BRPI0706792A2

BRPI0706792A2 - método de armazenar e transportar energia de ar comprimido

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Publication number: BRPI0706792A2
Application number: BRPI0706792-5A
Authority: BR
Inventors: Paul Lieberman; Ben M Enis
Original assignee: Paul Lieberman; Ben M Enis
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2011-04-05
Also published as: ZA200906527B; EP1987248A2; MX2008009855A; NZ570864A; CA2641136A1; WO2007089872A3; WO2007089872A2; AU2007211335A1; CN101410617A; EP1987248A4; JP2009525432A

Abstract

MéTODO DE ARMAZENAR E TRANSPORTAR ENERGIA DE AR COMPRIMIDO A presente invenção refere-se a um método de armazenar e transportar energia gerada por vento, na forma de energia de ar comprimido, por uma tubulação, de um local no qual as condições de vento são ideais, a uma instalação ou comunidade, na qual energia é necessária, O método compreende, de preferência, usar pelo menos uma turbina de vento para acionar um compressor para comprimir ar para armazenamento, em que o tamanho e o comprimento da tubulação podem ser adaptados para reduzir as perdas de pressão, que são experimentadas ao longo do comprimento da tubulação. A tubulação pode ser localizada em linhasferroviárias, ou no chão de deserto, ou podem ser estendida ao longo de caminhos nos quais são proporcionados direitos de passagem. A instalação ou comunidade usando a energia pode usar energia na forma de eletricidade, ou acionar ferramentas ou equipamento pneumáticos, ou gerar ar resfriado como um subproduto, que pode ser usado para refrigeração, condicionamento de ar ou dessalinização. Uma utilidade ou grade pode ser proporcionada, para gerar energia de ar comprimido quando o vento não está soprando, em que energia de ar comprimido pode ser produzida e armazenada durante períodos de baixa demanda e usada durante períodos de alta demanda.

Description

MÉTODO DE ARMAZENAR E TRANSPORTAR ENERGIA DE AR COMPRIMIDO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um método detransporte e armazenamento de energia gerada pelo vento e,em particular, a um método de transporte e armazenamento deenergia gerada pelo vento, na forma de ar comprimido, poruma tubulação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A geração de energia de fontes naturais, tais como dosol e do vento, tem sido um importante objetivo nos EstadosUnidos e em todo o mundo pelas últimas várias décadas. Aredução da confiança em petróleo, tal como o de fontes doOriente Médio, tornou-se uma questão mundial importante. Osespecialistas em energia sentem que esses recursos,incluindo petróleo, gás e carvão, vão se esgotar algum dia.Em virtude dessas preocupações, muitos projetos foraminiciados, em um esforço de captar energia derivadadaquelas chamadas freqüentemente de fontes "alternativas"naturais.

Fazendas de vento, por exemplo, têm sido construídasem áreas nas quais o vento sopra naturalmente. Em muitasáreas, um grande número de turbinas de vento é construído e"dirigido" no sentido do vento, em que a energia rotativa écriada e usada para acionar geradores, que geram, por suavez, eletricidade. As fazendas de vento são operadas maiseficientemente, quando as condições de vento sãorelativamente constantes e previsíveis. Essas condiçõespropiciam que o suprimento e a transferência da energiagerada pelo vento sejam consistentes, evitando, desse modo,aumentos repentinos e oscilações que podem afetar, demaneira adversa, o sistema. A falha em consideraradequadamente essas condições pode resultar em baixas efalhas de energia, em que uma falha em uma área da gradepode provocar falha em todo o sistema, isto é, um apagãoregional integral pode ocorrer.

A dificuldade da operação de fazendas de vento, noentanto, é que a fazenda, em virtude da sua próprianatureza, é inconsistente e imprevisível. Em muitos casos,as velocidades, as freqüências e as durações do ventovariam consideravelmente, isto é, o vento nunca sopra namesma velocidade por um período de tempo, e as velocidadesdo vento podem variar significativamente de um momento paraoutro. E, em virtude da quantidade de energia gerada pelovento ser matematicamente uma função do cubo da velocidadedo vento, mesmo a mais ligeira flutuação ou oscilação navelocidade do vento pode resultar em uma variaçãodesproporcional na energia gerada pelo vento.Essas condições podem provocar problemas..Por exemplo,no contexto de uma fazenda de vento transferindo energiapara uma malha de energia elétrica, que é uma rede gigante,composta de uma multiplicidade de redes menores, essesaumentos repentinos em uma área podem perturbar outrasáreas e podem mesmo derrubar todo o sistema, em algunscasos. Também, se uma fazenda de vento for dedicada aproporcionar energia a uma comunidade ou instalação, osmesmos aumentos repentinos podem provocar sobrecargas, quepodem danificar os componentes conectados ao sistema.

Outro problema associado com as flutuações eoscilações do vento se refere à sensibilidade da energia depico das linhas de transmissão. Quando as flutuações davelocidade do vento são significativas, e ocorremflutuações de saida de energia de vento substanciais, osistema deve ser projetado com uma capacidade de linhasuficiente para suportar essas ocorrências. A©., mesmo tempo,se demasiada consideração é dada às saídas de energia depico, o sistema pode ser superdimensionado, em cujo caso,durante as condições operacionais normais, o sistema podenão operar com eficiência, aumentando, desse modo, o custoda energia.

Outro problema relacionado é a perda temporária daenergia do vento associada com uma ausência de vento ou umavelocidade do vento muito baixa, em algumas circunstâncias.

Quando isso ocorre, pode haver um intervalo no suprimentode energia do vento, o que pode ser nocivo para a saida deenergia da malha global. Isso é especialmente importantedurante os períodos de alta demanda, tal como durante osperíodos quando os requisitos de aquecimento e resfriamentosão normalmente altos.

Em virtude desses problemas, esforços foram feitos nopassado para armazenar a energia produzida pelo vento, demodo que a energia gerada pelo vento pode ser usada duranteos períodos de demanda de pico, e/ou os períodos quando hápouco vento ou indisponibilidade dele. As empresas deserviços públicos e outros provedores de energiaimplementaram, no passado, certos métodos de deslocamentode tempo, em que a energia disponível durante os períodosde baixa demanda é armazenada, e então usadaposteriormente, durante os períodos de demanda de piço.Esses métodos envolvem, tipicamente, o armazenamento deenergia e depois o uso posterior dela, para suplementar aenergia que está disponível de outro modo.

Vários desses métodos de armazenamento de energiaforam usados no passado, incluindo sistemas dearmazenamento de energia de ar comprimido, tais comocavernas e tanques subterrâneos. Até aqui, entretanto, umadas desvantagens principais desses sistemas é que sãorelativamente ineficientes do ponto de vista energético.Por exemplo, os sistemas de energia de ar comprimido têmuma tendência em perder uma parte significativa da energiaarmazenada, quando da conversão da energia de ar comprimidoem energia elétrica, em que a energia usada a partir doarmazenamento acaba custando mais do que a energia que foiarmazenada, isto é, a simples conversão de energia de arcomprimido em energia elétrica resulta, freqüentemente, emuma perda substancial de energia. Essas ineficiências podemfazer de modo que os incentivos econômicos necessários paraa instalação de sistemas de armazenamento de energia dessetipo sejam reduzidos significativamente. Os sistemas dopassado não eram capazes de reduzir as ineficiências, bemcomo os problemas de flutuação e oscilação discutidosacima, inerentes ao uso do vento como uma fonte de energia.

Outro- problema associado com a energia do vento é quemesmo se as fazendas de vento forem localizadas onde ovento é mais previsível e constante, e, mesmo seinstalações de armazenamento são construídas, há o problemaadicional de levar a energia onde ela é necessária. Emmuitos casos, as fazendas de vento são localizadas bemdistantes das malhas de energia existentes e distantes dascomunidades e instalações nas quais a energia é necessária,isto é, a localização ideal para uma fazenda de vento podeser no topo de um morro, ou montanha, ou em desfiladeiro,ou deserto, ou em algum local longe da costa, etc., quepode ser a muitos quilômetros do local que necessitaenergia. Nesse caso, seria extremamente caro construirlinhas de transmissão de energia, para transmitir a energiaelétrica gerada pela fazenda de vento, apenas para servir àfazenda de vento. Não apenas pode haver custossignificativos associados com a construção de tanques dearmazenamento, isto é, para armazenar a energia comodiscutido acima, mas pode haver um custo ainda maiorassociado com a construção de novas linhas de transmissão,que vão ter que se estender por grandes distâncias. Oscustos de preferência de passagem vão ser tambémincorridos, isto é, é freqüentemente necessário obterpermissão das comunidades locais, em que o método deobtenção de aprovação pode ser intenso em tempo e caro.

Quando? linhas convencionais de transmissão de energiaestão envolvidas e usadas para a transmissão de energia porlongas distâncias, há o problema adicional de perdas naslinhas. Esse tem se tornado um problema crescente em todoos Estados Unidos e é provável ser um problema em todo omundo. Por exemplo, a despeito dos muitos milhares dequilômetros de linhas de transmissão elétrica de altavoltagem, que foram construídos pelas últimas poucasdécadas, a taxa de construção de novas linhas detransmissão diminuiu de fato, enquanto que a demanda paraeletricidade continuou a crescer. De fato, de acordo comalgumas estatísticas, o investimento anual em novasinstalações de transmissão declinou nos últimos 25 anos, emque o resultado tem sido um excesso de congestão na rede, erepresentando um gargalo, o que tem acarretado um aumentonos custos da eletricidade, isto é, devido à incapacidadedos clientes de terem acesso a fontes de eletricidade demenor custo e também em virtude das maiores perdas naslinhas.

As perdas nas linhas são freqüentemente relacionadasde quão pesado o sistema está carregado, e inerentes àspropriedades da fiação e das condições usadas paratransmissão da energia. De fato, as perdas na distribuiçãoe na transmissão nos Estados Unidos foram cerca de 5% em1970, mas aumentaram para cerca de 9,5% em 2001, devido àmaior demandá de energia, sem um aumento adequado nasinstalações de transmissão. Essas perdas são provocadas porcaminhos de transmissão congestionados, o que pode afetaros vários aspectos da rede, em que se estima que osaumentos repentinos e as perturbações de qualidade têmcustado, anualmente, à economia estadunidense até 180bilhões de dólares.Outro problema relacionado é que em todo os EstadosUnidos e provavelmente em outros países, a maior demandapara energia ocorre, freqüentemente, durante o dia e,portanto, a demanda para energia elétrica durante o períodode maior demanda continua a aumentar. Essas demandas depico podem onerar muito as plantas de empresas de serviçospúblicos e as redes que fornecem energia elétrica, queprecisam ser construídas para satisfazer os períodos demaior demanda, o que significa que, durante os períodos debaixa demanda, vão operar, inevitavelmente, de formaineficiente, isto é, abaixo da eficiência e do desempenhode pico. Isso significa que não apenas as linhas detransmissão devem ser construídas para suportar os períodosde maior demanda, mas as próprias plantas de empresas deserviços públicos devem ser projetadas para gerar energiasuficiente durante os períodos de demanda de pico, aindaque esses períodos ocorram apenas durante uma pequenafração do tempo de cada mês. Isso é porque as própriaslinhas de transmissão não armazenam energia, isto é, sãomeramente "condutos" de energia e, portanto, as plantas deempresas de serviços públicos devem ser capazes de produzire suprir as maiores quantidades de energia. A falha emconsiderar adequadamente esses períodos de alta demanda,tal como superdimensionando as instalações para satisfazeras demandas de pico, pode resultar na ocorrência defreqüentes interrupções e falhas de energia, e maiorescustos.

Essas demandas podem onerar bastante os clientes, queprecisam usar energia durante os períodos de demanda depico, incluindo muitos proprietários e operadores deestabelecimentos comerciais e industriais. As empresas deserviços públicos freqüentemente incluem uma taxasignificativa na energia consumida durante os períodos dedemanda de pico. Essa prática é geralmente baseada nosprincípios bem conhecidos de suprimento e demanda, porexemplo, os custos de energia são mais altos quando ademanda é alta e mais baixos quando a demanda é baixa. E emvirtude de que a maior parte dos proprietários deestabelecimentos comerciais e industriais ser forçada aoperar durante o dia, são freqüentemente forçados a pagaros custos de energia mais altos, durante os períodos demaior demanda.

As empresas de serviços públicos também oneram o usode energia de pico, durante os períodos de demanda de picopor cálculo de uma penalidade ou sobretaxa (a seguir "cargade demanda") na taxa máxima de consumo de energia, queocorre durante um período predeterminado, tal como duranteo período de um mês. Uma carga de demanda pode sercalculada, por exemplo, com base na taxa de "pico" máxima,que ocorre durante uma curto pico ou aumento repentino, emque a carga de demanda pode ser determinada independente dequão curto possa ter havido o "pico" ou "aumento repentino"durante aquele período, e independentemente de que taxapossa aplicar imediatamente antes ou depois do pico ouaumento repentino. Essa carga de demanda também pode sercalculada independentemente da taxa de consumo médio, que( pode ter sido efetiva durante o período, que pode serconsideravelmente mais baixa do que a de pico. Ainda que ataxa de uso média global seja substancialmente mais baixa,a carga de demanda pode ser baseada em um pico ou aumentorepentino muito maior, experimentado por um período detempo muito curto.

