JP2018508708A - 発電プラントの効率の改善 - Google Patents

Abstract

発電プラント（１）は、作動流体を使用するエネルギ変換器（３）と、作動流体から熱を排出する熱交換器（４）を有する。２次回路（６）は、冷却剤を熱交換器（４）に供給し、２次回路（６）は、冷却剤を貯蔵する熱ストア（７）と、２次熱交換器（８）と、冷却剤ダイバータ（１２）と、コントローラを含む。コントローラは、冷却剤を作動流体熱交換器（４）から、熱を熱ストアに排出するために熱ストア（７）に移送するように、又は、２次熱交換器（８）に移送するように構成され、どちらが冷却剤からより有効な排熱を行うかに従ってこれらのいずれかを選択する。

Description

本発明は、作動流体からの熱の除去が存在する発電プラントに関する。

物理学の基本的な法則は、あらゆるタイプのエネルギ変換の効率を１又は１００％に制限する。熱力学的変換を使用する駆動エネルギへの熱の変換の効率は、一般的にカルノー因子と呼ばれる追加の制限を受ける。この因子は、絶対温度Ｔ₁で熱を取り込んで絶対温度Ｔ₂で熱を排出するあらゆる閉鎖サイクル熱エンジンサイクルに対して（１−Ｔ₂／Ｔ₁）の最終効率限界を定める。

実際に、火力発電プラントの効率は、技術的及び経済的因子の組合せによって制限される。取り込み温度Ｔ₁を上昇させることが１つの手法である。しかし、最大取り込み温度は、使用する燃料の詳細により、エンジン構成要素材料の熱及び機械特性により、及び材料及び製作コストによって制限される。１５００℃ほども高い取り込み温度が、ガスタービン発電で達成されるのに対して、１００℃ほども低い取り込み温度を地熱又は廃熱電力設備に見出すことができる。各発電技術は、エンジン取り込み温度の最大化を通して効率を最大にする際に異なる組の課題に直面している。

排気温度Ｔ₂を低下させることによってプラント性能を改善する範囲は、ボトミングサイクルに対する排気温度の下限が、利用可能なヒートシンク、典型的には近くの空気、水、又は大地の温度であるのでより制限される。

ほとんどの火力発電プラントからの熱の排出は、大雑把に類似である機器及び技術を用いて実施される。一般的に好ましい方法は、水の水域又は流れに、すなわち、近くの川、湖、又は海に熱を排出することである。この方法は、通常は、それを実施することが可能である場合はいつでも最も経済的なオプションである。

別の可能なオプションは、浅部地熱排熱である。地表温度は、典型的には、地表下１０〜１５メートルよりも深い深さの場所の年間平均温度に近い値で安定する。掘削孔のアレイを使用してその場所の下の地質構造の熱容量との熱的接触を確立し、それによってそれと熱交換することができる。この技術は、建物のための季節的エネルギ貯蔵を提供するために日常的に使用される。熱は、夏期の間は建物から地中に排出され、冬に地面から再利用されて季節的建物温度を安定させる。

地熱の季節的熱貯蔵とは異なり、発電用途における要件は、一年中の熱エネルギ放散のためのものである。従って、大きい地下水域のような例外的な地質学的状況がない限り、地熱排熱は、発電所から熱を排出するための実用的な方法を提供する可能性は少ない。

太陽熱発電から浅部地下へ及び地上アセンブリへの熱の排出は、特許文献１及び２においてそれぞれ考察されている。特許文献３は、相変化材料による潜熱熱貯蔵を説明している。特許文献４は、二酸化チタンパネルによる夜空への放射排熱を説明している。

冷却目的のためのプラントに利用可能な適切な水源がない場合、好ましいオプションは、通常は、空気に熱を排出することである。多くのタイプの多くの発電プラント及び特に太陽光発電プラントは、高温の乾燥した場所に配置される。高い空気温度は、空冷式熱エネルギ変換プラントの性能に対して測定可能な悪影響を及ぼすことは公知である。この影響は、湿式冷却技術を使用することにより、例えば、冷却ユニットに引き込まれている空気の中に水ミストを注入することにより、従来的に軽減されてきた。この技術は、排熱温度を低下させる際に有効であるが、この方法は、多くの場合に砂漠地帯の希少資源である大量の水を消費する。この理由のために、砂漠に配置された火力発電プラント内の湿式冷却は、環境の観点から益々望ましくないと見なされている。いくつかの場所において、その使用は、制限されるか又は単に許容されない。

乾式空冷は、乾燥高温地帯に配置された発電プラントからの熱の排出に多くの場合に使用される。乾式空冷によって実際に達成可能な最低排熱温度は、その場所での支配的気温よりも何度か高い。排熱温度は、支配的周囲気温よりも２０Ｋ低い温度から恐らく５Ｋ高い温度までに及ぶ場合がある。空冷機器は、設置と作動の両方で水冷機器よりも一般的に大きくて高価である。この問題は、蒸気サイクルをそれ自体で又は複合サイクル装置のボトミングサイクルとしてそのいずれかで使用する発電プラントの場合に特に深刻である。周囲温度で凝縮する蒸気の極低密度（１ｋｇの蒸気は、５０℃で１２立法メートルほど及び３０℃で３０立法メートルを超えて占有することになる）は、非常に低い作動圧力と共に、近真空条件で作動するように構築された大型熱交換器、空気パージ機器、及び妥当なプラント性能を維持するための持続式水処理を要求する。その結果は、構成及び作動の両方が高価である排熱システムになる。

高い周囲温度は、空冷式化石燃料発電プラントの性能に対して別の悪影響を生じる。これは、周囲温度が上昇するとき、より顕著になるプラント出力の漸減である。出力低下の主な原因は、温度上昇による空気の密度の減少である。これは、次に、取り込み空気質量流量の低下に起因して燃焼タービン出力を低減する。ピーク電力需要がピーク周囲温度に密接にリンクする地域では、この減少は、特定の対策を必要とするほど十分に大きいものになる可能性がある。直接の対策は、燃焼タービン入口空気の冷却とそれによるその密度の増大とを伴っている。蒸発冷却及び機械冷却方法の両方が、そうでなければ高い周囲温度の時間中に生じると考えられるプラント出力の低下を回避するために考案されてきた。

蒸発予冷は、溶解した固体による問題を回避するように処理された高純度の水のかなりの供給を必要とする。機械冷却は、水の消費を回避するが、冷却するための機械エネルギのかなりの入力を必要とする。この寄生エネルギ消費は、プラントの全体効率に対して必然的に悪影響を有する。

ＣＮ２０１２２７９４７１Ｕ ＷＯ２０１１０４４３５８ ＷＯ２００６／１０００４７ ＵＳ４２４９３８６

本発明は、効率を改善した駆動発電プラントの提供に向けられたものである。

本発明により、作動流体の使用によって熱エネルギを別の形態のエネルギに変換するためのエネルギ変換器と、作動流体から熱を排出するための熱交換器とを含む発電プラントを提供し、プラントは、冷却剤を熱交換器に提供するための２次回路を含み、この２次回路は、冷却剤を貯蔵するように配置された熱ストアと、周囲空気に熱を排出するための２次熱交換器と、冷却剤ダイバータ（進路変更部）と、冷却剤を作動流体熱交換器から、（ａ）熱を熱ストアに排出するために熱ストアに移送し、又は、（ｂ）２次熱交換器に移送するように構成され、（ｃ）どちらが冷却剤からより有効な排熱を行うかによって上記（ａ）又は上記（ｂ）を選択するように構成されたコントローラを含む。

コントローラに利用可能なオプションにより、例えば、夜間周囲空気により、更に昼中でも有効な排熱が存在する可能性がある。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器が冷却剤温度を閾値未満に低下させることができないとき、冷却剤を熱ストアに差し向けるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器から戻る冷却剤の温度が冷却剤を熱ストアから引き出すことができる温度を超えるとき、冷却剤を熱ストアに差し向けるように構成される。

一実施形態において、ダイバータは、冷却剤を熱ストアの上側部分に移送するように構成される。

一実施形態において、２次回路は、上記（ａ）の間、熱ストアの下側部分から作動流体熱交換器に冷却剤を供給するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、日中、２次回路により熱を熱ストアに排出させ、夜間、熱を２次熱交換器によって排出させるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、熱ストアから作動流体熱交換器に送出された２次回路冷却剤が前夜の最低温度に近い温度まで冷却されたことを確保するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、追加の熱を単一の２４時間の期間に排出することができる時間までのみ熱ストアを使用するように構成される。

