JP4731812B2 - 風力タービンを使って発電した電力を、発電敷設網から遠く離れた場所に中断されることなく供給する方法とそれに関する装置 - Google Patents

Description

［関連する特許の申請］
この申請は、2001年10月5日に提出されたアメリカ合衆国仮申請番号60/327,012 及び2002年9月9日に提出された60/408,876により優先権を主張するものである。これら２つの仮申請は、そのまま参照としてここに組み込まれている。

［発明の背景］
太陽や風などの自然資源からエネルギーを創造することは、過去数十年にわたり、この国における重要な方針であった。外国のオイルへの依存を減らす試みは、国の重要な課題になって来た。エネルギーの専門家たちは、このようなオイル、ガス、石炭などの資源のいくらかは、何時かは枯渇するという危惧を抱いている。このような関心から、自然の代用資源と呼ばれるものから、エネルギーを動力化する多くのプロジェクトが始められた。

太陽の動力は、最も広く知られている自然資源であるが、風からも莫大なエネルギーを動力化できる可能性がある。例えば、風が自然に吹く、多くの地方では、ウインドファーム（ｗｉｎｄ ｆａｒｍ）が建設されている。これらの多くのウインドファームでは、風の方向に向けてたくさんの風車が作られている。風が風車に向かって吹くとき、回転力が生じ、それが発電機を動かして電力を生じさせることができる。このエネルギーはしばしば公共の発電所で作られるエネルギーの補充として使われる。

しかしながら、風をエネルギー源として使う一つの弱点は、風が何時も吹くとは限らないことである。また吹くとしても何時も同じ速度で吹くわけではない、すなわち、それは何時もあてになるわけではない。風はまた、一日、周、月、季節のいろいろな時に応じて決まったようには吹かない。すなわち、その吹き方はいつも予想できるとは限らない。過去において風力により生じたエネルギーを、需要が最も高い時期で、而も風が弱いか全然無い時に使うことができるように、貯蔵する試みがなされたが、これらの過去のやり方は、信頼できる一貫した方法で実行することに失敗した。今までの試みは、風を連続した中断されないエネルギー源として使う時に生ずる、固有な不能率と困難を減らすことができなかった。

大抵の人口の多い地域は、地域の公共施設の会社により供給され、大きな発電敷設網により配給されるような、十分な発電と補助組織網を持っている。電線が切れたり、機械的故障などによって停電が起こったりするごく稀な場合を除いて、これらの地域の人々は、電力は何時でも利用できるものと期待するに到っている。

しかしながら、遠隔にある地域では、電力は必ずしも何時も利用可能なものではなく、必要な電力を得る努力をしなければならないところがある。例えば、高い山に住む人たちや、最も近い発電敷設網からさえ、遠く離れたところに住む人たちは、しばしば電力を得るのに苦労する。これらの遠隔地方に、最も近い発電敷設網から、頭上または地下のケーブルをひいて電力を供給することは、多分非常に高価になるし、更に事態を悪くすることには、これらの費用はしばしば利用者負担になる。すなわち、土地が個人の所有のところには公共施設の会社はサービスをする義務がない。その上に、電力線がこれらの地域に接続されたとしても、これらの線で伝播する電力が、目的地に着くまでの間に弱まる可能性がある。

これらの問題があるにも拘らず、風は重要な自然資源であり、決して無くなることがなく、これらの遠隔の地方ではしばしば非常に豊富にあるから、風によって、電気を供給する発電を管理するだけでなく、それを組織的な方法で行なって、風のエネルギーを遠隔の地方に、連続して中断なく供給できるようなシステムを作ることが望まれる。すなわち、電力の需要が最も多い時、または風が弱いか全くない時に、風のエネルギーを主要なエネルギー源として使うために、蓄えておく方法である。

［発明の要点］
この発明は、風力のエネルギーで発電し、それを蓄積しておくシステムに関するもので、発電敷設網から遠く離れた地域で、連続して中断なく主要な電力源として使用するためのものである。一般に、この発明は風により得られた電力の一部を、直ちに使用するシステムと、そのエネルギーの一部を、効率よく設計された圧縮空気のシステムを使って貯蓄するシステムとから成る。

先に述べたように、風が吹くことは一般に当てにならず、時には予測もできないので、風のエネルギーの一部を蓄積しておいて、需要の最も多い期間 及び/または 風が弱いか全く無い時に、使用できるようにすることが望ましい。この発明は、過去の風エネルギーの使用とその蓄積法の非能率さを克服し、能率よく連続的に作動して、在来型のエネルギー源に、あまりまたは全く頼ることなく、発電敷設網から遠く離れた地域で、主要な電力源として使用できるための方法を体系付けるものである。

１つの実施例では、たくさんの風車ステーション（ｗｉｎｄｍｉｌｌ ｓｔａｔｉｏｎ）からシステムが構成される。そのステーションの一部は発生するエネルギーを直ちに使用するもの（以後これを“直接使用型ステーション（設備局）”（ｉｍｍｅｄｉａｔｅ ｕｓｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ）と呼ぶ）で、他の一部は圧縮空気を使ってエネルギーを貯蓄するもの（今後これを“エネルギー貯蔵型ステーション（設備局）”（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ）と呼ぶ）である。このシステムは、予め決められた数と比率で各々のタイプの風車ステーションで作り、経済的で能率的なものにすることが望ましい。この実施例は、たくさんの数の風車ステーションを必要とする、小さな村または地域、すなわち、ウインドファーム（ｗｉｎｄ ｆａｒｍ）で使われることが望ましい。

この実施例では、各々の直接使用型ステーションは、水平に置かれた風力タービン（原動機）と、風車の中枢（ナセル、エンジンの覆いの中）に置かれた発電機から成り、風により生じた回転運動が、発電機によって直接電力に変えられる。これは、例えば、発電機を風力タービンの回転軸に直接結合して、風により生ずる機械的動力で発電機を直接動かすことにより行なうことができる。発電機を風車の回転軸上でギアボックス（伝動器箱）の下流に置き、風車の機械的動力を直接使うことにより、他の型のシステムでよく起こるエネルギー損失を避けることができる。

風により引き出されたエネルギーを、直接電力に変換することにより、より能率よく電力に変換することができる。例えば、風力発電の効率は、風が風車の羽に吹くときに得られた機械的回転運動を、エネルギーを蓄積しないで、直接動力化して発電することにより高めることができる。

同様に、この実施例では、各々のエネルギー貯蔵型ステーションを、風力が直接圧縮空気のエネルギーに変換されるように、圧縮機につなぐことが望ましい。ここに、水平に置かれた風力タービンは、第１のギアボックスに付く水平の軸を持つことが望ましく、そのギアボックスは風車塔の下に延びる垂直の軸に結ばれ、そして次に、その垂直の軸は、地上にある別の水平軸に付いた第２のギアボックスに結ばれる。そして下の水平軸は圧縮機につながれ、風により生じた機械的動力を、直接圧縮空気のエネルギーに変換して高圧貯蔵タンクに貯蔵する。

各々のエネルギー貯蔵型ステーションからの圧縮空気は、１以上の高圧貯蔵タンクに注ぎ込んで貯蔵することが望ましい。圧縮空気の貯蔵により、風から得られたエネルギーを長時間貯蔵することができる。このようにエネルギーを蓄えることにより、風が弱いか全然無いとき且つ/または 需要が最高のときに、圧縮空気を放出してターボ式エクスパンダーなどで膨張させることができる。放出されて膨張した空気は、発電気を動かして電力を生じ、風からのエネルギーは、必要に応じて、すなわち、風が実際に吹いているか否かに関係なく、実際に必要なときに、電力を供給するのに使うことができる。

この発明ではまた、効率を高めるために、特別な要素を、貯蔵タンクに施すことが考えられている。例えば、貯蔵タンクの上と中に、１以上の加熱装置が組み合わされる。これらは追加の熱及び圧力エネルギーを生ずることを助け、熱を後で使うために吸収したり、また、膨張する空気が凍るのを防ぐのに役立たせたりする。この発明では、太陽熱、圧縮機から出る排気熱、及び少ない量の化石燃料による熱を組み合わせて用い、貯蔵タンク中の圧縮空気の温度及び圧力を増加させるのに必要な熱を供給することを考えている。

太陽熱、圧縮機から出る排気熱、及び化石燃料による熱が、貯蔵タンクを通して延びる壁のチューブを通して流れることが望ましい。別のよく行なわれる方法、燃焼室（コンバスター）などを用いて熱を供給することも考慮されている。このシステムでは、ターボ式エクスパンダーから出る圧縮空気の膨張により生ずる冷たい空気を、エアコン（冷暖房装置）のサービスが求められる夏の間などに、追加的な冷蔵用に使うことも考えられている。

別の実施例において、このシステムは、１つの家、または小さな農園で使われるような、大きな風車ステーションから成ることが望ましい。そこでは、風により生じた電力は、直接使用用とエネルギー貯蔵用に分けられるか、それらを同時に使用することができる（後者の場合は今後“混成型ステーション（設備局）”（hibrid stations）と呼ぶことにする）。その場合、風車の軸棒から得られる直接の機械的力を、直接使用する電力に変換すると同時に、圧縮空気のエネルギーを、１以上の貯蔵タンクに供給する圧縮機を動かすのに使うことができる。直接使用とエネルギー貯蔵に行くエネルギー量の比は、調整によって変えることができる。すなわち、ステーションに付いている断続装置（クラッチ）と伝動装置(ギア)を使って、適当な量のエネルギーが各々の型の局に行くように振り分けることができる。

例えば、特定の時間に、エネルギー貯蔵施設より少ないエネルギーを、直接使用施設に行くようにギアを設定することができる。これは、エネルギー需要が低くて、風が強い時には有利である。他方、混成型ステーションは、この比を反対の方向に調整することもできる。すなわち、エネルギー貯蔵施設より多くのエネルギーが、直接使用施設に行くようにギアを設定することができる。これは、エネルギー需要が高くて、利用可能な風が中程度の時に有利である。これにより混成型ステーションは、特定の申込みに応じて、風の有用性とエネルギーの要求度に従い、適当な量のエネルギーを、直接使用とエネルギー貯蔵のために供給することができる。

他の実施例では、混成型ステーションを、上に述べた直接使用型ステーション及びエネルギー貯蔵型ステーションと一緒に用いて、大きなウインドファームで、注文に応じた、もっと順応性のある設計を可能にする。例えば、特別な必要と特性をもつ特定の注文に応じて、全システムを作ることができる。すなわち、３つの型の風車設備を組み合わせて、特定の地域における風の有用性とエネルギーの需要と、それらの変動に対して、もっと明確に適応するシステムを作ることができる。

