッド、および／またはラジエータなどの伝熱素子を介して特殊流体から作業流体へ熱を移送するように再配置することができる。最後に、移送された作業流体は発電に使用される。より具体的には、特殊流体から作業流体への熱が作業流体を迅速に沸騰させるように、低沸点の作業流体を使用することができる。その後、沸騰した作業流体からの水蒸気および／または蒸気を使用してタービンの回転翼羽根を回転させることができる、タービン１７６を使用して利用可能な作業のための回転装置を駆動させることができる、および／またはスターリングエンジン１１６を使用して、熱エネルギーから直接有用な作業を生成することができる。
【００８８】
図５は、本発明のスターリングエンジン１１６の好適な実施形態を示す。図５ａはスターリングエンジン１１６ブロックの全体を示す。図５ｂは、本発明を組み込んだ２つのピストンを備えた単スターリングエンジン１１６の端断面図である。最後に、図５ｃは、本発明を組み込んだ単スターリングエンジン１１６の端断面図である。クランクシャフト２０２は接続ロッド２０４によってリストピン２０６および拡張ピストン２０８に装着され、前記拡張ピストン２０８は拡張シリンダ２１０内で往復運動する。拡張シリンダ２１０の周囲では、熱交換器２１２、再生器２１４、冷却器２１６、シースシリンダ２１８が直列接続される。冷却器２１６の下方には、前記冷却器２１６と圧縮シリンダ２０９を接続するダクト２２０が設けられる。圧縮シリンダ２０９内で、転置圧縮ピストンが往復運動する。図５ｂにしめすように、圧縮ピストンは、円筒状外側部、リング２２２、円錐部２２４、ヘッドガスケットシール２２６を備える。
【００８９】
本発明の好適な実施形態は主に、単エンジン２気筒ガンマ型スターリングエンジン１１６用の転置圧縮ピストンおよびシリンダから成る。これにより、線形「Ｖ」、ダブル「Ｖ」、「Ｗ」および／またはラジアル型ピストン構造のエンジン構成が可能になる。クランクシャフト２０２の１接続部は１つ以上の接続ロッド２０４に装着することができ、同様に並べられるシリンダのそれぞれに入る。高温側シリンダ２１２において、従来の拡張ピストン２０８はリストピン２０６によって対応する接続ロッド２０４に装着される。エンジンの熱交換器２１２、再生器２１４、冷却器２１６は、このシリンダ２１２の周囲に環状に配置される。
【００９０】
圧縮側シリンダ２０９において、従来の圧縮ピストンはリストピン２０６によって対応する接続ロッド２０４に装着される。エンジンの冷却器２１６は内部に、および／またはこのシリンダの周囲に環状に配置することができる。拡大縮小中、冷却器２１６は圧縮シリンダ２０９と並列して移動させることができる。本発明の目的は、熱チャンバを大量生産品と同一の設計とすることができながらも、低いエネルギー入力要件を維持しつつ材料使用要件と重量を低減するようにシリンダ壁が薄く維持される一般的なスターリングサイクルを開発することである。多気筒スターリングサイクルでは、熱エンジン１１６のシリンダが２列に配置される。一方の列のシリンダは他方の列のシリンダに対してジグザグに配置され、一方の列のシリンダの長手中心軸は他方の列のシリンダの長手中心軸の斜めに位置する。列とレイアウトは、複数列の星形エンジン設計を含むまで追加することができる。
【００９１】
クランクシャフト２０２の近傍には、圧縮ピストンリング２２２および／またはシールが乗る大孔を備えたシリンダの内側部が位置する。接続円錐部２２４は、冷却器２１６に直接連通する口を組み込む。円錐部２２４の下方には、シリンダを拡張させて長い接続ロッド２０４を収容する圧縮シリンダ２０９の（前述した大孔に対して）小孔外側部が位置する。このシリンダの外側部は、角張った接続ロッドのためにピストンの側部荷重を吸収する。本願で使用する「内」および「外」は、素子とエンジン１１６の中心であるクランクシャフト２０２との近接度を指す。圧縮ピストンは転置されるため、シールがリストピン２０６と側部荷重ベアリング部よりもクランクシャフト２０２から遠ざかる。ピストンは、荷重摩耗領域を有するリング２２２および／またはシールを担持する大径内側部を備える。円錐部２２４はピストンの内側部と、封止リストピン２０６および摩耗領域を含む小径の円筒状外側部とを接続する。十分な間隙またはその他の解放手段がピストンの外側部に設けられて、シリンダの全部品の間で作業ガスの通過を常に制限しつつ潤滑を可能にする。圧力解放とガス移送は、圧縮側シリンダへの移送のために解放通路熱変換器２１２と直列型再生器２１４を通じて実行される。この解放手段は、シリンダピストン内ではなくシリンダの外部に配置することができる。このピストン外側部の径は、自身と解放手段との死空間比を最小限にするため、耐えるべき荷重に一致させてできる限り小さい許容誤差で間隙を小さくされる。良好な動的バランスを促進するため、圧縮ピストンは拡張ディスプレーサピストン２０８と同じ質量を有するように設計されて、クランクシャフト２０２上で重量の釣り合いをとる。シリンダ列の相殺するジグザグ配置により、システムは共通クランクシャフト２０２を使用することができ、シリンダブロックは連続的に挟まれるシリンダブロックとなってすべてのシリンダを収容、支持、および／または包含することができる。
【００９２】
本発明の好適な実施形態は、ヘッドおよび複数のシリンダを単独の製造ピースブロックとして使用するために、ディスプレーサ側シリンダの並列配置を採用し、線形オフセット対角シリンダ列でより高出力のエンジンを可能にし、単クランクシャフト設計を採用しつつ大量生産機能を強化する。また、本設計のディスプレーサシリンダと圧縮シリンダ２０９の配置では、シリンダ毎に別のヘッドを実現することができる。
【００９３】
