(57)【要約】【課題】【解決手段】高効率の熱力学的パワー変換サイクルが開示されて、蓄熱装置、大気熱変換器及び風力導入装置が相乗方法で用いられる。地下水源、太陽熱収集器、及びシステム内で作動流体としてイオン液体又はエレクトライド溶液を更に用いる熱ポンプを用いる好ましい構成を用いて、全体エネルギー効率を最大にし、不十分であるとされるような熱差で、効率よくパワーを発生することを可能とした。【選択図】図１Ａ
2009522496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの蓄熱装置を用いて作動する熱力学的パワー変換装置であって、蓄熱装置は少なくとも以下の１つができる
(a) 熱源とヒートシンク間の平均温度差を増加させること。
(b) エネルギー効率を増加させること。
ものである、熱力学的パワー変換装置。
【請求項２】
熱力学的パワー変換装置は、少なくとも２つの作動モードで動的に切換可能であって、第１のモードでは、前記地熱源の温度が周囲又は熱貯蔵温度の何れかより低い場合では、ヒートシンクが地熱源であり、第２のモードでは、地熱源の温度が周囲、又は熱貯蔵温度の何れかより高い場合では、熱源は地熱源である、請求項１に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項３】
更に少なくとも１つの第１の蓄熱タンク及び少なくとも１つの第２の蓄熱タンクを具え、少なくとも１つの第１の蓄熱タンク及び少なくとも１つの第２の蓄熱タンクには、少なくとも１５度ケルヴィンの温度差がある、請求項１に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項４】
熱力学的パワー変換装置は、熱駆動されるパルス・ポンプ、ヒートパイプ、ループ・ヒートパイプ、毛細管型のヒートパイプ、熱バス、ヒートポンプ及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項５】
太陽エネルギー収集装置からの太陽エネルギーが、より高い温度を有する蓄熱タンクに注入される、請求項３に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項６】
熱力学的パワー変換装置の熱源は、太陽熱収集器によって同時に加熱される、請求項１に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項７】
太陽熱収集器は、地熱又は蓄熱作動流体から選択されるより高温の装置と流体が流通可能に繋がっている、請求項６に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項８】
更に大気熱交換器を含む、請求項１に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項９】
大気熱交換器の温度が、地熱又は蓄熱作動流体の何れかよりも高いとき、大気熱交換器は地熱又は蓄熱作動流体から選択されたより高温の装置と流体が流通可能に繋がっている、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１０】
大気熱交換器の温度が、地熱又は蓄熱作動流体の何れかよりも低いとき、大気熱交換器は地熱又は蓄熱作動流体から選択されたより低温の装置と流体が流通可能に繋がっている、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１１】
大気熱交換器は、伝熱を助長する手段としての風力導入装置、気流を最大限にする手段としての回転モータ、太陽熱の利得を制御する手段としての太陽遮蔽装置及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１２】
大気熱交換器は、蒸発器又はコンデンサのモードの間で動的に切り替わることができる、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１３】
大気熱交換器は、構造支持、建築的美的要素及び障壁から成るグループから選択される機能を有する多機能装置である、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１４】
大気熱交換器は、風力パワー変換器、蒸気冷却、静電気伝熱助長及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項８に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１５】
風力パワー変換器は、風力導入装置、気流を最大限にする手段としての回転モータ及びそれらの組み合わせから成るグループから選択される、請求項１４に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１６】
風力導入装置は、太陽熱収集器の２次的機能によって達成される、請求項１５に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１７】
熱ポンプコンデンサは、以下から構成されるグループから選択される少なくとも１つと間接的に流体流通可能に繋がっている、
(a) 冷却モードにて作動するときであって、太陽熱収集器入口温度がコンデンサの温度以下であるときは、太陽熱収集器；
(b) 冷却モードにて作動するときであって、太陽熱収集器出口温度がコンデンサ温度以下であるときは、太陽熱収集器；
