(57)【要約】【課題】低いコストで熱貯蔵システムの容量を増大する。【解決手段】エネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達システムにおいて、当該エネルギー伝達システムが相変化材料を入れる第１の容器と、外部エネルギー源に接続可能であって前記相変化材料に熱エネルギーを充填する発熱エレメントと、外部熱機関に接続可能であって前記相変化材料から熱エネルギーを抽出する熱抽出エレメントとを有するように構成し、前記発熱エレメントでは前記外部エネルギー源により供給されるエネルギーが使用され、前記外部熱機関が抽出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達システムにおいて、当該エネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）が
・相変化材料（１１５）を入れる第１の容器（１１０）と、
・外部エネルギー源（１７０）に接続可能であって前記相変化材料（１１５）に熱エネルギーを充填する発熱エレメント（１３０）と、
・外部熱機関（１８０）に接続可能であって前記相変化材料（１１５）から熱エネルギーを抽出する熱抽出エレメント（１４０）と
を有しており、
前記発熱エレメント（１３０）では前記外部エネルギー源（１７０）により供給されるエネルギーが使用され、前記外部熱機関（１８０）は抽出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、ことを特徴とするエネルギー伝達システム。
【請求項２】
前記相変化材料（１１５）は金属、特にアルミニウムを含んでいる、請求項１記載のエネルギー伝達システム。
【請求項３】
前記第１の容器（１１０）は少なくとも部分的に鉄合金からできている、請求項１または２記載のエネルギー伝達システム。
【請求項４】
前記発熱エレメント（１３０）はインダクタ（４３２）を含んでいる、請求項１から３のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項５】
前記第１の容器（１１０）を少なくとも部分的に包囲する第２の容器（１２０）と、
前記第１の容器（１１０）と前記第２の容器（１２０）の間に配置された熱絶縁材（１２５）と
をさらに有する、請求項１から４のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項６】
前記熱絶縁材（１２５）は複合セラミックス材料を含んでいる、請求項１から５のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項７】
前記発熱エレメント（１３０）の少なくとも加熱部分が前記相変化材料（１１５）と物理的に接触している、請求項１から６のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項８】
前記熱抽出エレメント（１４０）の少なくとも熱抽出部分が前記相変化材料（１１５）と物理的に接触している、請求項１から７のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項９】
前記熱抽出エレメントは前記外部熱機関（１８０）の気液ループ（１４０）であり、前記外部熱機関（１８０）は電力生産システムの一部である、請求項１から８のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項１０】
前記電力生産システムは前記気液ループ（１４０）内の流体の流れを制御する制御機構を含んでいる、請求項９記載のエネルギー伝達システム。
【請求項１１】
前記外部エネルギー源（１７０）により供給されるエネルギーは電気エネルギーであり、前記エネルギー伝達システムはさらに、前記外部エネルギー源（１７０）により供給される電気エネルギーに関連した電圧および／または電流の周波数を制御する周波数コントローラ（２３５）を含んでいる、請求項１から１０のいずれか１項記載のエネルギー伝達システム。
【請求項１２】
エネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達設備において、
当該エネルギー伝達設備が
・請求項１から１１のいずれか１項記載の第１のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）と、
・請求項１から１１のいずれか１項記載の第２のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）と
を含んでおり