一実施形態において、２次回路は、周囲温度、排熱ステージにおける作動流体の温度、及び熱ストアの熱プロファイルをモニタするように配置された温度センサを含む。

好ましくは、上述の閾値は可変である。

一実施形態において、コントローラは、ローカル気象データ、熱ストアの温度プロファイル、及び発電プラントからの熱の排出に対する予想需要に従って閾値を設定するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器から戻る冷却剤の温度が熱ストア作動温度を超えるとき、冷却剤を熱ストアに差し向けるように構成され、この熱ストア作動温度は、直近の再生の後の熱ストアの最も冷たい部分での温度である。

一実施形態において、コントローラは、熱ストア内の冷却剤の温度を低下させることによって熱ストアの再生を指示するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、熱ストアが、毎日の周囲温度サイクルの最も冷たい部分中に作動温度状態に戻ることができるように、電力生成からの同時排熱を作動流体及び熱ストア再生に差し向けるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、熱ストアの温度を低下させるために再生を差し向けるように構成され、再生の開始は、２次回路熱交換器の計算された排熱性能が、熱ストアを完全に再生するために再生の終わりまでに放出すべきである熱の量に近づくとき、始まる。

一実施形態において、コントローラは、再生後に熱ストアに対するターゲット温度プロファイルを動的に設定するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、プラント電力出力の値が設定値よりも低い時はいつでも作動流体熱交換器を通る作動流体の流量を変化させ、又は排熱温度を低下させて電力出力の増加を引き起こすように構成される。

一実施形態において、熱ストアは、熱ストア内の冷却剤の垂直流れを低減するバッフルを含む。一実施形態において、熱ストアの最上部の近くに少なくとも１つのバッフルがある。一実施形態において、熱ストアの上端と熱ストアの下端の両方にバッフルがある。

一実施形態において、熱ストアは、地下に装着されるように配置されたタンクを含む。一実施形態において、熱ストアは、タンクの上部壁にわたって絶縁体の層を含む。

一実施形態において、コントローラは、冷却剤を熱ストア及び２次熱交換器の両方に同時に、移送するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器に向けられた冷却剤流れの一部分が、周囲温度が低下するとき、時間と共に増加するような漸次的方式で、切り換えフェーズ中に冷却剤を熱ストア及び２次熱交換器の両方に同時に、移送するように構成される。

一実施形態において、発電プラントは、化石燃料燃焼プラントである。一実施形態において、システムは、熱ストアから引き出された冷却剤を使用して燃焼空気を冷却するための冷却器を含む。

一実施形態において、発電プラントは、太陽光パワーを電気エネルギに変換するための太陽電池を含み、作動流体は、この太陽電池を冷却するための回路にある。

一実施形態において、発電プラントは、加熱作動流体からのエネルギを電力に変換するための熱力学変換プラントを更に含む。

別の態様において、本発明は、コントローラと、作動流体の使用によって熱エネルギを別の形態のエネルギに変換するためのエネルギ変換器と、作動流体から熱を排出するための熱交換器と、冷却剤を熱交換器に提供するための２次回路とを含む発電プラントを制御する方法を提供し、この２次回路は、冷却剤を貯蔵するように配置された熱ストアと、周囲空気に熱を排出するための２次熱交換器と、冷却剤ダイバータとを含み、本方法は、コントローラが、冷却剤からの有効な排熱に対して熱ストアに及び／又は２次熱交換器に熱を排出するために冷却剤を作動流体熱交換器から熱ストアに移送する段階を含む。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器から戻る冷却剤の温度が冷却剤を熱ストアから引き出すことができる温度を超えるとき、冷却剤を熱ストアに向ける。

一実施形態において、コントローラ及びダイバータは、冷却剤を熱ストアの上側部分に移送し、熱ストアの下側部分から作動流体熱交換器に冷却剤を供給し、かつ２次回路をして日中に熱ストアに熱を排出させて夜間に２次熱交換器によって熱を排出させる。

一実施形態において、コントローラは、熱ストア内の冷却剤の温度を低下させることによって熱ストアの再生を指示する。

一実施形態において、コントローラは、熱ストアが毎日の周囲温度サイクルの最も冷たい部分中に作動温度状態に戻ることができるように、作動流体からの熱の排出及び熱ストア再生を同時に、指示する。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器に向けられた冷却剤流れの一部分が、周囲温度が低下するとき、時間と共に増加するような漸次的方式で、切り換えフェーズ中に冷却剤を熱ストア及び２次熱交換器の両方に同時に、移送する。

付記
本発明により、作動流体の使用によって熱エネルギを別の形態のエネルギに変換するためのエネルギ変換器と、作動流体から熱を排出するための熱交換器とを含む発電プラントを提供し、プラントは、冷却剤を熱交換器に提供するための２次回路を含み、この２次回路は、冷却剤を貯蔵するように配置された熱ストアと、２次熱交換器と、冷却剤ダイバータと、（ａ）熱ストアに熱を排出するための熱ストアと（ｂ）２次熱交換器とに冷却剤を作動流体熱交換器から移送し、かつ（ｃ）どちらが冷却剤からのより有効な排熱を行うか及び恐らくは他の因子に従って（ａ）又は（ｂ）を選択するように構成されたコントローラを含む。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器が冷却剤温度を閾値未満に低下させることができないとき、冷却剤を熱ストアに差し向けるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、２次熱交換器から戻る冷却剤の温度が熱ストア作動温度を超えるとき、冷却剤を熱ストアに差し向けるように構成される。好ましくは、コントローラは、熱ストアの再生を指示するように構成される。一実施形態において、この熱ストア作動温度は、直近の再生後の熱ストアの温度である。

一実施形態において、ダイバータは、熱ストアの上側部分に排出された熱を蓄積するように構成される。一実施形態において、２次回路は、（ａ）中に、冷却剤を熱ストアの下側部分から作動流体熱交換器に供給するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、熱ストアが毎日の周囲温度サイクルの最も冷たい部分中に作動温度状態に戻ることができるように、電力生成サイクルからの熱の排出及び熱ストアに蓄積された熱の放出を同時に、指示するように構成される。

一実施形態において、コントローラは、２次回路をして日中に熱ストアに熱を排出させ、かつ夜間に２次熱交換器によって熱を排出させるように構成される。一実施形態において、プラントは、熱ストアの温度を低下させるための再生回路を含む。

一実施形態において、コントローラは、再生が必要とされ、かつ発電プラントが作動可能である時間中に、同時排熱を実行するための機能を有する２次熱交換器から作動流体熱交換器及び熱ストアの両方に２次回路をして冷却剤流れを送出させるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、再生中に追加の熱を排出することができる時間までのみ熱ストアを使用するように構成される。一実施形態において、コントローラは、必要な追加の熱の排出を動的に推定し、かつ再生排熱容量又はその大部分が、必要な追加排熱を超えている間のみ熱ストアに熱を貯蔵し続けるように構成される。

一実施形態において、コントローラは、容量又はその割合が必要な排熱よりも小さい場合に自動的に熱ストア再生を起動するように構成される。

一実施形態において、熱ストアの作動モードは、周囲温度、電力サイクルからの排熱の温度、及び熱ストアの熱プロファイルをモニタする温度センサを使用してコントローラによって調節される。

一実施形態において、コントローラは、作動流体熱交換器に送出された２次回路冷却剤が前夜の最低温度に近い温度まで予冷却されたことを確保するように構成される。

本発明は、添付の図面を参照して単に一例として与えられるその一部の実施形態の以下の説明からより明らかに理解されるであろう。

本発明の駆動発電プラントの図である。 プラントのヒートシンク装置の断面図である。 プラントのコントローラの作動のための流れ図である。 本発明の変形駆動発電プラントを示す図である。 本発明の変形駆動発電プラントを示す図である。 本発明の変形駆動発電プラントを示す図である。

図１を参照すると、駆動発電プラント１は、熱を作動流体に追加する熱取り込み要素２を含む。加熱された作動流体は、吸入要素２から膨張エンジン３に流れ、膨張エンジン３によって使用されて発電のような用途のための駆動電力を提供する。エンジン３は、作動流体から熱を抽出し、それによってその温度及び圧力を下げ、低圧及び低温作動流体は、そこから残留熱を抽出する熱交換器４に移送される。次に、圧縮機又はポンプ５は、作動流体を加圧し、作動流体は、それが再加熱される熱取り込み要素２に戻るように移送される。

熱交換器４は、２次回路によって冷却され、２次回路は、ポンプと、スイッチ構成要素６を含み、スイッチ構成要素６は、冷却剤を（ａ）２次回路中の冷却剤から周囲への熱の排出のための熱交換器８に、又は、（ｂ）熱ストア７に、又は（ｃ）プラント熱出力の一部のみを熱交換器８に効率を損なうことなしに直接排熱することが可能なとき、部分的に熱ストア７にかつ部分的に熱交換器８に移送する。

