JP2011033205A - 蓄熱システム、蓄熱システムプラント、及び発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】実用に足る蓄熱システム、並びにこの蓄熱システムを利用した蓄熱システムプラント及び発電システムを提供する。
【解決手段】相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填され、潜熱材料の相転移温度が高い順に直列に配列されてなる複数の容器と、前記複数の容器それぞれに設けられた前記潜熱材料へ蓄熱させるための熱媒体を流入させる第１の入口及び第１の出口と、蓄熱した前記潜熱材料からの熱を放熱させるための熱媒体を流入させる第２の入口及び第２の出口とを有し、前記複数の容器の内、少なくとも隣り合う第１の容器及び第２の容器同士は、前記第１の容器の前記第１の出口と前記第２の容器の前記第１の入口とが接続され、前記第１の容器の前記第２の入口と前記第２の容器の前記第２の出口とが接続されるようにして、蓄熱システムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱システム、蓄熱システムプラント、及び発電システムに関する。

熱エネルギーの有効利用の１つとして蓄熱材料による排熱の回収技術がある。この技術においては、蓄熱材料を樹脂製の容器や袋に充填し、排熱を利用して加熱した入熱媒体を容器や袋内を通して蓄熱材料に蓄熱し、次いで、蓄熱材料が充填された容器に水等の媒体を流すことによって蓄熱された熱を放熱する。

この場合、単位体積または単位重量当たりの蓄熱量を大きくすることを目的に潜熱量の大きい蓄熱材料を選択する。潜熱が大きい材料は、融解、凝固、又は転移を繰り返すため物質の分解、変質などが起こりやすく、可燃物又は劇物あるいは腐食性を有する物質が多いことが問題である。このため、上述のような欠点を有しない新規な材料の開発等が盛んに行われている（例えば、特許文献１）。

また、蓄熱材料に熱を伝導する蓄熱材料の容器は、蓄熱材料の溶解、凝固速度を大幅に促進できるように熱伝導の高い材料や表面積を大きくする構造が考えられている。また、蓄熱−放熱サイクル時の蓄熱材料の分解防止や容器からの蓄熱材料の漏れを防止する工夫がなされている（例えば、特許文献２）。

以上のように、蓄熱材料による排熱を回収するための潜熱材料の開発や、蓄熱材料の充填構造等の要素技術については種々の研究がなされている一方、潜熱材料を用いて有効に熱を蓄熱し、蓄熱した熱を有効に外部に取り出すような、実用に向けた蓄熱システムの開発は全くなされていないのが現状である。

特開２００６−２１９５５７号 特開２００１−２２７８８７号

本発明は、実用に足る蓄熱システム、並びにこの蓄熱システムを利用した蓄熱システムプラント及び発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填され、潜熱材料の相転移温度が高い材料から低い材料に向けて、前記潜熱材料の、前記相転移温度の高い順に配列されてなる複数の容器と、前記複数の容器それぞれに設けられ、各容器に対する第１の熱媒体の流入を制御する第１の電磁弁と、各容器に対する第２の熱媒体の流入を制御する第２の電磁弁と、前記第１の熱媒体の温度をモニタリングする第１の温度センサーと、前記第２の熱媒体の温度をモニタリングする第２の温度センサーとを有し、蓄熱操作の際に、前記第１の温度センサーの温度が蓄熱の対象となる前記容器中に充填された前記潜熱材料の前記相転移温度よりも高い場合に、前記容器に設けられた前記第１の電磁弁を開放し、前記相転移温度よりも低い場合に、前記容器に設けられた前記第１の電磁弁を閉塞し、また放熱操作の際に、前記第２の温度センサーの温度が放熱の対象となる前記容器中に充填された前記潜熱材料の前記相転移温度よりも低い場合に、前記容器に設けられた前記第２の電磁弁を開放し、前記相転移温度よりも高い場合に、前記容器に設けられた前記第２の電磁弁を閉塞するように制御する制御部を具えることを特徴とする、蓄熱システムに関する。

また、本発明の一態様は、相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填され、潜熱材料の相転移温度が高い順に直列に配列されてなる複数の容器と、前記複数の容器それぞれに設けられた前記潜熱材料へ蓄熱させるための熱媒体を流入させる第１の入口及び第１の出口と、蓄熱した前記潜熱材料からの熱を放熱させるための熱媒体を流入させる第２の入口及び第２の出口とを有し、前記複数の容器の内、少なくとも隣り合う第１の容器及び第２の容器同士は、前記第１の容器の前記第１の出口と前記第２の容器の前記第１の入口とが接続され、前記第１の容器の前記第２の入口と前記第２の容器の前記第２の出口とが接続されていることを特徴とする、蓄熱システムに関する。

さらに、本発明の一態様は、上記蓄熱システムを並列に配列してなることを特徴とする、蓄熱システムプラントに関する。

また、本発明の一態様は、上記蓄熱システムを具えることを特徴とする、発電プラントに関する。

上記蓄熱システムによれば、潜熱材料の相転移温度が高い材料から低い材料に向けて、相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填された複数の容器が、相転移温度の高い順に配列されてなる。したがって、熱媒体を前記蓄熱システム中に流す場合に、相転移温度の高い潜熱材料が充填された容器から相転移温度の低い潜熱材料が充填された容器に順次に流すことができるので、熱媒体を１回流すのみで複数の容器内に充填された潜熱材料に対して蓄熱を行うことができる。

