JP2013512410A

JP2013512410A - 断熱圧縮空気エネルギー貯蔵システム用の熱エネルギー貯蔵装置及び本システムを形成するための対応する方法

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Publication number: JP2013512410A
Application number: JP2012541079A
Authority: JP
Inventors: フロウント，セバスチャン・ダブリュー; フィンケンラス，マティアス; ボテロ，クリスティーナ; ベローニ，クラリッサ・エス・ケイ; ゴンザレス・サラザール，ミゲル・エンジェル; ホフマン，ステファニー・マリー−ノエル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-10-06
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2030-10-06
Also published as: CN102741524A; US20110127004A1; WO2011066039A1; KR20120098836A; MX2012006234A; EP2507493A1; CN102741524B; JP5711755B2; CA2781894A1

Abstract

熱エネルギー貯蔵システム（１００）及びその方法が開示され、熱エネルギー貯蔵システム（１００）は、互いに近接させて配置される複数の圧力容器（２１８、２２０）を備え、圧力容器（２１８、２２０）のそれぞれは、外側表面と、この外側表面からそれぞれの壁厚さだけ離間し、圧力容器の内部容積を取り囲む内側表面とを備える壁を有する。内部容積は、１つ又は複数の圧縮機（１０４、１１２）及び１つ又は複数のタービン（１２８）と流体連通する第１の端部（２３０）と、１つ又は複数の追加の圧縮機（１０４、１１２）、１つ又は複数の追加のタービン（１２８）、及び少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素（１２２）の少なくとも１つと流体連通する第２の端部（２３０）とを有する。熱エネルギー貯蔵システム（１００）は、複数の圧力容器（２１８、２２０）のそれぞれの内部容積内に配置される熱貯蔵媒体（２２６）をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、概略的には、圧縮空気エネルギー貯蔵（ＣＡＥＳ）システムに関し、より具体的には、断熱ＣＡＥＳシステム内の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに関する。

ＣＡＥＳシステムは、大量の排出物を生成することなく、及び／又は、大量の天然資源を消費することなく、電気エネルギーの貯蔵を可能にする。ＣＡＥＳシステムは、通常、１つ又は複数の圧縮機を有する圧縮系統を含む。１つ又は複数の圧縮機は、空洞、多孔質造岩、枯渇した天然ガス／油田、又は他の圧縮空気貯蔵要素内に貯蔵するために、圧縮段階で吸入空気を圧縮する。次いで後に、圧縮空気は、エネルギー生成段階で電気エネルギーを生成するタービンを駆動するのに使用され、次いで、電気エネルギーを電力系統に供給することができる。電力エネルギーが、圧縮段階中に圧縮系統に動力を供給するのに使用されるとき、しばしば、圧縮系統は、電力プラントのオフピーク時間中に動作する。次いで通常、ＣＡＥＳのエネルギー生成段階は、高電力需要時間中に動作する。あるいは、風力タービン又は太陽電池パネルアレイからのエネルギーなどの、再生可能資源からのエネルギーは、圧縮段階中に圧縮系統に動力を供給するために、空気を圧縮し、空気を圧縮空気貯蔵場所（空洞など）に供給するのに使用することができる。このように、圧縮系統を、オフピーク時間以外の時間中に動作させることができ、存在する電力エネルギーを保存することができる。

あるタイプのＣＡＥＳシステムは、非断熱ＣＡＥＳシステムとして知られている。非断熱ＣＡＥＳシステムでは、圧縮系統により生成される熱は、通常、周囲環境に消える。すなわち、圧縮熱は、中間冷却器内の周囲に消える可能性があり、空洞又は他の圧縮空気貯蔵要素に入るときに残される熱は、圧縮空気が空洞の空気と混合され、貯蔵中にさらに外気温度まで冷却されるとき、低下する。したがって、空洞又は圧縮空気貯蔵要素内に貯蔵された圧縮空気が、電気エネルギーを生成するために、１つ又は複数のタービンを駆動するのに使用されるとき、圧縮空気は、通常、タービンに入る前に再加熱される。この再加熱ステップは、通常、圧縮空気貯蔵要素と、１つ又は複数のタービンとの間に配置される、天然ガス焚燃焼器及び回収熱交換器を使用して実行される。この再加熱ステップのために、非断熱ＣＡＥＳシステムの総合効率は、低減し、燃焼器に注入される天然ガスの使用は、炭素排出及び天然資源の消耗につながる。

断熱ＣＡＥＳシステムすなわちＡＣＡＥＳシステムは、後に使用するために圧縮熱を取り込み、それを貯蔵することにより、システム効率を改善することができる。そうしたシステムでは、１つ又は複数の熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニットが、圧縮機と空洞との間に配置される。通常、ＴＥＳユニットは、コンクリート、石、流体（油など）、融解塩、又は相変化材料などの、熱貯蔵用の媒体をその中に含む。圧縮段階からの高温空気が、ＴＥＳユニットを通過し、それにより、プロセス中にその圧縮熱を媒体に伝達する。したがって、ＡＣＡＥＳシステムは、非断熱ＣＡＥＳシステムと異なり、圧縮系統により生成された熱のすべては失わず、代わりに、１つのＴＥＳユニット又は複数のＴＥＳユニット内に多少の熱を貯蔵する。次いで、圧縮空気は、外気温度で、又は外気温度付近で空洞に入る。