Essas práticas de cobrança são projetadas para ajudaras empresas de serviços públicos a compensar e/ou recuperaro alto custo de construção de usinas e malhas de energia deserviços públicos, que -são, como discutido acima,projetadas para satisfazer os períodos de demanda de pico.Também encorajam os proprietários e operadores deestabelecimentos comerciais e industriais a reduzirem oconsumo de energia durante os períodos de pico, bem comotentar encontrar fontes alternativas de energia, sepossível. Não obstante, uma vez que a maior parte dosproprietários e operadores de estabelecimentos comerciais eindustriais terem que operá-los durante o dia, e que fontesalternativas de energia não estão sempre facilmentedisponíveis, eles freqüentemente são obrigados a usar aenergia da rede, durante os períodos de mais alta taxa.Além do mais, em virtude de as taxas de consumo de energiapoderem flutuar, e de aumentos repentinos e picos poderemocorrer em vários momentos, enormes cargas de demanda podemser aplicadas.

RESUMO DA INVENÇÃO

A despeito das intenções muito boas dos produtores deenergia em todo os Estados Unidos e em outros países, quetêm encorajado o uso de fontes alternativas de energia, arealidade é que, excluindo os subsídios governamentais, ocusto de produção de energia deve ser tal que produza umresultado econômico de longo prazo para a construção dasinstalações necessárias para produzir, suprir e transmitirenergia aos consumidores.

Nesse aspecto, as áreas mais populosas dos EstadosUnidos têm um acesso adequado às malhas de energiaelétrica, que suprem a energia produzida pelas empresas deserviços públicos locais, e que estão também querendo pagaro custo de recorrer às "malhas existentes. Exceto paraaqueles poucos casos nos quais as baixas de energia podemocorrer, a maior parte dos consumidores esperam que elespossam simplesmente fazer conexão e obter energia da malhamais próxima.

Em algumas áreas remotas do pais, no entanto, aenergia elétrica não está sempre facilmente disponível, eesforços devem ser feitos para suprir a energia necessáriaàquelas áreas. Por exemplo, novas linhas de transmissãoelétrica, que são de instalação cara, podem ser necessáriaspara propiciar que as instalações, e as pessoas que vivame/ou trabalhem em áreas remotas da malha de energia, tenhamacesso à energia elétrica. Não obstante, o custo deconstrução das linhas de transmissão elétrica, do local àmalha de energia mais próxima, pode ser provavelmente alto.

Para piorar o caso, esses custos devem ser freqüentementecontraídos pelos usuários finais, tal como quandodesenvolvimentos e instalações não governamentais privadasestão envolvidas. E, uma vez que a conexão é feita, devemcontinuar a pagar à empresa pública pelo n-so da energia.

Não obstante, devido ao maior custo da terra e ànecessidade de vender produtos que sejam competitivos empreço, muitas instalações industriais estão buscandolocalizar as suas fábricas e outros complexos industriaisem locais remotos, onde o custo de compra e/ou aluguel daterra é ainda propício, e onde se pode encontrar mão-de-obra de baixo custo. Ainda que haja custos adicionaisassociados com a construção desses tipos de instalações,incluindo o deslocamento para o e do local, em muitoscasos, a decisão de construir e operar essas instalaçõespode ter uma razão econômica.

Um problema associado com a localização dasinstalações tão longe da malha de energia, no entanto, é ocusto de conexão da instalação à malha de energia, paraobter a energia necessária para operar economicamente ainstalação. Em muitos casos, tal como quando uma novafábrica é construída, uma nova linha de transmissão deenergia deve ser também construída, para conexão com amalha, que, como discutido acima, pode ter um custoproibitivo. Devido à natureza de mão-de-obra intensa dainstalação da linha, em muitos casos, o custo de instalaçãode uma linha de baixa capacidade pode ser quase tão altoquanto o da instalação de uma linha de capacidade de médiaa al-ta. Esses custos podem ser, em particular, onerosas,quando a demanda para energia na instalação é relativamentepequena, isto é, comparado com a capacidade da linha, emcujo caso, a energia transmitida pela linha pode nuncaatingir a sua capacidade.

Esses aspectos são combinados pelo fato de que aenergia deve ser ainda comprada da empresa de serviçopúblico, que fornece energia à malha. Nesse caso,dependendo de quanta energia é usada pela instalação, e.quando, isto é, durante os períodos de demanda de pico, oscustos associados com o uso de energia da malha podem sersignificativos. Como discutido acima, a instalação podeprecisar pagar taxas de energia de pico, o que pode ocorrerquando a demanda de energia está no seu máximo, isto é,durante as horas do dia de pico. Cargas de demandaadicionais, como discutido acima, também podem serincorridas.

As perdas de energia atribuídas à conexão à malha e àextensão da linha de transmissão por uma longa distânciatambém podem prejudicar as eficiências do sistema eaumentar o custo operacional. Tipicamente, ainda que aslinhas de transmissão sejam capazes de transmitir grandesquantidades de energia elétrica, uma quantidade de energiasignificativa pode ser perdida durante a transmissão,especialmente quando grandes distâncias são envolvidas.

Em um aspecto, a presente invenção se refere a ummétodo aperfeiçoado de armazenamento de energia gerada pelovento, na forma de ar comprimido, por uma tubulação, em umlocal remoto no qual energia de vento está naturalmentedisponível, e depois transporte da energia de arcomprimido, pela mesma tubulação, a uma comunidade ouinstalação necessitando de energia, se distante·ou não dagrade. Compreende, de preferência, uma série decompressores, e uma tubulação relativamente longa, com umou mais turboexpansores e/ou geradores servindo àcomunidade ou instalação, em que a energia suprida pelatubulação pode ou se tornar a fonte de energia exclusiva,ou pode suplementar a energia da malha.

Em uma primeira configuração, a energia de arcomprimido na tubulação é usada para acionar umturboexpansor, que é conectado a um gerador, de modo que aeletricidade possa ser gerada, que pode ser usada pelousuário final da comunidade ou instalação. Além disso, osubproduto de ar resfriado, que é co-gerado juntamente coma eletricidade, pode ser usado para outros fins. Porexemplo, o ar resfriado de refugo do turboexpansor pode serusado para fins de refrigeração e condicionamento de ar, nacomunidade ou instalação, o que é especialmente útil quandoo sistema 'i=stá loca-Uzado em áreas de clima quente. Nessecaso, nenhuma fonte térmica adicional é proporcionada, demodo que o sistema possa tirar toda a vantagem do arresfriado de refugo, co-gerado na medida em que o arcomprimido é liberado.

Nessa concretização, não apenas é a eletricidadegerada, mas o sistema produz, de preferência, um máximo dear resfriado, que pode ser usado não apenas para fins derefrigeração e condicionamento de ar, mas também para finsde dessalinização. Os sistemas de dessalinização, que sãoconsiderados para serem usados em conjunto com a presenteinvenção, são aqueles que utilizam ar resfriado paracongelar água, o que ajuda efetivamente a separar e removeros contaminantes encontrados na água, produzindo, dessemodo, água potável fresca. Um sistema de armazenamento deenergia térmica pode ser usado para armazenar a águaresfriada, gerada pelo ar resfriado, em uma unidade dearmazenamento suplementar, para uso posterior. Essasconcretizações são bem adequadas para climas de tempoquente, tais como em desertos, nos quais o acesso a fontesde água potável fresca é difícil.

Relacionada a essa primeira concretização, outraversão pode ser proporcionada na qual apenas ar resfriado éproduzido, por uso de um turboexpansor adaptadoespecificamente para proporcionar apenas resfriamento paraa instalação, isto é, nenhuma eletricidade é produzida.Essa pode ser usada, por exemplo, quando há energiaadequada disponível da malha para operação da instalação,mas a instalação precisa de uma fonte de baixo custo paraacionar as unidades de condicionamento de ar.

Em uma segunda configuração, aquecimento éproporcionado de maneira limitada para melhorar a produçãode eletricidade. Por exemplo, nessa concretização, a fontetérmica preferencial é o calor de refugo gerado peloscompressores, na medida em que o ar está sendo comprimido,que pode ser distribuído de volta para a tubulação, paraaquecer o ar comprimido. Nessa concretização, ainda que umaunidade de aquecimento seja usada, um esforço é feito paraeliminar o uso de qualquer fonte de energia adicional, quenecessitaria de mais energia para operar. Essaconcretização tem também a vantagem de possibilitar ageração, além de energia elétrica, de uma certa quantidadede ar resfriado como um subproduto. Como a primeiraconcretização, essa concretização tira vantagem, depreferência, do ar resfriado, co-gerado pelo turboexpansor,isto é, na medida em que o ar comprimido é liberado, paraproporcionar ar resfriado para fins de resfriamento, excetonessa concretização, o ar resfriado não é tão frio, devidoao calor de refugo adicionado dos compressores.

Em uma terceira configuração, várias fontes térmicas,incluindo o calor de refugo dos compressores e unidades deaquecimento, podem ser proporcionadas, na medida em que oar comprimido é liberado, para maximizar a geração deeletricidade pelo gerador, mas à custa da não geração de arresfriado. Nessa concretização, considera-se que pelo menosum dos três diferentes tipos de sistemas de aquecimentopode ser usado como um meio de proporcionar calor para o arcomprimido, incluindo: 1) coletores solares térmicos parautilizar energia do sol, incluindo pintura da tubulação depreto, e localização da tubulação para incidência direta deluz solar, tal como em chão de deserto, para fazer uso docalor do sol; 2) coletores de calor de refugo para circularo calor de refugo gerado pelos compressores para o arcomprimido armazenado na tubulação; e 3) uma unidade deaquecimento separada, tal como um queimador de combustívelfóssil, para introduzir calor na tubulação, ou adicionarcalor à entrada do turboexpansor, na medida em que o arcomprimido está sendo liberado pelo turboexpansor. Ainvenção também considera o uso de outros métodos deproporcionar calor ao ar comprimido, tais como combustores,etc., se desejado.

Em uma quarta configuração, além de, ou em vez de,produzir energia elétrica, o sistema pode ser adaptado paraproporcionar energia na foEma de enejrgia de ar comprimido,para acionar equipamento pneumático, incluindo ferramentase maquinário, etc. Nesse aspecto, a tubulação pode seradaptada para proporcionar energia a uma instalação, queopera normalmente equipamento acionado pneumaticamente, emque a energia de ar comprimido na tubulação pode ser usadadiretamente, sem necessidade de converter, primeiro, aenergia de ar comprimido em eletricidade, aperfeiçoando,desse modo, as eficiências do sistema. Nessa concretização,a energia de ar comprimido pode ser usada «para suplementara energia elétrica disponível da malha, isto é, a energiade ar comprimido pode ser usada para operar o equipamentopneumático, enquanto que a eletricidade da malha pode serusada para operar outras funções, em cujo caso nenhumaeletricidade tem que ser produzida da energia de arcomprimido. Alternativamente, o sistema pode ter meios paragerar eletricidade da energia de ar comprimido, além deacionar o equipamento pneumático, de modo que a instalaçãonão vai precisar ser conectada à malha. Nesse caso, osistema pode ser adaptado para alternar entre o uso deenergia de ar comprimido para gerar eletricidade, por umlado, e acionar diretamente o equipamento pneumático, poroutro. Podem ser também gerados simultaneamente.

Em uma quinta configuração, além de, ou em vez de,incorporar uma fazenda de vento, para produzir a energia dear comprimido para a tubulação, o sistema de tubulaçõespode ser conectado a uma fonte energética existente, talcomo uma instalação, isto é, uma usina geotérmica, umausina de energia nuclear, uma usina hidrelétrica, etc., ouuma malha, em que o sistema pode ser projetado paracomprimir ar e armazenar energia durante os períodos debaixa demanda, tal como de noite, e usar a energiaarmazenada durante os períodos de alta demanda, tal como dedia. Desse modo, a instalação pode continuar a operar nosseus níveis mais eficientes, e a um nível de cargaconstante, e pode armazenar a energia que é produzida denoite, quando a demanda é baixa, para suplementar a energianecessária durante os períodos de alta demanda.

Do ponto de vista da produção de energia, com essaconcretização, as instalações são capazes de proporcionarmais energia durante os períodos de alta demanda, sem terque, necessariamente, construir instalações de geração deenergia maiores e de maior capacidade, que seria mais carofazer. Também, a instalação é capaz de produzir energia emníveis consistentemente altos, e a uma taxa constante,durante o dia e a noite, para maximizar a eficiência dainstalação. 0 sistema é preferivelmente capaz de suprirenergia ininterrupta e estabilizada ao usuário final. Alémdisso, a instalação é capaz de taxar mais a energia usadadurante os períodos de alta demanda, mesmo que a energiaseja produzida durante os períodos de baixa demanda, debaixo custo. Do ponto de vista do usuário, o sistema podeser desenvolvido de modo que as taxas de energia, duranteos períodos de alta demanda, sejam mais baixos, e de modoque haja menos aumentos repentinos, picos e interrupções.

Em uma sexta configuração, um ou mais dos aspectosdescritos acima em conjunto com as primeiras cincoconfigurações podem ser incorporados em um único sistema, epodem ser usados para proporcionar energia para múltiplascomunidades e/ou instalações, ao longo do comprimento datubulação. Por exemplo, quando o sistema é localizado em umdeserto quente e serve uma instalação usando equipamentopneumático, o sistema pode ser instalado sem um elemento deaquecimento, de modo que o sistema pode co-gerareletricidade e ar resfriado para fins de condicionamento dear. O sistema também pode ser ajustado para usar o arcomprimido para acionar o equipamento pneumático,aumentado, desse modo, as eficiências globais. Igualmente,o sistema pode ser adaptado de modo que a energia de arcomprimido possa ser gerada por ambas uma fazenda de ventoe uma instalação - devido às incertezas associadas com ouso de vento como uma fonte de energia, é freqüentementevantajoso proporcionar uma fonte secundária de energia, talcomo energia de uma instalação ou malha de energia.

