JP2014508912A - 改良蓄熱システム - Google Patents

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Abstract

蓄熱システム（４００）は、システム気体入口（４６０）と、システム気体出口（４７０）と、該システム気体入口およびシステム気体出口の間に直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体（４０１、４０２）とを備え、各蓄熱体が気体入口（４６１、４６２）と、気体出口（４７１、４７２）と、前記気体入口および気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体（４３１）とを有するチャンバを備え、前記蓄熱システムは、通路を迂回するように作動的に接続されるフロー制御装置（４５１、４５２、４５３、４５４、４５７）をさらに備え、該フロー制御装置は、動作中に、蓄熱媒体（４３１）に対して、または蓄熱媒体（４３１）から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システム（４００）を流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて、直列の蓄熱体のうちのどの蓄熱体（４０１、４０２）が使用されるかに関して選択的に変更できるように構成される。

Description

本発明は熱エネルギを貯蔵するシステムおよび、その作動方法に関する。該システムは、電気の形態でエネルギを受け取ること及び再生することを行なうシステム（以下、「蓄電」装置と称する）の一部を形成するものであってもよい。
空気の圧縮による熱を貯蔵し、空気の膨張による仕事量を吸収する多くの蓄電用システムが提案されている。
一般的に提案されている例としては、通常、岩塩空洞（Ｓａｌｔ Ｃａｖｅｒｎ）を圧縮空気蓄熱体として用いる断熱式圧縮空気エネルギ貯蔵（Ａｄｉａｂａｔｉｃ ＣＡＥＳ）が挙げられる。電気が貯蔵される場合、モータがコンプレッサを駆動して空気を岩塩空洞内へ圧縮する。圧縮プロセスは空気の温度を上昇させるが、効率的にエネルギを再生するためには、この「圧縮熱」を何らかの形態で蓄熱体に貯蔵することが必要である。
岩塩空洞は通常、４０バール（４ＭＰａ）などの最小圧力で維持され、チャージ中、この圧力はたとえば６０バール（６ＭＰａ）などの上限まで上昇される。これらの圧力は、空気を用いた場合、約６５０℃のピーク温度を発生し得る。これはふつう、熱交換器により未加圧の蓄熱体に伝導されるか、あるいは直接、加圧容器内に含まれる蓄熱母材に貯蔵される。電気を再生するためにプロセスが反転され、圧縮気体が膨張前に蓄熱体によって再加熱される。膨張作用を利用して発電機を駆動し、電気を生成する。
目的は、プロセスが反転された際に空気が最初の温度の近くまで加熱されるように、圧縮空気温度と蓄熱材温度とにわずかな温度差しかない状態で熱を貯蔵することにある。
上述したように、加圧容器内の蓄熱母材ではなく熱交換器を用いることは選択肢の１つである。しかしながら、この種の熱交換は、０〜６５０℃の範囲で作用する伝熱液体が存在しないために実現が非常に困難である。つまり、複数の液体を使用しなければならないか、あるいは熱交換が気体を介したものとなり、すなわち、気体対気体の熱交換器でなければならない。
複数の伝熱液体は管理が難しく、複数の貯蔵容器を必要とし、通常、高額な費用がかかるが、効率的に作用させることができ、高圧容器のコストがかからない。
気体対気体の熱交換器の場合、その温度範囲において高品質の鋼鉄の使用が必要であり、気体流の圧力低下を防止するためには、非常に大型の熱交換器を使用しなければならない。その結果、こうした熱交換器は通常、非常に高額であるとともにあまり効率的ではなく、各伝熱プロセス後に５０℃など、大きな温度差が生じる。
最も効率的な解決策は、断熱加圧容器に含まれる粒状構造などの蓄熱母材を使用して、超大型蓄熱器のように熱を気体に対して、及び気体から伝導させることである。これが最善の熱伝導であるが、加圧容器内に貯蔵体を全て含めなければならないため非常に高価である。
充填層または多孔性媒体内における熱伝導は通常、表面積の関数として示される。表面積が大きいほど、熱交換に優れる。使用される粒子、チャネル、または孔が小さいほど、表面積が貯蔵材料の単位体積を引き上げる傾向にある。つまり、より高い「比表面積」を有する。例えば、
充填層球体、１０ｍｍ径（立方充填）約３１４ｍ２／ｍ３
充填層球体、１ｍｍ径（立方充填）約３１４０ｍ２／ｍ３
多孔性金属発泡体、インチ当たり５個の孔（密度１２％）約４３０ｍ２／ｍ３
多孔性金属発泡体、インチ当たり４０個の孔（密度１２％）約２１００ｍ２／ｍ３
これが示すように、１ｍｍ粒径の充填球体は１立方メートルにつき約３１４０ｍ２の比表面積を有する。インチ当たり４０個の孔を有する多孔性発泡金属の場合、１立方メートルにつき２１００ｍ２の比表面積を有する。発泡金属の密度が個体の１２％ということは、８８％の空隙率を意味する。比較のため、この例における球体の空隙率は約５０％にすぎない。
