JP2017502450A - 高温バッテリーを備えた熱貯蔵システム - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１００℃の動作温度を有し、且つ、熱を供給し、熱を散逸させるための熱交換器液（２０）と接触する複数の蓄電単電池（１１）を有する高温バッテリー（１０）を備える熱貯蔵システム（１）に関し、熱貯蔵流体（３１）を有する第１の熱貯蔵装置（３０）がさらに含まれ、前記熱貯蔵装置は、熱を高温バッテリー（１０）から熱貯蔵流体（３１）へ伝達することができる方法で高温バッテリー（１０）に熱接続され、また、熱貯蔵装置（３０）自体は、伝熱のために低温熱貯蔵装置（４０）に熱接続され、前記低温熱貯蔵装置は、少なくとも４０℃の温度レベルの低温熱を貯蔵するために提供される。

Description

本発明は、少なくとも１００℃の動作温度を有し、また、熱を供給し、熱を除去するための熱交換器液と接触する複数の蓄電単電池を有する高温バッテリーを備える熱貯蔵システムに関する。さらに、本発明は、このような熱貯蔵システムを動作させるための方法に関する。

電気エネルギーを提供するための再生式エネルギー源のさらなる発展に伴い、様々な技術団体によって、それに付随する分散型の貯蔵解決法を増加させる必要があると考えられている。このような貯蔵は、電力供給網によって供給される電流の品質改善に寄与することになり、また、電気供給を均一にすることになる。適切な貯蔵とは、特に、電力供給網における電気エネルギーの過剰供給を吸収し、後に需要が増加した時点で吸収した電気エネルギーを電力供給網にもう一度供給することができるよう、数時間にわたる一時的な貯蔵に適していることである。

例えば本発明によって提供される高温バッテリーの使用は、それらの高温バッテリーを電力供給網からの電気エネルギーの貯蔵に特に適したものにしている多くの有利な特性（高エネルギー貯蔵密度、高サイクル充電数、等々）によって区別される。しかしながら、高温バッテリーは、大きなエネルギー発生熱損失をもたらす大量の排熱が生成される欠点を有している。これは、動作温度が周囲温度レベルより著しく高いためである。しかしながら、それと同時に、迅速な動作を少しでも保証することができるようにするためには、高温バッテリーは高い動作温度レベルに維持される必要がある。この場合、動作温度の変化を実質的に回避すること、例えばバッテリー特性および動作特性に対する有害な影響を回避することが特に必要である。要するに、例えば温度変化は、迅速な動作を損なうことになる高温バッテリーの蓄電単電池の永久的な化学変化の原因になり得るだけでなく、どちらかと言えば温度変化は、例えば、最悪の場合には高温バッテリーの蓄電単電池の破壊を伴うことがある導イオンセパレータ（電解質）内の引張りクラックなどの機能構成要素に対する損傷の原因になることもある。

従来の熱貯蔵システムは周囲との熱交換を使用しており、この熱交換は、温度等化をもたらすために典型的には対流によって駆動される。したがって、例えばこのような高温バッテリーの蓄電単電池は空気によって取り囲まれており、したがって周囲との適切な熱交換を保証することができる。蓄電単電池の改良された温度制御を達成するためには、例えばファンによって空気に流れを加えることも可能であり、それにより目標とする方法で高温バッテリーに熱を供給し、あるいは高温バッテリーから熱を散逸させることができる。加熱空気による高温バッテリーの蓄電単電池への熱供給は、通常、その伝熱性能が乏しいために有効活用されず、したがって場合によっては、例えば高温バッテリーを適切な動作温度に維持することができるようにするために、適切な加熱デバイスが高温バッテリー内に統合されることもある。一方、熱散逸が必要である場合、空気による周囲への対流伝熱は、基本的に低動作温度で可能である。しかしながら、それにもかかわらず、大量の熱を散逸させなければならず、これは、時によっては著しく変化するため、これらの温度においても大きな温度変化が依然として生じ得ることが同じく分かっている。

さらに、この方法で散逸される熱エネルギーは、通常、他のプロセスで失われる欠点があることが分かっている。したがって、例えば周囲の空気に伝達される熱は他の用途のためには提供されず、したがって高温バッテリーが動作している間の総合効率が不利になる。しかしながら、たとえこの熱を他の用途のために提供することができたとしても、熱が生じる時点は、通常、例えば生じる熱が有効な熱として需要がある時点に対応しないことが分かっている。したがって、例えばナトリウム−ニッケル−クロライド電池（ＮａＮｉＣｌ_２電池）の技術に基づく高温バッテリーは、特に放電時に熱エネルギーを発生する。しかしながら、高温バッテリーの放電は、典型的には、数分ないし数時間の時間期間にわたってのみ生じる。したがってこの熱源からの直接の連続熱供給は不可能であり、ましてや熱エネルギーの需要が多い場合は不可能である。熱に対するこの需要は、一日の中で変化し、また、季節の移り変わりでも変化し得るが、電力供給網からの電気エネルギーの需要には実質的に無関係である。

