(57)【要約】  熱エネルギーを高温で黒鉛本体に貯蔵する方法及び装置を開示する。この方法は、熱エネルギーを貯蔵することが必要な場合に、黒鉛本体の内部領域を加熱する工程と、エネルギーを使用することが必要な場合に、熱交換器によって熱を回収する工程とを備える。この装置は、再生可能エネルギー及びオフピーク供給期間に獲得可能な電気エネルギーの貯蔵に適している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵し、前記黒鉛本体から前記熱エネルギーを回収する方法であって、
前記熱エネルギーを貯蔵することが必要な場合に、前記黒鉛本体の内部領域を加熱する工程と、
前記貯蔵された熱エネルギーの回収が必要な場合に、前記貯蔵された熱エネルギーを回収する工程とを備え、
更に、前記加熱する工程が、前記黒鉛本体の温度を上昇させるために、前記黒鉛本体の内部領域に配置された抵抗を通して電流を流す工程を備え、また、前記抵抗が、前記黒鉛本体から電気的に絶縁されている、方法。
【請求項２】
前記黒鉛本体を周囲から断熱する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵し、前記黒鉛本体から前記熱エネルギーを回収する装置であって、
前記黒鉛本体の内部領域を加熱する抵抗と、
貯蔵された熱エネルギーの回収が必要な場合に、前記黒鉛本体から、貯蔵された熱エネルギーを回収する手段とを備え、
前記抵抗が、前記黒鉛本体から電気的に絶縁されている、装置。
【請求項４】
再生可能エネルギー源から回収された電力とオフピーク電力とから選択された電源に接続された電気回路を備える、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記黒鉛本体を、非酸化ガスの雰囲気中に又は真空中に収容する容器を更に備える、請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記抵抗を前記黒鉛本体内に配置する孔又はウェルを有する、請求項３から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
熱エネルギーを貯蔵し、前記貯蔵された熱エネルギーから電力を発生する方法であって、
請求項１又は２に記載の熱エネルギーを貯蔵する工程と、
前記回収された熱エネルギーを電力に変換する工程とを備える、方法。
【請求項８】
請求項３から６のいずれか１項に記載の、熱エネルギーを貯蔵する装置と、
前記回収された熱エネルギーを電力に変換する手段とを備える、
蓄熱及び発電プラント。
【請求項９】
温度補償された蓄熱及び回収システムであって、
高温で熱エネルギーを貯蔵する第１の黒鉛本体と、
前記第１の黒鉛本体から熱エネルギーを回収するために、前記第１の黒鉛本体と熱交換関係にある第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器を介して作動流体源から、作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に前記作動流体を導くために、前記第１の熱交換器に作用上接続された第１の作動流体回路と、
高温で熱エネルギーを貯蔵する第２の黒鉛本体と、
前記第２の黒鉛本体と熱交換関係にある第２の熱交換器であって、前記第１と第２の黒鉛本体の温度降下を補償するために、前記第１と第２の熱交換器の組合わせ熱交換面積を増加することができる第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器を介して作動流体源から、前記作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる前記装置に前記作動流体を導くために、前記第２の熱交換器に作用上接続された第２の作動流体回路であって、前記第２の作動流体回路が開閉用の制御弁を備える、第２の作動流体回路と、
熱伝達用の、増加した組合わせ熱交換面積を使用して、作動流体又は前記作動流体よりも大きな流量が、前記第２の作動流体回路を介して前記第２の熱交換器に流れるようにすることによって、前記第１の黒鉛本体の温度低下の結果減少した前記第１の黒鉛本体から回収される熱の減少を補償する、制御システムとを備える、
温度補償された蓄熱及び回収システム。
【請求項１０】
熱エネルギー貯蔵媒体から熱を回収する場合に、前記熱エネルギー貯蔵媒体の温度低下を補償する方法であって、
第１の黒鉛本体に高温で熱エネルギーを貯蔵する工程と、
前記第１の黒鉛本体と熱交換関係にある第１の熱交換器で、作動流体を加熱することによって、前記第１の黒鉛本体から熱エネルギーを回収する工程と、
