JP2016029332A

JP2016029332A - 改良蓄熱装置

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Publication number: JP2016029332A
Application number: JP2015235844A
Authority: JP
Inventors: セバスチャンハウズ、ジョナサン; Johnathon Sebastian Howes; マクノートン、ジェームズ; James Macnaghten; ジェフリーハント、ローランド; Geoffrey Hunt Rowland
Original assignee: Isentropic Ltd
Current assignee: Isentropic Ltd
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-03-03
Also published as: CN103547881B; GB2502757A; GB201317435D0; JP2014508911A; GB2502757B; WO2012127179A1; JP2016029333A; EP2689208A1; CA2830190A1; GB2502758A; JP2014508912A; CA2830125A1; GB2502758B; JP5851580B2; JP5851581B2; GB201317434D0; CN103547880A; CA2830190C; US9658004B2; WO2012127178A1

Abstract

【課題】安価で効率よく、熱損失または圧力低下による損失を少なくとも軽減する改良蓄熱システムを提供する。【解決手段】蓄熱装置の少なくとも１つの蓄熱体（３００）は、気体入口（３０６）と、気体出口（３０７）と、気体入口（３０６）および気体出口（３０７）の間に配置される気体透過性の蓄熱媒体（３０３）とを有するチャンバ（３０１）を備え、蓄熱装置は、動作中において、蓄熱媒体（３０３）に対して、または蓄熱媒体（３０３）から熱エネルギを伝導するために気体入口（３０６）から気体出口（３０７）へチャンバ（３０１）を介して流れる気体の流路を、熱エネルギの伝導の進行に応じて選択的に変更することができ、熱エネルギの伝導が完了しており、蓄熱媒体が活発でない上流領域、あるいは熱エネルギの伝導がごくわずかである下流領域を、流路が迂回することができるように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は熱エネルギを貯蔵する装置および、その作動方法に関する。該装置は、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装置（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（ＳａｌｔＣａｖｅｒｎ）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（ＡｄｉａｂａｔｉｃＣＡＥＳ）が挙げられる。電気が貯蔵される場合、モータによって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、貯蔵材料の単位体積あたりの表面積が増加する傾向にある。つまり、「比表面積」がより高くなる。例えば、
充填層球体、１０ｍｍ径（立方充填）約３１４ｍ^２／ｍ^３
充填層球体、１ｍｍ径（立方充填）約３１４０ｍ^２／ｍ^３
多孔性金属発泡体、インチ当たり５個の孔（密度１２％）約４３０ｍ^２／ｍ^３
多孔性金属発泡体、インチ当たり４０個の孔（密度１２％）約２１００ｍ^２／ｍ^３
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３１４０ｍ^２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２１００ｍ^２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（Ｔｈｅｒｍａｌｆｒｏｎｔ）」、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１０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Ｌ_１で始まるが、容器を下方へ移動していく間に、長さが長さＬ_２まで、次いでＬ_３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Ｔ_Ｈ２およびＴ_Ａ２の間のフロント長の観点から論じることができる。Ｔ_Ｈ２およびＴ_Ａ２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（ｄＰ）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ｄＰが生じる場合、該蓄熱体における圧力勾配はｄＰ／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、気体入口と、気体出口と、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る少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱（または熱エネルギ貯蔵）装置であって、該蓄熱装置が、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、気体入口から気体出口へチャンバを通じて流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて選択的に変更できるように構成される。

熱伝導を発生させるため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、これは著しい圧力低下となる可能性がある。熱伝導の進行にあわせて気体流路を制御することによって、たとえば、熱伝導がほぼ完了している上流領域や熱伝導が最小となる下流領域などの蓄熱媒体の不活発領域を通る気体流を最小限に抑えることによって、この圧力低下を最小化することができる。気体流路は、たとえば、蓄熱媒体を通る代替ルート、蓄熱媒体の再構成、または蓄熱媒体に沿った主流通路の形成などにより、このような不活発領域を迂回するように構成してもよい。

気体流路は、チャンバを移動する熱フロントの進行に応じて選択的に変更される。上述したように、「熱フロント」とは、温度変化、蓄熱媒体および気体の少なくとも一方の温度上昇または低下を意味し、蓄熱体の熱伝導が最も活発な領域に現れる。熱フロント位置の上流の媒体および気体の少なくとも一方は、蓄熱体に進入する気体とほぼ同様の温度である（すなわち、この位置においては熱伝導が通常ほぼ完了している状態にあり、高温蓄熱体のチャージ時では、蓄熱媒体は蓄熱体に進入する気体の温度に近い温度である）。また、熱フロントの位置の下流の媒体および気体の少なくとも一方は、プロセス開始前の蓄熱媒体と同様の温度である（すなわち、この位置においては熱伝導がほぼ始まっていない状態にあり、高温蓄熱体のチャージ時では、気体はチャージ開始前の媒体の温度に近い温度である）。気体流路は、蓄熱媒体のうちの、熱フロントが存在する局部領域（すなわち、蓄熱媒体の熱伝導が活発な領域）のみを通過するように変更してもよい。このようにして、熱フロントが蓄熱システムの長さに沿って進行するにつれ、気体流が蓄熱媒体において異なる別個の活性領域に限定されてもよい。

流路の変更は通常、蓄熱媒体の上流部分および下流部分の間の気体分布を変更させるが、入口の下流の特定地点における断面領域、すなわち気体が（些細な偏差を除いて）ほぼ均一に分布される領域における異なる部分の間の気体流分布を変更させない。流路は、漸進的に変更されても、段階的に変更されてもよい。気体流路は、チャージサイクルまたはディスチャージサイクル中に少なくとも１回、少なくとも２回、通常は３回以上変更される。次いで気体流路は、蓄熱媒体の下流領域をそれぞれ流れるように分流してもよく、その各下流領域は重複した領域であっても、隣接した異なる領域であってもよい。

