JP2014047992A - 蓄熱システム及びそれを備える発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱量の変動を考慮しつつ、従来よりも効率よく太陽熱を利用可能な蓄熱システムを提供する。
【解決手段】太陽熱を蓄熱する蓄熱システム１において、太陽熱を吸収する熱媒体と、熱媒体と熱交換される相変化媒体１０ａ６と、相変化媒体１０ａ６が担持され、熱媒体が通流する第１蓄熱タンク（成層化タンク１０ａ〜１０ｃ）と、を備え、第１蓄熱タンク（成層化タンク１０ａ〜１０ｃ）は複数備えられ、太陽熱の蓄熱時、第１蓄熱タンク（成層化タンク１０ａ〜１０ｃ）は直列に接続されて熱媒体が通流し、蓄熱された太陽熱の利用時、第１蓄熱タンク（成層化タンク１０ａ〜１０ｃ）は並列に接続されて熱媒体が通流することを特徴とする、蓄熱システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱システム及びそれを備える発電システムに関する。

近年、地球資源の枯渇や環境破壊等への対策が大きな課題となっている。そこで、再生可能エネルギによるゼロエミッション型社会の構築が求められている。このような課題を解決するために、例えば風力、太陽光等の自然エネルギ、自然界に存在する未だ利用されていないエネルギ等の活用が促進されている。

このような事情に鑑み、太陽光の有するエネルギ（太陽エネルギ；例えば太陽熱等）を利用する試みが行われている。具体的には例えば、特許文献１には、太陽熱及び燃料燃焼によるハイブリッド発電システムが記載されている。また、特許文献２には、太陽熱利用蓄熱装置及びこの装置を含む給湯システムが記載されている。

特表２０００−５１４１４９号公報 特開平８−９４１９０号公報

太陽光が照射する時間帯は、昼間に限られる。また、昼間であっても、雲等によって太陽光が遮られることもある。このように、時間帯等の条件によって、得られる太陽熱量が変動することがある。しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、このような太陽熱量の変動が考慮されておらず、太陽熱を安定して利用することができない。

また、特許文献２に記載の技術においては、太陽熱を熱媒体（例えば水）に吸収させることにより、太陽熱が利用されている。しかしながら、このような熱媒体は通常熱容量が小さい。従って、特許文献２に記載の技術においては、太陽熱を依然として十分に利用しきれていない。

本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、太陽熱量の変動を考慮しつつ、従来よりも効率よく太陽熱を利用可能な蓄熱システムを提供することにある。

本発明者らは前記課題を課題するべく鋭意検討した結果、蓄熱時と放熱時とで蓄熱手段の接続形態を変更することにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。

本発明によれば、太陽熱量の変動を考慮しつつ、従来よりも効率よく太陽熱を利用可能な蓄熱システムを提供することができる。

第１実施形態の蓄熱システムを示す図である。 第１実施形態の蓄熱システムに備えられる成層化タンクの内部を示す図である。 時刻に対するエネルギの関係を示すグラフである。 第１実施形態の蓄熱システムにおける、蓄熱時及び放熱時の熱媒体の通流方向を示す図である。 第１実施形態における、熱媒体、相変化媒体及び生成水蒸気の温度変化を示すグラフである。 第２実施形態の蓄熱システムを示す図である。 第２実施形態の蓄熱システムにおける、蓄熱時及び放熱時の熱媒体の通流方向を示す図である。 第３実施形態の蓄熱システムにおける、蓄熱時及び放熱時の熱媒体の通流方向を示す図である。 第４実施形態の蓄熱システムを示す図である。 第４実施形態における、熱媒体、相変化媒体及び生成水蒸気の温度変化を示すグラフである。 第５実施形態の蓄熱システムを示す図である。 第５実施形態における、熱媒体、相変化媒体及び生成水蒸気の温度変化を示すグラフである。 本実施形態の蓄熱システムに備えられる成層化タンクについての変更例を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本実施形態を実施するための形態（本実施形態）を説明する。なお、各図面において説明の便宜上、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、各手段の大きさを適宜拡大又は縮小している。

［１．第１実施形態］
本実施形態の蓄熱システムは、太陽熱を蓄熱するものである。そして、本実施形態の蓄熱システムは、発電システムに好適に備えられる。そこで、はじめに、発電システムとしての太陽熱複合コンバインドサイクル（Integrated Solar Combined Cycle）発電システムを具体例に挙げて、本実施形態を説明する。コンバインドサイクル発電システムはタービン（ガスタービン）と蒸気タービンとを備え、これら二つのタービンにより発電を行うものである。

＜構成＞
第１実施形態の発電システムは、図１に示すように、蓄熱システム１と、蓄熱システム１が適用される太陽熱複合コンバインドサイクル発電システム１００（以下、単に「発電システム１００」と言う）と、を備えている。蓄熱システム１と発電システム１００との間においては、図示しない配管を通流して、熱媒体がやり取りされている。図１における太線が、熱媒体の通流を示している。

具体的には、発電システム１００のソーラフィールド２００において太陽光により加熱された熱媒体は、発電システム１００に供給されるようになっている。そして、供給された熱媒体が有する熱は、発電システム１００において利用されるようになっている。一方で、ソーラフィールド２００において加熱された熱媒体のうちの一部は、蓄熱システム１に供給されるようになっている。即ち、発電システム１００において利用しきれない余剰の熱が、蓄熱システム１において蓄熱されるようになっている。

