JP2013152073A

JP2013152073A - 中間貯蔵タンクを備えたエネルギー貯蔵システム及びエネルギーを蓄えるための方法

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Publication number: JP2013152073A
Application number: JP2013022089A
Authority: JP
Inventors: Jaroslav Hemrle; ジャロスラブ・ヘムルレ; Lilian Kaufmann; リリアン・カオフマン; Mehmet Mercangoez; メーメット・メルカンゴエズ
Original assignee: Abb Research Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: Abb Research Ltd; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2013-08-08
Anticipated expiration: 2030-06-08
Also published as: US8904793B2; EP2554804B1; US9915478B2; JP5670488B2; RU2012101601A; US20120080168A1; CN102459824A; JP5199517B2; CN104975891B; EP2275649A1; CN104975891A; US20150129158A1; EP2275649B1; RU2508453C2; CN102459824B; JP2012530207A; WO2010145963A1; EP2554804A2; EP2554804A3

Abstract

【課題】電気エネルギーを熱エネルギーの形態で蓄えるためのシステム及び方法が記載される。
【解決手段】熱電気エネルギー貯蔵システムは、作業流体を熱交換器１６の中を通って循環させるための作業流体回路、及び蓄熱媒体を循環させるための蓄熱媒体回路を有している。この蓄熱媒体回路は、少なくとも一つの高温貯蔵タンク２４と、一つの中間温度貯蔵タンク２２と、一つの低温貯蔵タンク２０と、を有していて、それらは、前記熱交換器１６を介して一緒に接続されている。蓄熱媒体の一部が、中間貯蔵タンクに向けて高温貯蔵タンクまたは低温貯蔵タンクから、または、中間貯蔵タンクから高温貯蔵タンクまたは低温貯蔵タンクに向けて、再び送り出され、低温貯蔵タンクと高温貯蔵タンクとの間を直接的に流れる他の部分に合流する。
【選択図】図２

Description

本発明は、広く、電気エネルギーの貯蔵に係る。本発明は、特に、電気エネルギーを、熱エネルギー貯蔵媒体の中の熱エネルギーの形態で蓄えるためのシステム及び方法に係る。

原子力発電所などのようなベース・ロード発電機、及び、風力タービン及び太陽光発電器などのような、確立論的な、間歇的なエネルギー源を有する発電機は、低い電力需要の時間の間に、過剰な電力を発生させる。大規模な電気的エネルギー貯蔵システムは、この過剰なエネルギーを、ピーク需要の時間に転用して、全体的な発電及び消費を均衡させる手段である。

先の特許出願ＥＰ１５７７５４８において、本願出願人は、熱電気エネルギー貯蔵（ＴＥＥＳ）システムのアイディアについて説明した。ＴＥＥＳは、チャージ・サイクルにおいて、過剰な電気を熱に変換して熱を蓄え、必要なときに、ディスチャージ・サイクルにおいて、熱を電気に変換して戻す。そのようなエネルギー貯蔵システムは、頑丈で、コンパクトで、サイトに依存せず、大量の電気的エネルギーの貯蔵に適している。熱エネルギーは、温度の変化を介する顕熱の形態で、または、相の変化を介する潜熱の形態で、または、両者の組み合わせで、蓄えられることが可能である。顕熱のための貯蔵媒体は、固体、液体、または気体であることが可能である。潜熱のための貯蔵は、相の変化を介して生じる、貯蔵媒体は、これらの相の何れかまたはそれらの組み合わせを、直列にまたは並列に、を含むことが可能である。

電気的エネルギー貯蔵システムの往復効率は、ディスチャージの後に、エネルギー貯蔵システムの状態が、貯槽をチャージする前の初期の条件に戻ると仮定した場合の、貯槽をチャージするために使用される電気的エネルギーに対する、貯槽から放出されることが可能な電気的エネルギーのパーセンテージとして規定されることが可能である。往復効率は、熱力学的な可逆性因子（thermodynamic reversibility factors）が最大化されたときに、増大する。しかしながら、ここで留意すべき重要な点は、全ての電気エネルギー貯蔵技術は、本質的に、限定された往復効率を有していると言うことである。このようにして、貯槽をチャージするために使用された電気的エネルギーの全ての単位に対して、特定のパーセンテージのみが、ディスチャージの際に電気的エネルギーとして回収されることになる。残りの電気的エネルギーは、失われる。もし、例えば、ＴＥＥＳシステムの中に蓄えられる熱が、抵抗ヒータを介して供給される場合には、約４０％の往復効率を有している。

熱電気エネルギー貯蔵の効率は、熱力学の第二法則に起因する様々な理由のために、制約される。第一に、熱エンジンにおける機械的な仕事への熱の変換は、カルノー効率（Carnot efficiency）により制約され。第二に、熱ポンプの性能係数（coefficient of performance）は、入力温度レベルと出力温度レベルとの間の差の増大に伴い、低下する。第三に、作業流体から蓄熱媒体への、及びその反対方向の、熱の流れは、それが生ずるために温度差を必要とする。この事実は、不可避的に、温度レベルを低下させ、それにより、熱の仕事をする能力を低下させることになる。