したがって本発明の基礎をなしている目的は、従来技術で知られている欠点を回避することである。特に、熱貯蔵システムが動作している間、著しい効率改善を達成することは技術的に望ましいことが分かっている。この場合、効率改善は、高温バッテリーの総合動作、つまり充電動作および同じく放電動作の両方に関連していることが好ましい。さらに、本発明は、高温バッテリーへの熱の供給および高温バッテリーからの同じく熱の散逸に関して従来技術で知られている欠点の回避を可能にすることである。さらに、比較的狭い幅または変化を有する温度範囲において高い信頼性で高温バッテリーを動作させることができるよう、高温バッテリーの動作温度の広範囲にわたる一貫性を保証することが望ましい。典型的な変化幅は、この場合、約２０℃、好ましくは約１０℃である。したがって動作効率を改善することができるだけでなく、どちらかと言えば高温バッテリーの蓄電単電池の耐故障性および耐保全性に対して有利に影響を及ぼすことも可能である。

本発明によれば、これらの基本的な目的は、請求項１に記載されている熱貯蔵システムによって、および、以下で説明される、請求項８に記載されている、このような貯蔵システムを動作させるための方法によって達成される。

特に、本発明の基礎をなしている目的は、少なくとも１００℃の動作温度を有し、また、熱の供給および散逸のための熱交換器液と接触する複数の蓄電単電池を有する高温バッテリーを備える熱貯蔵システムによって達成され、さらに、熱を高温バッテリーから熱貯蔵流体へ伝達することができるよう、高温バッテリーと熱的に相互接続される熱貯蔵液を有する第１の熱貯蔵装置が含まれ、熱貯蔵装置は、それ自体、伝熱のために、少なくとも４０℃の温度レベルの低温熱を貯蔵するために提供される低温熱貯蔵装置と熱的に相互接続される。

さらに、本発明の基礎をなしている目的は、特に、上で説明した、また、以下で同じく説明されるこのような熱貯蔵システムを動作させるための方法によって達成され、方法は、
− 熱を発生している間に高温バッテリーを動作させるステップと、
− この熱の少なくとも一部を熱交換器液に伝達するステップと、
− この熱の少なくとも一部を熱貯蔵流体によって熱貯蔵装置に貯蔵するステップと、
− この熱の少なくとも一部を低温熱貯蔵装置に伝達するステップと
を含む。

本発明による高温バッテリーは、典型的には、共有ハウジング内で互いに電気的に相互接続されて高温バッテリーを形成している複数の蓄電単電池を備えている。高温バッテリーの蓄電単電池は熱交換器液と熱接触し、熱の供給または散逸を保証している。蓄電単電池は、少なくとも１００℃である所定の動作温度を有している。実施形態によれば、高温バッテリーは、約５００℃の最大動作温度を同じく有している。したがって本発明による高温バッテリーは、特にナトリウム−ニッケル−クロライド電池および同じくナトリウム−硫黄電池（ＮａＳ電池）の技術、ならびにそれに関連するすべての貯蔵技術に関している。

蓄電単電池は、動作モードに応じて熱を散逸させることができるか、または例えば動作温度に到達するために熱を供給しなければならない。したがって例えばナトリウム−ニッケル−クロライド電池の技術に基づく高温バッテリーは、温度に依存する内部電池抵抗を十分に小さな値に維持することができるようにするためには、約２５０℃の少なくとも温度レベルに到達しなければならない。これは、十分に高い温度レベルに到達すると、蓄電単電池に含まれているセパレータ（典型的には固体セパレータ）が最初に十分に強い導イオン性になり、したがって内部電池イオンが流れてバッテリー動作を可能にすることによるものである。

この時点で、本発明による高温バッテリーの熱供給は、熱交換器液から蓄電単電池への熱エネルギーの供給、および同じく蓄電単電池から熱交換器液への熱エネルギーの伝達の両方からなることに留意されたい。したがって熱は、この事例では、その一般的な形態であることを理解されたい。したがって、熱の概念は、正の熱エネルギーおよび同じく負の熱エネルギー（冷たい）の両方からなっていてもよい。

熱交換器液による高温バッテリーの蓄電単電池からの熱の本発明によるデカップリング、および引き続く低温熱貯蔵装置へのこの熱の伝達により、熱は、あらゆる形態の低温熱利用に対して適切に到達することができる。特に、この熱は、家庭用または同じく産業用上水準備、建築物の加熱、公共通路の通行人コンパートメントの加熱、例えば発電所における燃料の加熱または燃料の乾燥、あるいは同じくディーゼル発電機セットの場合の保温、等々に適している。

また、この時点で、低温熱の概念は、４０℃と２００℃との間の温度レベルの熱に関していることに同じく明確に留意されたい。この温度レベルの熱は、コジェネレーションのための用途における使用に特に適している。このより広範囲にわたる使用の結果として熱貯蔵システムの総合効率が向上する。