前記第１のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）と前記第２のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）が互いに並列に配置されている、
ことを特徴とするエネルギー伝達設備。
【請求項１３】
前記第１のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）の発熱エレメント（１３０）と前記第２のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）の発熱エレメント（１３０）が互いに接続されていて、かつ外部エネルギー源（１７０）に接続可能である、かつ／または、前記第１のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）の熱抽出エレメント（１４０）と前記第２のエネルギー伝達システム（１００，２００，３００，５００）の熱抽出エレメント（１４０）が互いに接続されていて、かつ外部熱機関（１８０）に接続可能である、請求項１２記載のエネルギー伝達設備。
【請求項１４】
エネルギーを吸収し、一時的に貯蔵し、放出するための方法において、
・相変化材料（１１５）に熱エネルギーを充填するステップと、
・前記熱エネルギーを前記相変化材料（１１５）に一時的に貯蔵するステップと、
・外部熱機関（１８０）に接続された熱抽出エレメント（１４０）により前記相変化材料（１１５）から熱エネルギーを抽出するステップと、
・抽出した熱エネルギーを前記外部熱機関（１８０）に伝達するステップと、
・伝達された熱エネルギーを前記外部熱機関（１８０）により電気エネルギーに変換するステップと
を有しており、
相変化材料に熱エネルギーを充填する前記ステップにおいて、前記相変化材料（１１５）は第１の容器（１１０）の中に入っており、熱エネルギーは発熱エレメント（１３０）によって前記相変化材料（１１５）に挿入され、前記発熱エレメント（１３０）は外部エネルギー源（１７０）に接続されており、当該外部エネルギー源（１７０）からエネルギーを受け取る、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱エネルギーの一時貯蔵の分野に関する。特に、本発明はエネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達システムに関する。さらに、本発明はこのようなエネルギー伝達システムを２つ含んだエネルギー伝達設備に関する。さらに、本発明はエネルギーを吸収し、一時貯蔵し、放出する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンや太陽発電プラント、潮力発電プラントのような種々の代替エネルギー源からの電力生産は連続的ではない。電力生産は風速（風力タービンの場合）、絶縁（太陽発電プラントの場合）、波の高さや方向（潮力発電プラントの場合）のような環境パラメータに依存する。エネルギー生産とエネルギー需要との間に相関はほとんどないか、全くない。
【０００３】
電力生産と電力需要とが相関しないという問題を解決する１つの公知のアプローチは、生産されたが需要されていないエネルギーを一時的に貯蔵し、貯蔵されたエネルギーを高い需要があるときに放出するというものである。過去には、エネルギーを一時的に貯蔵する多くの異なる方法が提案されてきた。提案された方法としては、例えば以下のものがある。
【０００４】
（ａ）機械的なエネルギー貯蔵方法、例えば揚水貯蔵、圧縮空気貯蔵およびフライホイール
（ｂ）化学的なエネルギー貯蔵方法、例えば電気化学バッテリおよび有機分子貯蔵
（ｃ）磁気エネルギー貯蔵
（ｄ）熱エネルギー貯蔵
【０００５】
熱エネルギー貯蔵に関しては、水が高い熱容量を有していることが知られている。原理上は、水を熱貯蔵材または熱貯蔵媒体に用いて効率的な熱貯蔵が可能である。しかし、洗練された圧力容器を使用しない限り、水による熱容量貯蔵の最高温度は１００℃（摂氏１００度）に制限される。大容量貯蔵のためには圧力容器のコストが法外に高いので、水を熱貯蔵材として使用するのは最高温度が１００℃の場合に限られる。しかし、１００℃の最高温度では、貯蔵された熱エネルギーを要求に応じて放出する熱機関、例えば蒸気ターボ発電機が有効な熱力学的効率で動作するには全く低すぎる。したがって、実際には大容量エネルギー貯蔵に水の高い熱容量の利点を活かすことはできない。
【０００６】
