JP6696785B2 - 電気エネルギー蓄積および放出システム - Google Patents

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Description

本発明は全般的には、蓄熱器を備えた電気エネルギー蓄積および放出システムに関するものであり、さらに詳しくは、熱流体を利用してエネルギーを蓄積するヒートポンプチャージサイクルを有する電気エネルギー蓄積システムに関する。
再生可能エネルギー（風力、太陽エネルギー）は、間欠性の電力発生源であり、したがってこれらのシステムは、要求を発電とマッチさせるために、コスト効率のよいエネルギー蓄積および回収システムを必要とする。再生可能電力の発生量が豊富にあり、かつ長距離伝送インフラストラクチャが脆弱であるという特徴がある地域では、発生量が要求を上回るならば、再生可能な電力源を減らさなければならないことが多い。過剰に発生した電気エネルギーを蓄積するために、蓄電池を再生可能エネルギー源と一体化させるのは、著しくコストがかかる。別の手法として挙げられるのは、上述のような過剰電気を直接または間接的に蓄積するために、溶融塩を含む高温および低温の蓄熱タンクをベースとするエネルギー蓄積インフラストラクチャを利用することであり、この場合、適切な作動流体によって動作する圧縮器とタービン装置がヒートポンプモードで用いられる。このエネルギー蓄積システムを、集光型太陽熱（ＣＳＰ）発電所の溶融塩蓄積システムと一体化することができる。
しかしながら、このような過剰な電気をそのまま利用して、低温蓄熱タンクから高温蓄熱タンクへ向かう溶融塩を加熱するとしたならば、これは電気の非効率的な利用となり、光起電力または風力による大規模な発電所と一体化するために利用するには、非経済的なものとなってしまう。さらに、ヒートポンプサイクルを介して過剰な電気を利用して間接的に溶融塩を加熱すれば、もっと高い効率が得られるかもしれないが、ヒートポンプ技術ゆえに、約５７０℃という溶融塩により達成可能な最高温度よりもはるかに低い最高温度に制限されてしまう。一般にヒートポンプモードにおいて、利用可能なもっとも見込みのある流体は、二酸化炭素（ＣＯ2）であり、これは市販の圧縮システムによって著しく高い圧力まで圧縮可能であるが、最高温度は一般に３００℃〜４００℃である。
ヒートポンプサイクルの場合、理論的には６００℃までの高温が可能であるが、一般的に実際には実現されず、その理由は、このような高温のためには、高性能の金属を利用して超高精度の製造を行わなければならず、これによってこの種の圧縮器のコストが著しく高くなり、その結果、過度にコストのかかるシステムとなってしまうからである。さらに、標準コンポーネントを利用して、目標とする溶融塩温度を達成するのであれば、追加コストと効率損失とのバランスをとることが必須となる。
したがって、熱流体を利用してエネルギーを蓄積する電気エネルギー蓄積および放出システムを改善し、そのようなシステムにおいて、上述のようなバランスを達成できるようにする必要がある。
本発明が開示する代替的な電気エネルギー蓄積および放出システムによれば、発電のために効率的かつフレキシブルな蓄熱および放出のフェーズを提供することができる。以下では、本発明の１つまたは複数の観点を基本的に理解できるようにするために、単純化した概要として本発明によるシステムを呈示する。なお、本発明の１つまたは複数の観点は、上述の欠点を克服しようというものであるが、それらの利点がすべて含まれることを意図しており、さらにいくつかの付加的な利点も合わせてもたらされる。この概要は、本発明の広範囲にわたる概観ではない。ここでは、本発明の要点または重要な要素を同定しようというものでもないし、本発明の範囲を明確に区切ろうというものでもない。ここで述べる概要のただ１つの目的は、本発明のいくつかのコンセプト、その観点、ならびに利点を、あとで開示するいっそう詳細な説明の前置きとして、単純化したかたちで開示する、ということである。
本発明の目的は、改良された代替となる改善されたエネルギー蓄積および放出システムを開示することであって、このシステムによれば、過剰な電気エネルギーを利用することができ、標準的なコンポーネントを利用して、溶融塩の目標温度を達成することができる。本発明が基礎とする全般的な着想とは、１つまたは複数の電源からの過剰な電気エネルギーを累積および分配することによって、溶融塩の目標温度を達成し、ヒートポンプサイクルを利用した熱と電気ヒータを利用した熱とを発生させる、ということである。