従って、２次回路は、熱交換器８を、周囲が最も冷たい時の夜間にも、作動流体熱交換器４へのフィードバックが弁９を介する熱ストア７からの冷却剤である日中にも使用することができる。これは、２４時間低温排熱を提供する。熱ストア７は、夜に再生される。この再生は、ここでもまた、それが直接に作動流体熱交換器４に由来する冷却剤に対して使用されている時と同時に、熱交換器を使用する。従って、熱交換器８は、高い容量を有する必要があり、勿論一部の実施形態において、それは、いくつかのユニットに分けることができる。そのようなユニットは、１つ又は他の用途に専用とすることができる。

好ましい実施形態において、冷却剤は水である。

図２を参照すると、熱ストア７は、地下に配置されて、この実施形態では１００，０００ｍ³を超える容量を有する大きいタンクである。２次回路の冷却剤は、入口２１にあるタンク２２の上部で入り、熱チャージ期間中に出口２２で底部を出る。

熱ストア７の中に迂回させる判断は、２次回路熱交換器８が熱を排出する周囲温度により行われる。

プログラム式コントローラは、冷却剤を、熱交換器８を介してそれを移送するよりも効率的であるとき、弁１２を介して熱ストア７に向け、弁９を介して冷却剤を熱ストアから冷却剤を引き出す。これは、典型的には日中である。この時間中に、熱ストア７は、弁１２から弁９を介して作動流体熱交換器４に戻る経路を完了する。

熱ストアが地下に配置される場合、周囲の地面は、実質的に熱ストアの延長部になり、その温度は、熱ストアの下部の温度と等しくなる。

典型的には、コントローラが、熱ストア７を通してから熱交換器８を通したものに冷却剤を移送するのを切り換えるべき限界中間時間が存在することになる。好ましい実施形態において、コントローラは、この中間ステージにおいて早期に熱交換器８を切り換えることを行うように構成され、その理由は、それが過大な熱ストアの必要性を回避し、同じく熱ストアを再生する機会を最適化するからである。この切り換えはまた、周囲温度が低下するときに熱交換器８に移送された流れの一部が時間と共に増加するように、漸次的方式で行うことができる。この手順は、熱交換器４に入る冷却剤流体の流れにおいて滑らかな温度プロファイルを維持することを可能にする。

より詳細には、構成要素６は、ポンプ１１と電子コントローラ（図示せず）にリンクされたダイバータ（進路変更用）弁１２とを含む。２次回路内の冷却剤流体は、循環ポンプ１１によって循環する。周囲熱交換器８から戻る冷却剤の温度が熱ストア７の作動温度、すなわち、その直近の再生後の熱ストアの温度を超えるとき、排出された熱は、熱ストアの最上部（より温い）部分に蓄積される。冷却剤は、熱ストア７の下側部分から（出口２２を介して）熱交換器４に供給され、その温度は夜間最低温度の温度に近いままである。２次回路はまた、熱ストアが、毎日の周囲温度サイクルの最も冷たい部分中にその最低（作動）温度状態に戻ることができるように、同時の電力生成サイクルからの熱の排出と熱ストア７に蓄積された熱の排出とを可能にする。

熱ストア７の作動モードは、周囲温度、電力サイクルからの排熱の温度、及び熱ストア７の熱プロファイルをモニタする温度センサを使用してコントローラによって調節される。この情報を使用して、循環ポンプ１１、並びに３ポート弁９及び１２の作動を制御して発電工程の効率を最大にする。発電工程の効率は、熱交換器４に送出された冷却剤が前夜の最低温度に近い温度まで予冷却されたことを確保することによって最大化される。熱ストアは、温度成層化を維持して２次回路冷却剤が熱ストア７の最も冷たい部分、すなわち、下端から引き出されることを確保する。

１日を通して電力サイクルから排出される熱は、夜の最も冷たい部分に近い温度に近い温度で排出されることは認められるであろう。この要件を満たすことは、低温熱ストア７の熱貯蔵容量及び周囲熱交換器８の電力処理容量を決定することになる。結果は、火力発電プラント３のより安定な作動になり、毎日の温度サイクルのより熱い部分中の出力及び効率を改善することになる。

本発明は、周囲空冷に依存し、それによって日中の温度変化の全ての範囲に露出される火力発電プラント３に適用可能である。特に２０Ｋを超える大きい日中温度変動を有する場所に配置される発電プラントに対して最も有効である。本発明の有効性に影響を与える別の因子は、ボトミング熱サイクル、すなわち、その熱が周囲に排出されるサイクルの熱入口温度である。これは、カルノー因子の数式から明らかである。排熱温度の２０Ｋの低下は、６００℃の取り込み温度を有するサイクルに対するよりも１３０℃の取り込み温度を有するサイクルの効率に対して大きい効果を有することになる。この利益の正確なサイズは、使用されている特定の電力サイクルの詳細に依存することになるが、カルノー因子の傾向からの指示は、排熱温度が２０Ｋだけ低下するとき、取り込み温度の範囲を超える約２．０％〜５．０％の高温乾燥の位置においてプラントに対して潜在的な効率増大を示している。

本発明のシステムの適用からの最大の利得は、最低の熱取り込み温度で作動する発電プラントに見出されることになる。低い取り込み温度は、太陽熱、地熱、及び廃物からエネルギへの発電施設に見出される可能性が最も高い。本発明の別の適用は、「作動流体」が直接に作動していないが、むしろエネルギ提供構成要素に寄与している発電プラントからの電力の生成にある。例は、「作動流体」が太陽電池を能動的に冷却し、それによってそれらが機能することを可能にする太陽光発電システムである。

例は、太陽光発電エネルギ変換（ＣＰＶ、ミラー集中式太陽光ＰＶ）を使用する集中式太陽束発電プラントである。太陽光ＣＰＶからの発電は、流入太陽束の非変換部の効率的な放散を必要とする。入射太陽エネルギの半分よりも多くは、高効率の太陽光ＣＰＶ施設においてさえも熱に変換される。太陽光発電エネルギ変換工程の効率は、太陽エネルギ吸収体の温度のいずれの上昇によっても低下することは公知である。測定値は、３０℃〜１３０℃に及ぶ作動温度にわたる複合ＣＰＶ受光体の太陽光発電変換効率において２０％よりも多い減少を示している。すなわち、本発明のシステムを使用して、できるだけ受光体の作動温度を低下させることにより、又は本発明のシステムの太陽光発電受光体ヒートシンクと低温熱ストアとの間に２次熱電力サイクルを挿入することを実用的にすることによって太陽光発電変換効率を高めることができる。

本発明はまた、典型的には、６００℃の近くの取り込み温度を有する蒸気サイクルを使用して空冷化石燃料発電プラントに適用するとき、有意な性能利益を送出することができる。それらの利益は、システムを複合サイクルプラントに適用するとき、ボトミングサイクルにのみ適用されると考えられる。

２次回路の空冷式熱交換器８は、特に、実質的に大気圧の下で作動する空冷蒸気凝縮器と比較すると、空冷凝縮器よりもかなり小型であまり費用がかからないアセンブリである。更に、空冷式熱交換器８は、夜間時周囲のより好ましい熱的条件下で作動させ、高密度及び低温の夜間時空気を完全に利用することになる。

熱ストア
熱ストア７は、好ましくは、閉じた流体回路の一部を形成する貯蔵容器、タンク、又は洞穴に閉じ込められたある容積の水を含む。容器には接続部が備わっており、必要に応じて水量の循環によって熱を追加又は除去することを可能にする。この熱ストアが、夜間周囲温度の近くの温度で作動することになるという事実は、最小断熱のみを必要とすることを意味する。この熱ストアを部分的又は完全に地下に位置付けることができるという事実は、その場所にごく僅かな物理的占有面積を有するようにそれを設計することができることを意味する。本発明のシステムの固有の単純性及び柔軟性は、妥当な日中温度範囲を有する場所に配置される多くのタイプの発電プラントの出力及び費用効果の両方を改善する機会を提示する。

熱ストアは、主として日中の温度変化の下限によって決定される一連の作動温度を有する。熱ストアに対して典型的なより低い作動温度は、５℃と恐らく１５℃の間の間隔にある。貯蔵容量は、それが果たすプラントの電力定格、熱ストアの上側作動温度、プラントの毎日の作動パターン、及び貯蔵器に保持すべき毎日の総排熱の部分によって決定される。熱ストアの上側作動温度は、日中の排熱温度をできるだけ低く保ちながら最も効率的な熱貯蔵を可能にするように選択される。上側作動温度の典型的な値は、より低い作動温度よりも１０Ｋ高い範囲にあると考えられる。貯蔵容量を増大することで、低下したより低い作動熱ストア温度の使用を可能にすることにより、利用可能な毎日の温度変化のより完全な使用を可能にすることになる。排熱に利用可能な期間中に完全熱放出を完了することを可能にするために、周囲熱交換器８の電力処理容量の増大も必要とすることになる。この機能はまた、熱ストアが、それをチャージする時よりも実質的に高速で放出されることを必要とすることになる。