別の方法は、回転ディスクバルブ（モータサイクル２サイクル内燃機関ではより一般的である）を、圧縮シリンダとディスプレーサシリンダのガス交換通路間に圧力増強のために設けることができる。これは、ローブまたはカムシャフトを追加して、クランクシャフト２０２を使用する標準的な内燃機関型吸気／排気バルブを備えたシリンダ間の通路内で交換が行われるときにも達成することができ、バルブを開放するタイミングと作用を提供する。
【００９４】
シリンダ、ピストン、ピストンリング２２２、ロッドベアリング、おそらくはバルブ用のエンジン注油システムは、エンジンのあらゆる部品に正確な温度と圧力で清浄なオイルを分配するように設計される。オイルは油受けを出てシステムの中心であるポンプに吸入され、オイルフィルタを通って圧力を主ベアリングとオイル圧ゲージに印加する。オイルは主ベアリングから送り孔を通過してクランクシャフト２０２の経路に入り、接続ロッド２０４のビッグエンドベアリングに至る。シリンダ壁およびピストンピンベアリングは、回転クランクシャフト２０２によって分散されたオイルにより潤滑させられる。余分なオイルはピストンの下側リング２２２によって掻き取られる。その後、余分なオイルは油受けに排出され、そこで熱が周囲の空気に分散される。クランクシャフトジャーナルが摩耗すると、エンジンは低オイル圧となり、エンジン内部全体にわたってオイルを放出する。余分な飛沫がリング２２２を覆って、オイルがシリンダの圧縮室に漏れ出す可能性がある。摩耗したベアリング面は、単にベアリングインサートを交換することによって再生させることができる。十分なオイルがシステム全体に行き渡ると、流体潤滑が発揮されて、ベアリング摩耗の進行を抑制し、シリンダ壁の摩擦および加熱を低減させる。
【００９５】
ピストンリング２２２は摺動シールを提供して、圧縮および燃焼中の燃料／空気混合物の漏れと、燃焼室から油受けへの排出を防止する。第２に、オイルが油受けから圧縮領域に漏れ出し、作業流体を汚染することも防止する。十分に保守されたエンジンのピストンリング２２２とシリンダ壁間には流体潤滑が存在する。流体潤滑は最小限の摩擦と摩耗に不可欠である。ピストンが方向転換を止める上死点と下死点では、膜厚が最小となり、混合潤滑が生じる。
【００９６】
ピストンからシリンダへの良好な伝熱を実現するためには、最適な封止、最小のオイル漏れ、最小の膜厚が望ましい。膜厚はいわゆるオイル制御リングによって最小に保たれる。このリングはピストンリング２２２の上方に位置するので、余剰オイルは直接オイル受けへ下方に掻き取られる。このリングの通過によってシリンダ壁に残るオイルは以下のリングを円滑にするのに利用可能である。このプロセスは連続するリング２２２でも繰り返される。上昇行程では、第１の圧縮リングが、下降行程中に残ったオイルによって潤滑される。圧縮室からオイル受けへのガス漏れは性能低下を招く。これが、頻繁なオイルの補充にもかかわらず、オイル交換を含むメンテナンスを欠かせない理由である。本発明の多気筒スターリングエンジン１１６は、複雑化を招いたり機械効率を低下させたりすることなく多気筒多ピストンスターリングエンジン１１６の性能と寿命を向上させる簡易で実際的な方法を提供する。複動式２ピストンスターリングエンジンは、簡潔さと良好な性能の両方を満たす高エネルギー用途向けスターリングエンジンの最も望ましい形状の１つであることが一般的に認められている。このようなスターリングエンジンは、様々な形状で設計することができる。たとえば、シリンダは、単独または複数列の直線的な直列型「Ｖ」、ダブル「Ｖ」、「Ｗ」、ラジアル型ピストンエンジン構成で配列することができる。
【００９７】
最も望ましい構成の１つが、シリンダが標準的なクランクシャフト接続で放射状に位置するダブル「Ｖ」型エンジンである。このレイアウトは、簡潔さと強度、スターリングサイクルにとって適切なピストン位相、優れた動的バランスを提供する。接続ロッド２０４に関してトレードオフが発生する。すなわち、接続ロッド２０４が比較的長く作製され、シリンダの行程が長くなるとヘッドがより遠くに配置されることによって大きなプレナムと熱交換器２１２が必要になり、それらの間の空間から生じる、性能の低下をもたらす死空間が増大する。その他の要因は、最適効率のコンパクトな熱交換器２１２の選択である。接続プレナムは短い接続ロッド２０４により性能は最適ではなく、効率的な長い接続ロッド２０４を備える設計も、熱交換器２１２とそれに対応するプレナムにおける大きな死空間により最適な性能を実現しない。
【００９８】
本発明は、エンジン設計者がダブル「Ｖ」型スターリングエンジン１１６にコンパクトな熱交換器２１２、効率的な再生器２１４、プレナム、効率的な長い接続ロッド２０４を組み込むことができる新たな形状のスターリングエンジン圧縮ピストンおよびシリンダ２０９を開示する。本発明のスターリングエンジン１１６は、機械的に効率的な長接続ロッド２０４を使用しつつ、シリンダ２０９、２１０をコンパクトな熱交換器２１２と移送路に接続することのできるダブル「Ｖ」型ピストンエンジン用の転置圧縮ピストンおよびシリンダ２０９である。
【００９９】