一方、各容器には、温度センサー及び電磁弁を設けることができるので、相転移温度の高い順に順次に配列された複数の容器の内、所定の容器内に充填された潜熱材料の相転移温度が前記媒体の温度よりも高い場合は、制御部によって前記電磁弁が閉塞されるようになっている。したがって、前記媒体を流しても、最早蓄熱を行うことができない容器内には前記熱媒体を流れないようにしているので、蓄熱システムに対する蓄熱を効率的に行うことができる。

また、上述のようにして蓄熱システムの各容器内に充填された潜熱材料に対して蓄熱を実施した後、前記蓄熱システム中に蓄熱された熱を外部に取り出す場合は、所定の熱媒体を前記蓄熱システム内、すなわち容器中に流し、前記熱媒体を前記潜熱材料の蓄熱で加熱する。この場合、前記熱媒体の所望する加熱温度に応じて、前記熱媒体を流すべき潜熱材料が充填された容器を適宜選択する。すなわち、前記加熱温度を実現できるような熱が蓄熱された容器を選択して、この容器内に前記熱媒体を流すようにする。

さらに、熱媒体を、複数の容器の潜熱材料の相転移温度が低い材料から高い材料に向けて順次に流すようにすれば、前記熱媒体を段階的に加熱することができるので、最終的に蓄熱システムから取り出した前記熱媒体は、相当程度に高い温度まで簡易かつ効率的に加熱することができる。

一方、各容器には、温度センサー及び媒体電磁弁が設けられており、相転移温度の低い順に順次に配列された複数の容器の内、所定の容器内に充填された潜熱材料の相転移温度よりも低い熱媒体を流すことに対して、前記所定の容器から出てきた熱媒体の温度が、前記潜熱材料の相転移温度より低くなった場合は、前記所定の容器内に充填された潜熱材料の蓄熱量が低下し、最早前記所定の容器内に充填された潜熱材料では、熱媒体の加熱を十分に行うことができないと判断し、上述した制御部によって前記電磁弁が閉塞されるようになっている。

したがって、前記熱媒体を流しても、最早加熱を十分に行うことができない容器内には前記蓄熱媒体が流れないようにしているので、蓄熱システムにおける熱媒体の加熱を効率的に行うことができ、所望の温度に加熱された熱媒体を簡易かつ効率的に外部に取り出すことができるようになる。

また、上記蓄熱システムプラントによれば、上述した構成の蓄熱システムを並列に配列しているので、各蓄熱システムに対して連続的あるいは同時に蓄熱を行うことができ、多量の熱を蓄熱することができる。

さらに、上記蓄熱システムプラントによれば、所定の蓄熱システムに対しては熱媒体を流して蓄熱操作を行う一方で、他の蓄熱システムに対しては熱媒体を流して熱の外部への取り出し操作を行うようにすることもできる。したがって、蓄熱を行う際においても、外部への熱の取り出しを行うことができるので、効率的な運転を行うことができるようになる。

一方、上述した蓄熱システムからは常に一定の熱量を取り出すことができるので、発電プラントに適用した場合において、この発電プラントに対して常に一定の蒸気を安定して供給することができ、前記発電プラントの運転特性を安定化させることができる。

また、上記発電プラントを、例えば上述した熱媒体によって発生した蒸気で駆動させる一方、余分な熱媒体を利用して上述のように蓄熱システム内に蓄熱しておき、前記入熱媒体の量あるいは温度が低下して、前記上記を十分に発生させることができないような場合に、前記蓄熱システムを利用して所定温度に加熱された熱媒体を得、この熱媒体によって蒸気の発生を補うようにすることもできる。この場合においても、前記発電プラントに対して常に一定の蒸気を安定して供給することができ、前記発電プラントの運転特性を安定化させることができる。

以上、本発明によれば、実用に足る蓄熱システム、並びにこの蓄熱システムを利用した蓄熱システムプラント及び発電システムを提供することができる。

実施形態における蓄熱システムの概略構成図である。 実施形態における蓄熱システムの容器内における蓄熱ユニットの充填状態を示す図である。 実施形態における蓄熱ユニットの概略構成図である。 同じく、実施形態における蓄熱ユニットの概略構成図である。 実施形態における蓄熱システムの容器内における畜熱ユニットの充填状態を示す図である。 図１に示す蓄熱システムの入熱操作を説明するための図である。 図１に示す蓄熱システムの蓄熱操作を説明するための図である。 実施形態における発電プラントの概略構成図である。 同じく、実施形態における発電プラントの概略構成図である。 同じく、実施形態における発電プラントの概略構成図である。 同じく、実施形態における発電プラントの概略構成図である。 同じく、実施形態における発電プラントの概略構成図である。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、図面を参照しながら実施形態に基づいて説明する。