本発明の１つの観点によれば、電気エネルギーを熱エネルギーとして蓄積するための電気エネルギー蓄積および放出システムには、ヒートポンプサイクルと、水蒸気サイクルと、第１蓄熱システムと、第２蓄熱システムと、電気ヒータ装置と、電力調整装置とが含まれている。ヒートポンプサイクルは第１作動流体を含んでおり、水蒸気サイクルは第２作動流体を含んでいる。第１蓄熱システムは第１熱流体を含んでおり、ヒートポンプサイクルおよび水蒸気サイクルと流体的に接続されている。さらに第１蓄熱システムは、第１熱流体とともに、第１低温蓄熱タンクと、この第１低温蓄熱タンクと流体的に接続された第１高温蓄熱タンクとを含んでいる。第２蓄熱システムは第２熱流体を含んでおり、ヒートポンプサイクルおよび水蒸気サイクルと流体的に接続されている。さらに第２熱流体、第２低温蓄熱タンクと、この第２低温蓄熱タンクと流体的に接続された第２高温蓄熱タンクとを含んでいる。電気ヒータ装置は、第１および第２の蓄熱タンクの間で、第１蓄熱システムと作動的に接続されている。電力調整装置は、１つまたは複数の電源と接続されており、電源の過剰な電気エネルギーを調整して、過剰な電気エネルギーの一部を電気ヒータ装置へ、さらに一部をヒートポンプサイクルへ供給し、これによって過剰な電気エネルギーを、予め定められたレベルまで第１熱流体に熱エネルギーとして蓄積できるようになる。
本発明の実施形態によれば、ヒートポンプサイクルは、第１作動流体を圧縮する圧縮器と、圧縮器の下流に配置された熱交換器と、熱交換器と流体的に接続された蒸発器／ヒータとを含んでいる。ヒートポンプサイクルは、熱交換器を通過する第１流体管路を介して、第１蓄熱システムと流体的に接続されており、これによって第１作動流体の熱が、第１低温蓄熱タンクから到来する第１熱流体に供給され、中庸な温度値に到達して、熱交換器の下流に配置された電気的加熱源に供給される。さらにヒートポンプサイクルは、蒸発器／ヒータを通過する第３流体管路を介して、第２蓄熱システムと流体的に接続されており、これによって第２高温蓄熱タンクから到来する第２熱流体から熱を受け取る。本発明の実施形態によれば、ヒートポンプサイクルは、遷臨界サイクルまたは超臨界サイクルであり、この場合、作動流体は、このサイクルの一部分において、またはこのサイクル全体を通して、超臨界状態にある。
本発明の実施形態によれば、水蒸気サイクルは、蒸気を膨張させる蒸気タービンと、蒸気タービンの下流に配置された凝縮器と、凝縮器の下流に配置された第１温水器と、第１温水器の下流に配置され、このサイクルの水を蒸気に変換するボイラとを含んでいる。水蒸気サイクルは、ボイラを通過する第２流体管路を介して、第１蓄熱システムと流体的に接続されており、これによって第１熱流体の熱が水蒸気サイクルへ供給される。さらに水蒸気サイクルは、第１温水器を通過する第４流体管路を少なくとも介して、または凝縮器を通過する第５流体管路を介して、第２蓄熱システムと流体的に接続されており、これによって第２低温蓄熱タンクから到来する第２熱流体が加熱される。
本発明の実施形態によれば、蒸気タービンは、抽出管路を備えた多段式蒸気タービンであり、この抽出管路は、蒸気タービンの中間段から蒸気を抽出するように構成および配置されている。抽出管路は、水蒸気サイクルにおいて第１温水器の下流に配置された第２温水器と接続されており、これにより抽出蒸気を用いて、水蒸気サイクル内の水をさらに加熱できるようになる。
本発明の実施形態によれば、電力調整装置は、太陽熱発電システム、風力発電システム、送電網および同様の手段のうち少なくとも１つを含む電源からの電気エネルギーの過剰分を利用するように自動化されたアルゴリズムを有することができる。
本発明の実施形態によれば、蓄熱システムは、第１および第２の高温蓄熱タンクの間において、電気ヒータ装置の上流であり熱交換器の下流に配置された第３蓄熱タンクを含むことができ、中庸な温度まで加熱された第１熱流体をこの第３蓄熱タンクに蓄積させる。
本発明の実施形態によれば、第１熱流体は溶融塩である。
さらに本発明の実施形態によれば、第２熱流体は、水、加圧水、油、合成油および鉱物油のうちの１つである。