第１の作動流体回路において、前記作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に、前記作動流体を導く工程と、
第２の黒鉛本体に高温で熱エネルギーを貯蔵する工程と、
前記第２の黒鉛本体と熱交換関係にある第２の熱交換器で、作動流体を加熱することによって、前記第２の黒鉛本体から熱エネルギーを回収する工程と、
第２の作動流体回路において、前記作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に、前記作動流体を導く工程と、
作動流体又は前記作動流体よりも大きな流量が前記第２の熱交換器で加熱されるようにし、前記第１の黒鉛本体の温度低下の結果減少した前記第１の黒鉛本体から回収される熱エネルギーの減少を補償する工程であって、前記第１と第２の黒鉛本体の温度低下を補償するために、前記第１と第２の熱交換器の組合わせ熱交換表面積が利用され、前記作動流体に対する一定の熱エネルギー伝達を維持する工程とを備える、方法。
【請求項１１】
第１の黒鉛本体と、少なくとも１つの更なる黒鉛本体とを備え、前記第１の黒鉛本体が、前記更なる黒鉛本体各々から断熱される、請求項３から６又は請求項９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記黒鉛本体が、中心部の高温心材と、前記中心部の高温心材を囲む少なくとも１つの層とに分割される、請求項３から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の黒鉛本体が、中心部の高温黒鉛心材であり、また、前記第２の黒鉛本体が、前記黒鉛心材を囲む黒鉛の層である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記心材と、前記心材を囲む前記各層との間に断熱材を備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記抵抗が、１対の電気接点を通して電気供給部に接続され、前記電気接点が同一の材料でできている、請求項３から６又は請求項１１から１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記黒鉛本体が、複数の部品又は部分に分割される、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
高温で熱エネルギーを複数の黒鉛本体に貯蔵し、前記複数の黒鉛本体から前記熱エネルギーを回収する方法であって、
前記熱エネルギーを貯蔵することが必要な場合に、前記黒鉛本体の組立体の内部領域を加熱する工程と、
前記熱エネルギーの回収が必要な場合に、前記黒鉛本体の組立体から前記熱エネルギーを回収する工程とを備え、
抵抗を通して電流を流すことにより加熱される前記抵抗によって、前記熱エネルギーが前記黒鉛本体の少なくとも１つの内部領域に貯蔵され、また前記抵抗が、前記黒鉛本体から電気的に絶縁される、方法。
【請求項１８】
前記抵抗が、前記抵抗を収容するセラミックスチューブによって前記黒鉛本体から電気的に絶縁される、請求項３から６、８、９又は請求項１１から１５のいずれか１項に記載の装置、プラント、又はシステム。
【請求項１９】
前記黒鉛本体から、貯蔵された熱エネルギーを回収する手段が、
水を蒸発させて蒸気を発生する熱交換器と、
蒸気によって駆動されるタービンと、
前記タービンによって駆動される発電機とを備える、
請求項３から６、１２、１４、１６、又は１８のいずれか１項に記載の装置、プラント、又はシステム。
【請求項２０】
前記作動流体が、使用中に蒸発させられて蒸気を発生する水であり、前記システムが、蒸気によって駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機とを更に備える、請求項９、１１、１５、又は１８のいずれか１項に記載の温度補償された蓄熱及び回収システム。
【請求項２１】
前記各熱交換器が、熱交換器チューブの列を備え、前記各黒鉛本体が１対の要素に分割され、熱交換器チューブの前記列が、前記要素の対に隣接する表面間に密着するように、前記要素の対の間に固定される、請求項９、１９、又は２０のいずれか１項に記載の装置、プラント、又はシステム。
【請求項２２】
蓄熱及び発電プラントであって、
高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵し、前記黒鉛本体から前記熱エネルギーを回収する装置であって、前記黒鉛本体の内部領域を加熱する抵抗を備える装置と、
貯蔵された熱エネルギーの回収が必要な場合に、前記黒鉛本体から、貯蔵された熱エネルギーを回収する手段とを備え、
更に、前記手段が、水を蒸発させて蒸気を発生する熱交換器と、蒸気によって駆動されるタービンと、前記タービンによって駆動される発電機とを備える、