したがって低温熱貯蔵装置は、２００℃より高い温度レベルの熱の貯蔵を許容せず、したがって有利なことには、環境に対するエネルギー発生熱損失を同じく小さなレベルに維持することができる。これは、特に２００℃より高い温度における温度貯蔵の場合、熱貯蔵システムの総合効率に悪影響を及ぼし得る周囲に対する大きな熱損失が予期されることによるものである。

さらに、このような液体は、気体と比較すると大きな熱容量および改良された熱伝導を有しているため、高温バッテリーと熱交換器液との間の直接熱交換は、高温バッテリーの動作温度レベルにおける温度変化をより良好に補償することができる利点を有している。したがって、例えば熱交換器液は、熱ピークの場合に、例えば気体の場合に可能である量より多くの量の熱を一時的に高温バッテリーから容易に散逸させることも、また、それを熱交換器液中で吸収することも可能である。定義済み温度範囲内の適切な動作温度レベルは、このようにして熱貯蔵流体にさらに吸収された熱の伝達により、制御された方法で設定することができる。言い換えると、高温バッテリー内の温度分布が一様に改善される。設定は、制御された態様または調整された態様で実施することができる。したがって高温バッテリーが動作している間に開放される熱は、この熱が適切なデカップリングによって低温熱貯蔵装置へ再び伝達される前に、熱貯蔵流体によって熱貯蔵装置に一時的に貯蔵される。有利なことには、この伝達は、高温バッテリーから得られる熱を有用なものにする。熱が低温熱貯蔵装置に一時的に貯蔵されるため、対照的に高温バッテリーの動作状態を変更することなく、熱の需要が増加した時点で熱を除去することも可能である。

実施形態によれば、高温バッテリーから熱貯蔵流体への伝熱は直接生じさせることができる。したがって、熱交換器液は、例えば熱貯蔵流体と同一である。しかしながら、伝熱は、例えば熱貯蔵流体を熱交換器液と同一にすることができるよう、間接的に生じさせることも可能であるが、必ずしもその必要はない。したがって、例えば、熱交換器液と熱貯蔵流体との間の伝熱を保証することができる方法で、適切な熱交換器を介して高温バッテリーが熱貯蔵装置に熱接続されることが考えられる。しかしながら、他の代替実施形態によれば、熱交換器液が高温バッテリーから熱貯蔵装置へ導かれ、熱貯蔵装置に一時的に貯蔵されることも可能である。

熱交換器液による伝熱のため、高温バッテリー内の熱の量は、比較的小さな空間に貯蔵することができる。これは、例えばモジュラー構成で具体化することができるより小型の熱貯蔵システムの設計を同じく可能にする。それと同時に、適切なパイプラインを介して、同じく妥当な距離（最大約１００ｍ）にわたって、十分に速やかに熱を輸送することも可能である。したがって高温バッテリーおよび熱貯蔵装置の空間分離を達成することも可能である。特に、複数の高温バッテリーが１つの熱貯蔵装置に接続されることが考えられる。この熱貯蔵装置は、高温バッテリーから安全な距離を隔てて提供することができる。

特に、熱貯蔵装置への熱結合を有する低温熱貯蔵装置を使用することにより、さらに大きな空間分離も可能である。この場合、例えば熱貯蔵装置から熱の需要が多い場所へ数キロメートルにわたって熱を輸送することができる。したがって熱に対するこの需要は、高温バッテリーから空間的に離れた場所で一致させることができる。したがって熱貯蔵システムは、特に柔軟性に富み、また、同じくエネルギー効率が高い。したがって熱貯蔵システムの総合効率を有利に改善することができる。

さらに、蓄電単電池が蒙らなければならないのはわずかな温度変化のみであるため、熱交換器液への伝熱は高温バッテリーの慎重な動作を可能にし、したがって蓄電単電池に期待される平均耐用年数が有利に改善される。したがって、それと同時に耐保全性が同じく改善されることが期待される。

さらに、高温バッテリーの通常の動作における低温熱貯蔵装置と熱貯蔵装置の熱相互接続により、高温バッテリー内における有害な温度ピークの発生を防止することができる。これは、熱貯蔵装置から低温熱貯蔵装置への熱散逸のため、通常、熱貯蔵装置を有利な温度レベルで維持することができる十分な量の熱を常に散逸させることができることによるものである。したがって低温熱貯蔵装置は、熱貯蔵装置の有利な温度制御のために使用され、したがって高温バッテリーの温度制御のために間接的に使用される。低温熱貯蔵装置は、典型的には、熱貯蔵装置または熱貯蔵流体自体より著しく大きな熱容量を有しているため、したがって熱貯蔵装置と低温熱貯蔵装置との間の、監視され、制御された、または調整された伝熱により、熱貯蔵装置内の温度レベルを一様に一定に維持することができる。したがって、高温バッテリーは、例えば熱散逸の増加によって温度ピークが生じた場合に使用しなければならない例えば他の熱交換器を不要にすることも可能である。

