JP5990652B2 - 流体貯蔵設備の動作方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギー貯蔵設備の動作方法に関する。
現代のエネルギー技術分野では、効率的な熱エネルギー貯蔵装置が必要とされている。
熱エネルギーは、地上の絶縁タンク、地中の絶縁坑、または地下の堀削洞において、絶縁体として周囲の地面を利用して、水などの流体内に有効に貯蔵することができる。流体の熱エネルギーの大部分は長期間保持される。今日、こうした方法は、異なる季節にわたって熱エネルギーを貯蔵する必要、たとえば後で需要が生じたとき、好ましくは経済価値が高いときに使用される余剰熱を一時的に貯蔵する必要を満たすために、世界各地で使用されている。エネルギーは主に、暖房の必要の低い夏期から暖房の必要の高い冬期へと移行される。しかしながら、短期的変動用の貯蔵装置を使用して、常に活発に余剰熱を貯蔵することによって得られるものも多い。これらの貯蔵装置は、冷却用に使用される低温流体や、低温システムで使用される流体などの中間温度を有する流体向けにも使用することができる。
スウェーデン特許出願第０９５０５７６−９号
今日、市販されている地下の熱エネルギー貯蔵装置の大きな欠点は、使用中に中間温度のエネルギーを大量に含むことである。中間温度は様々な種類の加熱に使用するほど高くもなく、冷却に使用するほど低くもない。
特許文献１は、ある種の効率的な熱エネルギー貯蔵装置を開示している。しかしながら、地下の熱エネルギー貯蔵設備をさらに向上させることが未だ必要とされている。
本発明の一態様による目的は、使用中の効率を向上させる熱エネルギー貯蔵設備の動作方法を提供することである。
本発明の第１の態様によると、この目的は、鉛直温度勾配を有するエネルギー貯蔵装置を備えた熱エネルギー貯蔵設備の動作方法であって、第１の吸熱システムで使用するためにエネルギー貯蔵装置から第１の温度のエネルギーを回収することによって、第２の温度のエネルギーのための空き空間が前記エネルギー貯蔵装置に生成されることを備え、第２の温度が第１の温度よりも高い方法によって達成される。
第１の温度のエネルギーがエネルギー貯蔵装置から回収されると、空き空間がエネルギー貯蔵装置において第２の温度のエネルギーのために有効に形成される。第２の温度のエネルギーは第１の温度のエネルギーよりも適用分野が広く、高温システムであってもよい第２の吸熱システムで使用することができる。第１の温度は１５〜６５℃の範囲とすることができ、第２の温度は５０〜１００℃の範囲とすることができる。これらは第１の温度と第２の温度にとって好適な温度区間である。
該方法は、第１の吸熱システムから第１および第２の温度よりも低い第３の温度のエネルギーを受け取ることと、第３の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。エネルギーが第１の吸熱システムで使用された後は流体の温度は低下しており、したがって、エネルギーは第１および第２の温度よりも低い温度のエネルギー貯蔵装置のレベルで供給される。第３の温度は４〜２５℃の範囲とすることができる。その結果、この第３の温度を有するエネルギーは、給気用冷却コイル、室内冷却コイル、ファンコイル、床下冷却コイル、天井冷却コイルなどの冷却システムで使用することができる。
該方法は、放熱システムから第２の温度のエネルギーを受け取ることと、第２の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。放熱システムは、産業施設またはその他の廃熱源、熱電併給プラント（ＣＨＰ）、加熱または複合発電加熱用のソーラーパネル、ヒートポンプ、バイオ燃料ボイラー、電気ヒーター、または化石燃料ボイラーから成る群から選択することができる。第１の温度のエネルギーが回収されるとき、第２の温度のエネルギーのための空き空間がエネルギー貯蔵装置で生成されるため、その空間は第２の温度のエネルギー、すなわち、第１の温度のエネルギーよりも適用範囲の広いエネルギーで充填される。
該方法は放熱システムから第１の温度のエネルギーを受け取ることと、第１の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。
該方法は、第２の吸熱システムで使用されるためにエネルギー貯蔵装置から第２の温度のエネルギーを回収することと、その後で第２の吸熱システムから第１の温度のエネルギーを受け取ることと、第１の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。第２の温度のエネルギーが第２の吸熱システムで使用された後、温度は低下しており、したがってエネルギーは第２の温度よりも低い温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルで供給される。