一例では、クランクシャフト２０２は、２つのシリンダ２０９、２１０を交差させる孔に搭載される。シリンダの一方はクランクシャフト２０２の孔から垂直に延在し、他方は水平に延在する。クランクシャフト２０２から延びた各クランクは２つの接続ロッド２０４のうちの１つに装着され、２つのシリンダ２０９、２１０のそれぞれに入る。縦型シリンダでは、従来の拡張ピストン２０８がリストピン２０６によって対応する接続ロッド２０４に装着される。エンジンヒータ２１２、再生器２１４、冷却器２１６はこのシリンダの周りに環状に配置される。スターリングエンジン設計の封止中、冷却器部２１６はディスプレーサシリンダ２１０とのインラインから圧縮シリンダ２０９とのインラインまで移動して、後述のスターリングエンジン排気弁（図５ｃ）に示されるように余分な死空間を発生させずに、多量の接触を可能にする。水平圧縮シリンダ２０９は共通延長軸に沿って２つの同心孔を有し、円錐部２２４がそれらの孔を接続する。クランクシャフト２０２の近傍には、圧縮ピストンリング２２２および／または封止が乗る大孔を備えたシリンダの内側部が位置する。接続円錐部２２４は冷却器２１６に直接連通する口を組み込む。円錐部２２４の下方には、圧縮シリンダ２０９の外側の小孔（上述した大孔に対して）があり、シリンダを拡張して長い接続ロッド２０４を収容する。このシリンダの外側部は、角張った接続ロッドによりピストンの側壁荷重を吸収する。圧縮ピストンはリング２２２および／または封止と小さな摩耗領域とを担持する大径内側部を備え、円錐部２２４はこの内側部を封止リストピン２０６および大きな摩耗領域を含む小径の円筒状外側部と連結する。適切な動的バランスを促進するため、このピストンは拡張ピストン２０８と同じ物理的質量を有するように設計され、クランクシャフト２０２上で平衡をとる。
【０１００】
スターリングサイクルを反転させ、線形または回転入力の形状でエネルギー入力を提供することによって、スターリングサイクル熱エンジン１１６は冷却プロセスを実行することができる。圧縮側を冷却し、変位側としても知られるディスプレーサ側に熱源を提供する代わりに、熱転写交換器が、熱交換器２１２と、機器、貯蔵空間、またはガスおよび／または液体物質を冷却するための熱サイフォンなどの装置やその他の従来技術の熱移動方法などから成る熱入力と交換して使用される。この冷却プロセスは、冷凍１７２に使用することができる、あるいは氷点以下または超低温レベルの温度を供給してガスを液化し、このような物質またはその他の熱用途を提供するまでに拡張することができる。
【０１０１】
ハイブリッドエネルギー生成システム１７８の好適な実施形態は２つの主要素から成る。一方の要素は集熱用に中心に配置された吸収体を有する太陽熱エネルギー収集モジュール１２６であり、他方の要素は理想的な温冷貯蔵容器１１０の熱エネルギー貯蔵システムである。中央太陽熱システム１０６の好適な実施形態はモジュール式設計構造を有し、放物面形状の矩形パネル列と各列の中心軸とから成り、該パネルに太陽を追跡させ、反射光を最も近い吸収体に集束させることができる。
【０１０２】
水平に搭載される太陽熱吸収体の好適な実施形態は、水平搭載ソーラーパネル１３６の上方に平行に搭載されるパイプ状構造を含み、下のパネルから集束した太陽光１０６エネルギーを吸収する。吸収体自体は、吸収体の上方に搭載される放物面形状の矩形パネルも有し、吸収体を超えて延在する下方のパネルから反射される太陽光１０６エネルギーを吸収体の上部に反射し返させて、吸収体面上で約３６０度太陽光との接触により効率を向上させる。好適な実施形態は、設置に利用可能な場所に合致するような形状とレイアウトを有する様々な構造に改造することができる。
【０１０３】
図面を再度参照すると、図６ａは、懸架ケーブル橋１３２（図６ｃ）によって上昇させられた２つの隣接するＡＦＵデュアル集電器１６４間に複数列の反射体１３０を備える太陽熱フィールドユニット１０００（「ＴＳＦＵ」）の概略図であり、図６ｂは、取付金具と反射体１３０を有する地上支持体１３４および／または光起電パネル１５４の概略図である。
【０１０４】
反射体パネル１３６列と平行に並べられ、対応する高温および高温中間温ループに接続される多数のＡＦＵは、１つのエネルギー生成モジュール（「ＥＧＭ」）を備える。多数のＥＧＭは太陽熱アレイ変換システム（「ＳＴＡＣＫＳ」）フィールドを備える。最適化戦略に基づき、反射体１３０はＴＳＦＵの縁部に２つのデュアル集電器１６４のうちのいずれかに目標を定めることができる。目標としたデュアル集電器１６４の側に応じて、反射体パネル１３６は太陽の位置に関して配置される。受動ソーラー１２９と逆位置のソーラー１２８が日射反射体１３０に配置される。受動日射反射体１２９はデュアル集電器１６４の太陽と同じ側にある。逆位置の日射反射体１２８は、太陽に対して集電器１６４の反対側に位置する。同様に、ＴＳＦＵの「太陽側」にある集電器１６４は、受動デュアル集電器１６４とも称される。太陽と反対側のデュアル集電器１６４は逆位置太陽光集電器とも称される。逆位置日射反射体１２８は受動ソーラーデュアル集電器１６４を目標に定め、その反対もまた可である。
【０１０５】
図６ａは、回転日射反射体パネル１３６のアセンブリの一実施形態を示す。同図は、１列に接続された反射体パネル構造内の２つの隣接する反射体パネル１３６の接合部を示す。反射体パネル面は、支持プラットフォームに装着された、わずかに湾曲した放物面鏡である。支持プラットフォームは、縦ビーム１４０、横ビーム１４２、トラス１４４、三日月型端片１４６を備えるトラス橋型支持構造１３８から成る。この円弧状三日月は、反射体１３０に対称中心の周囲での回転自由度を与える。回転軸１４７は反射体パネル１３６の重心と並んで、追跡機構にとって円滑かつバランスの取れた回転を提供する。三日月は支持構造１３８から成る。
【０１０６】
２つの隣接する反射体パネル構造１３６は、屈曲嵌合スリーブ１５３を介して接続することができる。反射体パネル構造１３６の一端に装着される反射体パネル構造１３６は、隣接反射体パネル１３６の他端に装着されるスリーブ１５３内で自由に摺動する。屈曲嵌合駆動スリーブの結合により、回転トルクが一方のパネル構造１３６から他方のパネル構造１３６に伝達され、長手方向の熱膨張を可能にする。駆動スリーブ１５３は、反射体パネル１３６列の位置決めおよび配向システムの一実施形態である。追跡システムのドライブトレーンが支持構造１３８に搭載される。単機能電気ステップモータ１４８がトレーンの駆動装置である。該モータが回転駆動を提供する。反射体パネル１３６の回転追跡運動はギア１５０、またはパネルギア１５０とステップモータ１４８に装着される対応ギアとに固定されるローラチェーンを備えたスプロケット駆動システムを介して実行される。