Um aspecto da presente invenção se refere ao uso de umsistema de tubulações (acima ou abaixo da terra), no qual oar comprimido das turbinas de vento pode ser distribuído,em que a tubulação pode ser usada não apenas para armazenaro ar comprimido, mas também transportar a energia de arcomprimido de um local remoto (tal como onde as condiçõesdo vento são ideais) para onde a energia é necessária (umainstalação ou comunidade necessitando da energia). Oarmazenamento de ar comprimido dessa maneira permite que aenergia derivada do vento seja armazenada por um período detempo, até quando for necessário. A tubulação pode sertambém usada como um meio de transporte da energiaarmazenada, tal como de onde a fazenda de vento élocalizada, para o local onde a energia é necessária, emque a própria tubulação pode servir tanto como meio dearmazenamento quanto de transporte.

Um benefício para o uso desse tipo de sistema é que omeio de transmissão, que é, nesse caso, uma tubulação, tema capacidade de não apenas transportar energia de um localpara outro, mas também armazenar energia. Desse modo,diferentemente das linhas de energia convencionais, quepodem apenas transmitir energia por um conduto, umaquantidade predeterminada de energia pode ser armazenada,de modo que a energia vai estar disponível, mesmo se aenergia na fonte ficar temporariamente indisponível, istoé, o vento para de soprar, ou a instalação é parada.. Podetambém armazenar a energia produzida durante os períodos debaixa demanda, tal como de noite, de modo que pode serdistribuída e usada durante os períodos de alta demanda,quando as taxas de energia são mais altas. Nesse caso, osistema vai ser capaz de continuar a suprir energia para ousuário final por um período de tempo predeterminado, a umcusto mais baixo.Outro aspecto da invenção do requerente considera oseguinte: quando da determinação do local da fazenda devento, bem como onde a tubulação vai ser localizada, ométodo considera, de preferência, as rodovias, asservidões, os tubos subterrâneos, os trilhos ferroviários,as linhas, os cabos, etc. existentes, e onde estãolocalizados, de modo que a tubulação possa ser disposta aolongo do caminho mais econômico e/ou mais convenientepossível. Isto é, a tubulação é localizada preferivelmenteao longo de uma linha ou caminho direto estendido ao longo,ou pelo menos bem próximo de rodovias, trilhosferroviários, servidões, condutos, cabos, etc. existentes,de modo que novas rodovias, acessos e áreas abertas, etc.não precisem ser construídas, e de modo que as servidões,permissões de uso de terra, relatórios de impactoambiental, etc. existentes possam ser usados ouconsiderados para instalar a tubulação. De fato, quando hásistemas de tubulação abandonados, tais como linhas de gásnatural ou esgoto, a presente invenção considera a conexãoaos, ou o uso dos tubos existentes, total ou parcialmente,bem como suas servidões, áreas de acesso, rodovias, etc.,para instalação mais econômica do sistema de tubulações.

Em uma concretização, a presente invenção considera aconstrução da tubulação, de modo que fique adjacente ouconectada a um trilho ferroviário existente, porposicionamento e conexão da tubulação diretamente nos, ouadjacentes aos, dormentes da ferrovia. Isto é, a presenteinvenção considera tirar vantagem das servidões e da redede trilhos ferroviários, que foram construídas em todo opaís, que se estendem freqüentemente a locais remotos, paraconstruir a tubulação a um custo reduzido e de uma maneiramais eficiente. A invenção compreende, de preferência, ouso de conectores para conectar a tubulação aos própriosdormentes da ferrovia, tal como acima do solo, com atubulação estendendo-se paralela aos trilhos, de modo que otrabalho de manutenção pode ser facilmente conduzido natubulação, por deslocamento ao longo dos trilhos. Dessemodo, a tubulação não vai precisar ser enterrada no solo,de modo a reduzir o custo de instalação e o de manutenção.

A presente invenção também considera a construção datubulação ao longo de chão de deserto, exposta ao solquente,- de modo que a pressão dentro da tubulação pode ser...vantajosamente aumentada, devido ao calor do sol. Nesseaspecto, pode-se notar que há vantagens para localizar atubulação ao longo de um trilho ferroviário existente, quetambém se estende pelo deserto, de modo que o sol podeajudar a aumentar a pressão dentro do tubo,- em que energiaadicional pode ser gerada, quando liberada.Nesse aspecto, outro efeito sinérgico, consideradopela presente invenção, é localizar a instalação industrialno deserto, no qual o ar resfriado criado como energia dear comprimido é liberado, podendo ser usado parasuplementar as capacidades de condicionamento de ar dainstalação. Isso permite que a instalação reduza a suadependência em energia elétrica para energizar as unidadesde condicionamento de ar, desse modo, aumentandoefetivamente as eficiências globais do sistema.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 mostra uma fazenda de vento, localizada emum local remoto, conectada por um sistema de tubulaçõesestendendo-se ao longo de uma rota planejada, tal como aolongo de uma rodovia ou servidão existente, entre a fazendade vento e o usuário final, que pode ser uma comunidade,uma instalação ou uma malha de energia, em que a energia dear comprimido da fazenda de vento pode ser armazenada etransportada pela tubulação para a comunidade, instalaçãoou malha de energia.

A Figura 2 mostra duas fazendas de vento localizadasem locais remotos conectados por um sistema de tubulaçõesestendendo-se ao longo de uma rota planejada, tal como aolongo de uma rodovia ou servidão existente, entre asfazendas de vento e o usuário final, que pode ser umacomunidade, uma instalação ou uma malha, em que estações demoinhos de vento adicionais são localizadas ao longo darota planejada, para proporcionar fontes intermitentes deenergia de ar comprimido, para manter pressão de ar natubulação ao longo da rota planejada.

A Figura 3 mostra uma turbina de vento, com uma vistaesquemática de como a energia é extraída da turbina devento, por meio de um motor elétrico, e de um gerador, paraacionar um compressor, que supre energia de ar comprimidopara o sistema de tubulações.

A Figura 4 mostra várias concretizações de tubulações,incluindo um sistema de tubulações localizado subaquático,ao longo de chão de deserto, e adjacente a um trilhoferroviário (e conectado aos dormentes da ferrovia); umcomprimento preferido do tubo é um comprimento de 160,9quilômetros (100 milhas) e um tamanho de tubo preferido(diâmetro interno de 91,44 a 120 centímetros - 3 a 4 pés).1) Tubo subaquático de turbina de vento em alto mar; 2) Aolongo do chão de deserto de turbina de vento em topo demontanha; 3) Ao longo de trilhos ferroviários de turbina devento em topo de montanha. Observação: Tubo pneumáticosubstitui fios de transmissão elétrica; tubo pneumáticosubstitui tanques de armazenamento de alta pressão.A Figura 5 mostra um desenho esquemático de um sistemade uso variável, incorporando alguns dos aspectos dapresente invenção, em que a energia de ar comprimido doarmazenamento pode ser usada para suprir energiadiretamente para operar o equipamento pneumático, gerareletricidade por um turboexpansor e proporcionar arresfriado co-gerado na medida em que eletricidade éproduzida, para fins de resfriamento, isto é, operarequipamento de condicionamento de ar, em que calor derefugo e uma unidade de queima são proporcionados comomeios opcionais de aquecimento do ar comprimido, antesdesse ser liberado pelo turboexpansor. A. Para outrasinstalações conectadas à malha para economia de pico; B.Energia elétrica ininterrupta uniforme.

A Figura 6a mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais·com equipamento pneumático, emque a tubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros(100 milhas) e um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés) , e em que a energia é produzida por uma usina deenergia geotérmica, de diesel ou nuclear, e a energia de arcomprimido na tubulação é armazenada de noite, de modo quepossa ser usada durante o dia.A Figura 6b mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais, com uma combinação deequipamento pneumático, e necessidades elétricas e decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e um diâmetrointerno de 122 centímetros (4 pés), com várias fontes deenergia, mas em que o parque industrial mais distante, comnecessidades de eletricidade e condicionamento de ar, estáapenas 40,2 quilômetros (25 milhas) longe da fonteenergética, e em que os parques industriais com equipamentopneumático podem ser localizados tão longe quando 160,9quilômetros (100 milhas) de distância, com base naquantidade de perdas de energia atribuíveis ao uso daenergia, como mostrado na Figura 11. Nota: Nesse caso, aextensão remanescente de 120,7 quilômetros (75 milhas) datubulação pode ser de um menor tamanho, tal como umdiâmetro interno de 91,44 centímetros (3 pés), se asdemandas de equipamento pneumático dos parques industriaispuderem ser satisfeitas com um tubo de 91,44 centímetros (3pés), a despeito das maiores perdas de pressão. Ρ, E & A =Usuário que instala turbogerador para suprir energiaspneumática e elétrica, e condicionamento de ar.

A Figura 6c mostra um desenho pneumático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais com necessidades decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e um diâmetrointerno de 122 centímetros (4 pés) , e em que a energia éproduzida por uma usina de energia geotérmica, de diesel ounuclear, e a energia de ar comprimido na tubulação éarmazenada de noite, de modo que possa ser usada durante odia. A/C = Usuário que instala um turbocompressor e umturboexpansor para proporcionar condicionamento de ar.

A Figura 6d mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais com instalações dedessalinização e necessidades de condicionamento de ar, emque a tubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros(100 milhas) e um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés) , e em que a energia é produzida por uma usina deenergia geotérmica, de diesel ou nuclear, >e a energia de arcomprimido na tubulação é armazenada de noite, de modo quepossa ser usada durante o dia, e em que o usuário finalinstala o turbocompressor, o turboexpansor e o sistema dedessalinização para os seus próprios parques industriais.DESAL. & A/C = Usuário que instala um turbocompressor,turboexpansor e unidade de dessalinização para proporcionardessalinização e condicionamento de ar.A Figura 7a mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada par a servirvários parques industriais com equipamento pneumático, emque a tubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros(100 milhas) e um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés) , e em que a energia é produzida por uma fazenda devento, e a energia do vento é armazenada na tubulação.

A Figura 7b mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais, com uma combinação deequipamento pneumático, e necessidades elétricas e decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e um diâmetrointerno de 122 centímetros (4 pés) , e em que a energia éproduzida por uma fazenda de vento, mas em que o parqueindustrial mais longe, com necessidades de eletricidade econdicionamento de ar, está apenas 40, 2.*.quilômetros (25milhas) longe da fazenda de vento, e em que os parquesindustriais com equipamento pneumático podem estarlocalizados tão longe quanto a uma distância de 160,9quilômetros (100 milhas), com base na quantidade de perdasde energia atribuíveis ao uso da energia, como mostrado naFigura 11, e o usuário final pode instalar o turbogeradorpara suprir equipamento pneumático, equipamento elétrico econdicionamento de ar. Nota: Nesse caso, a extensãoremanescente de 120,7 quilômetros (75 milhas) da tubulaçãopode ser de um menor tamanho, tal como um diâmetro internode 91,44 centímetros (3 pés), se as demandas de equipamentopneumático puderem ser satisfeitas com um tubo de 91,44centímetros (3 pés), a despeito das maiores perdas depressão. Ρ, E & A = Usuário que instala turbogerador parasuprir energias pneumática e elétrica, e condicionamento de ar.

A Figura 7c mostra um desenho esquemático de umaconcretização na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais com necessidades decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e um diâmetrointerno de 122 centímetros (4 pés) , e em que a energia éproduzida por uma fazenda de vento e armazenada natubulação, e o usuário final pode instalar oturbo-Gompressor e o turboexpansor, para proporcionarcondicionamento de ar. A/C = Usuário que instala umturbocompressor e um turboexpansor para proporcionarcondicionamento de ar.

A Figura 7d mostra um desenho esquemático de umaconcretização, na qual uma tubulação é usada para servirvários parques industriais com instalações dedessalinização e necessidades de condicionamento de ar, emque a tubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros(100 milhas) e um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés) , e em que a energia é produzida por uma fazenda devento e armazenada na tubulação, e em que o usuário finalinstala o turbocompressor, o turboexpansor e o sistema dedessalinização para os seus próprios parques industriais.DESAL. & A/C = Usuário que instala um turbocompressor,turboexpansor e unidade de dessalinização para proporcionardessalinização e condicionamento de ar.

A Figura 8 mostra um desenho esquemático de um exemplode uma tubulação, que é de um comprimento de 160,9quilômetros (100 milhas) e um diâmetro interno de 122centímetros (4 pés), e tem uma pressão manométrica de 8,3MPa (1.200 psig) nela, com várias fontes energéticasanexadas, incluindo uma fazenda de vento, usina geotérmicae nuclear, e vários usuário finais, incluindo um parqueindustrial, com equipamento pneumático, e uma planta dedessalinização.

A Figura 9 mostra um desenho esquemático de um sistematendo um turbocompressor e um turboexpansor para gerar arresfriado.

A Figura 10 mostra diagramas indicando graficamente onível de expansão e eficiência do turboexpansor, na medidaem que as temperaturas do ar são aumentadas.A Figura 11 mostra um diagrama indicando graficamentea quantidade de perda de pressão que pode ser experimentadadentro da tubulação, em função do diâmetro do tubo, dapressão dentro da tubulação, e da maneira na qual o arcomprimido é usado, isto é, ou para gerar eletricidade(quando a pressão e a velocidade são relativamente altas)ou acionar equipamento pneumático (quando a pressão podeser relativamente baixa). Usuário de energia elétricarequer 13,27 SCFM/kW (9,9 SCFM/HP) de fluxo de arcomprimido. Usuário de energia pneumática requer 5,36SCFM/kW (4 SCFM/HP) de fluxo de ar comprimido.