蓄熱及び発電プラント。
【請求項２３】
蓄熱及び回収システムであって、
高温で熱エネルギーを貯蔵するための黒鉛本体を備え、前記黒鉛本体が、少なくとも１対の要素に分割され、前記少なくとも１対の要素が、その間に空洞を形成し、前記黒鉛本体の各要素が、その内部領域を加熱する抵抗を有し、
更に、貯蔵された熱エネルギーの回収が必要な場合に、前記黒鉛本体から貯蔵された熱エネルギーを回収する、熱交換器を備え、前記熱交換器が前記１対の要素の間の空洞に収容され、作動中に前記空洞の内表面と密着するチューブを有する、
蓄熱及び回収システム。
【請求項２４】
前記抵抗が、前記黒鉛本体から電気的に絶縁される、請求項２３に記載の蓄熱及び回収システム。
【請求項２５】
前記熱交換器が、前記要素の間に固定される、請求項２３に記載の蓄熱及び回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、後で使用するエネルギーの貯蔵に関する。特に、本発明は、熱エネルギーを黒鉛の本体に貯蔵する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーは、広範な目的に利用することができるエネルギーの一形態である。多くのプロセスが、稼動を、熱エネルギーの利用に依存している。しかし、容易に熱エネルギーを利用できるかどうかは、熱エネルギーが利用できる温度（又は「温度レベル」）に依存する。出願人は、熱を低温レベルからより高い温度レベルに「移動する」又は「引き上げる」ように設計されたヒートポンプのような装置をよく知っている。しかし、それらの装置の用途は限定されている。その上、高温では、熱レベルを引き上げるためにヒートポンプを利用することができない。
【０００３】
熱エネルギーに本来備わっている不便さの１つは、熱エネルギーがより温度の低い物体に伝達される性質があるため、長期間の貯蔵が容易でないことである。この性質は、特に、高温の熱に顕著である。従って、貯蔵すべき熱の温度が高ければ高いほど、低い温度の物体に伝達されることによって熱が失われる傾向が大きくなる。
【０００４】
この不便さは、熱が貯蔵される容器又は物体から熱が容易に失われないようにすることによって、おおむね解消又は改善することができる。
【０００５】
熱伝達は、伝導、対流、又は放射によって行うことができる。伝導による熱損失は、断熱材料の使用によって減殺でき、対流による容器からの熱損失は、容器と、容器周りを囲うものとの間に設けられた空間（例えば魔法瓶）を真空にすることによって減殺でき、また、放射による熱損失は、放射率が低い表面を有する材料の使用によって減殺できることが、良く知られている。
【０００６】
熱エネルギーと比較して、電気エネルギーは大規模での貯蔵に適していない。バッテリーのような、現在利用できる、化学エネルギーの形態で電気エネルギーを貯蔵する技術は、サイズが非常に制限され、寿命が短い。フライホイール、スーパーコンデンサー、及び燃料電池のような他の技術もまた、小規模に開発されているだけである。これらは全て、蓄熱システムよりもはるかに低いエネルギー密度、及びはるかに高いコストで特徴付けられる。
【０００７】
大規模な商業的電力生産者が直面する問題は、発電プラントが需要のピークに合うように十分な容量を有さなければならないので、平均需要をかなり超える発電容量の設置が必要であることである。例えば、オーストラリアでは、普通１日に２回ピークがあり、１回は朝、もう１回は夕方に生じる。通常は、ピークとオフピークとの差は、平均需要の約１２５％と約７５％との間でそれぞれ変動する。即ち、例えば、オーストラリアのニューサウスウェルズでは、もし１日の平均電力消費量が約７５００ＭＷならば、通常の変動は、オフピークが約６０００ＭＷでピークが約１２０００ＭＷである。普通、ピークの大きさは天候に関係する。従って、非常に暑い天気及び非常に寒い天気は、高い電力消費を生じる。他のいくつかの国々では、特に北半球では、ピークとオフピークとの間の変動はもっと大きい。
【０００８】
世界的に、特定の国又は地域の電力ピークと平均との間の変動は、例えば、その国又は地域の家庭が電気に接続されている程度、その国又は地域の１人当りの電力消費量、電力コスト、工業、鉱業、農業、及び個人家庭等によって消費される電力の相対的な比率、のような要因の巾に依存する。ピーク時の電力の使用を抑制し、オフピーク時の電力消費を促進するために、事業者はしばしば、ピーク時に供給される電力に割増料金を課す。更に、或は、時には最大需要料金が徴収され、このような料金は、ピーク需要期間を賄うのに十分な発電容量を生み出す施設の必要性に関連している。
【０００９】