＜蓄熱システム＞
図１は、実施形態に係わる蓄熱システムの概略構成を示す図であり、図２は、図１に示す蓄熱システムの各容器内における蓄熱ユニットの充填状態を示す図であり、図３及び図４は、蓄熱ユニットの概略構成を示す図である。図５は実施形態における蓄熱システムの容器内における蓄熱ユニットの充填状態を示す図である。また、図６は、図１に示す蓄熱システムの蓄熱操作（熱媒体から蓄熱ユニットへ）を説明するための図であり、前記蓄熱システムの蓄熱側の構成を抽出して示す図である。さらに、図７は、図１に示す蓄熱システムの放熱操作を説明するための図であり、前記蓄熱システムの放熱側（蓄熱ユニットから熱媒体へ）の構成を抽出して示す図である。

図１に示すように、本実施形態の蓄熱システムは、複数の容器Ｓ１、Ｓ２及びＳ３を有しており、それぞれの容器内には第１の潜熱材料、第２の潜熱材料及び第３の潜熱材料が入った蓄熱ユニットが充填されている。これら第１の潜熱材料、第２の潜熱材料及び第３の潜熱材料は、これらの順に高い相転移温度を有しており、結果として、容器Ｓ１、Ｓ２及びＳ３は、潜熱材料の相転移温度が高い材料から低い材料に向けて、相転移温度Ｔの高い潜熱材料が充填された状態で配列されてなる。なお、容器Ｓ１〜Ｓ３は、例えばステンレス、チタン、鋼材と無機材との複合材等から構成することができる。また、図示しない断熱材によって被覆され、系外への熱損失が抑制されたような構成を呈している。

容器Ｓ１の左下部には配管Ｐ１が連結されている。容器Ｓ１の右上部には配管Ｐ２の一端が連結されており、容器Ｓ２の左下部には、配管Ｐ２の他端が連結されている。さらに、容器Ｓ２の右上部には配管Ｐ３の一端が連結されており、容器Ｓ３の左下部には配管Ｐ３の他端が連結されている。また、容器Ｓ３の右上部には配管Ｐ４が連結されている。

容器Ｓ１の左上部には配管ｐ１１が連結されている。容器Ｓ１の右下部には配管ｐ１が連結されており、容器Ｓ２の左上部には配管ｐ２１が連結されている。また、これら配管ｐ１及びｐ２１は配管ｐ１２で連結され、配管ｐ１２を介して連続している。容器Ｓ２の右下部には配管ｐ２が連結され、容器Ｓ３の左上部には配管ｐ３１が連結されている。また、これら配管ｐ２及びｐ３１は配管ｐ１３で連結され、配管ｐ１３を介して連続している。さらに、容器Ｓ３の右下部には、配管ｐ３が連結されている。

配管Ｐ１，Ｐ２及びＰ３は、以下に説明する蓄熱操作において、それぞれ容器Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に対して熱媒体を導入するためのものである。熱媒体は比較的高温であるために、その熱は一般に下方から上方に向けて伝達しやすい。したがって、例えば、配管Ｐ１を容器Ｓ１の左下部に連結し、配管Ｐ２を容器Ｓ１の右上部に連結することによって、熱媒体は、容器Ｓ１の下方から上方に向けて移動するようになり、これによって熱媒体から潜熱材料への熱伝達がより効率的に行なわれるようになる。したがって、潜熱材料による蓄熱の効率が増大するようになる。

なお、配管Ｐ２を容器Ｓ２の左下部に連結し、配管Ｐ３を容器Ｓ２の右上部に連結しているのも、上記同様の作用効果を得るためである。同様に、配管Ｐ３を容器Ｓ３の左下部に連結し、配管Ｐ４を容器Ｓ３の右上部に連結しているのも、上記同様の作用効果を得るためである。

一方、配管ｐ１〜ｐ３及びｐ１１〜ｐ３１は、以下に説明する放熱操作において、それぞれ容器Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に対して熱媒体を導入するためのものである。放熱操作に場合、熱媒体は、例えば容器Ｓ３に導入される初期の段階では比較的低温の状態であるが、容器Ｓ３、Ｓ２及びＳ１と順次に導入されることによって加熱されて高温になると、熱媒体は下方から上方へ向けて流れやすくなる。したがって、熱媒体を導入及び取り出すための配管を上述のようにして設定することによって、熱媒体の潜熱材料との接触度合いが増大し、潜熱材料から熱媒体への熱伝達をより効率的に行なうようにすることができる。

各配管は、例えばステンレス、チタン、鋼材と無機材との複合材等から構成することができる。また、図示しない断熱材によって被覆され、系外への熱損失が抑制されたような構成を呈している。

配管Ｐ１には、電磁弁Ｖ１及び温度センサーＭ１が設けられており、配管Ｐ２には、電磁弁Ｖ１２、Ｖ２及び温度センサーＭ２が設けられている。また、配管Ｐ３には、電磁弁Ｖ２２、Ｖ３及び温度センサーＭ３が設けられており、配管Ｐ４には、温度センサーＭ４及び電磁弁Ｖ３１が設けられている。

配管ｐ１１には、電磁弁ｖ１１及び温度センサーｍ１が設けられており、配管ｐ１には、電磁弁ｖ１及び温度センサーｍ０１が設けられている。配管ｐ２１には、電磁弁ｖ２１及び温度センサーｍ２、並びに排出用の電磁弁ｖ２２が設けられている。配管ｐ２には、電磁弁ｖ２及び温度センサーｍ０２が設けられており、配管ｐ３１には、電磁弁ｖ３１及び温度センサーｍ３、並びに排出用の電磁弁ｖ３３が設けられている。配管ｐ３には、電磁弁ｖ３及び温度センサーｍ０３が設けられている。