【０１０７】
図６ｂは、接続される反射体１３０に支持と駆動を提供する端キャリッジアセンブリを示す。中間キャリッジアセンブリは、２つの接続された反射体１２８、１２９に支持と駆動を提供する。レール上のキャリッジの誘導は、熱パネル１３０または光起電パネル１５４の基部支持を有するベアリング１４９によって提供される。サイドレールは安定性と、強風の際の反射体構造の安全性のために三日月状支持体１４６とを提供する。この風保護システムの一部は、反射体パネル１３６を接続する駆動スリーブ１５３であり、風流による浮き上がりの際にベアリングを介してパネルをキャリッジに固定する。
【０１０８】
図６ｃは、超軽量の与圧ケーブル支持された、デュアル集電器１６４のトラス橋構造の全体側面図である。伸張ケーブル構造１５６は、大スパン橋に求められる剛性を備えた懸架ケーブル橋１３２を支持する。懸架ケーブルトラス橋１３２構造は、柔軟な懸架ケーブル支持体に対する基部の支持を提供する。
【０１０９】
太陽光吸収体は、懸架支線ケーブル上に自由に据えられ支持される単独のおよび／または多数の加圧作業流体管、高温吸着管１６０、中間温吸着管１６２から成る。ケーブルの支持部は円筒状または楕円状の転動ビーズで覆われ、管に対して転動「ビーズネックレス」型の支持を提供する。吸収体の中心では、転動ピンがそれらの管を支えるため、側面、底面、その他の領域での摩擦またはその他の抵抗力によって熱膨張が妨げられない。
【０１１０】
高放射面を有する軽量だが耐久性の高いシート材が第２の反射体１３０に使用される。放物面反射体の外形は、開口と吸収体幅との最適比を提供し、反射エネルギーのほとんどではなくても大半を捕捉するように独自の形状を成す。吸収体とコーティングの選択の機能と利点は、放射率、作業流体の流体流摩擦の低減、集電器の対流熱損失、高温への耐性、低コスト、簡単な保全などである。ＥＧＭ全体を通じた流体の熱力学的特性の流分布および制御は、太陽光１０６エネルギーの生成の高熱効率にとって重要である。
【０１１１】
反射体１３０および／または光起電パネル１５４と集熱領域の反射エネルギーの移動フィールドの位置と配向を決定する好適な方法は、最大効率を得るために継続的に最大化および最適化される。熱パネルが回転すると、反射エネルギーは主にデュアル吸収体１６４、対応する反射体１３０、および／または高温熱流体および中間温熱流体流ループを有するラジエータから成る高所線形レシーバに固定される。支持レールに沿って間隔をおいて配置される三日月状交差支持体１４２は、反射体パネルの回転を邪魔することなく、雪や氷の集積のための間隙を設けつつ、安定した反射パネルの支持と風の安定化を提供する。最適な放物面曲率を有する反射体パネル１３６がフィールドの各列に対して固定されて、最適化された大規模生成と配送、取扱、設置、清掃のし易さとを可能にする。
【０１１２】
軽量の中間温集電器−吸収体１６２が物理的接続を介して上側反射体１３０に搭載される。懸架ケーブル橋１３２が吸収体を支持し、支線ケーブルが中央に搭載された高温集電器−吸収体１６０を支持する。外部接続点を介して各中間温吸収体１６２に接続される支線ケーブルアレイ交差支持体は、水平反射体エネルギー収集領域への衝撃を低減しつつ、支持と安定を追加することに供する。この設計により、非常に柔軟なシステムのためのレイアウト設計へのモジュール式アプローチが可能になる。もしくは、トラス支持システムが地上から搭載されてＡＦＵを支持することができる。この種の太陽熱集電器１２６は本文書ではコンパクト線形放物面反射体（「ＣＬＰＲ」）と称することもあり、簡潔さと費用効果のために使用される。それらは、平行列に並べられ、共通デュアル集電器１６４および／または反射体フィールドの上方の特定高さに位置する共通反射体１３０を有する吸収体に向けられる放物面または疑似放物面反射体１３０「ストリップ」（長細パネル）のフィールドである。反射体１３０パネルは、同様サイズの光起電パネル１５４と交換して、地域エネルギーニーズのための局地発電を提供することができる。
【０１１３】
デュアル集電器１６４および／または吸収体は、反射体フィールドからのエネルギーを収集するように設計された反射体１３０の列と並行に並ぶパイプ状の細長構造である。デュアル集電器１６４および／または吸収体は、それぞれの側で複数の反射体１３０列からの反射エネルギーを収集する。説明の便宜上、フィールドの基本ユニットは２つの隣接するデュアル集電器１６４として定義され、第３の上側反射体１３０と下側反射体１３０が装着される。理論上、下側反射体１３０は４つの集電器１６４のいずれに供することもできる。反射体列と並行に並べられたこれらの多数の吸収体フィールドユニット（「ＡＦＵ」）は太陽光収集器フィールド領域を構成し、周期的な線形レイアウト対称性を表す。
【０１１４】
既知の反射体は、単軸と、長軸に沿った旋回運動である自由度とを有する。追跡システムは反射体を回転させ、太陽の見かけ上の運動を追跡する。鏡の方向は、反射した入射日光が吸収体フィールドユニット（ＡＦＵ）の縁部で、デュアル集電器１６４の高熱集電器および／または吸収体１６０のうち１つに「向け直される」ことによって、各反射体パネルがデュアル集電器１６４に「固定される」ように設定される。既知な従来技術のいくつかは、反射体列を単独追跡アレイに接続する機械的リンクを有する。