特定の地域における風の吹き方は、時とともに変る、すなわち、季節毎に、月毎に、日毎に、または時間毎に変化する。また、特定の地域におけるエネルギー需要の様子は、時とともに比較的一定であることもあるが、変ることもあるかも知れない。それでも、その変化は多くの場合、風の有用性の変化と一致することはない。すなわち、特定の年の間の多くの時期に、風の有用性とエネルギーの需要は、完全に不釣合いにあるようである。供給が低い時に需要が高かったり、需要が低い時に供給が高かったりする。ここにおいて、この発明では、適応可能なウインドファームを設計するに当り、これらの点を考慮して、各々の型の風車ステーションを適当な数だけ設置して、風車から供給されて電力に変換されるエネルギーが、仮令、風力の有用性とエネルギーの需要の間にどんな不釣合いがある場合でも、連続的に中断されることなく提供されるように考えている。

各々の型の風車ステーションを適当な数を選ぶにあたり、特定のウインドファームのある場所での、利用できる風の年間を通じての型（パターン）や、その場所でのエネルギー需要とその変化を研究することも、この発明には含まれると考える。システムの設計を選定するに当っては、最悪のケースのシナリオ、すなわち、需要と供給が最も不釣合いを示す最悪の季節または月を選ぶべきであると考える。何故なら、体系がよく働くためには、最低でも、不釣合いが最悪の場合において連続してエネルギーが供給できるように設計しなければならないからである。

混成型ステーションを、直接使用型ステーション及びエネルギー貯蔵型ステーションと一緒に用いることは、ステーションの一部を１つの型から他の型に、すなわち、直接使用型からエネルギー貯蔵型に、またはその逆に、変換して、それらの間の比を変えることを可能にする。これは、最悪のケースのシナリオが、１年の少ない数の月だけに起こり、他の月には、風力の有用性とエネルギーの要求の間の不釣合いがずっと小さいような場合には、大変助けになる。そのような場合、ステーションの変換ができないならば、全体の体系は、上に述べた他の月に対して、かなり過度な設計になってしまうかも知れない。

この発明は、特定な時に利用できる風が何時どの位あるか、特定な時にエネルギーの需要が何時どの位あるかを考慮して、風から得られるエネルギーが最大になるようなシステムを形作ることを考えている。それにより、このシステムは、発電敷設網から遠く離れている場所に、連続して中断なく電力を供給するように、効率よく信頼性のある運用をすることができる。風が何時どの位吹くか、需要の時期がどの位続くかを予想することは、しばしば難しいことであるが、この発明は、風の供給とエネルギーの需要に関する信頼できるデーターを用いて、ある平均を計算し、それらの平均を使って反復工程の手法で、一年を通じて、事実上どんな特定の応用に対しても、適応する最善のシステムを作ることを考えている。

効率に関して、考えに入れることが望ましい幾つかの要素は、体系を作るための全体のコストに関することである。そこでは、需要と供給の平均を用いて、年の特定の時期におけるエネルギー需要に合うために、体系の上に設置すべき風車の最適数を出すことが望ましい。それには、体系が年間を通じて能率よく、効果的に動くことを保証するために、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型設備の数をいくつになすべきか、必要な混成型ステーションの数をいくつになすべきかを決定することが含まれるであろう。

直接使用のためのエネルギーを生産する、水平軸風力タービン組織に関する流れ図を示す。 圧縮空気の中にエネルギーを貯蔵するための、改造された水平軸風力タービン組織に関する流れ図を示す。 図２に示された組織の、貯蔵タンクと発熱器の模型的な図を示す。 直接使用及びエネルギー貯蔵のために電力を生産する、混成型水平軸風力タービン組織に関する流れ図を示す。 風が強い季節における、仮想的場所での風速の度数分布図を示す。 風が弱い季節における、仮想的場所での風速の度数分布図を示す。 風が強い季節における、同じ仮想的場所での、平均的一日の、風の履歴（組織的記録）（history）を示す。 風が弱い季節における、同じ仮想的場所での、平均的一日の、風の履歴を示す。 風が吹く季節と弱い季節の両方における、同じ仮想的場所での、平均的一日の、エネルギー需要の履歴を示す。 風が吹く季節における、同じ仮想的場所での、エネルギー需要と風力エネルギーの利用可能度の比較を示す。 風が弱い季節における、同じ仮想的場所での、エネルギー需要と風力エネルギーの利用可能度の比較を示す。 風のある季節の、典型的な日に、波形不適合ファクターが約3.0であるとして、本文に述べるシステムに用いた場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。 風のある季節の、同じ典型的な日に、波形不適合ファクターが約3.3であるとして、本文に述べるシステムに用いた場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。 風のある季節の、同じ典型的な日に、波形不適合ファクターが約3.6であるとして、本文に述べるシステムに用いた場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。 風のある季節の、同じ典型的な日に、波形不適合ファクターが約3.9であるとして、本文に述べるシステムに用いた場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。 図１３に示された風のある季節の、同じ典型的な日に、このシステムが太陽熱と補助的なバーナーの加熱装置を両方持つ場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。 図１６に示された風のある季節の、同じ典型的な日に、このシステムが太陽熱による加熱装置を持たず、補助的なバーナーの加熱装置を持つ場合、仮想的な貯蔵タンクに残る予備エネルギー量の日変化を示す。

［発明の詳細な説明］
この発明は、風力エネルギーによって発電し、それを貯蔵するためのシステムの改良に関するものである。この発明は、風力により得られたエネルギーを使用及び貯蔵して、発電敷設網から遠く離れた地域で、連続して中断なく電力の供給を受けられるように、効率と適応性を高めるように設計された、幾つかの改良法と装置からなる。このシステムは、利用者が既存の発電敷設網へのアクセスをすることなく、殆ど風力だけによって、風があてにならず、一般に予測もできないにも拘らず、連続して中断なく電力の供給を受けられるように設計することが望ましい。

この発明の装置の部分は、３つの違った型の風車ステーションから成ることが望ましい。第１の型は、水平軸風力タービンを持ち、発電機を用いて機械的回転力を電気エネルギーに変え、それを直ちに利用するもので（今後“直接使用型ステーション”と呼ぶ）、第２の型は、水平軸風力タービンを持ち、機械的回転力を圧縮空気のエネルギーに変えて保存するもので（今後“エネルギー貯蔵型ステーション”と呼ぶ）、第３の型は、初めの２つの型が持つ特性を１つの風車ステーションに結合して、機械的回転力を直ちに使用する電力且つ/または 保存するためのエネルギーに変えるもの（今後“混成型ステーション”と呼ぶ）である。このシステムは、上に述べた３つの型の１以上の型の風車ステーションを組み合わせて用い、風力から得られたエネルギーの一部を直ちに使用し、一部をエネルギー貯蔵にゆだねるように設計されている。この発明ではまた、電力の供給が中断されないように、出力の弱い非常用の補助的な電力供給源が考えられている。

以下の議論において、上述の３つの型の風車ステーションの各々を論じ、特定の応用にあたり、如何にそれらを最もよく組み合わせるかについて述べる。

Ａ．直接使用型ステーション:
図１は直接使用型ステーションの工程経路を、流れ図で図式的に示したものである。この図では、風車により生じた機械的回転力が、どのようにして電力に変換され、すぐに使える電気エネルギーを供給できるかを示している。

電気エネルギーを生成する通常の風車装置と同じように、この発明では、各々の直接使用型ステーションは、水平軸のある風力タービンを付けた風車塔から成る。風車塔は、風力タービンが予め決められた高さに置かれるように建てられることが望ましい。そして、各々の風力タービンを風の方向に向けて、風を受ける面積と、風力の変換率を最大にすることが望ましい。いろいろな標準的な生産業者によって作られるような風力タービンを、風車塔の頂上に付け、風車の刃または羽が水平に置かれて、回転の軸棒（シャフト）の周りに位置するように設置する。

この実施例においては、ギアボックスと発電機が風車の中枢の中におかれることが望ましく、それにより軸棒の機械的回転力が、直接発電機を動かし電気エネルギーを製造する。発電機を、ギアボックスを通じて直接軸棒の上に置くことにより、機械的動力は、より効果的に電力に換えられる。それから電気エネルギーは、電力線を通じて風車塔の下に伝導され、それが別の電線またはケーブルに繋がれて、電力を直接使用型ステーションから消費者に送ることができる。

この発明では、直接使用型ステーションは、後に述べるエネルギー保存型の他の風車ステーションと関連させて使うように考えられている。それは、前にも述べたように、風が吹くことは一般に信頼できず、また予想もできないので、直接使用型ステーションだけではエネルギー供給のシステムを、風が弱いか全く無い場合に、連続して中断されることなく使うことができないからである。従って、この発明では、たくさんの風車ステーションが設置されるウインドファームでは、エネルギー貯蔵型ステーションが付加的に設置されて使用されることを考えている。

Ｂ．エネルギー貯蔵型ステーション
図２は、エネルギー貯蔵型風車ステーションの工程経路を、流れ図で図式的に示したものである。この施設も、前の直接使用型ステーションのときに述べたと同じように、通常の風車塔と水平の軸のある風力タービンから成る。同様に、風力タービンは風車塔の頂上に付けられ、風の方向に向けられる。回転の軸棒が風力タービンから延びて電力を伝える。

しかしながら、前の設計と異なり、この実施例では、風から得たエネルギーは風車塔の下で貯蔵のため取り出される。図２に示すように、最初のギアボックスは、風車の中枢の中にある風力タービンの近くに置かれて、水平の軸棒の回転運動を、風車塔の下に延びる垂直の軸棒に伝えることが望ましい。塔の底部には第２のギアボックスがあって、垂直の軸棒の回転運動を地上にある別の水平の軸棒に伝え、それを圧縮機に繋げるように設計することが望ましい。それ故、塔の頂上にある風力タービンからの機械的回転力は、塔の下に伝えられ、塔の底部にある圧縮機を通して直接圧搾空気のエネルギーに換えられる。圧縮機の中の機械的モーターが、圧搾空気のエネルギーを、近くの地上にある１以上の高圧貯蔵タンクに押し込む。

このやり方では、各々のエネルギー貯蔵型ステーションは、後に需要が最高の時 及び／または 風が弱いか全くない時に使用するために貯めておいた圧搾空気のエネルギーを、直接機械的風の力に換えることができる。エネルギー貯蔵型ステーションはエネルギーを貯蔵するためだけのものだから、このシステムでは、１以上の直接使用型ステーションを具えることが望ましい。それにより、先に述べたように、１以上のエネルギー貯蔵型ステーションと共同で、一般に、より有効に、機械的動力を電力に換えることができる。

このシステムのエネルギー貯蔵の部分は、貯蔵する方法と貯蔵タンク中の圧搾空気のエネルギーを使用する方法とから成ることが望ましい。ここに、高圧貯蔵タンクは、圧縮機より掛けられる圧力に耐えられるように設計することが望ましく、また、タンクの中の温度を保てるように絶縁することが望ましい。タンクはまた、圧縮された空気が、大きな圧力の損失なくタンクに伝えられるように、（タンクの接がれる）エネルギー貯蔵型ステーションの近くに置かれることが望ましい。