次に、これらの点について本発明の他の観点と合わせて、本発明を特徴づける種々の新規の特徴を挙げながら、本発明の詳細な点とともに説明する。本発明およびその動作の利点ならびにその使用について、なおいっそう理解できるように、本発明の実施形態を例示した添付の図面および説明を参照されたい。
以下の詳細な説明および特許請求の範囲を添付の図面とともに参照すれば、本発明の利点および特徴の理解が深まる。図中、同じ部材には同じ参照符号が付されている。
本発明の実施形態による電気エネルギー蓄積システムの概略図 本発明の付加的な実施形態による電気エネルギー蓄積システムの概略図 本発明の種々の実施形態による電気エネルギー蓄積システムのチャージおよびディスチャージサイクルを示す概略図 本発明の種々の実施形態による電気エネルギー蓄積システムのチャージおよびディスチャージサイクルを示す概略図 本発明の種々の実施形態による電気エネルギー蓄積システムのチャージおよびディスチャージサイクルを示す概略図
同等の要素には、複数の図面の説明を通して同じ参照符号が付されている。
本発明を完全に理解できるようにするために、添付の特許請求の範囲を含め、以下の詳細な説明を上述の図面と合わせて参照されたい。以下の記載では、説明の目的で、本発明を十分に理解できるようにするために、数多くの特定の詳細な点が述べられている。とはいえ、当業者には自明であるとおり、本発明はそれらの特定の詳細な点がないとしても実施可能である。さらに別の点として、構造および装置はブロック図として描かれているにすぎず、その目的は、開示内容を不明確にしないようにするためである。さらに本明細書では、「１つの実施形態」、「ある実施形態」、「別の実施形態」、「種々の実施形態」という呼び方をしているが、これが意味するのは、その実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれる、ということである。また、本明細書中の様々な箇所において「１つの実施形態によれば」というフレーズが現れるが、これは必ずしもすべて同じ実施形態を指しているわけではないし、他の実施形態を排除し合う別個のまたは択一的な実施形態というわけでもない。さらに、いくつかの実施形態では備えることができるが、他の実施形態では備えることのできない種々の特徴についても述べられている。同様に、いくつかの実施形態にとっては必要とされるが、他の実施形態では必要とされない種々の要求についても述べられている。
以下の説明には、例示の目的で数多くの仕様が含まれているけれども、当業者であれば自明であるとおり、本発明の範囲内で数多くの変形および／またはそれらの詳細に対する代案が可能である。さらに同様に、本発明の特徴の多くは、相互に関連させて、または相互に関係をもたせて、説明されているけれども、それらの特徴の多くを、他の特徴とは独立させて設けてもよい。したがって本発明の以下の説明は、一般性を何ら失うことなく、また、本発明を限定してしまうことなく、記載されたものである。さらにここで用いられる相対語は、何らかの順序、高さ、または重要性を表すというものではなく、ある要素を他の要素と区別するために用いられたものである。さらにここで用いられる「１つの」および「複数の」という言葉は、量の制限を表すものではなく、参照した要素のうち少なくとも１つの要素が存在する、ということを表している。
次に図１を参照すると、本発明の１つの実施形態による電気エネルギー蓄積システム１００（以下では「システム１００」と称する）が略示されている。図１に示した実施形態には、システム１００が最も簡単な形態で示されており、このシステムには、ヒートポンプサイクル１０と、水蒸気サイクル２０と、高温側の蓄熱システムである第１蓄熱システム３０と、低温側の蓄熱システムである第２蓄熱システム４０とを含み、これらの蓄熱システムはそれぞれ、ヒートポンプサイクル１０および水蒸気サイクル２０と相互接続されている。システム１００にはさらに、第１蓄熱システム３０と作動的に接続された電気ヒータ装置５０が含まれている。さらにシステム１００には、過剰な電気を調整する電力調整装置６０も含まれており、この過剰な電気は熱エネルギーへ変換され、必要に応じて活用するために蓄積される。
１つの実施形態によれば、ヒートポンプサイクル１０は、亜臨界サイクル、遷臨界サイクルおよび超臨界サイクルとして構成されたサイクルを有する既知のヒートポンプサイクル１０を含むことができる。図１に示されている１つの実施形態によれば、ヒートポンプサイクル１０には、第１作動流体を圧縮するための圧縮器１８と、圧縮器１８の下流に配置された熱交換器１２と、熱交換器１２の下流に配置された膨張器１５と、熱交換器１２と流体的に接続された蒸発器／ヒータ１４とが含まれており、この蒸発器／ヒータ１４は、膨張器１５と、ヒートポンプサイクル１０の低圧側の圧縮器１８との間に配置されている。