代替的な熱貯蔵媒体としては、固体と溶融塩がある。固体は関連する熱機関の熱力学的効率が良くなる高温にまで熱することができる。しかし、固体は一般に熱容量が低いため、大体積が必要になり、エネルギー密度が低くなる。溶融塩は一般に固体よりも熱容量が高く、液相では揚水できるという利点も有しているため、強力熱交換器を備えた低損失貯蔵タンクを構成するのが容易である。しかし、溶融塩は４００℃を遥かに超えた温度では一般に不安定であり、そのため関連する熱機関の熱力学的効率が制限されてしまうという欠点を有している。さらに溶融塩は、結晶塩の伝導率の低さのため、初期融解と意図しない凝固が生じたときの再融解とが非常に難しいという欠点も有している。
【０００７】
固体の低エネルギー密度の問題に対する１つの解決手段は、関係する動作温度で相変化する材料を使用することである。熱貯蔵サイクルの温度範囲内で、つまり、貯蔵材料温度がＴi（最低の開始温度または初期温度に相当する）からＴf（最高の終了温度または最終温度に相当する）まで上昇する間に相変化しない材料に貯蔵される熱ないし熱エネルギーの量Ｑは以下の式（１）によって計算することができる。
【０００８】
2011193720.tif 000003
【０００９】
ここで、ｍは熱貯蔵材料の質量であり、Ｃｐ（Ｔ）は熱貯蔵材料の比熱容量であり、熱力学の基本によれば、温度Ｔの関数である。
【００１０】
熱貯蔵材料の比熱容量が明白には温度に依存していないとすれば、温度の上昇と貯蔵される熱の量との間には直線的な関係が存在する。熱貯蔵サイクルの間に熱変化しない材料または媒体の場合、材料が融解または凝固するときに余分なエネルギーが吸収または放出される。融解と凝固のプロセスは図６に示されている実質的に一定の温度において生じる。このような材料は相変化材料（ＰＣＭ）と呼ばれる。図６には、ＰＣＭが固体から液体そしてまた固体へ、または液体から固体へと相変化するときに、どのくらいの熱がＰＣＭによって吸収または放出されるのかが示されている。具体的には、温度Ｔiにおいて固相で開始した場合、ＰＣＭの温度はまず熱入力量ｈに従って近似的に線形に上昇する。温度が融解温度Ｔmに達すると、温度は融解熱または溶融熱Δｈｍが吸収され、ＰＣＭがすべて液体になるまでしばらく一定にとどまる。その後、液体ＰＣＭの温度は再び熱入力量ｈに従って線形に上昇する。勾配ｄＴ/ｄｈは液相と固相とでは異なっている。勾配ｄｔ/ｄｈは固体ＰＣＭまたは液体ＰＣＭの比熱容量に相応している。
【００１１】
熱貯蔵のためには、高い融解熱を有するＰＣＭ材料を使用するのが好ましい。そうすれば、相変化によって、すなわちＰＣＭが固体から液体、液体から固体へと変化するときに、さらなるエネルギー貯蔵容量が得られる。ＰＣＭの温度がＴiからＴfまで上昇するとき、ＰＣＭに貯蔵される熱量Ｑは次の式（２）によって計算することができる。なお、ＰＣＭの融解温度ＴmはＴiとＴfの間にある。
【００１２】
2011193720.tif 000004
【００１３】
ここで、ｍはまたＰＣＭの質量であり、Ｃｐｓ（Ｔ）とＣｐｌ（Ｔ）は固体ＰＣＭと液体ＰＣＭそれぞれの比熱容量であり、ΔｈはＰＣＭの潜熱ないし融解熱である。
【００１４】
公知の熱貯蔵システムに関する１つの問題は、長期（時）にわたって風力発電地帯で生産されたエネルギーを貯蔵する場合のような大規模エネルギー貯蔵の場合、公知の熱貯蔵システムの容量では不十分であることにある。公知の熱貯蔵システムをそのような目的のために十分な容量を有するシステムにまでスケールアップするコストは比較的高いので、経済的な理由から、スケールアップされたシステムは魅力的でなくなる。さらに、スケールアップされた熱貯蔵システムでは、貯蔵されたエネルギーを回収するのが困難であり、費用対効果も良くない。
【００１５】
それゆえに、熱貯蔵能力が改善されたシステムおよび方法に対する需要が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は低いコストで熱貯蔵システムの容量を増大することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題は、エネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達システムにおいて、当該エネルギー伝達システムが相変化材料を入れる第１の容器と、外部エネルギー源に接続可能であって前記相変化材料に熱エネルギーを充填する発熱エレメントと、外部熱機関に接続可能であって前記相変化材料から熱エネルギーを抽出する熱抽出エレメントとを有するように構成し、前記発熱エレメントでは前記外部エネルギー源により供給されるエネルギーが使用され、前記外部熱機関が抽出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようにすることにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システムの主要な構成要素を示す。
【図２】本発明の第２の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システムの主要な構成要素を示す。