流路は、蓄熱媒体の性質および構成とチャンバの動作温度および圧力とに、部分的に応じて、様々に変更してもよい。
気体透過性の蓄熱媒体は構造上均一であってもよく、一体の構造としてもよい。選択された下流領域を気体流路から隔離するように、または気体流路に露出するように、複数の適切なフロー制御装置をチャンバの下流に所定間隔で設けてもよい。たとえば、弁、ポート、回転または摺動障壁、バッフルシステム、または蓄熱媒体自体（その支持構造が存在する場合には、蓄熱媒体および支持構造の少なくとも一方）の一部を移動させる機構などのフロー制御機構を使用してもよい。フロー制御装置は、たとえば内蔵センサから検出された温度変化に応じ、自動的に作動するか、動作中に、たとえば熱フロントの位置に応じて、気体流路を選択的に変更する制御システムによって制御されるように構成してもよい。制御システムは、蓄熱媒体内の熱伝導の進行度に関する情報を制御システムに提供するセンサまたはその他のフィードバックシステムを含んでもよい。これらは、蓄熱体の長さ方向に沿って蓄熱体の内部および外部の少なくとも一方に設けられて、チャンバ内の熱フロントの位置を監視すること、および出口で排出気体温度を測定することの少なくとも一方を行ってもよい。

好適な「層状蓄熱体」において、蓄熱媒体は、チャンバに沿った別個の下流部分に分割される。これらは互いに接触させても、間隔をおいてもよく、層としてチャンバの全幅にわたって延在させてもよい。フロー制御装置は、気体流が個々の部分あるいは２つまたは３つの隣接部分のセットを通過することができるように設けられて、構成されてもよく、流れは熱フロントの進行に追随するように、特定の部分からその隣接部分へ（あるいは、特定のセットの部分セットから新たないくつかの部分を含む別のセットへ）と切り替えられる。それらの部分が相互に間隔をおいて配置される場合、その空間は、入口から進入した気体を蓄熱体の断面全体に供給させ（均一な気体流が蓄熱媒体を通ることができるようにし、高温または低温スポットを最低限に抑えるまたは防止する）供給プレナムとしての役割を果たすことができる。さらに、供給プレナムと流体連通する供給ダクトまたはチャネルを供給網として設けて、気体が蓄熱媒体に均一に搬送されるように保証し、好ましくは気体がプレナムから供給ダクトまたはチャネルまで流れる断面流領域は最小化する。

蓄熱媒体は、蓄熱体において企図される温度および圧力での熱交換に適した任意の材料を備えてもよい。媒体は通路および孔の少なくとも一方の相互接続内部ネットワークを設けた一体構造の多孔構造としても、あるいは、気体が透過できるように充填された繊維、粒子、またはその他の通常は個体の材料などの粒子材料による充填層としてもよい。粒子材料の場合、材料が小さいほど、また、より高密度に充填されているほど、圧力低下の可能性が高くなるため、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以下の粒径を上記層状蓄熱体で使用してもよい。

一実施形態では、チャンバは、蓄熱媒体に沿って延在する少なくとも１つの主流通路と、蓄熱媒体における気体流路を変更するように、主流通路内の気体流路を選択的に変更可能な１つ以上のフロー制御装置とを備える。通路がフロー制御装置の活動および不活動によって閉鎖され、流路を蓄熱媒体へ分流させることがない限り、気体は、主流通路よりも流れに対する抵抗が高く、隣接する蓄熱媒体に進入することよりも優先して、主流通路に沿って下流流路を流れる。

通路から蓄熱媒体へのアクセスは様々な形態で提供してもよい。通路は壁通路を備え、下流側へ（たとえば、規則的または不規則的に）間隔をおいて配置される均等な透過性壁または透過（たとえば、穿孔）部分を有してもよい。もしくは通路は不透過性であってもよく、壁に沿って間隔をおいて開口部または間隙、ポート、あるいは通路を設けてもよい。支持構造内に保持される粒子蓄熱媒体の場合、通路は好ましくは、特にモジュール式システムが利用される場合、構造を支持する支持柱としても作用する。しかしながらその代わりに、通路は支持構造、たとえば、蓄熱媒体（たとえば、一体構造の場合）または蓄熱媒体を支持する構造（たとえば、粒子の場合、繊維など）によって画定してもよい。主流通路はチャンバの長さ全体にわたって延在していても（たとえば、入口から出口へ直接通じてもよい）、単に迂回作用を提供しているところなど、長さの一部に沿ってのみ延在していてもよい。通常は６つ以下、より一般的には２つまたは３つ以下の類似の主流通路が、チャンバの任意の特定の下流長さに沿って延在する。通路は部分的にも、全体的にも蓄熱媒体で囲むことができるが、好ましくは単独の主流通路がチャンバの中心に位置する。

少なくとも１つの主流通路は、蓄熱媒体に沿ってチャンバの長さ方向に延在する環状通路または筒状通路を備えてもよい。環状通路は、内壁および外壁の少なくとも一方に沿って蓄熱媒体を有し、たとえば、その内壁および外壁の少なくとも一方が蓄熱媒体内（たとえば、中央）に配置され、蓄熱媒体によって囲まれていてもよく、あるいは環状通路自体が蓄熱媒体を囲みチャンバ周囲に配置されてもよい。

一実施形態では、気体入口を（直接的または間接的に）気体出口に接続する１つの主流通路が設けられ、該主流通路は、チャンバに沿って蓄熱媒体を通って長さ方向に延在する通常円筒状の中央通路を備える。

一実施形態では、該装置は動作中において、気体流路を気体流通路から蓄熱媒体の複数の下流領域へそれぞれ分流させるように構成される。これらの領域は重複した領域であっても、隣接した異なる領域であってもよい。蓄熱媒体は連続構造、たとえば、連続気泡金属発泡体構造などの一体構造の蓄熱媒体であってもよい。たとえば、フロー制御装置の動作（相対移動を含む）により、流路を様々な領域に分流させてもよい。

好適な「層状蓄熱体」構成では、蓄熱媒体およびその支持構造の少なくとも一方は、フロー制御装置によって選択的に気体流路に露出する、あるいは気体流路から隔離することができる別個の部分または層に分割されており、主流通路に沿って下流位置にそれぞれ配置される。