この発明では色々なサイズのタンクを使うが、そのサイズを決めるには色々な要素に関する計算を基に考えることが望ましい。例えば、後に述べるように、貯蔵タンクのサイズは、設置されるエネルギー貯蔵型ステーションと直接使用型ステーションの数とその比率に依存する他、選ばれた風力タービンのサイズと容量、選ばれた圧縮機の容量、風の有無、需要エネルギーの量などに依存する。今の議論の例での望ましいタンクのサイズは、４１．３４×１０ ^５ Ｐａ（６００ｐｓｉｇ）の容量 を基礎においている。貯蔵タンクは、道路や鉄道での輸送を考えて、直径３．０５メートル（１０フィート）、長さ１８．３メートル（６０フィート）で作ることが望ましい。

この発明では、圧縮された空気を電気エネルギーに換えるための、たくさんある通常の方法のどれでも使うように考えられている。望ましい実施例では、１以上のターボ式エキスパンダーを使って、貯蔵タンクから圧縮空気を噴出させて高速の空気流を作り、電気エネルギーを生み出す発電機を作動させる。この電気は直接使用型ステーションから供給されるエネルギーの補充として使われる。貯蔵された風のエネルギーが要求される時はいつでも、ターボ式エキスパンダーを通して、貯蔵タンクの中の空気を放出できるように設計されている。図２に示されるように、ターボ式エキスパンダーは、交流発電機にエネルギーを与え、それはACからDCへ変換するコンバーター、DCからACへ変換するインバーター、そして消費者の回路の負荷に合わせるための調節をするコンディショナーへと繋がる。

図３はエネルギー貯蔵型ステーションが繋がれる貯蔵タンクの構成を詳細に示す。望ましい実施例において、タンクの中に蓄える圧縮空気に供給する熱を生成するための、１以上の方法が提供されている。この発明では、少なくとも３つの異なるシステムが、高圧タンクの中の圧縮空気に熱を供給する手段として考えられている。それらは １）太陽からのエネルギーを使う太陽熱収集器、２）圧縮機から出る余分の熱を貯蔵タンクに循環させる余剰熱収集器と、３）熱を貯蔵タンクに導入するための、化石燃料バーナーのような別個の加熱装置である。この発明ではまた、熱を圧縮空気に供給するために、別の標準的方法を使うことも考えている。

色々な熱収集器からの熱をタンクの中の圧縮空気に配分する方法は、一般に、タンクを通じて延びる、薄い壁をもつ管の広い表面を用いる。この管はタンク中の全領域の約１％を占めることが望ましく、銅または炭素鋼で作られることが望ましい。それはまた、収集器によって熱せられ、管によって貯蔵タンクの内部全部に配分される不凍液を含むことが望ましい。薄い壁の管は、熱慣性系の一部である熱交換器の役目をする。内側からの熱の喪失を防ぐために、貯蔵タンクは絶縁体により裏打ちされることが望ましい。

貯蔵タンク内の温度上昇には幾つかの利点がある。第１に、熱はターボ式エキスパンダーにより行なわれる全体の働きの効率を高め、貯蔵タンク中の圧縮空気の温度を高めることにより、同じサイズの貯蔵タンクから生成されるエネルギー量を大きくすることができる。第２に、貯蔵タンクの中の温度を高めることにより、タンクの中の圧力が増し、より早い（空気の）速度がターボ式エキスパンダーから得られる。第３に、タンクの中の温度を高めることにより、タンク中の空気の膨張によって生ずる氷結を防ぐことができる。加熱の要素がなければ、タンクから放出される空気の温度は、タンクの中の水蒸気と二酸化炭素が凍ってシステムの効率を弱めるほどの低温に達する可能性がある。この発明では、膨張する空気の温度を容認できる程度に抑えて、システムの運用効率を維持することが考慮されている。もし必要ならば、エンジンの燃焼室（コンバスター）のような加熱装置を加えることもできる。

更に、この発明はターボ式エキスパンダーにより生ずる冷たい空気も利用することを考えている。例えば、パイプを通して冷たい空気を圧縮機に廻し、圧縮機を冷やすことができる。その上、ターボ式エキスパンダーからの冷たい空気は、暖かいまたは暑い天気の時に、冷蔵やエアコンのために使うこともできる。

このシステムはまた、貯蔵タンク、圧縮機、ターボ式エキスパンダー、加熱装置、冷蔵構成部などの作動を制御するシステムから成ることが望ましい。制御システムは、貯蔵タンクに入ったり出たりする圧縮空気の流れを管理することによって、タンク中の圧縮空気のエネルギーを適当なレベルに保つように設計することが望ましい。制御システムはまた、熱交換を制御し、タンク中の空気の温度を制御するのを助ける働きをする。制御システムは、特定の時間にどの熱交換を使うべきか、貯蔵タンク中の圧縮空気に、どの位の熱を与えるべきかを決める。制御システムは微量調節器を備え、予め装置が自動的に働くようにプログラムしておくことが望ましい。過度に長い期間、風が弱いか全くない場合のために、別個の発電機が備えられているから、制御システムは、消費者がいつ圧縮空気のエネルギーを使い、いつ発電機を使うべきかを決めることができるようにすることが望ましい。

この発明は、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの両方からなる総合的システムが開発されて設置されることを考えている。その場合、このシステムを使おうとする地域の需要に応じて、予め決められた数の直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの数が与えられることが望ましい。これにより、このシステムは、特別なあつらえに合わせて、色々なサイズの応用に使うことができる。例えば、大きな応用では、多数の風車ステーションが、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションに配分されて設置され、互いに整合的に作動する。

Ｃ．混成型ステーション
図４は混成型ステーションの構成に関する流れ図を示す。混成型ステーションは、実質的に１つの風車ステーションで、直接使用型ステーションの部分とエネルギー貯蔵型ステーションの部分の要素から成り、機械的動力を分割する機構を持っていて、必要に応じて電力を直接使用用とエネルギー貯蔵用に分配する。

先に述べた２つの施設の場合と同じように、通常の風車塔が、通常の水平軸風力タービンを付けて立てられる。風力タービンは、機械的動力を直接コンバーターに伝えることができる水平の回転軸棒から成ることが望ましい。

混成型ステーションでも、エネルギー貯蔵型ステーションと同じように、風力エネルギーが風車塔の底部で取り出されるようになっている。図４に図式的に示すように、風力タービンは、風車の中枢の中にある第１のギアボックスに繋がれた回転駆動軸棒を持ち、軸棒（シャフト）の水平回転運動が塔の下に延びる垂直軸棒に伝えられる。塔の下には、第２のギアボックスがあって、垂直軸棒の回転運動を底部にある別の水平軸棒に伝える。

この時点で、図４に示されるように、機械的動力の分割機が供給されることが望ましい。分離器は、詳細は後に記されるが、下の水平軸棒の機械的回転力を分けて、風力の適当な割合が望ましい下流のコンバーターに伝えられるように設計される。すなわち、電力を直接使用のために発電機に送るか 且つ/または エネルギー貯蔵のために圧縮機に送るかを調節することができる。

機械的分割機の下の方で混成型ステーションは、一方では発電機に機械的な繋がりを持ち、他方では圧縮機に機械的な繋がりを持つ。機械的分割機が完全に発電機の方に分岐する場合は、下の水平軸棒の機械的回転力はギアによって、直接発電機に伝えられる。これにより、発電機は機械的動力を有効且つ直接的に電気のエネルギーに変換し、電力を消費者が直ちに使用できるように伝送する。

他方、機械的分割機が完全に圧縮機の方に分岐する場合は、下の水平軸棒の機械的回転力は直接圧縮機に伝えられ、圧縮空気のエネルギーが高圧貯蔵タンクの中に貯蔵される。混成型ステーションのこの部分は、混成型ステーションによって生ずる機械的動力を直接圧縮空気のエネルギーに換え、圧力タンクに貯蔵し、そのエネルギーを、後で適当な時期に、１以上のターボ式エキスパンダーによって解放しようとする点では、実質的にエネルギー貯蔵型ステーションの構成と同じである。前の実施例と同じように、高圧貯蔵タンクは、圧縮空気のエネルギーを後の使用のためタンクに有効に貯蔵するように、風車ステーションの近くに置かれることが望ましい。

混成型ステーションの１つのやり方では、特定の地域にただ１つの風車を使う。これは一軒の家または小さな農園にエネルギーを供給する場合に現実となる。そのような場合には、ただ１つの高圧貯蔵タンクが圧縮機に繋がれて、エネルギーをエネルギー貯蔵型の設備に蓄えるのに使われる。

他方、大きな農園での応用の場合は、直接使用型ステーションやエネルギー貯蔵型ステーションと一緒に混成型ステーションを使うことができる。そのような場合は、各々の混成型ステーションの圧縮機は、中央に置かれた貯蔵タンクに繋がれて、たくさんのステーションから圧縮空気を１つのタンクに送り込むことができる。実際に、混成型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの両方が、場合に応じて、圧縮空気のエネルギーを、１つまたはいくつかのタンクに送り込むことができる。

図３に示される貯蔵タンクの構成の詳細は、混成型ステーションに組み込まれることが望ましい。例えば、先に述べた３つの型の加熱装置のうち、１以上が、貯蔵タンクの中の空気を暖め、加熱による利益を提供するために用いられる。貯蔵タンクはまた、熱交換器に適合されて、タンクの中を走る薄い壁の管を通して、タンクの中に熱を供給する。これに加えて、プロパンバーナーを供給することもできる。

機械的動力を直接使用用とエネルギー貯蔵用に分けるための機械的分割機は、複数の変速機（ギア）と連動機（クラッチ）を持ち、力学的エネルギーを直接コンバーターに伝えて、完全に分割するか、両方が同時に働くようにするのが望ましい。

望ましい実施例では、機械的分割機は、設備の底部から延びる下の水平の駆動軸棒に付く大きなギアと、それに噛み合って働く別の駆動ギア(drive gear)からなる。第１のクラッチは駆動ギアを制御し、それらが大きなギアと噛み合う第１の位置から動き、第２の位置では大きなギアと噛み合わないようにする。このようにして、第１のクラッチを働かせて、下の駆動軸棒から２つの型のコンバーターに、機械的動力が好ましく配分される条件の基に、適当な数の駆動ギアが大きなギアと噛み合うようにする。

例えば１つの実施例では、１つの大きなギアと５つの駆動ギアがあって、第１のクラッチを使って、大きなギアが何時でも、１つ、２つ、３つ、４つ、または５つの駆動ギアに噛み合えるようにする。このようにして、最初のクラッチは幾つのギアを駆動状態にするかを制御でき、下の水平の駆動軸棒によって、伝えるべきシステムの変換成分に対する機械的動力の割合を決めることができる。すなわち、もし５つの駆動ギアが全部大きなギアに噛み合うときは、各々の駆動ギアは、エネルギー変換機に行く全機械的動力の５分の１または２０％を伝えることができる。また、もし３つだけの駆動ギアが大きなギアに噛み合うときは、風車により生ずる機械的動力の３分の１、すなわち３３．３３％がエネルギー変換機に伝えられる。もし、２つの駆動ギアが大きなギアに噛み合うときは、各々は伝送されるエネルギーの半分を伝えることになる。