それらの実施形態に説明する熱ストアは、「顕熱」熱貯蔵として公知のものに基づいており、すなわち、冷却剤は、相を変化させずに温度を変化させる。１つの例では、それは水であり、その温度は変化する。他方、潜熱熱貯蔵の可能性もあるが、好ましくない。潜熱熱貯蔵は、例えば、都合のよい温度で凍って溶融するワックス様物質を使用して工程中に潜熱を吸収又は放出することができる。

熱ストアは、顕熱又は潜熱熱貯蔵のいずれかに基づくことができる。等しくないチャージ及び放出の時間間隔の高い確率は、顕熱ストアを好む傾向がある。顕熱ストアのチャージ又は放出の速度は、可変速度ポンプ及びファンの使用によって容易に調節することができる。貯蔵要素は、単一温度成層タンク又はツインタンク構成のいずれかに基づくことができる。単一タンク構成は、十分な温度成層を貯蔵容積内に維持することが可能であれば一般的にサイズ及び費用利益を有する。これは、熱ストアの上側及び下側作動温度の間の差が数百度よりも数十度になる可能性が高い場合、及び熱ストアの断熱の必要性が最小であることが予想される場合に特に重要である。

熱ストアは、好ましくは、電力生成機器の近くに配置される。熱ストアに好ましい配置は、少なくとも部分的に地下であると考えられる。この選択は、良好な温度成層化を提供するように熱ストア寸法を選択することを可能にする。この位置はまた、そうでなければ必要であると考えられる大きい圧力定格容器の費用を増大することなく正圧下で熱ストアを作動させることを可能にする。断熱の必要性も最小にすることになる。

本発明は、一部の実施形態において、熱ストアの有効性を高める特徴を含む。熱ストアの最上部は、一部の状況では、特に夏季中に熱ストアへの望ましくない熱流れをもたらす可能性がある日中温度変動に露出される場合がある。この露出は、熱ストアの上部及び最上部にわたる適切なレベルの断熱の追加によって対抗することができる。他方、熱ストアの下側部分は、場所の詳細に応じて地下数十メートルレベルの深さまで延びる可能性が高い。それらの下面は、その場所の年間平均温度に近い値で年間サイクルにわたってその温度が実際に不変のままである環境と接触状態になる。低経度の場所は、２０℃の近くに年間平均温度を有することが予想される。すなわち、熱ストアの下側部分の意図的設計によってシステムの有用な熱貯蔵容量を増強することを可能にすることができる。本発明は、材料及び構成技術の使用を提供して、貯蔵液体単独から得られるものよりもその有効な熱貯蔵容量を増大するために、熱ストアの下側部分において熱ストアとその周りの間の熱的接触を高める。この追加の貯蔵容量は、かなりの量の季節的熱貯蔵を提供し、低排熱温度の需要がそのピークにある時の夏の期間への冬季の低温の一部の持ち越しを可能にする。低温熱ストアの容量を増大するための対策の有効性は、場所及び適用詳細に伴って変化することになる。あらゆるそのような対策の推奨度は、各考えている場所に実施される地熱熱流れ計算を含む特定の実行可能性調査から決定しなければならない。

低温熱ストアのための好ましい貯蔵媒体は、水又は水ベースの混合物、すなわち、いくつか基準に基づく選択である。水は、予想作動温度の全ての範囲にわたって液体のままである。それは、約４℃に至るまで正の熱膨張係数を有し、この温度に至るまで温度成層化を可能にする。それは、安定、非毒性、廉価であり、それが接触状態になる可能性がある材料に向けて非攻撃的であるように容易に処理可能である。

上述のように、図２は、低温貯蔵のための１つの好ましい配置を示している。液体容器は、ほとんど地下に配置された単一容器２０として示されている。貯蔵容積の垂直及び水平測定値は、例示的な目的で同等であるように示されている。上側及び下側先端にあるバッフル２３を提供して、容器を介していかに急速に液体をポンピングするかに関係なく貯蔵容積内であらゆる有意な垂直流体移動を放散する。絶縁体２２は、貯蔵容積の最上部分のみを覆う層に示されている。絶縁体カバレージは、日中の温度変化の影響を実質的に受ける可能性がある深さに至るまでのみ貯蔵容器の断熱を提供することを意図している。有意な日常的地表温度変動の限界を超えた深さでは、液体熱ストアとその周りの間の熱的接触は、価値ある増分を熱貯蔵容量に提供することができる。熱ストアの設計は、この特徴がシステムの作動に実用的で良好に寄与することができることを確立することができる時はいつでもこの効果を利用するための手段を提供する。

いくつかの構成技術は、１又は複数の貯蔵容器に使用することができる。それらは、金属、コンクリート、又はプラスチックのプレハブ、現場での容器製作又は裏打ちされた洞穴構成を含む。等しい深さに配置された複数の貯蔵容器は、好ましくは、流れ抵抗を最小にし、地質周囲に対する熱的結合によってあらゆる可能な貯蔵強化を利用するために並列配置で配管される。特定の場所に最もよく適合する特定のソリューションは、プラント設計研究によって決定されることになる。本発明の範囲は、閉じ込められた液体容積中に温度成層化を貯蔵かつ生成する一般的に使用における全ての技術の使用にまで拡張される。

低温熱ストアの一般的な大きさは、具体的実施例によって示されている。実施例は、１００ＭＷの電気出力定格を有する単一蒸気ランキンサイクル空冷パラボラトラフ太陽熱発電所に基づいている。このタイプの発電所は、３０℃の近くの温度で熱を排出するとき、生成される電気出力の１ｋＷｈ当たり約１．４ｋＷｈの熱の典型的な凝縮器排熱を有することになる。発電所は、十分に高温の貯蔵を有して少なくとも日中の全期間にわたってそれが電力を生成することを可能にすると仮定される。熱ストア７は、十分な容量を有し、その完全チャージと完全放出状態の間で１０Ｋの最大温度上昇を伴って１日のうち最も熱い８時間にわたって完全排熱負荷を吸収することになる。合計プラント出力は、８時間にわたって定格出力の８０％になると仮定される。相変化材料又は地熱又は他の技術による熱貯蔵容量のいずれの有用な増強に関しても余地は残されない。この要件を満たす熱ストアの水量は、約１００，０００ｍ³である。この貯蔵の要件は、仮定される数値のほとんどにおいて現実的な変化によって実質的に低減することができることが実施例の詳細から明らかである。この厳しい適用においても、熱ストアの物理パラメータは、仮定される発電プラントの予想される規模と大まかに等しい。更に、熱ストア寸法は、十分な太陽エネルギ入力の時間を超えて太陽熱発電所の作動時間を延長するのに使用する高温熱ストア寸法に大まかに類似している。

２次回路熱交換器及び熱ストア再生
２次回路熱交換器（図１の実施形態の８）は、利用可能な日中の温度範囲を最もよく利用するために、広範囲の熱交換負荷にわたって高効率で機能しなければならない。高温乾燥地帯内の最低の毎日の温度は日の出の近くに生じる傾向がある。最冷時間中の周囲温度の時間プロファイルは、夜間の長波長の放射冷却による漸次的温度傾斜がかなり急速な温度上昇速度を発生させる直接太陽放射のかなり強い影響によって反転されるので一般的に非対称である。砂漠気候における夜間放射冷却は、典型的には、１００〜１５０Ｗ／ｍ²の範囲にあるのに対して、太陽放射は、７００〜９００Ｗ／ｍ²の範囲のレベルまで日の出後に急速に上昇する。この特性のうちの１つの結果は、貯蔵された熱の放出（再生）を終わらせるための時間が比較的明確に定義されるのに対して（日の出後直ちに）、熱放出工程を開始するための最適時間は、識別することがかなり困難である。

適応機能を有する工程制御システムは、最適再生サイクル開始時間を選択するのに好ましい。この決定は、気象情報、熱ストアの温度プロファイル、並びに再生時間の終わりまでの現在及び予想される発電を入力するとき、使用するプログラム論理部によって行うことができる。熱ストアの再生工程の有効な機能のための有利な機能は、２次回路（冷却剤）熱交換器による広範な電力スペクトルにわたる有効な排熱である。この目的は、一部の実施形態において、必要な排熱作業の全ての範囲にわたって寄生的電力消費を最小にするように構成されたファン速度制御及び熱交換ブロックを完全変調した熱交換器を使用して最もよく達成される。この作業を実施する熱交換器のための１つの好ましいレイアウトは、適正に拡張された表面を有する水平チューブアレイ及び垂直通風ファンシステムである。この一般的な配置の熱交換器は、大量の熱を周囲に排出する火力発電用途に広く使用されている。