【図３】本発明の第３の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システムの主要な構成要素を示す。
【図４】図３のエネルギー貯蔵伝達システムの熱絶縁材に組み込まれた誘導コイルを示す。
【図５】本発明の第４の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システムに接続された蒸気発電プラントを示す。
【図６】ＰＣＭが固体から液体そしてまた固体へ、または液体から固体へと相変化を被るときに、どのくらいの熱がＰＣＭによって吸収または放出されるのかを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の第１の側面では、エネルギーの吸収、一時貯蔵および放出を行うエネルギー伝達システムが提供される。このエネルギー伝達システムは、（ａ）相変化材料を収容する第１の容器、（ｂ）外部エネルギー源に接続可能で、相変化材料に熱エネルギーを充填することのできる発熱エレメント、および（ｃ）外部熱機関に接続可能で、相変化材料から熱エネルギーを抽出することのできる熱抽出エレメントを含んでいる。なお、発熱エレメントでは外部エネルギー源から供給されるエネルギーが使用され、外部熱機関は抽出された熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
【００２０】
上記エネルギー伝達システムは、外部エネルギー源から供給されたエネルギーが相変化材料（ＰＣＭ）内に熱エネルギーの形態で一時的に貯蔵できることに基づいている。後の時点で電気エネルギーへの需要があれば、貯蔵された熱エネルギーの少なくとも幾分かが外部熱機関へ放出される。
【００２１】
上記エネルギー伝達システムによれば、余剰エネルギーを用いて、とりわけ、電気需要が低いときに例えば１つもしくは複数の風力タービンおよび／または１つもしくは複数の太陽発電プラントによって生産された余剰電気エネルギーを用いてＰＣＭに熱エネルギーを充填することで、余剰電気を熱エネルギーまたは熱として貯蔵することができる。さらに、上記エネルギー伝達システムによれば、電力生産に使用するために、貯蔵されたエネルギーを外部熱機関へ放出および伝達することができる。適切な外部熱機関としては、例えば蒸気タービンが挙げられる。ＰＣＭから外部熱機関へ熱エネルギーを供給するステップは、ＰＣＭからの熱エネルギーの供給または放出と見なすことができる。
【００２２】
熱エネルギーは単相エネルギー貯蔵プロセスでは温度変化によってしか貯蔵することができない。これは温度変化の範囲がＰＣＭの融点を含んでいないということを意味する。熱エネルギーは代替的に２相エネルギー貯蔵プロセスで貯蔵することもできる。この場合、エネルギーは１つまたは２つの上記単相エネルギー貯蔵プロセスの他にさらに潜在エネルギー貯蔵プロセスにおいても貯蔵される。これは相応する温度変化の範囲がＰＣＭの融点を含んでいるということを意味する。いずれのエネルギー貯蔵プロセスを用いるのが好ましいのかは、具体的な使用場面と、特に貯蔵目的で上記エネルギー伝達システムに入力されるエネルギー量とに依る。
【００２３】
原理的には３相エネルギー貯蔵プロセスも可能である。これは温度変化の範囲がＰＣＭの融点とＰＣＭの沸点の両方を含んでいることを意味する。
【００２４】
好ましくは、外部エネルギー源が電気エネルギーを供給し、発熱エレメントがこの電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。
【００２５】
さらに、ＰＣＭへの熱エネルギーの充填がＰＣＭの温度上昇をもたらさないことも可能である。これはエネルギー吸収が始まった時点で既にＰＣＭが相変化の起こる温度を有している場合である。この場合、充填された熱エネルギーはＰＣＭの少なくとも一部の相変化にしか使用されない。
【００２６】
機械的に安定したエネルギー伝達システムを得るためには、もちろん第１の容器はどのような熱貯蔵サイクルの最高温度におけるＰＣＭよりも高い融解温度を有する材料から作られなければならない。
【００２７】
また、熱エネルギーを効率的にＰＣＭに挿入するために、２つまたはそれより多くの発熱エレメントを使用してもよい。同じことは効率的な熱抽出についても言える。熱抽出は２つまたはそれより多くの熱抽出エレメントを用いて行ってよい。
【００２８】
本発明の１つの実施形態によれば、相変化材料は金属、特にアルミニウムを含む。その結果、有利なことにＰＣＭは比較的高い融点を持つ。具体的には、アルミニウムはおよそ６６０℃の融点と比較的高い潜熱係数を有する。したがって、アルミニウムは上記エネルギー伝達システムの材料に適している。さらに、融点の高さのおかげで、適切な容器と絶縁材料、ならびに融点付近の温度範囲内で最適に動作する発熱エレメントおよび熱抽出エレメントを実現し、余剰ポテンシャルを潜在エネルギーの貯蔵に利用することができる。