(c) 冷却モードにて作動するときであって、コンデンサ温度が高温蓄熱装置よりも高いときは、高温部が低温蓄熱装置よりも少なくとも１５度ケルビン高い高温蓄熱装置；
(d) 冷却モードにて作動する場合であって、高圧側パワー変換装置は低圧側パワー変換装置よりも高い圧力を有し、高圧側パワー変換装置の温度がコンデンサ温度以下であるときは、パワー変換装置；
(e) 冷却モードにて作動する場合であって、低圧側パワー変換装置は高圧側パワー変換装置よりも低い圧力を有し、低圧側パワー変換装置の温度はコンデンサの温度以下であるときは、パワー変換装置；
(f) 加熱モードにて作動する場合であって、太陽熱収集器入口温度が蒸発器の温度以下であるときは太陽熱収集器；
(g) 加熱モードにて作動する場合であって、太陽熱収集器出口温度が蒸発器の温度以下であるときは太陽熱収集器；
(h) 加熱モードにて作動している場合であって、蒸発器の温度は低温蓄熱装置以下であるときは、低温部が高温蓄熱装置よりも少なくとも１５度ケルビン低い低温蓄熱装置；
(i) 加熱モードにて作動する場合であって、低圧側パワー変換装置は高圧側パワー変換装置よりも低い圧力を有し、低圧側パワー変換装置の温度は蒸発器の温度よりも高いときはパワー変換装置；
(j) 加熱モードにて作動する場合であって、高圧側パワー変換装置は低圧側パワー変換装置よりも高い圧力を有し、高圧側パワー変換装置の温度は蒸発器の温度よりも高いときはパワー変換装置；及び
(k)それらの組み合わせである、請求項１６に記載の熱力学的パワー変換装置。
【請求項１８】
地熱システムであって、
(A) パワー変換装置と；
(B) 蓄熱システムと；
(C) 蓄熱システム及び地熱システムの入口温度を監視する温度検知器／コントローラ
を具える地熱システム。
【請求項１９】
蓄熱システムは、少なくとも１つの低温蓄熱装置、及び低温と高温間の温度差が最小で１５度ケルビンである少なくとも１つの蓄熱装置から構成される、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２０】
地熱システムは、臨界超過圧冷媒流体を用いる、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２１】
地熱システムは、２種の作動流体を用いる、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２２】
２種の作動流体は、イオン液体、ポリポリマー(イオン液体)、エレクトライド、アルカライド、ナノ流体溶液及びそれらの組み合わせから構成されるグループから選択される、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２３】
地熱システムの作動流体は更に、イオン液体、ポリポリマー(イオン液体)、エレクトライド、アルカライド、ナノ流体溶液、臨界超過流体及びそれらの組み合わせから構成されるグループから選択される、請求項２１に記載の地熱システム。
【請求項２４】
地熱システムは更に、熱駆動されるパルスポンプ、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、毛細管ヒートパイプ、熱バス及びそれらの組み合わせから選択される少なくとも１つから構成される、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２５】
地熱システムは、地熱源の温度が大気又は熱源温度の何れかよりも低いときはヒートシンクとして働き、地熱源の温度が大気又は熱源温度の何れかよりも高いときは熱源として働く、請求項１８に記載の地熱システム。
【請求項２６】
エネルギー効率と熱伝達を増加させる結合された風力導入装置を具える大気熱変換器。
【請求項２７】
風力導入装置は、大気熱交換器のエネルギー消費及び付随的なパワー生成の総計を最適にするように動的に構成された、請求項２６に記載の大気熱変換器。
【請求項２８】
大気熱交換器の効率は、蒸気冷却、太陽光遮断、静電気熱伝達増進から構成されるグループから選択される少なくとも１つの機能を結合させることにより、更に高められる、請求項２６に記載の大気熱変換器。
【請求項２９】
付随的なパワー生成は、風タービン、太陽光収集、及び熱力学的サイクル圧の膨張から選択される少なくとも１つの装置を結合することにより達成される、請求項２７に記載の大気熱変換器。
【請求項３０】
大気熱交換器は、熱搬送を達成するために設計された空気流れを実現するのに必要なファンエネルギーを減じ又はなくす、請求項２６に記載の大気熱変換器。
【請求項３１】
大気熱交換器は更に、熱駆動されるパルスポンプ、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、毛細管ヒートパイプ、熱バス、回転モータ、ヒートポンプ及びそれらの組み合わせからなるグループから選択された少なくとも１つから構成される、請求項２６に記載の大気熱変換器。
【請求項３２】
地熱システムの作動流体は更に、少なくとも１つのイオン液体及び少なくとも１つのポリポリマー(イオン液体)から構成される、請求項３１に記載の地熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２００５年１２月２９日に出願された発明の名称が「熱力学的パワー変換サイクル及び使用方法」である米国仮特許出願第60/766,013号の優先権を主張する。本願はまた、２００５年６月１３日に出願された米国仮特許出願第60/595,167号の優先権を主張して２００６年６月１２日に出願された発明の名称が「ナノイオン液体及び使用方法」である米国特許出願第11/309,025号の一部継続出願である。