一方、熱貯蔵装置自体も、適切な動作温度を維持することができるよう、数時間が経過した後に高温バッテリーに十分な量の熱を同じく供給するために、高温バッテリーの個々の動作時間間隔にわたる十分な量の熱の貯蔵を同じく可能にする。

また、熱貯蔵装置は、以下でより詳細に説明されるように、膨張容器の役割を果たすことも可能であり、したがって閉熱流体伝導システムの形成が同じく可能である。

本発明によれば、したがって２つの貯蔵装置（熱貯蔵装置および低温熱貯蔵装置）の熱結合が、高温レベルにおける高温バッテリーの有利な温度制御、および低温範囲における廃熱の同時使用を同時に可能にする。

熱貯蔵システムの第１の特に好ましい実施形態によれば、熱交換器液が流体交換に関して周囲に対して密閉される閉熱流体伝導システム内に備蓄される熱貯蔵システムが提供される。実施形態によれば、熱流体伝導システムは、必要な配管に加えて、貯蔵容器および１つまたは複数の流体を備蓄するための容器を同じく備えている。この点に関して、熱貯蔵装置は熱流体伝導システムの一部であってもよい。しかしながら、熱流体伝導システムはジョイント流体ガイドを有しており、つまり熱流体伝導システムには熱伝導のための熱流体が１つしか配置されていない。閉熱流体ガイドは、特に性能効率システムの形成を可能にする。さらに、このようなシステムは、比較的小さなエネルギー発生熱損失によって区別され、環境中に追加開放されるのは、同じくほとんど危険のない材料またはほとんど毒性のない材料である。したがって、特にサーマルオイルまたは重油が熱交換器液として使用される場合、より強力に環境と両立する貯蔵システムを提供することができる。さらに、閉熱流体伝導システムは、特に振動における結合に関して、開システムよりも外部からの機械的な影響を受け難い。

熱貯蔵システムの他の好ましい実施形態によれば、熱交換器液および熱貯蔵流体が同一であり、熱流体伝導システム内に配置されることが好ましい熱貯蔵システムが提供される。実施形態によれば、したがって熱交換器液と熱貯蔵流体との間の熱交換器損失を回避することができる。さらに、このようなシステムは熱散逸が特に有効であり、したがって高温バッテリーを動作させている間の温度ピークの防止に特に有効であることが分かっている。

熱貯蔵システムの一実施形態の他の有利な態様は、動作中に熱貯蔵流体に熱を伝達するように設計される電気加熱デバイスを熱貯蔵装置が有していることである。実施形態によれば、したがって、特に構築経費または温度管理の増加を意味することになる加熱デバイスを高温バッテリー自体が備えることを省略することができる。加熱デバイスを備える代わりに、実施形態によれば、加熱された熱貯蔵流体から熱交換器液へ熱を伝達し、したがって高温バッテリーの蓄電単電池に十分な量の熱を供給するだけで十分である。特に最低動作温度を維持するためのスタンバイ動作中、またはより大量の熱を高温バッテリーに供給しなければならないスタートアップ動作では、このような実施形態が適している。この実施形態は、熱貯蔵装置である１つの中央熱源を介して複数の高温バッテリーに十分な熱を供給することができるよう、複数の高温バッテリーが１つの熱貯蔵と相互接続される場合、特にエネルギー的に有利である。

本発明の他の有利な実施形態によれば、熱貯蔵装置が補償容器を有し、該補償容器が熱貯蔵装置と流体的に相互接続され、該補償容器が、高温バッテリーが動作している間、熱貯蔵装置自体における温度レベルより低い温度レベルの熱貯蔵流体を含む熱貯蔵システムが提供される。補償容器は、特に温度が変化した場合の体積補償のために使用される。しかしながら、補償容器は、熱貯蔵装置内の熱貯蔵流体よりも熱含量が少ない熱貯蔵流体を有しているため、より小さなエネルギー発生熱損失を懸念しなければならない。しかしながら、補償容器内の熱貯蔵流体は、熱貯蔵流体と熱交換器液との間の熱交換にはほとんど関与しないため、同じくその含量を熱貯蔵流体の動作温度レベルで厳密に維持する必要はない。したがって、このような熱貯蔵システムは、エネルギー発生的に特に有利なシステムとして評価すべきである。さらに、補償容器の実質的に低い温度レベルには、通常、熱貯蔵流体と大気中の酸素の化学反応の速度を無視することができ、したがって熱貯蔵流体の使用継続期間が実質的に制限されない利点がある。この事実のため、通常、熱貯蔵流体を不活性ガスで覆う必要性が同じく除去される。

本発明の同じく有利な洗練実施形態によれば、熱貯蔵装置が補償容器を備え、該補償容器が熱貯蔵装置と流体的に相互接続され、該補償容器が高温バッテリー内に統合され、また、該補償容器が周囲の空気に対して密閉される熱貯蔵システムが提供される。高温バッテリーの迅速な動作を確立する際に生じる熱貯蔵流体の熱膨張を補償するために、実施形態による補償容器は、好ましいことには高温バッテリーの壁のうちの少なくとも１つ、または高温バッテリーの内部体積領域に統合することができ、また、少なくとも１つの金属ベローズの形態で具体化することができる。