一実施形態では、副流通路は、主流通路の長さに沿った複数の下流位置で、前記主流通路から離れるように水平方向に沿って延在しており、蓄熱媒体に水平気体流を通過させることができる。水平方向に沿って延在する副流通路は、それぞれの部分間に配置されること、および気体を通路の開口部から部分間へ（たとえば、プレナムへ直接）移送するように構成することの少なくとも一方の要件を備える。

一実施形態では、主流通路の長さに沿った複数の下流位置で、主流通路から離れるように水平方向に沿って延在し、蓄熱媒体が位置する部分に水平気体流を通過させることができるプレナムが設けられる。プレナムは、通常は蓄熱媒体（またはその支持構造）のすぐ上流または下流に間隙を備えてよく、蓄熱媒体（またはその支持構造）はいくつかの部分に設けてもよく、たとえばモジュール式にしてもよい。プレナムまたは副通路は、蓄熱媒体の断面全体にわたる均一な気体分布を促進することによって、気体を蓄熱媒体に均等に流させ、高温または低温スポットを最小化する、あるいは防止する。

一実施形態では、主流通路は、気体流路を蓄熱媒体内へ、又は蓄熱媒体外へ分流させるように、主流通路に沿って移動し、主流通路を遮断する少なくとも１つのバッフルシステムを備えるフロー制御装置によって、閉鎖される。バッフルによる主流通路の閉鎖は、部分的であっても完全であってもよく、通路が円筒状であればバッフルは円筒体に、通路が環状であればバッフルは環状体としてもよい。

一実施形態では、バッフルシステムは、バッフルシステムの上流面において気体流路を蓄熱媒体へ分流させるように、主流通路を遮断する。このように、気体流は、熱伝導が既にほぼ完了している熱フロントの上流の媒体が活発でない領域を迂回し、必要に応じて蓄熱媒体に進入することができるようにしてもよい。上流面の位置は、熱フロントの位置から上流にわずかな距離をおくべきである（すなわち、個体熱媒体内）。

一実施形態では、バッフルシステムは、バッフルの下流面において気体流路を蓄熱媒体から出現させるように、主流通路を遮断する。このようにして気体流を、熱伝導が最小となる熱フロントの下流の媒体が活発でない領域を迂回させてもよい。下流面の位置は、熱フロントの位置から下流にわずかに離して（すなわち、個体熱媒体内に）おくべきである。

バッフルは通路を遮断し、熱フロントが蓄熱体の活性部分においてのみ流体流を通過させるように通路に沿って移動するように構成されてもよい。
好ましくは、上流面の位置および下流面の位置は、熱フロントの長さを変動させることができるように個々に調節可能である。エネルギ貯蔵システムの場合、これにより該システムの効率を向上させることができるために好ましい。たとえば、蓄熱体が部分的にチャージされ、この状態で一定期間放置される場合、熱フロントが蓄熱体内の熱伝導によって長くなる傾向にある。そのため、この構成によれば、ディスチャージ時、この延長された熱フロントを許容するためにバッフル面の位置を変更する際に、利点がある。

バッフルシステムは同一の主流通路に設けてもよい。バッフルシステムは上流面および下流面を備え、上流面によって蓄熱媒体へ分流される気体流が、下流面に到達するまでは、主流通路に戻ることができないように構成してもよい。上流および下流面の分離は好ましくは、主通路の可変長の利用を遮断するように調節可能であり、これは伸縮体を用いて行ってもよい。上流面および下流面の少なくとも一方は、過度の乱流なく気体流を方向付けるような輪郭としてもよい。

もしくは、別個のバッフルシステムを別個のそれぞれの主流通路に設け、気体流路が一方の主流通路における一方のバッフルシステムの上流面で蓄熱媒体へ分流され、他方の主流通路における他方のバッフルシステムの下流面において蓄熱媒体から出現するように、主流通路を遮断してもよい。この構成では、さらに多くのチャンバ容積を通路として使用する必要があるが、別個のバッフル機構を使用して上流面と下流面をそれぞれ個々に制御することで、特に高動作温度が採用される場合は、作動させやすく、より頑丈とすることができる。

上記「層状蓄熱体」では、別個の部分または層が１つ以上の主流通路に沿ってそれぞれの下流位置に配置されており、バッフルシステムまたはシステムを使用して、気体流が１つの部分または複数の隣接する部分にアクセスするのを遮断してもよい。バッフルはたとえば、遮断する蓄熱媒体の部分の数を変動することができるように、例えば伸縮式に、拡張可能であってもよい。

気体入口に進入する気体がバッフルシステムに達するまで最小抵抗経路である主流通路を下方へ移動し、プレナムまたは副流通路に分流され、気体が直面する第１の遮断されていないプレナムまたは副流通路を介して主流通路に再度進入する前に、蓄熱媒体の１つ以上の部分を通過させることができるように、上記層状蓄熱体は、プレナムが各層の間に配置されること、および副流通路が各層の内部または各層の間に形成されることの少なくとも一方の要件を備える。上記バッフルおよび単独の中央通路を有する層状直立蓄熱体の場合、中央円筒状支持柱を備えてもよい。この支持柱には、その長さに沿って、層間のそれぞれのプレナムに連通するアクセスポートを設けてもよい。支持柱は、蓄熱媒体のそれぞれの層のための棚を支持してもよく、モジュール式に構築してもよい。支持アームは各層の支持柱から放射方向外側に延在し、剛性と副流通路の供給網を提供するものであってもよい。それぞれの層のアームは相互に整列されていてもよく、たとえば、追加の強度を得るため、蓄熱体の長さを延長した共通壁によって配設、支持されてもよい。

蓄熱装置は、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ていてもよい。この制御システムは、入口に配置されたセンサ、出口に配置されたセンサ、およびチャンバの長さに沿って配置されたセンサの少なくとも一つを含んでもよい。しかしながら、制御システムによる能動制御は、たとえば、動作態様が十分に認識される場合、および予想可能である場合の少なくとも一方において、必ずしも必要でない。