本願はまた、２００５年１月１８日に出願された米国仮特許出願第60/593,485号の優先権を主張して２００６年１月１６日に出願された発明の名称が「高効率吸収熱ポンプ及び使用方法」である米国特許出願第11/306,911号の一部継続出願である。
【０００２】
発明の分野
本発明は一般に、熱力学的サイクルに基づくパワー生成サイクルに関し、特に熱源とシンク間の熱の差を有効に増加させる手段及び方法に関し、パワー抽出装置の圧力差を増加させる手段及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
地熱ポンプは、地下水から熱を外／内に搬送することにより、冷却又は加熱する手段として、当該技術分野で公知である。地熱熱力学的パワー生成サイクルはまた、同様にタービンのようなパワー抽出装置を駆動する流れ生成手段としても、当該技術分野で公知である。両方の地熱の用途は、熱源とシンク間の温度差を増加させる手段から利益を享受するだろう。
【０００４】
発明の名称が「熱エネルギー蓄積システム」である発明者がグンドラッチの米国特許第6,681,593号は、氷−水を含む浅いプールを含む熱エネルギー蓄積システムを開示し、季節内で氷を解凍し、水を凍らせることにより、熱エネルギーを循環的に蓄積し抽出する。'593号特許は半連続的なシステム効率を増加させる手段として、日中及び昼夜の温度変化を循環的に利用することを実現することについては開示していない。
【０００５】
ベリンガ他の、発明の名称が「スターリングシステムに基づく熱導入」である米国特許第6,151,896号は１つの圧力容器内に統合されたスターリングエンジン及びスターリングタイプ熱ポンプを用いる熱導入を開示している。
自由に振動するようにピストンが取り付けられた作動室と同様に、２つの温室及び２つの冷室が圧力管の内側に位置する。室は互いに流体が流通可能に繋がっている。'896号特許は、温室又は冷室の有効温度を高める蓄熱手段又は他の手段からのゲインを実現することを開示していない。'896号特許は、熱水蓄熱システム単独を、非変換の熱エネルギーを大気に放散するのではなく、非変換の熱エネルギーを熱水に変える手段として、組みあわせている。
【０００６】
英国のアンビエントエネルギーシステム社は、環境(つまり大気)から太陽エネルギーを集めるか、又は熱エネルギーを大気に放散する手段として従来の蒸気圧縮ヒートポンプを組み合わせた、２つの蓄熱システムを利用するものを開示している。しかし、家庭の湯で単に冷却又は加熱の何れかを生産すると同時に、パワーを生成する能力を達成しない。
アンビエント社のシステムは、「周囲と熱交換する」大きな表面積を使用するものである。これは、低圧で従来の熱交換作動流体を有する一定のシステムである大きな表面積の「大気熱交換器」を利用し、このようにして流体摩擦損失に打ち勝つのに過度の量のポンプエネルギーを要する。更に、アンビエントシステムは、標準的な熱ポンプサイクルである、１つの熱力学のサイクルに制限されている。
精巧さで劣るシステムも、鹿島株式会社によって開発されており、これは従来の熱ポンプ熱力学サイクルを再び増やす手段として、単一の蓄熱装置及び大気熱交換器を利用する。何れのシステムも、パワーを生成すると同時に、システムの性能係数を増加させる更なる利得を実現することを予想しないし、実現することができない。
【０００７】
発明者は、温度差を増加させる手段としての蓄熱装置の利用、風力導入装置を用い又は用いることなく、大気熱変換器を使用すること、又は圧力差を増すことにより温度差の比を増加させる手段として、イオン液体又はエレクトライド／アルカライド溶液を含む新規性のある作動流体を使用することを開示した更なる特許又は学術文献を知らない。
【０００８】
少ない温度差(約１５度ケルビン)で熱エネルギーを機械的／電気的パワーに変換する高効率でコスト的に有効な手段を求めるニーズがある。
【発明の開示】
【０００９】
発明の要約
熱源とヒートシンク間の温度差及び圧力差を最大にすることにより、超越したエネルギー変換効率を達成する修正された熱力学的サイクルが提供される。創造性のある設計に起因する基本的な利点は、熱的損失の著しい減少及び比較的低い温度差でパワーを抽出する能力である。
【００１０】
本発明の目的は、熱源とヒートシンクの温度差を増加させることにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、全体的なパワー変換効率及び冷却性能係数を増加させる手段として、不可欠なパワー抽出能力を有する吸収熱ポンプと標準的な蒸気圧縮熱ポンプを結合させることにある。
【００１２】
本発明の更なる目的は、熱源とヒートシンクの温度差を増加させる手段として、昼夜の温度差を利用することである。
【００１３】
本発明の更なる目的は、熱源とヒートシンクの温度差を増加させる手段として、太陽熱収集器又は集光器の何れかによって収集された太陽エネルギーを利用することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、流体が流通するライン間の熱搬送を再設定する手段として、動的に切り換え可能な熱バスを利用することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、熱源温度を上昇させる手段として、比較的暑い日に大気から熱エネルギーを抽出し、ヒートシンクの温度を下げる手段として、比較的冷えた夜時間に大気から熱エネルギーを抽出し、両方とも蓄熱設備(capabilities)を用いることである。
