(57)【要約】【課題】発生させた熱を長時間あるいは長期間に亘って蓄えることができ、電力需要変動に対応可能な発電システムを提供する。【解決手段】発電システムは、発熱手段10と、熱伝達手段20と、蓄熱手段30と、熱回収手段40と、発電手段50とを備える。発熱手段10は、熱を発生させ、熱媒体を加熱する。熱伝達手段20は、発熱手段10により加熱した熱媒体の熱を地中に伝達する。蓄熱手段30は、熱伝達手段20により伝達した熱を地中に蓄える。熱回収手段40は、蓄熱手段30に蓄えた熱を取り出して回収する。発電手段50は、熱回収手段40により回収した熱で発電する。発熱手段10は、風力発電機で発電した電気でヒータを発熱させ熱媒体を加熱する。蓄熱手段30は、地中31自体を利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生させ、熱媒体を加熱する発熱手段と、
前記発熱手段により加熱した前記熱媒体の熱を地中に伝達する熱伝達手段と、
前記熱伝達手段により伝達した熱を地中に蓄える蓄熱手段と、
前記蓄熱手段に蓄えた熱を取り出して回収する熱回収手段と、
前記熱回収手段により回収した熱で発電する発電手段と、を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記蓄熱手段は、地中自体を利用することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記蓄熱手段は、
前記地中に形成された地中空間と、
前記地中空間内に充填された蓄熱材と、を備え、
前記熱伝達手段により伝達した熱を前記蓄熱材に蓄えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項４】
前記発熱手段は、再生可能エネルギーを利用して熱を発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発生させた熱を地中に蓄え、この蓄えた熱を取り出して発電する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、原子力発電システムが基幹電源として利用されている。また近年、CO2削減、新エネルギー資源の有効利用といった観点から、太陽熱、風力、地熱などの自然エネルギー（再生可能エネルギー）を利用した発電システムが注目されている。
【０００３】
例えば非特許文献１には、太陽熱発電に関する技術が記載されている。太陽熱発電は、太陽熱を集光して熱エネルギーに変え、その熱エネルギーで蒸気を発生させ、タービンを回転させることで、発電機を駆動して発電するものである。つまり、太陽エネルギーを熱エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出す。太陽熱発電システムとしては、例えばタワー方式のものが実用化されている。これは、タワー（塔）の上部に設置された集熱器に太陽光を集光し、その熱で発生させた蒸気をタワーの下部に設けられたタービンに送り、タービンを回転させることで、発電機を駆動して発電する方式である（非特許文献１の図３参照）。
【０００４】
また、太陽熱発電では、天候や時間によって発電出力（発電量）が変動することから、安定した発電を行うために、熱を蓄熱器に蓄えると同時に、蓄熱器から発電に必要な熱を取り出すことができる蓄熱システムを太陽熱発電システムに設置することが行われている。
【０００５】
次に、例えば非特許文献２〜４には、風力発電に関する技術が記載されている。風力発電は、風で風車を回転させ、発電機を駆動して発電するものである。つまり、風のエネルギーを回転エネルギーに変換して、電気エネルギーとして取り出す。風力発電システムは、塔の上部にナセルを設置し、このナセルに水平軸風車（風の方向に対して回転軸がほぼ平行な風車）を取り付けた構造が一般的である。ナセルには、風車の軸の回転数を増速して出力する増速機と、増速機の出力によって駆動される発電機とが格納されている。増速機は、風車の回転数を発電機の回転数まで高める（例えば1：100）ものであり、ギアボックスが組み込まれている。
【０００６】
最近では、増速機を必要としないギアレスの可変速式もある。風力発電システムの故障原因の多くは、増速機、より具体的にはギアボックスのトラブルによるものである。ギアレスの場合、増速機を使用しないのでギアボックスのトラブルを回避することが可能であるが、発電機を多極式とする必要があり、増速機を使用する場合と比較して、発電機が大型・重量化するデメリットがある。