A Figura 12 mostra uma comparação entre o sistema degeração elétrica e os sistema de acionamento do equipamentopneumático, mostrada graficamente na Figura 11, em que umatubulação de um comprimento de 160,9 quilômetros (100milhas), isto é com um diâmetro interno de 91,44centímetros (3 pés),- com uma pressão absoluta de cerca de8,3 MPa (1.200 psia), é usada para comparar por quantotempo a pressão dentro da tubulação vai durar, quandonenhuma pressão adicional for incorporada à tubulação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Um aspecto preferido da presente invenção se refere asistemas de geração e armazenamento de energia gerada porvento, capazes de transportar a energia gerada por vento deáreas, nas quais as condições do vento são ideais, paraáreas, nas quais a energia é necessária, como mostrado nasFiguras 1 e 2, sem que se tenha que estabelecer linhas detransmissão compridas e caras, e sem que se tenha quecomprar tanques de armazenamento de ar comprimido, etc.

Nesse aspecto, o presente sistema compreende, depreferência, a seleção de uma área na qual as condições dovento são prováveis de serem consistentes e previsíveis, oupelo menos mais do que em outras áreas que estãodisponíveis, que vão ser adequadas para gerar energia dovento. Muito em virtude das suas naturezas, essas áreas sãofreqüentemente localizadas em locais remotos, a muitosquilômetros das comunidades nas quais as pessoas vivem, edistantes das malhas de energia existentes. Podem ser, porexemplo, localizadas em desertos, desfiladeiros, áreas forada costa e em picos de montanhas ou montes, distantes dacivilização. São também freqüentemente localizadas nosquais os valores das propriedades são relativamente baixos.

Outro aspecto preferido da presente invenção abrange autilização de energia do vento em condições preferidas ouideais, por localização de uma ou mais turbinas de vento emlocais nos quais as condições do vento são idealmenteadequadas para gerar uma quantidade de energia consistentee previsível. Embora todos os locais sofram de algumaimprevisibilidade e incerteza, há, claramente, locais quesão melhores do que outros,· e o presente método considera ouso desses locais preferidos.

Outro aspecto preferido da presente invenção se refereao uso de pelo menos uma turbina de vento, como mostrada naFigura 3, que é: 1) dedicada à geração de eletricidade paraoperar pelo menos um compressor (a seguir "turbina de ventoelétrica"), ou 2) dedicada a gerar energia rotativamecânica para acionar, mecanicamente, pelo menos umcompressor (a seguir "turbina de vento mecânica"). Cada umdos tipos de turbina de vento é preferivelmente dedicado agerar energia de ar comprimido, que pode ser armazenada nosistema de tubulações. De preferência, o sistema éprojetado com um número predeterminado de turbinas devento, com base na quantidade de energia necessária pelasinstalações e comunidades dos usuários finais, bem como nadeterminação do tamanho e do comprimento da tubulação quevai ser usada, para secvir áreas que são distantes dafazenda de vento. De preferência, o sistema é tantoeconômico quanto eficiente energeticamente, na geração daquantidade adequada de energia.

Cada tipo de turbina de vento elétrica tem, depreferência, uma turbina de vento de eixo horizontal (HAWT)e um gerador elétrico localizado na nacela do moinho devento, de modo que o movimento rotativo, provocado pelovento, seja convertido diretamente em energia elétrica, pormeio de um motor e de um gerador elétricos, como mostradoesquematicamente na Figura 3. Isso pode ser feito, porexemplo, por conexão direta do gerador elétrico no eixorotativo horizontal da turbina de vento, de modo que aenergia mecânica derivada do vento possa acionardiretamente o gerador. 0 gerador pode, por sua vez, serusado para acionar um compressor, que gera energia de arcomprimido, que pode ser armazenada na tubulação.

0 tipo de turbina de vento mecânica é um pouco maiscomplexo, em termos de colocar a energia rotativa mecânicada nacela bem acima do solo abaixo ao nivel do solo, comoenergia mecânica rotativa. A turbina de vento orientadahorizontalmente tem, de preferência, um eixo horizontalconectado a uma primeira caixa de engrenagem, que éconectada a um eixo vertical estendendo-se para baixo paraa torre da turbina de ven.to, que é, por sua vez, conectadaa uma segunda caixa de engrenagem a um outro eixohorizontal, localizado no solo. 0 eixo horizontal inferioré então preferivelmente conectado ao compressor, de modoque a energia rotativa mecânica, derivada do vento, possaser usada para acionar mecanicamente o compressor, queproduz energia de ar comprimido.Essa energia mecânica pode ser usada para acionardiretamente o compressor, sem que se tenha que converter,primeiro, a energia mecânica em eletricidade. Porlocalização do compressor a jusante da caixa de engrenagemno eixo, e por uso da energia rotativa mecânica diretamenteda turbina de vento, as perdas de energia, tipicamenteatribuídas a outros tipos de disposições, podem serevitadas. A energia gerada por cada turbina de ventomecânica pode ser usada para energizar diretamente pelomenos um compressor, que pode ser usado para comprimirenergia de ar no sistema de tubulações. Não obstante, háproblemas inerentes associados com a transmissão de energiade vento por um eixo vertical, que tende a vibrar devido àressonância pelo eixo longo, em que as vibrações devem sercontroladas para que o sistema funcione adequadamente.

A energia de ar comprimido gerada por cada turbina devento é distribuída preferivelmente natttubulação, por meiode um ou mais compressores. O armazenamento de energia dear comprimido permite que a energia derivada do vento sejaarmazenada por um longo período de tempo. Por armazenamentoda energia desse modo, o ar comprimido pode ser liberado eexpandido no tempo adequado, tal como quando há pouco ounenhum vento disponível, e/ou durante os períodos dedemanda de pico. O ar liberado e expandido pode ser entãousado para suprir a energia derivado do vento, para gerarenergia elétrica em uma base "quando necessário", isto é,quando a energia é de fato necessária, que pode coincidirou não com quando o vento sopra efetivamente.

A presente invenção usa um sistema de tubulações noqual o ar comprimido das turbinas de vento épreferivelmente distribuído e no qual a energia de arcomprimido pode ser armazenada e transportada. Oarmazenamento de ar comprimido propicia que a energiaderivada do vento seja armazenada por um período de tempo,até que seja necessária. A tubulação é tambémpreferivelmente usada como um meio de transporte da energiade ar comprimido armazenada, da fazenda de vento para olocal no qual a energia é necessária. As turbinas de ventoe os compressores são localizados preferivelmente em umaextremidade da tubulação, e turboexpansores, alternadorese/ou equipamento pneumático, etc., ou outros meios deliberação e uso da energia de ar comprimido sãopreferivelmente localizados na extremidade oposta datubulação, como mostrado na Figura 5, ou ao longo do seucomprimento.

Pode-se notar que as turbinas de vento discutidasacima podem ser usadas para produzir energia de arcomprimido diretamente para liberação imediata para atubulação. Pode-se também notar que a energia de arcomprimido pode ser armazenada na tubulação, para deslocaro tempo da liberação da energia, de modo que a energiagerada por vento possa ficar disponível em um local remoto,mesmo nos momentos que não são coincidentes com quando ovento sopra efetivamente, isto é, mesmo quando nenhum ventoestá soprando, e/ou durante os períodos de demanda de pico.

A coordenação e o uso desses elementos permite que opresente sistema proporcione energia contínua eininterrupta para o usuário final de uma maneira estável, adespeito das flutuações e oscilações na velocidade dovento, por coordenação e controle da liberação de energiapara a instalação ou comunidade necessitando da energia.

Os modelos de vento em locais particulares variam detempos em tempos, isto é, de uma estação para a outra, deum mês para o outro, e, mais significativamente, de um diapara o outro, de hora em hora e de minuto em minuto. Essasflutuações e oscilações são tratadas em conjunto cprn oarmazenamento de energia, por armazenamento da energiaquando é mais disponível, e então uso da mesma quando émais necessária, de modo que o sistema possa proporcionaruma saída contínua, a uma taxa substancialmente constante,a um custo reduzido para a instalação. Nesse aspecto, apresente invenção considera a operação de uma fazenda devento, que usa períodos de alto vento para cobrir osperíodos de baixo vento, e para nivelar a liberação deenergia do vento. A longa tubulação de transmissão permitea alimentação de nível de saída de energia constante paraos usuários finais durante o dia, permitindo, desse modo,que a instalação carregue mais da energia produzida denoite, a um custo menor.

O sistema contempla ser possível monitorar aquantidade de energia de ar comprimido dentro da tubulaçãoa qualquer momento - mede, de preferência, a quantidade depressão sendo comprimida no armazenamento, e a quantidadesendo liberada a qualquer momento, e a quantidade total depressão interna. Desse modo, o sistema pode manter umaquantidade adequada de pressão dentro da tubulação, porcontrole de quanta energia é suprida à tubulação, e quantoestá sendo liberada. Os controles são necessários paramanter níveis adequados de pressão na tubulação, em umatentativa de se ter certeza de que o sistema nunca fiquesem energia de ar comprimido, em que a pressão absoluta émantida, de preferência, a um nível de pelo menos 1,4 MPa(200 psia).

A tubulação pode ser enterrada no solo ou localizadaacima dele e estendida entre a turbina de vento e ascomunidades e/ou instalações nas quais a energia énecessária, que pode ser a uma distância de muitosquilômetros. Por armazenamento da energia desse modo, o arcomprimido é preferivelmente armazenado e transportado pelosistema de tubulações ao longo de uma rota planejada, comomostrado nas Figuras 1 e 2. Isso é bastante diferente deuma linha de transmissão usual, que meramente transmiteenergia, isto é, quando a fonte de energia não é mais capazde proporcionar energia, nenhuma energia vai ficardisponível pela linha. Um benefício do uso da presenteinvenção é que o meio de transmissão, isto é, a tubulação,tem a capacidade de armazenar energia. Desse modo,diferentemente das linhas de energia convencionais, quepodem apenas transmitir energia, uma quantidadepredeterminada de energia pode ser armazenada, de modo quea energia vai ser disponível, mesmo se a fonte de energiaficar temporariamente indisponível, isto é, o vento para desoprar. Nesse caso, o sistema vai ser capaz de continuar asuprir energia por um período de tempo predeterminado, adespeito da falta de vento.

Outro aspecto preferido da invenção compreende o usode uma rota planejada, em conjunto com a instalação dosistema de tubulações, para transportar energia do vento,de um local remoto, onde as condições do vento são ideais,para um local no qual a energia é necessária. Uma rotaplanejada é essencialmente uma linha ou caminho direto,estendendo-se da fonte de energia para o usuário final,isto é, instalação ou comunidade. Por exemplo, em muitoscasos, esse caminho se estende preferivelmente ao longo oupróximo de uma rodovia existente, tal como uma rodovia deacesso de manutenção, que permite que a tubulação sejainstalada ao longo de um caminho já livre, o que tambémproporciona acesso mais fácil à fazenda de vento. Issotambém permite uma instalação mais fácil da tubulação, bemcomo acesso mais fácil para reparos e manutenção.

0 caminho selecionado pode ser também roteado ao longode uma servidão existente, tal como ao longo de um condutosubterrâneo existente, tal como uma linha elétrica ou degás, tubos de esgoto, etc., que podem reduzir o custo deinstalação. Isso é porque pode ser possível usar e/oubasear-se nas servidões, permissões de uso de terra,direitos de passagem, relatórios de impacto ambiental, etc.existentes, que foram obtidos para instalar as linhasexistentes, que vão permitir que a tubulação seja instaladamais rapidamente e a um custo mais baixo.

Nos casos nos quais há um sistema de tubossubterrâneos existente abandonado, tal como uma linha degás ou esgoto, a presente invenção considera que é possívelusar os tubos abandonados, inteira ou parcialmente, paraajudar a formar o novo sistema de tubulações, e reduzir oseu custo. Nesse aspecto, se a tubulação existente não fordo tamanho correto, ou não se estender por todo ocomprimento, ou não estiver inteiramente abandonada, apresente invenção considera o uso de pelo menos uma partedos tubos existentes, isto é, qualquer parte pode serutilizada. A nova tubulação pode ser também posicionadaadjacente à tubulação existente, se necessário. Todas asservidões, permissões de uso de terra e relatórios deimpacto ambiental, que foram obtidos para a tubulaçãoexistente, podem ser usados e/ou tomados com base para onovo sistema de tubulações.

Em uma concretização, como mostrado esquematicamentena Figura 4, a presente invenção considera a construção datubulação de modo que fique adjacente ou conectada a umtrilho ferroviário existente, por posicionamento e conexãoda tubulação diretamente nos, ou adjacente aos, dormentesda ferrovia. A presente invenção considera tirar vantagemdas servidões e da rede de trilhos ferroviários que foramconstruídos, que se estendem freqüentemente a locaisremotos a partir de comunidades existentes, para construira tubulação a um custo reduzido, e de uma maneira maiseficiente. A invenção compreende, de preferência, o uso deconectores para conectar a tubulação aos próprios dormentesdas ferrovias, com a tubulação se estendendo paralela aostrilhos, de modo que o trabalho de manutenção pode serfacilmente conduzido na tubulação, por deslocamento aolongo dos trilhos. Desse modo, a tubulação não vai precisarser enterrada no solo, de modo a reduzir o custo deinstalação e de manutenção. A invenção também considera queintermitentemente ao longo da tubulação, certos pontos desaida podem ser proporcionados, nos quais ar comprimidopode ser liberado para operar o equipamento, tais comoaqueles que podem ser necessários para reparar o trilhoferroviário.