なお、各図面において、簡略化のために図示はしていないが、熱媒体を移送する送液ポンプ、熱媒体の通流方向を制御する流路制御手段（例えば電磁弁、三方弁、四方弁等）等が適宜設けられている。

また、このようにして蓄熱システム１において蓄えられた熱は、例えば日射していない時、発電システム１００において利用されるようになっている。即ち、詳細は後記するが、蓄熱システム１において蓄えられた熱は、汽水分離ドラム２３の太陽熱放熱部２０において利用（具体的には放出）され、水が気化される（即ち、水蒸気を発生させる）ようになっている。

（蓄熱システム１）
蓄熱システム１は、複数の成層化タンク１０ａ，１０ｂ，１０ｃ（１０ａ〜１０ｃ）を備える。本実施形態においては、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは、基本的には全て同じものである。なお、図１では、成層化タンク１０ａ〜１０ｃの内部を可視化して示している。また、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは、内部の温度が過度に低下しないように、電気ヒータ、保温ジャケット（いずれも図示しない）等を備えている。

成層化タンク１０ａの内部を拡大した様子を図２に示す。なお、図２においては、図示の簡略化のために、外部配管の接続口１０ａ４は示していない。図２に示すように、成層化タンク１０ａは、熱媒体が通流する３本の伝熱管１０ａ５と、伝熱管１０ａ５の周辺を囲んで設けられる相変化媒体１０ａ６と、により構成される。粗変化媒体１０ａ６は、成層化タンク１０ａ内部に固定されているものである。そして、外部配管の接続口１０ａ１から流入した熱媒体は、伝熱管１０ａ５を通流し、その後、接続口１０ａ２、及び接続口１０ａ４（図２では図示せず。図１参照）を通じて外部に排出されるようになっている。従って、成層化タンク１０ａ（第１蓄熱タンク）においては、相変化媒体１０ａ６が担持され、熱媒体が伝熱管１０ａ５を通流するようになっている。

ここで、蓄熱システム１において使用される熱媒体及び相変化媒体について説明する。熱媒体は、前記したように、ソーラフィールド２００において受光し、太陽熱を吸収するものである。そして、この熱は、発電システム１００（具体的には、後記する太陽熱放出部２０）において利用されるようになっている。

本実施形態において用いられる熱媒体はオイルである。本実施形態のオイルの沸点は水の沸点よりも高いため、熱媒体として例えば水を用いる場合と比べ、より多くの太陽熱を吸収することができる。従って、相変化媒体として例えば水を用いる場合と比べ、より低い圧力で、発電システム１００を運転することができる。

一方、相変化媒体は、ソーラフィールド２００において熱媒体が吸収した熱を、成層化タンク１０ａ〜１０ｃにおいて受け取るものである。即ち、熱媒体と熱交換されるものである。相変化媒体は、熱を受け取ることにより、固体から液体へと相変化（相転移）する。即ち、例えば成層化タンク１０ａ内の伝熱管１０ａ５を通流する際、管壁を介して、熱媒体と相変化媒体とが接触することになる。そして、この時、熱媒体の有する熱が、相変化媒体に移動するようになっている（蓄熱）。

逆に、液体状態の相変化媒体と熱を有していない熱媒体とが接触する場合、熱媒体は、相変化媒体から熱を奪って（即ち、熱媒体と熱交換されて）、例えば成層化タンク１０ａから排出される（放熱）。これにより、相変化媒体は液体から固体状態に変化するようになっている。そして、成層化タンク１０ａから排出され、熱を帯びた熱媒体は、太陽熱放出部２０に送液され、有する熱が利用されるようになっている。

本実施形態において用いられる相変化媒体は、硝酸リチウムである。相変化媒体として硝酸リチウムを用いることにより、比較的制御し易い温度下で蓄熱システム１を運転することができる。

蓄熱システム１においては、相変化媒体を用いている。そのため、従来の熱媒体のみを用いた蓄熱及び放熱のシステムと比較して、蓄熱可能な熱量が多い。そのため、例えば１２時頃（図３参照）等の太陽光が特に強い時間帯に大量に熱を蓄熱することができる。そして、大量に熱を蓄熱することにより、夜間等の太陽光が得られない時間帯においても、安定して太陽熱を使用することができる。

また、成層化タンク１０ａ〜１０ｃにおいて、液体の相変化媒体は、高温になると比重が小さくなるため上方に移動し、低温になると比重が小さくなるため下方に移動する。即ち、液体の相変化媒体は、成層化タンク１０ａ〜１０ｃにおいて上方の温度が高く、下方の温度が低くなっている。そのため、蓄熱時、温度の高い熱媒体は成層化タンク１０ａ〜１０ｃの上方から下方へと供給されるようになっている。一方で、放熱時、温度の低い熱媒体は成層化タンク１０ａ〜１０ｃの下方から上方へと供給されるようになっている。このように熱媒体の通流方向を制御することにより、不要な熱交換を抑制することができ、熱損失を減少させることができる。

図１に示すように、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは、ソーラフィールド２００に対して並列になるように配管を介して接続されている。また、本実施形態においては、成層化タンク１０ａ〜１０ｃを直列に接続するための配管も併せて設けられている。具体的には、成層化タンク１０ａ下部の接続口１０ａ４と成層化タンク１０ｂ上部の接続口１０ｂ３とを接続する配管、及び、成層化タンク１０ｂ下部の接続口１０ｂ４と成層化タンク１０ｃ上部の接続口１０ｃ３とを接続する配管が備えられている。これらの配管を通流する熱媒体の挙動については後記する。