電気エネルギーを生成するために、１つ又は複数のタービンを駆動するのに、空洞又は他の圧縮空気貯蔵ユニット内に貯蔵された圧縮空気を引き出すとき、圧縮空気は、ＴＥＳユニットを介して戻り、それにより、１つのタービン又は複数のタービンに入る前に、圧縮空気を再加熱する。このように、ＡＣＡＥＳシステムは、空洞又は他の圧縮空気貯蔵要素に存在する圧縮空気を再加熱するのに追加の天然ガスを必要としない。したがって、ＡＣＡＥＳシステムは、非断熱ＣＡＥＳシステムを超える効率の改善をもたらし、（もしあれば）炭素排出量は少なく、天然資源消費量は全くかほとんどない。

圧縮系統の圧縮サイクル中に生成される熱を効果的に貯蔵するように構築されるＴＥＳユニットは、ＡＣＡＥＳシステムに関する高い熱変動及び高圧に耐えるように構築される。例えば、圧縮系統に存在する圧縮空気の温度は、２５０℃から７５０℃まで変化する可能性があるが、空洞からＴＥＳユニットに入る圧縮空気の温度は、外気温度に近い。同様に、ＴＥＳユニットは、６５〜８５ｂａｒの圧力に耐えるように設計される。そうした高い温度及び圧力に耐えるために、ＴＥＳユニットの現行の提案は、熱貯蔵用の媒体で満たされた大きいコンクリート円筒の構築を含む。円筒の大きい直径のために、これらのＴＥＳユニットは、厚い、予応力を掛けられた鉄筋コンクリート壁を有するように形成され、それらの壁により、ＴＥＳユニットは、内部の圧力により形成される、壁内の高い引張力に耐えることができる。しかし、そうした厚いコンクリート壁の構築は、重大な工学的問題及び高いコストにつながり、それにより、非効率的な非断熱ＣＡＥＳシステムとは反対に、ＡＣＡＥＳシステムを実装する実現性を低減させる。さらに、高い動作温度及び温度サイクルは、コンクリート壁に破壊的な熱応力を導き、これらの応力は、コンクリート壁が厚くなるほど、増幅される。

したがって、ＴＥＳユニット構築に関する上述の欠点を克服する装置及び方法を設計することが望ましい。

米国特許第４１４７２０４号明細書

本発明の態様は、高い温度及び圧力に耐えるように構成される少なくとも１つのＴＥＳユニットを有するシステム、及びＴＥＳシステム用の方法を提供する。少なくとも１つのＴＥＳユニットは、その壁が最小の厚さを有するように構築及び構成される。

本発明の一態様によれば、熱エネルギー貯蔵システムが開示され、この熱エネルギー貯蔵システムは、互いに近接させて配置される複数の圧力容器を備え、これらの圧力容器のそれぞれは、外側表面と、この外側表面からそれぞれの壁厚さだけ離間し、圧力容器の内部容積を取り囲む内側表面とを備える壁を有する。内部容積は、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通する第１の端部と、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通する第２の端部とを有する。熱エネルギー貯蔵システムは、複数の圧力容器のそれぞれの内部容積内に配置される熱貯蔵媒体をさらに備える。

本発明の別の態様によれば、熱エネルギー貯蔵システムを形成する方法が開示され、本方法は、所定の高さ及び厚さを有するように構築される壁を有し、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第１の圧力容器を形成することと、所定の高さ及び厚さの壁を有するように構築され、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第２の圧力容器を形成することとを含む。本方法は、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの内部容積内に多孔質熱貯蔵媒体を配置することと、第１の圧力容器及び第２の圧力容器を互いに近接させて配置することとをさらに含む。さらに、本方法は、第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通するように、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第１の端部を、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンに接続することと、第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通するように、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第２の端部を、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つに接続することとを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、熱エネルギー貯蔵装置が開示され、この熱エネルギー貯蔵装置は、第１の内部容積を画定する第１のコンクリート円筒壁と、第２の内部容積を画定する第２のコンクリート円筒壁とを備え、第２のコンクリート円筒壁は、第１のコンクリート円筒壁及び第２のコンクリート円筒壁が同軸となるように、第１のコンクリート円筒壁の第１の内部容積内に配置される。熱エネルギー貯蔵装置は、第１のコンクリート円筒壁の第１の内部容積内、及び第２のコンクリート円筒壁の第２の内部容積内に配置される多孔質熱マトリクス材料をさらに備える。