また、ここで留意すべきことは、ＴＥＥＳシステムのチャージ・サイクルは、熱ポンプ・サイクルとも呼ばれ、ＴＥＥＳシステムのディスチャージ・サイクルは、熱エンジン・サイクルとも呼ばれていると言うことである。ＴＥＥＳコンセプトにおいて、熱は、熱ポンプ・サイクルの間に、高温の作業流体から蓄熱媒体へ伝達され、熱エンジン・サイクルの間に、蓄熱媒体から作業流体へ戻される必要がある。熱ポンプは、低温源から、より高い温度の熱シンクへ、熱エネルギーを移動するために仕事を必要とする。高温側に蓄えられるエネルギーの量が、低温側から引き出されるエネルギーに等しい量により要求される仕事より大きいので、熱ポンプは、抵抗による熱生成と比較して、熱を“増大させる”ことになる。仕事のインプットに対する熱のアウトプットの比率は、性能係数（performance coefficient）呼ばれていて、それは、１より大きい値である。このようにして、熱ポンプの使用は、ＴＥＥＳシステムの往復効率を増大させることになる。

先の特許出願ＥＰ０８１６２６１４において、本願出願人は、ＴＥＥＳシステムを改善するために、トランス・クリティカルな（transcritical）熱力学的サイクルを利用するアイディアについて、説明した。図１は、トランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの間に、蓄熱媒体と接触状態にある熱交換器の中の温度プロファイルを示している。横軸は、システムの中に供給された熱を表わし、縦軸は、温度を表わし、グラフ上の線は、等圧線である。実線は、トランス・クリティカルＴＥＥＳチャージ・サイクルにおける、作業流体の温度プロファイルを示している。点線は、トランス・クリティカルＴＥＥＳディスチャージ・サイクルにおける、作業流体の温度プロファイルを示している。真っ直ぐな斜めの破線は、トランス・クリティカルＴＥＥＳサイクルにおける、蓄熱媒体の温度プロファイルを示している。

熱は、より高い温度側からより低い温度側へ、流れることのみが可能である。結果として、チャージ・サイクルにおける冷却の間の、作業流体に対する特徴的なプロファイルは、蓄熱媒体に対する特徴的なプロファイルの上方に位置していなければならず、後者は、次に、ディスチャージ・サイクルの中での加熱の間の、作業流体に対する特徴的なプロファイルの上方に位置していなければならない。温度プロファイルは、蓄熱媒体の中での顕熱の貯蔵のために、やがて一定の状態になる。このようにして、熱交換器の中の蓄熱媒体の体積は、一定のまま留まり、その一方で、高温流体及び低温流体貯蔵タンクの中に蓄えられた高温及び低温蓄熱媒体の体積は、変化する。また、熱交換器の中の温度分布も、一定のまま留まる。

トランス・クリティカル（transcritical）・サイクルは、作業流体が、サブ・クリティカル状態（subcritical）及び超臨界状態（supercritical）の両方の中を通る熱力学的サイクルとして規定される。臨界ポイントよりも上で、気相と液相との間に違いが無く、それ故に、トランス・クリティカル・サイクルにおいて、（通常の意味での）気化または沸騰は無い。

大きな温度差に跨る熱の伝達は、熱力学的な不可逆因子であることが、立証されている。図１の中に、ディスチャージの際の、蓄熱媒体と作業流体との間の最大の温度差“ΔＴmax ”、及びチャージの際の蓄熱媒体と作業流体との間の最小の温度差“ΔＴmin ”の両者が示されている。最大の温度差ΔＴmax を最小にするために、相対的に大きな熱交換器が建設されることも可能であり、または、相変化材料が、蓄熱のために使用されることも可能である。問題は、これらのソリューションが、高い資本コストをもたらし、それ故に、一般的に実用的でないと言うことである。

更にまた、例え、相対的に大きな熱交換器が使用されたとしても、作業流体の熱力学的性質が、温度差の最小化を制限するように働く。これは、図１の中の作業流体温度プロファイル（等圧線）の中の曲率により示されている。曲率は、“内部のピンチ・ポイント”をもたらして、熱交換器のサイズにも拘わらず、平均温度差を増大させる。“ピンチ分析”は、プロセス・システムにおいて、熱力学的に実現可能な熱交換ネットワークを決定することにより、エネルギー消費を最小にすることための既知の方法論である。

当業者にとって明らかなように、熱伝達損失の減少は、熱ポンプ・サイクルに基づくチャージを用いる熱エネルギー貯蔵の、想定される用途において、特別な重要性を有している。そのような用途において、チャージ及びディスチャージの間に、熱交換温度損失の増大は、有用な仕事の損失及びシステムの往復効率の減少を直接的にもたらす。

このようにして、高い往復効率及び最小のアプローチ温度を有し、それと同時に必要となる蓄熱媒体の量を最小にし、そしてまた資本コストを最小にする、効率の良い熱電気エネルギー貯蔵システムを提供することに対するニーズがある。

欧州特許出願公開ＥＰ１５７７５４８号明細書

本発明の目的は、改善された往復効率で、電気的エネルギーを熱エネルギー変換して蓄え、そして、それを電気的エネルギーに逆変換して戻す、熱電気エネルギー貯蔵システムを提供することにある。この目的は、請求項１に基づく熱電気エネルギー貯蔵システムにより、及び請求項８に基づく方法により実現される。好ましい実施形態は、従属請求項から明らかになる。

本発明の第一のアスペクトによれば、熱電気エネルギー貯蔵システムが提供され、このシステムは、蓄熱媒体に熱エネルギーを供給するための、チャージ・サイクル、及び、蓄熱媒体から熱エネルギーを回収することにより電気を作り出すための、ディスチャージ・サイクルを有している。この熱電気エネルギー貯蔵システムは、熱交換器の中を通って作業流体を循環させるための、作業流体回路、及び、蓄熱媒体を循環させるための、蓄熱媒体回路を有していて、蓄熱媒体回路は、少なくとも一つの高温貯蔵タンク、一つの中間温度貯蔵タンク、及び一つの低温貯蔵タンクを有し、それらは、前記熱交換器を介して一緒に接続されている。