（発電システム１００）
発電システム１００は、図１に示すように、発電機１０５と、圧縮機１１１と、燃焼機１１２と、タービン（ガスタービン）１１３と、発電機１３０と、蒸気タービン１３１と、復水器１３２と、エコノマイザ２１と、蒸気発生器２２と、汽水分離ドラム２３と、過熱器２４と、ソーラフィールド２００と、を備える。発電システム１００においては、２系統の発電が行われる。

１系統目の発電には、主に、発電機１０５、圧縮機１１１、燃焼機１１２及びタービン１１３が関与する。タービン１１３には、発電機１０５と、圧縮機１１１及び燃焼機１１２とが接続されている。即ち、１系統目の発電は、所謂ガスタービン発電である。以下、各手段の機能を説明しつつ、発電時の各手段の動作を説明する。

はじめに、圧縮機１１１に空気が取り込まれる。そして、取り込まれた空気は、圧縮機１１１において圧縮され、温度が上昇する。温度が上昇した空気は、燃焼機１１２に供給される。そして、燃焼機１１２において、供給された空気とともに図示しない燃料が燃焼され、高温になったガス（高温ガス）がタービン１１３に供給される。タービン１１３は、高温ガスによって回転される。この時、タービン１１３に供給されたガスは断熱膨張する。前記したように、タービン１１３は発電機１０５と接続されている。従って、タービン１１３の回転力が発電機１０５に伝達することにより、発電機１０５による発電が行われる。

一方、タービン１１３を通過した高温ガスは、排熱回収ボイラ２に排出される。そして、排出された高温ガスは、過熱器２４、蒸気発生器２２及びエコノマイザ２１にこの順で接触して熱を奪われた（これらの各手段に熱を与えた）後、外部へ低温ガスとして排出される。このようにして、１系統目の発電（ガスタービン発電）が行われる。

次に、２系統目の発電について説明する。２系統目の発電には、主に、太陽熱放熱部２０、エコノマイザ２１、蒸気発生器２２、汽水分離ドラム２３、過熱器２４、発電機１３０、蒸気タービン１３１及び復水器１３２が関与する。以下、各手段の機能を説明しつつ、発電時の各手段の動作を説明する。

なお、水（液体の水又は水蒸気）は、復水器１３２、エコノマイザ２１、汽水分離ドラム２３、過熱器２４及び蒸気タービン１３１により構成される流路を循環している。説明のために、復水器１３２から汽水分離ドラム２３を経由して復水器１３２に戻る水の挙動について説明する。

復水器１３２は、冷却管１３２ａを備えている。従って、蒸気タービン１３１から供給された水蒸気は冷却管１３２ａにより冷却され、液体状態の水に変化（即ち凝縮）する。そして、液体状態の水は、エコノマイザ２１において、前記したタービン１１３から排出されたガスの熱により加熱（予熱）される。なお、この加熱は過熱器２４等にて熱を奪われた後のガスによって行われる。従って、この加熱によっては、水は蒸発しない。そのため、エコノマイザ２１から排出された水は温度が、高いものの、液体状態となっている。

次に、加熱された水は、蒸気発生器２２及び汽水分離ドラム２３に供給される。蒸気発生器２２においては、タービン１１３から排出された高温ガスの有する熱が与えられる。さらに、太陽熱放熱部２０（汽水分離ドラム２３の液溜まりに設けられる）においては、太陽熱が放出される。従って、蒸気発生器２２及び汽水分離ドラム２３に供給された水は、太陽熱放熱部２０からの太陽熱と、タービン１１３から排出された高温ガスから受け取った熱と、により加熱される。このように、水の加熱にあたって太陽熱を用いることにより、より多くの水蒸気を発生させることができる。そのため、発電量を増加させることができる。

そして、水の加熱により生じた水蒸気は、過熱器２４によってさらに過熱される。この過熱器２４には、ガスタービン１１３から排出された高温ガスが初めに接触する。従って、過熱器２４においては、特に大量の熱により、水蒸気が過熱されることになる。その後、過熱器２４から排出された水蒸気（過熱蒸気）は蒸気タービン１３１に供給される。そして、この水蒸気は、蒸気タービン１３１を回転させる。これにより、蒸気タービン１３１に接続された発電機１３０が発電を行うようになっている。最後に、蒸気タービン１３１を通過した水蒸気は前記した復水器１３２に戻される。そして、戻された水は、再び発電に使用されるようになっている。このようにして、２系統目の発電（蒸気タービン発電）が行われる。

発電システム１００に備えられるソーラフィールド２００は、複数の集光器２０１を備える。集光器２０１は、半円筒形状を有する。集光器２０１内部は鏡面になっている。熱媒体が通流する配管は、集光器２０１の半円筒の内部に設けられている。太陽光は集光器２０１の内面において反射された後、熱媒体の通流する配管へ照射されるようになっている。これにより、配管を通流する熱媒体が加熱されるようになっている。そして、加熱された熱媒体は、太陽熱放熱部２０に供給されるようになっている。

＜作用及び効果＞
次に、蓄熱システム１における、熱媒体に吸収された太陽光の蓄熱及び放熱について説明する。なお、蓄熱システム１における熱媒体の流路切替等の制御は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）が、前記の送液ポンプ、流路切替手段等を制御することにより行われる。また、この制御を行うプログラムが、図示しないＲＯＭ（Read Only Memory）又はＨＤＤ（Hard Disk Drive）等に予め記憶されている。