【０００７】
また、風力発電の場合も、風力の変動に伴い出力が変動するため、風力発電システムに蓄電システムを併設し、不安定な電力を蓄電池に蓄えて、出力を平滑化することが行われている。
【０００８】
その他、例えば非特許文献５には、地熱発電に関する技術が記載されている。地熱発電は、地中深部のマグマによる熱エネルギーを蒸気という形で取り出し、その蒸気でタービンを回転させることで、発電機を駆動して発電するものである。しかし、地熱資源の有望な地域は火山地帯であり、日本では国立公園に指定されているなど、地熱発電所を新たに建設することが難しい問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“太陽熱発電システム（01‐05‐01‐02）”、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年1月31日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/>
【非特許文献２】“風力発電（01‐05‐01‐05）”、［online］、原子力百科辞典ATOMICA、[平成22年1月31日検索]、インターネット<URL：http://www.rist.or.jp/atomica/>
【非特許文献３】“2000kW大型風力発電システム  SUBARU80/2.0  PROTOTYPE”、［online］、富士重工業株式会社、[平成22年1月31日検索]、インターネット<URL：http://www.subaru-windturbine.jp/home/index.html>
【非特許文献４】“風力講座”、［online］、三菱重工業株式会社、[平成22年1月31日検索]、インターネット<URL：http://www.mhi.co.jp/products/expand/wind_kouza_0101.html>
【非特許文献５】“地熱発電とは？”、［online］、北海道電力株式会社、[平成22年1月31日検索]、インターネット<URL：http://www.hepco.co.jp/ato_env_ene/energy/fire_power/about_geo.html>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
近年、冷房機器の普及などに伴い、昼夜間、季節間での電力需要の格差が大きな問題となっている。しかし、従来の発電システムでは、昼夜間や季節間の電力需要変動に対し、効率性、費用対効果などの観点から、有効な対応策が見出されていない。
【００１１】
例えば風力発電システムの場合、蓄電システムが設置されているが、蓄電システムには電力を蓄電池に蓄えるためにコンバータなどの部品が必要であるため、システムの複雑化、電力損失の増大を招く。特に、季節間の電力需要変動を賄う規模の蓄電システムは、大量の蓄電池が必要であるため、システム全体としてのコスト増大を招く。
【００１２】
一方、太陽熱発電システムでは蓄熱システムが設置されているが、蓄熱システムは蓄電システムに比べて簡易であり、蓄熱器も蓄電池に比べれば安価である。しかし、季節間の電力需要変動を賄おうとすると、蓄電システム同様、その分大量の蓄熱器が必要であり、大量の材料と広い設置スペースが必要となる。つまり、発電システムの設置面積の大部分を蓄熱システム（蓄熱器）が占有することになる。
【００１３】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、発生させた熱を長時間あるいは長期間に亘って蓄えることができ、電力需要変動に対応可能な発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の発電システムは、発熱手段と、熱伝達手段と、蓄熱手段と、熱回収手段と、発電手段とを備えることを特徴とする。発熱手段は、熱を発生させ、熱媒体を加熱する。熱伝達手段は、発熱手段により加熱した熱媒体の熱を地中に伝達する。蓄熱手段は、熱伝達手段により伝達した熱を地中に蓄える。熱回収手段は、蓄熱手段に蓄えた熱を取り出して回収する。発電手段は、熱回収手段により回収した熱で発電する。
【００１５】