該方法は、放熱冷却システムで使用されるためにエネルギー貯蔵装置から第３の温度のエネルギーを回収することと、その後で放熱冷却システムから第１の温度のエネルギーを受け取ることと、第１の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。第３の温度のエネルギーが放熱冷却システムで使用された後、温度は上昇しており、したがってエネルギーは第３の温度よりも高い温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルで供給される。冷却システムは、給気用冷却コイル、室内冷却コイル、ファンコイル、床下冷却コイル、天井冷却コイルから成る群から選択することができる。なお、第３の温度のエネルギーがエネルギー貯蔵装置から回収され、その後でより高い温度で戻される場合、建物内の人間や照明システムおよびその他の機器などの熱源は、本質的には、エネルギー貯蔵装置にとって後で使用できる熱源としての役割を果たす。この意味で、冷却システムは放熱システムである。
該方法は、設備の外部からエネルギーを受け取ることと、第３の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルでエネルギーを供給することと、をさらに備えることができる。たとえば、氷または雪からのエネルギーもエネルギー貯蔵装置に貯蔵することができる。氷または雪が溶けると、エネルギーは低温、すなわち第３の温度の温度区間となる。よって、エネルギーは、第３の温度であるエネルギー貯蔵装置のレベルに置くことができる。この第３の温度のエネルギーは地域冷房システムから受け取ることもできる。
第１の吸熱システムは低温システムとすることができる。第１の吸熱システムは、好適な実施形態であるラジエータ、給気加熱コイル、床下加熱コイル、天井加熱コイル、または壁面加熱コイルから成る群から選択することができる。
第２の吸熱システムは高温システムとすることができる。
放熱システムは、産業施設またはその他の廃熱源、熱電併給プラント（ＣＨＰ）、暖房用または複合発電／暖房用ソーラーパネル、ヒートポンプ、バイオ燃料ボイラー、電気ヒーター、または化石燃料ボイラーから成る群から選択することができる。
放熱冷却システムは、給気用冷却コイル、室内冷却コイル、ファンコイル、床下冷却コイル、天井冷却コイルから成る群から選択することができる。
一実施形態によると、鉛直温度成層が、熱エネルギーを抽出しつつ電気エネルギーの消費量を低減するためにエネルギー貯蔵装置において使用される。貯蔵装置内の流体の自己循環運動は、貯蔵装置内の流体の異なる層間の密度差により生成される。
さらに、鉛直温度成層は、熱エネルギーを抽出しつつ電気エネルギーを生成するために使用することができる。上述したように、貯蔵装置内での流体の運動は、貯蔵装置内の流体の異なる層間の密度差により生成される。これは寒冷気候において特に有効であり、このように電気を生成する可能性は通常、電気の需要が高い期間、特に冬期の方が高い。
一実施形態によると、内部複合加熱冷却機が、エネルギー貯蔵装置のエネルギー貯蔵量を増大させるために使用される。このような加熱冷却機は主に中間温度のエネルギーを使用して、高温および低温のエネルギーをより多く貯蔵するための空間を開放する。
概して、請求項で使用される用語はすべて、別段の定義が明示的に行われていない限り、当該技術分野における通常の意味に応じて解釈されるべきである。「［素子、装置、部品、手段など］」に対する言及はすべて、別段の説明が明示的に行われていない限り、前記素子、装置、部品、手段などの少なくとも１つの例に言及するものとして率直に解釈されるべきである。さらに、「備える」という用語は、本願全体を通じて「備えるが限定はしない」ことを意味する。
本発明のこの態様および別の態様を、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照して以下詳細に説明する。
本発明の第１の実施形態による熱エネルギー貯蔵設備の概略図である。
図１は、本発明の第１の実施形態による熱エネルギー貯蔵設備１を示す。設備１は、地下洞などのタンクまたはエネルギー貯蔵装置とすることのできるエネルギー貯蔵装置２を備える。エネルギー貯蔵装置２は、熱交換器９を介して第１、第２、第３の吸熱システム３、４、５，第１および第２の放熱システム６、７、冷却システム８に接続される。