この発明における機械的分割機は、更に、第２のクラッチを考えており、それにより、各々の駆動ギアは、下流の発電機（直接使用のためのエネルギーを作る）または圧縮機（エネルギー貯蔵のための圧縮空気を作る）に繋げられる。それ故、第２のクラッチを調節して、大きなギアから駆動ギアの１つに伝えられる機械的動力は、発電機か圧縮機の何れかに向けられる。

これにより、風車ステーションから得られる機械的動力の量は、直接使用用とエネルギー貯蔵用の間に分配され、その配分を調節することができる。すなわち、各々の型のエネルギー変換機により配布される力の量は、幾つの駆動ギアが大きなギアに噛み合うか、各々の噛み合った駆動ギアがどちらのエネルギー変換機に付くかによって決まる。すなわち、発電機に付くものは直接使用用のエネルギーを、圧縮機に付くものは貯蔵用のエネルギーを生成する。

以上に基づいて、ここに提起される機械的動力の分割機でクラッチとギアを調節することにより、直接使用用に使うエネルギーと、貯蔵用に使うエネルギーの量を調節して配分できることが分かったということができる。例えば、４０％の機械的動力を直接使用用に、６０％を貯蔵用にしようと望むならば、第１のクラッチを使って、すべての５つの駆動ギアを大きなギアに噛み合わせ、第２のクラッチで５つの内２つの駆動ギア（それぞれ２０％、全体で４０％を提供する）を発電機に繋ぎ、他の３つ（各々が２０％、全体で６０％を提供する）を圧縮機に繋ぐ。このようにして、機械的な分割機は、機械的動力を、直接使用用とエネルギー貯蔵用に40/60の予め決められた比率に分けて配分することができる。

別の例で、もし、機械的動力の1/3を直接使用用に、2/3をエネルギー貯蔵用に配分しようと望むならば、第１のクラッチを使って、３つの駆動ギアを大きなギアに噛み合わせ、第２のクラッチで１つの駆動ギアを発電機に繋ぎ、他の２つを圧縮機に繋ぐ。そうすれば、風力タービンにより得られる機械的動力は1/3対2/3の比率で、直接使用用とエネルギー貯蔵用に配分される。

このシステムは、取り付ける駆動ギアの数によって、配分する機械的動力の範囲を変えることができる。しかしながら、大抵の場合に、５つのギアで混成型ステーションを作動するのに十分な順応性があると考えられる。すなわち、５つの駆動ギアによって次の比率で配分できる：それらは50/50、33.33/66.66、66.66/33.33、20/80、40/60、60/40、80/20、100/0、0/100である。

機械的動力の分離機にクラッチを使うことにより、混成型ステーションは、一年の違う時に、直接使用用とエネルギー貯蔵用に配分される比率を変えることができる。後に述べるように、消費者に適当な量の電力を供給するために、電力の需要度と風の有無により、異なる比率が必要になると考えられる。特にエネルギーの需要度が連続的に中断なく高く、風の吹き方が当てにならず予想できない時に、異なる比率が必要になると考えられる。

更に、大きなウインドファームで混成型ステーションを使う場合は、機械的動力の分離機は動力を直接使用用とエネルギー貯蔵用の間で、完全に切り替えて使うことができる。すなわち、需要に応じて、１００％直接使用用、または１００％エネルギー貯蔵用に配置することができる。それは、第１のクラッチを使って、駆動ギアの１つだけを大きなギアに噛み合わせ、その駆動ギアを、第２のクラッチを使って、適当なコンバーターに繋ぐことによってできる。このようにして、後に議論するように、このシステムは、コストとエネルギーの効率がよいように設計して設置することができる。

Ｄ.３つの型の施設の調整：
次の議論は、上の３つの型の風車ステーションを、特別の応用の際、最もよく調整するために決めるべき望ましい手順に関するものである。それには、その特別な場所において、このシステムを設置して作動させるのが、適切であるか否かを決めることも含まれている。そのような決定は、一般に、費用対利得の分析、年間を通じて時と場所で風がどのくらい利用できるかを考えるエネルギー効率の研究、その場所でどのくらいの需要があるかの吟味から成る。

図５と図６は、仮想的な場所における、通常風の度数分布図とよばれるものを示す。これらの図は、実際の場所で起こり得る風の仮想的な例を表しており、このシステムが色々な環境に応用して、如何に調整して適応することができるかを示すためのものである。通常４つの季節を考えるのが普通であるが、今の特別な例では、４つの内２つだけの季節の図を例証のために掲げてある。この例では、２つの季節は、特定の仮想的年の２つの極端なケースを表しており、実際の場合には、４つの季節、すなわち年間を通じての図が考えられるであろう。

一般に、これらの図は、３ヶ月すなわち１季節に、一日の間に、（３分毎に測ったとき）風が、ある速度に達する場合の数の平均を示す。風の度数分布図は、その場所で一日の間に利用できる風の平均量を、季節ごとに研究するために作られたものである。

例えば、図５は“風の強い”季節における風速の度数分布を表すためのものであり、図６は、同じ場所で“風が弱い”季節のものである。何れの場合も、複数の図を作って、特定の場所での、各季節の毎日または研究する期間中の研究が、１年及び１日の間のいかなる時に対してでも、その風速が起こり得る平均回数を知らせることができるように企てている。後に述べるように、この情報、最善及び最悪ケースのシナリオに基づくこの研究の情報は、全年間に対する解決案を作るのに役立つ。

図５は、風の強い季節において、２４時間中に、ある特定の風速が観測される最高の回数は約５２で、それは風速が毎秒約９．１５メートル（３０フィート）に達するときであることを示している。別の言い方をすれば、風の強い季節の平均日では、風が毎秒約９．１５メートル（３０フィート）の速度で吹くことは、他の如何なる速度の場合よりも多く、その時間は約２時間半（３分間が５２回で１５６分になる）と推定される。また言い方を換えれば、風は一日４８０回の観測中、平均約毎秒９．１５メートル（３０フィート）で吹いたのは、平均約５２回であるということができる。

図５はまた、風の強い季節の平均において、風が毎秒３．０５メートル(１０フィート)以下の速度で吹いたのは約２３回であったことを示している。これは推定約１時間１０分（すなわち、３分間が２３回で６９分）の間、その速度以下であったことを意味する。同様に、図は、風速が毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）以上は平均約８回起こったことを示しているが、これは、風が推定約２４分（すなわち、３分間が８回で２４分）の間、その速度以上であったことを意味する。

これらが意味することは、使う風力タービンの種類によって異なるが、平均日に、エネルギーを生産するのに必要な、風力タービンの作動時間量を図から予想することができるということである。例えば、風速が毎秒３．０５メートル(１０フィート)から毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）の間のときだけ作動する風力タービンを使う場合は、効率性と安全性の理由から、風の強い季節には平均約１時間半（すなわち、６９分足す２４分で９３分）だけ、風力タービンの運転ができず、平均約２２時間半は運転ができると予想される。

上に述べた２２時間半の間に、風力タービンをどの位運転するかは、一日の間の各時間の風速に依存する。一般に、風力タービンにより得られる風力は、次の式に従うと仮定される：
Ｐ＝Ｃ１＊０．５＊Ｒｈｏ＊Ａ＊Ｕ３
ここに、
Ｃ１＝ 常数（風力タービン領域Ａと、風速Ｕを基に計算された風力Ｐの関係が実測値に合うように決める）
Ｒｈｏ＝ 空気の密度
Ａ＝風力タービンの回転により横切られる領域
Ｕ＝風速
これは風により生ずる風力の量が、風速の３乗に比例することを意味する。従って、風力タービンが風速毎秒３．０５メートル(１０フィート)から毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）の間でフルに作動するという状況では、その日に生産される風力の全量は、この範囲の全風速に直接関係する。

他方、ある高い風速の範囲で、風力の出力が一定になるように設計された、色々な風力タービンがある。これはある速さ以上の速度で、風車の刃に抵抗を付けて回転を弱めることによりできる。例えば、ある風力タービンは、ある速度の範囲、すなわち、毎秒５０と２２．８７５メートル（７５フィート）の間で風速が変っても、生ずる風力が一定に保たれる。この場合、風車により生ずる風力は、最低の風速すなわち毎秒１５．２５メートル（５０フィート）の風により生ずる風力に一定に保たれる。従って、上の例では、風が毎秒１５．２５メートル（５０フィート）と毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）の間で吹く間、風力タービンにより生ずる風力の量は、毎秒１５．２５メートル（５０フィート）の風の時に生ずる風力と同じである。更に、風速が毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）のようなある最高値を越すときは、過度の風速による損傷を防ぐために、多くの風力タービンは完全に操業中止になるように設計されている。従って、特定の風車により生産されるエネルギーの量の推定には、これらの要素を考慮に入れなければならない。

図６は、風の弱い季節において、２４時間中にある特定の風速が観測される最高の回数は約４０で、それは風速が毎秒約７．９３メートル（２６フィート）に達するときであることを示している。別の言い方をすれば、風の弱い季節の平均日では、風が毎秒約７．９３メートル（２６フィート）の速度で吹くことは、他の如何なる速度の場合よりも多く、その時間は約２時間（３分間が４０回で１２０分になる）と推定される。また言い方を換えれば、風は一日４８０回の観測中、平均約毎秒７．９３メートル（２６フィート）で吹いたのは、平均約４０回であるということができる。

図６はまた、平均の一日において、風が毎秒３．０５メートル(１０フィート)以下の速度で吹いたのは約５回であったことを示している。それはその速度以下であったのは約１５分（すなわち、３分間が５回で１５分）であると推定されることを意味する。同様に、図は、風速が毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）以上のことは一度もなかった（すなわち、３分間が０回で０分）ことを示している。
あろう。

上に述べた風力タービンを使う場合、風の弱い季節の日には、風力タービンは一日に平均約１５分は働かず、平均２３時間４５分は働くことが予想される。先に議論したように、図から、平均の日において風力タービンが働いてエネルギーを生産することができる時間と、どのくらいのエネルギーが生産されるかを予想することができる。

一般に、図６の曲線は図５のものに較べて、傾斜がより急で巾がより狭く、全体として低い位置にあることが見られる。このことは、風の弱い季節の風速は、この特定の場所における風の強い季節に較べて、全く強くないことを指摘している。更に、この図は長い期間の平均を示しているから、特定の時期の、実際のでき事はかなり大幅に違うことを考える必要がある。ここに、風速の頻度分布はWeibullの分布によって典型的に、統計的に描かれることを注意すべきである。風力タービンの製造業者は、”巾のパラメーター“ k=2.0 のWeibull分布を使うが、ある場所ではｋ＝2.52の高いパラメーターのところもある。それで、仮想の技術的運行評価に当っては、これらの2つの値が選ばれる。また、図５と図６のWeibull分布は、それぞれ2.00と2.52の形状因子(Shape Factor)で特性化されており、特性速度がそれぞれ40及び25 ft/secで、最低速度がそれぞれ２及び６ft/secである。