Em outra concretização, também mostrada

esquematicamente na Figura 4, a presente invenção consideraa construção da tubulação ao longo de chão de deserto,exposto ao sol quente, de modo que a pressão dentro datubulação possa ser aumentada vantajosamente devido aocalor. A parte externa pode ser pintada de preto, ou deoutra cor escura, para melhorar a absorção de energia. Ainércia térmica da espessura da parede da tubulação podeproporcionar um meio útil de absorção de calor, que podeser usado para aumentar a pressão dentro da tubulação, eimpedir que o sistema congele durante expansão. Nesseaspecto, pode-se notar que há vantagens de localizar atubulação ao longo do chão do deserto, de modo que o solquente possa ajudar a aumentar a pressão dentro do tubo, emque energia adicional pode ser gerada, quando liberada. Apresente invenção considera que a tubulação, e/ou oscomponentes relacionados, e as suas massas, podem serprojetados para absorver e liberar calor, para manter o arcomprimido armazenado a uma temperatura relativamenteestável.

Em certos casos, as perdas totais de energia,atribuíveis ao uso de uma tubulação para armazenar etransportar energia de ar comprimido, são inferiores àsperdas de energia atribuíveis à transmissão de eletricidadepor linhas de transmissão usuais, isto é, para as mesmasdistâncias. Conseqüentemente, a presente invenção consideraa construção de uma turbina de vento, ou fazenda de vento,e em vez de usar linhas de transmissão usuais, usa umatubulação para armazenar e transportar energia de arcomprimido, em que as perdas inerentes ao uso de linhas detransmissão convencionais podem ser reduzidas. Uma análiseda presente invenção indica que dentro de certasdistâncias, e circunstâncias, o percentual de perdas deenergia experimentado ao longo do comprimento da tubulaçãopode ser inferior ao percentual de perdas atribuído àslinhas de transmissão usuais, e, no caso da presenteinvenção, verificou-se que quanto maior a tubulação, maiora redução em perdas de energia que podem serexperimentadas.

A presente invenção considera, de preferência, opercentual total de perdas de energia atribuível ao uso deuma tubulação, para armazenar e transportar energia de arcomprimido, que foi verificado como sendo uma função devários diferentes fatores, incluindo o diâmetro datubulação, a pressão dentro dela e a maneira na qual o arcomprimido é usado, isto é, se o ar comprimido é usado paragerar eletricidade, ou se é usado para acionar equipamentopneumático ou proporcionar resfriamento a uma unidade HVAC.A determinação da quantidade adequada de capacidade dearmazenamento de energia, necessária para operareficientemente o sistema considera o desejo de manutençãode um percentual reduzido de perdas de energia ao longo docomprimento do tubo, que considera, de preferência, oatrito que pode ocorrer na medida em que o ar comprimido éliberado, bem como outros fatores discutidos no presenterelatório descritivo.

Uma das desvantagens de construção de uma fazenda devento localizada remotamente, para transmitir energiaelétrica, tem sido -o custo, de construção das linhas detransmissão elétrica, e dos seus problemas associados,incluindo as perdas de energia experimentadas ao longo docomprimento da linha. A invenção considera a determinaçãoda quantidade adequada de capacidade de armazenamento deenergia, necessária para operar eficientemente o sistema, eentão reservar a quantidade adequada de espaço dearmazenamento dentro da tubulação, para acomodar as cargasprevistas. Como mencionado, verificou-se que a taxapercentual de perdas de energia, atribuível à tubulação,pode ser reduzida por aumento do diâmetro da tubulação.

Nesse aspecto, como mostrado na Figura 11, verificou-se que quando tubos de maior tamanho, com maior volume, sãousados, o percentual de perdas de energia ao longo docomprimento de um tubo, devido ao atrito, pode serreduzido, isto é, o percentual global de perdas de energiapode ser reduzido por uso de um tubo maior. Por exemplo, deacordo com a Figura 11, quando uma tubulação de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas), que tem umdiâmetro interno de 91,44 centímetros (3 pés), é enchido auma pressão absoluta de cerca de 1,4 MPa (200 psia) , umaqueda de pressão absoluta superior a 137,9 kPa (20 psia)pode ser esperada durante o tempo no qual o ar comprimido éliberado para acionar o equipamento pneumático. Por outrolado, quando o tubo de mesmo comprimento tem um diâmetro de122 centímetros (4 pés), e é enchido na mesma pressãoabsoluta, isto é, 1,4 MPa (200 psia), e é usado para omesmo fim, a queda de pressão absoluta é esperada serinferior a 68,9 kPa (10 psia). Pode-se notar que quando umatubulação de um comprimento de 160,9 quilômetros (100milhãs), que tem um diâmetro interno de 91,44 centímetros(3 pés), é enchido a uma pressão absoluta de cerca de 4,1MPa (600 psia), uma queda de pressão absoluta superior a413, 7 kPa (60 psia) pode ser esperada durante o tempo noqual o ar comprimido é liberado na . extremidade oposta datubulação. Por outro lado, quando o tubo de mesmocomprimento tem um diâmetro de 122 centímetros (4 pés), e éenchido na mesma pressão absoluta, isto é, 4,1 MPa (600psia), e é usado para o mesmo fim, a queda de pressãoabsoluta é esperada ser inferior a 68,9 kPa (10 psia).Conseqüentemente, pode-se notar que a quantidade de perdade pressão experimentada ao longo da tubulação é, pelomenos parcialmente, uma função do diâmetro do tubo.

Determinou-se também que há maiores perdas de energiaassociadas com o uso de turboexpansores para produzireletricidade, que requerem uma pressão relativamente alta,e uma maior velocidade do vento, do que aquelas associadascom o uso do ar comprimido para acionar equipamentopneumático, que não requer muita pressão ou velocidade paraoperar, isto é, apenas necessitam uma pressão manométricaentre 206, 8 e 344,7 kPa (30 e 15-0 psig) , na média. Porexemplo, de acordo com a Figura 11, pode-se notar que se otubo de diâmetro de 91,44 centímetros (3 pés) for enchido auma pressão absoluta de 1., 4 MPa (200 psia), e for usadopara gerar eletricidade, as perdas de pressão atribuíveis aatrito vão ser significativas, isto é, a linharepresentando essa perda está fora dos diagramas, tornando-o inadequado para esse uso particular. Por outro lado,pode-se notar que se o mesmo tubo de diâmetro de 91,44centímetros (3 pés) for cheio com a mesma pressão absolutade 1,4 MPa (200 psia), mas for usado para acionarequipamento pneumático, as perdas de pressão atribuíveis aatrito vão ser apenas um pouco acima de uma pressãoabsoluta de 137,9 kPa (20 psia), que é certamentecontrolável. Essa diferença é basicamente devido ao fato deque uma maior velocidade do ar é necessária, isto é, pelomenos uma pressão absoluta de 1,4 MPa (200 psia) (e, depreferência, mais), para gerar eletricidade por uso de umturboexpansor, do que a necessária para acionar equipamentopneumático, isto é, apenas entre pressões absolutas entre206,8 e 1.034,2 kPa (30 e 150 psia) é necessária.Conseqüentemente, a quantidade de queda de pressão natubulação é também uma função do tipo do uso de energia,isto é, se para gerar eletricidade ou acionar equipamentopneumático.

Determinou-se também que há maiores perdas de pressão,quando há menos pressão dentro da tubulação, a umdeterminado momento no tempo. Por exemplo, de acordo com aFigura 11, pode-se notar que se o tubo de diâmetro de 91,44centímetros (3 pés) for enchido a uma pressão absoluta de1,4 MPa (200 psia), e for usado para acionar equipamentopneumático, as perdas de pressão absoluta atribuíveis aoatrito vão ficar um pouco acima de 137,9 kPa (20 psia). Poroutro lado, pode-se notar que se o mesmo tubo de diâmetrode 91,44 centímetros (3 pés) tiver uma pressão absoluta de8,3 MPa (1.200 psia) , para o mesmo fim, as perdas depressão absoluta atribuíveis a atrito vão ser inferiores a34,5 kPa (5 psia). Essa diferença é basicamente devido aofato de que a pressão global pode afetar como o atrito pelatubulação pode ser superado. Quanto mais pressão houver natubulação, mais facilmente o atrito vai ser superado,enquanto que, quanto menos pressão houver na tubulação,mais difícil é para superar o atrito. Conseqüentemente, aquantidade de queda de pressão na tubulação é também umafunção da pressão de ar no tubo.

Conseqüentemente, é desejável proporcionar um sistemade tubulações tendo tamanho e comprimento adequados, paramanter níveis de pressão e níveis de perdas de energiarazoáveis, para o tipo de aplicação da tubulação que estáem uso. O objetivo é proporcionar um tamanho e umcomprimento de tubulação que vai permitir que ,o sistemaseja operado eficientemente, com menores perdas de energiaao longo do comprimento do tubo, para todas as váriasaplicações e usos finais para os quais está sendoprojetado. Por exemplo, uma determinação é preferivelmentefeita para calcular a quantidade aproximada de volume ouespaço de armazenamento, que vai ser usado pelo sistema,seguida por determinação do comprimento da tubulação quevai ser disposto, bem como da distância e da natureza dousuário final, e então determinar o tamanho (diâmetro) dotubo necessário para proporcionar a quantidade adequada deespaço de armazenamento para o sistema. Cálculosadicionais, tal como a determinação dos níveis decapacidade de energia, a serem supridos pela fonte deenergia, bem como dos níveis de pressão, a serem mantidosna tubulação, e das perdas de pressão previstas tambémpodem ser determinadas. Desse modo, todo o sistema detubulações pode ser projetado para as cargas específicasque são esperadas existir, sem qualquer necessidadeadicional para construção de tubulações adicionais, ouquaisquer tanques de armazenamento extras, o que podeaumentar o seu custo. Isso é diferente daquilo queapresenta Tackett, patente U.S. 4.118.637, que mostra umamalha ou rede de tubos para armazenamento de energia, eespecifica o tamanho de tubo maior possível comercialmente.

Uma variação da tubulação, que pode ser proporcionada,é localizar os usuários finais que requerem a produção deeletricidade mais próxima à fonte de energia, como mostradonas Figuras 6b e 7b. Nesse caso, pode ser desejávellocalizar esses usuários, que precisam gerar eletricidademais próximo da fonte, de modo que menos perda de pressãoseja experimentada ao longo do comprimento da tubulação,quando o ar comprimido é liberado pelo turboexpansor. Emvirtude da perda de pressão ser uma função do atrito aolongo do comprimento do tubo, que é afetado pelo diâmetrodo tubo, tipo de uso da energia, e quantidade de pressão, aprópria tubulação pode ser projetada para que, por exemplo,os primeiros 40,2 quilômetros 40,2 quilômetros (25 milhas)da tubulação sejam de um diâmetro de 122 centímetros (4pés), para acomodar as maiores pressões necessárias pelosusuários de eletricidade, e os restantes 120,7 quilômetros(75 milhas) da tubulação podem ser feitos menores, isto é,tal como a um diâmetro de 91,44 centímetros (3 pés), quedeve ser suficiente para acionar equipamento pneumático.

Mesmo quando do uso de um tubo de tamanho consistente,isto é, com um diâmetro interno de 122 centímetros (4 pés),quando usuários finais múltiplos são incorporados àtubulação ao longo do seu comprimento, e o comprimentototal é considerável, isto é, 160,9 quilômetros (100milhas), pode ser desejável localizar os usuários finais,que desejam usar os turboexpansores para gerareletricidade, mais próximos à fonte de energia, isto é, a40,2 quilômetros (25 milhas) da fonte, em vez de ainda maislonge ao longo do comprimento da tubulação. Isso éespecialmente importante se o diâmetro da tubulação forapenas de 91,44 centímetros (3 pés), em vez de 122centímetros (4 pés), porque, como mostrado na Figura 11, asperdas de pressão que podem ser experimentadas dentro datubulação, quando a pressão começa a cair, podem sersignificativas.

E, no caso do uso de uma fonte de energia operadaapenas durante certos momentos do dia, isto é, umainstalação que armazena energia apenas durante o períodonoturno, ou uma fazenda de vento que apenas armazenaenergia quando o vento sopra, vai haver provavelmenteperíodos de calmaria nos quais nenhuma energia de arcomprimido adicional está sendo incorporada à tubulação.Conseqüentemente, vai haver provavelmente momentos nosquais a pressão dentro da tubulação pode ficarrazoavelmente baixa, em cujo caso, as perdas de pressãopodem ficar significativas. Pelas razões acima, quando umatubulação que tem um diâmetro de 91,44 centímetros (3 pés)ou menos é usada, é desejável localizar os usuários finaisque , desejam gerar eletricidade usando um turboexpansordentro de -40,2 quilômetros (25 milhas) da fonte de energia,enquanto que, quando uma tubulação de um diâmetro de 122centímetros (4 pés) é usada, o usuário final desejandogerar eletricidade pode ser localizada ainda mais longe,uma vez que, quando a pressão absoluta dentro da tubulaçãocai abaixo de 4,1 MPa (600 psia) , as perdas de pressão nãovão ser tão significativas.Não obstante o que foi mencionado acima, um aspectopreferido da presente invenção é que a tubulação deve seradaptada de modo que usuários finais adicionais possam serincorporados à tubulação, quando houver necessidade nofuturo, isto é, na medida em que as necessidades seexpandirem, como mostrado na Figura 8. Isto é, a tubulaçãodeve ser pré-projetada para acomodar usuários finaismúltiplos, depois os usuários finais futuros previsíveis,com os vários requisitos, se necessitam de eletricidade oude condicionamento de ar ou energia pneumática. Nesseaspecto, não se deve deixar de considerar que o sistemadeve ser projetado com a expectativa de que as necessidadesvão ser expandidas no futuro. Um modo de acomodar essaexpansão é usar uma tubulação que seja pelo menos de umdiâmetro de 122 centímetros (4 pés), se possível.