【００２９】
もちろん、上記エネルギー伝達システムのＰＣＭとして使用するのに適した他の材料も存在している。具体的には、２００〜８００℃の融点を有するＰＣＭが上記エネルギー伝達システムのＰＣＭの良い候補である。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、第１の容器は少なくと部分的に鉄合金から作られている。鉄合金を使用することで、有利には、比較的低い融点のＰＣＭを安全に入れるのに適した機械的特性が第１の容器に与えられる。上記のＰＣＭは例えば鉄よりも融点の低いアルミニウムであってよい。
【００３１】
本発明の別の実施形態によれば、発熱エレメントはインダクタを含んでいる。これは発熱エレメントが例えばコイルや少なくともコイルの一部のようなインダクタ素子であるか、このようなインダクタ素子を含んでいることを意味する。
【００３２】
誘導加熱は導電性材料を電磁誘導によって熱するプロセスである。これにより、導電性または金属性材料の内部に渦電流が発生し、材料のオーム性抵抗が材料の加熱をもたらす。ＰＣＭに熱エネルギーを入れるために誘導加熱を使用することは可用性の高い非常に効率的なプロセスである。一般に、発熱エレメントのインダクタは電気エネルギーで駆動される。
【００３３】
本発明の別の実施形態によれば、エネルギー伝達システムはさらに、（ａ）少なくとも部分的に第１の容器を包囲する第２の容器と、（ｂ）第１の容器と第２の容器の間に配置された熱絶縁材を含んでいる。
【００３４】
これにより、有利には、第１の容器ないしＰＣＭと上記エネルギー伝達システムの周囲環境との間に良好な熱絶縁が実現できる。その際、いったん貯蔵のためにＰＣＭにエネルギーが供給されると、熱絶縁材のおかげで、ＰＣＭに熱エネルギーを貯蔵する間エネルギーは徐々にしか周囲環境へ失われない。
【００３５】
本発明の別の実施形態によれば、熱絶縁材は複合セラミックス材料を含む。これにより、有利には、ＰＣＭに貯蔵された熱エネルギーは周囲環境に放出されず、絶縁材は上記エネルギー伝達システムの適切なＰＣＭの温度範囲内で使用される材料に適した材料特性を有する。
【００３６】
上記の複合セラミックス材料は例えばセラミックス材料の２つの層の間に配置される気泡セラミックス材料であってよい。なお、気泡部分のセラミックス材料は層のセラミックス材料と同じでもよいし、異なっていてもよい。
【００３７】
本発明の別の実施形態によれば、発熱エレメントの少なくとも発熱部分は物理的に相変化材料と接触している。このため、有利には、熱エネルギーをＰＣＭに挿入する前に余分な熱分配中間媒体を暖める必要がない。したがって、余分な熱分配中間媒体へのエネルギー損失を事実上防ぐことができ、発熱部分によって発生させられた熱のすべてがＰＣＭに伝達される。好ましくは、発熱エレメント全体がＰＣＭと物理的に接触している。
【００３８】
発熱部分とＰＣＭとが物理的に接触しているため、熱エネルギーをＰＣＭに挿入するに当たって、公知の信頼できる技術を用いることができる。熱エネルギーの挿入は例えば発熱抵抗器や電気抵抗ヒータを用いて行うことができる。
【００３９】
本発明の別の実施形態によれば、熱抽出エレメントの少なくとも抽出部分は物理的に相変化材料と接触している。ＰＣＭと熱抽出エレメントが直接物理的に接触しているため、有利には、放出されたエネルギーを利用のために外部熱機関へとさらに分配する手段にＰＣＭから放出された熱エネルギーを伝達するプロセスにおいて、実質的にまったく損失が生じない。
【００４０】
本発明の別の実施形態によれば、熱抽出エレメントは外部熱機関の気液ループである。なお、外部熱機関は電力生産システムの一部である。電力生産システムは蒸気タービンであってよい。蒸気タービンは発電に用いることができる。
【００４１】
熱抽出エレメントを気液ループとして実現することにより、上記エネルギー伝達システムは電力生産システムと密に結合する。これにより、放出された熱エネルギーの利用は高い利用率を持つように最適化される。さらに、放出された熱エネルギーは公知の技術で利用することもできる。
【００４２】
好ましくは、蒸気タービンの動作媒体は水である。この場合、気液ループは気水ループと呼ばれる。
【００４３】
本発明の別の実施形態によれば、電力生産システムは気水ループ内の流体の流れを制御する制御機構を含んでいる。
【００４４】
この制御機構により、ＰＣＭから放出され、ループ内を移動する流体を介して外部熱機関に伝達される熱エネルギーの量が制御できる。外部熱機関において流体は電力生産システムの駆動および／または電力生産システムの非常に高温な構成要素の冷却に使用することができる。