【００１６】
本発明の他の目的は、夫々熱駆動パルスポンプ構成、熱パイプ等を用いる手段を含むポンプ及びファンエネルギーを減じることにより、及び大気熱交換器を通して風力導入を用いることにより、付随支持装置のパワー消費を減じることにある。
【００１７】
本発明の明細書内に記載された形状は、パワー変換システムの最も重要な要素の例示的な構成を提供する。形状の詳細な記載は、以下の段落に提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
発明の詳細な記載
本発明は、熱力学的サイクルに基づいたパワー生成サイクルに関するものである。特に熱源とヒートシンク間の有効な熱差を増加させる手段及び方法に関する。熱源とヒートシンク間の温度差及び圧力差を最大にすることにより、優れたエネルギー変換効率を達成する修正された熱力学的サイクルが提供される。
進歩性のある設計から生じる基本的な利益は、熱損失の著しい減少及び比較的低い温度差に於いてパワーを抽出する能力である。
【００１９】
用語「回転モータ」は、回転する装置に取り付けられた要素を回転させる外部手段として定義される。
【００２０】
用語「熱バス」は、１つの箇所から他の箇所に直接熱エネルギーを搬送する手段として定義される。
【００２１】
用語「大気の」は、大気により、大気に依存して、又は大気から生じるものとして定義される。
【００２２】
用語「風力導入」は、幾つかの所望のコースに沿って風を向け又は案内する手段として定義され、集中した即ち増幅された衝撃及び高速を有するのが好ましい。
【００２３】
用語「熱駆動されるパルスポンプ」は、周期的な(パルス駆動される)加熱、及び冷却と交互の蒸気化、噴出されるべき流体の濃縮を利用することによって、噴出動作を生成する手段として定義される。
【００２４】
用語「熱力学サイクル」は、作動流体が一連の状態変化を経験し、最終的には初期状態に戻る過程として定義される。
【００２５】
用語「太陽エネルギー」は、太陽から引き出されるエネルギーとして定義され、殆どの場合、広範な手段を介して、放射された光量子を電子又は光量子へ直接変換することを指す。太陽エネルギーはまた、地下水(即ち、地熱水)への加熱のような更なるエネルギーの形に間接に変換される。
【００２６】
用語「地熱」は、地球内部の熱として定義され、又は地球内部の熱に関し、吸収された太陽エネルギーによって影響を受ける。
【００２７】
用語「イオン液体」は、様々な有機及び無機の溶質が溶けることができる高度に溶媒化した非調整媒体として定義される。それらは様々な化合物にとって有効な溶剤であり、測定可能な蒸気圧がない故に揮発性の有機化合物(ＶＯＣ)の所望の代替物となる。
イオン液体は、不揮発性で不燃性で、高い熱的安定性を有し、製造するのに比較的安価であるとして、魅力的な溶剤である。
イオン液体に関する重要な点は、それらが液体の塩類であるということであり、それは液体相に存在する塩からそれらが構成され、製造されなければならないことを意味し、それらは単に液体に溶かされた塩類ではない。通常はイオンの一方及び両方は特に大きく、陽イオンは対称性が低く、その結果、これらのファクタは、格子エネルギーが減ぜられ、それ故に融点を下げたイオン液体となる。
【００２８】
用語「エレクトライド(electride)」は、陰イオンが錯陰イオン(complex cations)間の結晶領域に位置している単なる電子であると推定されるという点を除いて、アルカライド(alkalide)に似ているとして定義される。
【００２９】
用語「アルカライド」は、陰イオンがＩ族グループ(アルカリ)要素Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ(既知の「リチド(Lithide)」は存在しない)である場合、イオン化合物のクラスとして定義される。陽イオンは大きな有機錯化剤によって錯体化されたアルカリ陽イオンである。
結果物の化学的形式はＡ＋［錯化剤］Ｂ−であり、錯化剤はクリプタンド、クラウンエーテル或いはアザクラウンの何れかである。
【００３０】
用語「ナノ流体」は、ナノスケールのパウダーを含む液体として定義され、パウダーは、直径が１ミクロン及び好ましくは１００ナノメーター以下であるパウダーである。
【００３１】
用語「臨界超過」は、液体が臨界温度と圧力より上にて利用される地点として定義される。
【００３２】
用語「ヒートポンプ」は、蒸気圧縮、吸収及び吸着を含む手段によって、熱源から抽出された熱エネルギーをヒートシンクに搬送するものとして定義される。
【００３３】
本発明の実施例による熱力学的なパワー変換装置が、図面を参照して説明される。
【００３４】
図１Ａ及び図１Ｂは、パワー変換装置間の主要要素間の流体流通のブロック図である。熱力学的パワー変換装置は、地熱熱力学的サイクルのハイブリッドであるけれども、著しく低い地上源作動温度が、従来の作動温度に付加されることが予想され、吸収、吸着及び蒸気圧縮ヒートポンプから成るグループから選ばれた、少なくとも１つの更なる熱力学のサイクルが結び付けられる。
【００３５】
