JP5990711B2 - エネルギを貯蔵するための装置及び方法 - Google Patents
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Description
この一般に提案されている例は、断熱式圧縮空気エネルギ貯蔵(Adiabatic CAES:Adiabatic Compressed Air Energy Storage)と呼ばれ、一般に岩塩空洞が圧縮空気貯蔵部として使用される。電力を貯蔵すべきときに、モータが圧縮器を駆動し、空洞内において空気を圧縮する。圧縮工程によって空気の温度が上昇する。効率的なエネルギ回収を可能にするため、この「圧縮熱」を何らかの形態の蓄熱部に貯蔵する必要がある。
ガス−ガス熱交換器においては、その温度範囲のため高品質鋼の使用が必要となり、そのガス流には圧力低下を回避するために非常に大型の熱交換器が必要である。この結果、これらの熱交換器は、通常、非常に高額であるとともにあまり効率的ではなく、各熱伝達工程後、摂氏50度などの大きな温度差が生じる。
装置は、さらに、低圧貯蔵容器に連結する前に、高圧貯蔵容器に貯蔵されたガスの圧力を減少させるための圧力減少手段を含んでもよい。一実施形態において、圧力減少手段は膨張器手段を含み、膨張のエネルギは装置によって回収可能である(例えば、電力の形態で、または異なる高圧容器の圧力を上昇させるために直接使用される−以下を参照のこと)。
一実施形態において、装置は(例えば、圧縮器手段によって圧縮された)高圧ガスを受容するための(例えば、前に定義したような)追加の高圧貯蔵容器を含む。追加の高圧貯蔵容器は連結手段を介してガス貯蔵手段またはガス処理手段に連結可能であり、高圧ガスから熱エネルギを受容するための追加の高圧蓄熱手段を含む。
追加の高圧貯蔵容器を含む装置の場合、装置は、さらに、各高圧貯蔵容器を最初に説明した低圧貯蔵容器または追加の低圧貯蔵容器に連結する前に、各高圧貯蔵容器に貯蔵されたガスの圧力を減少させるための圧力減少手段を含んでもよい。加えてまたはその代わりに、装置は、各高圧貯蔵容器を、最初に説明した低圧貯蔵容器または追加の低圧貯蔵容器から分離後、各高圧貯蔵容器に貯蔵されたガスの圧力を増加させるための圧力増加手段を含んでもよい。
最初に説明した低圧貯蔵容器または追加の低圧貯蔵容器はガスを実質的に大気圧で貯蔵してもよい。
前に定義した本発明の第1の態様の特徴のすべてが本発明の第2の態様の特徴を形成してもよい。
前に定義した本発明の第1の態様の特徴のすべてが本発明の第3の態様の特徴を形成してもよい。
本発明の第5の態様によれば、高圧ガス(例えば、蓄積段階時の高圧加熱ガス)を受容するための高圧貯蔵容器であって、第1のガス透過性の蓄熱構造を収容する第1のチャンバを含む高圧蓄熱手段を含む高圧貯蔵容器と、低圧ガスを受容するための低圧貯蔵容器であって、第2のガス透過性の蓄熱構造を収容している第2のチャンバを含む低圧蓄熱手段を含む低圧貯蔵容器と、を含み、第1の蓄熱構造が第2の蓄熱構造の単位容積あたりの平均表面積よりも大きい単位容積あたりの平均表面積を有する、エネルギを貯蔵するための装置が提供される。
一実施形態において、第2の蓄熱構造は第2のチャンバ内に収容された微粒子材料を含む。
一実施形態において、第1の蓄熱構造および第2の蓄熱構造の一方が金属材料を含み、第1の蓄熱構造および第2の蓄熱構造のもう一方は天然鉱物材料(例えば砂利などの破砕鉱物)を含む。
一実施形態において、単位容積あたりの平均表面積の変化が領域の長さ全体にわたって漸次的に(例えば、実質的に等しい増分で着実に)生じる。一実施形態において、(例えば、第1のチャンバ内に収容された微粒子材料と、徐々にサイズが増加する粒子状物質の層を含む第1の蓄熱構造の場合)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は実質的に滑らかに生じる。別の実施形態においては、(例えば、第1のチャンバ内に収容された微粒子材料を含み、第1の層と第2の層の粒子状物質のサイズが実質的に異なる第1の蓄熱構造の場合)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は段階的なステップで生じる。各段階的なステップは実質的に同等の長さを有してもよい.