【００４５】
流体は特に、気水ループ内を流れる蒸気および／または液体、特に水であってよい。
【００４６】
本発明の別の実施形態によれば、外部エネルギー源により供給されるエネルギーは電気エネルギーであり、エネルギー伝達システムはさらに、外部エネルギー源により供給される電気エネルギーに関する電圧および／または電流の周波数を制御する周波数コントローラを含む。
【００４７】
つまり、上記エネルギー伝達システムは外部エネルギー源から電気エネルギーを受け取ることができる。そのため、余剰電気を熱エネルギーとして貯蔵するためにＰＣＭに熱エネルギーを充填するに当たって、需要が低いときに例えば風力タービンや太陽発電プラントによって生産された余剰電気を非常に簡単に利用することができる。さらに、発熱エレメントに印加される電気エネルギーの周波数を制御することにより、ＰＣＭの最適な加熱ないし熱エネルギー充填が達成される。
【００４８】
発熱エレメントが上で述べたインダクタを含んでいれば、つまり、発熱エレメントが誘導発熱エレメントであるならば、熱の深さおよび効果は印加される電力の周波数に依存し、熱エネルギーの最適な挿入を実現するために相応に調節が可能である。
【００４９】
本発明の別の側面では、エネルギーの吸収、一時的な貯蔵および放出を行うエネルギー伝達設備が提供される。このエネルギー伝達設備は（ａ）上で述べた通りの第１のエネルギー伝達システムと（ｂ）上で述べた通りの第２のエネルギー伝達システムを含む。第１のエネルギー伝達システムと第２のエネルギー伝達システムは互いに並列に配置される。
【００５０】
上記エネルギー伝達設備の基礎をなす考えは、上記のようなエネルギー伝達システムを２つ以上相互に接続することで、エネルギー貯蔵とエネルギー伝達の連結したシステムを提供することができるというものである。上記のエネルギー伝達システムを２つ以上連結することにより、主要なエネルギー貯蔵伝達システムを特定のタスクと要求に合わせることができる。例えば特定の主要エネルギー貯蔵伝達システムが上記エネルギー伝達システムのうちの１つを超す容量を有することが必要ならば、これらのシステムを２つ以上連結して連結された主要システムの総容量を高めることができる。
【００５１】
２つのエネルギー伝達システムを並列に配置するというのは、構造的または幾何学的に並列に配置するという意味ではなく、機能的に並列に配置するということである。つまり、２つのエネルギー伝達システムは外部エネルギー源に直接接続可能であり、また２つのエネルギー伝達システムは外部熱機関に直接接続可能である。
【００５２】
本発明の１つの実施形態によれば、（ａ）第１のエネルギー伝達システムの発熱エレメントと第２のエネルギー伝達システムの発熱エレメントは相互に接続されており、さらには外部エネルギー源に接続可能であり、および／または（ｂ）第１のエネルギー伝達システムの熱抽出エレメントと第２のエネルギー伝達システムの熱抽出エレメントは相互に接続されており、さらには外部熱機関に接続可能である。
【００５３】
発熱エレメントに関しては、個々の発熱エレメントは、例えば外部エネルギー源から供給されるエネルギーを種々の発熱エレメントに等しく分配する並列接続で、外部源に接続することができる。熱抽出エレメントに関しては、個々の熱抽出エレメントは例えば並列接続で外部源に接続することができる。
【００５４】
本発明の別の側面では、エネルギーの吸収、一時的な貯蔵および放出のための方法が提供される。この方法は、（ａ）発熱エレメントによって相変化材料に熱エネルギーを充填し、（ｂ）熱エネルギーを相変化材料の中に一時的に貯蔵し、（ｃ）外部熱機関に接続された熱抽出エレメントによって相変化材料から熱エネルギーを抽出し、（ｄ）抽出された熱エネルギーを外部熱機関に伝達し、（ｅ）伝達された熱エネルギーを外部熱機関によって電気エネルギーに変換することから成る。なお、相変化材料は第１の容器の中に入っており、発熱エレメントは外部エネルギー源に接続されており、外部エネルギー源からエネルギーを受け取る。
【００５５】
また上記の方法は、余剰エネルギーはある一定の時間にわたって貯蔵することができ、エネルギー需要がより高いときに取り出して伝達し、変換することができるという考えに基づいている。言い換えれば、ＰＣＭを加熱するまたはＰＣＭに熱エネルギーを充填するステップ（ａ）と、ＰＣＭから熱エネルギーを抽出するステップ（ｂ）は、異なる時点に実行されるということである。
【００５６】
さらに、上記の方法はＰＣＭの部分的な相変化しか起きないという条件のもとでも実行することができる。部分的な相変化とは、ＰＣＭに熱エネルギーを充填したときおよび／またはＰＣＭを加熱したときにＰＣＭが完全には融解しないということを意味している。したがって、ＰＣＭからエネルギーを抽出する際、ＰＣＭ全体が固化しているわけではない。