より詳細な作動
本発明のシステムの機能を単一作動日の行程にわたってここでより詳細に説明する。

作動サイクルの第１部は、周囲温度が周囲へのサイクル熱の直接排熱のための上限として設定されたレベルを超えたとき、始まる。典型的には、これは、日の出後直ちに起こる。正確な時間は、特定の場所に対して気候データに依存することになる。この時点で、２次回路は、熱交換器８への流れを止めてそのファンを停止する。発電がこの時点で起こらない場合、循環ポンプ１１も停止して無駄な電力消費を回避する。電力が発生している場合、凝縮器４中の冷却剤は、熱ストア７の上部に入り、それによって熱ストアに熱を堆積させる。予冷流体は、熱ストアの下部から引き出され、凝縮器４を介してポンピングされて電力サイクルから熱を吸収する。熱ストア７の成層は、上部に入る暖かい流体が下の冷たい流体と混合しないことを確保する。従って、低温熱ストアの最上部は、発電サイクルから排出された熱を蓄積し始める。このモードの作動は、発電を停止するまで又は周囲温度が設定されたレベルに下がるまで続き、大気への熱の直接排熱を可能にする。発電を停止する場合、２次回路流れは停止され、周囲熱交換器８上のファンは、適切な間隔の後でオフにされて低温熱ストアの不要な寄生的電力消費及び放散を防止する。

作動サイクルの第２部は、周囲温度が設定されたレベルを下回って周囲への熱の直接排熱を可能にするとき、始まる。電力生成がこの時点の後で続く場合、弁設定を変更して、流れを凝縮器４から周囲熱交換器８に向け、排出されたサイクル熱を周囲空気に直接に伝達することを可能にする。この変化はまた、効率的な熱放散の必要性に応じて熱交換器８内のファンを起動すると考えられる。２次回路流れのどの部分も、作動のこの部分中に熱ストア７を通過しない。

作動サイクルのこの部分は、典型的には、周囲温度がその日中のピークを実質的に下回り、周囲空冷速度が夜間中に広がるその近くのレベルまで低下している日没後の時間に始まる。この時点で、低温熱ストアの連続使用から生じる発電の利益は、低温熱ストアを使用する温度利点が日中の温度範囲の僅かな部分まで低下しているので限界になっている。更に、熱ストア７内の熱の連続蓄積は、熱ストアから排出すべき熱の総量に追加され、再生フェーズの早期開始を必要とし、それによってそうでなければ達成することが可能であったレベルよりも上に達成可能な再生熱ストア温度を上昇させる。

直接排熱フェーズの開始の時間は、様々な技術によって決定することができる。１つの簡単で直接的な方法は、熱ストアへの排熱によって達成される温度に対して周囲への直接排熱によって達成される排熱温度に基づいている。一例として、周囲への直接排熱は、直接排熱ではなくて熱ストア７を使用する排熱温度の利点がある規定値未満、例えば、１．０Ｋに減少するとき、始めることができる。作動サイクルの第２部を開始するための別の方法は、熱ストア７を通る経路から熱交換器８を通る経路へ流れを徐々に切り換えるようにする。この方法では、流れ再分配は、好ましくは、周囲温度が熱ストアの再生された（すなわち、最低の）部分の温度を僅かに下回ると直ちに始めることができる。この時点で、熱ストアの再生部分内の温度を超える熱交換器８から戻る冷却剤の温度の上昇を引き起こすことなく、熱交換器８を介して発電プラント熱出力の小部分のみの排出することが可能である。周囲温度が低下すると、熱交換器８を通して移送された冷却剤の部分は、温度上昇することなく増大することができる。この工程は、熱交換器４に由来する冷却剤の全流量が熱交換器８を通して移送され、熱ストア７を通る流れが停止するまで続く。全発電又は毎日の作動サイクル全体にわたるピーク電力出力又は全体発電効率の最大化に基づく直接排熱の開始を決定するためのより複雑な方法は、実施することが明らかに可能である。

毎日の作動サイクルの一部として直接排熱フェーズを含めることは、日常的天気変動及び様々な気候、並びに年間作動の行程にわたって遭遇するプラント作動条件を処理するのに必要な柔軟性を提供するのに不可欠である。直接排熱フェーズを含めることはまた、熱ストアのオーバーサイジングを回避してシステムの費用効果設計を達成するのに不可欠である。

作動サイクルの第３部は、作動の早期の部分中に熱ストアに蓄積された熱の全てを放出することによる熱ストアの再生を伴う。本発明のシステムの作動サイクルのこの部分を開始する時間は、１）本発明のシステムの毎日の作動サイクルの残りの部分に対するプラントの予定の又は予想される発電と、２）熱ストアに蓄積された熱の量と、３）周囲温度が熱ストアの熱再生に対して許容される最大レベルを超えることが予想されるまでの残りの時間及び予想周囲温度プロファイルとに依存することになる。コントローラは、作動サイクルの熱再生部分を開始するための最適時間を決定するために、構成要素実行機能及び現在の天気データに加えて上記情報を使用するようにプログラムされる。

作動の２つのモードが、作動サイクルの熱再生部分中に可能である。第１のモードは、発電回路によって電力が生成されない場合に適用される。この場合、２次回路は、周囲空気の中に放散するために専ら熱ストア７から熱を除去し、それを周囲熱交換器８に送出するように配置される。これは、下側３ポート弁９上の凝縮器４に面するポート、及び上側３ポート弁９上の熱交換器８に面するポートを閉鎖することによって容易に達成される。循環ポンプ１１及び熱交換器８に寄与するファンに対する速度設定は、熱再生に利用可能な時間中に最小エネルギ消費に必要な熱放散を達成するように決定される。

作動サイクルのこの部分中の作動の他の可能なモードは、電力が熱ストア再生サイクル中に生成され続けるモードである。このモードは、凝縮器４を介して電力サイクルから、かつ周囲熱交換器８によって周囲空気の中に同時に、放散すべき熱ストア７からその両方から取った熱を必要とする。この状況下で、下側３ポート弁９は、電力サイクルからの排熱温度が望ましい値に維持されるように、凝縮器４と熱ストア７の間に熱ピックアップ流れを割り当てるように調節されることになる。上述の状況にあるとき、上側３ポート弁は、熱ストア７からの流れを循環ポンプ１１の入口側に差し向けるように位置決めされたままである。システムコントローラは、低温熱ストアに蓄積された熱だけではなく発電進行中に排出されている熱も考慮に入れて熱ストア再生作動を開始するのに最適な時間を決定しなければならない。低温熱ストア７、特に循環ポンプ１１及び周囲空気熱交換器８の設計は、連続電力生成の可能性が存在するあらゆる用途においてこの作動を実施するのに十分な容量を提供しなければならない。

熱ストア７のための熱再生工程は、周囲温度が周囲への排熱に対して設定されたレベルを超えるとき、予想される時間を超えて続けることは許すことができないことは明らかである。その理由は、日の出後すぐの周囲温度上昇の速度が、日の出前の時間の周囲温度低下の速度よりも一般的に遥かに高いからである。過度に早期の再生サイクルの開始は、低温熱ストアにおいて効果があまりない再生プロファイルをもたらし、再生サイクルの早期部分において発生するより高い熱ストア温度をもたらす。遅すぎるサイクルの開始は、次の１日のサイクルの最初に熱ストアの所定位置に依然として残された蓄積熱の一部と共に熱ストアの不完全な再生をもたらすことになる。すなわち、熱再生サイクルの開始の最適時間を決定するための正確な方法は、本発明のシステムの有効な作動に対して有利である。再生の最適開始時間は、再生サイクルの終了までに排出する必要がある熱の量がその終了時間までのシステムの潜在的排熱容量に等しくなるとき、生じる。

再生サイクル開始の正確な決定は、周囲温度が低下してサイクル完了に利用可能な時間が減少する間に関わる熱量の連続再計算を必要とすることになる。

制御論理部
図３は、周囲に放散すべき熱量が熱ストアの再生に対して残っている時間に計算された排出容量の９８％を超えるとき、熱再生工程を開始する制御方法を示している。これは、本発明のシステムの利益が完全に達成されることを確保するように導入することができるいくつかの判断基準の１つの例である。