さらに図１に示されている実施形態によれば、熱交換器１２と膨張器１５との間ではヒートポンプサイクル１０の高圧側であって、圧縮器１８と蒸発器／ヒータ１４との間ではヒートポンプサイクル１０の低圧側に、流体連通状態で復熱器１３を配置することができる。このような配置によれば、復熱器１３は、高圧作動流体から低圧作動流体へ熱エネルギーを移送する。
図１に示されている実施形態によれば、水蒸気サイクル２０は順番に、蒸気タービン２１と、蒸気タービン２１から排出された蒸気を凝縮する凝縮器２２と、凝縮された水を加圧する凝縮ポンプ２３と、低温蓄熱器へ熱を移送する第１温水器２６と、蒸気タービン２１に戻すべき蒸気をサイクルで発生させる第１ボイラ２９とを有している。
図１に示されている実施形態によれば、蒸気タービン２１を多段式蒸気タービン２１とすることができ、水蒸気サイクルは、抽出蒸気管路２４を介して抽出された蒸気によって凝縮物を加熱する第２温水器２８を含む。好ましくは、流体の流れでみて第１ボイラ２９と並列に、第２温水器２８の下流にさらに別の第２ボイラ２７が配置されている。第２温水器２８と第２ボイラ２７は双方ともに、水蒸気サイクル２０に補助エネルギーを供給するために利用することができ、または高温側の蓄熱システム３０からの熱入力がないときに、水蒸気サイクル２０を作動させるために利用することができる。
図１に示されている実施形態によれば、第１熱流体を含む第１蓄熱システム３０は、高温側の蓄熱システムである。第１蓄熱システム３０（「高温側の蓄熱システム３０」とも称する）には、高温側の第１低温蓄熱タンク３２と高温側の第１高温蓄熱タンク３６とが含まれており、これらはヒートポンプサイクル１０の熱交換器１２を通過する第１流体管路３４によって、流体的に接続されている。熱交換器１２は、第１熱流体を中庸な温度たとえば約３００℃〜４００℃まで加熱する。第２流体管路３８によって高温側の第１高温蓄熱タンク３６が、第１の蒸気ボイラ２９を介して高温側の第１低温蓄熱タンク３２と接続されている。このようにして、高温側の第１高温蓄熱タンク３６からの熱エネルギーを、水蒸気サイクル２０におけるエネルギー源として利用することができる。この実施形態では高温側の第１高温蓄熱タンク３６は、熱流体を保管するように構成されているだけであるが、別の実施形態によれば高温側の第１高温蓄熱タンク３６は、付加的に熱保持手段を含んでおり、たとえば熱吸収性の金属、岩石、または熱を長期にわたり保持可能な他の鉱物などを含んでいる。さらに別の実施形態によれば、高温側の蓄熱システム３０は、低温流体と高温流体の混合を防止する材料で充填された、ただ１つの蓄熱タンクを含むようにしてもよい。この分野で知られているように、日中、ヘリオスタット３７ａおよび受光装置３７ｂによって第１熱流体を加熱することができ、タンク装置３２，３６を利用して蓄積することができる。
図１の実施形態によれば、第１流体管路３４中、高温側の第１低温蓄熱タンク３２と第１高温蓄熱タンク３６との間で、ヒートポンプサイクル１０の熱交換器１２の下流において、第１蓄熱システム３０に作動的に電気ヒータ装置５０を接続することができる。電気ヒータ装置５０は、中庸な温度まで加熱された第１熱流体を受け取り、この熱流体を予め定められた温度たとえば約５００℃〜６００℃までさらに加熱する。ただし、図２に示されているように別の実施形態によれば、蓄熱システム３０は、第１の低温蓄熱タンク３２と高温蓄熱タンク３６との間において、電気ヒータ装置５０の上流であり熱交換器１２の下流に、第３蓄熱タンク３９を含むこともでき、中庸な温度まで加熱された第１熱流体をこの第３蓄熱タンク３９内に蓄積させる。この第３蓄熱タンク３９を、バッファとして動作するように設置することができ、ヒートポンプサイクル１０の動作と電気的な加熱動作とを、２つのチャージサイクルを第１蓄熱システム３０とは別個に動作させる必要がある場合に、分離することができる。これによって、買い入れる電気の価格の変動を巧みに利用できるようになる。