前記熱交換器の中の蓄熱媒体の流速は、中間貯蔵タンクへの蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、そして、中間貯蔵タンクからの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、調整可能である。前記熱交換器の中での蓄熱媒体の流速を調整することまたは適合させることは、改善された往復効率の観点から、熱交換プロセスをコントロールすることを可能にする。

高温貯蔵タンクの温度は、中間温度貯蔵タンクの温度より高く、後者は、次に、低温貯蔵タンクの温度より高い。チャージ及びディスチャージの間に、それぞれの貯蔵タンクの温度は、一定のまま留まる。

好ましい実施形態において、蓄熱媒体の流速は、前記熱交換器の中の蓄熱媒体と作業流体との間の接触のポイントで、且つ、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの両者の間に、作業流体と蓄熱媒体との間の温度差を最小にするために調整される。換言すれば、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの両者の間に、前記熱交換器の中での蓄熱媒体の流速は、蓄熱媒体の等圧線が、作業流体の等圧線の曲率に密接して従うように適合される。この目的で、蓄熱媒体と作業流体との間の最大の温度差は、低温貯蔵タンクと高温貯蔵タンクとの間の温度差の、２０％未満に、また好ましくは１５％未満に、維持される。

好ましい実施形態において、前記熱交換器は、中間貯蔵タンクからの蓄熱媒体の流れを分割しまたは合流させるように構成された、内部流れスプリッタを有している。

更に好ましい実施形態において、前記熱交換器は、第一のセクションと第二のセクションに分割される。蓄熱媒体は、第一のセクションと第二のセクションの両者の中を流れ、流れスプリッタが、前記熱交換器の第一のセクションと第二のセクションとの間に配置される。この流れスプリッタは、中間貯蔵タンクからの蓄熱媒体の流れを、分割しまたは合流させるように構成される。

代替的な実施形態において、前記熱交換器は、第一のセクションと第二のセクションに分割され、蓄熱媒体は、中間貯蔵タンクを介して、第一のセクションと第二のセクションの両者の中を流れる。

更なる実施形態において、少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンクが、蓄熱媒体回路の中に接続され、前記熱交換器は、それぞれの更なる中間貯蔵タンクのための更なる内部流れスプリッタを有している。

チャージ・サイクルまたはディスチャージ・サイクルの内の少なくとも一方は、トランス・クリティカルに行われる。このようにして、作業流体が、熱電気エネルギー貯蔵システムのチャージ・サイクルの間に、前記熱交換器の中でトランス・クリティカルな冷却を行っても良い。当該熱電気エネルギー貯蔵システムが、チャージ・サイクルにあるとき、このシステムは、エキスパンダ、蒸発器及びコンプレッサを含んでいる。更に、作業流体は、当該熱電気エネルギー貯蔵システムのディスチャージ・サイクルの間に、前記熱交換器の中でトランス・クリティカルな加熱を行っても良い。当該熱電気エネルギー貯蔵システムが、ディスチャージ・サイクルにあるとき、このシステムは、ポンプ、凝縮器及びタービンを含んでいる。

本発明の第二のアスペクトによれば、熱電気エネルギー貯蔵システムの中にエネルギーを蓄えて且つ回収するための方法が提供される。この方法は、蓄熱媒体を加熱することによりシステムをチャージすることを有している。蓄熱媒体は、高温貯蔵タンク、中間貯蔵タンク、及び低温貯蔵タンクの間を循環し、それらのタンクは、熱交換器を介して一緒に接続されている。この方法はまた、蓄熱媒体からの熱で、作業流体回路の中で作業流体を加熱し、そして熱力学的マシンの中を通して作業流体を膨張させることにより、システムをディスチャージすることを有している。前記熱交換器の中を通る蓄熱媒体の流速は、中間貯蔵タンクへの蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、そして、中間貯蔵タンクからの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、調整される。

図１は、標準的なトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムにおける、サイクルからの熱伝達の熱の流れ対温度の図を示している。図２は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの、チャージ・サイクルの単純化された概略図を示している。図３は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの、ディスチャージ・サイクルの単純化された概略図を示している。図４は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムにおける、サイクルからの熱伝達の熱の流れ対温度の図を示している。図５は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの代替的な実施形態の、チャージ・サイクルの単純化された概略図を示している。図６は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの更なる代替的な実施形態の、チャージ・サイクルの単純化された概略図を示している。

次に、以下のテキストにおいて、本発明の主題が、添付図面に示された好ましい代表的な実施形態を参照しながら、より詳細に説明される。

一貫性のために、同一の参照符号が、これらの図の全体に亘って、示されている同様な要素を表すために使用されている。

図２及び３は、本発明に基づく実施形態のトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの、それぞれ、チャージ・サイクル・システム及びディスチャージ・サイクル・システムを概略的に示している。

図２の中に示されたチャージ・サイクル・システムは、仕事回収エキスパンダ１０、蒸発器１２、コンプレッサ１４、及び、内部流れスプリッタ１８を有する熱交換器１６を有している。作業流体は、図２の中の矢印付きの実線により示されているように、これらのコンポーネントの中を通って循環する。更に、低温流体貯蔵タンク２０、中間貯蔵タンク２２、及び高温流体貯蔵タンク２４は、流体の蓄熱媒体を含んでいて、熱交換器１６を介して並列に一緒に接続されている。