上述したように、配管Ｐ１，Ｐ２及びＰ３は、蓄熱操作において、それぞれ容器Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に対して熱媒体を導入するためのものであるので、これら配管に設けられた電磁弁及び温度センサーは、蓄熱操作の際に導入する熱媒体の導入制御及び温度管理を行うものである。

また、配管ｐ１〜ｐ３及びｐ１１〜ｐ３１は、放熱操作において、それぞれ容器Ｓ１，Ｓ２及びＳ３に対して熱媒体を導入するためのものであるので、これら配管に設けられた電磁弁及び温度センサーは、放熱操作の際に導入する熱媒体の導入制御及び温度管理を行うものである。

なお、本実施形態では、容器の数を３としたが、その数は必要に応じて任意の数とすることができる。

なお、本実施形態の蓄熱システムには、温度センサーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４における温度計測に基づいて、以下に示すように、電磁弁Ｖ１、Ｖ１２、Ｖ２、Ｖ２２、Ｖ３、Ｖ３１を適宜開閉するように制御する、図示しない制御部が設けられている。また、前記制御部は、温度センサーｍ１、ｍ０１、ｍ２、ｍ０２、ｍ３、ｍ０３の温度計測に基づいて、以下に示すように、電磁弁ｖ１１、ｖ１、ｖ２１、ｖ２、ｖ３１、ｖ３３、ｖ３を適宜開閉するように制御する。

また、容器Ｓ３内には、図２に示すようにして蓄熱ユニット１０が必要に応じて任意の数だけ充填されている。なお、図では特に示していないが、蓄熱ユニット１０が特に自身の重量によって下部に偏在しないように、縦方向に複数のネットが設けられ、これらのネットで画定された領域に蓄熱ユニット１０を配置するようにしている。

さらに、蓄熱ユニット１０は、図３に示すようにパッケージされ、封止されている。具体的には、以下に示す相変化を生ぜしめて蓄熱を行う潜熱材料１１を中心にしてその外方にアルミニウム、銀等からなる金属膜１３及びポリエステル、ポリアミド等からなる樹脂膜１４が積層されてなり、これら積層膜によって潜熱材料１１をパッケージし、保護するようにしている。また、潜熱材料１１と積層膜とは、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂１２によって融着されている。なお、潜熱材料１１と積層膜、すなわち金属膜１３との接着性が良好な場合は、ポリオレフィン系樹脂１２を設ける必要はない。

なお、蓄熱ユニット１０を、図３に示すようにパッケージする理由は、相変化によって生成した反応生成物を封止し、潜熱材料１１の相変化によって蓄熱された熱を保持するためである。

また、積層膜において金属膜１３を設けた理由は、強度及び熱伝導率を考慮したものであり、潜熱材料１１のパッケージ及び封止は主として樹脂膜１４によってなされている。

容器Ｓ１、Ｓ２内には、例えば、潜熱材料を充填した複数の円柱体又は球体を蓄熱ユニットとして配置する。図４は、円柱体形状の蓄熱ユニットの構成を示す縦方向断面図である。図４に示す蓄熱ユニット２０は、鋼板、ステンレス等の金属基材２３と、その内面に形成したガラスコーティング２２とからなるコンテナ内に潜熱材料２１を充填してなる。なお、図４では、自重によって潜熱材料２１は、下方に偏って充填されている。

そして、容器Ｓ１、Ｓ２内には、図５に示すように、図４に示すような、複数の円柱体形状の蓄熱ユニット２０を、容器Ｓ１及びＳ２内に充填（配列）する。この際、容器Ｓ１及びＳ２において、蓄熱ユニット２０が下方に偏って充填されないように、縦方向に複数のネット２５を設け、これらのネット２５で画定された領域に蓄熱ユニット２０を配置するようにしている。

次に、図１に示す蓄熱システムの操作について説明する。
最初に、図６を参照して熱媒体の導入による蓄熱操作について説明する。図示しない制御部によって、電磁弁ｖ１１、ｖ２１及びｖ３１、Ｖ２１を閉状態とするとともに、電磁弁ｖ１、ｖ２及びｖ３を閉状態とする。また、熱媒体をＳ１を満たすためにＶ１１を開とし、Ｖ１２を閉とする。次いで、熱媒体を配管Ｐ１から蓄熱システム内に導入する。この際、容器Ｓ１の配管Ｐ１に設けた温度センサーＭ１で熱媒体の温度を測定し、その温度Ｔ１が容器Ｓ１内に充填された第１の潜熱材料の相転移温度よりも高い場合に、制御部によって電磁弁Ｖ１を開とし、容器Ｓ１内に熱媒体を導入して第１の潜熱材料の相変化を生ぜしめ、入熱を行う。