高い比表面積には他の利点もある。２つの物体の間に温度差がないと、熱交換が起こりえない。この温度差は、貯蔵される熱の総量に影響を及ぼさないが、熱が貯蔵される温度を低下させない不可逆性の熱混合につながるものでなければならない。熱品質が低下しているほど、温度差により、貯蔵された熱から再生可能なエネルギ量が低減する。この熱品質の低下は、蓄熱体の断熱壁を通じた環境への単純な熱損失とは区別すべきである。
この低下が生じる理由は、蓄熱体内では気体と粒子との間に温度差がなければならないため、（高温蓄熱体内では）チャージされているときは粒子が常に気体よりもわずかに低温であるためである。蓄電用システムがディスチャージされ、気体が逆方向に戻されると、気体は粒子よりも低温になっているはずであり、したがって、気体は、高温貯蔵容器の場合は比較的低温で、低温貯蔵容器の場合は比較的高温で、蓄熱体から戻ってくる。この低下は、不可逆性プロセスの結果とみなすことができ、それと結びつく損失があり、結果的にエネルギ貯蔵過程において再生電気量の低減を招く。これらの「不可逆性」の熱損失は粒径を低減することによって抑制することができるが、この場合、蓄熱体を通じた気体の圧力損失が増加する。
蓄熱状況では、「熱フロント（Ｔｈｅｒｍａｌ ｆｒｏｎｔ）」、すなわち、蓄熱媒体および気体の少なくとも一方内における下流へ向けた温度の上昇または低下が貯蔵容器に生じる。これは熱伝導が最も活発な蓄熱体の領域において発生する。図３は、蓄熱体内の熱フロントの形成を示しており、蓄熱体のチャージプロセスにおいて、蓄熱体の領域内の熱フロントがどのように設定されるかを示す。熱フロントは下流へ進行し、通常最初は非常に急であるが、チャージが継続するにつれ、次第に緩やかになる。よって、熱フロントは長さＬ１で始まるが、容器を下方へ移動していく間に、長さが長さＬ２まで、次いでＬ３まで伸びる。熱フロントは通常漸近的になるため、フロント長についてＴＨ２およびＴＡ２の間のフロント長の観点から論じることができる。ＴＨ２およびＴＡ２はピーク温度および開始温度の３％内にある。異なる基準が設定される場合、たとえば、ピーク温度および開始温度の２％以内で設定される場合、示されるフロント長はわずかに長くなる。
特定の蓄熱体形状の場合、フロントが長いほど熱損失が低くなるが、蓄熱体の利用可能な量を減らすことにもなる。すなわち、蓄熱体の利用率を低減させる。蓄熱体が５ｍの直径および１０ｍの長さを有し、熱フロントが５ｍである場合、蓄熱体の利用率は約５０％に低減される。
同寸法の蓄熱体が使用され、粒径が低減された場合、同じレベルの熱損失がより短いフロントで達成される可能性がある。よって、充填層における粒径または多孔性媒体の孔径が小さいほど熱伝導に優れ、熱損失が少なく、蓄熱体の利用率が高い（熱フロントがより短い）傾向にある。しかし、充填層を通る流体流に関連する圧力低下があり、粒径または孔径が低減されるほど、この圧力低下が急増するという欠点がある。
流体流への抵抗は、粒径の減少とともに上昇し、流体の圧力低下（δＰ）をもたらす。圧力はベクトル量ではないが、圧力勾配は距離に対して定義できる。長さＬの蓄熱体で特定の圧力低下δＰが生じる場合、該蓄熱体における圧力勾配はδＰ／Ｌである。圧力は流速方向に沿って低下するため、気体が蓄熱体を通過した後、気体圧は低くなる。この圧力低下は、充填層の粒径が、より高い熱可逆性をもたらすような極小寸法にまで低減されない理由でもある。圧力低下による損失は、小粒径の利点よりも重大である。
本発明は、上述のような従来技術に付随する課題のいくつかを克服するか、少なくとも軽減する改良蓄熱システムを提供する。
本発明は、システム気体入口と、システム気体出口と、該システム気体入口およびシステム気体出口の間に直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体とを備える蓄熱システムを提供し、各蓄熱体は気体入口と、気体出口と、該気体入口および気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体とを有するチャンバを備え、該蓄熱システムは、通路を迂回するように作動的に接続されるフロー制御装置をさらに備え、該フロー制御装置は、動作中に、蓄熱媒体に対して、または蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システムを流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて、どの蓄熱体を気体が通過するかに関して時間と共に選択的に変更できるように構成される。
熱伝導が発生するように気体が蓄熱媒体を通って流れるにつれ、流れは制限を受け、これに伴って圧力低下が生じる。非常に大型の蓄熱体では、これが著しい圧力低下になる可能性がある。総貯蔵容量を別々の蓄熱体に分割し、熱伝導が進行するにつれ気体流路を変更させる、たとえば、熱伝導がほぼ完了している蓄熱体や熱伝導が最小である蓄熱体等の不活発な蓄熱体を通る気体流を最小化することによって、この圧力低下を最小限にとどめることができる。気体流路は、たとえば蓄熱体を通る代替ルートにより上記の不活発な蓄熱体を迂回するように構成することができる。