運転の際、チャージ・サイクル・システムは、トランス・クリティカル・サイクルを実行し、作業流体が、以下のやり方で、ＴＥＥＳシステムの周りを流れる。蒸発器１２の中の作業流体は、低温の熱貯槽から熱を吸収して、気化する。気化された作業流体は、コンプレッサ１４に循環され、余剰の電気的エネルギーが、作業流体を圧縮して超臨界状態まで加熱するために使用される。（そのような超臨界状態において、流体は、臨界温度及び臨界圧力の上方に位置している。）作業流体は、熱交換器１６の中を通って供給され、そこで、作業流体は、蓄熱媒体の中に熱を放出する。圧縮された作業流体は、熱交換器１６から出て、エキスパンダ１０の中に入る。ここで、作業流体は、蒸発器の入口で、より低い圧力まで膨張される。作業流体は、エキスパンダ１０から流れ、蒸発器１２の中に戻る。

蓄熱媒体は、図２の中で破線により表されていて、低温流体貯蔵タンク２０から、熱交換器１６の中を通って、高温流体貯蔵タンク２４の中に、また部分的に中間貯蔵タンク２２への中に、送り出される。蓄熱媒体の温度は、内部流れスプリッタ１８の両側で、熱電対または抵抗センサーなどのような、温度センサーにより検出される。作業流体から蓄熱媒体の中へ放出された熱は、顕熱の形態で蓄えられる。

内部流れスプリッタ１８の両側での蓄熱媒体の温度の検出の後、中間貯蔵タンク２２及び高温流体貯蔵タンク２４の中への蓄熱媒体の流速が調整される。これは、適切な配管及びバルブで構成される手段により実現される。初期のバルブ開度は、所望の温度プロファイルに基づいて決定され、それらのバルブ開度は、温度測定結果に基づいて、運転の間に微調整される。

熱交換器システムは、熱交換器１６の中での流れスプリッタ１８の位置が、熱交換器１６の、貯蔵媒体が中間貯蔵タンク２２の温度レベルにあるポイントと一致するようにデザインされる。分流された流れは、中間タンク２２の中に蓄えられる。第二の流れは、熱交換器１６の残りの中を通って、高温貯蔵タンク２４の中へ続く。

留意すべきことは、熱交換器１６の中で、作業流体圧力が、臨界圧力の上方に位置することになるが、しかしながら、作業流体温度は、臨界温度未満であっても良いと言うことである。それ故に、作業流体は、超臨界状態で熱交換器１６の中に入るが、その作業流体が、サブ・クリティカル状態で熱交換器から出ても良い。

単一の流れ分割を有する好ましい実施形態において、内部流れスプリッタ１８は、チャージ・サイクルにおいて、蓄熱媒体の流れを合流させまたは分割するように機能し、ディスチャージ・サイクルにおいて、蓄熱媒体の流れを合流させまたは分割するように機能する。

図３の中に示されたディスチャージ・サイクル・システムは、ポンプ２６、凝縮器２８、タービン３０、及び、内部流れスプリッタ１８を有する熱交換器１６を有している。作業流体が、図３の中の矢印付きの点線により示されているように、これらのコンポーネントの中を通って循環する。更に、低温流体貯蔵タンク２０、中間貯蔵タンク２２、及び高温流体貯蔵タンク２４は、流体の蓄熱媒体を含んでいて、熱交換器１６を介して並列に一緒に接続される。蓄熱媒体は、図３の中で破線により表されていて、高温流体貯蔵タンク２４から、及び中間貯蔵タンク２２から、低温流体貯蔵タンク２０の中へ送り出される。

運転の際、ディスチャージ・サイクル・システムもまた、トランス・クリティカル・サイクルを実行し、作業流体が、以下のやり方で、ＴＥＥＳシステムの周りを流れる。熱が、蓄熱媒体から作業流体へ伝達され、それにより、作業流体が、トランス・クリティカル加熱の中を通ることになる。作業流体は、その後、超臨界状態で熱交換器１６から出て、タービン３０の中に入り、そこで、作業流体が膨張され、それにより、タービンを発電機に結合させて、電気的エネルギーを発生させる。次に、作業流体は、凝縮器２８の中に入り、そこで、作業流体は、低温熱的な槽と熱を交換することにより、凝縮される。凝縮された作業流体は、出口を介して、凝縮器２８から出て、ポンプ２６を介して、熱交換器１６の中へ、その臨界圧力の上方にある圧力で、再び送り出される。

蓄熱媒体は、図３の中の破線により表されていて、低温流体貯蔵タンク２０の中へ、熱交換器１６の中を通って、高温流体貯蔵タンク２４及び中間貯蔵タンク２２から送り出される。蓄熱媒体の温度は、内部流れスプリッタ１８の両側で検出され、且つモニターされる。

図２のチャージ・サイクル・システム、及び図３のディスチャージ・サイクル・システムは、別個に示されているが、熱交換器１６、低温流体貯蔵タンク２０、中間流体貯蔵タンク２２、高温流体貯蔵タンク２４、及び蓄熱媒体は、両者に対して共通である。チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルは、同時にではなく、逐次的に実行されても良い。

換言すれば、熱電気エネルギー貯蔵システムが提供され、このシステムは、熱エネルギーを蓄熱媒体に供給するための、チャージ・サイクル、及び、蓄熱媒体から熱エネルギーを回収することにより電気を作り出すための、ディスチャージ・サイクルを有している。熱電気エネルギー貯蔵システムは、少なくとも一つの低温貯蔵タンク２０及び一つの高温貯蔵タンク２４を備えた蓄熱媒体導管と；蓄熱媒体と；チャージの間に、蓄熱媒体を低温貯蔵タンク２０から高温貯蔵タンク２４まで伝達し、ディスチャージの間に、高温貯蔵タンク２４から低温貯蔵タンク２０まで伝達するための手段と；を有している。少なくとも一つの熱交換器１６は、蓄熱媒体と作業流体回路の作業流体との間で熱を交換するために、低温貯蔵タンク２０と高温貯蔵タンク２４との間で、蓄熱媒体の導管に接続されていて、作業流体は、熱伝達の間に、トランス・クリティカル・プロセスを行う。