図３に示すように、電力需要は、一日を通じて変化はあるものの、太陽光の変化に比べれば比較的一定である。即ち、太陽エネルギは、太陽が昇っている時間帯のみに得られる。つまり、夜間（１８時頃から翌６時頃まで）は、太陽エネルギを太陽から得ることができない。さらに、昼間（６時頃から１８時頃まで）においても、雲等によって太陽光が遮られ、得られる太陽熱エネルギが減少することがある（１３時頃及び１６時頃）。また、例えば１２時頃等、特に大量の太陽熱エネルギを得ることが可能な時間帯もある。

そこで、このような太陽熱エネルギの大きな変動を考慮しつつ、需要端に対し安定して太陽熱エネルギを供給することが望まれる。この点に鑑み、本発明が想起された。具体的には、本実施形態においては、昼間の太陽光が照射している時間に太陽光を十分に蓄熱する。そして、夜間又は太陽光が遮られた時には、予め蓄熱された熱が利用（放熱）されるようになっている。このように制御することにより、太陽熱エネルギを安定して需要端に供給することができる。そして、このような制御を行うために、成層化タンク１０ａ〜１０ｃが設けられ、これらが蓄熱及び放熱時で異なる形態で接続されるようになっている。

図４（ａ）に蓄熱時の成層化タンク１０ａ〜１０ｃの接続形態、図４（ｂ）に放熱時の成層化タンク１０ａ〜１０ｃの接続形態を示す。即ち、図４に示すように、太陽熱の蓄熱時、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは直列に接続されて熱媒体が通流し、蓄熱された太陽熱の利用時、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは並列に接続されて熱媒体が通流するようになっている。

従って、昼間等の太陽光が得られる時は、ソーラフィールド２００において熱媒体に太陽熱が吸収される。そして、熱を吸収した熱媒体は、太陽光放熱部２０及び蓄熱システム１に供給される。この時（即ち蓄熱時）、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは、図４（ａ）に示すように並列に接続されている。また、太陽光放熱部２０において熱が放出され低温となった熱媒体は、ソーラフィールド２００に戻されるようになっている。

一方、夜間等の太陽光が得られない時は、ソーラフィールド２００においても熱媒体に太陽熱は吸収されない。そこで、蓄熱システム１において前記蓄熱時に蓄熱された熱が、太陽熱放熱部２０において放出される。この時（即ち放熱時）、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは、図４（ｂ）に示すように直列に接続されている。このように、蓄熱時及び放熱時において、成層化タンクの接続形態（直列又は並列）が異なっている。

大量の熱を蓄熱するため、直列に成層化タンク１０ａ〜１０ｃを接続する場合、全ての成層化タンク１０ａ〜１０ｃを熱媒体が通過するために長い時間を要する。そのため、短時間で大量の熱を蓄熱することができない。具体的には例えば、１２時〜１３時頃の太陽光の強い時間帯には、できるだけ多くの熱媒体を循環させて、太陽熱をソーラフィールド２００において吸収させることが好ましい。しかしながら、できるだけ多くの熱媒体を循環させるために単に熱媒体の流速を増加させると、送液ポンプに過剰な負荷がかかったり、配管及び伝熱管内で予期せぬキャビテーション気泡が生じたりすることがある。

そこで、蓄熱時には、並列に成層化タンク１０ａ〜１０ｃを接続する。これにより、直列の場合の流速と同じ流速であっても、より多くの熱媒体（図示の例では３倍量）を循環させることができる。これにより、限りある太陽光照射時間において、効率よく大量に熱吸収を行うことができる。

一方で、放熱時、温度の低い熱媒体が成層化タンク１０ａ〜１０ｃに供給されると、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ内の相変化媒体から通流する熱媒体に熱が移動する。これにより、液体の相変化媒体から熱が奪われ、相変化媒体の凝固が始まる。

この凝固は、伝熱管近傍の相変化媒体において特に生じる現象である。前記したように、熱媒体と相変化媒体とは、配管を介して熱交換が行われる。従って、主に、配管近傍に存在する相変化媒体から通流する熱媒体に対して、熱が移動する。これにより、配管近傍の相変化媒体から凝固し始めることになる。

配管近傍で相変化媒体が凝固すると、熱伝達率が低下することがある。即ち、配管近傍には固体の相変化媒体が多く存在する。そのため、その外部にある依然液体の相変化媒体と熱媒体との間の熱交換が行われにくくなることがある。また、液体の相変化媒体の対流も生じにくくなり、いっそう熱伝達率が低下することがある。そこで、放熱時には、熱媒体の流速を低下させることが考えられる。しかしながら、熱伝達率は速度の１／２乗に比例して低下する傾向にある。そのため、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ内の伝熱管において、熱伝達率が低下する。従って、熱媒体の流速はある程度維持されることが好ましい。

これらの事情を考慮し、蓄熱システム１における放熱時、成層化タンク１０ａ〜１０ｃは直列に接続される。このようにすることにより、流速を低下させることなく、熱媒体と全ての相変化媒体との接触時間（熱交換時間）を長くすることができる。これにより、前記の凝固現象により熱伝達率が低下したとしても、熱媒体に対して十分に熱を与えることができる。そして、発電システム１００における発電効率の減少を抑制することができる。