図１に示されている実施形態によれば、第２熱流体を含む第２蓄熱システム４０は、低温側の蓄熱システムである。第２蓄熱システム４０には、低温側の第２高温蓄熱タンク４６と低温側の第２低温蓄熱タンク４２とが含まれており、これらはヒートポンプサイクル１０の蒸発器／ヒータ１４を通過する第３流体管路４４によって、流体的に接続されている。さらに第４流体管路４８によって低温側の低温蓄熱タンク４２は、図１に示されているように少なくとも第１温水器２６を介して、低温側の高温蓄熱タンク４６と接続されているか、または図３ｃに示されているように、水蒸気サイクル２０の凝縮器２２と接続されている。このようにして水蒸気サイクル２０からの熱エネルギーを、低温側の低温蓄熱タンク４２からの水を加熱して低温側の高温蓄熱タンク４６を補給するために、利用することができる。この実施形態では低温側の第１高温蓄熱タンク４６は、熱流体を保管するように構成されているだけであるが、別の実施形態によれば低温側の第１高温蓄熱タンク４６は、付加的に熱保持手段を含んでおり、たとえば熱吸収性の金属、岩石、または熱を長期にわたり保持可能な他の鉱物などを含んでいる。さらに別の実施形態によれば、低温側の蓄熱システムを、低温側の低温流体と高温流体との混合を防止する材料で充填された、ただ１つの蓄熱タンクによって構成してもよい。
この装置によれば電力調整装置６０を、１つまたは複数の電源７０と電気的に接続された、アルゴリズムベースの電力調整装置６０とすることができ、ここで電源７０には、太陽光発電システム７２、風力発電システム７４、送電網７６等のうちの少なくとも１つが含まれる。この場合、電力調整装置６０は、電源７０の過剰電気エネルギーを調整し、過剰電気エネルギーの一部を電気ヒータ装置５０へ、さらに一部をヒートポンプサイクル１０へ供給して、過剰電気エネルギーを熱エネルギーとして蓄積できるようにする。上述の装置の場合、ヒートポンプサイクル１０と電気ヒータ装置５０は、電気エネルギーを熱エネルギーへ変換するチャージシステムとして動作する。
電力調整装置６０からの部分的な電気エネルギーを利用し、ヒートポンプサイクル１０の圧縮器１８を駆動して熱エネルギーを発生させ、これを高温側の蓄熱システム３０に供給して蓄積する。さらに別の部分的な電気エネルギーは、電力調整装置６０を介して電気ヒータ装置５０へ供給され、熱エネルギーに変換されて、高温側の蓄熱システム３０にさらに蓄積され、これによって第１熱流体の最高要求温度たとえば約５００℃〜６００℃に達する。さらに水蒸気サイクル２０は、蒸気タービン２１を利用して発電機を駆動することによって、高温側の蓄熱システム３０内の熱エネルギーの蓄積を電気に変換するディスチャージシステムである。さらに水蒸気サイクル２０を利用して、低温側の蓄熱システムに低温エネルギーを補給することができ、これをヒートポンプサイクル１０によって利用することができる。
次に図３Ａ〜図３Ｂを参照すると、システム１００が例示されており、これによればシステム１００のチャージとディスチャージが描かれている。１つの実施形態に従い、図３ａにはシステム１００のチャージ動作が示されており、図３ｂおよび図３ｃにはシステム１００のディスチャージ動作が示されている。チャージサイクルはたとえば日中に行うことができ、ディスチャージサイクルはたとえば夜間に行うことができる。さらにチャージサイクル手段は、第１熱流体を予め定められた温度まで加熱し、それを第１蓄熱システム（３０）に蓄積する。同様にディスチャージサイクル手段は、システム１００を動作させるために、第１熱流体の熱を利用する。
一例として図３ａに示されているような、遷臨界作動流体を用いたチャージサイクルの方法（濃く描かれた線およびコンポーネント）には、以下のステップが含まれている。最初に、種々の電源７０からの過剰な電気を電力調整装置６０によって調整し、一部はヒートポンプサイクル１０を駆動し、一部は電気ヒータ装置５０へ供給する。ヒートポンプサイクル１０において電気によりモータを駆動し、これにより圧縮器１８は、ヒートポンプサイクル１０の第１作動流体を圧縮して超臨界状態にすることができ、圧縮器１８の下流に配置された熱交換器１２により回収される第１蓄積媒体を、この媒体により許容される最高温度に到達させる。