「直列に接続される」とは、各蓄熱体の出口が直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体の入口に接続され、１つの容器で熱伝導を受けた気体が移送され、順次、次の容器で熱伝導を受けるということを意味する。このような接続により、ほぼ完全に熱フロントを１つの容器から次の容器へ移送することができる。たとえば、熱フロントは、最終的に上流の蓄熱体から外に退出する前に、すなわち、上流の蓄熱体が完全にチャージされたとき、直列の蓄熱体のうちの２つの蓄熱体にわたって一定期間残存することができる。
３つ、４つ、５つまたはそれ以上の蓄熱体を、所要の蓄熱容量に応じて直列で接続することができる。一実施形態では、該システムは、気体流路が、著しい量の活性熱伝導が発生している（たとえば、大きな温度勾配が存在する）蓄熱媒体の領域を含む蓄熱体を通過するように時間の経過と共に変更されるように構成される。気体流路は、監視される熱フロントの自然な進行に合わせて変更することができ、これはセンサで監視できる。熱伝導が１つの蓄熱体のみで活発である場合、上流および下流のその他の全ての蓄熱体を気体流路から遮断することができる。しかしながら、熱フロントが２つの隣接する蓄熱体にわたって延在する場合、気体流路はこの２つの蓄熱体に限定することができるため、熱伝導が活発であるこれらの蓄熱体のみを通過するように気体流路を変更することができる。したがって、気体流路は複数の蓄熱体にわたって延在することができる。
一実施形態では、システム内の全ての蓄熱体は直列に接続される。一実施形態では、該システムは、すべての蓄熱体が個々に気体流路から隔離され得る（すなわち、迂回され得る）ように構成される。
気体流路を変更するフロー制御装置は、１つ以上の蓄熱体が熱伝導の進行中に気体流路から遮断するように気体流を迂回通路に分流することができる。フロー制御装置は、蓄熱体の気体入口に配置されること、蓄熱体の気体出口に配置されること、および各蓄熱体の間に配置されることの少なくとも一つの要件を有することができ、二方、三方（またはそれ以上の）弁を備えることができる。たとえば、フロー制御装置は蓄熱体の出口と次の蓄熱体の入口との間に介在させて、気体流を接続部に通す、あるいは通さないようにすることができる。
通常、蓄熱体はそれぞれ、熱フロントが蓄熱体を通って上方または下方に進行し、対流に影響されないように（すなわち、最も高温の気体流が常に蓄熱体の最上部から出入りするように）鉛直方向の気体流を通すように構成される直立容器である。
蓄熱システムでは、直列の蓄熱体のうちの少なくとも１つの蓄熱体の出口は、システム出口あるいは直列の蓄熱体のうちの別の１つ以上の蓄熱体の入口のいずれかに選択的に接続可能にすることができる。直列の各蓄熱体の出口は、直列の蓄熱体のうちの最後の蓄熱体を除き、システム出口あるいは直列の蓄熱体のうちの次の１つ以上の蓄熱体の入口のいずれかに選択的に接続可能にできる。
該システムでは、直列の蓄熱体のうちの少なくとも１つの蓄熱体の入口は、直列の蓄熱体のうちの１つ以上の蓄熱体の入口に選択的に接続可能にできる。直列の蓄熱体のうちの各蓄熱体の入口は、直列の蓄熱体のうちの最後の蓄熱体を除き、直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体の入口に選択的に接続可能にできる。
一実施形態では、該システムは、動作中において、気体流を熱フロントの前縁の進行に応じて直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体に方向付ける（あるいは該蓄熱体へ移動させる）ことが可能なように構成される。該システムは、気体流路が、直列の蓄熱体のうち前縁を含む蓄熱体よりも下流のすべての蓄熱体を迂回するように変更され続けるように構成することができる。
一実施形態では、該システムは、動作中において、熱フロントの後縁の進行に応じて、気体流が蓄熱体を通過することを阻止することができるように構成される。該システムは、気体流路が、直列の蓄熱体のうち前縁を含む蓄熱体よりも上流のすべての蓄熱体を迂回するように変更され続けるように構成することができる。
前縁および後縁に関する気体流路の方向変更は好ましくは相互に独立する。つまり、複数の蓄熱体システムを、熱伝導の進行に応じてごく一般的に時間と共に長さが変わる熱フロントに適合させることができる。
直列に接続される別々の蓄熱体を有する蓄熱システムは、様々な種類の蓄熱体（たとえば、２つの異なる種類または３つの異なる種類）を容易に直列に組み込むことができるという利点を備える。したがって、個々に調整された貯蔵特性を有する蓄熱体を含むことができ、該システムは直列の蓄熱体のうちの特定の蓄熱体のみを使用することを含む多数の様々な予めプログラムされた制御シーケンスを備えることができる（気体流路が望ましくない蓄熱体を迂回するように制御される）。たとえば、蓄熱体は様々な寸法（幅または高さ）を有し、様々な種類の蓄熱媒体（たとえば、異なる有孔率、粒径、または材種）を有する、あるいは蓄熱体は内部で様々に分割することができる。