発電システム１００に蓄熱システム１を適用した場合の、熱媒体（蓄熱時及び放熱時）、相変化媒体、生成水蒸気の温度変化の様子を図５に示す。図５に示すグラフにおいて、横軸は授受された熱量であり、縦軸は温度である。また、相変化媒体として硝酸リチウムが使用されている。

図５に示すように、蓄熱時には、４００℃の熱媒体が成層化タンク１０ａ〜１０ｃに供給される。そして、成層化タンク１０ａ〜１０ｃに供給後、熱媒体の有する熱が相変化媒体に供給され始める。そのため、熱媒体の温度は徐々に低下し、排出時には３２０℃まで低下する。一方で、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ内では、固体の相変化媒体に熱が供給され始め、徐々に温度が上昇する（相変化媒体のグラフにおける紙面右方向に進行する）。この時、途中で温度が３５０℃で一定になっているが、この時は相変化媒体の相変化が生じている。そして、相変化が完了し、相変化媒体が完全な液体になった後、再び温度が上昇する。

放熱時には、図５に示すように、３００℃の熱媒体が成層化タンクに供給される。そして、成層化タンク１０ａ〜１０ｃに供給後、相変化媒体の有する熱が熱媒体に供給され始める。そのめ、熱媒体の温度は徐々に上昇し、排出時には３５０℃まで上昇している。一方で、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ内では、液体の相変化媒体から熱が奪われ始め、熱媒体の温度は徐々に低下する（相変化媒体のグラフにおける紙面左方向に進行する）。この時、途中で温度が３５０℃で一定になっているが、この時は相変化媒体の相変化が生じている。そして、相変化が完了し、相変化媒体が完全な固体になった後、再び温度が低下する。

そして、蓄熱時には、ソーラフィールド２００において吸収された太陽熱を用いて水蒸気が生成される。また、放熱時には、蓄熱システム１から排出された熱媒体が有する熱を用いて水蒸気が生成される。具体的には、図５に示すように、給水された水（図５中破線のグラフ）は温度が上昇して水蒸気に変化し、２７０℃〜３００℃の水蒸気となる。

このように構成の蓄熱システム１とすることにより、発電システム１００において、太陽熱量の変動を考慮しつつ、従来よりも効率よく太陽熱を利用することができる。

［２．第２実施形態］
次に、図６及び図７を参照しながら、第２実施形態の蓄熱システム（蓄熱システム２）について説明する。図６及び図７において、第１実施形態と同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。なお、図６に示す蓄熱システム２が適用される発電システム３００は、前記した発電システム１００と同様の構成を有するものである。

蓄熱システム２においては、成層化タンク１０ａ〜１０ｃに加えて、相変化媒体を含まない成層化タンク１５を備えている。即ち、成層化タンク１５（第２蓄熱タンク）は、太陽熱を吸収した熱媒体そのものを貯蔵するものである。成層化タンク１５は、ソーラフィールド２００に対して並列に接続されている。同様に、成層化タンクは、成層化タンク１０ａ〜１０ｃに対しても並列に接続されている。また、成層化タンク１５は、成層化タンク１０ａ〜１０ｃと同様、内部の温度が過度に低下しないように、電気ヒータ、保温ジャケット（いずれも図示しない）等を備えている。

前記の蓄熱システム１においては、相変化媒体と熱媒体との間で熱交換を行っている。そこで、応答性をより良好にする観点から、蓄熱システム２においては、熱媒体を貯蔵する成層化タンク１５が設けられている。即ち、蓄熱システム２には、太陽熱を吸収した熱媒体がそのまま貯蔵される成層化タンク１５が備えられている。

蓄熱システム２における運転方法を説明する。昼間の時間帯には、図７（ａ）に示すように、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ，１５は並列に接続され、それぞれに蓄熱されている。ただし、成層化タンク１５は、前記のように熱媒体のみを貯蔵するタンクである。そのため、高温の熱媒体が循環しながら、成層化タンク１５に所定量貯蔵されることになる。

蓄熱時、雲等により十分な太陽光が急に得られなくなることもある。このような場合には、図７（ｂ）に示すように、成層化タンク１０ａ〜１０ｃ，１５への熱媒体の供給を止め、代わりに、成層化タンク１５に貯蔵されている熱媒体を外部へ放出する。即ち、急に十分な太陽光が得られなくなった場合には、成層化タンク１５に貯蔵されていた熱媒体を太陽熱放熱部２０に供給する。成層化タンク１５には、直前まで高温の熱媒体が供給されていたため、ほとんど温度が低下していない高温の熱媒体を太陽熱放熱部２０に供給することができる。このようにすることにより、応答性をより良好なものにすることができる。即ち、雲等により十分な太陽光が得られない時に、発電システム３００が冷却されることを防止することができる。これにより、気象変化による発電量の低下を抑制することができる。

このように構成の蓄熱システム２とすることにより、発電システム３００において、太陽熱量の変動を考慮しつつ、従来よりも効率よく太陽熱を利用することができる。しかも、急な天候の変化が生じても、太陽熱を発電システム３００に安定して供給することができる。

［３．第３実施形態］
次に、図８を参照しながら、第３実施形態の蓄熱システム（蓄熱システム３）について説明する。図８において、前記した各実施形態で説明したものと同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