本例示の実施形態によると、第１の吸熱システム３は、建物を加熱する加熱システムなどの低温システムである。第１の吸熱システム３は熱交換器１０に接続される。第１の温度Ｔ１のエネルギーがエネルギー貯蔵装置２から回収されて、熱交換器１０を用いて建物を加熱するのに使用される。図１は１つの建物のみを示しているが、該設備を複数の建物に接続することもできる、あるいはその方が好ましい。
冷却システム８は、熱交換器１０を介して建物を冷却するのに使用される。第３の温度Ｔ３のエネルギーがエネルギー貯蔵装置２から回収されて、熱交換器１０を使用して建物を冷却するのに使用される。
第３の吸熱システム５は建物用の温水道水システムである。第１の温度Ｔ１のエネルギーがエネルギー貯蔵装置２から回収されて、温水道水システムに使用される。
第２の吸熱システム４は高温システムであり、この例では地域暖房システムである。第２の吸熱システム４は、エネルギー貯蔵装置２から温度Ｔ２のエネルギーを充填される。
第１の放熱システム６は少なくとも１つの太陽熱収集器である。１つ以上の太陽熱収集器はソーラー加熱システムを形成することができる。太陽熱収集器はエネルギーを充填され、その後、このエネルギーは温度Ｔ２またはＴ１のレベルでエネルギー貯蔵装置２に供給される。第２の放熱システム７は地域暖房システムである。第２の放熱システム７はエネルギー貯蔵装置２に温度Ｔ２のエネルギーを供給する。第２の放熱システム７は、たとえば熱電併給プラントでの電気出力を増大させるために、あるいは排煙道ガスの凝縮から生じる熱を利用することで、エネルギー貯蔵装置２に温度Ｔ１のエネルギーを供給することもできる。第１の放熱システム６、すなわち、太陽熱収集器の使用は任意である。太陽熱収集器を建物の放熱および／または吸熱システムに接続する様々な用途を使用することができる。
任意の数および任意の種類の放熱システム、吸熱システム、冷却システムを熱エネルギー貯蔵設備１に接続することができると理解すべきである。
エネルギー貯蔵装置２では、様々な温度のエネルギーが貯蔵される。エネルギー貯蔵装置２の上部は低温の下部よりも温度が高い。これは、温度が異なる流体、すなわち水間の密度差による。移行区間には中間温度の層が存在する。最大貯蔵能力を利用するため、様々な利用可能な温度を効果的に使用することが重要である。１つの条件は、高さの異なる入口と出口を貯蔵装置に設けることである。したがって、処理領域１２から延び、少なくとも１つの熱交換器によってエネルギーの処理を可能とするようにエネルギー貯蔵装置２の適切な鉛直レベルでエネルギー貯蔵装置２からエネルギーの一部を回収するように配置される入れ子管などのエネルギー伝達手段１１が複数設けられる。エネルギー伝達手段１１とは、本実施形態では流体伝達手段を意味する。さらに、エネルギー伝達手段１１は、エネルギー貯蔵装置２の適切な鉛直レベルで、処理されたエネルギーをエネルギー貯蔵装置２に戻すように配置される。たとえば、第１の温度Ｔ１のエネルギーは、建物を加熱するために第１の吸熱システム３で使用されるように第１の温度であるエネルギー貯蔵装置２のレベルでエネルギー貯蔵装置２から回収することができる。エネルギーが第１の吸熱システム３で使用された後、エネルギーの温度は第３の温度Ｔ３または温度Ｔ１の下部にまで低下している。その後、エネルギーは、対応する温度レベルでエネルギー貯蔵装置２まで戻される。別の例は、第１の温度Ｔ１のエネルギーが、第１の温度Ｔ１であるエネルギー貯蔵装置２のレベルでエネルギー貯蔵装置２から回収される。その後、エネルギーは太陽熱収集器からの熱によって、第２の温度Ｔ２または温度Ｔ１の上部まで熱交換器９のうちの１つを介して加熱される。次いで、エネルギーは、対応する温度レベルでエネルギー貯蔵装置２に戻される。第１の温度Ｔ１は１５〜６５℃の範囲であり、第２の温度Ｔ２は５０〜１００℃の範囲であり、第３の温度Ｔ３は４〜２５℃の範囲である。
したがって、エネルギー貯蔵装置２は、加熱と冷却の両方に使用することができ、前者ではエネルギー貯蔵装置２に戻されるエネルギーが抽出されたときよりも温度が低くなり、後者ではエネルギー貯蔵装置２に戻されるエネルギーが抽出されたときよりも温度が高くなる。
冷却エネルギーは設備１の外面１３から受け取り、第３の温度Ｔ３であるエネルギー貯蔵装置２のレベルで供給することができる。エネルギーはたとえば冷水から得ることもできる。また、エネルギーは、氷、雪、冷気、湖／河川／海、冷却機、または別個の冷却システムなどのその他の冷却源に接続される外部源１４によって生成することもできる。溶けた氷または雪からエネルギーが生じる場合、氷または雪は好ましくは、汚染され溶けた水を排出できるように地下水位より上方のレベルに貯蔵される。溶解は温度Ｔ３のエネルギーを用いて行うことができる。