代替として提供され、同じく有利な本発明の一実施形態によれば、熱貯蔵装置が補償容器を備え、該補償容器が熱貯蔵装置と流体的に相互接続され、該補償容器が高温バッテリーの外部に統合され、また、該補償容器が周囲の空気に対して密閉される熱貯蔵システムが提供される。高温バッテリーの迅速な動作を確立する際に生じる熱貯蔵流体の熱膨張を補償するために、補償容器は、好ましいことには、高温バッテリーおよび／または熱貯蔵装置に対して空間的に近傍に配置される少なくとも１つの金属ベローズの形態で具体化することができる。空間的近傍は、この場合、高温バッテリーまたは熱貯蔵装置の最大寸法に対応する距離を超えない距離での任意の空間方向の配置に関している。

熱貯蔵システムの他の有利な実施形態によれば、低温熱貯蔵装置は水貯蔵装置として設計され、この水貯蔵装置の水に低温熱が備蓄される。一方では水は、特に熱貯蔵のための費用効果が高い原料として適しており、また、他方では水は、水をベースとして動作する多くの熱回路、産業用および家庭用分野の用途に容易に統合することも可能である。特に、例えば水貯蔵装置からの水を遠隔熱回路網に導入することも可能である。また、水は、家庭用および産業用用途のための準備済み上水としても適している。

本発明の他の実施形態によれば、高温バッテリーが熱貯蔵装置と共に可搬型モジュール内に収納される熱貯蔵システムが提供され、可搬型モジュールは、低温熱貯蔵装置のための熱配管を接続するための適切な接続領域を有している。実施形態によれば、複数のモジュールを互いに熱的に相互接続することができ、あるいはそれぞれ低温熱貯蔵装置に熱的に結合して、熱エネルギーからの十分な量の熱を低温熱貯蔵装置に供給することができる。このモジュール性は、この場合、高温バッテリーの直接熱相互接続に影響を及ぼすことなく、単純な取扱いおよび保全を可能にする。実施形態によれば、熱貯蔵システムは、例えば複数の可搬型モジュールを単純に熱的に相互接続することによって容易に拡張することも可能である。高温バッテリー、熱交換器液、熱貯蔵装置および熱貯蔵流体の間の熱管理は、同じくモジュールの中に含むことができる適切な流体回路によって実施することができる。この点に関して、モジュールは適切なインタフェースを有することも可能であり、このような回路は、このインタフェースを介して外部と電気連絡する。

他の実施形態によれば、上で説明したこのようなモジュールには、適切な電力計および／ヒートメータが設けられることも可能である。したがって、モジュールの制御または調整は、電力制御方式または熱制御方式で実施することも可能である。

この時点で、機械装置、電気装置または水圧装置の助けを借りて制御された方法で移動させ、配置することができる場合、モジュールは既に可搬型であると見なすべきであることに留意されたい。しかしながら、人の力のみによって、適切かつ制御された方法でモジュールを移動させることができるモジュールサイズが特に好ましい。

本発明による方法の第１の特に好ましい実施形態によれば、熱の少なくとも一部を低温熱貯蔵装置に伝達するステップが熱貯蔵装置内の温度レベルの関数として実施される方法が提供される。そのために、熱貯蔵装置は、典型的には、熱貯蔵装置内の温度を検出する少なくとも１つの温度センサを有することができる。検出された温度値は、引き続いて、適切な制御回路または調整回路によって熱貯蔵装置と低温熱貯蔵装置との間の熱交換を設定するために使用することができる。特にこれらの２つの装置は、少なくとも１つの熱交換器によって接続することができる。

実施形態によれば、熱貯蔵装置および低温熱貯蔵装置は、熱配管を介して互いに接続することも可能であり、この熱配管内を導かれる伝導流体は、熱配管中の少なくとも１つのフロージェネレータによるポンプ供給によって移送することも可能である。この場合、移送速度によって所望の伝熱速度が決まる。これは、例えば熱貯蔵装置内の温度レベルの関数として設定することができる。伝熱速度を有利に設定するために、適切な温度センサおよび／または圧力センサを熱配管中に提供することも可能である。低温熱貯蔵装置は、典型的には、低温熱貯蔵装置内の熱含量を同じく決定することができるよう、少なくとも１つの温度センサを同じく有している。実施形態によれば、熱貯蔵装置と低温熱貯蔵装置との間の適切な熱流を設定することにより、十分な熱を熱貯蔵装置から常に引き出すことができ、したがって熱貯蔵装置を有利な温度レベルの範囲内で動作させることができる。この温度範囲は２０℃を超えて変化しないことが好ましく、この温度範囲は１０℃を超えて変化しないことが特に好ましい。