蓄熱装置は、少なくとも１つの蓄熱体と直列に配置され、かつ気体透過性の蓄熱媒体を含み、熱フロントを移動させるとともに、拘束するように構成されたチャンバを備える少なくとも１つの補助蓄熱体を備えてもよい。補助蓄熱体は好ましくは主蓄熱体と同一の内部チャンバ幅を有するが、主蓄熱体よりも短く（通常は長さの３分の１未満）、断熱性は高い。補助蓄熱体の使用は、熱フロントを（動作の休止中）主蓄熱体に維持させるのに好ましく、さもなければ温度差は最終的に制御できずに放散する。２つの上記補助蓄熱体を、少なくとも１つの蓄熱体の上流および下流に、それぞれ直列に配置してもよく、そこでチャージサイクルとディスチャージサイクルの両方の後に、熱フロントの「留め置き」が求められる場合もある。

通常蓄熱体は、熱フロントが蓄熱体を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た直立容器である。

蓄熱装置は直立チャンバを備えてもよく、そのチャンバの長さ方向に延在する１つ以上の略鉛直方向に沿った主流通路を有し、該装置は、高温入口として設定されるチャンバの最上部または低温入口として設定されるチャンバの最下部に気体入口が設けられるように構成される。通常蓄熱媒体は、選択的に気体流路に露出するか、気体流路から隔離することができる、それぞれの略水平蓄熱層に配置される。１つ以上の略水平断熱層は任意で上記蓄熱層の間に介在させてもよく、あるいは上記層と置き換えてもよい。

蓄熱装置は、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一部を形成するものであってもよい。
さらに、気体入口と、気体出口と、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る少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱装置を動作させる方法であって、畜熱媒体に対して、または蓄熱媒体から熱エネルギを伝導するために、気体を気体入口から気体出口へチャンバを通じて流れさせ、蓄熱媒体を通って移動する熱フロントの位置に応じて、前記気体の気体流路を選択的に変更する蓄熱装置を動作させる方法が提供される。

動作中において、蓄熱媒体のうち、熱伝導がほぼ完了している熱フロントの上流の領域を迂回するように、前記気体流路を変更してもよい。
動作中において、蓄熱媒体のうち、熱伝導が最小である熱フロントの下流の領域を迂回するように、前記気体流路を変更してもよい。この両方の流路変更が行われた場合、したがって流路は、蓄熱媒体のうち、熱フロントの周囲の局部的な領域のみを通過するように変更される。２つのそれぞれの流路変更は好ましくは、互いに独立して実行される。

該方法は、気体流路を蓄熱媒体のそれぞれの下流の領域に分流することを含んでもよく、これらの領域は重複した領域であっても、隣接した異なる領域であってもよい。気体流は第１の領域から、第１の領域の下流の第２の領域へ選択的に方向付けることができ、気体流は上記各領域を通って蓄熱体を長さ方向に沿って下方へ移動していくことができる。

本発明の一実施形態による蓄熱体の概略断面図である。図１の蓄熱体のモジュール部品の図である。図１の蓄熱体のモジュール部品の図である。図１の蓄熱体のモジュール部品の図である。図１の蓄熱体のモジュール部品の図である。図２のモジュール部品をより詳細に示す図である。チャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフル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の蓄熱体のバッフルシステムの動作を示す図である。蓄熱体の主流通路の別の構成の概略図である。蓄熱体の主流通路の別の構成の概略図である。蓄熱体の主流通路の別の構成の概略図である。代替バッフルシステムの断面図である。代替バッフルシステムの断面図である。代替バッフルシステムの断面図である。代替バッフルシステムの断面図である。図６ｂ、図６ｄのバッフルシステムの３つの断面図であり、３個、５個、９個の活性層をそれぞれ有する活性熱伝導領域を示す図である。各端に補助蓄熱体を備える蓄熱体の概略側面図である。伸縮式バッフルシステムの概略図である。ポンプ式熱蓄電システムの概略図である。蓄熱体における熱フロントの形成を示す図である。

本発明のいくつかの実施形態を、図面を参照して、単に例示のために、以下に説明する。
図１は、本発明による蓄熱体３００の概略断面図である。蓄熱体３００は、断熱された直立のチャンバまたは加圧容器３０１と、熱媒体支持構造３０２上に層状に配置された熱媒体３０３とを備える。熱媒体３０３は、砂利などの、多孔性または粒状の固体の形態を有する。気体出入口３０６および３０７がチャンバの両端にそれぞれ設けられており、蓄熱媒体３０３に沿ってチャンバを鉛直方向に沿って延在するシリンダ３０９によって形成される中央円筒状主流通路３１２に、それぞれの層を通じて、直接連通する。

図２および３は、層状蓄熱体３００の支持構造３０２および支持シリンダ３０９をより詳細に示している。システムはモジュール式であり、残りの支持構造３０２の支持体として作用するシリンダ３０９を備える。支持シリンダ３０９は、下流側へ相互に間隔をおいて配置される複数列の孔３５０を備え、該孔の列はそれぞれの下流層に対応している。各列の孔は上下の列の孔と整列されており、気体を蓄熱媒体へアクセスさせる。

シリンダ３０９によって支持される複数対の長手方向の羽根３６０は、「花弁」構造でシリンダから放射方向外側に延在する。これらの複数対の羽根は図３に示されるように、シリンダ３０９の長さに沿って延在しており、羽根の間に長手方向の空間が画定されている。しかしながらシリンダ孔３５０を通じて進入する気体流は、各層において水平方向に放射状に延在する固体棚３７０によって、前記空間を通って下流に流れることが防止される。該棚は図２ｄに示すように、列として相互に鉛直方向に重なりあって整列し、前記空間を各層において主流通路３１２から（「花弁」として）放射方向外側に延在する副流通路３６５に分割する。

各対の羽根３６０は、鉛直方向に積層された円形断面の支持トレイ３２２を支持する。支持トレイ３２２はそれぞれの下流層を形成して、蓄熱媒体３０３を支持および拘束する。各羽根はそれぞれの副流通路に対応して下流側へ相互に間隔をおいて設けられるとともに水平方向に配列された孔３７５を有し、この孔により副流通路３６５に進入した気体を蓄熱媒体に伝導させる。副流通路３６５の目的は、均一に分布された気体を、水平方向に配列された孔３７５に通過させることであるため、副流通路３６５はチャンバ壁に近づくにつれ、気体流の低減に比例してテーパ状に傾斜していてもよい。