ある風速が、年間を通じて平均どのくらいの頻度で実際に起こるかを知ることは願わしいことであるが、どれか特定の日の間に、色々な速度が何時起こるかを知ることも重要である。すなわち、平均において、その特定の日の最も需要の多い時間と比較できるようにする。これに関連して、図７と図８は、特定の季節の、１日の特定な時間に、平均において吹く毎日の風の分布を示す。すなわち、図７は、仮想的な風の強い季節の観測を集めて平均したものを示し、図８は、仮想的な風の弱い季節の観測を集めて平均したものを示す。後に述べるように、実際には、毎日観測を行なって、各季節または期間の各々の日について、別々の図を作り、その情報を使って全年に対するシステムを開発する方がより適切であろう。

図７は、風の強い月には、最高速度は平均でおよそ午前６時３０分に起こり、最低速度は典型的に大体正午ごろ起こることを示している。風速の概観図が示すように、風速は典型的に午前中に高まり始めて、午前６時３０分ごろに最高に達し、それから殆ど連続的に弱まり、正午ごろ最低に達する。それから風速は、毎秒７．６２５メートル（２５フィート）から１５．２５メートル（５０フィート）の間の小さい変動（乱気流）を伴いながら、典型的に殆ど定常的な平均レベルの約毎秒１２．２メートル（４０フィート）に上昇する。この状態は平均約７時間、すなわち、午後２時から９時頃まで続き、真夜中頃に風速は約毎秒３．０５メートル(１０フィート)に落ちる。このグラフは風のある季節の平均を示すが、この季節の毎日の典型的な図は、これに類似のグラフを示すだろう。

他方において図８は、風の弱い月には、最高速度は大体正午ごろ起こり、最低速度は、ほぼ深夜に起こることを示している。この場合は、午前中は典型的に非常に乱れた風速で、３分毎の観測にかなりの風速の変化が現れる。同時にこの風速の概観図は、正午に毎秒１５．２５メートル（５０フィート）に達するまで、風速が間断なく上昇するというはっきりした型を示している。他方、午後及び夕方の時刻では、平均風速は比較的なめらかに堅実に下がるようで、その後は殆ど変化をしない。この風速の記録について注意すべき大きな特性は、午前中早い時間にかなりの乱気流が起こり、その他の時間には起こらないということである。ここでもまた、この曲線は風の弱い季節の平均を示すが、この季節の毎日の典型的な図は、これに類似の曲線を示すだろう。

これらの図は、平均の日のある特定の時刻に、風が利用できるか否かには大きな差があり、それはまた、季節によっても異なることを示している。実際にあたっては、すべての季節または期間に亘る毎日の資料を検討することが必要である。

考えるべきもう１つの要素は、この風力エネルギー生成と貯蔵施設が使われる場所で、エネルギー需要がどのくらいあるかということである。これは、その場所で、単位時間の間に使われるエネルギー量を測り、その結果を特別の日の平均として図にすることで可能である。それが図９に表されているもので、仮想的な場所におけるエネルギー需要のグラフを示す。

この例では簡単のために、エネルギー需要グラフは、風のある季節も、風の少ない季節も同じであると仮定している。実際には、グラフは時期によって変るかも知れないが。この例では、夏はエアコンが、冬はヒーターが使われる日中にエネルギー需要は最高になる。

図１０と図１１は、特別の時期の、特別の場所において、風の利用可能性とエネルギー需要度が、如何に異なるかまたは類似しているかを示す。

図１０は、風のある季節を表し、図７の風速を基にして計算した風力（風速を先に述べた風力の式に当てはめて計算する）のグラフと、図９のエネルギー需要のグラフを一緒に示す。ここで、風力は風速の３乗に比例するから、風力のグラフは風速のグラフに形が似ている。この場合、式にある特性常数と、風力タービンの回転により横切られる領域などは仮定された値を取り、２つのグラフはそれらの差を示すために、無作為に重ねて示してある。この例では、需要が最高になる時期と、風の利用可能性が最低になる時期がともに日中、すなわち、ほぼ正午に起こっている。この意味することは、日中にはエネルギー需要と供給の間に、とても大きな差があるということで、実行可能な風力エネルギー使用とその貯蔵の施設を設計するには、このことを考慮に入れなければならない。実際に、エネルギーの需要が最高になる日中には、風速が現実にずっと毎秒３．０５メートル(１０フィート)以下で、風力が、直接使用にも、貯蔵用にも全く利用できないことがある。

図１１は、風の弱い季節を表し、図８の風速を基にして計算した風力（風速を先に述べた風力の式に当てはめて計算する）のグラフと、図９のエネルギー需要のグラフを一緒に示す。ここで再び、風力は風速の３乗に比例するから、風力のグラフは風速のグラフに形が似ている。この場合、式にある特性常数と風力タービンの回転により横切られる領域などは仮定された値を取り、２つのグラフはそれらの差を示すために、無作為に重ねて示してある。しかしながら、この例では前の場合と違い、２つのグラフの形がずっと似ている。日中の需要が最高になる時期は、同じく日中におこる風の利用可能性が最高になる時期と、実質的に一致する。このことは、一年のこの季節には、需要と供給が一層よくバランスしているようであることを示す。他方において、この季節には全体のグラフも似ていて、風の利用可能性もこの季節にはかなり低いことが見られる。

図１０と図１１は需要と供給のグラフの差を示すが、それはまた季節によって大きく異なる。後に議論するように、年間を通じて働くシステムを開発するには、最悪の場合のシナリオを考えて、色々な季節のデーターを比較する必要がある。季節ごとに風車を取り外したり、据え付けたりするのは実際的でないから、この発明では、何か特定の場所で起こるかも知れない最悪ケースのシナリオに基づいて、採算性がよくてエネルギー効率のよい解決法を選択し、必要に応じて、それを調整したり変更したりすることを考える。

Ｅ．注文に応じたシステムを開発する手順
注文されたシステムを設計する段階は次の通りである。

第１に、一年の４つの季節すべてに関する毎日の情報を得ることが望ましい。得られた情報は、その履歴がどのように変化しているかに応じて、季節ごとに、または他の期間、例えば、月ごと、2月ごと、6ヶ月ごと分類する。履歴に変化が余りない場合は、6ヶ月ごとのような長くて、頻度の少ない期間に分類してもよいかも知れない。しかしながら、履歴にずっと大きい変化があるときは、月ごとのような短い頻度の多い期間の方が好ましい。

最初に、問題の場所における、各季節または期間の、毎日の情報を集めることが望ましい。例えば、一年を４つの季節、すなわち９０日毎に分けた場合は、その季節の各々の日について、望ましい場所からの情報を集め、その場所に関する計算が、９０回繰り返しできるようにすることが望ましい。

はじめに、その特定の季節または期間の各々に対して、毎日の風速の履歴を集めることが重要である、その方法は、毎日得られる資料から、0.05時間（３分）間隔ごとに、平均の最低速度を示すカーブをプロットすることが望ましい。かくして、平均最低速度の２４時間に亘る図面が得られることが望ましい。それから、統計的Weibull関数分布に適応させて、上述のように、風速の発生をなめらかにすることが望ましい。これにより、一日の内のどの時刻の最低速度も、Weibull関数の合うために上昇し、特定の時期における、“標準の”利用できる平均速度に関する履歴ができ上がる。この結果の情報は、図７や図８のような、一日の風の履歴の図に描くことが望ましい。得られた風の履歴の情報は、それから、風力計算の式に当てはめて、風速を風力に換算し、その風力も大きさを２４時間に亘り図面上に描くことができる。

次に、サービスを提供する場所での、消費者の毎日の電力需要に関する履歴を描写することが望ましい。それには、0.05時間（３分）間隔ごとの平均最大要求を示す、毎日の需要曲線を描くための情報を考えることが望ましい。各季節または期間に対して、平均の毎日の需要を組織的に記録した曲線が作られる。それは、サービスを受ける場所で、その日に必要とする電力量を、キロワット単位で跡づけることが望ましい。図９の例では、平均の日の昼間において、約2,640キロワットの需要の最高があることを示している。一日に必要とするエネルギーの全量は、要求を組織的に記録した曲線を24時間に亘り延長して、すなわち、２４時間に亘り積分して得られる。この例では約33,000ｋW-Hrである。

次に、貯蔵タンクの容量を推定することが望ましい。これは後で最終的決定をする前に、ある仮定をする基礎になる。タンクの容量を推定するのに役立つことが分かった１つの方法は、その場所の、一日の全需要エネルギーの約１０％を貯蔵するのに必要な容量を推定することである。これは、上に決定した曲線に基づいて、需要の最も高い季節または期間、または最も誤算した季節または期間に対して推定される。上の例では、需要の最も高い季節または期間で、一日に必要とするエネルギーの全量が約３３，０００ｋＷ−Ｈｒの場合、期待される貯蔵タンクの容量は、その１０％、すなわち３，３００ｋＷ−Ｈｒを基にして決められる。この量と、タンク内の好ましい圧力４．１３４×１０ ^６ Ｐａ（６００ｐｓｉｇ）を用いて、最初のデザインとして、タンクは約２，５５３立方メートル（９０，０００立方フィート）以上の容量を持つべきであると推定される。このような容量は、複数の直径３．０５メートル(１０フィート)のタンクで得ることができる。

また、使用すべき最も効率のよい風力タービンを選ぶ試みが望ましい。それには、切り込み(cut-in)、定常、切り外し(cut-out) 風速に関する、製造業者の仕様書、風力タービンの全体の出力容量を考慮し、それらを風の利用可能度の履歴と照らし合わせることが望ましい。これに関連して考えることが望ましい一つの要素は、風力タービンが、その場所の、風の利用可能度の履歴と、如何に密接に適合するか、すなわち、平均の風速が、問題の風力タービンの作動速度の範囲に、如何によく適合するかということである。

例えば、平均の風速が一貫して毎秒１０．６７５メートル（３５フィート）以上である場合に、毎秒１０．６７５メートル（３５フィート）以下の風速で最も効率よく働き、毎秒１０．６７５メートル（３５フィート）と毎秒２２．８７５メートル（７５フィート）の間で、出力範囲が変らない風力タービンを選ぶことは、効率がよくないであろう。その様な風力タービンは、風速が毎秒１０．６７５メートル（３５フィート）を越すときに、それに比例して出力が上がらないだろう。同様に、平均の風速が一貫して毎秒６．１メートル（２０フィート）以下である場合に、毎秒１５．２５メートル（５０フィート）以上の風速で最も効率がよい風力タービンの設置に、より多くのお金を使うことは賢明な策ではない。

正しい風力タービンを選ぶために、この方法では色々な違った型の風力タービンとそれらの仕様書を比較し、その特別な場所について研究すべき風の履歴記述に基づいて決定を下すことを考えている。この方法は、各季節に対して使う（１つの風力タービンを１つの季節だけ使い、別の季節には別の型のものを使う）ために、色々な風力タービンを設置する可能性を否定するものではないが、このシステムが、如何によく調整されて設置されるかを示すために、ただ１つの風力タービンが、全季節に対して設置されることを仮定している。