さらに、エネルギーは、第２の別個の氷または雪の貯蔵装置など、エネルギー貯蔵装置２に接続される外部冷却源１６によっても生成することができる。貯蔵装置１６内の氷または雪は、エネルギー貯蔵装置２からの水を凍らせることによって、４℃の温度の最も重い水が貯蔵装置の底部に位置し、水よりも密度の低い氷が貯蔵装置の表面に浮かぶことで生成することができる。
一実施形態によると、冷却および加熱エネルギーは、ヒートポンプなどの内部複合加熱冷却機１５を介して供給される。加熱冷却機１５はエネルギー貯蔵装置２の温度Ｔ２、Ｔ１、またはＴ３のレベルからエネルギーを回収する一方、加熱エネルギーを温度Ｔ２またはＴ１のレベルまで戻し、冷却エネルギーをエネルギー貯蔵装置２の温度Ｔ２、Ｔ１、またはＴ３のレベルまで戻す。エネルギー分野の当業者であれば、高い効率性と柔軟性を達成するために複合加熱冷却機を様々な構成で配置することができると理解するであろう。
一実施形態によると、設備１は温度Ｔ３のレベルを備えない。その代わりに、設備１は温度レベルＴ１およびＴ２のみを備える。
一実施形態によると、外面１３からの温度Ｔ３の飲料水等の冷水は、熱交換器９ａによって温度Ｔ１まで加熱される。熱交換器９ａには、エネルギー伝達手段１１ａを介して温度Ｔ１のエネルギーが供給されている。その後、温度Ｔ１の水は、熱交換器９ｂによって範囲Ｔ１の上部または範囲Ｔ２の下部の温度まで加熱される。熱交換器９ｂには、エネルギー伝達手段１１ｂを介して温度Ｔ１またはＴ２のエネルギーが供給されている。その後、温度Ｔ１またはＴ２の水は建物の温水道水システムで使用することができる。非限定的な例では、外面１３からの冷水の温度は５〜１５℃の範囲とすることができる。範囲Ｔ１の下部の温度は２５〜３５℃の範囲とすることができる。範囲Ｔ１の上部または範囲Ｔ２の下部の温度は５５〜６５℃の範囲とすることができる。
温水は４℃超の範囲の冷水よりも密度が低いため、異なる温度の水はエネルギー貯蔵装置内の異なる鉛直レベル、すなわち、鉛直温度成層に配置される。密度の低い温水は貯蔵装置を通って上方へと熱交換器まで流れ、そこで冷却されるため、密度差によりエネルギー貯蔵装置２からの熱抽出中に勾配流が生成される。戻り管では、密度差により冷水の下方流が生成される。これにより、電気エネルギーの消費量を低減させるために、異なる密度の２つの給水柱が引力を生成して、勾配流を形成する。
エネルギー貯蔵装置への熱の充填中は作用が反転し、ポンプまたはモータなどの追加電気エネルギー源を追加して流を駆動させなければならない。
エネルギー貯蔵装置の充電は主に夏期に行われ、放電は主に冬期に行われるため、夏期中にはポンピングのための追加電気エネルギーが必要とされるが、そのエネルギーは需要とコストが高くなる冬期に生成することができる。すなわち、電気エネルギーの季節的な貯蔵が実行される。追加電気エネルギーは、夏期には電気モータ付きポンプによって供給される。冬期には同じポンプ−電気モータをタービン−発電機として使用することができる。エネルギー貯蔵装置の鉛直高さを増大させると、この効果も増大する。
当業者であれば、本発明が上述の好適な実施形態に決して限定されないことを理解するであろう。それどころか、多数の変更や変形も添付請求項の範囲に含まれる。

Claims (13)

  1. 鉛直温度勾配を有するエネルギー貯蔵装置（２）を備えた流体貯蔵設備（１）の動作方法であって、
    第１の吸熱システム（３）で使用するために前記エネルギー貯蔵装置（２）から第１の温度（Ｔ１）の流体を回収することによって、第２の温度（Ｔ２）の流体のための空き空間が前記エネルギー貯蔵装置（２）に生成され、前記第２の温度（Ｔ２）が前記第１の温度（Ｔ１）よりも高いことと、
    第２の吸熱システム（４）で使用するために前記エネルギー貯蔵装置（２）から前記第２の温度（Ｔ２）の流体を回収することと、
    前記第２の温度（Ｔ２）の流体を前記第２の温度（Ｔ２）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、
    放熱冷却システム（８）で使用するために前記エネルギー貯蔵装置（２）から第３の温度（Ｔ３）の流体を回収することと、
    前記第１および第２の温度（Ｔ１、Ｔ２）よりも低い前記第３の温度（Ｔ３）の流体を、前記第３の温度（Ｔ３）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、
    を備え、
    前記第１の吸熱システム（３）が低温システムであり、前記第２の吸熱システム（４）が高温システムである方法。
  2. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、前記第１の吸熱システム（３）から前記第３の温度（Ｔ３）の流体を受け取ることと、前記第３の温度（Ｔ３）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第３の温度（Ｔ３）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える請求項１に記載の方法。