その後、熱媒体が容器Ｓ１を満たすとＶ１１から熱媒体の一部が排出される。この際、配管Ｐ２に設けられた温度センサーＭ２でその温度が測定される。その結果、熱媒体の温度Ｔ２が容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料の相転移温度よりも高い場合には、制御部によって電磁弁Ｖ１１、Ｖ２２を速やかに閉とし、Ｖ１２及びＶ２を開とし、容器Ｓ２内に配管Ｐ２を介して熱媒体を導入し、第２の潜熱材料の相変化を生ぜしめ、蓄熱を行う。

さらに、熱媒体が容器Ｓ２を満たすとＶ２１から熱媒体は排出され、配管Ｐ３に設けられた温度センサーＭ３でその温度が測定される。その結果、熱媒体の温度Ｔ３が容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の相転移温度よりも高い場合、図示しない制御部によって、電磁弁Ｖ２１を閉、Ｖ２２及びＶ３を開とし、容器Ｓ３内に配管Ｐ３を介して熱媒体を導入し、第３の潜熱材料の相変化を生ぜしめ、蓄熱を行う。その後、熱媒体は、容器Ｓ３から配管Ｐ４に設けられた電磁弁ｖ２６を介して外部に排出される。なお、この際の温度は、温度センサーＭ４によって測定されるが、その温度は一般的に容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の相転移温度よりも低くなっている。

以上のような工程を経ることによって、熱媒体を、相転移温度の高い潜熱材料が充填された容器から相転移温度の低い潜熱材料が充填された容器に順次に流すことができるので、熱媒体を１回流すのみで複数の容器内に充填された異なる潜熱材料に対して蓄熱を行うことができる。したがって、蓄熱システムに対する蓄熱を効率的に行うことができる。

一方、例えば、温度センサーＭ２によって、熱媒体の温度Ｔ２が容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料の相転移温度よりも低いことが判明した場合は、制御部により電磁弁Ｖ１２及びＶ２は閉状態となり、熱媒体は容器Ｓ２内に導入されることなく、電磁弁Ｖ１１を介して外部に放出される。同様に、温度センサーＭ３によって、熱媒体の温度Ｔ３が容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の相転移温度よりも低いことが判明した場合は、制御部により電磁弁Ｖ２２及びＶ３は閉状態となり、熱媒体は容器Ｓ３内に導入されることなく、電磁弁Ｖ２１を介して外部に放出される。

このように、熱媒体を流しても、最早蓄熱を行うことができない容器内には熱媒体を流れないようにしているので、蓄熱システムに対する蓄熱を効率的に行うことができる。

なお、上述のように、熱媒体を蓄熱システムに導入し、各容器で段階的に蓄熱を行うには、各容器内に充填された潜熱材料、すなわち潜熱材の相転移温度がそれぞれ５０℃以上異なることが好ましい。もし互いの相転移温度の差が５０℃未満であると、図１に示すように、容器Ｓ１〜Ｓ３まで相転移温度の高い順に段階的に配列しても、例えば、容器Ｓ１における第１の潜熱材料の相転移温度と、容器Ｓ２における第２の潜熱材料の相転移温度との差が５０℃未満である場合、容器Ｓ１を通過した熱媒体の温度が容器Ｓ２に充填された第２の潜熱材料の相転移温度よりも僅かに高いか、あるいは同等さらには低くなってしまい、第２の潜熱材料の相変化を生ぜしめることができず、容器Ｓ２内での蓄熱を実行できない場合がある。この場合には必要に応じ、容器Ｓ１から容器Ｓ３へ熱媒体を直接供給しても良い（図示せず）。

以上の観点から、第１の潜熱材料、第２の潜熱材料及び第３の潜熱材料の好ましい例を挙げると、表１のようになる。

また、表１を参照すると、各容器内に充填された潜熱材料、すなわち潜熱材の相転移温度が上限値は、例えば１００℃程度である。

次に、図１に示す蓄熱システムの放熱操作について図７を参照して説明する。

（第１の放熱操作）
上述のようにして、蓄熱システムに対して蓄熱を実施した後、図示しない制御部によって、電磁弁Ｖ１、Ｖ１２、Ｖ２、Ｖ２２、及びＶ３、ｖ２６を閉状態とするとともに、熱媒体を外部に排出するための電磁弁Ｖ１１、Ｖ２１、ｖ２２及びｖ３３を閉状態とする。次いで、熱媒体を蓄熱システム内に導入する。

例えば、容器Ｓ３に熱媒体を導入する場合は、温度センサーｍ０３で熱媒体の温度を測定し、熱媒体の温度ｔ３が容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、電磁弁ｖ３３を開、ｖ３１を閉とし、熱媒体電磁弁ｖ３を開として配管ｐ３から容器Ｓ３内に熱媒体を導入し、第３の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、電磁弁ｖ３３を介して少なくとも一部を外部に放出する。なお、電磁弁ｖ３３を介して熱媒体を外部に放出する際、その温度を温度センサーｍ３によって測定し、第３の潜熱材料の相転移温度よりも低くなったか否かを判断する。

もし、電磁弁ｖ３３から放出される熱媒体の温度が第３の潜熱材料の相変化温度よりも小さくなった場合、容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の蓄熱量が低下し、最早容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料では、熱媒体の加熱を十分に行うことができないと判断し、蓄熱温度センサーｍ３による熱媒体温度の計測に基づき、上記制御部によって熱媒体電磁弁ｖ３が閉塞されるようになっている。