他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかになるであろう。

図面は、本発明を実施するために現在企図する、好ましい実施形態を示す。

本発明の一実施形態によるＡＣＡＥＳシステムの概略構成図である。本発明の一実施形態によるＴＥＳシステムの断面図である。本発明の別の実施形態によるＴＥＳシステムの断面図である。図３の実施形態によるＴＥＳシステムの平面図である。本発明の別の実施形態によるＴＥＳシステムの断面図である。本発明の別の実施形態による、空洞の立坑内に配置されるＴＥＳシステムの断面図である。

本発明の実施形態によれば、最小の壁厚さを維持しながら、高い圧力及び温度変動に耐えることができるように構成される、少なくとも１つのＴＥＳユニットを備えるシステムが提供される。

最初に、図１を参照すれば、ＡＣＡＥＳシステムの主要要素の概略構成図が示される。ＡＣＡＥＳシステム１００は、低圧圧縮機１０４に結合する電気モータ１０２を備える。電気モータ１０２には、オフピーク電力供給時間中に、従来の手段、すなわち電力系統を介して電気供給することができる。あるいは、電気モータ１０２には、風車群、太陽電池、又は他の再生可能資源を介して供給される電気により動力を供給することができる。電気モータ１０２は、低圧圧縮機１０４が吸気１０６を圧縮するように、低圧圧縮機１０４に動力を供給する。次いで、低圧圧縮機１０４からの圧縮空気１０８が高圧圧縮機１１２に供給され、空気がさらに圧縮されるようにする。低圧圧縮機１０４と同様に、高圧圧縮機１１２は、電気モータ１１０により動力を供給される。電気モータ１１０にも、電力系統により、又は風車群及び太陽電池などの再生可能資源により動力を供給することができる。ＡＣＡＥＳシステム１００は、「圧縮系統」内に２つの圧縮機を使用するように示すが、より多い又はより少ない圧縮機を使用することができることを理解されたい。

空気が、低圧圧縮機１０４及び高圧圧縮機１１２をそれぞれ通過するとき、空気は、６５〜８５ｂａｒのレベルまで圧縮され、続いて６５０℃の温度まで加熱される。次いで、この圧縮加熱空気１１４は、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）ユニット１１６に入る。少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６は、通常、その中に配置される多孔質熱貯蔵媒体を含み、この多孔質熱貯蔵媒体は、空気１１４が少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６を通過するとき、空気１１４により放出される十分な量の熱を保存することができる。この多孔質熱貯蔵媒体は、天然石（ひび割れた岩石及び／又は礫など）、セラミック、コンクリート、鋳鉄、又はセラミックと塩との合成物などの様々な固体材料とすることができる。あるいは、多孔質熱貯蔵媒体は、硝酸塩と鉱物油との合成物などの液体材料とすることができる。しかし、ひび割れた岩石及び／又は礫などの天然の熱貯蔵媒体材料を使用する利点は、そうした天然材料が容易に入手できれば、材料コストを大幅に抑え、製造／輸送エネルギーを節約することができる点である。多孔質熱貯蔵媒体として天然石を使用するとき、ひび割れた岩石及び／又は礫は、高い表面積対体積比及び温度抵抗を有するように適当なサイズとすべきである。

加熱空気１１４が、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６を通過した後、圧縮空気１１８は、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６を低下した温度で出て、圧縮空気１１８を空洞１２２又は他の圧縮空気貯蔵要素内に貯蔵することができる。しかし、圧縮空気１１８は、空洞１２２に入る前に、圧縮空気１１８が例えば最高温度約５０℃で空洞１２２に入るように、任意選択的な中間冷却器１２０により、さらに冷却する必要がある可能性がある。空洞１２２は、空気を約６０〜８０ｂａｒのレベルまで圧縮することができ、著しく圧縮損失することなく長期間貯蔵する。

依然として図１を参照すれば、圧縮空気１２４は、発電用に貯蔵空気の使用が所望されるとき、空洞１２２から放出することができる。圧縮空気１２４は、空洞１２２を出て、温度約２０〜５０℃で少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６に再び入る。圧縮空気は、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６の多孔質熱貯蔵媒体を通過するとき、高圧圧縮機１１２から先に放出された加熱空気１１４の温度に近い温度である温度６００℃まで再加熱される。この段階で約５５〜７５ｂａｒのレベルまで圧縮される、この再加熱圧縮空気１２６は、次いで、タービン１２８に入り、タービン１２８は、再加熱圧縮空気１２６により動力を供給される。２つ以上のタービン１２８を使用することができ、「膨張系統」を形成する。非断熱ＣＡＥＳシステムと異なり、圧縮空気１２６は、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６内で再加熱され、したがって、圧縮空気を再加熱するのに、蒸気タービンにおける追加の熱再生又はガス燃焼の必要がない。蒸気タービン１２８が動作するとき、それから排気１３０が放出され、タービン１２８は、発電機１３２に動力を供給する。次いで、発電機１３２により生成される電気エネルギーは、消費するために電力系統に供給することができる。容易にわかるように、ＡＣＡＥＳシステム１００は、省かなければ、電気エネルギーの生成における天然資源消費量及び／又は炭素排出量を大幅に低減することができる、発電方法を示す。