次に、毎日の風力の利用可能度とエネルギー需要の履歴を、各季節または期間ごとに比較・分析して、必要なエネルギーの量を決め、特定の時の最悪ケースのシナリオを満足するために、色々な型の風車をいくつ設置すべきかを考える。出発点として、上の例においてエネルギーの需要と供給が、最も悪い組み合わせになるのは、風の強い季節であって、弱い季節ではないことに注意することが肝要である。他方、組み合わせということで最もよいシナリオは、風の弱い季節で、需要と供給の履歴を示す曲線が、よりよく相関するときである。従って、システムの開発に当っては、最悪ケースのシナリオが全体のシステムの設計を支配しそうであるから、最も組み合わせの食い違いが大きい季節に、より大きい重点をおくのがよい。他の季節または期間も考慮すべきであるが、初めの分析では、それらより先に最悪の季節または期間に焦点を当てて行なわれるべきである。

最初の仕事は、風力の利用可能度とエネルギー需要の曲線に基づいて、設置するすべての風車の断面積を決めることである。それにより設置する必要のある風車の数を決めることができる。それから、同じ基準に基づいて、設置すべき直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの数の比を決めることができる。

風車をいくつ設置するかを決めるのに使う全断面積、すなわち風車の刃の全表面積は、
面積（Area）＝X*P／（C*0.5*Rho*A*U³）によって計算される。ここに、Xは、特定の日の波形の食い違いを考慮して、設置すべき風車の最適の数を決めるのに助けとなる係数、Pは問題の期間の最高の電力需要、Cは0.5（600ｋWの風力タービンに対して）、“Rho”は0.076 lbs-mass/cu.ftで、Uは50 ft/秒である。この式ではまた、１sq.ft=144sq.in.，１hp＝550ft.-lbs./秒，１ｋW=0.746 hp．１ hour＝３,600秒を仮定している。

上に述べた風のある季節の日の例では、係数Xの初期値は3.0と推定されている。係数Xの初期値を選ぶのは、はじめは主観的である。それは、需要と供給のカーブが如何によく、或は悪く相関しているか、その場所に全体としてどのくらい利用可能な風があるかによって決めなければならない。その後、反復工程（iterative process）を用いて、実際の断面積に対するもっと正確な決定がなされる。この推定は次の基準でなされる。

最悪の場合の需要と供給カーブの間に、ほぼ完全な一致がある場合は、係数Xの初期値は約1.0から2.0に取られる。係数が1.0により近いか、それとも2.0により近いかは、曲線が完全によい一致であるか、それに近い場合であるかによって決まる。それと、実際にどのくらい利用可能な風があるかにも依存する。すなわち、曲線の一致が非常によくても、もし風速が一貫して弱いときは、需要に合う十分な風による電力を得るために、設置する風車の数を増やさなければならないかも知れない。それ故、より高い係数X、すなわち2.0に近い値が、断面積の計算に用いられることになるであろう。Xの1.0に近い値を選ぶということは、需要と供給カーブに基づいて、エネルギー貯蔵型ステーションは、あるとしても極めて少ない設計を選ぶということを意味する。何故なら、全部でなくとも、大部分の必要な電力が、直接使用型ステーションから生産され得るだろうからである。直接使用型ステーションは、エネルギー貯蔵型ステーションよりより安価に設置できて、エネルギー効率もよいから、そうすることが最も経済的に見て効果的であろう。それでも、分析は、各季節または期間のすべての日を考えて、最悪ケースのシナリオと、この季節または期間の平均を考慮に入れて、最後の解決を仕上げなければならないであろう。

最悪の場合の需要と供給カーブの間の不一致が中程度である場合は、係数Xの初期値は約2.0から3.0であるべきである。ここでも、係数が2.0に、それとも3.0に近いかは、実際にどのくらい利用可能な風があるかを含めた色々な要素に依存する。他方、不一致がひどい場合は、Xの初期値は約4.0に取るべきであり、不一致が更にひどい場合は、6.0の大きさにすべきである。もっとも、この点までになると、係数Xはとても大き過ぎることになりそうで、システムを効率よく経済的に設計することはできない。従って、不一致が大きくても、Xの初期値は約4.0より大きくしないで、もっと正確な設計の方法を使って、必要な調整をすることが薦められる。

ここで考慮に入れるべきもう１つの要素は、太陽エネルギーその他の熱源からの寄与である。先にも述べたように、貯蔵物から供給されるエネルギーを高める加熱系の１つは、太陽エネルギーを集めること、すなわち、それで貯蔵タンクの中の圧縮空気を熱することである。従って、その季節または期間の平均の日における、利用可能な太陽エネルギーの別個の研究に基づいて、貯蔵物からのエネルギーの効率とその利用可能度に、太陽のエネルギーがどの程度貢献できるかという要素を考えに入れることができる。

例えば、太陽の利用度を記す履歴の図（solar history chart）が、風のある季節の日中、貯蔵タンクからの出力エネルギーを増大させるのに十分な太陽エネルギーがあることを示すならば、当てはめるべき係数Xの値は、適当に小さくすることができる。すなわち、エネルギー需要と供給の曲線が、その時期によい相関にない場合でも、その同じ時期に利用できる太陽エネルギーが十分ある場合は、すなわち、利用できる風が最小であるか、少なくとも需要と供給の差が最高である場合は、比較はこのことを考慮に入れるべきである。

これらの追加的要素に基づいて、最高の不一致を補うほど、日中の太陽エネルギーが十分あることを考えて、Xの初期値を3.0に選ぶことにする。すなわち、風のある季節のこの例における最悪ケースのシナリオで、風力の利用可能度とエネルギー需要の曲線が、日中最高の不一致を示す状況下では、Xの初期値は4.0であるべきだとはじめは考えられるが、同じ日中に最高の太陽エネルギー供給が可能である状況では、Xの初期値を約3.0に下げることができる。すなわち、上の理由により、（需要と供給の）相関が極めて悪い場所でも、4.0の係数を約3.0に下げることができる。何故なら、風の利用可能性が最悪ケースのシナリオでも、太陽エネルギー利用可能性では最高であるらしいからである。

上の式で、Ｘの初期値を３．０、問題の期間の最高エネルギー需要（Ｐ）を２，６４０Ｋｗとすると、このシステムに必要な全断面積（Ａｒｅａ）は、はじめに約４９１５平方メートル（５２，８３０平方フィート）と推定される。この数字を用い、設置する風力タービンに対する製造業者の仕様書から、最悪の日、最悪の季節に対しても、連続して中断することなくエネルギーを供給するために必要な、風車の全数が幾つかを推定できる。すなわち、ひとたび、全断面積が、需要を満たすのに必要な全風力を示すように、決められたら、それを、各々の選択された風力タービンの１つ当りの容量で割れば、全体系に設置されるべき風力タービンの大体の数が決まる。例えば、各々の風力タービンが約４６．５平方メートル（５００平方フィート）の断面積を持つとすれば、このシステムの設計は、全体系に必要な風力を供給するのに、全体で約１００の風力タービンが必要であるという仮定から始めることができる。

設置すべき風力タービンの全数が決まったら、次の段階は、その内の幾つが直接使用型ステーションで、幾つがエネルギー貯蔵型ステーションであるべきかを決めることである。これに関連して考慮すべきことは、エネルギー貯蔵型ステーションから取り出すエネルギーは、直接使用型ステーションからのそれに較べて、効率性が40％以下であるということである。従って、直接使用型とエネルギー貯蔵型の比を決めるには、エネルギー貯蔵型から来るエネルギーは直接使用型のそれに較べて非常に効率が悪いということを考慮すべきである。

これに関連して、この発明は、発電のためにエネルギー貯蔵型ステーションを使うことは、直接使用型ステーションを使う場合に比して効率が悪いという事実に基づく仮定をすることが望ましい。すなわち、この発明は、多くの場合エネルギー貯蔵型ステーションより直接使用型ステーションを使う方が好ましく、得られるエネルギーにより大きな信頼を置くことができると考える。上の例では、使用可能な風力タービンの６５％を直接使用型に、３５％をエネルギー貯蔵型に振り向けるべきである。エネルギー貯蔵型ステーションの数を比例的に減らせば、風力の変換をより効率よく行なうことができる。この発明は、需要の履歴とシステムの必要に応じて、６５％ではない割合の直接使用型、３５％ではない割合のエネルギー貯蔵型ということも考えている。

上の例では、65％を直接使用型に、35％をエネルギー貯蔵型という比率と、全体で100の風車が必要ということを基にして、65の風車を直接使用型に、35をエネルギー貯蔵型にするという最初の推定になる。

しかしながら、係数Xはただはじめの推定値であったに過ぎないから、これは反復工程の始まりにすぎない。反復工程は、各季節または時期の、すべての日についてのデーターを考慮の入れて、係数Xや、必要ならばその他の要素も調整することが望ましい。調整は、設置する風車の全数に関する最初の推定に基づいて、それが実際に最悪の日、季節または期間のケースに、エネルギー需要を満たすか満たさないかを推定することが望ましい。推定が実際に最悪の場合のシナリオを満足するならば、係数Xを調整しなくてもよく、設置する風車の全数も変更する必要はない。他方、もし風車の全数に関するはじめの推定が、最悪の場合の日、季節または期間を満足しないならば、係数Xは、これから議論するいくつかの効率要素によって、上または下の何れかに調整しなければならない。

係数Xを適当に調整し、風車ステーションの最適な数を決定し、システムが全季節に亘り効率よく作動するようにするためには、次の要素を考慮することが望ましい。

設置する風車の全数に関する最初の推定に加えて、設置する直接使用型ステーションと設置するエネルギー貯蔵型ステーションの数に関する、最適の比について最初の出発点を計算しなければならない。これに関して、望ましい実施例における反復工程の出発点は、直接使用型が65％、エネルギー貯蔵型が35％である。これは、先にも述べたように、全体で100の風車が必要だ決まった場合に、65程度の直接使用型ステーションと35ほどのエネルギー貯蔵型ステーションが必要であるということである。

各々の型の風車の数に関する最初の推定に基づいて、反復工程を続け、そのようなシステムにより生ずるエネルギーの全供給量を推定し、それを各々の日のエネルギー需要の履歴と比較する。すなわち、推定された65の直接使用型ステーションと35のエネルギー貯蔵型設備があること、及び各風車から得られるエネルギーの量を知って、我々は、実際に利用できる風の状態を基に、特定の時に利用できる全風力を推定することができる。すなわち、特定の日における風の有効性の履歴を記した図７と図８の曲線に似たような図を作って、特定な日にそのようなシステムから得られる風力を示すことができる。順繰りに、この情報を使って、そのようなシステムから特定の時にどの位の電力が得られるか、直接使用型ステーションからはどのくらいで、エネルギー貯蔵型ステーションからはどのくらいかをも含めて、決めることができる。そこで、特定の日の、特定の時に利用できる電力量を示す図表を用意することができる。