また、容器Ｓ２に熱媒体を導入する場合は、ｖ３３を閉めｖ３１を開けて温度センサーｍ０２で熱媒体の温度ｔ２を測定し、熱媒体の温度が容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、制御部によって電磁弁ｖ２を開として配管ｐ２から容器Ｓ２内に熱媒体を導入し、第２の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、電磁弁ｖ２１を閉めてｖ２２を介して外部に放出する。なお、電磁弁ｖ２２を介して熱媒体を外部に放出する際、その温度を蓄熱温度センサーｍ２によって測定し、第２の潜熱材料の相転移温度よりも低くなったか否かを判断する。

もし、電磁弁ｖ２２から放出される熱媒体の温度が第２の潜熱材料の相変化温度よりも小さくなった場合、容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料の蓄熱量が低下し、最早容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料では、熱媒体の加熱を十分に行うことができないと判断し、温度センサーｍ２による熱媒体温度の計測に基づき、上記制御部によって電磁弁ｖ２が閉塞されるようになっている。

同様に、容器Ｓ１に熱媒体を導入する場合は、温度センサーｍ０１で熱媒体の温度ｔ１を測定し、熱媒体の温度が容器Ｓ１内に充填された第１の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、図示しない上記制御部によって、電磁弁ｖ１を開として配管ｐ１から容器Ｓ１内に熱媒体を導入し、第１の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、配管ｐ１１を介して外部に放出する。なお、配管ｐ１１を介して熱媒体を外部に放出する際、その温度を温度センサーｍ１によって測定し、第１の潜熱材料の相転移温度よりも低くなったか否かを判断する。

もし、配管ｐ１１から放出される熱媒体の温度が臨界温度よりも小さくなった場合、容器Ｓ１内に充填された第１の潜熱材料の蓄熱量が低下し、最早容器Ｓ１内に充填された第１の潜熱材料では、熱媒体の加熱を十分に行うことができないと判断し、温度センサーｍ１による熱媒体温度の計測に基づき、上記制御部によって電磁弁ｖ１が閉塞されるようになっている。

したがって、熱媒体を流しても、最早加熱を十分に行うことができない容器内には熱媒体が流れないようにしているので、蓄熱システムにおける熱媒体の加熱を効率的に行うことができ、所望の温度に加熱された熱媒体を簡易かつ効率的に外部に取り出すことができるようになる。

なお、上記温度の判定は、各潜熱材料、すなわち潜熱材の相転移温度よりも、例えば５０℃低い温度とすることができる。

また、熱媒体は、水（水蒸気）、絶縁油、シリコンゲル等から構成することができる。

熱媒体の加熱源としては、太陽熱や社会インフラ機器からの排熱を用いることができる。

（第２の放熱操作）
また、熱媒体を、配管ｐ３、ｐ３１、ｐ１３、ｐ２、ｐ２１、ｐ１２及びｐ１を介して容器Ｓ３からＳ１まで順次に流すことができ、熱媒体を段階的に加熱するようにすることもできる。この場合、最終的に蓄熱システムから取り出した熱媒体は、相当程度に高い温度まで簡易かつ効率的に加熱することができるようになる。

但し、この場合においても、容器Ｓ３に熱媒体を導入する場合は、温度センサーｍ０３で熱媒体の温度ｔ３を測定し、熱媒体の温度が容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、図示しない制御部によって電磁弁ｖ３を開として配管ｐ３から容器Ｓ３内に熱媒体を導入し、第３の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、配管ｐ３１内に放出する。

そして、配管ｐ３１、ｐ１３及びｐ２を介して容器Ｓ２に熱媒体を導入する場合は、温度センサーｍ０２で熱媒体の温度ｔ２を測定し、熱媒体の温度が容器Ｓ２内に充填された第２の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、同じく図示しない制御部によって電磁弁ｖ２を開として配管ｐ２から容器Ｓ２内に熱媒体を導入し、第２の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、配管ｐ２１内に放出する。

そして、配管ｐ２１、ｐ１２及びｐ１を介して容器Ｓ１に熱媒体を導入する場合は、温度センサーｍ０１で熱媒体の温度を測定し、熱媒体の温度ｔ１が容器Ｓ１内に充填された第１の潜熱材料の温度よりも低いことを確認した後、上記制御部によって電磁弁ｖ１を開として配管ｐ１から容器Ｓ１内に熱媒体を導入し、第１の潜熱材料の蓄熱によって熱媒体を所定温度にまで加熱した後、配管ｐ１１を介して外部に放出する。

なお、この場合においても、容器Ｓ３から配管ｐ３１内に放出された熱媒体は、その温度を温度センサーｍ３によって測定し、第３の潜熱材料の相転移温度よりも所定温度高い臨界温度に達したか否かを判断する。もし、配管ｐ３１内の熱媒体の温度が第３の潜熱材料の相変化温度よりも小さくなった場合、容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料の蓄熱量が低下し、最早容器Ｓ３内に充填された第３の潜熱材料では、熱媒体の加熱を十分に行うことができないと判断し、温度センサーｍ３による熱媒体温度の計測に基づき、上記制御部によって電磁弁ｖ３が閉塞されるようになっている。