図１Ａは特に、熱力学的なパワー変換装置を記載し、ここでは「ＴＰＣ」と言及する。図１Ａは、周囲／大気温度が地上源／地下水温度よりも高いときの構成を示す。図１Ａに関して、地下水の熱エネルギーは、蒸発器としてより正確に役立つ地熱コンデンサ(70)を介して熱力学サイクルに搬送される。作動流体は高圧変位ポンプ(10)と流体が流通可能に繋がり、該ポンプは或いは、熱駆動されるパルスポンプ又は高効率噴出を達成する更なる手段であり得る。
作動流体は更に、作動流体の温度を上昇させる第１段階の手段としての大気の液体への液体熱交換器「ＨＸ」(20)と流体が付随的に流通可能である。付随的であるが、あるのが好ましい作動流体の温度を更に上げる第２段階の手段が、太陽熱に手助けされた熱源(30)によって実現される。そのような太陽熱に手助けされた熱源は、太陽熱収集器(即ち、平坦パネル、排出チューブ)を含む。更なる第３段階が、好ましい太陽熱凝縮器である。３つの連続した加熱段階の構成は、主要なコスト及び熱損失を最小にする。
作動流体が熱源の温度以下であるが、好ましくは熱源以下の最高温度であるあらゆる点にて一体化される更なる熱源が、進歩性のあるＴＰＣに一体化される。これらは、余分な熱源及び低品質のバイオマス源を含む熱源からの燃焼を含む。作動流体は、ここでは熱力学的サイクル内で最高の温度と圧力である。作動流体は、きめ細かい(detailed)膨張チューブ(40)のような圧力膨張器と流体が直接流通可能に繋がっている。圧力膨張器は或いは、コンプレッサ、ヒートポンプ、又は電気発生器(50)を駆動する。膨張過程の副産物は、冷却能力であり、特に付随的な吸収／膨張冷却装置(60)によって実現される。緩熱器、予備クーラー／サブクーラーのような更なる要素が、圧力差及び／又は冷却能力を増加させる手段として予想される。これらの更なる要素は、作動流体が臨界超過流体であるときに、特に注目される。
【００３６】
図１Ｂは、周囲の気温が地下水源に温度以下のときのＴＰＣを示す。主たる違いは、作動流体の加熱の第１段階として役立つ地熱コンデンサ(70)の流体流通ライン内の設置である。大気熱交換器(20)は、今度は作動流体の温度を低下させる蒸発器として役立ち、ヒートシンクとなる。
【００３７】
図２は、ＴＰＣ内の熱駆動されるパルスポンプの広い概念を示す。特に、一連の並列の順番付けられた入力バルブ(100)は、膨張タービン(40)の前のあらゆる全ての地点にて、地熱コンデンサ(70)からの出力として作動流体を得る。
入力バルブは、パルスＨＸ室(90)と流体が流通可能に繋がっており、該部屋にて作動流体が作動流体圧力を高める手段として加熱される。生じる加熱された作動流体は、圧力差を利用することにより、ポンプ作用を生成して、より低い圧力の作動流体を置き換え、それは一連の並列の出力バルブ(80)によって制御される。
【００３８】
図３は、単純化された熱力学のサイクルを示し、作動流体は温度差によって得られる圧力差を利用して、膨張タービン(40)を運転する。作動流体は次に、蒸発装置ＨＸ(42)によって表わされるヒートシンクと流体が流通可能に繋がり、蒸発装置ＨＸは熱力学サイクルＡ内にて蒸発器として作動するが、付随的な第２のヒートポンプコンデンサでもある。
好ましくは高圧変位ポンプ(10)である変位ポンプは、作動流体の流れを制御して、作動流体はコンデンサＨＸ(22)によって表わされる熱源内に変位させられ、コンデンサＨＸはまた、熱力学サイクル内にてコンデンサとして作動するが、付随的な第２のヒートポンプ蒸発器でもある。
【００３９】
図４は、単純化されたヒートパイプ回路を示し、最小の圧力損失で比較的長い距離に亘って熱エネルギーを搬送する任意の手段と期待される。そのような熱搬送は、コンデンサＨＸ(22)として示される任意の熱源及び蒸発器ＨＸ(42)として示される任意のヒートシンク間で本来発生する。
【００４０】
図５は、比較的低温の熱を蓄積するタンク(300)及び比較的高温の熱を蓄積するタンク(310)の何れかに、流体が流通可能に繋がるように制御可能である単純化された回路を示す。
【００４１】
図６は、殆どのあらゆる熱源とシンク間に熱エネルギーを搬送する有効な手段として、熱バスの高温伝導性及び低温抵抗性手段を用いる単純化された熱バス回路を示す。
熱バス(140)は、比較的低温の熱を蓄積するタンク(300)及び比較的高温の熱を蓄積するタンク(310)によって、ここで示される殆どあらゆる２つの要素間で切換可能である。切換手段は、低い熱抵抗を有する高熱伝導性の所望状態、及び高い熱抵抗を有する低い熱伝導性の所望状態間の熱搬送を制御する当該技術分野で公知の熱ダイオード又は更なる方法を含む。
【００４２】
図７は、風力導入装置との大気熱交換器との結合状態を示す。大気熱交換器(200)には、ファンパワーを減じ熱伝達を促進する手段として、加速された速度にて熱交換器に向けられた空気流れがある。空気流れは、当該技術分野で知られているように、一連の風力導入装置(210)によって案内され、装置は表面摩擦損失を最小にするように空気力学的に最適化されるのが好ましい。記載は、夫々断面図又は平面図の両方／何れかが正確である。
好ましい方向付けは、太陽熱収集器(220)の使用であり、屋根構造のような模範的な構造上の風力導入装置の第２の機能を果たすように動的に位置を変える。或いは、符号(230)で示される風力導入装置は、回転することができる可撓性の基板である太陽熱収集器によって示される。
好ましい太陽熱収集器は、更に押し上げられ拡張されて、太陽熱収集を最大化し、風力パワー変換を最大にし、過度の風の期間中は、風による損害の受け易さを最小にするとの特別な最適化必要条件を満たすことができる。