羽根孔３７５は、層間に存在し、蓄熱媒体の各層の上部にプレナム３０８を形成する間隙３５５と整列される。最上層の上方に追加プレナム３１０と、最下層の下方に別のプレナム３１１とが設けられている。これら２つのプレナムは平行な側方チャンバを形成するように成形してもよく、あるいは、テーパ状などの非平行または非均一なチャンバを形成して、流れを媒体３０３の表面上に均一に分布させてもよい。プレナム間隙３０８は気体のみを含むものでもよいが、あるいは、気体へ最小流抵抗をもたらし、層間の熱伝導と対流の発現を低減させる高多孔性断熱材料（図示せず）を含んでもよい。シリンダの中間に、支持媒体の層の代わりに任意の断熱層３１３を設けてもよい。

バッフルシステムまたは弁３０５は、主流通路３１２を遮断するように主流通路３１２内の弁制御ワイヤまたはロッド３０４によって支持される。弁３０５はシリンダ３０９内に固着される円筒状ドラムから成る。弁３０５は断熱材料で作製しても、断熱材料を含んでもよい。弁３０５の上面および下面は、シリンダ３０９への流れまたはシリンダ３０９からの流れをプレナム空間３０８に均一に分流するように成形してもよい。シリンダ３０９に沿った弁３０５の位置は、制御システム３１４によって制御される弁制御ワイヤまたはロッド３０４により変更される。

図４ａ〜４ｉはチャージおよびディスチャージ中の図１の蓄熱体のバッフルシステムまたは弁３０５の動作を示す。
蓄熱体を使用して熱を貯蔵する場合、チャージ状態での温度はディスチャージ状態での温度よりも高い。蓄熱体が「低温」を貯蔵する場合、チャージ状態での温度はディスチャージ状態での温度よりも低い。図４ａでは、改良蓄熱システムはディスチャージ状態にあり、たとえば、温度Ｔ_Ａ（周囲温度）にある。蓄熱容器３０１の右方には、蓄熱体の最上部から最下部へ進む際の容器内の気体温度を示すグラフが示されている。流れが存在しない場合、気体温度は蓄熱媒体の温度に近づく。熱を貯蔵するのに使用される蓄熱体の場合、最上部から下方へチャージするのが好ましい。「低温」の場合は逆が当てはまる。該システムはディスチャージ状態にあり、チャージ状態ではないため、図４ａでは蓄熱体内または蓄熱体を通る気体流がない。

チャージモードでは、高温気体が出入口３０６を介して進入し、低温気体が出入口３０７を介して退出する。ディスチャージ時は、比較的低温の気体が出入口３０７を介して進入し、比較的高温の気体が出入口３０６を介して退出する。

図４ｂは、システムがチャージを始めている様子を示す。気体が出入口３０６を通じてシステムに進入し、弁３０５に接触する。弁３０５は、気体への最小抵抗路として作用するシリンダ３０９を遮断しているため、流れはプレナム３１０へ分流させられる。その後、気体は熱媒体の３層に進入し、通過した後、シリンダ３０９（最小抵抗路）内に戻り、出入口３０７を通じて蓄熱体から退出する。気体は熱媒体を通過する際に、熱媒体を加熱しながら冷却される。これにより蓄熱体内に熱フロントが設定され、気体は入口温度であるＴ_Ｈから、開始時の蓄熱体の温度であるＴ_Ａ近くになるまで冷却させられる。気体が蓄熱体を多く通過すればするほど、この熱フロントは蓄熱体内において下方へ移動していく。この様子を図４ｃおよび図４ｄに示す。

実際には２つの熱フロントが存在し、一方は個体熱媒体に、他方は気体に存在する。熱フロントは気体と個体熱媒体３０３との間の温度差によって生じ、流速や熱媒体３０３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の粒子から成る場合、気体および固体の間の温度差は非常に低い。熱媒体が比較的大きい、たとえば砂利から成る場合、同一の流速であれば、温度差は増大し、気体熱フロントと個体熱フロントとが分離される。チャージ時、個体熱フロントは常に気体熱フロントから遅れる。

このわずかな温度差のため、蓄熱体または層は、蓄熱体に進入する気体の温度に決して到達しない。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。

気体が熱媒体を通過する際に圧力低下が生じる。この圧力低下により、均一に分布された流れが熱媒体に進入し、熱伝導が熱媒体全体で均一に発生するように保証することができ、低温スポットを防止することができる。圧力低下の量が小さすぎて、このような作用が得られない場合には、空間の周囲の流れを自然に分布させるように、プレナム空間３０８、３１０、および３１１の形状を設計してもよい。

図４ｄでは、熱フロントがプレナム空間３０８の１つを横断している様子が示されている。プレナムを横断する際、気体を冷却する機会がないため、温度はプレナム全体で略一定である。図４ｄでは、熱フロントが第３の層の端部に近づき始め、第１の層が適切にチャージされる。この地点では、図４ｅに示されるように、弁３０５は１つの層分だけ降下される。これは、気体に第１の層を迂回させ、第４の層を気体回路内に配置する効果をもたらす。このプロセスは、図４ｇに示されるように弁が最後の層に達するまで繰り返される。この段階でシステムは、気体熱フロントがちょうど蓄熱体を退出して、最終層に残されるように稼働される。

熱フロントは蓄熱体内を下方へ移動するにつれ、長くなる傾向がある。弁は固定長の単純な弁でもよいが、好ましくは、熱フロントの長さの変化に応じて長さ調節ができるように構成される。伸縮弁８００の一例を図８に示す。この弁の上流面および下流面を個別に動作させる制御論理を以下に説明する。

図４ｇは、フルチャージ状態にある蓄熱体を示す。図４ｈは、気体流が反転されてディスチャージされつつある蓄熱体を示す。図４ｉは、ディスチャージ状態にある蓄熱体を示すが、次のチャージサイクルに利用できるように熱フロントが蓄熱体内に残されている。長期間残されている場合、熱フロントはゆるやかに弱まり、蓄熱体へさらに延びる。蓄熱体は図４ａの状態または図４ｉの状態、あるいはその間の任意の状態から動作開始することができる。