また、容器Ｓ２から配管ｐ２１内に放出された熱媒体及び容器Ｓ１から配管ｐ１１内に放出された熱媒体についても、その温度と各潜熱材料に対する相転移温度との関係から、各潜熱材料によって熱媒体の加熱を十分に行なうことができないと判断した場合は、蓄熱温度センサーｍ２及びｍ１で計測した温度に基づき、図示しない上記制御部によって電磁弁ｖ２及びｖ１がそれぞれ閉塞されるようになる。

＜蓄熱システムプラント＞
図８は、本実施形態における蓄熱プラントシステムの概略構成を示す図である。本実施形態では、図１に示す構成の、４つの蓄熱システムが並列に配列されてなる。また、各蓄熱システム（蓄熱システム１〜４）への入熱は、電磁弁ＶＰ１、ＶＰ２、ＶＰ３及びＶＰ４で分岐され、制御されるようになっている。

図８に示す構成の蓄熱プラントシステムにおいては、蓄熱システム１〜４に対して連続的あるいは同時に蓄熱を行うことができ、この結果、多量の熱を蓄熱することができる。なお、蓄熱システム１〜４に連続的に蓄熱を行うに際しては、例えば、最初に蓄熱システム１に対して蓄熱操作を実施した後、順次蓄熱システム２〜４に対して蓄熱操作を行うようにすることができる。但し、蓄熱操作の順番は適宜に選択することができる。

さらに、本実施形態の蓄熱システムプラントによれば、所定の蓄熱システム、例えば蓄熱システム３及び４に対しては熱媒体を流して蓄熱操作を行う一方で、蓄熱システム１及び２に対しては熱媒体を流して熱の外部への取り出し操作を行うようにすることもできる。したがって、蓄熱操作と放熱操作とを同時に行うことができるので、蓄熱操作の際に放熱操作を中断したり、放熱操作の際に蓄熱操作を中断したりしなくてもよい。結果として、効率的な運転を行うことができるようになる。

なお、それぞれの蓄熱システムに対する蓄熱操作及び放熱操作は、第１の実施形態で述べたようにして実施することができる。

また、本実施形態の蓄熱プラントシステムにおいては、４つの蓄熱システムを並列に配列したが、配列する蓄熱システムの数は必要に応じて任意の数とすることができる。

＜発電プラント＞
図９〜図１２は、上述した蓄熱プラントを利用した発電プラントの概略構成を示す図である。

図９に示す発電プラントにおいては、例えば太陽熱集熱パネル等を有する太陽熱源１０１によって加熱された熱媒体を分岐して熱媒体１及び熱媒体２とし、熱媒体１で蒸気製造機１０５によって蒸気を製造し、この蒸気で直接タービン１０３を駆動させて発電する一方、熱媒体２を蓄熱システム１０２に導入し、上述したような蓄熱操作を行う。

したがって、例えば、強力な大きな太陽熱を得ることができ、高温の熱媒体を得ることができたような場合に、その一部を定常的なタービン１０３の駆動に使用する熱媒体１として利用し、残りを過剰な熱媒体として利用し、蓄熱システム１０２に供給して蓄熱操作を実施する。

この場合、後に、十分な太陽熱を得ることができないことに起因して、高温の熱媒体を得ることができず、熱媒体１のみで蒸気を製造しタービン１０３の定常的な駆動を行うことができないような場合でも、蓄熱システム１０２に蓄積された熱を吸収し、放出された熱媒体からの熱によって蒸気を製造してタービン１０３の駆動を補い、定常的な駆動を可能にすることができるようになる。結果として、常に安定した発電、すなわち電力供給を行うことができるようになる。

図１０に示す発電プラントは、別途ボイラー１０４を設けたものであり、上述のように熱媒体１で蒸気製造機１０５を介して十分な量及び温度の蒸気を製造することができず、タービン１０３の定常的な駆動を行うことができないような場合、蓄熱システム１０２からの熱媒体のみならず、ボイラー１０４からの蒸気をも用いてタービン１０３を駆動し、定常的な運転を可能としているものである。

図１１に示す発電プラントは、別途ヒータ１０６を設けたものであり、上述のように熱媒体１で蒸気製造機１０５を介して十分な量及び温度の蒸気を製造することができず、タービン１０３の定常的な駆動を行うことができないような場合、蓄熱システム１０２からの熱媒体のみならず、ヒータ１０６からの熱をも用いて蒸気製造機１０５を駆動して蒸気を発生させ、タービン１０３の定常的な運転を可能としているものである。

図１２に示す発電プラントは、太陽熱源１０１によって生成した熱媒体を総て蓄熱システム１０２に導入し、蓄熱操作及び放熱操作を実施して熱媒体を得、この熱媒体を用いて蒸気製造機１０５で蒸気の製造を行い、タービン１０３を駆動するようにしている。蓄熱システム１０２は、上述した説明からも明らかなように、蓄熱材料からは常に一定温度の熱を安定的に供給することができるので、蒸気製造機１０５を介して常に一定の量及び温度の蒸気を製造することができ、タービン１０３の駆動を常に定常的に行うことができる。結果として、常に安定した発電、すなわち電力供給を行うことができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 容器
Ｖ１、Ｖ１２、Ｖ２、Ｖ２２、及びＶ３ 電磁弁
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ 温度センサー
ｖ１１、ｖ２１及びｖ３１ 電磁弁
ｍ１、ｍ２、ｍ３ 温度センサー