蓄熱システム３においては、図８（ａ）に示すように、４つの成層化タンク１０ａ〜１０ｄと１つの成層化タンク１５とが、並列に接続されている。なお、成層化タンク１０ｄは、前記した成層化タンク１０ａ〜１０ｃと同じものである。そして、蓄熱時には、前記した各実施形態と同様に、成層化タンク１０ａ〜１０ｄ，１５に熱媒体が通流し、蓄熱が行われる。

ただし、蓄熱後、成層化タンク１０ａ〜１０ｄを用いて放熱が行われる前に、所定の制御が行われる。即ち、成層化タンク１５による熱媒体の排出（太陽熱の利用）が行われつつ、成層化タンク１０ａ〜１０ｄ内の相変化媒体の温度均一化が行われる。

蓄熱時の日射量が少なかった場合、成層化タンク１０ａ〜１０ｄ内の相変化媒体（液体）の温度は均一にならないことがある。即ち、均一に昇温できるほどの日射量が無く、タンク内での相変化媒体の温度にムラが生じることがある。このような場合には、前記した場合と同様に、温度の高い液体の相変化媒体は上方に移動し、温度の低い液体の相変化媒体は下方に移動する。また、前記したように、蓄熱時、温度の高い熱媒体は上方から供給されるため、下方の相変化媒体まで十分に熱が伝達しないことがある。

そこで、本実施形態においては、成層化タンク１５からの放熱中に、このような同一成層化タンク内での温度ムラを解消している。そして、各成層化タンク１０ａ〜１０ｄ内での温度ムラが無くなった後、これらの成層化タンクを直列に接続して放熱が行われる。

図８（ｂ）〜（ｄ）に、温度ムラ解消の具体的な方法を示す。図８（ｂ）において、Ａは相変化媒体の温度が最も高い部分を表し、以下、順にＢ、Ｃ及びＤの順に温度が低くなっている。即ち、Ｄが相変化媒体の温度が最も低い部分になる。なお、これらの温度勾配は、通常は明確な温度境界点があるものではない。しかしながら、図８においては、説明の簡略化のために、４段階の温度勾配（段階）に分かれているとみなして説明する。

この状態において、はじめに、成層化タンク１０ａ，１０ｂを接続する。さらに、成層化タンク１０ｃ，１０ｄを接続する。そして、図８（ｃ）に示すように、成層化タンク１０ａ，１０ｂ間で熱媒体を循環させると、成層化タンク１０ａの温度は全体的に高くなり、成層化タンク１０ｂの温度は全体的に低くなる。同様にして、成層化タンク１０ｃ，１０ｄ間で熱媒体を循環させると、成層化タンク１０ｃの温度は全体的に高くなり、成層化タンク１０ｄの温度は全体的に低くなる。

このような現象は、成層化タンク１０ａ〜１０ｄの熱媒体が排出される外部配管接続口の付近の相変化媒体の温度となって、熱媒体が排出されることによる。即ち、例えば図８（ｃ）に示すように、成層化タンク１０ａを通流する熱媒体が排出される際、外部配管接続口付近の相変化媒体の温度はＣ及びＤである。そのため、温度Ｄの熱媒体がはじめに成層化タンク１０ｂに供給される、その結果、成層化タンク１０ｂ内の相変化媒体の温度は、成層化タンク１０ｂに供給された熱媒体の温度Ｄと同じになる。次いで、温度Ｃの熱媒体が成層化タンク１０ｂに供給される、その結果、成層化タンク１０ｂ内の相変化媒体の温度は、成層化タンク１０ｂに供給された熱媒体の温度Ｃと同じになる。他の成層化タンクにおいても同様である。

次に、成層化タンク１０ａ，１０ｃを接続する。さらに、成層化タンク１０ｂ，１０ｄを接続する。そして、図８（ｄ）に示すように、成層化タンク１０ａ，１０ｃ間で熱媒体を循環させると、成層化タンク１０ａの温度はＡで均一になり、成層化タンク１０ｃの温度はＣで均一になる。同様にして、成層化タンク１０ｂ，１０ｄ間で熱媒体を循環させると、成層化タンク１０ｂの温度はＢで均一になり、成層化タンク１０ｄの温度はＤで均一になる。

そして、このように各成層化タンク１０ａ〜１０ｄ内の相変化媒体の温度を均一にした後、成層化タンク１５による放熱を止め、成層化タンク１０ａ〜１０ｄによる放熱を開始する。この時、成層化タンク１０ａ〜１０ｄは直列に接続され、熱媒体は成層化タンク１０ｄの下部から流入し、次いで成層化タンク１０ｃ、成層化タンク１０ｂの順で通流し、最終的に成層化タンク１０ａの上部から排出される。

このようにすることで、放熱時、各成層化タンク１０ａ〜１０ｄを熱媒体が通流する際に、相変化媒体の温度が徐々に上昇する方向に熱媒体が通流させることができる。即ち、前記のように、成層化タンク１０ａ〜１０ｄ間で熱媒体を循環させることにより、成層化タンク１０ａ〜１０ｄ内の相変化媒体の温度を制御することができる。具体的には、熱媒体がはじめに流入する成層化タンク１０ｄの温度が最も低く、次いで成層化タンク１０ｃ、成層化タンク１０ｂの順で上昇し、最終的に熱媒体が排出される成層化タンク１０ａ内の温度を最も高くすることができる。このようにすることで不要な熱交換を抑制することができ、熱損失を減少させることができる。

［４．第４実施形態］
次に、図９及び図１０を参照しながら、第４実施形態の蓄熱システム（蓄熱システム４）について説明する。図９において、前記した各実施形態において説明したものと同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