【０１１５】
本発明のアプローチは、アレイの各列の回転角度がエネルギー反射の最適放射率を得るように集束され、直線列のすべての鏡が同じデュアル集電器１６４に集束するように確保する。列の南北配向を選ぶ従来技術もあれば、フィールドの東西配向を選ぶ従来技術もある。集電器に対する反射体列の位置と配向を説明するため、以下の用語を使用する。逆位置ソーラー１２８の列は、太陽に対して追跡される集電器の反対側（東西に並ぶフィールドでは集電器、または南北に並ぶフィールドでは午前中、西側反射体の反対側）に位置する。逆位置日射反射体１２８は、太陽光線を浴びるより大きな「共通」表面積を有する。したがって、より高い最適な反射能力を備える。受動ソーラー列１２９は、追跡される集電器に対して太陽と同じ側（東西に並ぶフィールドでは赤道側、南北に並ぶフィールドでは午前中は東側反射体、午後中は西側反射体）に位置する。受動ソーラー１２９は通常、露光法線面が小さいために最適ではない。
【０１１６】
集電器１６４の目的は、反射体パネル１３６から最大エネルギーを捕捉し、デュアル集電器システムの放射および対流損失を最小化することによって吸収される太陽光１０６放射を最大化することである。融解塩、オイル、水／グリコール混合物、および／またはその他の液体媒体などの伝熱媒体と作業流体が、伝熱（または作業）流体として高温吸収体１６０と中間温吸収体１６２全体を循環する。収集された太陽光１０６は高温および低温熱エネルギーの使用および貯蔵１１０のために直接使用されるので、集電器の吸収体面は事実上、吸収体面である。よって、本願は拡張されて移動する超小型反射体パネルフィールドについて記載し、第２の中間温吸収体１６２が第１の高温吸収体１６０からの放射熱エネルギーからの直接熱反射エネルギー収集を強化しつつ、単独吸収体への反射集束光の拡散を低減するため、反射体パネル１３６列は新たなデュアル吸収体１６４と吸収体搭載反射体パネル１３６とを有する。本願は、放物面反射帯パネル１３０の直接交換として光電池を組み込んで、追跡モータ１４８、流バルブ、その他の電動センサコンポーネントおよび／または制御システムを始動するバッテリを充電する局地発電および／またはエネルギーを供給するシームレスな方法も記載する。このオプションは、システム機能への遠隔電力の必要性を排除する。
【０１１７】
本願は、遠隔電機部品に、局地エネルギー生成源、バッテリバックアップ、無線インタフェースおよび制御を組み込む別の方法も記載する。本願は、遠隔電気コンポーネントに、局地エネルギー生成源、バッテリバックアップ、有線制御信号接続のみを必要とする有線インタフェースおよび制御を組み込んで、遠隔電力用の電線の設置および保全の必要性を低減または排除する別の方法も記載する。
【０１１８】
従来技術は、集電器および／または吸収体に直接当たらず、大気中に放射される残りのエネルギーの損失を許容していた。また、従来技術は、吸収のための集中反射がなくエネルギーの少ない吸収体により２０〜３５％、温度分布からの損失を被っていた。
【０１１９】
吸収体搭載反射体パネル１３６のもう１つの利点は、下方の反射体フィールドからの拡散された太陽光線の方向を変え、第１の高温吸収体１６０の上面に反射させることである。表面全体にわたる熱分布を正規化され、従来技術では、吸収体面の底面と側面上部のわずか７０％が下方の反射体パネルフィールドからの熱エネルギーしか吸収していなかった。
【０１２０】
本発明の回転列は、フィールドからの反射日光が１日中および１年中最大化されるように、２つのデュアル集電器１６４と上側反射体１３０間の位置を調節および最適化することができる。本願は、拡張移動反射体パネルの搬送レール装置も記載する。この装置は、反射体パネル構造の線形および回転可動性だけでなく、ＡＦＵの反射エネルギーを最大化するのに必要な追跡と位置決めも提供する。さらに、本願は超軽量で高効率の集電器−吸収体構造も記載する。アセンブリは、構造およびフィールド選定にとって有益な大量生産向けの簡易な複製を有する。
【０１２１】
集電器の特徴は、広い開口、第２の反射体構造の最適化曲率、懸架ケーブル橋吸収体支持体、吸収体の転動ビーズケーブル懸架、与圧ケーブル橋支持構造である。本願は、反射体１３０の三日月状交差支持体１４２レールも記載する。反射体パネル１３６の重力中心線はパネルレールの回転中心１４７に位置する。反射体１３０の放物面曲率は、ＡＦＵの各列で正規化される。本願は、高温および中間温生成システムの流分布制御方法も記載する。集電器の各吸収体は単独管を有する。フィールドは多数の吸収体グリッドを備える。熱グリッド全体を通じた熱力学条件（圧力、温度、速度、位相）の最適制御は、局地的監視／分析／制御システムの相互接続性とＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４の互換性のために設けられる。
【０１２２】
図７は、太陽熱プロセスの一実施形態を示すフローチャートである。熱エネルギー貯蔵（「ＴＥＳ」）システムの好適な実施形態は主に、高温貯蔵容器１１８、中間温貯蔵容器１２０、低温貯蔵容器１２２、冷温貯蔵容器１２４から成る。改良点は、廃熱エネルギー貯蔵容器１１０の２倍の、主に温水貯蔵用の追加の蓄熱容器１１０である。
【０１２３】