最後に、空気流れを最小にする手段は、動作制御が典型的な回転モータ(240)によって達成される当該技術分野で公知の方法によって回転される全体的な大気熱変換器(200)によって実現される。
【００４３】
進歩性のあるパワー変換装置の多くの更なる特徴は、以下に詳細に記載される。
【００４４】
熱力学的パワー変換装置は、少なくとも２つの作動モード間にて動的に切換可能であり、第１のモードでは、地熱源の温度が大気又は蓄熱温度の何れかよりも低いときにヒートシンクが地熱源であり、第２のモードでは地熱源の温度が大気又は蓄熱温度の何れかよりも高いときに熱源が地熱源である。
好ましい蓄熱装置は、蓄積タンク間に少なくとも１５度ケルヴィンの温度差がある、少なくとも２つの蓄熱タンクで構成される。
【００４５】
付随的な／予備的なエネルギー必要量は、熱駆動されるパルスポンプ、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、毛細管状のヒートパイプ、熱バス及びヒートポンプから成るグループからの少なくとも１つを更に含めることによって最小になる。
【００４６】
更に好ましい蓄熱タンクは、大気熱交換器中の伝熱によって日中の間、熱源作動流体を予め熱することにより、上昇する／高くなる温度を有する。特に好ましい蓄熱タンクは、太陽エネルギー収集装置から太陽エネルギーを注ぐことにより、上昇する／高くなる温度を有する。
【００４７】
注がれた太陽エネルギーは、パワー変換効率を高める手段としての太陽光収集器により実時間で熱源温度を増加させる。第１段階の太陽光収集器は更に、従来からの平坦パネルの太陽光収集器及び空にされた太陽熱チューブから構成されることが期待される。更に、第２段階の太陽光収集器は、太陽光エネルギーを凝縮するように構成されることが期待される。太陽光凝縮器から生じる第２段階により、高い熱源が最小の熱損失と最大のパワー効率を有することが可能になる。太陽光収集器の出力は、地熱又は蓄熱作動流体から選択される高温を有する装置と流体が流通可能に繋がっている。接近した工程からの余熱は間接的に流体と流通し、余分な工程の熱は、実際の余分な工程の熱温度を超えることなく、最も高い熱力学サイクル温度に注がれる。
【００４８】
大気熱交換器は、直接又は間接に、又は大気熱交換器の温度が地熱又は蓄熱作動流体の何れかよりも高いときは、地熱又は蓄熱作動流体から選択される高温装置内へ熱エネルギーを搬送する手段としての熱バスを介して、流体が流通可能に接続される。
或いは、大気熱交換器は、大気熱交換器の温度が地熱又は蓄熱作動流体の何れかよりも低いときは、地熱又は蓄熱作動流体から選択される低温装置と流体が流通可能に接続される。
【００４９】
好ましい大気熱交換器は更に、熱搬送を助長する手段としての風力導入装置、空気流れを最大にする手段としての回転モータ、及び太陽熱利得を制御する手段としての太陽光遮蔽装置からなるグループから選択される少なくとも１つの装置から構成される。
風力導入装置は、風を集め、風を増幅し、風を導くアエロリアンルーフ又は当該技術分野の他の方法のような装置を含む。方法に関係なく原則的な目的は、風速を増すことである。一体化した風力導入装置を具えたより好ましい大気熱交換器は更に、風力タービンのような風力発電パワー変換器から構成される。特に好ましい風力発電変換器は、風の導入が太陽熱収集器/凝縮器の邪魔をしないように、水平に取り付けられる。
【００５０】
特に好ましい大気熱交換器が蒸発装置又はコンデンサーのモードの間で動的に切り替わることができる。大気熱交換器が大気から熱エネルギーを抽出するところでは、そのような１つの動作モードは日時間の動作である。大気熱交換器が熱エネルギーを放射するところでは、別のそのような動作モードは夜時間の動作である。
最適な切換モードは、天候(例えば気温)、風速、湿度などのような同時の条件を含む一連のパラメーターを反映する。エネルギー管理装置から入手可能な従来の多数の動作条件に、予測される天気予報を組み込む能力により、システムをヒートシンク又は熱源間の動作モードで計画する(schedule)ことが可能となる。
本発明の動作モードは、これまでの動作に天気予報を結合する多変量制御システムの組み込みであり、大気熱交換器がヒートシンク又は熱源として働く時の計画、及びそれによって熱搬送が蓄熱タンク、太陽熱収集器、太陽熱凝縮器、地熱地下水源、ヒートポンプ蒸発器又はコンデンサへ、又はこれらからのシンク又は源に動的に変えられる動的な構成を決定する。
重要なエネルギー源は、太陽熱収集器／凝縮器を介して太陽エネルギーから直接収集される。太陽エネルギーの収集は、雲量、季節性、最低温度と最高温度間の日変化(即ち、日中温度と夜間温度)を含む種々の天候パラメータに大きく影響される。
温度差を最大限にすることにより、性能係数が殆ど決定されるとすれば、最大の温度差が実現された時点で、システムが時々作動するのが最適である。
しかし、パワー、加熱／冷却、及び家庭の湯の需要は、パワー、加熱／冷却、及び家庭の湯の供給には同期しない。このようにして、同時に熱エネルギーの搬送の構成／再構成を決定することは、最も需要がある際に資源の需要を同時に満たすことと、最高の経済的コスト、或いは所定の時間に亘って(例えば、日、週、月)、運転コストの合計を最適化することとの間で、常に変化する。
【００５１】