図３の方法５０の段階は、詳細には、
５１、ループは現在の時間読み取りで開始する。
５２、アーカイブ現場気象記録、日の出時間、及びローカル短期天気予報を含む天候プロファイルから熱再生サイクルに対する推定終了時間を決定する。
５３、低温熱ストア（ＬＴＳ）に対する温度プロファイルを読み取る。
５４、再生サイクルの終了までに周囲に排出すべき推定追加熱を予想電力需要情報から決定する。
５５、熱ストアに貯蔵された熱の追加及び発電から排出すべき推定追加熱により、再生サイクル終了までに必要な排熱の量を計算する。
５６、現在の周囲温度を読み取る。
５７、アーカイブ現場気象記録、日の出時間、及びローカル短期天気予報から熱ストア再生サイクルの終了までの周囲温度プロファイルを決定する。
５８、周囲熱交換器及び２次ポンプ液体回路の特性を周囲温度プロファイルと組み合わせることにより、熱ストア再生サイクルの終了までに利用可能な全排熱容量を計算する。
５９、排熱容量の９８％が、必要な排熱よりも大きいかを決定する。そうである場合、熱ストアに熱を貯蔵するか又は電力サイクルから熱を直接に周囲に排出し続け、６２、続いて、次のループ開始まで事前設定された構成された遅れがある、６３。そうでなければ、熱ストア再生を開始し、６０、かつ６１で終わる。

再生サイクルの完了後に、その時点で発生している電力から熱を周囲に直接に排出することができる時間間隔が存在する場合がある。これは、例えば、雲量又は風又は他の気候特徴が、早朝周囲温度上昇速度を低下させるように介在した場合に行うことができる。特に、このタイプの挙動に定期的に遭遇する可能性がある場所は、毎日の作動サイクルの第２部に関して議論した設計特徴を使用して熱再生フェーズの完了後に直接排熱フェーズをシステムに組み込むことができる。

妥当な日中温度変動を有する熱くて乾燥した場所に配置される駆動発電プラントは、本発明のシステムを組み込むことによって性能改善を利用することが可能になる。最も大きい性能改善は、最低熱取り込み温度を使用するプラントに見出されることになる。カルノー因子の増加は、１３０℃で熱を取り込む低温サイクルの約５％から６００℃で熱を取り込むサイクルの２．０％まで及んでいる。本発明のシステムの組み込みによる実際のプラントの性能の改善は、実際のプラントが、カルノー因子限界を十分に下回るレベルで実施され、一般的にそれらの理想の対応物よりも少ない凝縮器熱を排出するので有意である可能性がある。

本発明のシステムの利益は、上述の性能改善に限定されない。追加の利益は、１日２４時間にわたる安定化されたプラント作動、及びプラントによる継続水消費の低減又は排除から得られる。

制御論理部：低温熱ストア内の可変再生流体温度
火力発電のための熱ストアの作動は、再生フェーズ中のある一定の最低温度と、第２に、プラントによる電力生成から熱を吸収した後のより高い温度とを達成する熱ストアの仮定に基づいている。これらの２つの温度の間の差は、考えられている場所での「日中温度範囲（ＤＴＲ）」、並びにいくつかの他の因子に関連している。１０Ｋの値が、例示的目的に対して使用されている。

ある一定の状況に有利である場合がある利用可能な他のオプションが存在する。１つは、再生されている貯蔵液体の可変温度を使用する可能性である。再生貯蔵内容物の温度プロファイルは、非常に高い値で始まってターゲット再生流体温度まで数時間にわたって低下する。このオプションは、初期再生温度が、選択量だけ最終再生温度よりも高くなることが可能であれば、再生工程を早期に始めることを可能にすると考えられる。熱ストアの再生が完了するとき、その最上部分は、熱ストアの下側部分よりも僅かに高い温度を有する。

このオプションは、熱ストアの作動に対してより大きい柔軟性を可能にする。それは、再生サイクルのより長い持続時間を可能にし、すなわち、２次熱交換器に対するピーク排熱需要を低減する。これは、２次熱交換器のサイズ縮小、それによってシステムの費用効果の改善をもたらすことができる。

この特徴の有用性は、毎日の周囲温度プロファイルが、一般的に、日の出の近くで起こる傾向があるその最小値に向けて日没後に遅い減少率を示すという事実から生じる。この遅い低下の結果、初期ターゲット再生温度が少量、例えば、１Ｋ〜３Ｋだけ上昇する場合、１時間ほど又はそれよりも早く再生フェーズを始めることが可能になる場合がある。この特徴は、夜間の時間のかなりの部分中に電力を生成し、より長い再生期間が２次排熱機器の可能なオーバーサイジングを回避することになるために最も価値があることになる。

この特徴は、プラント作動に対して最小の影響を有する低温顕熱ストアを使用してシステムの中に組み込むことができる。僅かに高い初期再生温度は、最低密度流体が熱ストアの再生部分の最上部に留まることになるので、熱ストアの成層を乱すことにはならない。同様に、この僅かに温かい再生流体は、次の日に熱を吸収するのに使用すべき最後のものになり、すなわち、それは、熱ストアの使用必要性がその最小値に近づいているとき、熱ストアチャージングフェーズの終わりに使用されることになる。

制御論理部：熱ストア内の可変加熱流体温度
熱ストアの上側作動温度は、主として発電プラントの排熱温度を最低実施可能な値に限定するように設定される。貯蔵流体が発電プラントの排熱要素を通過するとき、生じる温度上昇は、一般的に、プラントがその定格容量で作動しているとき、起こる温度上昇である。発電プラントの実際の作動は、出力が実質的に定格又は設計値とは異なる場合がある時の多くの事例を含む。

本発明のシステムは、発電プラント排熱要素により流体の流量を変えることによってプラント作動に追加の柔軟性を提供することができる。プラント制御部は、プラント出力がその設計値よりも小さい時はいつでも排熱要素により流れを低減するように配置することができる。これは、低温貯蔵流体に対する引き出しを低減することになり、より効率的なシステム設計をもたらすことができる。別のオプションは、流量を増大する機能であり、排熱温度の低下及び出力の増加をもたらす。この機能は、固定プラントエネルギ入力から抽出される電力を増大することによってプラント出力を増大する方法を提供する。このオプションは、要望に応じて追加の電力の生成がプラント作動の有用な機能とすることができるとき、当て嵌まる場合がある。

発電所からの排熱をピックアップする熱ストアの水の公称温度上昇として１０Ｋの数値を使用して、熱ストア及び発電プラント排熱要素を接合するループ内の流量を公称流量の半減〜倍加の間で変えることができる場合、１５Ｋほど多くもプラント排熱温度を変化させることが実施可能な場合がある。この機能の有用性は、他のプラント出力制御機能と共に又はこれに加えて現場詳細に依存することになる。

このオプションは、低温熱ストアの加熱部分に温度変化をもたらすことになる。それらの変化は、熱ストアの加熱部分内に対流を起こす場合があり、これは、一般的に、この領域において流体温度を均質化する傾向がある。熱ストアの再生部分は、この影響により妨げられる可能性は少なく、低温熱ストアの機能は、実質的に影響を受けないままである。

この手段によりプラント出力に影響を与える機能は、高度の動的出力制御が重要な属性である発電所にシステムの有用な追加の機能を提供することができる。

発電プラント：作動流体としてのＣＯ ₂
本発明は、最も一般的には作動流体としてＣＯ₂を有する超臨界流体サイクルを使用する発電プラントに適用することができる。

この実施形態において、本発明のシステムによる作動温度間隔の拡幅は、日中サイクル中の全ての時間に凝縮モードでプラントが作動することを可能にし、従って、追加の利益をプラントに提供する。

ＣＯ₂の低臨界温度は、この流体を使用する凝縮電力サイクルを約３１℃未満の温度で熱を排出することができるものに制限する。超臨界ＣＯ₂サイクルを使用する高温乾燥の場所に配置された空冷発電プラントは、周囲温度が約２０℃を超える時はいつでも凝縮作動を達成することはできないことになる。この限界は、この電力サイクルの適用を抑制し、又は２つのタイプの排熱を満足させるのに必要な機器の費用及び複雑性を増大させるように機能する可能性がある。

適切な気候帯に配置された超臨界ＣＯ₂発電プラント内への本発明のシステムの組み込みは、プラントの作動温度範囲を広くすることになり、それに上述の利点を与える。更に、排熱温度の低下は、ランキン及びブレイトンサイクルタイプの両方を伴う混合モード様式ではなく、凝縮（ランキンタイプ）サイクルにおいてフルタイムでプラントを作動させることになる。気体よりも液体を圧縮することは、それほどエネルギを必要としないことは公知である。これは、本発明のシステムの適用から生じる追加の性能利益をもたらすことができる。

作動サイクルの簡素化は、超臨界ＣＯ₂サイクルを使用する資本コスト利点及び作動効率利得を発電システムの両方に提供することになる。この実施形態はまた、超臨界発電用途においてＣＯ₂の代わりに作動流体として使用することができるＣ₂Ｈ₂、Ｃ₂Ｈ₆、及びＮ₂Ｏ、並びにそれらの適切な混合物を含む他の作動流体に適用される。