A quantidade de pressão manométrica no tubo é, depreferência, dentro da faixa de 1,4 a 8,3 MPa (200 a 1.200psig), em que é desejável manter a pressão manométrica a ouacima de 4,1 MPa (600 psig), se possível, especialmente seo usuário final desejar usar um turboexpansor para gerareletricidade. Quando o usuário final desejar usar o arcomprimido para condicionamento de ar ou acionarequipamento pneumático, a pressão absoluta pode ser maisbaixa, isto é, abaixo de 1,4 MPa (200 psia), emborapreferivelmenteesteja sempre pelo menos a 1,4 MPa (200psia) na tubulação.

As perdas de pressão também devem ser consideradasquando da determinação de quanto tempo a energia de arcomprimido, isto é, a pressão dentro da tubulação, vaidurar, antes que pressão adicional vai precisar seradicionada. Isso vai determinar o ponto no qual uma fontede energia de maior capacidade, se mais turbinas de vento,ou uma maior capacidade energética da instalação, vai sernecessária. Pode também determinar se um tubo de maiordiâmetro, e/ou uma tubulação mais longa ou mais curta, deveser usado, e que tipo e localização de usuário finaldeveria ter permissão para se conectar à tubulação paraatingir resultados ótimos.

Como mostrado na Figura 12, no caso de uma fonteproporcionando uma potência igual ou superior a 10 MW, talcomo uma fazenda de vento, usando uma tubulação de diâmetrode 91,44 centímetros (3 pés), que tenha um comprimento de160,9 quilômetros (100 milhas), e comece com uma pressãoabsoluta de 8,3 MPa (1.200 psia), verificou-se que atubulação pode proporcionar até cerca de 32 horas deenergia elétrica, antes que se necessite que mais pressãoseja adicionada à tubulação. Isso significa que se houverapenas um usuário final, o ar na tubulação deve durar porum máximo de 32 horas, mas, se houver mais de quatrousuários finais, pode durar apenas 8 horas. Nesse exemplo,há um total de 320 MW - horas de energia armazenada dentroda tubulação. Pode haver também um volume adicionalarmazenado nas ramificações locais.

Um ponto importante a se explicar é que na medida emque a pressão começa a cair, devido ao uso de energia, enão houver uma reposição de energia, as perdas de pressãocomeçam a ficar mais significativas, o que é também maiscritico, quando a tubulação tem um menor diâmetro. Quando atubulação é maior, isto é, com um diâmetro de 122centímetros (4 pés) ou mais, há não apenas menos volume dear comprimido dentro da tubulação, e, portanto, maisenergia na tubulação, mas o ar na tubulação vai tambémexperimentar graus reduzidos de atrito e perda de pressão,na medida em que o ar comprimido é usado, como discutidoacima

A presente invenção também considera o uso de maisestações de turbinas de vento, com compressores ou outrosmeios de suprimento intermitente de pressão adicional, natubulação, tal como uma conexão a uma malha, ao longo darota da tubulação, como mostrado na Figura 2. Depreferência, para reduzir o custo, essas turbinas de ventopodem ter menos capacidade do que as turbinas de ventoprincipais. Por exemplo, as turbinas de vento principais nafazenda de vento podem ter um regime nominal de 10 MW, masas turbinas de vento de suporte podem ter um regime nominalde 2 MW. Desse modo, pressão adicional deve ser introduzidana tubulação, para reduzir as perdas de pressão, eproporcionar uma fonte estável de energia de ar comprimido,que pode ser usada continuamente pelas instalações ecomunidades de usuários finais. Turbinas de vento oufazendas de vento, tais como aquelas localizadas em outroslocais remotos, que são conectadas à tubulação, tambémpodem ser usadas, como mostrado na Figura 2, paraproporcionar energia de ar comprimido ao sistema.

A presente invenção considera várias diferentesconfigurações para o uso de energia de ar comprimidoarmazenada na tubulação, como mostrado nas Figuras 6a, 6b,6c, 6d, 7a, 7b, 7c e 7d. Não apenas os múltiplos usuáriosfinais podem ser conectados à tubulação, para receberenergia de ar comprimido, mas cada um deles pode serlocalizado ao longo do comprimento da tubulação, em várioslocais ao longo da tubulação, e podem ter diferentes usos eaplicações. Desde que a tubulação seja dimensionada eadaptada para armazenar uma quantidade suficiente deenergia de ar comprimido, para acomodar o número, o tipo ea natureza dos usuários finais incorporados à tubulação, eo grau de pressão, e as perdas atribuíveis a cada usuáriofinal, sejam considerados, não há qualquer limite para onúmero e a variedade dos usuários finais que podem serservidos pela tubulação.

A Figura 6a mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaisequipados com equipamento pneumático, em que a tubulação éde um comprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e comum diâmetro interno de 122 centímetros (4 pés) . Nesseexemplo, a energia é produzida por uma usina de energiageotérmica, a diesel ou nuclear, e um motor elétrico éusado para energizar um compressor, que gera energia de arcomprimido. Também, nessa concretização, o ar comprimido épreferivelmente armazenado na tubulação de noite, de modoque possa ser usado durante o dia, para gerar um uso maiseficiente da energia suprida pela fonte. As tubulações deramificações locais podem ser de um diâmetro de 91,44centímetros (3 pés) , uma vez que apenas uma serve um únicoparque industrial.

A Figura 6b mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriais,cada um deles tendo uma combinação de equipamentopneumático e necessidades de eletricidade e condicionamentode ar, em que a tubulação é de um comprimento de 160,9quilômetros (100 milhas) e com um diâmetro interno de 122centímetros (4 pés). De novo, nessa concretização, aenergia é produzida por uma usina de energia geotérmica, adiesel ou nuclear, e a energia de ar comprimido natubulação é armazenada de noite, de modo que possa serusada durante o dia. Mas nessa concretização, os parquesindustriais, que têm necessidades de eletricidade econdicionamento de ar, são preferivelmente localizados a ummáximo de apenas cerca de 40,2 quilômetros (25 milhas)distantes da fonte de energia, de modo que os maioresrequisitos de ar comprimido para servir os turboexpansorespodem ser satisfeitos. Ao mesmo tempo, os parquesindustriais, que apenas necessitam de ar comprimido paraacionar o equipamento pneumático, podem ser localizadosainda mais distantes, tal como a uma distância de 160,9quilômetros (100 milhas), uma vez que o equipamentopneumático requer menos pressão e velocidade para operar. Adecisão de localizar o usuário final dessa maneira ébaseada no grau de pressão e nas perdas de energiaatribuíveis ao uso de energia, como mostrado na Figura 11.

Nesse caso, os remanescentes 120,7 quilômetros (75 milhas)de tubulação podem ter um diâmetro de 91,44 centímetros (3pés), se desejado, se as demandas de equipamento pneumáticodos usuários finais a jusante puderem ser satisfeitas, adespeito as maiores perdas de pressão. As tubulações deramificações locais podem ser de um diâmetro de 91,44centímetros (3 pés), uma vez que cada uma apenas serve a umúnico parque industrial. O usuário final pode instalar oturbogerador para suprir as necessidades de equipamentopneumático, elétricas e condicionamento de ar.

Em outra versão, quando mais potência é necessária nafonte, isto é, 40.000 kW de potência, em vez de, por assimdizer, 10.000 kW de potência transmitida, pode serdesejável, em vista das perdas de pressão que podem ocorrerao longo do comprimento da tubulação, usar uma tubulaçãomais curta e aumentar o tamanho do tubo. Por exemplo, emvez de usar uma tubulação de 160,9 quilômetros (100milhas), que tenha um diâmetro interno de 122 centímetros(4 pés), pode ser mais eficiente reduzir o comprimento datubulação a, por assim dizer, 32,2 quilômetros (20 milhas),e usar dois tubos de diâmetro de 122 centímetros (4 pés),de modo que mais energia possa ser armazenada, e maisenergia possa atingir o usuário final, sem incorrer emmuita perda de energia. O sistema resultante consiste, depreferência, de duas tubulações de diâmetro de 122centímetros (4 pés), que são de um comprimento de 32,2quilômetros (20 milhas), que podem transmitir 40.000 kW.Essa conclusão é baseada em quanto de receita se gera, queé baseada no uso da energia, e da necessidade de compensaro custo de construção do sistema, e nas maiores perdas depressão que podem ocorrer na tubulação, quando da tentativade transmitir mais energia de ar comprimido em velocidadesmais altas, para satisfazer uma maior demanda de energia.Notar que o sistema de 32,2 quilômetros (20 milhas) podeser conectado em série para corresponder a um sistema de160,9 quilômetros (100 milhas), se houver outras fontes deenergia ao longo da rota, que possam incorporar energia àtubulação ao longo do caminho. Várias estaçõesintensificadoras podem ser proporcionadas para compensar aperda de pressão, que pode ocorrer devido ao atrito aolongo da tubulação.

A Figura 6c mostra uma concretização, na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaiscom necessidades de condicionamento de ar, em que atubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros (100milhas) e com um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés) . De novo, nessa concretização, a energia é produzidapor uma. ..usina de energia geotérmica, a diesel ou nuclear, e-a energia de ar comprimido na tubulação é armazenada denoite, de modo que possa ser usada durante o dia. O usuáriofinal pode instalar o turbocompressor e o turboexpansorpara proporcionar condicionamento de ar. As tubulações deramificações locais podem ser de um diâmetro de 91,44centímetros (3 pés), uma vez que cada uma serve apenas a umúnico parque industrial.A Figura 6d mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaiscom instalações de dessalinização e necessidades decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e com umdiâmetro interno de 122 centímetros (4 pés). De novo, nessaconcretização, a energia é produzida por uma usina deenergia geotérmica, a diesel ou nuclear, e a energia de arcomprimido na tubulação é armazenada de noite, de modo quepossa ser usada durante o dia. O usuário final podeinstalar o turbocompressor, o turboexpansor e o sistema dedessalinização para o seu próprio parque industrial. Astubulações de ramificações locais podem ser de um diâmetrode 91,44 centímetros (3 pés), uma vez que cada uma serveapenas a um único parque industrial.

A Figura 7a mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaisequipados com equipamento pneumático, em que a tubulação éde um comprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e comum diâmetro interno de 122 centímetros (4 pés) . Nessaconcretização, a energia é produzida por uma fazenda devento e a energia do vento é convertida por um gerador,para acionar um motor elétrico, que, por sua vez, aciona umcompressor. O compressor então armazena a energia de arcomprimido na tubulação. As tubulações das ramificaçõeslocais podem ser de um diâmetro de 91,44 centímetros (3pés) , uma vez que cada uma serve apenas a um único parqueindustrial.

A Figura 7b mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriais,cada um deles tendo uma combinação de equipamentopneumático, e com necessidades para eletricidade econdicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e com umdiâmetro interno de 122 centímetros (4 pés). De novo, nessaconcretização, a energia é produzida por uma fazenda devento, e a energia do vento é convertida por um gerador,para acionar um motor elétrico, que, por sua vez, aciona umcompressor. 0 compressor então armazena a energia de arcomprimido na tubulação. Mas nessa concretização, osparques industriais, que têm necessidades para eletricidadee condicionamento de ar, são localizados preferivelmente aum máximo de apenas cerca de 40,2 quilômetros (25 milhas)distante da fazenda de vento, de modo que maioresrequisitos de pressão para.servir os turboexpansores podemser satisfeitos. Ao mesmo tempo, os parques industriais queapenas precisam de ar comprimido para acionar o equipamentopneumático podem ser localizados ainda mais distantes, talcomo a uma distância de 160,9 quilômetros (100 milhas), umavez que o equipamento pneumático requer menos pressão evelocidade para operar. A decisão de localizar o usuáriofinal dessa maneira é baseada na quantidade de pressão enas perdas de energia atribuíveis ao uso de energia, comomostrado na Figura 11. Nesse caso, os remanescentes 120,7quilômetros (75 milhas) de tubulação podem ser menores, talcomo com um diâmetro interno de 91,44 centímetros (3 pés),se as demandas de equipamentos pneumáticos dos usuáriosfinais a jusante puderem ser satisfeitas, a despeito dasmaiores perdas de pressão. As tubulações das ramificaçõeslocais podem ser de um diâmetro de 91,44 centímetros (3pés), uma vez que apenas uma serve a um único parqueindustrial. O usuário final pode instalar o turbogeradorpara suprir um equipamento pneumático, energia elétrica econdicionamento de ar.

A Figura 7c mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaiscom n„ecessidad_e de condicionamento de ar, em que atubulação é de um comprimento de 160,9 quilômetros (100milhas) e com um diâmetro interno de 122 centímetros (4pés). De novo, nessa concretização, a energia é produzidapor uma fazenda de vento, e a energia do vento é convertidapor um gerador, para acionar um motor elétrico, que aciona,por sua vez, um compressor. O compressor então armazenaenergia de ar comprimido na tubulação. O usuário final podeinstalar o turbocompressor e o turboexpansor paraproporcionar condicionamento., de ar. As tubulações deramificações locais podem ser de um diâmetro de 91,44centímetros (3 pés), uma vez que cada uma serve apenas a umúnico parque industrial.

A Figura 7d mostra uma concretização na qual umatubulação é usada para servir vários parques industriaiscom instalações de dessalinização e necessidades decondicionamento de ar, em que a tubulação é de umcomprimento de 160,9 quilômetros (100 milhas) e com umdiâmetro interno de 122 centímetros (4 pés). De novo, nessaconcretização, a energia é produzida por uma fazenda devento, e a energia do vento é convertida por um geradorpara acionar um motor elétrico, que aciona, por sua vez, umcompressor. O compressor então armazena energia de arcomprimido na tubulação. 0 usuário final instala oturbocompressor, o turboexpansor e o sistema dedessalinização para o seu próprio parque industrial. Astubulações de ramificações locais podem ser de um diâmetrode 91,44 centímetros (3 pés), uma vez que cada uma serveapenas a um único parque industrial.

Várias concretizações com diferentes configurações sãoconsideradas.