それに加えて、蓄熱媒体の導管は、低温貯蔵タンク２０の温度と、高温貯蔵タンク２４の温度との間の温度で、少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンク２２に分岐する。ここで、チャージの間に、低温貯蔵タンク２０からの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の一部の中を通過した後に、分割されて中間貯蔵タンク２２に向けて送り出され、または、その代わりに、中間貯蔵タンク２２からの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の他の一部の中を通過する前に、低温貯蔵タンク２４からの蓄熱媒体と結合される。また、ここで、ディスチャージの間に、中間貯蔵タンク２２からの蓄熱媒体が、熱交換器１６の一部の中を通過する前に、高温貯蔵タンク２４からの蓄熱媒体と結合され、または、その代わりに、高温貯蔵タンクからの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の他の一部の中を通過した後に、分割されて、中間貯蔵タンク２２へ向けて送り出される。

好ましくは、熱交換器１６の中の、蓄熱媒体の様々な流れの流速は、本発明のトランス・クリティカルＴＥＥＳの往復効率を最適化するように、コントロールされ且つ調整されることが可能である。更なる説明が、図４を参照しながら、以下に続く。

図４は、本発明に基づくＴＥＥＳシステムにおけるサイクルの間の、熱交換器の中での熱伝達の熱の流れ対温度の図を示している。実線は、ＴＥＥＳチャージ・サイクルにおける、作業流体の温度プロファイルを示している。点線は、ＴＥＥＳディスチャージ・サイクルにおける、作業流体の温度プロファイルを示している。破線及び一点鎖線は、ＴＥＥＳサイクルにおける、蓄熱媒体の温度プロファイルを示している。矢印は、熱交換器の中での流れの方向を示している。熱は、より高い温度側からより低い温度側へ流れることのみが可能である。結果として、チャージ・サイクルにおける冷却の間の、作業流体に対する特徴的な・プロファイルは、蓄熱媒体に対する特徴的なプロファイルの上方に位置していなければならず、後者は、次に、ディスチャージ・サイクルにおける加熱の間の、作業流体に対する特徴的なプロファイルの上方に位置していなければならない。

図４の特定のケースにおいて、流れの分割／合流ポイントは、約３４０℃の蓄熱媒体温度で示されている。グラフのこのポイントの右手側で、温度プロファイルの勾配が増大する。この相対的に増大された勾配は、一点鎖線により示されていて、流れの分割／合流ポイントの後での、蓄熱媒体の異なる流速の結果である。このようにして、図４は、トランス・クリティカルＴＥＥＳからの温度プロファイルを示していて、このトランス・クリティカルＴＥＥＳにおいて、蓄熱媒体の二つの異なる流速が存在する。このような二つの流速は、単一の熱交換器の中で、流れスプリッタの前及び後で、生ずることがある。流れスプリッタにより分割された第一の熱交換器及び第二の熱交換器を直列に有する、代替的な実施形態において、それぞれの熱交換器の中に、異なる流速があっても良い。

本発明のこの特定の実施形態において、低温貯蔵タンクの温度は約１００℃であり、中間貯蔵タンクの温度は約３４０℃であり、高温貯蔵タンクの温度は約５２０℃である。約２５℃の最小のアプローチ温度が、想定されている（即ち、熱交換を行う二つの流体の間の最小の温度差が２５℃である）。そのような実施形態において、低温貯蔵タンクと流れスプリッタとの間の、及び流れスプリッタと高温貯蔵タンクとの間の、蓄熱媒体の流速は、それらが約２：１の比率を有するようにコントロールされる。

図４から分かるように、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルにおける作業流体を示す等圧線は、蓄熱液体を示す等圧線の形に密接して従う。このようにして、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの両者における、温度差ΔＴmin 及びΔＴmax は、それぞれ、図１に描かれた流れの分割が無い場合と比べて大幅に小さい。このようにして、システムの往復効率が、熱交換器のサイズにも拘わらず、増大される。

当業者は、本発明の代替的な実施形態において、熱交換器の中での熱伝達の熱の流れ対温度の図が、異なる形態を有していても良いと言うことに、気付くであろう。例えば、流れ分割ポイントの左側での作業流体等圧線の勾配が、分割ポイントの右側での作業流体等圧線の勾配より大きいことが、可能である。これは、低温貯蔵タンク及び中間タンクから流出する流れが、チャージの間に、流れスプリッタで合流され、ディスチャージの間に、流れスプリッタで分割される、と言う事を示すことになるであろう。

温度プロファイルは、やがて、蓄熱媒体の中での顕熱の貯蔵のために、一定の状態になる。このようにして、熱交換器の中での蓄熱媒体の体積は、一定のまま留まるが、高温流体、中間及び低温流体貯蔵タンクの中に蓄えられた、高温及び低温蓄熱媒体の体積は、変化する。また、熱交換器の中の温度分布も、一定のまま留まる。

図５は、本発明の代替的な実施形態を示していて、この実施形態においては、直列の二つの別個の熱交換器１６ａ，１６ｂが、流れスプリッタ１８により分割されている。図５は、この実施形態のチャージ・サイクルを示していて、その中で、第一の熱交換器１６ａに、低温貯蔵タンク２０からの蓄熱媒体が供給される。第一の熱交換器１６ａから出る蓄熱媒体は、流れスプリッタ１８の中に入り、そこで、蓄熱媒体の一部が、中間貯蔵タンク２２へ分流される。蓄熱媒体の残りの部分は、第二の熱交換器１６ｂの中へ供給される。第二の熱交換器１６ｂから出る蓄熱媒体は、高温貯蔵タンク２４へ送られる。作業流体は、蓄熱媒体の流れに対して反対方向に、第一の熱交換器１６ａと第二の熱交換器１６ｂの両者の中を通過する。