地中は、年間を通して温度変化が少なく、断熱機能（蓄熱機能）を有する。本発明では、発熱手段により発生させた熱を、熱媒体を介して地中に伝達し、地中の蓄熱手段に蓄える。そして、蓄熱手段に蓄えた熱を取り出して回収し、その熱で発電する。そのため、地中に蓄熱することにより、発熱手段で発生させた余剰の熱を効率良く安定的に、昼夜間といった長時間あるいは季節間といった長期間に亘って蓄えることができ、その余剰熱を電力需要が大きくなる時期に取り出して発電することで、電力需要変動に対応することができる。また、地中を利用することで、設置スペースの有効活用を図ることができる。
【００１６】
本発明において、熱媒体としては、例えば、水、油、液体金属（Na、Pbなど）、溶融塩などの液体、並びに、気体が挙げられる。
【００１７】
本発明の発電システムの一形態としては、蓄熱手段は、地中自体を利用することが挙げられる。
【００１８】
この構成によれば、地中自体をそのまま利用することで、大量の蓄熱器を設置する必要がなく、大量の材料を使用する必要がない。
【００１９】
本発明の発電システムの一形態としては、蓄熱手段は、地中に形成された地中空間と、地中空間内に充填された蓄熱材とを備え、熱伝達手段により伝達した熱を蓄熱材に蓄えることが挙げられる。
【００２０】
地中自体をそのまま利用した場合、地中に浸透した雨水などの影響によって、蓄えた熱が逃げる（奪われる）ことが考えられる。そこで、蓄熱材を充填した地中空間に熱を伝達して蓄熱材に蓄熱することで、熱が奪われることを効果的に防ぐことができる。
【００２１】
地中空間としては、人工の地下空間や天然の地下空間を利用することができ、その他、岩塩採掘跡や炭鉱、銅山の廃坑跡を利用することも可能である。また、蓄熱材としては、例えば、花崗岩や玄武岩などの砕石やコンクリートなどの固体、水、油、溶融塩などの液体、並びに、空気や二酸化炭素などの気体を利用することができる。
【００２２】
本発明の発電システムの一形態としては、発熱手段は、再生可能エネルギーを利用して熱を発生させることが挙げられる。
【００２３】
この構成によれば、再生可能エネルギーを利用することで、新エネルギーの有効利用を図ることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の発電システムは、地中に蓄熱することにより、発熱手段で発生させた熱を効率良く安定的に長時間あるいは長期間に亘って蓄えることができ、電力需要変動に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施の形態１に係る発電システムの全体構成の一例を示す模式図である。
【図２】実施の形態２に係る発電システムの全体構成の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２７】
（実施の形態１）
図１に示す実施の形態１に係る発電システムは、発熱手段10と、熱伝達手段20と、蓄熱手段30と、熱回収手段40と、発電手段50とを備える。以下、この発電システムの構成を詳しく説明する。
【００２８】
発熱手段10は、再生可能エネルギーを利用して熱を発生させ、熱媒体を加熱する手段である。この例では、地上に設置された風力発電機を利用している。より詳しくは、風力発電機で発電した電気エネルギーを熱エネルギーに変換して、熱媒体を加熱する。具体的には、電気でヒータを発熱させ、その熱で熱媒体を加熱する。
【００２９】
熱伝達手段20は、発熱手段10により加熱した熱媒体の熱を地中に伝達する手段である。この例では、発熱手段10から地中に延び、熱媒体が流通する伝熱管を利用している。より詳しく説明すると、発熱手段10により加熱した熱媒体を地中側（蓄熱手段30）に送る往路部21と、熱媒体の熱を蓄熱手段30に伝達して熱交換する熱交換部22と、熱媒体を地上側（発熱手段10）に戻す復路部23とを有し、発熱手段10と蓄熱手段30との間を熱媒体が循環するように構成されている。
【００３０】
蓄熱手段30は、熱伝達手段20により伝達した熱を地中に蓄える手段である。この例では、地中31自体を利用しており、熱を地中31自体に蓄える。また、蓄熱手段30は、季節間の電力需要変動を賄う規模の蓄熱能力を有する。
【００３１】