次に、特定の日にこのシステムによってどの位の電力が実際に得られるかを示すカーブを、同じ日の需要の履歴と比較して分析する、これを行なうに当り、直接使用局とエネルギー貯蔵局の数の比を知っておくことは、全体のエネルギーの内、どの位が直接使用用に、どの位がエネルギー貯蔵用にゆだねられるべきか、また、直接使用エネルギーの供給が不足した場合に、どの位の貯蔵エネルギーを補給のために使うべきかを決めるのに役立てることができる。すなわち、特定の時間の間隔で、それは望ましい実施例では３分毎であるが、直接使用局からの電力で、システムの電力需要を満たすことができるか、どの位それが可能か、また、もしできない場合は、直接使用局による不足を補うために、どの位の貯蔵エネルギーを補給する必要があるかを決定することができる。この決定の助けになるのは、特定の時間にエネルギー貯蔵型ステーションに加えられたエネルギーから、直接使用型ステーションによる分を越えて使用するために送られたエネルギーを引いた差、デルタ（delta）、を示す図を作ることである。

そのような貯蔵タンクに貯蔵された、非常用のエネルギーを有効に示す仮想的な曲線が図１２に示されている。この特別な曲線は、係数Xの初期値が約3.0の場合に、特定の日に利用可能な貯蔵エネルギーを図示したものである。この特別な場合では、この設計は最適な範囲に比較的近いように見えるが、1500時の近くで曲線がゼロを割っているので、多少下向きの設計である。すなわち、この特別な日において、曲線は1500時ごろまではプラスの状態であったが、その時に仮想的タンクの圧縮空気の供給が尽きたようである。供給は急速に、すなわち1800時ごろに回復しているが、この間３時間ほどエネルギーが利用できない期間があるだろう。

これに反して、図１３は、係数Xを1.1倍して約3.3にし、図１２の曲線を約10％上に修正したものを示す。この図では、曲線はゼロ以下に下がることがなく、貯蔵エネルギーが無くなることは起こらないことが見られる。それはまた曲線がゼロに近くなる時があることを示している。これはそういう短い時間の間、タンク中の圧縮空気の殆どが使われていて効率がよいことを示すものである。また、貯蔵タンクのサイズを大ききするか、後に議論するような調整を行なって、図の中の曲線がこの時間に負にならないようにすることもできる。

この曲線を比較的好ましいものにする別の要素は、貯蔵するエネルギーが、24時間のはじめと終りで実質的に変らないことである。すなわち、0時に貯蔵エネルギーが約2,200ｋW-Hr であったものが、同じ日の終りの2400時に、貯蔵分からエネルギーの出入りがあった後でも、ほぼ2,200 ｋW-Hrであるということである。このことが意味することは、同じまたは類似の日の需要と供給曲線が、季節または期間中、繰り返し存続するならば、エネルギー出入りの間のデルタ（差）は、その季節または期間中を通じて、実質的に変らないかも知れないということである。

以上の情報は、風のある季節に対するよい設計は、図１３に見られように、係数Xを約3.3にとる、或は断面積をはじめの推定より10％大きくすることに基づいているかも知れないことを示している。従って、設置する風車の数が100で、その内65が直接使用型、35がエネルギー貯蔵型である場合、よりよい設計は、上述の調整に基づいて、風車の数を110に増やし、71の直接使用型ステーションと39のエネルギー貯蔵型ステーションにすることかも知れない。

図１４と図１５は、Xを更に大きくした場合の曲線を示している。図１４はXを20％増して3.6にした場合、図１５は30％増して3.9にした場合を示す。これらの例は、Xを増すと、それは断面積を大きくするか、設置する風車の数を増やすことを意味するが、曲線の位置が上がり、日が経つにつれて、貯蔵タンクの中の全エネルギー量が、どんどん高くなることを示している。この特別な日においては、入るエネルギーが出るエネルギーを上回ることが分かる。それ故に、この期間に対してこの設計は有効ではない、何故なら、この状態が長く続くと、タンクの中のエネルギー量はどんどん増大して、終には抜かなければならなくなるからである。

このシステムを、曲線が負になることから守る、別の調節方法を考えることも、この発明の範疇に属する。例えば、２４時間に亘り弱いパワーを供給できるプロパン燃焼器の容量を増して、特定の時間に補助のエネルギーをたくさん与えられるようにすることである。

もっと強力な、タンクの中に付加的に蓄えられる形のエネルギーを増大させるのに有効な、別の熱源がある。ここで、使用される色々な加熱システムからの寄与を、比較検討しなければならない。すなわち、太陽エネルギーの収集だけでなく、圧縮機からの余熱や、化石燃料燃焼器を含めて、他の加熱機構の効果も考えるべきである。

図１６と図１７には、風のある季節に対する、貯蔵タンク内の利用可能な予備的エネルギーに関する仮想的例が示されている。ここで比較されているのは、太陽加熱のシステムと、そうでないもの（何れも補助的燃焼器）である。

例えば、図１６では、太陽加熱装置と補助的な化石燃料燃焼器を、適当なサイズのタンクとともに使ったときの、貯蔵タンク内のエネルギーの有用度を曲線で示してある。曲線は一般に、タンク内の供給エネルギーが、平均日の一日中、なくなることはないことを示している。それはまた、次のことを特に示している： 夜半からほぼ2:00 a.m.にかけて（下向きの曲線が示すように）徐々にエネルギーが消費される；2:00 a.m.頃から7:30 a.m.頃までの間は（上向きの曲線が示すように）エネルギーがタンクに供給される；7:30 a.m.頃から12:00 p.m.頃までの間は、貯蔵用に作られるエネルギーがタンクの最高容量を超過するので、（真直ぐな線が示すように）余分なエネルギーを抜かなければならない；12:00 p.m.頃から4:00 p.m.頃までは（急な下向きの曲線が示すように）使用されるエネルギーが供給を実質的に超過する；4:00 p.m.頃から6:00 p.m.頃までは、貯蔵エネルギーは使用と供給の間を変動している；6:00 p.m.頃から9:00 p.m.頃までは（急な上昇曲線が示すように）エネルギーがタンクの中に貯蔵される；そして、6:00 p.m.頃から夜半頃にかけてエネルギーは徐々に消費される。

図１６に比して、図１７は、太陽加熱装置を使わず補助的な化石燃料燃焼器を使用したときの、貯蔵タンク内のエネルギーの有用度を曲線で示している。この場合の曲線は、午後遅くから夕方にかけて、貯蔵タンク内のエネルギーが大きく減って、システムが機能しない、すなわち、連続的にエネルギーを供給できなくなることを示している。特に、それは相当な量の補給エネルギーを、プロパン燃焼器のような別のエネルギー供給源を用いて、貯蔵エネルギーの損失を埋め合わせしなければならない。補助的な発電機を使うこともあり得る。このことは、システムを連続して作動させるのに必要な熱を、タンクに供給するためには、太陽加熱装置と補助的な化石燃料燃焼器の共同使用 及び／または 補助的な発電機が必要であることを示している。

今までは、最悪の季節の、最悪の日の中の、たった１日について考えてきた。しかしながら、上に議論したのと同じ分析を、各季節または期間の、各々の日に対して繰り返すまでは、反復工程は終了しない。すなわち、風の有用性とエネルギー需要の履歴は、日毎に、また一年の違う時期毎に異なる傾向があるから、上の方法を繰り返して、貯蔵タンクへのエネルギー供給曲線が、一年を通じてゼロ以下にならないような設計に近づける必要があるであろう。すなわち、はじめの計算が最悪の場合の日に対してなされたとしても、通常、同じ分析を一年中の各々の日に対して行なう必要がある。それにより、需要と供給曲線を毎日毎日繰り返すことの総合的結果が明らかになるので、その結果を考慮に入れることができる。

ここに、どの分析においても、需要と供給曲線が変化する範囲は、その時間中に貯蔵エネルギーがどの位入って、どの位出たかによって決まることが分かる。すなわち、上に議論したように、需要と供給曲線は、実際上、ずっと続く、終りの無いでき事を示すものであるから、貯蔵エネルギーが尽きないために、更にどのくらいの調整をしなければならないかを決めるためには、エネルギーを一年中足したり引いたりしてできる、日々の需要と供給曲線の、つみ重ね効果を考えなければならない。これには、例えば、係数Xの値、風の断面積（設置する風車の全数）、貯蔵タンクの大きさ、太陽エネルギー収集器の大きさ、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの比、プロパン燃焼器の大きさ、化石燃料燃焼器の大きさ、風力タービンの容量と仕様書などの要素を更に調整することが含まれる。

調整を要するものには、更に、貯蔵のために供給されるエネルギーを、増やすか減らすかの観点からなされるべき変更の考慮がある。すなわち、需要と供給曲線には、日毎及び季節ごとの変動があるらしいから、ある時期には貯蔵にもっとエネルギーを足す必要があり、他の時期には貯蔵エネルギーが多くなりすぎて、貯蔵に供給するエネルギーを削減する必要が生ずるであろう。この発明ではそれらの両方の場合について調整を考えることが望ましい。

この情報は、設計が最悪ケースのシナリオに対してなされていることから来る非能率を考えて、システムの更なる調整をすることにも使われる。すなわち、最悪ケースのシナリオに対して設計したために、最悪の季節または期間と同じくらい長い期起こり得る、最善の季節または期間を含めて、その他の残りの期間に対して、過度な設計しているかも知れない。これらのよりよい季節または期間に対して、最悪ケースのシナリオに対して設計したものと同じシステムを使うならば、余分なエネルギーが生産されて、使われないで抜き取られるか、電池に貯蔵されることになるであろう。

例えば、何時でも直接使用型ステーションから供給されるエネルギーが、エネルギー需要を上回る場合は、そのエネルギーは無駄なるであろう。ある場合にはそれをバッテリーに入れるという利益もあるし、適当な数の風車を、その期間休ませるということもできる。同様に、エネルギー貯蔵型ステーションより生ずる電力が、タンク最高貯蔵容量を越える場合には、抜き取りによりタンクから余分な空気を放出しなければならないであろう。その代わりに、適当な数のエネルギー貯蔵型ステーションを休止させることもできる。

これらの非能率なケースがあるので、この発明では、次に議論するように、ある数の混成型ステーションを編入して、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの比を更に調節するような設計をすることが望ましい。

Ｆ．混成型ステーションの使用を調節する
この発明は、予め決められた数の混成型ステーションを用いて、システムをもっと効率よく設計し使用することを考える。先に論じたように、混成型ステーションは、直接使用型ステーションより生ずるエネルギーとエネルギー貯蔵型ステーションより生ずるエネルギーの間を転換して、それらを同時に分配することができる。混成型ステーションは、全体系に対して設計されるべき年間の内、数ヶ月にしか起こらない極端な状態、すなわち、最悪ケースのシナリオを相殺するのに使用することができる。年間の内その他の時期には、風の有用度とエネルギー需要の曲線は、遥かによく相関するかも知れないので、全体系に対する設計をこの期間は調整して、全年を通じてもっと経済的に、エネルギー効率よく局を運営することができるかも知れない。