段階的なステップの場合、領域には第1のサブ領域と第2のサブ領域を画定してもよい。第1のサブ領域は第2のサブ領域の単位容積あたりの平均表面積よりも大きな単位容積あたりの平均表面積を有する。一実施形態において、第1のサブ領域は蓄熱構造の長さの少なくとも10%の長さを有する。別の実施形態においては、第1のサブ領域は蓄熱構造の長さの少なくとも20%の長さを有する。チャンバ内に収容された微粒子材料を含む蓄熱構造の場合、第1の領域および第2の領域の少なくとも1つは各層が異なる平均粒度を有する複数の層の粒子状物質を含んでもよい。
別の実施形態においては、領域は第1の蓄熱構造の長さの一部分に沿って延び、第1の蓄熱構造は最初に画定した領域の単位容積あたりの最小平均表面積よりも大きな単位容積あたりの平均表面積を有するさらなる領域を含む。このように、第1の蓄熱構造は高圧蓄熱手段中において流れを逆にした場合、より短い熱フロントを発生させるように構成してもよい。
一実施形態において、さらなる領域の単位容積あたりの平均表面積の変化が領域の長さ全体にわたって漸次的に(例えば、実質的に等しい増分で着実に)生じる。一実施形態において、(例えば、徐々にサイズが増加する粒子状物質の層を有する)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は実質的に滑らかに生じる。別の実施形態においては、(例えば、第1の層と第2の層の粒子状物質のサイズが実質的に異なる)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は段階的なステップで生じる。各段階的なステップは実質的に同等の長さを有してもよい。
一実施形態において、第1のチャンバは第2のチャンバの有効長さ対幅比よりも大きな有効長さ対幅比を有する。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段のボイド率よりも低いボイド率を有する。有利なことに、装置の高圧側においてボイド率を削減すると、高圧貯蔵容器の体積を削減することが可能となる(それによって場合によっては製造コストが削減される)が、高圧側における圧力低下の増加は許容できるものとなる。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段のボイド率よりも少なくとも10%低いボイド率を有する。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段によって生じた絶対圧力低下の3倍の絶対圧力低下を生じるように構成される。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段によって生じた絶対圧力低下の10倍の絶対圧力低下を生じるように構成される。
一実施形態において、第1の蓄熱構造と第2の蓄熱構造は異なる材料または異なる比率の同じ材料を含む。
一実施形態において、第1の蓄熱構造の単位質量あたりの平均熱容量は第2の蓄熱構造の単位質量あたりの平均熱容量よりも少なくとも10%大きい。
一実施形態において、第1の蓄熱構造の単位容積あたりの平均熱容量は第2の蓄熱構造の単位容積あたりの平均熱容量よりも少なくとも10%大きい。
一実施形態において、第1の蓄熱手段と第2の蓄熱手段はそれぞれ断熱材を有する。
一実施形態において、高圧蓄熱手段が低圧蓄熱手段のボイド率よりも少なくとも10%低いボイド率を有する。
一実施形態において、第2の蓄熱構造は第2のチャンバ内に収容された微粒子材料を含む。
一実施形態において、第1の蓄熱構造および第2の蓄熱構造の一方が金属材料を含み、第1の蓄熱構造および第2の蓄熱構造のもう一方は天然鉱物材料(例えば砂利などの破砕鉱物)を含む。
一実施形態において、第1のチャンバの有効長さ対幅比は第2のチャンバの有効長さ対幅比よりも少なくとも10%大きい。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段によって生じた絶対圧力低下の3倍の絶対圧力低下を生じるように構成される。
一実施形態において、高圧蓄熱手段は低圧蓄熱手段によって生じた絶対圧力低下の10倍の絶対圧力低下を生じるように構成される。
一実施形態において、第1の蓄熱構造と第2の蓄熱構造は異なる材料または異なる比率の同じ材料を含む。
一実施形態において、第1の蓄熱構造の単位質量あたりの平均熱容量は第2の蓄熱構造の単位質量あたりの平均熱容量よりも少なくとも10%大きい。