一実施形態では、２つ以上の蓄熱体は、直列でのみ接続されて、使用される。
一実施形態では、２つ以上の蓄熱体が直列にも並列にも接続される。蓄熱体が直列に接続されることは必須であるが、畜熱装置を並列にも接続できるように迂回通路を構成することができる。これには多数の利点がある。この構成は、それぞれの蓄熱体の入口を、対応のシステム入口に、それぞれの蓄熱体の出口を、対応のシステム出口に接続する上で簡易で効率的な構成である。また、並列構成のため、該システムは需要に柔軟に対応し、直列流、並列流、またはその混合のいずれでも動作することができる。チャージ段階中、たとえば、蓄熱体は自ら並列にチャージする３つの蓄熱体のセットで直列にチャージすることができる、すなわち、１つの蓄熱体が３つの蓄熱体に供給することができ、ディスチャージ時にはそれが逆となる。さらに、直列接続と並列接続との組合せにより、蓄熱体をランダムにチャージすることができる、あるいは固有の特性により特定の蓄熱体を選択して使用することができる。したがって、直列および並列のいずれにも接続される蓄熱体を有するシステムは、上述するように異なる蓄熱媒体特性を有するそれぞれの蓄熱体を有益に備えることができる（たとえば、本システムは貯蔵特性の異なる少なくとも２つの蓄熱体を備えることができる）。
一実施形態では、該システムのすべての蓄熱体が直列および並列の両方で接続される。
該システムのレイアウトは、チャージおよびディスチャージ（流が反転する）に関して蓄熱体および迂回通路の構成を対称にすることができる。
１つの単純な蓄熱体ではなく、本発明に従い迂回することのできる複数の蓄熱体の使用は、蓄熱媒体の粒径が低下するほどますます有効になる。一実施形態では、直列の蓄熱体のうちの少なくとも１つの蓄熱体における気体透過性の蓄熱媒体は平均粒径が２０ｍｍ以下の粒子である。
蓄熱システムは、気体流路を選択的に変更する制御システムをさらに備えることができる。このシステムは、各蓄熱体またはシステム自体の入口および出口の少なくとも一方にセンサを含むことができる。しかしながら、制御システムによる能動的制御は、たとえば、動作方法が十分に認識されている場合、および予測可能である場合の少なくとも一方においては、必ずしも必要ではない。
さらに、本発明は、直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体を備える熱エネルギ貯蔵システムであって、各蓄熱体が気体入口と、気体出口と、該気体入口および気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体とを有するチャンバを備え、該蓄熱システムが、蓄熱媒体に対して、または蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システムを流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて、直列の蓄熱体のうちのどの蓄熱体が使用されるかに関して選択的に変更できるように構成される蓄熱システムを提供する。
蓄熱システムは、蓄電システム、たとえば、ポンプ式熱蓄電システムまたは圧縮空気エネルギ貯蔵システムの１部を形成することができる。
さらに、システム気体入口と、システム気体出口と、該システム気体入口およびシステム気体出口の間に直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体とを備える蓄熱システムであって、各蓄熱体が気体入口と、気体出口と、前記気体入口および気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体とを有するチャンバを備え、通路を迂回するように動作可能に接続されるフロー制御装置をさらに備える蓄熱システムを作動させる方法であり、気体が蓄熱媒体に対して、又は蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システムを流され、気体流路が、熱伝導の進行に応じて、直列の蓄熱体のうちのどの蓄熱体が使用されるかに関して選択的に変更される方法が提供される。
該方法では、蓄熱システムは上述のものとすることができる。
２つ以上の蓄熱体が直列および並列の両方に接続される場合、チャージ段階の途中またはディスチャージ段階の途中、蓄熱体を直列および並列に使用することができる。たとえば、一実施形態では、１つの熱フロントが分割され使用されて、複数の熱フロントを形成する。一実施形態では、複数の熱フロントが融合されて、１つの熱フロントを形成する。
本発明による複数の蓄熱体を備えた蓄熱システムの概略断面図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱システムの動作を示す図である。 蓄熱体における熱フロントの形成を示す図である。 本発明による２つの蓄熱システムを組み込んだ蓄電システムの概略図である。