あるいは、多段ＡＣＡＥＳシステムとして知られているものでは、１つのＴＥＳユニットのみが空洞又は他の圧縮空気貯蔵要素に流体的に接続しながら、圧縮及び／又は膨張系統と、圧縮空気貯蔵要素に流体的に接続するＴＥＳユニットとの間に、１つ又は複数の中間ＴＥＳユニットが配置されるように、２つ以上のＴＥＳユニット１１６を使用することができる。これらの中間ＴＥＳユニットは、一方の端部で１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンに、他方の端部で圧縮空気貯蔵要素に流体的に接続するのではなく、その各端部で１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンに流体的に接続する。

図１に関して以上に説明したように、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６は、ＡＣＡＥＳシステム１００の動作中に大きい圧力（６５〜８５ｂａｒ）及び温度（６５０℃まで）に曝される可能性がある。その結果、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６は、そうした高い圧力及び温度レベルに耐えるように構築すべきである。図２を参照すれば、本発明の一実施形態によるＴＥＳシステム２１６が示される。ＴＥＳシステム２１６は、図１に示す、少なくとも１つのＴＥＳユニット１１６として使用することができ、それにより、ＴＥＳシステム２１６は、ＡＣＡＥＳシステムの動作に関連する大きい圧力及び温度に耐えることができることを理解されたい。

図２は、ＴＥＳシステム２１６の断面図を示す。ＴＥＳシステム２１６は、２つの別々の同軸円筒圧力容器２１８、２２０を備える。圧力容器２１８は、所定の長さ及び直径を有する壁２２２を備え、壁２２２の長さは、１０〜３０ｍの範囲である可能性があるが、その直径は、３〜６ｍの範囲である可能性がある。しかし、圧力容器２１８は、そうした長さ及び直径範囲に限定されることなく、長さ及び直径のどちらにおいても、より大きく又はより小さくすることができる。他方、圧力容器２２０は、所定の長さ及び直径を有する壁２２４を備え、壁２２４の長さは、１０〜３０ｍの範囲である可能性があるが、その直径は、５〜１２ｍの範囲である可能性がある。しかし、圧力容器２１８と同様に、圧力容器２２０の長さ及び直径は、以上の範囲に限定されない。圧力容器２１８、２２０は、通常、鉄筋コンクリートを使用して形成されるが、鋼鉄を含む、適当な材料なら何でも使用して形成することができる。さらに、圧力容器２１８、２２０は、円筒形に限定されることなく、任意の適当な形状を有するように形成することができる。

図２に明確に示すように、圧力容器２１８は、圧力容器２２０の内部容積の境界内に配置される。圧力容器２１８の内部容積は、その中に多孔質熱貯蔵媒体２２６を含む一方、圧力容器２２０の内部容積は、その中に多孔質熱貯蔵媒体２２８を含む。多孔質熱貯蔵媒体２２６、２２８は、同じ熱貯蔵媒体から構成することができ、又は代わりに、様々な熱貯蔵材料から構成することができる。

図１に関して以上に説明したものと同様に、ＴＥＳシステム２１６は、少なくとも１つの圧縮機からの圧縮空気を受容するように構成され、それにより、圧縮空気は、第１の端部２３０でそれぞれの圧力容器２１８、２２０に入り、第２の端部２３２でそれぞれの圧力容器２１８、２２０を出て、圧縮空気を圧縮空気貯蔵ユニット内に貯蔵することができるようにし、又は代わりに、（多段ＡＣＡＥＳシステムの場合には）追加の圧縮機及び／又はタービンに供給することができるようにする。少なくとも１つの圧縮機から受容した圧縮空気からの熱は、それぞれの多孔質熱貯蔵媒体２２６、２２８内に貯蔵することができる。貯蔵された圧縮空気が発電用に使用される場合、貯蔵された圧縮空気は、第２の端部２３２でそれぞれの圧力容器２１８、２２０に再び入り、圧縮空気がそれぞれの多孔質熱貯蔵媒体２２６、２２８を通過するとき、再加熱される。次いで、再加熱された空気は、第１の端部２３０でそれぞれの圧力容器２１８、２２０を出て、１つ又は複数の蒸気タービンに供給され、発電機に動力を供給する。