別法または同じく追加として、この熱の少なくとも一部を低温熱貯蔵装置に伝達するステップは、高温バッテリー内の温度レベルの関数として実施することも可能である。したがってこれまでの実施形態で既に言及したように、例えばこの実施形態では、熱貯蔵装置と低温熱貯蔵装置との間の熱配管内の伝達速度は、したがって例えば高温バッテリー内の温度レベルの関数として設定することができる。そのために、高温バッテリーは、例えば少なくとも１つの、または複数の温度センサおよび／または圧力センサを有している。さらに、高温バッテリーと熱貯蔵装置との間の熱交換は、同様の方法で調整または制御される方法で設定することも可能であり、したがって動作中に高温バッテリーの目標温度設定を実施することができる。

本発明による方法の他の好ましい実施形態によれば、高温バッテリーの熱の少なくとも一部を熱交換器液に伝達するステップ、および／または熱貯蔵装置内の熱の少なくとも一部を低温熱貯蔵装置に伝達するステップが、高温バッテリーが適切に動作している間の熱交換器液の温度レベルが、最大２０℃の幅、好ましくは最大１０℃の幅を有する温度範囲内になるよう、調整および／または制御された態様で実施される方法が提供される。したがって、動作中、極端に大きな温度変化から高温バッテリーの蓄電単電池を保護することができ、したがって蓄電単電池の耐用年数が有利に影響される。特に、温度応力による蓄電単電池の損傷を有利に回避することができる。

以下、本発明について、個々の図に基づいてより詳細に説明する。この場合、以下で示されている図は、単なる概略的なものとして理解すべきであることに留意されたい。実行可能性に関する制限は、このような概略実施形態に起因するものではない。

同一参照符号を有する技術的特徴については、以下、それらが同一技術的機能または同一技術的効果を有している点で区別されたい。

以下の図に示されている技術的特徴は、単独で特許請求されるべきものであり、また、他の技術的特徴との何らかの任意の組合せであって、その組合せが本発明の基礎をなしている技術的目的の達成に適している場合、同じくそれらの組合せで特許請求されるべきものである。

本発明による熱貯蔵システム１の第１の実施形態を示す略回路図である。 本発明による熱貯蔵システム１の他の実施形態を示す略回路図である。 本発明による方法の一実施形態のフローチャートである。

図１は、本発明による熱貯蔵システム１の第１の実施形態を示したもので、熱貯蔵システム１は、複数の蓄電単電池１１を有する高温バッテリー１０に加えて熱貯蔵装置３０を有している。高温バッテリー１０は、他の参照符号がない電気コンタクト（＋、−）を介して外部から電気的に相互接続することができる。高温バッテリー１０に含まれている蓄電単電池１１は、支配的に互いに直列に電気的に相互接続されている。高温バッテリー１０の動作状態を適切に検出するために、適切な温度センサ６６および／または圧力センサ６７が高温バッテリー１０の上または中に提供されている。

高温バッテリー１０に熱を供給することができるよう、または高温バッテリー１０から熱を散逸させることができるよう、高温バッテリー１０と熱的および／または流体的に相互接続されている熱流体伝導システム３５が含まれている。熱流体伝導システム３５は、蓄電単電池１１を取り囲んでいる熱交換器液２０から熱貯蔵流体３１への熱の伝達に適している。実施形態によれば、熱交換器液２０は熱貯蔵流体３１と同一であってもよいが、必ずしもその必要はない。その熱貯蔵流体３１は熱貯蔵装置３０内に備蓄され、熱貯蔵装置３０は、熱散逸のための熱配管４５との適切な熱相互接続を有しており、熱配管は、熱を低温熱貯蔵装置４０に伝達するように設計されている。その代替として、熱配管４５が外部熱交換器（この事例では示されていない）に供給され、したがって例えばそれ以上は使用されないエネルギーを周囲に供給することができるように熱相互接続を具体化することも可能である。

高温バッテリー１０および同じく熱貯蔵装置３０ならびに熱流体伝導システム３５は、モジュール６０の中に含まれている。モジュール６０は、この場合、可搬型であっても、あるいは可搬型でなくてもよい。動作中、高温バッテリー１０に適切に熱を供給するために、熱は、熱貯蔵装置３０から取り出され、蓄電単電池１１を取り囲んでいる熱交換器液２０に伝達される。したがって、熱交換器液２０と蓄電単電池１１との間の熱接触により、高温バッテリー１０を適切な動作温度レベルにもたらすことができる。この場合、熱貯蔵流体３１の温度レベルが十分でない場合、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーを熱貯蔵流体３１に伝達することができる電気加熱デバイスが熱貯蔵装置３０の中に追加統合される。熱貯蔵装置３０内に配置された熱貯蔵流体３１の熱含量についての情報を常に知るために、熱貯蔵装置３０には温度センサ６６が設けられている。さらに、熱貯蔵装置３０と高温バッテリー１０との間で交換される熱の量を適切に設定することができるようにするために、熱流体伝導システム３５は、流れの速度に影響を及ぼすフロージェネレータ３６を備えている。