一実施形態において、第1の蓄熱構造の単位容積あたりの平均熱容量は第2の蓄熱構造の単位容積あたりの平均熱容量よりも少なくとも10%大きい。
一実施形態において、第1の蓄熱手段と第2の蓄熱手段はそれぞれ断熱材を有する。
一実施形態において、微粒子材料は、ガス透過性の構造を形成するために充填された、固体粒子、多孔質媒体、繊維、発泡材料(例えば、金属粒子、鉱物粒子またはセラミック粒子および/または繊維および/または発泡樹脂製品)の少なくとも1つを含む。
一実施形態において、単位容積あたりの平均表面積の変化が領域の長さ全体にわたって漸次的に(例えば、実質的に等しい増分で着実に)生じる。一実施形態において、(例えば、徐々にサイズが増加する粒子状物質の層を有する)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は実質的に滑らかに生じる。別の実施形態においては、(例えば、第1の層と第2の層の粒子状物質のサイズが実質的に異なる)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は段階的なステップで生じる。各段階的なステップは実質的に同等の長さを有してもよい。
別の実施形態においては、領域は蓄熱構造の長さの一部分に沿って延び、蓄熱構造は、最初に画定した領域の単位容積あたりの最小平均表面積よりも大きな単位容積あたりの平均表面積を有するさらなる領域を含む。
一実施形態において、さらなる領域の単位容積あたりの平均表面積の変化は領域の長さ全体にわたって漸次的に生じる(例えば、実質的に等しい増分で着実に)。一実施形態において、(例えば、徐々にサイズが増加する粒子状物質の層を有する)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は実質的に滑らかに生じる。別の実施形態においては、(例えば、第1の層と第2の層の粒子状物質のサイズが実質的に異なる)領域における単位容積あたりの平均表面積の変化は段階的なステップで生じる。各段階的なステップは実質的に同等の長さを有してもよい。
一実施形態において、蓄熱手段は高圧蓄熱手段である。
本発明の実施形態がここで添付の図面を参照して例として説明される。
示されるように、高圧容器13は低圧容器15、17それぞれの貯蔵容積よりも実質的に小さい貯蔵容積を有する。
電力貯蔵システム1’は、電力供給部3’によって駆動され、高圧/低圧熱伝達システム100とガス貯蔵部20’とに連結される圧縮器/膨張器2’を含む。高圧蓄熱部10’はさらには、それぞれが熱マトリックス16’および18’を有する断熱された低圧容器15’および17’を含む低圧蓄熱部11’および12’に連結される。空気はパイプ30’を通ってシステムに出入りし、パイプ31’、32’、33’、34’、35’、36’、37’および38’を通って移送される。バルブ44’および46’は様々なパイプを選択的に閉じる/開くために使用することができる。空気ポンプ50’がパイプ36’にあり、空気をいずれの方向にも押し出すことができる。熱交換器60’はパイプを通過するガスの温度をほぼ周囲温度または固定基準温度で維持するために使用される。パイプ32’はガス貯蔵部20に入る任意の空気をさらに冷却するために取り付けられる追加の熱交換器(図示せず)を有してもよい。
蓄熱部112に熱が完全に蓄積されると、高温高圧入力流は、流れがここで蓄熱部113を通過するように選択的なバルブ105および106により切り換えられる。バランスポンプ120は、導圧管121を介して蓄熱部112内の圧力を低圧に低下させ、蓄熱部114内の圧力を高圧に上昇させる。蓄熱部111は以下のように放出される。ほぼ周囲温度の低圧ガスが、低圧入力/出力デバイス104を通って入り、選択的なバルブ106を通り、ガスが貯蔵部を通過する際に加熱される蓄熱部111に入る。ガスは選択的なバルブ105を通って蓄熱部を出て、低圧入力/出力デバイス103を通過して高温低圧ガスとしてシステムから出る。蓄熱部111中の質量流量は蓄熱部113中の質量流量の約半分である。
グラフ1は、低圧状態にあり、放出されている蓄熱部を示す。
グラフ3は、完全に蓄積された状態にあり、圧力が高圧状態から低圧状態に低下している蓄熱部を示す。
グラフ5は、完全に放出された状態にあり、圧力が低圧状態から高圧状態に上昇している蓄熱部を示す。