単一の圧力容器を有する従来のＴＥＳシステムと異なり、ＴＥＳシステム２１６により、圧力容器２１８、２２０は、それぞれ様々な圧力レベルを有する圧縮空気を受容することができる。すなわち、圧力容器２１８は、１つ又は複数の圧縮機及び圧縮空気貯蔵ユニットの両方からの高圧圧縮空気入力を受容するように構成することができるが、圧力容器２２０は、１つ又は複数の圧縮機及び圧縮空気貯蔵ユニットからの低圧圧縮空気入力を受容するように構成することができる。一実施形態では、圧力容器２１８は、４０〜８０ｂａｒの圧力を受容する（及びそれに耐える）ように構成されるが、圧力容器２２０は、５〜２０ｂａｒの圧力を受容する（及びそれに耐える）ように構成される。圧力容器２１８が、圧力容器２２０よりも小さい直径（したがって、より低い引張力）を有するので、圧力容器２１８は、壁２２２の厚さが壁２２４の厚さよりも小さい場合であっても、より高い圧力に耐えることができる。さらに、圧力容器２１８は、圧力容器２２０の内部容積内に配置されるので、多孔質熱貯蔵媒体２２８を通過する低圧圧縮空気は、圧力容器２１８を通過する圧縮空気と、圧力容器２１８の外側の空気との差圧を低減するように働く。一般の単一圧力容器の壁は、外気圧力により取り囲まれるが、圧力容器２１８は、圧力容器２２０を通過する低圧圧縮空気により取り囲まれるので、壁２２２内の引張力は、低減され、したがって、壁２２２は、従来のＴＥＳシステムで使用される圧力容器と比較すると、大幅に低減した厚さを有するように構築することができる。さらに、圧力容器２２０は、低圧圧縮空気に曝されるので、壁２２４の厚さも、従来のＴＥＳ圧力容器の厚さよりも大幅に小さくすることができる。

それに加えて、圧力容器２１８を通過する圧縮空気と、圧力容器２２０を通過する圧縮空気との間の温度差が、従来のＴＥＳユニットを通過する圧縮空気と、周囲の外気との間の温度差よりも著しく小さいので、圧力容器２１８からの熱損失も、従来のＴＥＳシステムと比較すると、低減される。したがって、壁２２２が、従来の圧力容器壁より薄くても、ＴＥＳシステム２１６の圧力容器２１８、２２０の同軸一体構成により、熱損失は、低減される。

図２に示すように、ＴＥＳシステム２１６は、圧力容器２１８と圧力容器２２０との組合せから形成されるので、それぞれの圧力容器２１８、２２０は、低減した壁厚さであっても、全体で高い圧力及び温度に耐えるように構築することができる。したがって、より小さい圧力容器の利点が追加され、したがって、ＴＥＳシステム全体の設置面積が小さいので、ＴＥＳシステム２１６を構築及び輸送するコスト及び複雑性は、一般のＴＥＳシステムのものよりも著しく小さい。

ここで図３を参照すれば、本発明による別の実施形態が示される。図３は、流体的に平行に配置された、３つの別々の圧力容器３１８、３２０、３２２を備えるＴＥＳシステム３１６を概略的に示す。第１の圧力容器３１８は、熱貯蔵媒体３３４を取り囲む壁３２４を有し、第２の圧力容器３２０は、熱貯蔵媒体３３６を取り囲む壁３２６を有し、第３の圧力容器３２２は、熱貯蔵媒体３３８を取り囲む壁３２８を有する。それぞれの圧力容器３１８、３２０、３２２を同様に構築することができるが、本発明の実施形態をそのようなものとして限定しないことが想定される。

圧力容器３１８、３２０、３２２は、少なくとも１つの圧縮機からの圧縮空気が圧力容器３１８、３２０、３２２の第１の端部３３０でそれぞれの圧力容器に入ることができるように、近接させて配置される。圧縮空気は、圧力容器３１８、３２０、３２２を通過し、それにより、圧縮空気からの熱が、それぞれの熱貯蔵媒体３３４、３３６、３３８内に取り込まれ、貯蔵される。次いで、圧縮空気は、圧力容器３１８、３２０、３２２の第２の端部３３２でそれぞれの圧力容器を出て、圧縮空気は、図２に関して以上に説明したものと同様に、空洞又は他の圧縮空気貯蔵装置内に貯蔵され、又は代わりに、追加の圧縮機及び／又はタービンに供給される。貯蔵された圧縮空気が発電用に使用される場合、貯蔵された圧縮空気は、第２の端部３３２でそれぞれの圧力容器３１８、３２０、３２２に再び入り、圧縮空気がそれぞれの多孔質熱貯蔵媒体３３４、３３６、３３８を通過するとき、再加熱される。次いで、再加熱された空気は、第１の端部３３０でそれぞれの圧力容器３１８、３２０、３２２を出て、１つ又は複数の蒸気タービンに供給され、発電機に動力を供給する。