ここで、地中31の蓄熱領域となる空間（以下、蓄熱空間と呼ぶ）を囲むように断熱層を別途設けてもよいし、別段設けなくてもよい。蓄熱手段に蓄熱できる蓄熱量は蓄熱空間の体積に比例し、蓄熱手段から熱が逃げる量（放熱量）は表面積に比例する。また、蓄熱空間を球と仮定すれば、表面積は長さ（半径）の２乗に比例し、体積は３乗に比例することから、蓄熱空間が大きくなる、即ち発電システムの規模が大きくなればなるほど、蓄熱量に対して放熱量はほぼ無視できるようになる。したがって、昼夜間といった長時間の電力需要変動に対応する小規模の発電システムであれば、熱が逃げるのを防ぐために断熱層を設けることが好ましい。一方、季節間といった長期間の電力需要変動に対応する大規模の発電システムであれば、断熱層を特段設ける必要がなく、大規模でありながら建設費用を低く抑えることができる。断熱層は、例えばコンクリートで形成することが挙げられる。コンクリートで断熱層を形成する場合は、熱伝導率の低い軽量コンクリートを利用することが好ましい。
【００３２】
熱回収手段40は、蓄熱手段30（地中31）に蓄えた熱を取り出して回収する手段である。この例では、地上の発電手段50から地中に延び、熱媒体が流通する伝熱管を利用している。より詳しく説明すると、発電手段50から熱媒体を地中側（蓄熱手段30）に送る往路部41と、蓄熱手段30に蓄えた熱を熱媒体に伝達して熱交換する熱交換部42と、熱を受け取った熱媒体を地上側（発電手段50）に戻す復路部43とを有し、発電手段50と蓄熱手段30との間を熱媒体が循環するように構成されている。つまり、熱回収手段40の伝熱管を流通する熱媒体が蓄熱手段30から熱を受け取ることで、蓄熱手段30（地中31）に蓄えた熱を取り出して回収する。熱回収手段40には、公知のヒートポンプ技術を利用することができる。
【００３３】
発電手段50は、熱回収手段40により回収した熱で発電する。より詳しく説明すると、発電手段50は、熱回収手段40により回収した熱で蒸気を発生させる蒸気発生器と、その蒸気で回転するタービンと、このタービンにより駆動される発電機とを有する。発電手段50には、公知の地熱発電技術を利用することができる。
【００３４】
発電手段50により発電した電力は、送電ケーブル60を介して需要家側に送電される。送電ケーブル60には、超電導ケーブルを利用することができる。
【００３５】
実施の形態１の発電システムによれば、地中の蓄熱手段に蓄熱することにより、発熱手段で発生させた余剰の熱を効率良く安定的に長時間あるいは長期間に亘って蓄えることができ、その余剰熱を電力需要が大きくなる時期に取り出して発電することで、電力需要変動に対応することができる。また、地中を利用することで、設置スペースの有効活用を図ることができる。さらに、蓄熱手段として地中自体をそのまま利用することで、大量の蓄熱器を設置する必要がなく、大量の材料を使用する必要がない。
【００３６】
（実施の形態２）
図２に示す実施の形態２に係る発電システムは、蓄熱手段の構成が図１に示す実施の形態１の発電システムと相違し、以下ではその相違点を中心に説明する。
【００３７】
実施の形態２の発電システムの蓄熱手段30は、地中に形成された地中空間32と、地中空間32内に充填された蓄熱材33とを備え、熱伝達手段20により伝達した熱を蓄熱材33に蓄える。この例では、地中の岩盤に地中空間32を形成し、その地中空間内に蓄熱材33を充填している。そのため、地中空間32の外側の岩盤が断熱層の役割を果たす。また、蓄熱材33には、例えば、溶融塩を利用することができる。なお、地中空間32の外側を例えば熱伝導率の低い軽量コンクリートで形成し、地中空間32の外側に断熱層を形成してもよい。
【００３８】
実施の形態２の発電システムによれば、熱伝達手段により伝達した熱を地中空間内に充填された蓄熱材に蓄熱することで、熱が奪われることを効果的に防ぐことができる。
【００３９】
（変形例１）
上記した実施の形態１、２の発電システムでは、発熱手段10に風力発電機を利用し、風力発電機で発電した電気でヒータを発熱させ熱媒体を加熱する場合を例に説明したが、発熱手段には、太陽熱を利用することができる。例えば、太陽熱を集光して熱エネルギーに変え、その熱エネルギーで熱媒体を加熱することが考えられる。この場合、太陽の熱エネルギーを直接利用しているので、風力発電機を利用した場合と比較して、効率が良い。
【００４０】
（変形例２）