発電プラント：化石燃料プラント
本発明はまた、化石燃料複合サイクル発電プラントの一部である場合がある。この実施形態において、本発明は、ボトミングサイクルの作動温度範囲を広くし、トッピングサイクルに寄与する燃焼取り込み空気ストリームに冷却を提供する。第１の役割は、ボトミングサイクルの性能を改善することによって集合プラントの効率の改善に寄与する。第２の役割は、流入燃焼空気にエネルギ効率的な冷却を提供し、それによってそうでなければ周囲温度の上昇を伴うシステム出力及び効率の低下を回避することによる集合プラント性能への追加の改善を提供する。この実施形態内の構成要素の一般配置は、図４に示されている。燃焼工程要素及び排気ガス熱交換器を収容するエンベロープ１０１は、空気取り込み及び空気取り込み冷却セクション１０３と、ガスタービンセクション１０４と、排気ガス熱交換器又は熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１０５との３つのセクションに分割される。

ボトミングサイクル、一般的に蒸気ランキンサイクルは、一般的に以前の実施形態に説明する通りである。この実施形態において、熱ストアは、熱ストアから閉回路入口空冷コイル１０３に冷却水を提供する追加の対の接続部１０６及び１０７を有する。ポンプ１０８は、冷却液の望ましい流れを燃焼タービン空気入口の経路に配置された冷却コイルに供給する。好ましくは、ポンプ１０８は、可変速度機能を含み、入口空冷を提供するのに使用するポンピングパワーのエネルギ効率的調節を可能にする。入口空冷特徴要素は、周囲温度の上昇の時間中に望ましいレベルにプラント出力を維持するのに必要な程度まで使用されることになるに過ぎない。可変燃焼入口空冷の利用可能性は、全体プラント出力制御の一部としても使用される場合がある。

このシステムにおける冷却効果の生成は、エネルギ効率的かつ水効率的の両方である。冷却は、いずれの機械冷却もなしにかついずれの水消費もなしに生じる。システムは、補助機械冷却ユニットの挿入を可能にし、夜間排熱単独から得られる温度よりも低い温度で冷却液を提供することが望ましいと見なすことができる状況において追加の冷却を提供する。追加の入口空冷は、入口空冷コイルに寄与する流れ及び戻りパイプの間に冷却ユニットを挿入し、コイルに入る液体を冷却し、かつ低温熱ストアに戻る液体を加熱することによって提供することができる。この任意的な特徴は、それが本発明のシステムの本質的な特徴ではなく、かつその機能及び図内の配置は当業者には明らかであると考えられるので示されていない。

たとえ補助機械冷却を使用する場合でも、入口空気冷却効果の大半は、夜間排熱工程から得られ、全体の冷却エネルギ消費の大幅な減少としてそこから実質的に利益を得ることは明らかである。冷却システムの閉ループの性質は、蒸発冷却を提供するのに必要な水の消費に依存することなくシステムがその冷却を提供することを確保する。

サイクル熱を周囲の中に放散するのに使用する熱ストアのサイズ及び排熱機器の容量は、ボトミングサイクル排熱及びトッピングサイクル入口空冷工程の両方の必要性により決定することが必要になる。入口空冷を提供するのに必要な追加の排熱容量は、低温排熱装置の全体の容量があまりこの具備による影響を受けないように、全体のごく一部のみを含むことになる。

本発明のシステムは、エネルギ効率的な燃焼タービン取り込み冷却を提供することによって化石燃料複合サイクルプラントのトッピングサイクルに追加の利益を送出することができる。蓄積された夜間冷却流体を使用して、日中の温度範囲に近い量だけ日中燃焼入口空気温度を低下させることができる。この発生源から利用可能な予冷の量は、日中温度変動に依存する。本発明のシステムの配備に適切な場所において、利用可能な空冷の量は、市販のＣＴＩＡＣ（燃焼タービン入口空気冷却）システムによって提供される量に同等である（約２０Ｋ）。燃焼入口空気の温度の低下は、燃焼タービンの出力及び効率の両方を増大させることは公知である。ピーク電力需要の時間は、多くの場合、冷却支配的気候においてピーク周囲温度と一致する。この出力の周囲リンクの減少を軽減する一部の手段なしでは、発電プラントは、正確に最大電力需要が起こる時間に有意な性能損失を被る場合がある。

本発明のシステムは、水の消費を必要とせず、かつエネルギ集約的機械的冷却に依存しないタービン入口空冷の手段を提供することができる。熱ストアからの冷却剤流れは、接続部１０７によってタービン吸入の経路１０３にわたって配置された空冷コイルの中に給送される。実用上、入口空冷、並びに排熱温度低下の具備は、低温貯蔵システムのサイズの非常に軽微な増加（典型的には、約１％）によって本発明のシステムで達成することができる。低温熱ストアと燃焼入口空冷コイルとの間を延びる配管において機械冷却ユニットを挿入することによって日中の温度範囲から直接に利用可能なものの他に入口空気の温度低下を増強することができる。この配置は、そうでなければ必要であったであろう機械冷却パワーの僅かに一部だけを使用しながらより大きい程度の入口空冷を可能にする。

非火力電力生成プラント
本発明は、熱の実質的な共生成を有する非火力電力生成プラントに適用することができる。１つの例は、集中太陽光発電（ＣＰＶ）発電プラント（電気への光の変換）である。電力は、太陽エネルギの電気への直接変換によりＣＰＶプラントで生成される。この実施形態の別の例は、化学的に蓄積されたエネルギを電気に変換する燃料電池を使用する発電プラントである。

受光体上に入射する太陽束の僅かに一部だけが太陽光発電工程を介して電気に変換することができることは公知である。流入太陽エネルギ束の残りの部分（一般的には半分よりも多く）は、熱に変換される。この熱の処分は、高温の太陽光受光体が太陽光発電変換の効率を低下させ、かつ時間と共に受光体自体の劣化を引き起こす場合があるので、ＣＰＶプラントの設計に課題を提示している。

本発明は、太陽光受光体ヒートシンクに適用された場合、太陽光受光体をそうでなければ可能であった場合よりも低温で作動させ、それによってより高効率かつ熱劣化の危険を低減して作動させる。２０Ｋの典型的に得られる数値によっる太陽光受光体作動温度の低下は、太陽光発電変換効率の測定可能な増加を提供することは当業者には公知である。配置２００は、図５に示されている。この実施形態と第１の実施形態の間の主な違いは、電力が、太陽束の太陽光発電変換によるが熱変換によらずに生成される点である。非熱的エネルギ変換デバイス２０１は、ヒートシンク２０２と直接に接触する。熱は、循環ポンプ５を収容するポンプ式「作動流体」ループ２０３によってヒートシンク２０２から除去される。ヒートシンク２０２から除去された熱は、図１を参照して上述したものと同じ方法で本発明のシステムを使用して日中サイクルの最低温度の中に排出される。

この方法により、非火力発電機は、そうでなければ可能であったであろう場合よりも実質的に低いほぼ一定の温度で作動させることができる。より低い作動温度は、効率利得及び構成要素予想寿命に対する延長の両方を提供することができる。

本発明のシステムをＣＰＶ又は他の非火力発電プラントにおいて良好な効果で使用することができる別の方法は、太陽光発電受光体又は他の非熱的エネルギ変換装置から排出される熱流束を使用して熱エネルギ変換工程を作動することが実施可能である状況で行われる。ＣＰＶ受光体は、既存システムにおいて１００℃〜１２０℃の範囲の温度で作動することは公知であり、技術を改良すると、より高い温度での作動を可能にすることができる。類似の熱的条件は、ある一定の燃料電池発電システムにおいて生じる可能性がある。

この状況は、ＣＰＶ受光体又は燃料電池上のヒートシンクと周囲との間で熱エネルギ変換システムを作動させる可能性を提示する。それらの温度の間で作動する熱エネルギ変換システムは、上述のようにＯＲＣプラント又は凝縮超臨界ＣＯ₂発電サイクルのいずれかを有利に使用することができる。好ましい気候設定内のこのタイプのシステムへの本発明のシステムの適用は、実質的な出力利得を集合プラントに提供することができる。この実施形態における集合発電プラントは、使用可能な温度で廃熱を生成する非熱的変換工程に由来する１次電力生成と、廃熱を利用して追加の駆動電力を生成し、かつ本発明のシステムを使用して熱変換段階の性能を最大にする２次熱変換工程との２つの電力生成段階を有すると考えられる。

別のシステム３００は、図６に示されている。ここで、非熱的エネルギ変換ユニット３０１は、そのヒートシンク３０２に接触して示されている。この場合のヒートシンクは、ヒートシンク冷却流体（「作動流体」）の十分な温度上昇を提供し、発電機３０４に結合された膨張エンジン３０３を駆動することができる。作動流体は、ポンプ３０６によって加圧される前に熱交換器３０５において冷却されて凝縮される。火力発電サイクルから排出された熱は、他の実施形態に関して上述したように、本発明のシステムによって夜の最も冷たい部分中に放出するために蓄積される。非火力発電機の作動温度は控えめな値に制限されるので、２次電力生成の実施可能性に対する本発明のシステムの影響は有意であると予想することができる。