制御計画の複雑さは、ネットワーク源へ直接の同時的な通信リンクする分散制御システムの組み合わせによって最良に達成され、該ネットワーク源はこれまでの及び予測される天候データと結合したこれまでの及び予測される作動データに基づいて適切な構成計画を決定し変える。
【００５２】
特に好ましい大気熱変換器は、構造的サポート、建築設計要素又は障壁壁から成るグループから選択された機能を統合した多機能装置である。大気熱変換器、特に表面積の大きなシステムは、例えば太陽熱収集器／凝縮器と共通の構造サポートを利用する手段を有する。表面積の大きな太陽熱収集器はまた、固有の熱バスとして固有に役立つ、即ち、金属構造には大きな熱質量及び低い耐熱性がある。更に、大きな熱交換器(特に空気熱交換器)は大量の気流を要求する。
大量の気流も風力発電変換器システム(例えば風力タービン)によって要求される。
このようにして、好ましい構成は、究極的には臨界超過の薄膜マイクロ導入熱交換器である空気流れを案内し／向け、風力導入装置(別名、ダクト付き風力タービン、風力増幅器、風凝縮器)として役立つ熱交換器である。
【００５３】
当該技術分野では、静電界は、伝熱を助長する能力を有することが知られており、このように、表面積の大きな大気熱変換器はそのような助長に大きな利点があるだろう。熱拡散を改善する別の手段は、蒸発冷却を利用することであり、蒸発速度を増加させる技術では既知の方法(例えばスゥールフラッシュ(登録商標)、原子化手段、静電気の「爆発性の」力)を含んでいる。
気流の温度変化の更なる利益は、「煙突効果」を利用する能力を含み、それは周囲の大気と比較して低い密度故に、加熱された空気又はガスがダクト又は煙突、小さな包囲、即ち建物のような他の垂直な通路を上昇する傾向のことである。
このように、大気熱交換器は実際には、風力発電変換器装置の後に熱交換器が位置している場合に、大気熱交換器がコンデンサとして作動している間は、気流を増加させ、風力発電変換器装置によって生成されたパワーを増加させるだろう。
大気熱交換器を回転させる手段、又は当該技術分野で公知の手段及びここで回転モータと言及される手段を介して風力導入装置を回転させる手段によって、最大量の空気流れが大気熱交換器及び風力発電変換器を通ることができる。これは、熱搬送及びパワーを最大にする多機能の目的に役立つ。
風力導入の更なる利点は、付随ファンのパワー消費量の減少であり、大部分の熱交換器にとって不可欠の要素である。
【００５４】
或いは、風力導入は太陽熱収集器の第２の機能によって達成される。最適な太陽エネルギーの生成は、太陽追跡能力の利用により達成される。同じ追跡能力を用いることにより、太陽熱収集器／凝縮器は特に太陽熱生成時間が短くされた間、再構成されて、全エネルギーの生成と消費を最適に結合する。太陽熱収集／凝縮について設計上重大な考慮すべきことは、強風条件から存続する能力であり、このように追跡手段はまた、設計限界を越える太陽熱収集器上の空気力を最小にする更なる能力を付与する。換言すれば、所定の限界を越える風速で、太陽熱収集器の位置は、大気熱交換器及び太陽熱収集器気流範囲内を維持すべく再構成される。大気熱交換器が蒸発器モードで作動している間、風力導入装置は、太陽を遮蔽する第２の機能に役立ってもよい。
太陽熱のゲインが外部に取り付けられた蒸発器の作動効率を減少させることは、当該技術分野の者には理解されるだろう。
【００５５】
更にヒートポンプを含めることは、少なくとも第２の熱力学的サイクルを導入し、該サイクルはパワー、家庭の湯及び冷却／加熱能力を含む全ての所望の出力を増加させる。ヒートポンプは、システム全体に亘って相乗効果を提供する。
多数の構成が、進歩性のある熱力学的なパワー変換装置システムによって実現される。そのような構成は、以下から構成されるグループから選択される少なくとも１つと、流体が間接に流通可能に繋がった熱ポンプコンデンサを含む。
(a) 冷却モードにて作動するときであって、太陽熱収集器入口温度がコンデンサの温度以下であるときは、太陽熱収集器；
(b) 冷却モードにて作動するときであって、太陽熱収集器出口温度がコンデンサ温度以下であるときは、太陽熱収集器；
(c) 冷却モードにて作動するときであって、コンデンサ温度が高温蓄熱装置よりも高いときは、高温部が低温蓄熱装置よりも少なくとも１５度ケルビン高い高温蓄熱装置；
(d) 冷却モードにて作動する場合であって、高圧側パワー変換装置は低圧側パワー変換装置よりも高い圧力を有し、高圧側パワー変換装置の温度がコンデンサ温度以下であるときは、パワー変換装置；
(e) 冷却モードにて作動する場合であって、低圧側パワー変換装置は高圧側パワー変換装置よりも低い圧力を有し、低圧側パワー変換装置の温度はコンデンサの温度以下であるときは、パワー変換装置；
(f) 加熱モードにて作動する場合であって、太陽熱収集器入口温度が蒸発器の温度以下であるときは太陽熱収集器；
(g) 加熱モードにて作動する場合であって、太陽熱収集器出口温度が蒸発器の温度以下であるときは太陽熱収集器；
(h) 加熱モードにて作動している場合であって、蒸発器の温度は低温蓄熱装置以下であるときは、低温部が高温蓄熱装置よりも少なくとも１５度ケルビン低い低温蓄熱装置；(i) 加熱モードにて作動する場合であって、低圧側パワー変換装置は高圧側パワー変換装置よりも低い圧力を有し、低圧側パワー変換装置の温度は蒸発器の温度よりも高いときはパワー変換装置；
(j) 加熱モードにて作動する場合であって、高圧側パワー変換装置は低圧側パワー変換装置よりも高い圧力を有し、高圧側パワー変換装置の温度は蒸発器の温度よりも高いときはパワー変換装置；及び