ディスチャージ・サイクルの間の、このトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの運転は、図３に対して説明されたサイクルと同様である。好ましくも、この実施形態は、熱交換器の中に流れスプリッタを配置する必要性を取り除く。ここで留意すべきことは、流速の変動のポイントが、流れスプリッタの位置で生じると言うことである。

図６は、更なる代替的な実施形態を示していて、この実施形態において、内部流れスプリッタの構成を有する代わりに、熱交換器１６ａ，１６ｂが分割されていて、蓄熱媒体が、連続する経路上で、中間貯蔵タンク２２の中に入りそしてそこから出ることを可能にする。この代替的な実施形態において、ＴＥＥＳチャージ・サイクルの間に、低温貯蔵タンク２０からの全ての蓄熱媒体は、第一の熱交換器セクション１６ａの後で、中間貯蔵タンク２２へ送られ、次に、蓄熱媒体の一部が、中間貯蔵タンク２２から取り出され、第二の熱交換器セクション１６ｂの中に供給され、次いで、高温貯蔵タンク２４に供給される。ディスチャージ・サイクルの間の、このトランス・クリティカルＴＥＥＳシステムの運転は、図３に対して説明されたサイクルと同じである。

好ましくも、この実施形態は、流れスプリッタの必要性を取り除く。第一の熱交換器１６ａ及び第二の熱交換器１６ｂの中を通る蓄熱媒体の流速は、熱の流れ対温度の図上の代表的な等圧線が、（図４の中に示されているように）作業流体を示す等圧線の形に密接して従うようにコントロールされる。結果として、貯蔵タンクのそれぞれの中を通る、蓄熱媒体の流速の変動があっても良い。留意すべきことは、流速の変動のポイントは、中間貯蔵タンク２２への流入またはそこからの流出で生じる。

本発明の全ての実施形態において、中間貯蔵タンクの中を通る流速の変動がある場合には、低温及び高温貯蔵タンクからの及びそれらへの流速の変動が、その結果として生じることになると言うことが、理解される。

図５及び図６のチャージ・サイクルの上記の説明は、チャージ・サイクルの間に、中間貯蔵タンク２２の中に、蓄熱媒体の一部を送り込む場合について、説明された。しかしながら、当業者にとって明らかなように、ＴＥＥＳシステムは、チャージ・サイクルの間に、中間貯蔵タンク２２からの蓄熱媒体の一部を送り出しても良く、ここで、これは、熱伝達の熱の流れ対温度の図の中で、蓄熱媒体を示す等圧線が、作業流体を示す等圧線に対して並列に密接して伸びることをもたらすことになるであろう。

本発明の更なる実施形態において、第二の中間蓄熱媒体タンクが、蓄熱媒体回路に加えられる。熱交換器の中の、第二の流れの分割／合流ポイントが、この実施形態において必要となる。そのような熱交換器の中の流れが、異なる流速を有するようにコントロールされる場合には、対応する温度プロファイルは、三個の別個の勾配セクションを示すことになるであろう。この実施形態は、蓄熱媒体の温度プロファイルの中の、更なる直線的なセクションにより表され、それにより、作業流体及び蓄熱媒体の温度プロファイルが、より正確に平行な経路に従うことを可能にする。

本発明の更なる実施形態が、考えられ、その実施形態において、第三の（またはより高い数値の）中間蓄熱媒体タンクが、蓄熱媒体回路に加えられる。再び、熱交換器の中の第三の（または更なる）流れの分割／合流ポイントが、そのような更なる実施形態において必要となる。そのような熱交換器の中の流れは、異なる流速を有するようにコントロールされても良い。当業者は、対応する蓄熱媒体温度プロファイルの中に、一つまたはそれ以上の更なる別個の直線的なセクションの追加を可能にして、往復効率を増大させることによる、有利な効果を理解するであろう。流れの分割／合流バルブと配管を配置することにより分割された直列の別個の熱交換器を備えた実施形態、または、中間貯蔵タンクへの直接の接続を備えた実施形態を実現することもまた、可能である。

この実施形態において、熱交換器は、向流熱交換器であって、サイクルの作業流体は、好ましくは二酸化炭素である。更に、蓄熱媒体は、流体であって、好ましくは水である。この実施形態のコンプレッサは、電動コンプレッサである。当業者は、図２及び３の中に示されているような、ＴＥＥＳシステムは、幾つかの異なるやり方で実現されても良いと言うことに気付くであろう。

代替的な実施形態は、以下の形態を含んでいる：
− 往復効率を最大にするために、異なる作業流体が、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルのために使用されても良い。使用されても良い作業流体の例は、サイクルの高い温度レベル未満の臨界温度を有する冷却材である。

− 大気のまたは専用の低温貯蔵の何れもが、チャージ・サイクルのための熱源及びディスチャージ・サイクルのための熱シンクとして使用されることが可能である。低温貯槽が、貯蔵のチャージの間に、氷−水混合物を作り出すことにより、そして、ディスチャージ・サイクルの間に、蓄えられた氷−水混合物を使用して作業流体を凝縮することにより、実現されることが可能である。