上記した実施の形態１、２の発電システムでは、発熱手段10に風力発電機を利用し、風力発電機で発電した電気でヒータを発熱させ熱媒体を加熱する場合を例に説明したが、発熱手段には、力学的エネルギーを直接的に熱エネルギーに変換するエネルギー変換装置を利用することができる。例えば、風のエネルギーで風車を回転させ、その回転運動エネルギーを熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーで熱媒体を加熱することが考えられる。力学的エネルギーを熱エネルギーに変換する方式としては、例えば、誘導加熱や圧縮熱を用いることが挙げられる。エネルギー変換装置の具体例を以下に示す。
【００４１】
誘導加熱を用いる場合のエネルギー変換装置の一例としては、磁場発生部と、少なくとも一部が導電材料で形成される加熱部と、熱媒体が流通する配管とを有する構成が挙げられる。この加熱部には磁場発生部による磁束が通過し、また、配管は加熱部に設けられ、加熱部と配管とは熱的に接続されている。そして、磁場発生部と加熱部のいずれか一方が風車の回転軸に取り付けられ、風車の回転によって、磁場発生部と加熱部とが相対的に回転移動する。このエネルギー変換装置は、風車の回転によって、磁場発生部と加熱部とが相対的に回転移動し、加熱部を通過する磁束が変化することで、加熱部に誘導電流（渦電流）が発生して加熱部が誘導加熱され、加熱部から熱を受け取って配管内の熱媒体を加熱する。
【００４２】
なお、磁場発生部としては、永久磁石やコイル（電磁石）を用いることができる。コイルとしては、銅線などの常電導コイルや超電導コイルが具体的に挙げられる。また、加熱部に使用する導電材料としては、例えば、アルミニウムや銅、鉄などの金属が挙げられる。
【００４３】
圧縮熱を用いる場合のエネルギー変換装置の一例としては、シリンダとシリンダ内に収納されたピストンと、風車の回転運動をピストンの往復運動に変換する運動伝達機構とを有する構成が挙げられる。このエネルギー変換装置は、風車の回転によって、ピストンがシリンダに対して相対的に往復移動し、ピストンによる圧縮熱を熱媒体に伝達して熱媒体を加熱する。なお、ピストンは、油圧、空圧のいずれでもよい。また、回転運動を往復運動に変換する運動伝達機構としては、例えばクランク機構が挙げられる。
【００４４】
上記したエネルギー変換装置は、力学的エネルギーを直接的に熱エネルギーに変換しているので、電気エネルギーに一度変換する場合と比較して、効率が良い。また、増速機を用いなくても熱を発生させることができ、ギアボックスのトラブルを回避することが可能である。さらに、多極の発電機と比較して小型・軽量化を図ることができ、塔の上部に設置されるナセルを小型・軽量化することが可能である。
【００４５】
（変形例３）
上記した実施の形態１、２及び変形例１、２の発電システムでは、エネルギー源に再生可能エネルギーを利用する場合を例に説明したが、エネルギー源には、原子力を利用することができる。原子力発電システムでは、電力需要に応じて出力を変動させることはせず、基本的に一定の出力で運転している。そこで、電力需要の少ない夜間に、原子炉で発生させた余剰の熱を、熱伝達手段により地中に伝達し、地中の蓄熱手段に蓄える。そして、昼間の電力需要が増える時間帯には、従来通り、原子炉で発生させた熱で蒸気を発生させ、その蒸気でタービン発電機を回転させて発電すると共に、さらに、蓄熱手段に夜間蓄えた熱を熱回収手段により取り出して回収し、その回収した熱で発電手段により発電する。これにより、原子力発電システムの利用率を向上させることができ、また、電力需要変動に対応することができる。
【００４６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の発電システムは、昼夜間や季節間の電力需要変動に対応することができ、例えば再生可能エネルギーを利用した発電の分野に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００４８】
10  発熱手段
20  熱伝達手段
21  往路部    22  熱交換部    23  復路部
30  蓄熱手段
31  地中    32  地中空間    33  蓄熱材
40  熱回収手段
41  往路部    42  熱交換部    43  復路部
50  発電手段
60  送電ケーブル
【図１】
2011169171.tif 000003
【図２】
2011169171.tif 000004