(k)それらの組み合わせである。
【００５６】
熱力学的パワー変換サイクル及びヒートポンプとの統合により、言及した１５度ケルビンという低い温度差を可能にして、パワー生成及び性能係数の増加を達成する。有効なパワー生成にとって最も重要な設計上の考慮の１つは、温度差と圧力差の比である。進歩性のあるパワー変換サイクルの重要な特徴は、優れた伝熱性に優れた液体を更に包含することである。
注記した大部分は、少なくともイオン液体、ポリ(イオン液体)ポリマー、エレクトライド、アルカライド及びナノ流体溶液のグループの１つから選択された双方向作動流体を含む。
好ましい作動流体は、更に臨界超過のガスを含み、より好ましい臨界超過のガスは二酸化炭素である。特に好ましい作動流体は、イオン液体、イオン液体とポリ(イオン液体)ポリマーの組み合わせからなるグループから選択される。特に好ましい作動流体は、少なくとも1つのイオン液体および少なくとも１つのポリ(イオン液体)ポリマーで構成された伝熱性の液体で構成される。
【００５７】
特に好ましいシステム構成は、このように助長された地熱システムであり、地下水源は熱源とヒートシンク間の動的な切り替え可能なモードで利用される。
地熱システムは以下のものを含む:(A) パワー変換装置;(B) 蓄熱システム;及び(C) 蓄熱システム及び地熱システムの吸込温度を監視する温度検知器/コントローラ。
【００５８】
比較的低い温度差でパワーを生成する結合した能力は、有効エネルギー、特に自由に利用できるエネルギーを格納する(例えば廃熱、太陽エネルギー、大気、空へのエネルギー放射を含む大気冷却)能力の重要な誘因となる。結合されたシステム(例えばパワー、冷却/加熱、家庭の湯)の種々の出力、及び更に熱エネルギー(例えば、太陽熱収集器、地下水他)を搬送する広範な結合要素は、比較的低コストの蓄熱タンクへの要求が高まることの誘因となる。
最適な蓄熱システムは少なくとも１つの低温蓄熱装置、及び低温と高温との温度差が最低限の１５度ケルビンである少なくとも１つの蓄熱装置から構成される。
【００５９】
地熱システム及び熱力学的パワー変換装置サイクルの両方は、更なる装置を組み込むことにより実際のパワー生成及び性能係数に更なる利得を実現し、更なる装置は熱駆動されるパルスポンプ、ヒートパイプ、ループヒートパイプ、又は毛細管ヒートパイプ、熱バス及びヒートポンプから構成されるグループの少なくとも１つから選択される。
ポンプ駆動及びファンエネルギーを減じる更な手段は、システム全体の有効性を増加させるのに役立つ。連続的な最適化スキームは、大気熱交換器エネルギー消費及び付随的なパワー生成を最適化する手段として、動的にシステム構成を再構成することにより実行される。
これは、地熱源の温度が大気温又は蓄熱温度の何れかよりも低い場合には、ヒートシンクとして作動し、地熱源の温度が大気温又は蓄熱温度の何れかよりも高い場合には熱源として作動する地熱システムの構成を含んでいる。
【００６０】
進歩性のあるシステムは更に、風タービン、太陽熱収集器及び熱力学的サイクル圧膨張器からなるグループから選択される少なくとも１つの装置を直接統合することにより得られる更なる付随的なパワー生成機器を含むことを期待している。風タービンを組み込むことにより、システム全体が制御システム、ポンプ及びファンを含む付随的なパワー要求の少なくとも一部を生成する。更に当該技術分野で公知の全ての優れたエネルギー効率の装置(例えば、ゲロータ、ランゲン(商標)、クアシタービン(商標))を含む熱力学的サイクル圧力膨張器も実現される。
【００６１】
本発明の更なる特徴及び利点が記載され、ここで好ましい実施例の詳細な記載から明らかであろう。ここで記載された好ましい実施例への種々の変更及び修正が当業者にとって明らかであろうことが理解されるだろう。そのような変更及び修正は本発明の精神及び範囲を離れることなく、及び付随する利益を減じることなく成され得る。従って、そのような変更及び修正は、添付の請求の範囲によって覆われることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１Ａ】気温が地下水の温度よりも高い条件下で、流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図１Ｂ】気温が地下水の温度よりも低い条件下で、流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図２】パルス駆動されるポンプの流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図３】熱力学的サイクルを介してパワーを抽出する標準的な流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図４】蒸発器とコンデンサ間のヒートパイプを用いて熱搬送する流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図５】２つの蓄熱タンク間にて、熱搬送する流体流通ラインを記載したブロック図である。
【図６】２つの蓄熱タンク間にて、切換設備を有する熱バスを介した熱搬送を記載したブロック図である。
【図７】大気熱交換器上の一体化した風力導入設備の断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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