続く復熱ステップにおいて、圧縮器１８の出口圧力を制限するために、冷却された高圧の第１作動流体を用いて、復熱器１３内の低圧作動流体を予備加熱する。さらに、冷却された第１作動流体を膨張器１５内で膨張させ、この膨張器１５は、第１作動流体の圧力を絞って低圧にする。その後、蒸発器／ヒータ１４において、作動流体を予備加熱し／蒸発させ、ついで加熱してから、圧縮器へ戻す。この加熱および蒸発のステップを、周囲からの熱によって実施することができ、または、低温側の第２蓄熱サイクル４０からの熱を利用して実施することができ、これによってヒートポンプサイクル１０の効率が上昇する。図３ａに示したチャージングモードにおいてヒートポンプサイクル１０は、第２蓄熱システム４０の２つのタンクである第２低温蓄熱タンク４２と第２高温蓄熱タンク４６との温度差として蓄積された熱を、いっそう高い温度に移行させる。この場合、低温タンク（タンク４２）は約３０℃〜約６０℃の範囲にあり、高温タンク（タンク４６）は約８０℃〜約１２０℃の範囲にあり、いっそう高い温度とは具体的には、第１蓄熱システム３０の２つのタンクである第１低温蓄熱タンク３２と第１高温蓄熱タンク３６における約２６５℃〜約５６５℃の温度差で表される温度である。
たとえば日中を考えると、このチャージサイクルの終了時点で、第２温水タンク４６は空となり、第２冷水タンク４２は満水となる。
ただし、１００〜３００バールの圧力において３００℃〜４００℃を超える温度で動作可能な圧縮器とヒートポンプを製造するのは難しく、かつコストがかかるので、ヒートポンプサイクル１０は、ヒートポンプサイクル１０の標準的なコンポーネントを利用して達成可能な制限温度すなわち約３００℃〜４００℃までならば動作するように構成されている。
この温度よりも高い温度については、電気ヒータ装置５０を用いて第１蓄熱システム（３０）の第１熱流体を加熱することができる。この場合、電気エネルギーの一部は、電力調整装置６０により調整されて電気ヒータ装置５０へ供給され、熱エネルギーに変換されて、高温側の蓄熱システム３０にさらに蓄積され、これによって第１熱流体の最高要求温度たとえば約５００℃〜６００℃に到達させる。
一例として図３ｂで示したような、ディスチャージサイクルのための方法（濃く描かれた線およびコンポーネント）には、以下のステップが含まれている。水蒸気サイクル２０は、第１蓄熱システム３０の熱を利用して蒸気を発生させ、さらに上述のようにして電気を発生させる。さらに第２蓄熱システム４０を、ディスチャージサイクル中、予備加熱することができ、上述のようにその熱を、ヒートポンプサイクル１０によるチャージサイクル中に利用することができる。このようにするために１つの実施形態によれば、第２低温蓄熱タンク４２からの低温側の第２熱流体を、水蒸気サイクル２０の第１温水器２６を用いて加熱することができ、その後、図３ｂに示されているように、第４流体管路４８を介して第２高温蓄熱タンク４６へ戻され、それによって約３０℃〜約８０℃の第２低温熱流体の温度が達成される。ただし別の実施形態によれば、図３ｃに示されているように（濃い線およびコンポーネント）、低温側の第２熱流体は、この熱を水蒸気サイクル２０の凝縮器から２２からとることができ、この場合、第１温水器２６の代わりに凝縮器２２を利用して第２低温蓄熱タンク４２を加熱することができ、その後、第５流体管路４９を介して第２高温蓄熱タンク４６へ戻され、それによって約３０℃〜約５０℃の第２熱流体の温度が達成される。図３ｃの実施形態を適用できる理由は、ＣＳＰにおいて一般に用いられている空冷凝縮器たとえば凝縮器２２は水冷よりも高い動作温度を有しており、したがって予備加熱トレインよりもむしろ空冷凝縮器を用いると、チャージサイクルのためにいっそう効率的に低温の熱が交換されるようになる、ということによるものである。
ヒートポンプサイクル１０の熱流体および作動流体を、システム１００の要求に合わせて適合させることができ、１つの実施形態によれば、高温側の第１熱流体を、２７０℃〜５６５℃の温度範囲で作動させ、２３８℃の凝固点を有する溶融塩（６０％のＮａＮＯ3，４０％のＫＮＯ3）とすることができる一方、低温側の第２熱流体を、加圧されたまたはされていない水とすることができ、あるいは油、合成油、鉱物油とすることができる。同時に作動流体は、遷臨界チャージサイクルのためにはＣＯ2が選択され、その理由は、ＣＯ2は、非可燃性、最高温度での非劣化性、および１０００バールまでの圧縮可能性、という適切な物理特性を有するからである。別の選択肢として、作動流体を空気としてもよい。