図１は、本発明による改良蓄熱システム４００を示す。該システムは、蓄熱容器すなわち蓄熱体４０１、４０２、４０３、および４０４、熱媒体支持構造４２１、熱媒体４３１（熱媒体が多孔性または粒状固体から成る）、および、様々な蓄熱容器を通る気体流を分流することを目的としてごくわずかな圧力負荷用に設計された選択弁４５１、４５２、４５３、４５４、４５５、４５６、４５７、４５８、および４５９から成る。さらに、気体出入口４６０、４６１、４６２、４６３、４６４、４７０、４７１、４７２、４７３、および４７４が設けられる。各蓄熱容器内の熱媒体の上下の間隙にはプレナム４８１および４９１が設けられる。熱交換器４８５および４８６は、気体を１つ以上の基準温度まで選択的に加熱または冷却するのに使用することができる。基準はほぼ大気温度で、断熱材は通常、熱損失または熱利得が問題となるすべての領域で使用される。
この構造（迂回可能な直列の別個の蓄熱体に媒体が分割される）によると、蓄熱体が組み合わされて作製される１つの単純な大型蓄熱体よりも、個々の蓄熱体が蓄熱媒体にとって著しく大きな比表面積を有するように構成することができる。単純な大型蓄熱体では、圧力損失が等価の比表面積では非常に高くなり（気体はどの蓄熱媒体も迂回できないため）、蓄電システムとして使用されるときシステム効率が低下する。圧力損失は通常、比表面積が小さくなることによって低減される（粒子が使用される場合は、これがより大きな粒子につながる）が、熱伝導がさほど効率的でないためシステム効率が低下し、これは熱フロントの長さを延長することによってのみ対処することができる。熱フロントが長いほど利用可能な量の貯蔵材料が減少する、あるいは貯蔵寸法が増大する（同量の貯蔵エネルギの場合）。長いフロントが必要とする追加の蓄熱媒体は、追加の圧力損失も生じる。したがって、本実施形態は、特に蓄電システムの一部として使用されるとき、より小型で効率的な蓄熱体をもたらす。
蓄熱媒体は、蓄熱体において所望の温度および圧力での熱交換に適した任意の材料を備えることができる。媒体は、通路および孔の少なくとも一方の相互接続内部網を設けた一体構造の多孔構造とすることができ、あるいは、気体が透過できるようにチャージされた繊維、粒子、またはその他の通常は固体材料などの粒子材料の充填層とすることができる。粒子材料の場合、材料がより小さく、高密度にチャージされているほど、圧力低下の可能性が高いため、流れの調節の利用にとってより望ましい。２０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、または７ｍｍ以下の粒径を上記蓄熱体で使用することができる。
本実施形態では、熱交換器４８６は、該システムから低レベルの廃熱を除去するために使用される。熱交換器４８５はこの状況では必須ではない。しかしながら、このシステムが「低温」を貯蔵するのに使用されている場合、熱交換器４８６は必要ではなく、その代わりに熱交換器４８５が使用され得る。
蓄熱体は、熱または「低温」のいずれかを貯蔵するのに使用することができる。該システムおよびそれぞれの蓄熱体の作用を図２ａ〜２ｉを参照して以下に説明するが、熱交換器と参照符号は簡略化のために省略する。
図１は、最初の蓄熱体が最初の使用で認められる可能性のあるフルディスチャージ状態にあるシステムを示す。これは、グラフで各蓄熱体の左に示され、蓄熱体を通る気体の温度分布を表し、蓄熱体全体がＴＡ（大気温度）にあることが分かる。休止時、気体の温度分布は固体の温度分布と等しいが、上述したように、動作時は気体流と粒径に応じて変動する。
図２ａは、該システムがチャージし始めている様子を示す。高温気体がシステム出入口４６０を介して流れ、弁４５１によってダクトを介して蓄熱容器４０１の入口４６１へ送られ、次いで気体流が熱媒体４３１に進入する。熱媒体を通過するにつれ、気体は冷却され、熱を熱媒体４３１に伝える。グラフが示すように、温度分布が熱媒体内に生じる。このプロセスが継続するにつれ、熱フロントが蓄熱体内を下方へ移動する。上述したように、このフロントの長さは様々な要因に依存する。本実施形態に示される動作モードでは、フロントは１度に３つ以上の蓄熱体に存在することはあり得ないが、より長いフロントの場合は他の用途では複数の蓄熱体にわたって延在させることができる。
実際には２つの熱フロントが存在し、一方は固体熱媒体に、他方は気体に存在する。熱フロントは気体と固体熱媒体４３１との間の温度差によって生じ、流速や熱媒体４３１内の各要素の寸法などの多数の要因に依存する。熱媒体が砂などの極小粒子である場合、気体および固体の間の温度差が非常に小さい。熱媒体が砂利などのように大きな粒子の場合、同じ流速では、温度差がより大きくなり、気体熱フロントと固体熱フロントとが分離される。高温蓄熱体をチャージするとき、固体熱フロントが常に気体熱フロントよりも遅れる。