図７に示すように、好適な実施形態は、アンモニアベースの冷却プロセス１６６用のエネルギー入力として高温に貯蔵された熱エネルギーを使用し、低温貯蔵容器１２２に温度支援エネルギーを入力し供給する。好適な実施形態は、加熱プロセス用のエネルギー入力として貯蔵された高温熱エネルギーを使用して、暖房機器、部屋、領域、地域および建物暖房システム用の温度支援エネルギーを供給する。好適な実施形態はアクティブ冷却プロセス１６８用のエネルギー入力として貯蔵された冷温熱エネルギーを使用して、集中空調および冷房用の温度支援エネルギーを供給する。好適な実施形態はアクティブ冷却プロセス１６８用のエネルギー入力として貯蔵された冷温熱エネルギーを使用して、冷凍機器１７２，大型冷凍機、ワイン貯蔵室、ボックスおよび水冷却用の温度支援エネルギーを供給する。好適な実施形態はアクティブ冷却プロセス１６８用のエネルギー入力として貯蔵された冷温熱エネルギーを使用して、冷凍器１７０、大型冷凍器、ボックスフリーザー用の温度支援エネルギーを供給する。
【０１２４】
好適な実施形態は、利用可能な貯蔵された高温熱エネルギーを用いて、回転および／または線形運動の生成のためにガスおよび／または作業流体を膨張させるスターリングサイクルから成る。好適な実施形態は、利用可能な貯蔵された低温熱エネルギーを用いて、回転および／または線形運動の生成のためにガスおよび／または作業流体を収縮させるスターリングサイクルから成る。好適な実施形態は、電気エネルギーの生成のために、生成された回転および／または線形運動を発電機１１４に印加する。好適な実施形態はリサイクルされたスターリングサイクルからの廃熱を加熱プロセスへのエネルギー入力として使用して、暖房具、部屋、建物の暖房システムへの温度支援エネルギーを供給する。また、好適な実施形態は、加熱プロセス用のエネルギー入力としてスターリングサイクルからのリサイクルされた廃熱を利用して、温水機器のためのエネルギーを供給する。
【０１２５】
図８は、４効用段の吸収冷凍システムの概略図である。４効用段吸収冷凍システムでは、溶液は吸収体から並列接続される第１の発電機２２８、第２の発電機２３０、第３の発電機２３２、第４の発電機２３４へと流れる。第１の発電機２２８を出る溶液は多吸収体システムに戻る。第２の発電機２３０を出る溶液は第３の発電機２３２へ流れ、第２の発電機２３０と直列接続される発電機２３４へと流れる。各発電機からの冷却蒸気は対応する復水器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ、凝縮器）２３６で凝縮される。第４の復水器２４２は熱エネルギーを第３の発電機２３２と交換し、第３の復水器２４０は熱エネルギーを第２の発電機２３０と交換し、第２の復水器２３８は熱エネルギーを第１の発電機２２８と交換する。
【０１２６】
好適な本発明の冷却システムは、特に、利用可能な熱エネルギー入力の量、質、圧力、温度に関連して冷凍効果の効率を高めるように向上された多効および多段式吸収冷凍システムを含む。これは、各温度帯が特定の段およびレベルの冷却に直接関連する関係のステップおよび段に影響を及ぼすため、狭い範囲の熱エネルギー入力温度帯を厳密に観察することによって実行される。これは、従来技術の代表的だが一般的かつ画一的な共通アプローチと比較検討することができる。従来技術は、個別または複数のコンポーネントベースの設計の従来の冷却機または冷凍システムに、バランスを欠いた過剰な熱液体およびガスを充填する非効率な非最適化効用段を使用する。
【０１２７】
多効および多段式吸収冷凍システムは、昇圧装置と圧力制御装置を間に備えた、多段式再生器−復水器システムと多段式蒸発器−吸収体システムとを備えることができる。本発明の好適な実施形態は、４効用段および／または利用可能な熱エネルギー温度に基づき追加の効用段を有する冷却システムを利用する。この種の冷凍システムは複数の熱交換器、複数の発電機２２８、２３０、２３２、２３４、複数の凝縮ユニット２３６、２３８、２４０、２４２、複数の蒸発器２４４を主に採用し、冷却剤は複数の可変オリフィス拡張バルブ、複数の吸収ユニットによって計量される。
【０１２８】
多効吸収冷凍システムは、多効システムの４効用段設計最適化による４効用段冷凍システムの超高、高、中、低温発電機または高、中、低温発電機構造を通じて冷却剤含有吸収性溶液を供給するため、複数の復水器継手と並列回路または直列回路を備える。追加の吸収効用段は、温度、圧力、液体とガスの腐食性の上昇に応答して、対応する耐腐食性を追加した構造によって、より高い入力温度を実現することができる。システム内のコンポーネント間で熱エネルギーを有効に伝達し、システム全体の熱効率を高めることができることを前提とし、コンポーネントの連結はシステム内の熱エネルギーの内部回収を増大させる。
【０１２９】
４効用段吸収冷凍システムでは、溶液が、吸収体から並列接続される第１の２２８、第２の２３０、第３の２３２、第４の発電機２３４へと流れる。第１の発電機２２８を出る溶液は多吸収体システムに戻る。第２の発電機２３０を出る溶液は第３の発電機２３２に流れ、第２の発電機２３０と直列接続される第４の発電機２３４に流れる。各発電機からの冷却蒸気は対応する復水器２３６で凝縮される。第４の復水器２４２は第３の発電機２３２と熱エネルギーを交換し、第３の復水器２４０は第２の発電機２３０と熱エネルギーを交換し、第２の復水器２３８は第１の発電機２２８とエネルギーを交換する。
【０１３０】
別の実施形態では、５効用段吸収冷凍システムを使用して、溶液が吸収体から並列接続される第１、第２、第３、第４、第５の発電機へと流れる。第１の発電機を出る溶液は多吸収体システムに戻る。第２の発電機を出る溶液は第３の発電機に流れ、第４の発電機に流れ、第２の発電機に直列接続される第５の発電機に流れる。各発電機からの冷却蒸気は対応する復水器で凝縮される。第５の復水器は第４の発電機と熱エネルギーを交換し、第４の復水器は第３の発電機と熱エネルギーを交換し、第３の復水器は第２の発電機と熱エネルギーを交換し、第２の復水器は第１の発電機と熱エネルギーを交換する。入力温度の上昇と冷却要件の増加に応じて、上記教示を用いて効用段を追加することができる。