本発明のシステム１００は、既述のように様々な領域において有利である。このシステムは、代替となる改善されたエネルギー蓄積および放出システムであって、このシステムは、過剰な電気エネルギーを利用することができ、標準的なコンポーネントを利用して溶融塩の目標温度を経済的な手法で達成することができる。このことは、本発明によらなければ著しくコストがかかるし、または理論的に不可能である。
本発明の特定の実施形態に関する既述の説明は、例示および説明を目的として開示されたものである。それらは網羅的であることを意図したものでもないし、または本発明をここで開示した厳密な形態に限定することを意図したものでもなく、これまで述べてきた教示内容からすれば、多数の改良や変形が可能であるのは明らかである。これらの実施形態は、本発明の原理およびそれらの実際の適用を最もわかりやすく説明できるようにする目的で、さらにそれによって、他の当業者が個々に意図どおりに利用するのに適した種々の変形と合わせて、本発明および種々の実施形態を最良のかたちで活用できるようにする目的で、選択し説明してきたものである。状況によって示唆されるように、または好適であるとされるように、様々な省略や等価のものによる置き換えが想定されるが、それらが意図するのは、本発明の特許請求の範囲の着想または範囲から逸脱することなく、適用または実施を網羅するということである。
１００ 電気エネルギー蓄積および放出システム
１０ ヒートポンプサイクル
１２ 熱交換器
１３ 復熱器
１４ 蒸発器／ヒータ
１５ 膨張器
１８ 圧縮器
２０ 水蒸気サイクル
２１ 蒸気タービン
２２ 凝縮器
２３ 凝縮ポンプ
２４ 抽出管路
２６ 第１温水器
２７ 第２蒸発器
２８ 第２温水器
２９ 第１ボイラ
３０ 第１蓄熱システム
３２ 第１低温蓄熱タンク
３４ 第１流体管路
３６ 第１高温蓄熱タンク
３７ａ ヘリオスタット
３７ｂ 受光装置
３８ 第２流体管路
３９ 第３蓄熱タンク
４０ 第２蓄熱システム
４２ 第２低温蓄熱タンク
４４ 第３流体管路
４６ 第２高温蓄熱タンク
４８ 第４流体管路
４９ 第５流体管路
５０ 電気ヒータ装置
６０ 電力調整装置
７０ 電源
７２ 太陽光発電システム
７４ 風力発電システム
７６ 送電網

Claims (10)

  1. 電気エネルギーを熱エネルギーとして蓄積するための電気エネルギー蓄積および放出システム（１００）において、
    第１作動流体を含むヒートポンプサイクル（１０）と、
    第２作動流体を含む水蒸気サイクル（２０）と、
    第１熱流体を含む第１蓄熱システム（３０）と、
    第２熱流体を含む第２蓄熱システム（４０）と、
    電気ヒータ装置（５０）と、
    電力調整装置（６０）と
    が設けられており、
    前記第１蓄熱システム（３０）は、前記ヒートポンプサイクル（１０）および前記水蒸気サイクル（２０）と流体的に接続されており、前記第１熱流体を含む第１蓄熱システム（３０）は、第１低温蓄熱タンク（３２）と、該第１低温蓄熱タンク（３２）に流体的に接続された第１高温蓄熱タンク（３６）とを含み、
    前記第２蓄熱システム（４０）は、前記ヒートポンプサイクル（１０）および前記水蒸気サイクル（２０）に流体的に接続されており、前記第２熱流体は、第２低温蓄熱タンク（４２）と、該第２低温蓄熱タンク（４２）に流体的に接続された第２高温蓄熱タンク（４６）とを含み、
    前記電気ヒータ装置（５０）は、前記第１低温蓄熱タンク（３２）と前記第１高温蓄熱タンク（３６）との間で、前記第１蓄熱システム（３０）に作動的に接続されており、
    前記電力調整装置（６０）は、１つまたは複数の電源と電気的に接続されており、該電源の過剰電気エネルギーを調整して、該過剰電気エネルギーの一部を前記電気ヒータ装置（５０）へ、一部を前記ヒートポンプサイクル（１０）へ供給し、前記過剰電気エネルギーを、前記第１熱流体における熱エネルギーとして蓄積可能にする、
    電気エネルギー蓄積および放出システム（１００）。
  2. 前記ヒートポンプサイクル（１０）は、
    前記第１作動流体を圧縮する圧縮器（１８）と、
    該圧縮器（１８）の下流に配置された熱交換器（１２）と、
    該熱交換器（１２）と流体的に接続された蒸発器／ヒータ（１４）と
    を含み、
    前記ヒートポンプサイクル（１０）は、前記熱交換器（１２）を通過する第１流体管路（３４）を介して、前記第１蓄熱システム（３０）に流体的に接続されており、前記第１作動流体の熱が、前記第１低温蓄熱タンク（３２）から到来する前記第１熱流体に供給され、前記第１熱流体は、中庸な温度値となって、前記熱交換器（１２）の下流に配置された電気的加熱源（５０）に供給され、