実施形態によれば、モジュール６０は、熱結合のための熱配管４５を低温熱貯蔵装置４０に接続するように設計される接続領域６５を有している。さらに、電気インタフェースまたは電子インタフェースをモジュール６０の中に含むことも可能であるが、この事例ではこれらは示されていない。その熱配管４５は、熱貯蔵装置３０と低温熱貯蔵装置４０との間で交換される熱の量を適切に決定することができるよう、適切な温度センサ６６および／または圧力センサ６７を有している。熱配管４５は、低温熱貯蔵装置４０との熱交換のために、低温熱貯蔵装置４０側での温度結合の形成を可能にする熱交換器４６を有している。

熱配管４５内に配置される熱伝導媒体（この事例では参照符号は付いていない）は、この場合、低温熱貯蔵装置４０内に配置される低温熱貯蔵媒体と同一であってもよいが、必ずしもその必要はない。実施形態によれば、例えば熱伝導媒体は、低温熱貯蔵装置４０内に同じく備蓄することができる水と同一にすることができる。この場合、熱交換器は、典型的には同じく熱貯蔵装置側に提供され、熱配管は、全体として耐圧性として設計される。このような構造の利点は、熱配管が損傷した場合に有害な物質が環境に到達し得ないため、例えば環境面に存在する。しかしながら、別法として、別の熱伝導媒体を熱配管４５内に提供することも可能である。熱貯蔵装置３０と低温熱貯蔵装置４０との間の熱交換は、この場合、例えば流れがフロージェネレータ４７によって熱配管４５内に配置された熱伝導媒体に供給される点で、熱交換速度に対して適切に設定することができる。この流れの速度に応じて、熱貯蔵装置３０と低温熱貯蔵装置４０との間で熱をいくらか交換することができる。

実施形態によれば、熱配管４５内に配置される熱伝導媒体は熱貯蔵流体３１と同一にすることも可能である。この点に関して、例えば熱配管４５は、熱貯蔵流体３１がフロージェネレータ４７によって熱配管４５中に移送されるよう、熱貯蔵装置３０に向かって開くように具体化することができる。伝達される熱の速度は、例えばそれぞれ多数の温度センサ６６または圧力センサ６７によって記録される様々な温度値または圧力値によって決定することができる。

図２は、本発明による熱貯蔵システム１の他の実施形態を示したもので、この実施形態は、熱貯蔵装置３０が補償容器３２と流体的に相互接続されている点で、図１に示されている熱貯蔵システム１とは全く異なっている。図１による実施形態によれば、熱貯蔵流体３１の不完全な充填のために熱貯蔵装置３０が同時に補償容器でもある場合、図２による実施形態によれば、熱貯蔵装置３０には熱貯蔵流体３１が完全に充填される。しかしながら高温バッテリー１０が動作している間に温度が変化すると、熱貯蔵装置３０内に配置された熱貯蔵流体３１の体積変化が生じる。例えば応力に関連する熱貯蔵装置３０の損傷を回避するためにこれらの体積変化を補償することができるようにするために、熱貯蔵装置３０は、補償容器３２と流体的に相互接続されている。この場合、補償容器３２は、同じく熱貯蔵流体３１を備えているが、例えば補償容器の一部が空気３３によって占有されるよう、補償容器３２には熱貯蔵流体３１が完全に充填されていない。熱貯蔵装置３０内の熱貯蔵流体３１の対応する体積変化が生じると、熱貯蔵装置３０と補償容器３２との間で適切な流体交換を達成することができる。補償容器３２内に配置される熱貯蔵流体３１の温度レベルは、熱貯蔵装置３０内に配置される熱貯蔵流体３１の温度レベルより低いことが好ましい。したがって、上で既に言及したように、補償容器３２による不要な熱損失、あるいは熱貯蔵流体と酸素の望ましくない化学反応を回避することができる。この事例では、実施形態によれば、補償容器３２は同じくモジュール６０の中に含まれていないが、代替実施形態によればモジュール６０の中に含むことも可能である。

図３は、上で説明した熱貯蔵システム１を動作させるための本発明による方法の好ましい実施形態のフローチャートを示したものである。この場合、方法は、
− 熱を発生している間に高温バッテリー１０を動作させるステップ（第１の方法ステップ１０１）と、
− この熱の少なくとも一部を熱交換器液２０に伝達するステップ（第２の方法ステップ１０２）と、
− この熱の少なくとも一部を熱貯蔵流体３１によって熱貯蔵装置３０に貯蔵するステップ（第３の方法ステップ１０３）と、
− この熱の少なくとも一部を低温熱貯蔵装置４０に伝達するステップ（第４の方法ステップ１０４）と
を含む。