1. A primeira configuração:Em uma concretização, a presente invenção usa osubproduto de ar resfriado de refugo, gerado na medida emque eletricidade é produzida por liberação da energia de arcomprimido com o turboexpansor, para operar uma unidadeHVAC para condicionamento de ar, ou para refrigeração, ouambos. Meios para liberar ar comprimido, tais comoturboexpansores, para permitir que o ar comprimido sejaliberado e expandido, são proporcionados preferivelmente.Desse modo, a energia de ar comprimido armazenada natubulação pode ser usada para acionar um gerador elétrico,para gerar energia elétrica em uma base de "quandonecessária". E enquanto liberando a energia de arcomprimido, com produção de eletricidade, o sistema podeco-gerar ar resfriado, que é um subproduto de refugo daliberação do ar comprimido.

0 ar resfriado pode ser reciclado e usado diretamente,isto é, na forma de, ar resfriado, que pode ser misturadocom o ar ambiente, ou alimentado a uma unidade HVAC, paramanter frias as instalações dos usuários. Ainda que o ar deentrada na tubulação esteja inicialmente a uma temperaturaambiente de cerca de 21,1°C (70°F) , o ar resfriadoresultante, produzido como um subproduto de geração deeletricidade, pode ser tão frio quando menos 112,2°C (menos170°F) ou ainda mais. Além do mais, ao mesmo tempo, osistema converte, de preferência, energia de ar comprimidoem eletricidade, que pode ser usada para iluminação,aquecimento, resfriamento e outras utilidadesconvencionais. Por exemplo, se eletricidade for necessáriana instalação do usuário final, um turboexpansor e umgerador podem ser conectados à tubulação, de modo que o arcomprimido possa ser liberado para gerar energia elétrica,e co-gerar ar resfriado, em que a eficiência total dainstalação pode ser aperfeiçoada. Desse modo, todo osistema pode ser construído e usado de uma maneira quetorna a instalação mais eficiente para operação do queseria o caso quando do uso apenas de sistemas elétricosusuais.

Nesse aspecto, nessa concretização, de preferência,nenhuma fonte térmica é proporcionada, ou se for, deve serdesligada, como mostrado na Figura 5, de modo que mais arresfriado seja produzido, o que permite que o sistema sebeneficie integralmente do ar resfriado de·, refugo, .geradona medida em que o ar comprimido é liberado. Não apenaseletricidade é gerada, mas o sistema produz, depreferência, um máximo de ar resfriado, que pode ser usadonão apenas para fins de refrigeração e condicionamento dear, mas também para dessalinização.

Os sistemas de dessalinização, que são consideradospara serem usados em conjunto com a presente invenção, sãoaqueles que utilizam ar resfriado para congelar água, o queajuda, efetivamente, a separar os contaminantes encontradosem água do mar e outro tipo de água salobra da água,produzindo assim água potável fresca. Em áreas onde águapotável fresca for escassa, o ar resfriado sendo gerado porliberação do ar comprimido pode ser usado para dessalinizarágua. 0 ar resfriado pode ser alimentado a uma câmara decristalização por congelamento, na qual a água do mar éaspergida, para produzir gelo, e, portanto, dessalinizar aágua. Um sistema de armazenamento de energia térmica tambémpode ser usado para armazenar a água resfriada, gerada peloar resfriado em uma unidade de armazenamento suplementar,para uso posterior. Essas concretizações são especialmenteadequadas para climas de tempo quente, tal como emdesertos, nos quais o acesso a água potável fresca pode ser difícil.

Outra versão dessa concretização pode ser adaptadapara proporcionar apenas ar resfriado e nenhumaeletricidade, por uso de um turboexpansor, que libera aenergia de ar comprimido, para gerar ar resfriado pararesfriar a instalação. Essa situação pode ocorrer quandouma instalação já está conectada à malha de energia, e podeobter energia elétrica da malha, isto é, para suas outrasfunções, mas deseja um modo de baixo custo para resfriar ainstalação. Nesse caso, a instalação pode comprar o seupróprio turboexpansor e conectar uma tubulação deramificação à tubulação principal, e incorporar-se àenergia de ar comprimido, para gerar ar resfriado.

Uma possível configuração para essa versão é mostradana Figura 9, na qual um turbocompressor usa o ar comprimidoda tubulação para pressurizar um tanque de surto, que ajudaa nivelar a transmissão de energia. Depois, na medida emque o turbocompressor gira, em virtude da pressão deentrada, provoca rotação do turboexpansor. 0 tanque desurto continua a pressurizar e o turboexpansor continua aacelerar, até que haja uma pressão no estado constantedentro do tanque de surto, que seja mais alta do que apressão de entrada. Conseqüentemente, há uma conversãocontínua do ar de entrada, para criar um ar de saída, queestá a uma temperatura reduzida, e à pressão ambiente. Porexemplo, a pressão absoluta de entrada pode ser de 620,5kPa (90 psia), que pode ser aumentada para 1,4 MPa (200psia) no tanque de surto, e a temperatura de saídaresultante pode ser da ordem de (menos 70 a menos 170°C),com a pressão absoluta de saída sendo de 101,1 kPa (14,67psia) equivalente a uma pressão manométrica de 0 kPa (0psig).

Em uma variação da concretização, a empresa públicapode pagar pela tubulação e os usuários finais individuaispodem pagar pelo equipamento para extrair e usar a energiade ar comprimido armazenada na tubulação, tais como osturboexpansores, as unidades HVAC, os sistemas dedessalinização, etc. Nesse caso, a empresa pública podeinstalar a tubulação e obter um retorno do investimento emum tempo razoável, e o usuário final pode comprar o seupróprio equipamento, que teria o seu próprio período deretorno.

2. A segunda configuração:

Em uma segunda concretização, o aquecimento épreferivelmente proporcionado de maneira limitada. Porexemplo, nessa concretização, apenas uma fonte térmicaexistente é preferivelmente usada, tal como o calor derefugo gerado pelos compressores, na medida em que o ar écomprimido, que pode ser armazenado na tubulação. Caloradicional do sol, por localização da tubulação acima dosolo, no chão de deserto, também pode ser usado. Dessemodo, há uma maior eficiência de transmissão de energiaelétrica, mesmo à custa de menos ar resfriado. Nessaconcretização, no entanto, um esforço é feito para eliminaro uso de qualquer fonte de energia adicional paraproporcionar calor, a qual iria requerer a sua própriafonte de energia para operar.Essa concretização tem a vantagem de ser capaz degerar, além de energia elétrica, uma certa quantidade de arresfriado. Essa concretização, de preferência, tiravantagem do ar resfriado ser gerado pelo turboexpansor,isto é, na medida em que o ar comprimido é liberado, paraproporcionar ar resfriado para fins de resfriamento. Porexemplo, o ar resfriado de refugo do turboexpansor pode serusado para fins de refrigeração e condicionamento de ar, oque é especialmente útil quando a comunidade ou instalaçãoque a tubulação serve, está localizada em um local de climaquente. Quando o calor de refugo é usado, o sistemaconsidera que é capaz de aquecer o ar comprimido natubulação, da temperatura ambiente normal de cerca de21,1°C (70°F), como na primeira concretização, a umatemperatura de cerca de 121,1°C (250°F), quando o arresfriado, que é co-gerado, pode ter a sua temperaturaaumentada para cerca de menos 59,4°C (menos 75°F).

3. A terceira configuração:

Em uma terceira concretização, o sistema é arranjadovantajosamente com vários aquecedores para melhorar ageração de eletricidade do ar comprimido. Por exemplo, ocalor de refugo dos compressores, ou de outras fontestérmicas, pode ser proporcionado, na medida em que o arcomprimido é liberado, para maximizar, desse modo, ageração de eletricidade. Por exemplo, essa concretizaçãoconsidera o uso de pelo menos um dos três diferentes tiposde sistemas de aquecimento, incluindo: 1) coletorestérmicos solares, que utilizam energia do sol, incluindo alocalização da tubulação acima do solo, para tornareficiente o uso do calor solar; 2) coletores de calor derefugo para circular o calor de refugo gerado pelocompressor para o ar comprimido na tubulação; e 3) umaunidade de aquecimento separada, tal como um queimador decombustível fóssil, para introduzir calor na tubulação, ouadicionar calor à entrada do turboexpansor, na medida emque o ar comprimido está sendo liberado pelo turboexpansor.

A invenção também considera o uso de outros métodos usuaisde proporcionar calor ao ar comprimido, tais comocombustores, etc., se desejado. Quando esses aquecedoressão usados, o sistema considera que é possível aquecer o arcomprimido dos 121,I0C (250°F), obtidos apenas pelo calorde refugo, a cerca de 254, 4°C (490°F) , na qual o arresultante transmitido após o ar comprimido ter sidoliberado pode ser uma temperatura de confortáveis 21,I0C(70°F) positivos. Com essa concretização, há uma eficiênciaainda maior da transferência de energia elétrica, mas àcusta completa de nenhum ar resfriado.

A maior temperatura proporciona várias vantagens.Primeiro, verificou-se que o calor contribui bastante paraa eficiência de todo o - trabalho conduzido pelosturboexpansores, e, portanto, por aumento da temperatura doar comprimido, uma maior quantidade de energia pode sergerada de um mesmo volume de armazenamento. Em segundolugar, por aumento da temperatura do ar, a pressão pode seraumentada, em que uma maior velocidade pode ser gerada peloturboexpansor. Em terceiro lugar, o aquecimento do ar ajudaa evitar congelamento, que pode, de outro modo, serprovocado pela expansão do ar pelo turboexpansor. Semqualquer fonte térmica, a temperatura do ar sendo liberadopode atingir niveis próximos aos criogênicos, nos quais ovapor d'água e o dióxido de carbono gasoso podem congelar ereduzir a eficiência do sistema. Essa concretização épreferivelmente capaz de manter a temperatura do ar emexpansão a um nivel aceitável, para ajudar a manter aeficiência operacional do sistema. De acordo com a Figura10, quando do uso de um turboexpansor, pode-se notar quequanto maior a temperatura de entrada, maior a temperaturade saida, enquanto que a eficiência energética diminui.

4. A quarta configuração:

Em uma quarta concretização, o ar comprimido étransmitido pela tubulação para um parque industrial, ououtra instalação industrial, e o ar comprimido é usadodiretamente no parque ou instalação, para operarequipamento pneumático.. Isso pode ser feito além ou em vezde produzir energia elétrica, e co-gerar ar resfriado.Quando a instalação não é ligada à malha, a instalação podeser adaptada para produzir eletricidade com o turboexpansore usar o ar comprimido para acionar equipamento pneumáticoao mesmo tempo, melhorando, desse modo, a eficiência e aeconomia do sistema, e aliviar o excesso de cargas namalha. O turboexpansor pode ser também usado para produzirar resfriado como um subproduto, em cujo caso, pode serusado para condicionamento de ar e em outros fins deresfriamento. Na maior parte dos casos, uma instalaçãoindustrial vai requerer tanto energia pneumática quantoenergia elétrica, isto é, energia pneumática para operar osseus equipamentos e ferramentas pesados, e eletricidadepara outras funções. O ar resfriado pode ser também usadocomo um subproduto de liberação do ar. Por outro lado,quando a instalação está ligada à malha, a instalação podeser adaptada para tirar somente energia pneumática. Nessecaso, a energia de ar comprimido pode ser usada parasuplementar a energia elétrica já disponível no local.

Para tirar vantagem máxima da energia pneumáticasuprida a uma determinada instalação, a instalação que usaa energia de ar comprimido deve ser uma que usa normalmenteequipamento acionado pneumaticamente nas suas operaçõesdiárias. Quando ar comprimido é utilizado para operarequipamento pneumático, sem que se tenha que converter aenergia de ar comprimido em eletricidade primeiro, aseficiências do sistema são aperfeiçoadas. Ainda que possahaver um certo grau de perda de energia, que ocorre aolongo do comprimento da tubulação, isto é, devido ao atritocomo discutido acima, uma vez que o ar comprimido é usadosem ter que converter a energia em eletricidade primeiro,não há quaisquer outras perdas associadas com a conversãode energia de ar comprimido em energia elétrica. Dessemodo, as ineficiências associadas com a conversão deenergia pneumática em energia elétrica podem sereliminadas.

Nesse aspecto, a presente invenção se refere a ummétodo de armazenar energia na forma de ar comprimido, poruma tubulação, e depois transportar o ar comprimido, pelamesma tubulação, para uma instalação que opera equipamentoacionado pneumaticamente, de modo que o ar comprimido possaser utilizado para operar o equipamento, sem que se tenhaque converter a energia de ar comprimido em eletricidadeprimeiro. Diferentemente das fazendas de vento do passado edos sistemas de ar comprimido do passado, que requerem quea energia de ar comprimido seja convertida em eletricidadeprimeiro, a presente invenção pode utilizar um sistema detubulações para armazenar a energia de ar comprimido etransportá-la para um local no qual possa ser usada, semque se tenha que converter a energia de ar comprimido emeletricidade primeiro.