本発明は、説明した実施形態に限定されず、むしろ構成及び詳細において変えることができる。例えば、熱ストアは、複数の相互接続タンクの形態を取ることができ、それらは、異なるレベルにある場合がある。この場合、好ましくは、冷却剤は、上側タンクの中に送出されて下側タンクから引き出される。２次熱交換器は、周囲空気への少なくとも部分的な最終排熱で終端する一連のいくつかの背中合わせ熱交換器を有することができる。

Claims (34)

1. 発電プラントであって、
   作動流体の使用によって熱エネルギを別の形態のエネルギに変換するためのエネルギ変換器と、
   作動流体から熱を排出するための作動流体熱交換器（４）と、
   冷却剤を前記熱交換器（４）に与えるための２次回路（６−９）と、を含み、
   前記２次回路は、
   冷却剤を貯蔵するように配置されたストア（７）と、
   周囲空気に熱を排出するための２次熱交換器（８）と、
   冷却剤ダイバータ（６、９、１２）と、
   コントローラと、を含み、
   前記コントローラは、冷却剤を、（ａ）熱を前記ストアに排出するために前記作動流体熱交換器（４）から前記ストア（７）に移送するように構成され、又は、（ｂ）前記作動流体熱交換器（４）から前記２次熱交換器（８）に移送するように構成され、（ｃ）前記（ａ）又は前記（ｂ）を、どちらが冷却剤からより有効な排熱を行うかに従って選択するように構成される、発電プラント。
2. 前記コントローラは、前記２次熱交換器（８）が冷却剤温度を閾値未満に低下させることができないとき、冷却剤を前記ストア（７）に差し向けるように構成される、請求項１に記載の発電プラント。
3. 前記コントローラは、前記２次熱交換器（８）から戻る冷却剤の温度が、冷却剤が前記ストア（７）から引かれる温度を超えるとき、冷却剤を前記ストア（７）に差し向けるように構成される、請求項１又は２に記載の発電プラント。
4. 前記ダイバータ（６、９、１２）は、冷却剤を前記ストアの上側部分に移送するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電プラント。
5. 前記２次回路は、前記（ａ）の間、冷却剤を前記ストアの下側部分から前記作動流体熱交換器（４）に供給するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電プラント。
6. 前記コントローラは、日中、前記２次回路は熱を前記ストアに排出させ、夜間、熱を前記２次熱交換器によって排出させるように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電プラント。
7. 前記コントローラは、前記ストア（７）から前記作動流体熱交換器（８）に送出された２次回路冷却剤が前夜の最低温度に近い温度まで冷却されたことを確保するように構成される、請求項６に記載の発電プラント。
8. 前記コントローラは、追加された熱を単一の２４時間の期間に排出することができる時間までのみ前記ストアを使用するように構成される、請求項６又は７に記載の発電プラント。
9. 前記２次回路は、周囲温度と、排熱ステージにおける前記作動流体の温度と、前記ストアの熱プロファイルとをモニタするように構成された温度センサを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の発電プラント。
10. 前記閾値は、可変である、請求項２〜９のいずれか１項に記載の発電プラント。
11. 前記コントローラは、ローカル気象データと、前記ストアの温度プロファイルと、発電プラントからの排熱に対する予想需要とに従って、前記閾値を設定するように構成される、請求項１０に記載の発電プラント。
12. 前記コントローラは、前記２次熱交換器（８）から戻る冷却剤の温度が前記ストア（７）の作動温度を超えるとき、冷却剤を前記ストア（７）に差し向けるように構成され、
    前記ストア作動温度は、直近の再生後の前記ストアの最も冷たい部分における温度である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発電プラント。
13. 前記コントローラは、前記ストア（７）の再生を前記ストア内の冷却剤の温度を低下させることによって指示するように構成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発電プラント。
14. 前記コントローラは、毎日の周囲温度サイクルの最も低温の部分間、前記ストアが作動温度状態に戻ることができるように、電力生成から前記作動流体内への熱の排出とストア再生を同時に指示するように構成される、請求項１３に記載の発電プラント。
15. 前記コントローラは、前記ストアの温度を低下させるための再生を指示するように構成され、前記２次回路熱交換器の計算された排熱性能が、前記ストアを完全に再生するために前記再生の終わりまでに放出されなければならない熱の量に近づくとき、再生が始まる、請求項１３又１４に記載の発電プラント。
16. 前記コントローラは、再生後の前記ストアに対するターゲット温度プロファイルを動的に設定するように構成される、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の発電プラント。
17. 前記コントローラは、プラント電力出力に対する値が設定値未満に低下するときはいつでも前記作動流体熱交換器（４）を通る作動流体の流量を変化させるように構成され、又は、排熱温度を低下させて電力出力の増加を引き起こすように構成される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の発電プラント。
18. 前記ストアは、前記ストア内の冷却剤の垂直流れを低減するバッフル（２３）を含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の発電プラント。
19. 前記ストアの最上部の近くに少なくとも１つのバッフルがある、請求項１８に記載の発電プラント。
20. 前記ストアの上端と前記ストアの下端の両方にバッフルがある、請求項１９に記載の発電プラント。
21. 前記ストアは、地下に配置されるように構成されたタンクを含む、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の発電プラント。
22. 前記ストアは、前記タンクの上部壁の上に絶縁体の層を含む、請求項２１に記載の発電プラント。
23. 前記コントローラは、冷却剤を前記ストア及び前記２次熱交換器の両方に同時に移送するように構成される、請求項１〜２２のいずれか１項に記載の発電プラント。
24. 前記コントローラは、漸次的方式で切り換えフェーズ中に前記ストア及び前記２次熱交換器の両方に同時に冷却剤を移送するように構成され、前記２次熱交換器に差し向けられた冷却剤流れの一部分は、周囲温度が低下するにつれて増大する、請求項２３に記載の発電プラント。
25. 化石燃料燃焼プラントである、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の発電プラント。
26. システムが、前記ストアから引き出された冷却剤を使用して燃焼空気を冷却するための冷却器（１０３）を含む、請求項２５に記載の発電プラント。
27. 太陽光パワーを電気エネルギに変換するための太陽電池を含み、
    前記作動流体は、前記太陽電池を冷却するための回路内にある、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の発電プラント。
28. 加熱された作動流体からのエネルギを電力に変換するための熱力学変換プラントを更に含む、請求項２７に記載の発電プラント。
29. 発電プラントを制御する方法であって、
    前記発電プラントは、コントローラと、作動流体の使用によって熱エネルギを別の形態のエネルギに変換するためのエネルギ変換器と、作動流体から熱を排出するための熱交換器（４）と、冷却剤を前記熱交換器（４）に与えるための２次回路（６−９）を含み、
    前記２次回路は、冷却剤を貯蔵するように配置されたストア（７）と、周囲空気に熱を排出するための２次熱交換器（８）と、冷却剤ダイバータ（６、９、１２）を含み、
    前記コントローラは、冷却剤を、熱を前記ストア（７）排出するために前記作動流体熱交換器（４）から前記ストアに移送し、及び／又は、冷却剤からの有効な排熱のために前記作動流体熱交換器（４）から前記２次熱交換器（８）に移送する、方法。
30. 前記コントローラは、前記２次熱交換器（８）から戻る冷却剤の温度が冷却剤を前記ストア（７）から引き出すことができる温度を超えるとき、冷却剤を前記ストア（７）に差し向ける、請求項２９に記載の方法。
31. 前記コントローラ及び前記ダイバータ（６、９、１２）は、冷却剤を前記ストアの上側部分に移送し、冷却剤を前記ストアの下側部分から前記作動流体熱交換器（４）に供給し、かつ、前記２次回路は、日中、熱を前記ストアに排出させ、夜間、熱を前記２次熱交換器によって排出させる、請求項２９又は３０に記載の方法。
32. 前記コントローラは、前記ストア内の冷却剤の温度を低下させることによる前記ストア（７）の再生を指示する、請求項２９〜３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 前記コントローラは、前記作動流体からの熱の排出及びストア再生を同時に指示し、それにより、毎日の周囲温度サイクルの最も低温の部分の間、前記ストアを作動温度状態に戻すことができる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記コントローラは、漸次的方式で切り換えフェーズ中に前記ストア及び前記２次熱交換器の両方に同時に冷却剤を移送し、それにより、前記２次熱交換器に差し向けられた冷却剤流れの一部分を、周囲温度が低下するにつれて増大させる、請求項２９〜３３のいずれか１項に記載の方法。

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