【０１３１】
図９は、風力１０４と化学副産物とを利用する別の実施形態のフローチャートである。別の実施形態は、液体、ガス、および／または作業流体の加圧および伝達のためにポンプまたは圧縮器に印加される生成された回転および／または線形運動を利用する。図９は、風力１０４から得られる電気エネルギーが、使用および／または貯蔵のために化学および熱副産物に電力を供給するために使用される実施形態を示す。アンモニア合成モジュールは、ガスタービンでの使用またはその他の商業用途のためにアンモニア１８３を使用および／または貯蔵するために使用される。また、電気エネルギーは、スターリングエンジン１１６および／または蒸気タービン１７６で使用される熱エネルギー貯蔵容器１１０の電気ヒータに電力を供給するために使用される。この発電により、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、アンモニア、窒素を含むがそれらに限定されない化学物質を生成することができる。低効率で最適性能ではない別の実施形態では、スターリングプロセスエンジン１１６の代わりに蒸気機関の使用を伴う。
【０１３２】
図１０はＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４ソフトウェア制御層の概略図である。人工知能管理システム（「ＡＩＭＳ」）の一体化により、電力網管理１８８、エネルギー生成システム１７８、水素生成システム１８０、アンモニア生成システム１８２、エネルギー再生システム、性能調整、電力監視１８４、周波数整合１８６、制御システム冗長のためのソフトウェアおよびハードウェアベースの統合制御データ取得および処理が提供される。これは稼働時間の可用性を高めるために、自動保全スケジューリング用の機械学習と組み合わされる。該システムは、局地および遠隔概要、監視、制御のためのデータインタフェース用の安全なＳＣＡＤＡ統合ソリューションも提供する。
【０１３３】
別の実施形態は、可変エネルギー入力に基づくスケーラブルなガス出力での水素大量生産、転売用の水素生成および貯蔵、あるいはエネルギー貯蔵用の短期および長期貯蔵媒体、バックアップ燃料生成源、その他の製品使用の基盤としてモジュール式アルカリトランスアクアティック電解槽（「ＭＡＴＥ」）を含む。この電解槽は、ＭＡＴＥ型アルカリ水素電解槽からの高圧ガス水素と高度にカスタマイズされたハーバー・ボッシュアンモニア合成システムで使用される窒素発電機からの窒素ガスとを貯蔵するアンモニア生成システム（「ＡＰＳ」）１８２と協働して作用する。その後、変換されたアンモニアガスは冷却され、液体に変換され、後の使用および／または最終製品への転換のために一時または長期貯蔵容器１８３に輸送される。システム制御とデータ管理は中央制御システムと監督管理システムに統合されデータ転送される。
【０１３４】
また、該システムは、健全性監視のためにシステムコンポーネントおよびセンサの動作状態を監視し、性能全体を最適化する変更および趨勢を特定し、故障が発生する前に予防的保全スケジューリングアプローチのための未処理問題の警告レベルと接触維持を監視する。消費者電力網管理システム１８８の統合により、エネルギー効率向上のための負荷整合１９０のエネルギー生成と生成負荷生成システムの予測要件のインテリジェント制御が提供される。さらに、システムはバックアップおよびベース負荷供給用の生成エネルギーシステムを能動的に監視および制御して、エネルギー生成不足による節電を防止する。スマートグリッドインタフェース１９２と監視を通じて、システムはエネルギー生成を制御し、エネルギー使用を予測することができる。
【０１３５】
エネルギー生成システム１７８の統合により、生成システムと負荷供給システムとのインテリジェントインタフェースが提供される。システム間データの相互作用は、稼働時間を増やしてエネルギー処理貯蔵システムの最大効率を促進しつつ、スパイクを低減させて安定した電力網１０９の電力制御を可能にする。統合通信ブリッジにより、エネルギー生成源１７８から局地的に貯蔵されたエネルギーは、蓄熱容器１１０への可変入力エネルギーに基づく電力変換のためにイントラグリッド１０９と協働することができる。
【０１３６】
エネルギー貯蔵システムの統合により、最適エネルギー収集、および最大効率および安全性にとって業務上必須の反応時間における最大エネルギー生成が可能になる。熱集約用途のための熱エネルギーから電気および熱エネルギーへのオンデマンド統合により、スマートグリッド１９２通信に基づく、厳しいベースライン負荷要件およびニーズに応答するタイムリーで高速のエネルギー生成が可能になる。
【０１３７】
ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４システムの統合により、すべてのシステムニーズおよびエネルギー要件を満たす最大限の電力可用性と柔軟性をもたらすエネルギーシステムの迅速な相互作用が提供される。この統合は、追加のエンドユーザの製品設計および製造へ互換性と有用性を拡張する。また、他の装置電力制御システムに置き換えることもできる。ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４は、エネルギー生成、エネルギー貯蔵、エネルギー供給、電力網層、消費者層、エンドユーザコンポーネント層から成る層状コンポーネントで設計される。この層状化は、簡易な論理統合、柔軟な情報アクセス、適応性と拡張性、迅速な反応、高速で容易な設置、堅調で安定した動作を可能にする。
【０１３８】