− 蓄熱媒体は、一般的に水（必要な場合には、加圧容器の中にある）であるが、油または溶融塩などのような、他の材料が使用されても良い。好ましくも、水は、相対的に良好な熱伝達及び熱移送の性質、及び高い熱容量を有していて、それ故に、予め定められた蓄熱容量に対して、必要とされる体積が相対的に小さい。明らかに、水は、不燃性であって、毒性が無く且つ環境にやさしい。安価な蓄熱媒体の選択は、より低い全体的なシステム・コストに寄与することになるであろう。

− 単一の高温貯蔵タンクの代わりに、複数の高温貯蔵タンク、または、単一の低温貯蔵タンクの代わりに、複数の低温貯蔵タンクが、この本発明のコンセプトの中で、使用されることも可能である。これは、例えば、二つの小さな低温貯蔵タンクが単一の大きい貯蔵タンクと比べてより実用的な場合に、考えられる。

当業者は、ＴＥＥＳシステムの中の凝縮器及び蒸発器が、両方の役割を演ずることが可能な多目的熱交換デバイスで置き換えられても良いことに気付くであろう、その理由は、チャージ・サイクルにおける蒸発器の使用、及びディスチャージ・サイクルにおける凝縮器の使用が、異なる期間に実施されることになるからである。同様に、タービン及びコンプレッサの役割が、両方のタスクを実現することが可能な同一の機械（ここで、熱力学的マシンと呼ばれている）により実施されることが可能である。

本発明のための好ましい作業流体は、二酸化炭素である；それは、主に、熱伝達プロセスにおけるより高い効率に起因し、及び、二酸化炭素の、天然の作業流体としての友好的な性質、即ち、不燃性、オゾン層破壊の要因とならないこと、健康に害をもたらさないこと、その他に起因している。

欧州特許出願公開ＥＰ１５７７５４８号明細書

本発明の目的は、改善された往復効率で、電気的エネルギーを熱エネルギー変換して蓄え、そして、それを電気的エネルギーに逆変換して戻す、熱電気エネルギー貯蔵システムを提供することにある。この目的は、請求項１に基づく熱電気エネルギー貯蔵システムにより、及び請求項１１に基づく方法により実現される。好ましい実施形態は、従属請求項から明らかになる。

それに加えて、蓄熱媒体の導管は、低温貯蔵タンク２０の温度と、高温貯蔵タンク２４の温度との間の温度で、少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンク２２に分岐する。ここで、チャージの間に、低温貯蔵タンク２０からの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の一部の中を通過した後に、分割されて中間貯蔵タンク２２に向けて送り出され、または、その代わりに、中間貯蔵タンク２２からの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の他の一部の中を通過する前に、低温貯蔵タンク２０からの蓄熱媒体と結合される。また、ここで、ディスチャージの間に、中間貯蔵タンク２２からの蓄熱媒体が、熱交換器１６の一部の中を通過する前に、高温貯蔵タンク２４からの蓄熱媒体と結合され、または、その代わりに、高温貯蔵タンクからの蓄熱媒体の一部が、熱交換器１６の他の一部の中を通過した後に、分割されて、中間貯蔵タンク２２へ向けて送り出される。

本発明の好ましい実施形態、特に以上において記載されたような実施形態は、以下に列挙された項目に詳述されているように実現されることが可能であり、好ましくは、以上において詳述されているような特徴の一つまたはそれ以上の組み合わせにより、実現される。
［項目１］
熱電気エネルギー貯蔵システムであって、
蓄熱媒体に熱エネルギーを供給するためのチャージ・サイクル、及び、蓄熱媒体から熱エネルギーを回収することにより、電気を作り出すためのディスチャージ・サイクルを有し、
当該熱電気エネルギー貯蔵システムは、
熱交換器（１６）の中を通って作業流体を循環させるための作業流体回路を有し、ここで、作業流体が、前記熱交換器（１６）の中での熱伝達の間に、トランス・クリティカル・プロセスを行うこと、
蓄熱媒体を循環させるための蓄熱媒体回路を有し、この蓄熱媒体回路は、前記熱交換器（１６）を介して一緒に接続された、少なくとも一つの高温貯蔵タンク（２４）と、一つの中間温度貯蔵タンク（２２）と、一つの低温貯蔵タンク（２０）と、を有していること、
当該熱電気エネルギー貯蔵システムは、前記熱交換器（１６）の中での蓄熱媒体の流速を、中間貯蔵タンク（２２）への蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、及び、中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、調整するように構成されていること、
を特徴とする熱電気エネルギー貯蔵システム。
［項目２］
下記特徴を有する項目１に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
蓄熱媒体の流速は、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの間に、作業流体と蓄熱媒体との間の温度差を最小にするために、調整される。
［項目３］
下記特徴を有する項目２に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割しまたは合流させるように構成された、内部流れスプリッタ（１８）を有している。
［項目４］
下記特徴を有する項目３に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）とに分割され、
蓄熱媒体は、第一のセクションと第二のセクションの双方の中を流れ、
流れスプリッタ（１８）が、前記熱交換器の第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）との間に配置され、
この流れスプリッタ（１８）は、前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割しまたは合流させるように構成されている。
［項目５］
下記特徴を有する項目２に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）とに分割され、
蓄熱媒体は、前記中間貯蔵タンク（２２）を介して、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）の双方の中を流れる。
［項目６］
下記特徴を有する項目３に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンクが、前記蓄熱媒体回路の中に接続され、
前記熱交換器（１６）は、更なる中間貯蔵タンクのそれぞれのための、更なる内部流れスプリッタを有している。
［項目７］
下記特徴を有する項目１から６の何れか１項に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの双方が、トランス・クリティカルに行われる。
［項目８］
熱電気エネルギー貯蔵システムの中で、エネルギーを蓄えて且つ回収するための方法であって、
蓄熱媒体を加熱することによりシステムをチャージし、ここで、蓄熱媒体は、熱交換器（１６）を介して一緒に接続された、高温貯蔵タンク（２４）、中間貯蔵タンク（２２）及び低温貯蔵タンク（２０）の間を循環すること、
作業流体回路の中で、蓄熱媒体からの熱を用いて作業流体を加熱し、熱力学的マシン（３０）の中を通って作業流体を膨張させることにより、前記システムをディスチャージし、ここで、作業流体は、前記熱交換器（１６）の中での熱伝達の間に、トランス・クリティカル・プロセスを行うこと、及び、
中間貯蔵タンク（２２）への蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、及び中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、前記熱交換器（１６）の中を通る蓄熱媒体の流速を調整すること、
を特徴とする方法。
［項目９］
下記特徴を有する項目８に記載の方法、
流速を調整する前記ステップは、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの間に、作業流体と蓄熱媒体との間の温度差を最小にすることを有している。
［項目１０］
下記特徴を有する項目９に記載の方法、
前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割することまたは合流させることを、更に有している。
［項目１１］
下記特徴を有する項目１０に記載の方法、
少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンクを、前記熱交換器（１６）を介して接続し、更なる中間貯蔵タンクのそれぞれのために、蓄熱媒体の流れを、更に分割することまたは合流させることを、更に有している。
［項目１２］
下記特徴を有する項目８から１１の何れか１項に記載の方法、
チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの双方が、トランス・クリティカルに行われる。