蓄熱システム４は、発電システムとしての太陽熱発電システム４００（以下、適宜「発電システム４００」と言う）に適用されている。そして、発電システム４００は、太陽熱エコノマイザ３１、太陽熱蒸気発生器３２、発電機１０５、蒸気タービン１３１及び復水器１３２を備える。そして、太陽熱エコノマイザ３１と、太陽熱蒸気発生器３２と、蒸気タービン１３１と、復水器１３２と、は、水（液体の水又は水蒸気）が循環する流路の途中に設けられている。

発電システム４００においては、水は、太陽熱エコノマイザ３１及び太陽熱蒸気発生器３２において、太陽熱を用いて蒸発させられる。そのため、蓄熱時に併行して行われる発電システム４００における水の蒸発のために、より多くの太陽熱が使用される。そのため、蓄熱される熱量が減少する。従って、図１０に示すように、放熱開始時の熱媒体の温度は図５と比べて低くなる。

ただし、放熱開始時の熱媒体の温度と相変化媒体の温度との温度差が大きくなるため、熱交換効率を上昇させることができる。従って、より効率よく太陽熱エコノマイザ３１及び太陽熱蒸気発生器３２に太陽熱を供給することができる。これにより、より効率よく、水蒸気を発生させることができる。そのため、効率よく発電を行うことができる。なお、図１０のグラフは、基本的には前記した図５のグラフと同じであるため、その詳細な説明を省略する。

［５．第５実施形態］
次に、図１１及び図１２を参照しながら、第５実施形態の蓄熱システム（蓄熱システム５）について説明する。図１１において、前記した各実施形態において説明したものと同じものについては同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。

蓄熱システム５は、発電システムとしてのバイナリ発電システム５００（以下、適宜「発電システム５００」と言う）に適用されている。排熱発電システム５００においては、太陽熱エコノマイザ３１において、熱源として温排水を用いている。即ち、太陽熱エコノマイザ３１において、排熱を用いて低沸点媒体成分の蒸発が行われている。また、第４実施形態においては水が循環していたが、第５実施形態においては低沸点媒体成分（沸点が低い媒体の成分；例えばフロン、アンモニア、プロパンガス等）が循環している。

温排水の温度は最大１００℃程度である。そして、温排水及び低沸点成分の比熱はいずれも、温度によらず略一定である。従って、温排水を用いることにより、水よりも沸点の低い低沸点媒体成分の蒸気を生成させることができる。特に、前記の各実施形態と比較して、図１２に示すように蓄熱時及び放熱時の温度が全体的に低いため、蓄熱システム５への耐熱性がそれほど要求されないという利点がある。

なお、図１２のグラフは、基本的には前記した図５及び図１０のグラフと同じであるため、その詳細な説明を省略する。ただし、温排水の有する熱が低沸点媒体液体に与えられ、低沸点媒体（沸点が８０℃以下）の液体が低沸点媒体の蒸気に変化するようになっている。

［６．変更例］
以上、図面を参照しながら本実施形態を説明したが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。

例えば、成層化タンクとして、図１３に示す成層化タンク１０ｅを用いてもよい。成層化タンク１０ｅには、外殻（図示しない）にて被覆された粒状の相変化媒体１０ａ７が充填されている。即ち、相変化媒体１０ａ７は被覆され、被覆された相変化媒体１０ａ７が成層化タンク１０ｅに収容されている。また、相変化媒体１０ａ７が液体状態になっても、外殻によって外部へ漏出しないようになっている。熱媒体は、この粒状の相変化媒体１０ａ７の間隙を通流する。相変化媒体をこのように構成することで、前記した熱伝達効率の低下の可能性をより減少させることができる。また、相変化媒体１０ａ７の周辺を熱媒体が自由に通流するため、流入する熱媒体の温度が変化して成層化した際に、成層化タンク内における成層化媒体の温度勾配がより明確になる。そのため、図８を参照しながら前記した温度ムラ解消を行い易くなる。

各実施形態において、相変化媒体を有する成層化タンクの個数は図示の個数に何ら限定されず、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。特に、前記した成層化タンク間での熱媒体の循環は４個の例に限定されず、２個、３個、又は５個以上であってもよい。即ち、成層化タンクの個数は偶数個であってもよく、奇数個であってもよい。奇数個の成層化ポンプが備えられる場合、適宜循環させる成層化タンクの組み合わせを変えて、成層化ポンプ間で熱媒体を循環させればよい。ただし、制御が容易になり、短時間で循環を行えるという観点から、成層化タンクの個数は２^ｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）であることが好ましい。

蓄熱システムの運転時、備えられる全ての成層化タンクを用いて運転しなくてもよい、即ち、通常時には使用されないバックアップ用の成層化タンクを備えておき、例えば何れかの成層化タンクが故障した場合等の緊急時に、バックアップ用の成層化タンクを用いるようにしてもよい。

前記した各実施形態において、成層化タンク１０ａ〜１０ｄは全て同じ仕様のものとしているが、成層化タンクの仕様は全て同じである必要は無く、一部が異なる仕様のものであってもよい。具体的には、例えば、図２に示す成層化タンクと図１３に示す成層化タンクとを組み合わせて使用することができる。