蓄熱体がチャージまたはディスチャージされるとき、生成されている熱フロントを保持することが好都合である可能性がある。これは熱フロントを蓄熱体内に残しておくことによって達成できる。この熱フロントが「留め置かれる」領域は、熱フロントの温度プロファイルを維持するように設計することができる、すなわち、断熱材料で包囲するか、断熱材料で形成することができる（たとえば、層を断熱層３１３と同様にチャンバの端部に設けることができる）。もしくは、この目的で設計された別個の蓄熱体内にフロントを留め置くことがより好都合であり得る。

図７は、蓄熱体７００が、チャージまたはディスチャージサイクル完了後に熱フロントを「留め置く」ために蓄熱体７００の両端にそれぞれ設けられた補助蓄熱体７０２および７０４を示しており、それらが直列に配置される様子（主流通路とフロー制御装置は図示せず）を示している。通常、蓄熱体７００は補助蓄熱体７０２および７０４よりも著しく大きい。この形態では、熱フロントはディスチャージ時には補助蓄熱体７０２（高温蓄熱体であると仮定）に貯蔵され、チャージ時には補助蓄熱体７０４に貯蔵される。このように、補助蓄熱体７０２内の媒体は、システムがチャージされると最終的には貯蔵材料全体の一部となる。この設計は、定期的にチャージおよびディスチャージが行われない蓄熱体にとって、より好適である。

図４ａ〜４ｉは、フルチャージまたはディスチャージされている蓄熱体を示す。しかしながら、このプロセス中の任意の段階で気体流を反転させることができ、ディスチャージの開始前にフロントを蓄熱体の端部へ移動させる必要はない。

再び調節可能な弁について説明すると、柔軟な弁長さの利点は、層の間の気体温度に基づき制御論理を設定できることにあり、チャージされた層の間の気体温度に基づいて、バッフルの上部の移動を制御し（高温蓄熱体チャージ時）、各層からの排出気体温度に応じて、弁の下部が次の層を含むように移動するときを決定する。このように、弁の上部の移動および下部の移動はそれぞれ独立しており、異なる基準に基づいて行われる。

たとえば、特定のバッフルシステムが上流面で通路からの気体流を媒体へ分流し、かつ同一の（または別の）バッフルシステムが下流面で気体流路を媒体から同一の（または別の）通路に出現させ、かつ上流面および下流面が個々に制御される単層蓄熱体用のチャージ制御論理は、以下のように実行することができる。

＜「高温」蓄熱体のチャージ＞
１）Ｔ_{ｌａｙｅｒＵ}は、活発な熱伝導が発生している領域の最上流層である特定層の出口における気体温度であり、すなわち、流れが各層を通過した後に測定される温度であって、当該温度は（気体を強制的にそれらの層へ送るバッフルによって）気体が直面することになる層のうち最初の層を通過した直後のものである。Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}は容器への入口における気体の温度であり、Ｔ_{ｉｎｌｅｔｄｉｆｆ}は入口温度からの選択される温度差である。次の場合に、バッフルシステムの上流面は（流れが特定層を迂回するように）１つの層分だけ下方へ移動する。

Ｔ_{ｌａｙｅｒＵ}＝Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}−Ｔ_{ｉｎｌｅｔｄｉｆｆ}
すなわち、層が入口温度に近づき、熱伝導がほぼ完了するときである。たとえば、５０℃から５００℃へ高温蓄熱体をチャージすると、Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}は５００℃であり、Ｔ_{ｉｎｌｅｔｄｉｆｆ}は１０℃であり得る。この場合、バッフルはＴ_{ｌａｙｅｒＵ}＝４９０℃（すなわち、５００℃−１０℃）のときに移動する。

２）Ｔ_{ｌａｙｅｒＤ}は、活発な熱伝導が発生している領域の最下流層である特定層の出口における温度であり、すなわち、流れが各層を通過した後に測定される温度であって、当該温度は気体が直面することになる層のうち最後の層を通過した直後のものである。この温度は、容器からの出口における温度Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔ}に非常に近いことが多い。Ｔ_{ｓｔａｒｔ}は容器内の気体（および固体）の開始温度であり、Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔｄｉｆｆ}は開始温度からの選択される温度差であり、バッフルシステムの下流面は、次の場合に１つの層分だけ下方へ移動する。

Ｔ_{ｌａｙｅｒＤ}＝Ｔ_{ｓｔａｒｔ}＋Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔｄｉｆｆ}
すなわち、層の温度が、開始温度（通常はその層の下方の全層の温度）から著しく上昇し始めるときである。たとえば、５０℃から５００℃へ高温蓄熱体をチャージするとき、Ｔ_{ｓｔａｒｔ}は５０℃であり、Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔｄｉｆｆ}は２５℃であり得る（たとえば、７５℃＝５０℃＋２５℃）。このために、熱電対などの温度センサを容器内の様々な高さに設置してもよい。入口容器温度および出口容器温度を要求に応じて測定してもよい。

＜「高温」蓄熱体のディスチャージ＞
３）流れが反転され、出口が入口となり、低温気体が（直立蓄熱体の最下部から）高温蓄熱体に進入して蓄熱体を冷却する場合、活性伝導領域の（すなわち、入口に最も近い）最上流層が冷却されたとき、上流面（ここでは直立蓄熱体の下側面）が１つの層分だけ上方へ移動し、その層のすぐ後の温度は、（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。

Ｔ_{ｌａｙｅｒＵｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ}＝Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}＋Ｔ_{ｉｎｌｅｔｄｉｆｆ}
たとえば、Ｔ_{ｉｎｌｅｔ}が４０℃で、Ｔ_{ｉｎｌｅｔｄｉｆｆ}が１０℃とすると、Ｔ_{ｌａｙｅｒＵｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ}＝５０℃（すなわち、４０℃＋１０℃）となる。