図３は、３つの別々の圧力容器３１８、３２０、３２２を示すが、本発明は、特定の数の圧力容器に限定されず、どんな数の、近接配置され又は充填された圧力容器も備えることができる。図４に示すように、圧力容器３１８、３２０、３２２は、それらのそれぞれの壁３２４、３２６、３２８が互いに近接させて（例えば、センチメートル内で、せいぜい１メートル離れて）配置されるように、三角形配列に配置されるのが好ましい。より多い又はより少ない圧力容器が存在するとき、六角形配列などの他の幾何学的配置は、確実に圧力容器を近接させて配置するのに使用することができる。そうした配置を使用すれば、断熱層３４０は、近接させて充填された圧力容器３１８、３２０、３２２の外周の周りにのみ配置することができ、したがって、それぞれの壁３２４、３２６、３２８内の、熱損失、熱応力、及び／又は熱勾配を最小化することができる。このように、圧力容器３１８、３２０、３２２のそれぞれの周りに配置される別々の断熱層が回避されるので、ＴＥＳシステム３１６の設計及び構造は、単純化される。

複数の、近接させて充填された圧力容器を使用することにより、ＴＥＳシステム３１６は、大きい直径及び大きい壁厚さ要求のどちらも有する、単一のＴＥＳユニットを必要とすることなく、高温高圧に効果的に耐えることができる。したがって、ＴＥＳシステム３１６は、システムサイズ及び重量が低減され、それにより、従来のＴＥＳシステムに関連する可能性がある多くの構築問題及び輸送問題を除去する、ＡＣＡＥＳシステム内への効果的な熱エネルギー貯蔵を可能にする。

図５は、本発明による別の実施形態を示す。ＴＥＳユニット４１６は、内部に配置される熱貯蔵媒体４２０を含む円筒壁４１８を有する圧力容器を備える。ＴＥＳユニット４１６は、図２及び３に関して以上に説明したＴＥＳシステム２１６及び３１６と同様に動作し、それにより、少なくとも１つの圧縮機からの圧縮空気が、第１の端部４２２でＴＥＳユニット４１６に入る。圧縮空気は、熱貯蔵媒体４２０を通過し、圧縮空気からの熱をＴＥＳユニット４１６内に取り込み、それを貯蔵することができる。次いで、圧縮空気は、第２の端部４２４でＴＥＳユニット４１６を出て、圧縮空気は、後に発電で使用するために、空洞又は他の圧縮空気貯蔵ユニット内に貯蔵される。

円筒壁４１８は、薄い厚さを有する強い材料（鋼鉄など）を使用して、高い長さ対直径比を有するように構築されるのが好ましい。そうした小さい直径を使用すれば、円筒壁４１８の厚さを、従来のＴＥＳユニットの鉄筋コンクリート壁よりも小さくすることができるが、ＡＣＡＥＳシステム内で使用するのに必要な熱を効果的に取り込み、その熱を貯蔵するために、増加した長さの円筒壁４１８は、ここでも、十分な量の熱貯蔵媒体４２０をその中に配置することができる。さらに、図５は、単一のＴＥＳユニット４１６のみを示すが、図３〜４に関して示し、説明したものと同様に、ＴＥＳユニットの近接充填群を形成するように、複数のそうしたＴＥＳユニットを平行に配置することができることが想定される。したがって、増加した圧縮空気容積を複数のＴＥＳユニット４１６により処理することができるが、各個別のＴＥＳユニット４１６の低減したシステムサイズ及び重量は、従来のＴＥＳシステムに関連する可能性がある、多くの構築問題及び輸送問題をさらに除去する。

ここで図６を参照すれば、本発明による別の実施形態が示される。従来のＴＥＳユニットは、導管／配管のネットワークを介して空洞又は他の圧縮空気貯蔵ユニットに流体的に接続する地上熱貯蔵ユニットとなるように構築されるが、図６に示すＴＥＳシステム５１６は、地表面下に配置されるように構成されるＴＥＳユニット５１８を備える。具体的には、ＴＥＳユニット５１８は、内部に多孔質熱貯蔵媒体５２２を含む壁５２０を備える。ＴＥＳユニット５１８の動作は、図２〜５に関して以上に説明したＴＥＳユニットの動作と同様であり、したがって、動作の詳細を繰り返さない。ＴＥＳユニット５１８を単一のユニットとして示すが、ＴＥＳユニット５１８は、図２〜５に関して以上に説明した構成を含む、様々な方法で構成することができることを理解されたい。

ＴＥＳユニット５１８は、空洞５２６の立坑５２４内に組込まれ、それにより、ＴＥＳユニット５１８が地表面５３０下に配置されるように、岩盤／土壌５２８内でＴＥＳユニット５１８の壁５２０を取り囲む。少なくとも１つの圧縮機からの圧縮空気は、第１の端部５３２でＴＥＳユニット５１８に入り、第２の端部５３４でＴＥＳユニット５１８を出る。次いで、圧縮空気は、以上に説明したように、最終的に発電に使用するために空洞５２６内に貯蔵される。