好適な実施形態の別の改良は、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４などの外部ソフトウェアパッケージを組み込む、および該パッケージとの互換性を備えることであり、ソフトウェアおよびハードウェアソリューションの組み合わせから企業電力網供給システムを通じて効率およびエネルギー安定性を最大化するための消費者用ならびに商業用製品およびサービスの完全ラインを備える。他の装置電力制御システムと置き換えることもできる。消費者用ソフトウェアは、個人のエネルギー利用を分析制御する局所および遠隔利用を可能にし、家庭用制御セキュリティシステムＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）ＺＨ１に組み込むことができる。消費者用ハードウェアは、一般的な家電機器に差し込んでスマート機器にすることのできる独立型差込式アダプタ、すなわち、ＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）Ｚ１を含むことができる。また、互換性と接続性を備えるため、その他の現在入手可能な自動制御装置と置き換えることができる。別の改良では、共通データインタフェースおよびネットワークを用いてテレビ、冷凍機、類似のユーザ所有機器などをスマート装置に変えることができるＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）ＺＡ１によって監視および記憶されるユーザセンサデータＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４を含む。該システムの別の改良は、電力網エネルギー負荷バランスと名目負荷供給に関してＳＴＡＣＫＳ電力網接続サイトとインタフェースをとる他のＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４を監視して、電力品質およびエネルギー可用性向上のための備蓄容量を生成することができる。また、システムは、電力網エネルギー負荷バランスと名目負荷供給に関してＳＴＡＣＫＳ蓄熱装置１１０の電力網接続サイトを監視して、備蓄容量を生成することができる。
【０１３９】
さらに、改良システムは、エネルギー発電機の電力損失を、局地貯蔵からオンラインの利用可能な状態に再分配および供給することができる。この地域システムとその他の動作中のシステムノードからの支援モードはＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４の命令および制御始動に応答して開始されて、地域電力網１０９の崩壊と電力品質の変動を防止する。別の改良はＵＬＴＲＡＧＲＩＤ（登録商標）１９４の互換性を包含し、中央指令制御統合ネットワークオペレーションセンターから全サイトからの通信とサイトの状態の管理を可能にする。相互接続ネットワークデータ制御システムおよびサブシステムは、必要な場所および時間にエネルギーを振り分け、廃エネルギーおよび廃熱の有益なサイクルおよび再生を提供する。別の改良は、変動および季節バランス要件を有する日中サイクル中、消費者電力品質の向上と電力網１０９の安定化を図ることである。これは、通常は日中に生じるプライムタイムのエネルギー使用中、局地消費者分散型蓄熱容器１１０を利用することで達成される。このような補完によって、オフピーク中の外部電力網エネルギーからの熱変換を通じて最適な可用性と信頼性を維持することができる。
【０１４０】
本発明の例示の各種実施形態をある程度具体的に上述したが、当業者であれば、明細書および請求項に記載される開示する実施形態に様々な変更を加えることができる。発明の主題の精神および範囲を逸脱せずに、結合という文言（たとえば、装着、付着、結合）は広く解釈されるべきであり、素子の接続間に中間部材を含めたり、素子間に相対運動を含めたりすることができる。よって、結合という文言は、２つの素子が必ずしも直接接続され、相互の関係が固定されることを示唆するものではない。さらに、ネットワーク接続という文言は広く解釈されるべきであり、素子のネットワーク接続間に中間部材または装置を含むことができる。よって、ネットワーク接続という文言は、必ずしも２つの素子が相互に直接接続されることを示唆するものではない。いくつかの例では、本願に直接または間接的に記載される方法において、各種ステップおよび動作は実行可能な順番で説明したが、当業者であれば、ステップおよび動作は本発明の精神と範囲を逸脱せずに再配置、置換、省略することができる。なお、上述の説明に含まれる、あるいは添付図面に含まれるすべての事柄は限定ではなく例示と解釈すべきである。細部または構造は、添付の請求項に定義される本発明の精神を逸脱せずに変更することができる。
【０１４１】
概説した実施形態を参照しつつ本発明を説明したが、様々な変更、修正、変形、改良および／または既知である、あるいは現在予測可能な実質的等価物は、少なくとも当業者にとっては自明になるであろう。特定の順序で方法ステップを列挙することは、当該方法ステップの順序を限定するものではない。したがって、上述の本発明の実施形態は、限定ではなく例示を目的とする。当業者であれば、本発明の精神と範囲を逸脱せずに形状および細部に変更を加えることができると認識するであろう。したがって、本発明は、既知である、あるいはこれまでに開発されたすべての変更、修正、変形、改良および／または実質的等価物を包含することを意図する。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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