このように、通常動作では、Ｔ_{ｌａｙｅｒＵｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ}は最終的にはＴ_{ｓｔａｒｔ}と略同一の温度になる。
４）最下流層（出口に最も近い）が（高温）開始温度から特定量だけ冷却し終えたとき、下流面は１つの層分だけ上方へ移動する（開始温度は、蓄熱体の残りの下流にまだ存在し、上記１）におけるチャージ時のＴ_{ｌａｙｅｒＵ}とほぼ等しい）。

Ｔ_{ｌａｙｅｒＤｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ}＝Ｔ_{ｈｏｔｓｔａｒｔ}−Ｔ_{ｏｕｔｌｅｔｄｉｆｆ}
（たとえば、４８０℃＝４９０℃−１０℃）
上記蓄熱体は、図５ｃに示されるように中央円筒状通路を有するが、他の種類の通路を採用してもよい。たとえば、図５ａは貯蔵容器の周囲に配置される環状通路を示し、図５ｂは２つの通路、すなわち、周囲環状通路および中央通路を示す。

上述したように、バッフルシステムの上流および下流でそれぞれの気体流路変更を個別に制御することが望ましい。長さを変更できる複雑なバッフルシステムを使用することなく、これを実現する方法の１つは、それぞれがバッフルシステムを含む２つの別々の通路を使用することであり、各バッフルシステムが上流および下流の変更をそれぞれ制御する。よって、図５ｂは、協働する円筒状バッフルシステムと環状バッフルシステムとを備えることができる。

図６ａおよび６ｂは２つの別の代替二重バッフル構造を示す。図６ａでは、中央に配置された２つの筒状通路６０および６２はそれぞれ、気体流を蓄熱媒体へ分流する弁面６４と気体流を媒体から戻す弁面６６とを有する対向ピストンによって占有される。よって、蓄熱媒体の面６４および６６の間の領域は気体流に露出され、この媒体領域では熱フロントが局在化される（蓄熱媒体全体が気体流に露出されている場合でも、活発な熱伝導が生じる唯一の領域）。

図６ｂは二重バッフル構造を単独の筒状通路６１で示す。ここでは、ピストン６３は気体流を蓄熱媒体に分流させる活性弁面６５を有する。しかしながら、環状バッフル構造６７には、気体流が通路６１に再度進入する環状弁面６９が設けられる。環状バッフル構造６７は気体透過壁も有するが、個体隔壁６００によって分離されるそれぞれの下流区画として構成される。この構成では封止リング６１０は、気体が環状バッフル構造６７の内側または外側環状壁から滑り落ちるのを防ぐために必要である。

図６ｅは、活性熱伝導領域を示す図６ｂおよび６ｄのバッフルシステムをわずかに変更したバージョンの３つの拡大部分図であり、外側環状バッフル構造６４０内での内側固体円筒状バッフル６３０の下方相対移動によってそれぞれ形成される、３個、５個、および９個の活性層を有する。バッフル構造６４０は一部影付き部で示され（本形態では）その部分が固体であることを示す。したがって、バッフル構造６４０は固体領域では水平方向に気体流は透過できず、独自に通路を気体流から遮断することができる。環状構造６４０の残りは開放されているが、前と同様に水平固体隔壁を有する。バッフル６４０の開放構造部分も固体円筒状バッフル６３０も自身では気体流を遮断できないが、相互に整列すると、通路において気体流を遮断することができる。よって蓄熱体は、本例ではどの時点でも、熱伝導のために最小数である３つの活性層を使用することになる。最小数の活性層を設定する利点は、円筒状バッフル６３０の長さを最小限にとどめられることである。たとえば、蓄熱体が熱フロントの占有する３〜１０層を必要とした場合、環状バッフル構造６４０が蓄熱媒体の３つの部分または層６５０に対応する長さの固体部分を有していなければ、チャージ開始時に３層のみが熱フロント（すなわち、活性熱伝導の領域）に必要なとき、円筒状バッフル６３０は（４層のみがはみ出るのではなく）蓄熱体の上部に７層分をはみ出させることになる。これにより蓄熱体の全体の高さが低く保たれる。

本発明による蓄熱体９２、９４を使用しうる可逆性システム９０の一例を図９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し、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、ならびに高圧（高温）蓄熱体９４および低圧（低温）蓄熱体９２として作用するそれぞれの容積式装置を備える。チャージ段階中、１つの装置９６が低圧ガスを圧縮し、次いで加圧気体が高圧蓄熱体９４を通過して、そこで熱を失った後、別の装置９８で再膨張させられ、低圧で低圧蓄熱体９２を通過し、そこで熱を得て元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、容積式装置と高温および低温蓄熱体は作用を反転する必要があり、たとえば、チャージされた高温蓄熱体は低温入口（以前は出口であった）に再び進入する低温気体を有する。

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してもよいし、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てもよい。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。

該システムは、特定の期間、チャージ状態、未チャージ状態、一部チャージ状態を維持してもよい。それに関し、それぞれの下流層の間に断熱層を介在させて利用することは、熱フロントのプロファイルや特性を保持するのに役立つ。動作がフルチャージまたはフルディスチャージサイクル後に終了する場合、補助蓄熱体を使用して、上述したように熱フロントを「留め置く」ことが好ましい場合もある。

本可逆性システムでは、気体は空気あるいは、窒素やアルゴンなどの不活性ガスであってもよい。たとえば、高温蓄熱体はアルゴンの約１２バール（１．２ＭＰａ）の気体圧、０〜５００℃の温度範囲で作用し、低温蓄熱体は略大気圧かつ０〜−１６０℃の温度範囲で作用するものであってもよい。