上記実施形態で説明した、一方では高温バッテリー１０と熱貯蔵装置３０との間、また、他方では熱貯蔵装置３０と低温熱貯蔵装置４０との間の２ステージ相互接続は、他の下流側熱ステージまたは他の介在する熱ステージによって変更することができる。しかしながら、本発明の本質は、第１の熱ステージでは高温バッテリー１０に熱を供給することができ、また、同じく高温バッテリー１０から熱を散逸させることができることである。第２の下流側熱ステージでは、熱を適切に使用するために、熱は、熱貯蔵装置３０から引き出され、低温熱貯蔵装置４０に供給することができる。低温熱貯蔵装置４０への熱の供給は、この場合、高温バッテリー１０から取り出される熱の量が、高温バッテリー１０が適切な温度で常に動作することができることを保証するように実施されなければならない。これは、特に、例えばナトリウム−ニッケル−クロライド電池の技術に基づく技術の放電中に生じるように、高温バッテリー１０から熱が散逸している間の動作に関連している。高温バッテリー１０のサイズおよび動作モードに応じて、他の用途のための１０００Ｗ_ｅｌの放電電力毎に、高温バッテリー１０から約１５０ないし２５０Ｗ_ｔｈを散逸させることができる。

他の実施形態は従属請求項による。

１ 熱貯蔵システム
１０ 高温バッテリー
１１ 蓄電単電池
２０ 熱交換器液
３０ 熱貯蔵装置
３１ 熱貯蔵流体
３２ 補償容器
３３ 空気
３５ 熱流体伝導システム
３６ フロージェネレータ
４０ 低温熱貯蔵装置
４５ 熱配管
４６ 熱交換器
４７ フロージェネレータ
５０ 電気加熱デバイス
６０ モジュール
６５ 接続領域
６６ 温度センサ
６７ 圧力センサ

Claims (11)

1. 少なくとも１００℃の動作温度を有し、且つ、熱の供給および散逸のための熱交換器液（２０）と接触する複数の蓄電単電池（１１）を有する高温バッテリー（１０）を備える熱貯蔵システム（１）であって、さらに、熱を前記高温バッテリー（１０）から熱貯蔵流体（３１）へ伝達することができるよう、前記高温バッテリー（１０）と熱的に相互接続される熱貯蔵液（３１）を有する第１の熱貯蔵装置（３０）が含まれ、且つ、前記熱貯蔵装置（３０）が、それ自体、伝熱のために、少なくとも４０℃の温度レベルの低温熱を貯蔵するために提供される低温熱貯蔵装置（４０）と熱的に相互接続される、熱貯蔵システム（１）。
2. 前記熱交換器液（２０）が、流体交換に関して周囲に対して密閉される閉熱流体伝導システム（３５）内に備蓄されることを特徴とする、請求項１に記載の熱貯蔵システム（１）。
3. 前記熱交換器液（２０）および前記熱貯蔵流体（３１）が、同一であり、好ましくは熱流体伝導システム（３５）内に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の熱貯蔵システム（１）。
4. 前記熱貯蔵装置（３０）が、動作中に前記熱貯蔵流体（３１）に熱を伝達するように設計される電気加熱デバイス（５０）を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱貯蔵システム（１）。
5. 前記熱貯蔵装置（３０）が補償容器（３２）を有し、前記補償容器（３２）が前記熱貯蔵装置（３０）と流体的に相互接続され、且つ、前記補償容器（３２）が、前記高温バッテリー（１０）が動作している間、前記熱貯蔵装置（３０）自体における温度レベルより低い温度レベルの熱貯蔵流体（３１）を含むことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱貯蔵システム（１）。
6. 前記低温熱貯蔵装置（４０）が水貯蔵装置として設計され、前記低温熱が水に備蓄されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱貯蔵システム（１）。
7. 前記高温バッテリー（１０）が前記熱貯蔵装置と共に可搬型モジュール（６０）内に収納され、前記可搬型モジュール（６０）が、低温熱貯蔵装置（４０）のための熱配管（４５）を接続するための適切な接続領域（６５）を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱貯蔵システム（１）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の熱貯蔵システム（１）を動作させるための方法であって、
   − 熱を発生している間に前記高温バッテリー（１０）を動作させるステップと、
   − この熱の少なくとも一部を前記熱交換器液（２０）に伝達するステップと、
   − この熱の少なくとも一部を熱貯蔵流体（３１）によって熱貯蔵装置（３０）に貯蔵するステップと、
   − この熱の少なくとも一部を前記低温熱貯蔵装置（４０）に伝達するステップと、
   を含む、方法。
9. この熱の少なくとも一部を前記低温熱貯蔵装置（４０）に伝達する前記ステップが、前記熱貯蔵装置（３０）内の温度レベルの関数として実施されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. この熱の少なくとも一部を前記低温熱貯蔵装置（４０）に伝達する前記ステップが、前記高温バッテリー（１０）内の温度レベルの関数として実施されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記高温バッテリー（１０）の前記熱の少なくとも一部を前記熱交換器液（２０）に伝達する前記ステップ、および／または前記熱貯蔵装置（３０）内の前記熱の少なくとも一部を前記低温熱貯蔵装置（４０）に伝達する前記ステップが、前記高温バッテリー（１０）が適切に動作している間の前記熱交換器液（２０）の温度レベルが、最大２０℃の幅、好ましくは最大１０℃の幅を有する温度範囲内になるよう、調整および／または制御された態様で実施されることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。

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