図８を参照しながら説明した成層化タンク間での熱媒体の循環は、備えられる成層化タンクの個数に応じて適宜設定すればよい。また、図８においては、説明の便宜上４段階の温度勾配としているが、３段階以下の温度勾配とすることができ、５段階以上の温度勾配とすることもできる。従って、このような温度勾配の段階に対応して、循環の回数を適宜設定すればよい。

図示の例では、成層化タンクは１つずつ独立して備えられているが、例えば複数の成層化タンクからなる成層化タンク群とし、当該成層化タンク群を蓄熱時には並列に、放熱時には直列になるように接続してもよい。このようにしても本発明と同様の効果が得られる。

熱媒体及び相変化媒体の具体的な種類は、前記した例示物に何ら限定されない。従って、熱媒体として前記の水以外を、相変化媒体として前記の硝酸リチウム以外を任意に使用可能である。これらの成分以外を使用した場合、例えば図５等に示したグラフにおける数値は変化することがあるが、そのような場合でも、本実施形態を同様に適用することができる。

図５、図９及び図１２に示すグラフの数値及びグラフの形状は一例であり、運転条件によって変化するものである。従って、例えば発電システム及び蓄熱システムの設置場所、運転時期等によって、各グラフの数値及び形状を決定すればよい。この決定は、例えば試運転等によって行われる。

本実施形態の蓄熱システムは、前記のように発電システムに特に好適に備えられる。ただし、発電システムの構成は図示の例に何ら限定されず、熱媒体が吸収した熱を利用して発電を行う発電システムであれば、どのような発電システムであってもよい。具体的には、熱媒体が吸収した太陽熱を用いて液体媒体（例えば水、低沸点媒体成分等）を加熱し、生成した気体媒体（例えば水蒸気、低沸点媒体成分の蒸気等）によって発電が行われるものであれば、どのような発電システムであってもよい。また、本実施形態の蓄熱システムは発電システム以外にも、太陽熱を利用可能な任意のシステムに適用可能である。具体的には、例えば、蓄熱システムに蓄熱された熱を給湯システム等に適用することができる。

成層化タンクの配置も図示の形態に何ら制限されず、例えば図示の方向に対して垂直な方向（紙面左右方向）に熱媒体が通流するように成層化タンクを配置してもよい。

成層化タンク同士の接続形態も図示の例に何ら限定されず、蓄熱時に成層化タンクが並列に接続され、放熱時に成層化タンクが直列に接続されて熱媒体が通流すれば、どのような接続形態であってもよい。また、熱媒体の通流方向も図示の例に限定されず、図示の向きと逆方向に通流するようにしてもよい。さらに、熱媒体の流速も任意に設定可能であり、配管及び伝熱管の太さ、成層化タンクの容積等の各条件に応じて適宜設定すればよい。

蓄熱システムに接続される、太陽熱を吸収する手段としては、図示のソーラフィールド２００に何ら限定されない。従って、太陽熱を熱媒体に吸収させることができれば、どのような手段を用いてもよい。

蓄熱システムの運転は、前記のように、予め記憶された所定のプログラムに基づき、ＣＰＵが制御する。このとき、例えば夏場等の太陽光が強い時期には長時間太陽熱を吸収し、冬場等の太陽光が弱い時期には短時間太陽熱を吸収するように、時期に応じて異なる吸収時間になるようにしてもよい。また、太陽熱の変動の検知には任意の手段を用いることができ、例えば日照センサ等を用いることができる。

１，２，３，４，５ 蓄熱システム
１００，４００，５００ 発電システム（太陽熱複合コンバインドサイクル発電システム、太陽熱発電システム、バイナリ発電システム）
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 成層化タンク（第１蓄熱タンク）
１０ａ６ 相変化媒体
１５ 成層化タンク（第２蓄熱タンク）

Claims (9)

1. 太陽熱を蓄熱する蓄熱システムにおいて、
   太陽熱を吸収する熱媒体と、
   熱媒体と熱交換される相変化媒体と、
   前記相変化媒体が担持され、熱媒体が通流する複数の第１蓄熱タンクと、を備え、
   太陽熱の蓄熱時、前記第１蓄熱タンクは直列に接続されて熱媒体が通流し、
   蓄熱された太陽熱の利用時、前記第１蓄熱タンクは並列に接続されて熱媒体が通流する
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
2. 請求項１に記載の蓄熱システムにおいて、
   太陽熱を吸収した熱媒体を貯蔵する第２蓄熱タンクが備えられている
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
3. 請求項２に記載の蓄熱システムにおいて、
   前記第２蓄熱タンクは前記第１蓄熱タンクに対して並列に接続されて熱媒体が通流する
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄熱システムにおいて、
   前記複数の第１蓄熱タンク間で熱媒体を循環させる
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄熱システムにおいて、
   前記第１蓄熱タンクは、２^ｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）備えられている
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
6. 請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄熱システムにおいて、
   前記相変化媒体は被覆され、被覆された前記相変化媒体が前記第１蓄熱タンクに収容されている
   ことを特徴とする、蓄熱システム。
7. 請求項１〜３の何れか１項に記載の蓄熱システムを備えている
   ことを特徴とする、発電システム。
8. 請求項７に記載の発電システムにおいて、
   太陽熱複合コンバインドサイクル発電システム、太陽熱発電システム及びバイナリ発電システムの何れかである
   ことを特徴とする、発電システム。
9. 請求項８に記載の発電システムにおいて、
   熱媒体が吸収した太陽熱を用いて液体媒体を加熱し、生成した気体媒体によって発電が行われる
   ことを特徴とする、発電システム。

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