気体から固体への熱伝導のために充填層または多孔性媒体を組み込んだ改良蓄熱システムでは、蓄熱体または複数の蓄熱体の様々な部分が使用されて改良蓄熱システムを構成しており、より優れた熱伝導が得られること、および全体の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。また蓄熱体は、どの時点でもわずかな部分だけが活性化されるように、すなわち、気体を通過させるように設計される。
［付記１］
少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱装置であって、前記蓄熱体は、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た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、前記気体入口から前記気体出口へ前記チャンバを通じて流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて選択的に変更できるように構成される蓄熱装置。
［付記２］
前記蓄熱媒体は、前記チャンバに沿って複数の下流部分に分割されている付記１に記載の蓄熱装置。
［付記３］
前記チャンバは、前記蓄熱媒体に沿って延在する少なくとも１つの主流通路と、前記蓄熱媒体における気体流路を変更するように、前記主流通路内の気体流路を選択的に変更可能な１つ以上のフロー制御装置とを備える付記１または付記２に記載の蓄熱装置。
[付記４]
動作中において、前記気体流路を前記気体流通路から前記蓄熱媒体の複数の下流領域へ分流させるように構成される付記３に記載の蓄熱装置。
[付記５]
前記気体入口を前記気体出口に接続する１つの主流通路が設けられ、該主流通路は、前記チャンバに沿って前記蓄熱媒体を通って長さ方向に沿って延在する中央通路を備える付記３または付記４に記載の蓄熱装置。
[付記６]
前記主流通路の長さ方向に沿った複数の下流位置において、副流通路が、前記主流通路から離れるように水平方向に沿ってそれぞれ延在しており、前記蓄熱媒体に水平気体流を通過させる付記３から５のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
[付記７]
前記主流通路の長さ方向に沿った複数の下流位置において、前記主流通路から離れるように水平方向に沿ってそれぞれ延在し、前記蓄熱媒体に水平気体流を通過させるプレナムを備える付記３から６のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
[付記８]
気体流路を前記蓄熱媒体内へ、又は前記蓄熱媒体外へ分流するように、主流通路に沿って移動し前記主流通路を遮断する少なくとも１つのバッフルシステムを備えるフロー制御装置によって、前記主流通路が閉鎖される付記３から７のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
[付記９]
前記バッフルシステムは、前記バッフルシステムの上流面において気体流路を前記蓄熱媒体へ分流させるように、前記主流通路を遮断する付記８に記載の蓄熱装置。
[付記１０]
前記バッフルシステムは、前記バッフルシステムの下流面において気体流路を前記蓄熱媒体から出現させるように、前記主流通路を遮断する付記８に記載の蓄熱装置。
[付記１１]
前記バッフルシステムが同一の主流通路に設けられ、前記気体流路が同一のバッフルシステムの上流面および下流面において前記蓄熱媒体へ分流され、かつ前記蓄熱媒体から出現するように主流通路を遮断する付記９および１０に記載の蓄熱装置。
［付記１２］
別個のバッフルシステムが別個の主流通路にそれぞれ設けられ、前記気体流路が一方の主流通路における一方のバッフルシステムの上流面において前記蓄熱媒体へ分流され、他方の主流通路における他方のバッフルシステムの下流面において前記蓄熱媒体から出現するように前記主流通路を遮断する付記９および１０に記載の蓄熱装置。
［付記１３］
前記上流面の位置および下流面の位置を個別に調節可能である付記９および１０に記載の蓄熱装置。
［付記１４］
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付記１から１３のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
［付記１５］
前記少なくとも１つの蓄熱体と直列に配置され、かつ、気体透過性の蓄熱媒体を含み、熱フロントを移動させるとともに、拘束するように構成されるチャンバとを備える少なくとも１つの補助蓄熱体をさらに備える付記１から１４のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
［付記１６］
上記補助蓄熱体が２つ設けられ、前記補助蓄熱体が前記少なくとも１つの蓄熱体の上流および下流にそれぞれ直列に配置される付記１５に記載の蓄熱装置。
［付記１７］
前記蓄熱媒体が、選択的に、前記気体流路に露出する、あるいは前記気体流路から隔離することができる部分に配置される付記１から１６のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
［付記１８］
直立チャンバを備え、前記チャンバに沿って、１つ以上のほぼ鉛直な主流通路が長さ方向に沿って延在し、高温入口として設定される前記チャンバの最上部に、または低温入口として設定される前記チャンバの最下部に前記気体入口が設けられるように構成される付記１から１７のいずれか一項に記載の蓄熱装置。
［付記１９］
前記蓄熱媒体が、選択的に、前記気体流路に露出する、あるいは前記気体流路から隔離することができるほぼ水平蓄熱層にそれぞれ配置され、
少なくとも１つのほぼ水平断熱層が任意選択的に前記蓄熱層の間に介在する付記１８に記載の蓄熱装置。
［付記２０］
付記１から１９のいずれか一項に記載の蓄熱装置を備える蓄電システム。
［付記２１］
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る少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱装置を動作させる方法であって、
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、気体を前記気体入口から前記気体出口へ前記チャンバ内を通過させ、
前記蓄熱媒体を通って移動している熱フロントの位置に応じて、前記気体の気体流路を選択的に変更する蓄熱装置を動作させる方法。
［付記２２］
前記蓄熱装置が付記１から１９のいずれか一項に記載の蓄熱装置である付記２１に記載の方法。
［付記２３］
動作中において、前記蓄熱媒体のうち、熱伝導がほぼ完了している前記熱フロントの上流の領域を迂回するように、前記気体流路を変更する付記２１または付記２２に記載の方法。
［付記２４］
動作中において、前記蓄熱媒体のうち、熱伝導が最小である前記熱フロントの下流の領域を迂回するように、前記気体流路を変更する付記２１または付記２２に記載の方法。
［付記２５］
前記蓄熱媒体のうち、前記熱フロントの周囲の局部的な領域のみを通過するように、前記気体流路を変更する付記２３および２４に記載の方法。
［付記２６］
付記２３および２４に記載の前記気体流路の変更が相互に独立して実行される付記２５に記載の方法。

Claims

少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱装置であって、前記蓄熱体は、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た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、前記気体入口から前記気体出口へ前記チャンバを通じて流れる気体の気体流路を、熱伝導の進行に応じて選択的に変更できるように構成される蓄熱装置。
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る少なくとも１つの蓄熱体を備える蓄熱装置を動作させる方法であって、
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、気体を前記気体入口から前記気体出口へ前記チャンバ内を通過させ、
前記蓄熱媒体を通って移動している熱フロントの位置に応じて、前記気体の気体流路を選択的に変更する蓄熱装置を動作させる方法。