このわずかな温度差のため、蓄熱体は、蓄熱体に進入する気体の温度には決して到達しない。したがって、いつ「フルチャージ」されるかという判断は、様々な蓄熱体および動作用途に応じて変動する。
気体は出入口４７１を介して出て、次にシステム出入口４７０を介してシステムから外に出て、そこでわずかな気体熱は熱交換器４８６によって除去されてもよい。図２ｂは、蓄熱容器４０１の端部の近傍のフロントを示す。出入口４７１で退出する気体の温度が所定レベルまで上昇すると、気体流は弁４５７および弁４５２を介して、出入口４６２を通り蓄熱容器４０２に進入するように方向付けられる。このように、熱フロントの大半は、蓄熱容器４０１内の蓄熱媒体４３１の最後から蓄熱容器４０２の最初の蓄熱媒体４３１へ移送される。図２ｃは、フロントが蓄熱容器４０１から蓄熱容器４０２へ移送される様子を示す。図２ｃから分かるように、熱フロントはプレナム空間４９１からプレナム空間４８１へ横断する。プレナムを横断する間、気体が冷却される機会はないため、グラフの直線に示されるように温度はこの領域では略一定である。図２ｄは、フロントが完全に移送された様子を示す。上述したように、これはフロント全体ではなく、特定の帯域内（たとえば、図３を参照）であって、熱フロントの主要部分とみなすことができ、この部分が「完全に移送されている」。
図２ｅでは、フロントは完全に移送されており、蓄熱容器４０１は完全にチャージされたとみなすことができ、気体流が蓄熱容器４０１を迂回するように弁４５１が切り替えられる。この切替事象の制御論理は、たとえば、プレナム４９１の気体温度が特定の範囲内の特定温度（チャージの場合、温蓄熱体）、たとえば２０℃、気体入口４６０でシステムに進入する気体の温度まで上昇したときである。
図２ｆでは、フロントが蓄熱容器４０２内の蓄熱媒体４３１の端部に近づきつつあり、図２ｂ〜２ｅに示される類似の過程は、気体流が蓄熱容器４０３に切り替わり、最終的に完全に蓄熱容器４０４に移ったときに生じる。
熱フロントの上流および下流の異なる蓄熱体への切り替えは個別に制御することができる。気体流に次の蓄熱体を通過させる決定は、熱フロントの前縁の条件に関係する。気体の蓄熱体の通過を停止する決定は、熱フロントの後縁の状態に関係する。これらは該システムがチャージされるかディスチャージされるかに応じて変動する可能性が高い。たとえば、次の蓄熱体への気体流の切替は、プレナム４９１内の気体温度が大気温度の特定の範囲たとえば５０℃を超える、熱交換器が拒絶する特定温度（チャージの場合、温蓄熱体）まで上昇したときに決定される。つまり、外部大気温度が２０℃の場合、気体温度が７０℃まで上昇したときに切り替えられる。
図２ｇは、フルチャージされているシステムを示す。図２ｈはディスチャージし始めているシステムを示し、図２ｉはディスチャージ状態のシステムを示し、フロントの一部が蓄熱容器４０１の蓄熱媒体４３１内に残されている。このように、チャージプロセスが再開すると、ちょうど大気温度の蓄熱媒体からこの熱フロントを生成する必要がない。
以下、ディスチャージモードをより詳細に説明する。ディスチャージの場合、気体流が反転するため、システム出口４７０がシステム入口となり、低温気体を（高温）貯蔵システムおよび最初に蓄熱体４０４へ導く。媒体が低温気体によって冷却され、活性伝導領域が蓄熱体４０４の下流端に向かって移動し始める（図２ｈ）。
熱フロントの前縁、すなわち、活性伝導領域の下流端（すなわち、システム入口４７０から最も遠い端部）を制御する、つまり蓄熱体４０４を次の蓄熱体４０３へ切り替える制御論理は、たとえば、プレナム４８１のセンサが、気体が（高温）開始温度から所定量、たとえば２０℃だけ冷却されたと検知すると（まだ下流の残りの蓄熱体が下流にある）、（システム出口４６０に直接向かっていた（図２ｈを参照））流路が代わりに蓄熱体４０３の入口４７３に分流される。一定期間、気体流は蓄熱体４０４および４０３の両方を流れ、熱伝導は両方の蓄熱体で活発である。
気体流が蓄熱体４０４の端部に近づくにつれ、システム入口４７０から蓄熱体４０３の入口４７３に直接向かうように気体流を分流させることによって、蓄熱体４０４を完全に切り替えるように熱フロントの後縁、すなわち、活性伝導領域の上流端（すなわち、システム入口４７０から最も近い）を制御する制御論理は、たとえば、プレナム４８１の温度が（低温）入口温度（ここでは、活性熱伝導領域の上流に存在する）とほぼ同じくらい低温になる（たとえば、１０℃だけ温かい）ときに行うものである。
些細な気体熱を除去する熱交換は熱交換器４８６で継続的に実行することができ、気体を設定基準の近傍の温度に保つよう確保することを目的とする。上述したように、熱交換器４８６または出入口４７０、４７１、４７２、４７３、および４７４のいずれかに進入する気体で所定の温度上昇が検出されたときに蓄熱体を切り替える単純な制御論理を採用することができる。これは大気に最も近い端部の熱フロントを切り捨てる効果をもたらす。
蓄熱体４０１、４０２、４０３、および４０４はそれぞれ異なる種類および寸法の少なくとも一方の媒体あるいは異なる構成の媒体を有することができる。すなわち、中空空間は蓄熱体の間で変動させることができる。このように、蓄熱体は、必要に応じて、直列での効率的なチャージや並列での急速チャージなどの様々な用途に適合させることができる。