Há também vantagens operacionais e econômicassignificativas para o uso de sistemas pneumáticos. Porexemplo, as ferramentas pneumáticas têm menos atrito, demodo que tendem a durar mais tempo do que as ferramentasmecânicas convencionais. Também, quando são mantidas limpase lubrifiçadas, podem ser quase que indestrutíveis. Têmmuito poucas partes móveis e funcionam normalmente frias.Alguns dos equipamentos pneumáticos considerados pelapresente invenção incluem os seguintes: canhões de sopro;canhões de pregos; grampeadores pneumáticos; lixadeiraspneumáticas; canhões de aspersão, aparelhos de jato deareia; canhões de vedação; chaves de catraca pneumáticas;martelos pneumáticos; cinzéis pneumáticos; furadorespneumáticos; chaves de impacto; retificadeiras; ferramentasde corte; amortecedores de pneumáticos; serras sabrepneumáticas; cortadoras de chapas pneumáticas; ferramentaspneumáticas formar flange; chaves de parafuso pneumáticas;tesouras pneumáticas; polidores pneumáticos etc. Uma sériede válvulas de controle, que produzem graus variáveis depressão manométrica, tais como 344,7, 689,5 e 1.034,2 kPa(50, 100 e 150 psig) para acionar o energia, podem serproporcionadas.5. A quinta configuração:

Em uma quinta concretização, uma usina de empresa deserviço público, tal como geradores de turbina acionadospor combustão de combustível convencionais, geotérmica,nuclear, hidrelétrica etc., ou uma malha, pode serconectada à tubulação, além ou em vez de incorporar umafazenda de vento para produzir a energia. Nesse aspecto,considerar que uma usina de energia nuclear é localizadadesejavelmente bem distante dos centros populacionais porrazões de segurança, isto é, no caso de uma liberação denuvem radioativa, e, portanto, o uso da tubulação dapresente invenção pode ser útil em ser capaz de localizar aempresa de serviço público bem distante da comunidade ouinstalação necessitando da energia.

Nessa concretização, o sistema de tubulações pode serconectado a uma fonte de energia existente, tal como umaempresa de serviço público ou malha, em que o sistema podeser projetado para comprimir ar e armazenar energia duranteos períodos de baixa demanda, tal 'como de noite, e usar aenergia armazenada durante os períodos de alta demanda, talcomo durante o dia. Desse modo, a empresa pública podecontinuar a operar nos seus níveis mais eficientes, e podearmazenar a energia que é produzida quando a demanda ébaixa, para suplementar a energia que é necessária duranteos períodos de alta demanda. Isso não apenas ajuda areduzir o custo de energia, do ponto de vista da produçãode energia, mas também colabora com o usuário da energia.

Usando esse sistema, as empresas de serviços públicossão capazes de proporcionar mais energia durante osperíodos de alta demanda, sem ter que necessariamenteconstruir uma instalação de geração de energia de maiorcapacidade, o que seria mais caro de fazer, para consideraras maiores demandas. A energia que é produzida pode serarmazenada na tubulação de noite e transportada para ousuário final pela tubulação, em vez de uma linha detransmissão usual, e usada durante o dia. Isso consideraque a empresa de serviços públicos opera mais efetivamentecom uma carga constante, enquanto voltada para um históricode demanda constante de energia. O problema que a invençãosupera é aquele das usinas de energia voltadas para umhistórico de demanda diurna variável de energia, em que atubulação de transmissão pneumática toma um histórico dedemanda diurna variável de energia e o converte em umhistórico de demanda constante de energia. As usinas degerador de turbina acionado por combustão de combustívelconvencional, geotérmica e nuclear preferem operar no mesmonível de energia, durante o dia e a noite. A operação emnível de energia variável tende a promover fadiga naspartes rotativas de alta velocidade, durante os seusperíodos de conclusão. A tubulação de transferência permiteque essas variações nos níveis de energia sejam eliminadas.Também, as empresas de serviços públicos são capazes deproduzir energia a níveis consistentemente altos e a níveisde saída de energia constantes, o que maximiza a eficiênciada instalação. Além disso, a empresa de serviços públicos écapaz de cobrar mais pela a energia usada durante osperíodos de alta demanda, ainda que a energia sejaefetivamente produzida durante os períodos de baixademanda, de baixo custo, isto é, a energia produzidadurante a noite é vendida ao preço da produzida durante odia.

Do ponto de vista do usuário, as taxas de energiadurante os períodos de alta demanda podem ser diminuídas, ehá portanto menos riscos associados com a ocorrência deaumentos repentinos, picos e interrupções.

6. A sexta configuração:

Em uma sexta concretização, um ou mais dos aspectosdescritos acima em conjunto com as primeiras cincoconfigurações podem ser incorporados em um único sistema, epodem ser usados para proporcionar energia para múltiplascomunidades e instalações ao longo do comprimento datubulação. Todas as comunidades ou instalações podem serincorporadas à tubulação principal usando uma tubulação deramificação local conectada a ela, isto é, por exemplo, atubulação principal pode ter um comprimento de 160,9quilômetros (100 milhas) e cada ramificação pode ser de umcomprimento de 8 quilômetros (5 milhas). Cada ramificaçãopode também proporcionar um volume adicional paraarmazenamento de energia de ar comprimido.

Como um exemplo de um sistema de combinação, atubulação pode ser localizada em um deserto quente e serusada para servir uma instalação, que usa eletricidade eenergia pneumática. Nesse caso, o sistema é instaladopreferivelmente sem um elemento de aquecimento, ou com umelemento de aquecimento desligado, de modo que o sistemapossa co-gerar eletricidade e, ao mesmo tempo, um máximo dear resfriado. 0 sistema pode ser também ajustado de modoque parte da energia de ar comprimido possa acionar oequipamento pneumático, aumentando, desse modo, aseficiências globais do sistema. Igualmente, o sistema podeser adaptado de modo que a energia de ar comprimido possaser gerada por ambas uma fazenda de vento e uma empresapública, para compensar as.incertezas associadas com o usode vento como a fonte de energia. É algumas vezes vantajosoproporcionar uma fonte de energia secundária, tal como umaempresa pública, ou malha, que pode ser acessada quando hápouco ou nenhum vento disponível.De preferência, uma série de servoválvulas deretenção, manômetros e lógicas de controle é proporcionadaao longo da tubulação, de modo que a quantidade e a taxanas quais o ar comprimido é armazenado e liberada em cadaestação de usuário final podem ser controladas emonitoradas. Nesse aspecto, para distribuir adequadamente aquantidade de energia sendo suprida, usando o presentesistema, é necessário saber quanta energia de ar comprimidoestá disponível, por determinação de quanta pressão está defato na tubulação a qualquer momento, e depois ter apossibilidade de liberá-la na taxa adequada.

A presente invenção compreende, de preferência, umacapacidade de armazenamento suficiente para permitir queenergia suficiente seja armazenada e liberada, mesmo quandoo vento para de soprar por mais de uma semana em ummomento. Isso é feito por previsão das condições ecaracterísticas do vento, e depois uso desses dados paraplanejar e desenvolver efetivamente um plano, com oobjetivo de permitir que o sistema comprima a quantidademáxima de energia no armazenamento, quando os níveis desaída de energia do vento são relativamente altos. Por sercapaz de armazenar a energia de ar comprimido e liberá-lano momento adequado, da maneira descrita acima, o presentesistema é preferivelmente capaz de coordenar, controlar eestabilizar efetivamente a transferência de energia de umamaneira que permita que as flutuações e oscilações daenergia do vento sejam reduzidas ou evitadas. Isso permiteque o sistema estabilize e uniformize a transferência deenergia e evite surtos e oscilações repentinos, que podemafetar adversamente o sistema de transferência de energia.

Claims

1. Método de armazenar e transportar energia de arcomprimido, caracterizado pelo fato de que compreende:localizar pelo menos uma turbina de vento em umprimeiro local;adaptar a dita pelo menoscompressor, para armazenar acomo energia de ar comprimido;uma turbina de vento com umenergia gerada pelo vento,proporcionar uma tubulação associada com a dita pelomenos uma turbina de vento, para armazenar a energia de arcomprimido e transportar a energia de ar comprimido a umsegundo local, distante do dito primeiro local;liberar a energia de ar comprimido da tubulação com umturboexpansor, para proporcionar energia no dito segundolocal, no qual um gerador é proporcionado para gerareletricidade no dito segundo local; eusar a energia de ar comprimido para:-1) co-gerar ar resfriado com o turboexpansor eusá-lo para proporcionar refrigeração e/oucondicionamento de ar no dito segundo local;- 2) co-gerar ar resfriado com o turboexpansor eusá-lo para dessalinizar água no dito segundolocal; ou- 3) acionar pelo menos uma ferramenta ouequipamento pneumático no dito segundo local,sem necessidade, primeiro, de conversão daenergia de ar comprimido em eletricidade.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que pelo menos um aquecedor é proporcionadopara melhorar a produção de eletricidade, em que oaquecedor é selecionado do grupo consistindo de: 1) energiasolar; 2) calor perdido do compressor, e 3) queimador.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que nenhuma fonte térmica adicional éproporcionada, e um máximo de ar resfriado é co-gerado peloturboexpansor.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a pressão manométrica na tubulação émantida a ou acima 4,14 MPa (600 psia), durante asoperações normais, e adaptada para manter um mínimo de 1,38MPa (200 psia) a qualquer momento, e em que a tubulação temum diâmetro interno de pelo menos 91,4 cm (3 ft) e umcomprimento de pelo menos 40,2 quilômetros (25 milhas).

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o turboexpansor é usado para liberar aenergia de ar comprimido e acionar o gerador, em que ométodo compreende possibilitar a alternância entre produzirenergia para acionar o gerador para produzir eletricidade eacionar a pelo menos uma ferramenta ou equipamentopneumático.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que compreende proporcionar pelo menos umafonte de energia adicional, entre os ditos primeiro esegundo locais, em que a dita pelo menos uma fonte deenergia adicional gera energia de ar comprimido adicional,para ajudar a reduzir as perdas de pressão que existemdentro da dita tubulação.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a utilidade ou grade é conectada àtubulação, em que o método permite que a utilidade ou gradegere e armazene energia de ar comprimido na tubulação,durante os períodos de baixa demanda, e a energia de arcomprimido pode ser usada durante os períodos de altademanda.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a tubulação é localizada em ou adjacente atrilhos ferroviários e/ou em chão de deserto exposta ao sol.

9. Método de armazenar e transportar energia de arcomprimido, caracterizado pelo fato de que compreende:proporcionar pelo menos uma fonte de energia, paraacionar pelo menos um compressor para gerar energia de arcomprimido em um primeiro local;proporcionar uma tubulação associada com a dita pelomenos uma fonte de energia, para armazenar a energia de arcomprimido e transportar a energia de ar comprimido a umsegundo local distante do dito primeiro local;operar a dita pelo menos uma fonte de energia, paraacionar o compressor e armazenar a energia de ar comprimidona dita tubulação;liberar a energia de ar comprimido da tubulação com umturboexpansor, para proporcionar energia no dito segundolocal, no qual um gerador é proporcionado para gerareletricidade no dito segundo local; eusar a energia de ar comprimido para co-gerar arresfriado com o turboexpansor e proporcionar refrigeraçãoe/ou condicionamento de ar no dito segundo local, e/oudessalinizar água no dito segundo local.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma fonte de energia é umafazenda de vento, utilidade ou grade em comunicação com atubulação, para gerar e armazenar energia de ar comprimidona dita tubulação.

11. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que compreende usar a energia de ar comprimidopara acionar pelo menos uma ferramenta ou equipamentopneumático no dito segundo local, sem necessidade,primeiro, de conversão da energia de ar comprimido emeletricidade.

12. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que pelo menos um aquecedor é proporcionadopara melhorar a produção de eletricidade, em que oaquecedor é selecionado do grupo consistindo de: 1) energiasolar; 2) calor perdido do compressor, e 3) queimador.

13. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que não se proporciona qualquer caloradicional, e um máximo de ar resfriado é co-gerado peloturboexpansor.

14. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que a pressão manométrica na tubulação émantida a ou acima 4,14 MPa (600 psia), durante asoperações normais, e adaptada para manter um minimo de 1,38MPa (200 psia) a qualquer momento, e em que a tubulação temum diâmetro interno de pelo menos 91,4 cm (3 ft) e umcomprimento de pelo menos 40,2 quilômetros (25 milhas).proporcionar uma tubulação associada com a dita pelomenos uma fonte de energia, para armazenar a energia de arcomprimido e transportar a energia de ar comprimido a umsegundo local distante do dito primeiro local;operar a dita pelo menos uma fonte de energia, paraacionar o compressor e armazenar a energia de ar comprimidona dita tubulação; eliberar a energia de ar comprimido da tubulação com umturboexpansor, para proporcionar energia no dito segundolocal, em que pelo menos uma ferramenta ou equipamentopneumático é proporcionada no dito segundo local, e aenergia de ar comprimido é usada para acionar a pelo menosuma ferramenta ou equipamento pneumático, sem necessidade,primeiro, de conversão da energia de ar comprimido emeletricidade.

15. [Claim missing on original document]

16. [Claim missing on original document]

17. [Claim missing on original document]

18. [Claim missing on original document]

19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que a pelo menos uma fonte de energia é umafazenda de vento, utilidade ou grade em comunicação com atubulação, para gerar e armazenar energia de ar comprimidona dita tubulação.

20. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que a pressão manométrica na tubulação émantida a ou acima 4,14 MPa (600 psia), durante asoperações normais, e adaptada para manter um mínimo de 1,38MPa (200 psia) a qualquer momento, e em que a tubulação temum diâmetro interno de pelo menos 91,4 cm (3 ft) e umcomprimento de pelo menos 40,2 quilômetros (25 milhas).

21. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que um turboexpansor é proporcionado e usadopara liberar a energia de ar comprimido e acionar umgerador para gerar eletricidade.

22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que compreende possibilitar alternar entreproduzir energia, para acionar o gerador para produzireletricidade, e acionar a pelo menos uma ferramenta ouequipamento pneumático.

23. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que compreende proporcionar pelo menos umafonte de energia adicional, entre os ditos primeiro esegundo locais, em que a dita pelo menos uma fonte deenergia adicional gera energia de ar comprimido adicional,para ajudar a reduzir as perdas de pressão que existemdentro da dita tubulação.

24. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que a tubulação é localizada em ou adjacente atrilhos ferroviários e/ou em chão de deserto exposta ao sol.