  3. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、放熱システム（６、７）から前記第２の温度（Ｔ２）の流体を受け取ることと、前記第２の温度（Ｔ２）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第２の温度（Ｔ２）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、放熱システム（６、７）から前記第１の温度（Ｔ１）の流体を受け取ることと、前記第１の温度（Ｔ１）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第１の温度（Ｔ１）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える請求項１または２に記載の方法。
  5. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、前記第２の吸熱システム（４）から前記第１の温度（Ｔ１）の流体を受け取ることと、前記第１の温度（Ｔ１）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第１の温度（Ｔ１）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、前記放熱冷却システム（８）から前記第１の温度（Ｔ１）の流体を受け取ることと、前記第１の温度（Ｔ１）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第１の温度（Ｔ１）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記エネルギー貯蔵装置（２）において、前記設備（１）の外部（１３、１４）から前記第３の温度（Ｔ３）の流体を受け取ることと、前記第３の温度（Ｔ３）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記第３の温度（Ｔ３）の流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）に供給することと、をさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第１の温度（Ｔ１）が１５〜６５℃の範囲における値である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第２の温度（Ｔ２）が５０〜１００℃の範囲における値である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第３の温度（Ｔ３）が４〜２５℃の範囲における値である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 鉛直温度成層が、鉛直レベル間の密度差により生成される勾配流によって、熱エネルギーを抽出しつつ電気エネルギーの消費量を低減するために前記エネルギー貯蔵装置（２）において使用される先行する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記鉛直温度成層が、熱エネルギーを抽出しつつ、前記勾配流から電気エネルギーを生成するために発電機と組み合わせて使用される請求項１１に記載の方法。
  13. 内部複合加熱冷却機（１５）が、第１、第２、または第３の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）に対応する鉛直温度勾配のレベルで流体を前記エネルギー貯蔵装置（２）から回収し、加熱流体を第１または第２の温度（Ｔ１、Ｔ２）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記エネルギー貯蔵装置（２）に戻し、冷却流体を第１、第２、または第３の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）に対応する鉛直温度勾配のレベルで前記エネルギー貯蔵装置（２）に戻すことによって、前記エネルギー貯蔵装置（２）のエネルギー貯蔵量を増大させるために使用される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
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