上の例では、風のある季節の風の供給とエネルギーの需要曲線を基にして、大体71の直接使用型ステーションと39のエネルギー貯蔵型ステーションが適切であると決められた。だが、風がもっと弱くて曲線の相関がよい期間には、次の計算がなされるかも知れない：需要と供給曲線がよい相関にあることから、上の方法はXの初期値を2.2くらいの大きさにするよう決められるかも知れない。従って、エネルギーの最高需要が2,640ｋWくらいで、風の弱い季節の間、需要がずっと同じであるならば、その間必要とする風車の数は、風の強い季節の時の3分の1くらいであるかも知れない。すなわちそれは、直接使用型ステーションが48、エネルギー貯蔵型ステーションが25で、全体では73の風車であると推定される。

風の弱い季節の間は、エネルギーの需要を満たすために、すべての風車を作動させなくてもよいことは明白である。実際に、風の弱い季節の間には、もし十分な数の直接使用型ステーションが設置されていれば、エネルギー貯蔵型ステーションは必要でない。すなわち、最悪ケースの季節に対する直接使用型ステーションの数が71ならば、この同じ71の直接使用型ステーションが、風の弱い季節に、エネルギー貯蔵型ステーションからのエネルギーを、ごく少しまたは全く受けずに、連続して中断なく充分なエネルギーを提供することができるかも知れない。直接使用型ステーションはエネルギー貯蔵型ステーションより効率がよいから、この弱い季節に対する脚色は、より好ましいものであるかも知れない。

更に、たとえ71の直接使用型ステーションが、エネルギー貯蔵型ステーションの１つもない場所で、必要な電力を充分供給できない場合でも、幾つかのエネルギー貯蔵型ステーションを混成型ステーションとして設置しておけば、風の少ないときに、これらの混成型ステーションを直接使用型ステーションに切り替えて、必要なエネルギーを提供することができる。例えば、需要と供給曲線がどの位よく相関しているか、風の少ない季節の需要がどの位かを基にして、77の直接使用型ステーションが、連続して中断なく必要な電力を供給できると決定されている時に、はじめに71の直接使用型ステーション、33のエネルギー貯蔵型ステーション、そして6の混成型ステーションの全部で110の風車ステーションを設置することができる。このようにして、風のある季節には混成型ステーションをエネルギー貯蔵型ステーションとして使用して、直接使用型ステーション71、エネルギー貯蔵型ステーション39の比率で運用することができる。他方、風の弱い季節には、混成型ステーションを直接使用型ステーションとして使い、直接使用型ステーション77、エネルギー貯蔵型ステーション33の比率で運用することができる。そのような場合、風の弱い季節には、全部ではなくとも多くのエネルギー貯蔵型ステーションは全く作動していないかも知れない。すなわち、全部ではなくとも多くのエネルギーが、直接使用型ステーション運行からえられるので、エネルギー貯蔵型ステーションは作動を止めることができる。それでも、予想できない風の急激な減少、または需要の増大に備えて、幾つかのエネルギー貯蔵型ステーションは作動状態にして置くべきである。

ここに、混成型ステーションが使われる別の場合がある。それは、以上の反復工程を行なった後、直接使用型ステーションとエネルギー貯蔵型ステーションの最適の比が、ある季節から次の季節に移ったときに変ったと決定されるときである。繰り返し述べるが、直接使用型ステーションはエネルギー貯蔵型ステーションに比べて設置にかかる費用が少なく、また運行も経済的であるから、需要と供給曲線がよく相関する場合は、全体のエネルギー供給の大きな部分を、エネルギー貯蔵型ステーションよりは直接使用型ステーションに頼ることができるかも知れない。

例えば、ある季節に、直接使用とエネルギー貯蔵の最適な比が50対50である、すなわち、50の直接使用型ステーションと50のエネルギー貯蔵型ステーションが最適であると決まっている時に、次の最適比が30％の直接使用用と70％のエネルギー貯蔵用、すなわち、30の直接使用型ステーションと70のエネルギー貯蔵型ステーションであるという場合を仮定しよう。この場合、混成型ステーションが全くなければ、このシステムは最悪ケースのシナリオに基づいて過重の設計をしなければならないだろう。すなわち、システムは（夏の50対50の比を援護するための）50の直接使用型ステーションと（冬の30対70の比を援護するための）70のエネルギー貯蔵型ステーションの、合計120の風車ステーションの設計をしなければならないであろう。これの意味することは、この適用に対してこのシステムは、如何なる時期にも100またはそれ以下のステーションしか必要でないにも拘らず、120の風車を設置しなければならないということである。

一方、混成型ステーションを使えば、設置しなければならないステーションの全数を最小にすることができる。上の例でいえば、30の直接使用型ステーション、50のエネルギー貯蔵型ステーション、そして20の混成型ステーションによる、全体で、120ではない100の風車で設計することができる。このようにして、いかなる季節でも、設置されるステーションの全数は、特定の時に運行に要求されるステーションの全数を上回ることはないであろう。

例えば、夏の季節の間、20の混成型ステーションを直接使用型ステーションに変換すれば、30の実際の直接使用型ステーションと（直接使用に変換された）20の混成型ステーションを合わせて、50の直接使用型ステーションと50のエネルギー貯蔵型ステーションが有効に存在することになる。同様に、冬の季節の間、20の混成型ステーションをエネルギー貯蔵型ステーションに変換すれば、50の直接使用型ステーションと（エネルギー貯蔵用に変換された）20の混成型ステーションを合わせて、70のエネルギー貯蔵型ステーションと30の直接使用型ステーションが有効に存在することになる。混成型ステーションをこのように使えば、システムはより効果的に設計されて使用することができる。

何れの場合でも、この発明は風のエネルギーから得られる電力の量を最大にするようにシステムを作ることを考えている。そのために、風が何時、どの位、特定の時に利用できるか、エネルギー需要が、何時、どの位になるかを考慮して、発電敷設網から遠く離れた場所に、連続して中断なく電力が信頼して供給されるように、システムを調整して効果的に運用できるようにする。風が何時、どの位吹くかということや、需要の時期の範囲を予測することは、しばしば困難であるが、この発明は、信頼の置けるデータ−を使って、ある平均を計算する方法を探求している。すなわち、風の供給とエネルギーの需要に関する、これらの平均を用いて、事実上どんな応用にも適合する、最適なシステムを作り上げることができる。

Claims (6)

1. ウインドファームであって、
   予め決められた場所に配置された複数の風車ステーションを有し、
   複数の風車ステーションは、それぞれが風力タービンおよび直接使用のために風のエネルギーを電気エネルギーに変換するのに供する発電機とを有する予め決められた数の第１型の風車ステーション、並びにそれぞれが風により得られたエネルギーを少なくとも１つの貯蔵タンクに貯蔵するのに供する風力タービンを有する予め決められた数の第２型の風車ステーションの少なくとも２つの種類に分けられ、
   前記第２型の風車ステーションには、空気を前記貯蔵タンクの中に圧縮するための少なくとも１つの圧縮機、前記タンクから圧縮空気を解放するための少なくとも１つの膨張機、および圧縮空気のエネルギーを電気エネルギーに変換する第２の発電機が設けられ、
   該第１型の風車ステーションと該第２型の風車ステーションの数の比率は、前記複数の風車ステーションが置かれる地域における風の履歴と、前記複数のステーションからのエネルギーが使用される地域の需要特性とに基づいて決定される、ウインドファーム。
2. 該第２型の風車ステーションのそれぞれが、以下の群から選ばれた少なくとも1つの加熱装置又は少なくとも1つの冷却装置を備えている請求項１に記載のウインドファーム；
   ａ．前記貯蔵タンク内に熱を導入するために貯蔵タンクと接続する、解放され膨張した前記圧縮空気を暖めるための少なくとも１つの加熱装置；
   ｂ．前記貯蔵タンク内に熱を導入するために貯蔵タンクと接続する、太陽エネルギーから熱を得る少なくとも１つの加熱装置；
   ｃ．前記貯蔵タンク内に熱を導入するために貯蔵タンクと接続する、前記少なくとも1つの圧縮機から排熱を導く少なくとも1つの加熱装置；
   ｄ．前記貯蔵タンク内に熱を導入するために貯蔵タンクと接続する、化石燃料を使用する少なくとも1つの加熱装置；
   ｅ．前記貯蔵タンクの中を通る複数の管を有し、前記管の中を加熱された流体が通ることにより、前記貯蔵タンク内の空気の温度を高める少なくとも1つの熱変換器；及び
   ｆ．前記の少なくとも１つの膨張機に接続する、前記圧縮空気が解放されて膨張することにより生ずる低温を冷蔵の目的に使用することを可能とする少なくとも1つの冷却装置。
3. 直接使用のエネルギーの提供と貯蔵用エネルギーの提供とを切り替えることができる予め決められた数の混成型ステーションを更に有し、
   前記混成型ステーションは、機械的力を発生する風力タービンと、前記混成型ステーションで発生した前記機械的力を分割する分割機とをそれぞれ備え、
   前記分割機は、直接使用のための電力を発生する第１のコンバーターと、少なくとも１つのタンクに貯蔵するための圧縮空気エネルギーを発生する第２のコンバーターとの間の機械的力の分割をすることができる請求項１に記載のウインドファーム。
4. ａ．前記第１型、第２型及び混成型の風車ステーションの予め決められた数を提供することであって、その比率を直接使用の風車ステーションが６５％、エネルギー貯蔵の風車ステーションが３５％とすること；および
   ｂ．前記第１型、第２型及び混成型の風車ステーションの予め決められた数を提供することであって、その比率を前記少なくとも１つの貯蔵タンクの大きさ、圧縮機の容量、膨張機の容量、設置される風車ステーションの総数を始めとする施設の要件を考慮して決定すること、のいずれかから選択される少なくとも１つを含む、請求項３記載のウインドファーム。
5. エネルギーを生成し貯蔵する方法であって、
   風力タービンおよび、直接使用のために風のエネルギーを電気エネルギーに変換するのに供する発電機とを有する、予め決められた数の第１型の風車ステーションを設け、
   風により得られたエネルギーを少なくとも１つの貯蔵タンクに貯蔵するのに供する第２の風力タービンを持つ予め決められた数の第２型の風車ステーションを設け、
   前記第２型の風車ステーションには、空気を前記タンクの中に圧縮するための少なくとも１つの圧縮機、前記貯蔵タンクから圧縮空気を解放するための少なくとも１つの膨張機、および圧縮空気のエネルギーを電気エネルギーに変換する第２の発電機が設けられており、
   該第１型の風車ステーションと該第２型の風車ステーションの数の比率は、前記複数の風車ステーションが置かれる地域における風の履歴と、前記複数のステーションからのエネルギーが使用される地域の需要特性とに基づいて決定される、方法。
6. 前記第１型、及び第２型の風車ステーションの比率を、前記少なくとも１つの貯蔵タンクの大きさ、圧縮機の容量、膨張機の容量、設置される風車ステーションの総数に基づいて決定する、請求項５記載の方法。

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