【００５７】
ＰＣＭから抽出された熱エネルギーはさらに住居および／または工場の暖房および冷房のような単純な直接加熱プロセスに使用してもよい。
【００５８】
これまで種々の課題に関連して本発明の実施形態を説明してきた。特に、いくつかの実施形態については装置に関する請求項を参照して説明したが、他の実施形態については方法に関する請求項を参照して説明した。しかし、当業者であれば、以上の記載と以下の記載とから、特に断りがなければ、１つの課題に属する特徴の任意の組合せに加えて、異なる課題に関連する特徴の任意の組合せも、特に装置に関する請求項に記載の特徴と方法に関する請求項に記載の特徴の任意の組合せも、本明細書に開示されているものと見なせることが分かるはずである。
【００５９】
本発明の上で述べた側面および更に別の側面は以下に示す実施例から明らかであり、これら実施例を参照して説明される。以下では実施例を参照して本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【実施例】
【００６０】
図示された例は概略である。複数の図において、類似または同一の構成要素には同じ参照番号を付してある。簡単のために、以前の図を参照して既に説明された同一の構成要素は後の図に含まれていても再度説明しない。
【００６１】
図１には、本発明の第１の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システム１００の主要な構成要素が示されている。ＰＣＭ１１５を入れた第１の容器１１０は第２の容器１２０によって包囲されている。２つの容器１１０，１２０は少なくとも部分的に熱絶縁材１２５により互いから絶縁されている。
【００６２】
少なくとも１つの発熱エレメント１３０が外部エネルギー１７０からエネルギーを受け取る。発熱エレメント１３０が受け取ったエネルギーはＰＣＭ１１５の加熱に使われる。ここで説明する実施形態によれば、供給されるエネルギーは電気エネルギーであり、この電気エネルギーが発熱エレメント１３０によって熱エネルギーに変換される。さらに、少なくとも１つの熱抽出エレメント１４０が外部熱機関１８０に熱エネルギーを供給する。供給されたこの熱エネルギーは電気の生産に使われる。
【００６３】
図１に示されている実施例から、発熱エレメント１３０はＰＣＭ１１５と直接物理的に接続されていることが分かる。このため、例えば、発熱エレメント１３０が伝熱ヒータ、例えば抵抗加熱エレメントの形態の伝熱ヒータである場合およびＰＣＭ１１５が適切な熱伝導性を有する材料を含むまたはこのような材料である場合に、発熱エレメント１３０からＰＣＭ１１５への効率的な熱伝達が可能である。
【００６４】
抵抗加熱エレメントには、ＡＣまたはＤＣ電圧（およびもちろん相応するＡＣまたはＤＣ電流）としてエネルギーが供給される。
【００６５】
図２には、本発明の第２の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システム２００の主要な構成要素が示されている。図２から、発熱エレメント１３０はＰＣＭ１１５と直接物理的に接続されていないことが分かる。これは、エレメント１３０が少なくとも１つの誘導加熱エレメントを含んでいる場合に、ＰＣＭ１１５に熱を伝達する効率的な方法である。この場合、エネルギーは好ましくはＡＣ電圧として発熱エレメント１３０に供給される。その際、ＡＣの周波数は電力系統の周波数としてよい。使用される周波数を適合させるために、周波数コントローラ２３５が設けられている。この周波数コントローラ２３５を用いれば、ＡＣ電圧の周波数は電力系統の周波数以外の周波数にスケーリングすることが可能である。さまざまな実施形態のために、動作中に周波数を交替させてもよい。
【００６６】
本発明のさらに別の実施形態では、発熱エレメント１３０は電力系統に直接接続されていてよい。この場合、電力系統上の余剰エネルギーをシステム２００に供給することができる。
【００６７】
発熱エレメント１３０は複数の下位エレメントに分割されていてもよい。また、発熱エレメント１３０および／または相応する下位エレメントは例えば銅からなる１つまたは複数の誘導コイルとしてよい。
【００６８】
さらには、発熱エレメント１３０が、例えば空気を通したり、冷却水のような冷却流体を当てることにより、能動的に冷却されるようにしてもよい。
【００６９】
図３には、本発明の第３の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システムの主要な構成要素が示されている。図３から分かるように、ＰＣＭ１１５から熱エネルギーを抽出するために使用される少なくとも１つの熱抽出エレメント１４０は、ＰＣＭ１１５と直接物理的に接触しないように配置することができる。