ＴＥＳシステム５１６のＴＥＳユニット５１８は、地表面５３０下に配置されるので、壁５２０は、岩盤／土壌５２８により取り囲まれ、壁５２０の厚さ（及び壁５２０を取り囲む任意の断熱材（図示せず）の厚さ）を大幅に低減することができる。岩盤／土壌５２８は、内部の高圧により生じる、壁５２０内の高い引張力への天然の反作用をもたらし、岩盤／土壌５２８は、システム内の熱損失を低減する天然の断熱材ももたらす。それに加えて、空洞５２６の立坑５２４内へのＴＥＳユニット５１８の組込みは、ＡＣＡＥＳプラントの地上設置面積を低減することができる。さらに、ＴＥＳシステム５１６は、従来のいくつかのＴＥＳシステムに関する製造問題及び輸送問題を克服し、それにより、コストを低減し、ＡＣＡＥＳシステム内のＴＥＳユニットの実装を単純化する。

したがって、本発明の一実施形態によれば、熱エネルギー貯蔵システムが開示され、この熱エネルギー貯蔵システムは、互いに近接させて配置される複数の圧力容器を備え、これらの圧力容器のそれぞれは、外側表面と、この外側表面からそれぞれの壁厚さだけ離間し、圧力容器の内部容積を取り囲む内側表面とを備える壁を有する。内部容積は、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通する第１の端部と、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通する第２の端部とを有する。熱エネルギー貯蔵システムは、複数の圧力容器のそれぞれの内部容積内に配置される熱貯蔵媒体をさらに備える。

本発明の別の実施形態によれば、熱エネルギー貯蔵システムを形成する方法が開示され、本方法は、所定の高さ及び厚さを有するように構築される壁を有し、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第１の圧力容器を形成することと、所定の高さ及び厚さの壁を有するように構築され、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第２の圧力容器を形成することとを含む。本方法は、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの内部容積内に多孔質熱貯蔵媒体を配置することと、第１の圧力容器及び第２の圧力容器を互いに近接させて配置することとをさらに含む。さらに、本方法は、第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通するように、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第１の端部を、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンに接続することと、第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通するように、第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第２の端部を、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つに接続することとを含む。

本発明のさらに別の実施形態によれば、熱エネルギー貯蔵装置が開示され、この熱エネルギー貯蔵装置は、第１の内部容積を画定する第１のコンクリート円筒壁と、第２の内部容積を画定する第２のコンクリート円筒壁とを備え、第２のコンクリート円筒壁は、第１のコンクリート円筒壁及び第２のコンクリート円筒壁が同軸となるように、第１のコンクリート円筒壁の第１の内部容積内に配置される。熱エネルギー貯蔵装置は、第１のコンクリート円筒壁の第１の内部容積内、及び第２のコンクリート円筒壁の第２の内部容積内に配置される多孔質熱マトリクス材料をさらに備える。

ここに記載した説明は、本発明を開示するために、並びに、任意の装置又はシステムを作成及び使用することと、具体化された任意の方法を実施することとを含めて、当業者が本発明を実施することもできるように、最良の形態を含む例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。そうした他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有するとき、又は、特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含むとき、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。

１００ＡＣＡＥＳシステム
１０２電気モータ
１０４低圧圧縮機
１０６吸気
１０８圧縮空気
１１０電気モータ
１１２高圧圧縮機
１１４圧縮加熱空気
１１６ＴＥＳユニット
１１８圧縮空気
１２０中間冷却器
１２２空洞
１２４圧縮空気
１２６再加熱圧縮空気
１２８蒸気タービン
１３０排気
１３２発電機
２１６ＴＥＳシステム
２１８圧力容器
２２０圧力容器
２２２壁
２２４壁
２２６多孔質熱貯蔵媒体
２２８多孔質熱貯蔵媒体
２３０第１の端部
２３２第２の端部
３１６ＴＥＳシステム
３１８第１の圧力容器
３２０第２の圧力容器
３２２第３の圧力容器
３２４壁
３２６壁
３２８壁
３３０第１の端部
３３２第２の端部
３３４熱貯蔵媒体
３３６熱貯蔵媒体
３３８熱貯蔵媒体
３４０断熱層
４１６ＴＥＳユニット
４１８円筒壁
４２０熱貯蔵媒体
４２２第１の端部
４２４第２の端部
５１６ＴＥＳシステム
５１８ＴＥＳユニット
５２０壁
５２２多孔質熱貯蔵媒体
５２４立坑
５２６空洞
５２８岩盤／土壌
５３０地表面
５３２第１の端部
５３４第２の端部