Claims (10)

1. 相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填され、潜熱材料の相転移温度が高い材料から低い材料に向けて、前記潜熱材料の、前記相転移温度の高い順に配列されてなる複数の容器と、
   前記複数の容器それぞれに設けられ、各容器に対する第１の熱媒体の流入を制御する第１の電磁弁と、各容器に対する第２の熱媒体の流入を制御する第２の電磁弁と、前記第１の熱媒体の温度をモニタリングする第１の温度センサーと、前記第２の熱媒体の温度をモニタリングする第２の温度センサーとを有し、
   蓄熱操作の際に、前記第１の温度センサーの温度が蓄熱の対象となる前記容器中に充填された前記潜熱材料の前記相転移温度よりも高い場合に、前記容器に設けられた前記第１の電磁弁を開放し、前記相転移温度よりも低い場合に、前記容器に設けられた前記第１の電磁弁を閉塞し、
   また放熱操作の際に、前記第２の温度センサーの温度が放熱の対象となる前記容器中に充填された前記潜熱材料の前記相転移温度よりも低い場合に、前記容器に設けられた前記第２の電磁弁を開放し、前記相転移温度よりも高い場合に、前記容器に設けられた前記第２の電磁弁を閉塞するように制御する制御部、
   を具えることを特徴とする、蓄熱システム。
2. 相異なる相転移温度を有する潜熱材料が充填され、潜熱材料の相転移温度が高い順に直列に配列されてなる複数の容器と、
   前記複数の容器それぞれに設けられた前記潜熱材料へ蓄熱させるための熱媒体を流入させる第１の入口及び第１の出口と、
   蓄熱した前記潜熱材料からの熱を放熱させるための熱媒体を流入させる第２の入口及び第２の出口とを有し、
   前記複数の容器の内、少なくとも隣り合う第１の容器及び第２の容器同士は、前記第１の容器の前記第１の出口と前記第２の容器の前記第１の入口とが接続され、前記第１の容器の前記第２の入口と前記第２の容器の前記第２の出口とが接続されていることを特徴とする、蓄熱システム。
3. 前記第１の入口は前記複数の容器それぞれの下部に設けられ、前記第１の出口は前記複数の容器それぞれの上部に設けられるとともに、前記第２の入口は前記複数の容器それぞれの下部に設けられ、前記第２の出口は前記複数の容器それぞれの下部に設けられたことを特徴とする、請求項２に記載の蓄熱システム。
4. 前記複数の容器それぞれにおいて、前記第１の入口側には第１の電磁弁及び第１の温度センサーが設けられるとともに、前記第１の出口側には第１の排出用電磁弁が設けられ、前記第２の入口側には第２の電磁弁及び第２の温度センサーが設けられるとともに、前記第２の出口側には第２の排出用電磁弁が設けられ、
   蓄熱操作の際に、前記第１の温度センサーによって蓄熱の対象となる容器内に流入する第１の熱媒体の少なくとも一部を第１の排出用電磁弁から排出するとともに、前記第１の熱媒体の温度をモニタリングし、前記温度が前記容器中に充填された潜熱材料の相転移温度よりも高い場合に前記第１の電磁弁を開放させて、前記第１の熱媒体を前記容器内に導入するとともに、前記温度が前記容器中に充填された前記潜熱材料の相転移温度よりも低い場合に前記第１の電磁弁を閉塞させて、前記第１の熱媒体を前記容器内に導入しないようにし、
   放熱操作の際に、前記第２の温度センサーによって放熱の対象となる容器内に流入する第２の熱媒体の少なくとも一部を第２の排出用電磁弁から排出するとともに、前記第２の熱媒体の温度をモニタリングし、前記温度が放熱の対象となる前記容器中に充填された潜熱材料の相転移温度よりも低い場合に前記第２の電磁弁を開放させて、前記第２の熱媒体を前記容器内に導入するとともに、前記温度が前記潜熱材料の前記相転移温度よりも高い場合に前記第２の電磁弁を閉塞させて、前記第２の熱媒体を前記容器内に導入しないようにしたことを特徴とする、請求項２又は３に記載の蓄熱システム。
5. 前記複数の容器それぞれに充填された前記潜熱材料の相転移温度は、互いに少なくとも５０℃以上異なることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の蓄熱システム。
6. 前記熱媒体は、排熱及び太陽熱の少なくとも一方を熱源として加熱されてなることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の蓄熱システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一に記載の蓄熱システムを並列に配列してなることを特徴とする、蓄熱システムプラント。
8. 請求項１〜６のいずれか一に記載の蓄熱システムを具えることを特徴とする、発電プラント。
9. 前記熱媒体は、前記蓄熱システムにおける前記潜熱材料への蓄熱と、蒸気製造との双方に使用することを特徴とする、請求項８に記載の発電プラント。
10. 前記熱媒体は、前記蓄熱システムにおける前記潜熱材料への蓄熱のみに使用し、前記蓄熱システムを通じて加熱された前記蓄熱媒体によって蒸気製造を行なうことを特徴とする、請求項９に記載の発電プラント。

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