【００７０】
図４には誘導コイル４３２が示されている。この誘導コイル４３２は、例えば図３に示されているエネルギー貯蔵伝達システム３００の熱絶縁材１２５に組み込まれる。誘導コイル４３２の巻線は加熱されるＰＣＭ１１５に直接物理的に接触しておらず、耐熱材４１２によって隔てられている。
【００７１】
図５には、本発明の第４の実施形態に従ったエネルギー貯蔵伝達システム５００に接続された蒸気発電プラントが示されている。図５から分かるように、少なくとも１つの熱抽出エレメント１４０はＰＣＭ１１５に接続されており、外部熱機関にエネルギーを供給する。なお、外部熱機関は上記実施形態によれば蒸気タービン５８０である。
【００７２】
蒸気タービン５８０は電気の生産に使用される。熱抽出エレメント１４０に水が供給され、ＰＣＭ１１５により加熱される。ＰＣＭ１１５の温度が水の沸点よりも高くなると、蒸気が発生し、蒸気タービン５８０に供給される。蒸気は蒸気タービン５８０に入って膨張し、羽根を押す。これにより発電機５８２の発電機軸が回転し、電流が生成される。蒸気は蒸気タービン５８０を通過した後、復水器５８５によって水に変換される。この水は図示されていないポンプによって冷水として熱伝達エレメント１４０に戻され、上記の熱力学的サイクルが繰り返される。
【００７３】
発生した電流ないし発生した電力は電力系統５９０に供給される。
【００７４】
上記において説明した本発明の実施形態を要約すると、以下のようになる：本明細書中に開示されているシステムおよび方法は、外部源からのエネルギーを相変化材料（ＰＣＭ）に貯蔵し、貯蔵されたエネルギーの少なくとも一部を外部熱機関に放出することに関している。ＰＣＭの温度変化の範囲がＰＣＭの融点を含んでいない顕在エネルギー貯蔵プロセスの場合、エネルギーは温度変化によってしか貯蔵することができない。代替的および／または付加的に、ＰＣＭの温度変化の範囲がＰＣＭの融点を含んでいる潜在エネルギー貯蔵プロセスでエネルギーを貯蔵してもよい。いずれのエネルギー貯蔵プロセスを用いるのが好ましいのかは、貯蔵目的でシステムに入力されるエネルギー量に依る。いったん貯蔵のためにＰＣＭにエネルギーを供給した後は、ＰＣＭを少なくとも部分的に包囲している熱絶縁材のおかげで、貯蔵期間中、限られたエネルギーしか周囲環境に放出されない。ＰＣＭは融解熱の高い物質であるため、ＰＣＭが相変化したときに吸収または放出される熱を利用してエネルギーを貯蔵および放出することができる。一般に、エネルギー貯蔵は固体固体間、固体液体間、固体気体間および液体気体間の相変化のいずれかを通して達成される。しかし実際には、固体から液体および液体から固体への変化が現在は好まれている。エネルギー貯蔵プロセス中、ＰＣＭは初め顕熱貯蔵材として振る舞う、つまり、ＰＣＭの温度は熱を吸収するにつれて上昇する。温度がＰＣＭの融点に達すると、ＰＣＭは完全に液体になるまで実質的に一定の温度で大量の熱を吸収する。エネルギーの放出はＰＣＭが固化する逆プロセスによって為される。ＰＣＭとしてどの材料を使用するのが好ましいかは、具体的なタスクと材料の特性、例えば（ａ）融点が所望の動作範囲内にあること、（ｂ）融解潜熱が高いこと、（ｃ）伝導性が高いこと、（ｄ）相転移の際の体積変化速度、（ｅ）化学的安定性および／または（ｆ）価格に依る。ＰＣＭは有機でも無機でもよい。本発明の様々な実施形態において、ＰＣＭはシリコン（Ｓｉ）または好ましくはアルミニウム（Ａｌ）である。
【００７５】
本明細書中、"〜を含む"なる語はそれ以外の要素を有することを排除せず、"１つの"なる語は当該の要素が複数個設けられることを排除しない。異なる実施形態に関して説明した要素を組み合わせてもよい。また、請求項中の参照記号は特許請求の範囲を限定するものではないことに留意すべきである。
【符号の説明】
【００７６】
１００，２００，３００，５００  エネルギー伝達システム
１１０  第１の容器
１１５  相変化材料
１２０  第２の容器
１２５  熱絶縁材
１３０  発熱エレメント
１４０  熱抽出エレメント
１７０  外部エネルギー源
１８０  外部熱機関
２３５  周波数コントローラ
４１２  耐熱材
４３２  誘導コイル
５８０  蒸気タービン
５８２  発電機
５８５  復水器
５９０  電力系統
【図１】
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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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