Claims

互いに近接させて配置される複数の圧力容器を備える熱エネルギー貯蔵システムであって、
前記圧力容器のそれぞれは、
外側表面と、
前記外側表面からそれぞれの壁厚さだけ離間し、前記圧力容器の内部容積を取り囲む内側表面と
を備える壁を有し、前記内部容積は、
１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通する第１の端部と、
１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通する第２の端部と
を有し、
前記複数の圧力容器のそれぞれの前記内部容積内に配置される熱貯蔵媒体を備える、熱エネルギー貯蔵システム。
前記複数の圧力容器は、第１の圧力容器及び第２の圧力容器を備え、前記第１の圧力容器は、前記第２の圧力容器の前記内部容積内に配置される、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記第１の圧力容器の前記壁は、第１の壁厚さ及び第１の直径を有し、前記第２の圧力容器の前記壁は、第２の壁厚さ及び第２の直径を含み、前記第１の直径は、前記第２の直径よりも小さい、請求項２記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記第１の圧力容器は、前記第２の圧力容器よりも高い圧力レベルに耐えるように構成される、請求項２記載の熱エネルギー貯蔵システム。
互いに近接させて配置される前記複数の圧力容器は、パターンにより配置され、前記パターンは、三角形パターン及び六角形パターンの１つを含む、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記複数の圧力容器の前記パターンの外周の周りに配置される断熱層をさらに備える、請求項５記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記複数の圧力容器のそれぞれの前記壁は、鋼鉄又はコンクリートのいずれかより形成される、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記熱貯蔵媒体は、前記複数の圧力容器のそれぞれの前記内部容積内に配置される多孔質熱貯蔵媒体である、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記多孔質熱貯蔵媒体は、少なくとも１つの天然石材料を含む、請求項８記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記複数の圧力容器は、空洞立坑内に配置され、前記空洞立坑は、前記少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素と流体連通し、地表面下に配置される、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
前記複数の圧力容器のそれぞれは、円筒形状である、請求項１記載の熱エネルギー貯蔵システム。
熱エネルギー貯蔵システムを形成する方法であって、
所定の高さ及び厚さを有するように構築される壁を有し、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第１の圧力容器を形成することと、
所定の高さ及び厚さの壁を有するように構築され、その壁の内側表面が内部に内部容積を画定する、第２の圧力容器を形成することと、
前記第１及び第２の圧力容器のそれぞれの前記内部容積内に多孔質熱貯蔵媒体を配置することと、
前記第１の圧力容器及び前記第２の圧力容器を互いに近接させて配置することと、
前記第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通するように、前記第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第１の端部を、前記１つ又は複数の圧縮機及び前記１つ又は複数のタービンに接続することと、
前記第１及び第２の圧力容器のそれぞれが、１つ又は複数の追加の圧縮機、１つ又は複数の追加のタービン、及び１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つと流体連通するように、前記第１及び第２の圧力容器のそれぞれの第２の端部を、前記１つ又は複数の追加の圧縮機、前記１つ又は複数の追加のタービン、及び前記１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素の少なくとも１つに接続することと
を含む、方法。
前記第１の圧力容器を前記第２の圧力容器の前記内部容積内に配置するように構成することをさらに含む、請求項１２記載の方法。
少なくとも１つの追加の圧力容器を形成することをさらに含み、前記第１の圧力容器、前記第２の圧力容器、及び前記少なくとも１つの追加の圧力容器は、圧力容器の群を形成するように、互いに近接させて配置される、請求項１２記載の方法。
圧力容器の前記群の外周の周りに断熱材を配置することをさらに含む、請求項１４記載の方法。
第１の内部容積を画定する第１のコンクリート円筒壁と、
第２の内部容積を画定し、前記第１のコンクリート円筒壁及び前記第２のコンクリート円筒壁が同軸となるように、前記第１のコンクリート円筒壁の前記第１の内部容積内に配置される第２のコンクリート円筒壁と、
前記第１のコンクリート円筒壁の前記第１の内部容積内、及び前記第２のコンクリート円筒壁の前記第２の内部容積内に配置される多孔質熱マトリクス材料と
を備える、熱エネルギー貯蔵装置。
前記第２のコンクリート円筒壁の直径は、前記第１のコンクリート円筒壁の直径よりも小さい、請求項１６記載の熱エネルギー貯蔵装置。
前記第１のコンクリート円筒壁及び前記第２のコンクリート円筒壁のどちらも、第１の端部及び第２の端部を有し、前記第１の端部は、１つ又は複数の圧縮機及び１つ又は複数のタービンと流体連通し、前記第２の端部は、１つ又は複数の圧縮空気貯蔵要素、１つ又は複数の追加の圧縮機、及び１つ又は複数の追加のタービンの少なくとも１つと流体連通する、請求項１６記載の熱エネルギー貯蔵装置。
前記第２のコンクリート円筒壁の前記第１の端部は、前記第１のコンクリート円筒壁の前記第１の端部よりも高い、前記１つ又は複数の圧縮機からの圧力入力を受容し、前記第２のコンクリート円筒壁の前記第２の端部は、前記第１のコンクリート円筒壁の前記第２の端部よりも高い、前記少なくとも１つの圧縮空気貯蔵要素からの圧力入力を受容する、請求項１８記載の熱エネルギー貯蔵装置。
前記多孔質熱マトリクス材料は、少なくとも１つの天然石材料を含む、請求項１６記載の熱エネルギー貯蔵装置。