流体の流れに対する抵抗はボイド率の減少とともに増加し、流体の圧力低下を引き起こす(dP)。圧力はベクトル量ではないが、圧力勾配を距離に対して定義してもよい。蓄熱部の場合、貯蔵部の長さLにわたって特定の圧力低下dPがあり、この場合、圧力勾配がdP/Lであることを意味する。圧力は流体速度の方向に減少するため、ガスが貯蔵部を通過した後、ガス圧力は低下している。
遮断され低温シンクに送られる熱=kTc
サイクル仕事出力=k(Th−Tc)
理想サイクル効率=仕事出力/仕事入力=(Th−Tc)/Th=1−Tc/Th
完全なヒートポンプは、低温源から熱を引き出すために機械仕事を使用し、内部処理を実施し、熱を高温リザーバに伝達する熱機関を単に逆にしたものである。
低温源から引き出された熱=kTc
サイクル仕事入力=k(Th−Tc)
理想性能係数=熱出力/熱入力=Th/(Th−Tc)
例として、Thが773度ケルビン(摂氏500度)およびTcが293度ケルビン(摂氏20度)のヒートポンプは1.61の理想成績係数(COP:Coefficient Of Performance)を有する。すなわち、kWhあたりの供給エネルギに対して熱機関は1.61kWhの熱を摂氏500度で供給する。
この例では、熱ガスはTh1で入り、貯蔵部は最初Ta1ケルビンである。フロントの長さはTh2ケルビン未満およびTa2ケルビンを超える貯蔵媒体のすべてを対象とする。
L1<L2<L3であることがわかるため、初めの「急な」勾配のL1から蓄積されるにつれてフロントは漸次的に長くなり、勾配はより緩やかになる。
図10は、高圧貯蔵容器710と、それに連結可能な低圧貯蔵容器740とを含む蓄熱部700を示す。蓄熱装置700は前に説明した図1〜図6のいずれのシステムの蓄熱部分を形成してもよい。
貯蔵容器710’は、蓄熱構造730’と、蓄積段階時にガスを受容するための注入口705’と、流出口706’と、を含む蓄熱部720’を含む。高圧蓄熱構造730’は、密に充填された粒子状物質732’の第1の層と、密に充填された粒子状物質734’の第2の層と、媒体支持構造707’上に密に充填された粒子状物質736の第3の層と、を含む。熱媒体732’および736は熱媒体734’よりも小さな粒度を有し、したがって、広い比表面積を有する。これは、また、ガスが貯蔵媒体732’および736を通過する際により大きな圧力低下およびより少ない温度差があることを意味する。有利なことに、第3の層736を設けると、貯蔵容器710’がガスを両方向に受容することを可能にする。
Claims (19)
- エネルギを貯蔵するための装置であって、前記装置は、
高圧ガスを受容するための高圧貯蔵容器であって、ガスから熱エネルギを受容するように構成されている高圧蓄熱手段を含む高圧貯蔵容器と、
前記高圧貯蔵容器を、前記高圧蓄熱手段の作用を受けた後の加圧ガスを貯蔵するためのガス貯蔵手段に、または前記高圧蓄熱手段の作用を受けた後の加圧ガスを受容するためのガス処理手段に連結するための連結手段と、
を含み、
前記装置はさらに、
ガスから熱エネルギを受容するように構成されている低圧蓄熱手段を含む低圧貯蔵容器であって、前記高圧貯蔵容器に選択的に連結されている低圧貯蔵容器と、
低圧のガスを前記高圧貯蔵容器と前記低圧貯蔵容器との間において移送するように構成されているガス移送手段であって、低圧ガスを前記高圧貯蔵容器と前記低圧貯蔵容器との間において移動させることにより貯蔵熱エネルギが前記高圧蓄熱手段と前記低圧蓄熱手段との間において伝達される、ガス移送手段と、
を含む、装置。 - 前記低圧貯蔵容器に連結する前に前記高圧貯蔵容器に貯蔵されたガスの圧力を減少させるための膨張器手段をさらに含み、膨張のエネルギを前記装置によって回収可能である、請求項1に記載の装置。
- 前記高圧貯蔵容器を前記低圧貯蔵容器から分離後、同高圧貯蔵容器に貯蔵されたガスの圧力を増加させるための圧力増加手段をさらに含む、請求項1または2に記載の装置。
- 前記装置は、高圧ガスを受容するための追加の高圧貯蔵容器を含み、
前記追加の高圧貯蔵容器が前記連結手段を介して前記ガス貯蔵手段または前記ガス処理手段に連結可能であり、かつガスから熱エネルギを受容するための追加の高圧蓄熱手段を含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。 - 前記高圧貯蔵容器と前記追加の高圧貯蔵容器とが交互に蓄積可能となるように構成されている、請求項4に記載の装置。