この特定の多蓄熱体システムでは、蓄熱体が直列と並列の両方で接続される。（蓄熱体が直列に接続されない並列構造と、蓄熱体が並列に接続されない直列構造とが存在しうる。）これは必要な迂回接続を達成する単純な方法だが、該システムを、すべての蓄熱体を同時に使用してより迅速なチャージを行うためにも代替的に利用することができる。
さらに、気体流は、直列路と並列路との組合せに沿って流れ、たとえば、第１の蓄熱体を通過して複数の並列な蓄熱体構造に進入することもできる。この場合、第１の蓄熱体によって有効に提供される１つの熱フロントのみを用いて並列に複数の蓄熱体をチャージすることができる。第１の蓄熱体がフルチャージされ、並列な蓄熱体がチャージされると、流れの外へ切り替えられる。すべての熱フロントが第１の蓄熱体内で終了するようにディスチャージ流路を反転させることができる場合、第１の蓄熱体の圧力損失は、媒体および蓄熱体が同一であれば、並列な蓄熱体によって生じる圧力損失よりも大きくなる可能性が高いが、この圧力損失は限られた期間しか発生せず、各蓄熱体に複数の熱フロントを生成しないことで効率が向上するため、蓄電システムの一部として使用される際により高いシステム効率を達成することができる。
蓄熱システムは、蓄電システム、特に、ポンプ式熱蓄電システムまたは圧縮空気エネルギ貯蔵システムの１部を形成することができる。
ポンプ式熱蓄電システムは、第１ステージおよび第２ステージを備え、
前記第１ステージは、コンプレッサと、
コンプレッサによって圧縮された気体から熱エネルギを受け取り貯蔵する本発明による第１の蓄熱システムとを備え、
前記第２ステージは、第１の蓄熱体から気体を受け取るエキスパンダと、
エキスパンダによって膨張させられる気体の熱エネルギを転送する本発明による第２の蓄熱システムとを備え、
該システムは、チャージ段階およびディスチャージ段階の少なくとも一方において、気体を第１ステージおよび第２ステージの間を周期的に通過させるように構成された回路を備える。
本発明による２つの蓄熱システム９３および９５を使用することができる可逆性システム９０の例を概略的に図４に示す。
該システムは本出願人による国際公開第ＷＯ２００９／０４４１３９号パンフレットに記載されるようなポンプ式蓄熱システムであり、チャージモードでは電気エネルギを熱エネルギとして貯蔵するように動作可能であり、ディスチャージモードでは貯蔵された熱エネルギから電気エネルギを生成するように動作可能である可逆性システムである。該システムは、コンプレッサ９６およびエキスパンダ９８として作用するそれぞれの容積式装置、ならびに高圧（高温）蓄熱体１９６、１９７、１９８、１９９から成る蓄熱システム９５と低圧（低温）蓄熱体１９２、１９３、１９４、および１９５から成る蓄熱システム９３を備える。
蓄熱システム９３および９５は通常、それぞれフロー制御装置（たとえば、迂回弁）の動作を制御する制御システム９２を含み、上述したように各システム９３、９５に設けられるセンサと関連付けることができる。
蓄熱体１９８は、該システム９５のその他の蓄熱体１９６、１９７、および１９８とは異なる種類である。すなわち、異なる貯蔵特性を備える。たとえば、異なる種類の蓄熱媒体材料から成り、たとえば特定の状況でのみ使用することができる。同じことが他のシステム９３の蓄熱体１９３にも当てはまる。
チャージ段階中、１つの装置９６が低圧ガスを圧縮し、次いで，上述したように加圧気体が高圧蓄熱体１９６、１９７、１９８、および１９９の該システム９５を順次通過し、そこで熱を失った後、その他の装置９８において再度膨張させられ、低圧で低圧蓄熱体１９２、１９３、１９４、および１９５の該システム９３を通過し、上述したように再度順次熱を得て、最初の温度および圧力で回路の最初に戻る。
ディスチャージモードでは、作用を反転させるために容積式装置とそれぞれのシステムの高温蓄熱体および低温蓄熱体が必要であるため、たとえば、チャージされた高温蓄熱体は、より低温の気体を低温入口（以前は出口であった）に再び進入させる。
可逆性システムは、フルチャージサイクルまたはフルディスチャージサイクルを実行することができる、あるいは、チャージまたはディスチャージの任意の時点で作用を反転させることができる。たとえば、電気が電力会社によって要求される場合、チャージサイクルを中断して、該システムのディスチャージを開始させることによって貯蔵された熱エネルギを電気エネルギに変換させることができる。また、該システムは特定の期間、チャージ状態、未チャージ状態、あるいは一部チャージ状態に維持させる必要がある場合がある。
この可逆性システムでは、気体は空気あるいは窒素またはアルゴンなどの不活性ガスとすることができる。たとえば、高温蓄熱体はアルゴンで約１２バール（１．２ＭＰａ）の気体圧で、０〜５００℃の温度範囲で作用し、低温蓄熱体は略大気圧で０〜−１６０℃の温度範囲で作用することができる。