    前記ヒートポンプサイクル（１０）は、前記蒸発器／ヒータ（１４）を通過する第３流体管路（４４）を介して、前記第２蓄熱システム（４０）と流体的に接続されており、前記第２高温蓄熱タンク（４６）から到来する前記第２熱流体から熱を受け取る、
    請求項１記載の電気エネルギー蓄積および放出システム（１００）。
  3. 前記水蒸気サイクル（２０）は、
    蒸気を膨張させる蒸気タービン（２１）と、
    該蒸気タービン（２１）の下流に配置された凝縮器（２２）と、
    該凝縮器（２２）の下流に配置された第１温水器（２６）と、
    該第１温水器（２６）の下流に配置され、当該水蒸気サイクル（２０）の水を蒸気に変換するボイラ（２９）と
    を含み、
    前記水蒸気サイクル（２０）は、前記ボイラ（２９）を通過する第２流体管路（３８）を介して、前記第１蓄熱システム（３０）と流体的に接続されており、前記第１熱流体の熱を前記水蒸気サイクル（２０）へ供給し、
    前記水蒸気サイクル（２０）は、前記第１温水器（２６）を通過する第４流体管路（４８）を、または前記凝縮器（２２）を通過する第５流体管路（４９）を、少なくとも介して、前記第２蓄熱システム（４０）と流体的に接続されており、前記第２低温蓄熱タンク（４２）から到来する前記第２熱流体を加熱する、
    請求項１または２記載の電気エネルギー蓄積および放出システム（１００）。
  4. 前記蒸気タービン（２１）は、抽出管路（２４）を備えた多段式蒸気タービン（２１）であり、前記抽出管路（２４）は、前記蒸気タービン（２１）の中間段から蒸気を抽出するように構成および配置されており、
    前記抽出管路（２４）は、前記水蒸気サイクル（２０）内で前記第１温水器（２６）の下流に配置された第２温水器（２８）と接続されていて、抽出蒸気により前記水蒸気サイクル（２０）内の水をさらに加熱可能である、
    請求項３記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  5. 前記電力調整装置（６０）は、アルゴリズムベースの電力調整装置（６０）であり、該電力調整装置（６０）は、太陽熱発電システム（７２）、風力発電システム（７４）、送電網（７６）および同様の手段のうち少なくとも１つを含む電源（７０）の電気エネルギーの過剰分を利用するように自動化されている、
    請求項１乃至４のいずれかに記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  6. 前記第１蓄熱システム（３０）は、前記第１低温蓄熱タンク（３２）と前記第１高温蓄熱タンク（３６）との間において、前記電気ヒータ装置（５０）の上流であり前記熱交換器（１２）の下流に配置された第３蓄熱タンク（３９）を含み、中庸な温度まで加熱された前記第１熱流体を該第３蓄熱タンク（３９）に蓄積する、
    請求項２に記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  7. 前記ヒートポンプサイクル（１０）は遷臨界ヒートポンプサイクル（１０）である、
    請求項１乃至６のいずれかに記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  8. 前記ヒートポンプサイクル（１０）は超臨界ヒートポンプサイクル（１０）であり、前記第１作動流体は、当該ヒートポンプサイクル（１０）全体を通じて超臨界状態にある、
    請求項１乃至６のいずれかに記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  9. 前記第１熱流体は溶融塩である、
    請求項１乃至８のいずれかに記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
  10. 前記第２熱流体は、水、加圧水、油、合成油および鉱物油のうちの１つである、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の電気エネルギー蓄積および放出システム。
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