- 前記装置は、交互に蓄積可能な前記高圧貯蔵容器と前記追加の高圧貯蔵容器とにガスを実質的に連続的に供給するように構成されている、請求項5に記載の装置。
- 前記装置は、ガスから熱エネルギを受容するための追加の低圧蓄熱手段を含む追加の低圧貯蔵容器を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置。
- 前記追加の低圧貯蔵容器が前記高圧貯蔵容器または前記追加の高圧貯蔵容器の少なくとも1つに選択的に連結可能である、請求項7に記載の装置。
- 前記装置は、前記低圧蓄熱手段と前記追加の低圧蓄熱手段とを直列で蓄積するように構成されている、請求項7または8に記載の装置。
- 前記装置は、前記低圧蓄熱手段と前記追加の低圧蓄熱手段とを並列で蓄積するように構成されている、請求項7または8に記載の装置。
- 前記低圧貯蔵容器が第1の圧力でガスを維持し、前記追加の低圧貯蔵容器が前記第1の圧力と異なる第2の圧力でガスを維持する、請求項7〜10のいずれか1項に記載の装置。
- 前記装置は、高圧ガスを受容するための少なくとも2つのさらなる追加の高圧貯蔵容器を含み、前記さらなる追加の高圧貯蔵容器の各々が前記連結手段を介して前記ガス貯蔵手段または前記ガス処理手段に連結可能であり、かつガスから熱エネルギを受容するためのさらなる追加の高圧蓄熱手段を含む、請求項4〜11のいずれか1項に記載の装置。
- 前記装置は、同時に、前記高圧貯蔵容器の1つにガスが蓄積され;前記高圧貯蔵容器の1つがその圧力を圧力減少手段によって減少させたガスを含み;前記高圧貯蔵容器の1つがガス移送手段によって前記高圧貯蔵容器と前記低圧貯蔵容器との間において移送されるガスを含み;前記高圧貯蔵容器の1つがその圧力を圧力増加手段によって増加させたガスを含む、蓄積モードで作動可能である、請求項12に記載の装置。
- 前記装置は、高圧ガスを受容するための少なくとも1つのさらなる追加の高圧貯蔵容器を含み、前記少なくとも1つのさらなる追加の高圧貯蔵容器が前記連結手段を介して前記ガス貯蔵手段または前記ガス処理手段に連結可能であり、かつガスから熱エネルギを受容するためのさらなる追加の高圧蓄熱手段を含む、請求項13に記載の装置。
- 前記装置は、前記高圧貯蔵容器と前記追加の高圧貯蔵容器から、高圧ガスを受容するように構成された前記装置よりもそれぞれ低い移送速度で同時に低圧ガスを移送する蓄積モードにおいて作動可能である、請求項14に記載の装置。
- 前記装置は、前記高圧貯蔵容器と前記追加の高圧貯蔵容器に、高圧ガスを放出するように構成された前記装置よりもそれぞれ低い移送速度で同時に低圧ガスを移送する放出モードで作動可能である、請求項14または15記載の装置。
- 前記低圧貯蔵容器がガスを実質的に大気圧で貯蔵する、請求項1〜16のいずれか1項に記載の装置。
- エネルギを貯蔵し、その後回収する方法であって、前記方法は:
蓄積段階時において、
加熱された高圧ガスを受容するステップと、
前記ガスから熱エネルギを受容するように構成されている高圧蓄熱手段を含む高圧貯蔵容器を介して前記高圧ガスをガス貯蔵手段またはガス処理手段に移送するステップと、
前記高圧貯蔵容器から低圧で、前記高圧貯蔵容器と、ガスから熱エネルギを受容するように構成されている低圧蓄熱手段を含む低圧貯蔵容器との間においてガスを移送するステップであって、前記高圧貯蔵容器と前記低圧貯蔵容器の間において移動する低圧ガスにより前記高圧蓄熱手段によって貯蔵された熱エネルギが前記低圧蓄熱手段に伝達されるステップと、を含み、
放出段階時において、
前記低圧貯蔵容器と前記高圧貯蔵容器との間において低圧でガスを移送するステップであって、前記低圧貯蔵容器と前記高圧貯蔵容器との間において移動する低圧ガスにより、前記低圧蓄熱手段によって貯蔵された熱エネルギが前記高圧蓄熱手段に伝達される、ステップと、
その後、ガスを前記高圧貯蔵容器中に高圧で移動させ、高圧ガスを前記高圧蓄熱手段にさらすステップと、
前記加熱された高圧ガスを膨張させるステップと、を含む、方法。 - 前記蓄積段階時、ガスが前記高圧貯蔵容器と前記低圧貯蔵容器との間においてサイクル的に移送されること、および、
前記放出段階時、ガスが前記低圧貯蔵容器と前記高圧貯蔵容器との間においてサイクル的に移送されること、のうちの少なくとも一方を含む、請求項18に記載の方法。
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