気体から固体への熱伝導のために充填層または多孔媒体を組み込んだ改良蓄熱システムでは、様々な蓄熱体が順に使用されて、熱伝導を高めること、および全体的な圧力低下を抑制することの少なくとも一方が実現される。

Claims (16)

  1. システム気体入口と、システム気体出口と、前記システム気体入口および前記システム気体出口の間に直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体とを備える蓄熱システムであって、各蓄熱体が気体入口と、気体出口と、前記気体入口および前記気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体とを有するチャンバを備え、前記蓄熱システムは、通路を迂回するように作動的に接続されるフロー制御装置をさらに備え、該フロー制御装置は、動作中に、前記蓄熱媒体に対して、または前記蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システムを流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて、直列の蓄熱体のうちのどの蓄熱体が使用されるかに関して選択的に変更できるように構成される蓄熱システム。
  2. 各蓄熱体の気体出口は、直列の蓄熱体のうちの最後の蓄熱体を除き、前記システム気体出口または直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体の気体入口のいずれかに選択的に接続可能である請求項１に記載の蓄熱システム。
  3. 各蓄熱体の気体入口が、直列の蓄熱体のうちの最後の蓄熱体を除き、直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体の気体入口に選択的に接続可能である請求項１または２に記載の蓄熱システム。
  4. 動作中において、熱フロントの前縁の進行に応じて気体流を直列の蓄熱体のうちの次の蓄熱体に方向付けることができるように構成される請求項１から３のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  5. 動作中において、熱フロントの後縁の進行に応じて気体流が蓄熱体を通過することを阻止できるように構成される請求項１から４のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  6. 請求項４および５に記載の気体流の方向変更が相互に独立している請求項４および５に記載の蓄熱システム。
  7. 前記２つ以上の蓄熱体が直列および並列に接続される請求項１から６のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  8. 直列の蓄熱体が少なくとも２つの異なる種類の蓄熱体である請求項１から７のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  9. 前記気体流路を選択的に変更する制御システムをさらに備える請求項１から８のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  10. 直列の蓄熱体のうちの少なくとも１つの蓄熱体における前記気体透過性の蓄熱媒体が平均粒径２０ｍｍ以下の粒子である請求項１から９のいずれか一項に記載の蓄熱システム。
  11. システム気体入口と、システム気体出口と、該システム気体入口およびシステム気体出口の間に直列に接続される少なくとも２つの蓄熱体とを備える蓄熱システムであって、各蓄熱体が気体入口と、気体出口と、前記気体入口および前記気体出口の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体とを有するチャンバを備え、通路を迂回するように作動的に接続されるフロー制御装置をさらに備える蓄熱システムを作動させる方法であり、気体が前記蓄熱媒体に対して、または前記蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために該蓄熱システムを流れ、気体流路が、熱伝導の進行に応じて、直列の蓄熱体のうちのどの蓄熱体が使用されるかに関して選択的に変更される方法。
  12. 前記蓄熱システムが請求項１から９のいずれか一項に記載される蓄熱システムである請求項１１に記載の方法。
  13. 前記蓄熱システムは請求項７に記載される蓄熱システムであり、チャージ段階中あるいはディスチャージ段階中、蓄熱体が直列および並列で使用される請求項１１に記載の方法。
  14. １つの熱フロントが分割されて複数の熱フロントを生成するように使用される請求項１３に記載の方法。
  15. 複数の熱フロントが融合されて１つの熱フロントを生成する請求項１３に記載の方法。
  16. 請求項１から９のいずれか一項に記載の蓄熱システムを備える蓄電システム。
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