Claims

熱電気エネルギー貯蔵システムであって、
蓄熱媒体に熱エネルギーを供給するためのチャージ・サイクル、及び、蓄熱媒体から熱エネルギーを回収することにより、電気を作り出すためのディスチャージ・サイクルを有し、
当該熱電気エネルギー貯蔵システムは、
熱交換器（１６）の中を通って作業流体を循環させるための作業流体回路を有し、ここで、作業流体が、前記熱交換器（１６）の中での熱伝達の間に、トランス・クリティカル・プロセスを行うこと、
蓄熱媒体を循環させるための蓄熱媒体回路を有し、この蓄熱媒体回路は、前記熱交換器（１６）を介して一緒に接続された、少なくとも一つの高温貯蔵タンク（２４）と、一つの中間温度貯蔵タンク（２２）と、一つの低温貯蔵タンク（２０）と、を有していること、
当該熱電気エネルギー貯蔵システムは、前記熱交換器（１６）の中での蓄熱媒体の流速を、中間貯蔵タンク（２２）への蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、及び、中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、調整するように構成されていること、
を特徴とする熱電気エネルギー貯蔵システム。
下記特徴を有する請求項１に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
蓄熱媒体の流速は、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの間に、作業流体と蓄熱媒体との間の温度差を最小にするために、調整される。
下記特徴を有する請求項２に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割しまたは合流させるように構成された、内部流れスプリッタ（１８）を有している。
下記特徴を有する請求項３に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）とに分割され、
蓄熱媒体は、第一のセクションと第二のセクションの双方の中を流れ、
流れスプリッタ（１８）が、前記熱交換器の第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）との間に配置され、
この流れスプリッタ（１８）は、前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割しまたは合流させるように構成されている。
下記特徴を有する請求項２に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
前記熱交換器（１６）は、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）とに分割され、
蓄熱媒体は、前記中間貯蔵タンク（２２）を介して、第一のセクション（１６ａ）と第二のセクション（１６ｂ）の双方の中を流れる。
下記特徴を有する請求項３に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンクが、前記蓄熱媒体回路の中に接続され、
前記熱交換器（１６）は、更なる中間貯蔵タンクのそれぞれのための、更なる内部流れスプリッタを有している。
下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載の熱電気エネルギー貯蔵システム、
チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの双方が、トランス・クリティカルに行われる。
熱電気エネルギー貯蔵システムの中で、エネルギーを蓄えて且つ回収するための方法であって、
蓄熱媒体を加熱することによりシステムをチャージし、ここで、蓄熱媒体は、熱交換器（１６）を介して一緒に接続された、高温貯蔵タンク（２４）、中間貯蔵タンク（２２）及び低温貯蔵タンク（２０）の間を循環すること、
作業流体回路の中で、蓄熱媒体からの熱を用いて作業流体を加熱し、熱力学的マシン（３０）の中を通って作業流体を膨張させることにより、前記システムをディスチャージし、ここで、作業流体は、前記熱交換器（１６）の中での熱伝達の間に、トランス・クリティカル・プロセスを行うこと、及び、
中間貯蔵タンク（２２）への蓄熱媒体の流入流速を変更することにより、及び中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流出流速を変更することにより、前記熱交換器（１６）の中を通る蓄熱媒体の流速を調整すること、
を特徴とする方法。
下記特徴を有する請求項８に記載の方法、
流速を調整する前記ステップは、チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの間に、作業流体と蓄熱媒体との間の温度差を最小にすることを有している。
下記特徴を有する請求項９に記載の方法、
前記中間貯蔵タンク（２２）からの蓄熱媒体の流れを、分割することまたは合流させることを、更に有している。
下記特徴を有する請求項１０に記載の方法、
少なくとも一つの更なる中間貯蔵タンクを、前記熱交換器（１６）を介して接続し、更なる中間貯蔵タンクのそれぞれのために、蓄熱媒体の流れを、更に分割することまたは合流させることを、更に有している。
下記特徴を有する請求項８から１１の何れか１項に記載の方法、
チャージ・サイクル及びディスチャージ・サイクルの双方が、トランス・クリティカルに行われる。