電気エネルギーを大規模に貯蔵する既存の技術には、例えば揚水式水力発電設備及び圧縮空気システム等の技術がある。これらの技術は、地理的な特徴が許す場所にしか据え付けることができないので、ピーク時とオフピーク時との間の電力供給を円滑化できる規模に限定される。
【００１０】
電気エネルギーはこのように容易に貯蔵することができないので、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、後で利用できる時まで熱エネルギーの形態で貯蔵する、実行可能なシステムが必要である。
【００１１】
また、オフピーク時と次のピーク時との間の比較的短い期間、熱エネルギーを貯蔵する必要性も存在する。
【００１２】
再生可能エネルギー源からエネルギーを回収する技術はいくつもあるが、これらの技術は、再生可能エネルギー源が利用できる時に、回収されたエネルギーの多くが使用できず、一方、エネルギーが必要な時に、再生可能エネルギー源が利用できないという不都合を蒙ることがしばしばある。このように、エネルギーが利用できる時間とエネルギーが必要とされる時間が異なるため、これらの再生可能エネルギーは、容易に既存の電力系統に統合できない。この範疇に含まれる技術には、太陽、風、及び波のエネルギーを、熱又は電気の形態で回収することに使用される技術を含む。
【００１３】
従って、エネルギー源が利用できる時間を、エネルギーの需要がある時間に再配置することによって、再生可能エネルギーを電力系統へより良く統合する必要があると同時に、再生可能エネルギーが利用できない時に使用するために、エネルギーを貯蔵することによって、間欠的なエネルギー供給を恒久的なエネルギー供給に変換する能力が必要とされる。
【００１４】
温度は、熱伝達の駆動力であるので、高温で熱エネルギーを貯蔵する方法及び装置に対する必要性も存在する。
【００１５】
特許文献１は、黒鉛製心材を有する熱エネルギー貯蔵装置を備える、電力用ターボ機械を運転する方法及び装置を記載する。黒鉛製心材は、電磁誘導によって外表面から加熱される。しかし、この貯蔵装置は、黒鉛本体よりも外表面の方が作動温度が高いため、黒鉛本体を外側から加熱する場合に本来備わっている問題である、エネルギー損失が大きいという不利益を有する。この装置の熱損失は、断熱材の使用によって熱損失を最小化しようとする試みにもかかわらず、大きい。更に、心材の外表面が耐えられる温度は、断熱材料の最大使用温度によって制限される。
【００１６】
【特許文献１】米国特許第4,089,176号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、上記の不利益の少なくとも１つを解決するか又はおおむね改善することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、前述の必要性の少なくとも１つを扱うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第１の実施例により、高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵して、黒鉛本体から熱を回収する方法であって、熱エネルギーを貯蔵することが必要とされた場合に黒鉛本体の内部領域を加熱する工程と、回収が必要とされた場合に熱エネルギーを回収する工程とを含む方法が提供される。
【００２０】
黒鉛本体の内部領域を加熱することによって、黒鉛に伝達されるエネルギーの量が増加する。この方法はまた、所定のエネルギー量の貯蔵に対して黒鉛本体の外表面の作動温度をより低くできるだけではなく、より廉価な又はより効果的な断熱材料を使用することができるので、エネルギー損失を最小にすることができるという利点を有する。
【００２１】
黒鉛本体は別個の部品、層、部分又は領域に分割でき、これらは、加熱される内部領域の周りに配置されるように、１次元、２次元、又は３次元的に配置することができる。従って、本発明はまた、使用に際して本体の組み合わせの内部領域を構成する領域の周りに配置される、２以上の黒鉛本体を表面又は端部から加熱することを考慮している。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０以上の本体、部品、部分、層、又は区分、とすることができる。
【００２２】
区分、本体、部品、部分、又は層、は相互に熱交換するように、内部領域に配置することができる。従って、隣接又は隣り合う本体は、相互に接触することができる。隣接する本体、部品、部分、層、又は区分、の間の熱伝達を改善するために、隣り合う又は隣接する本体又は部品又は区分は、当接することができる。
【００２３】
区分、本体、部品、部分又は層は、一緒になって１つの組立体になるようにすることができる。組立体は、保守の目的のために容易に分離又は再組立されるようにすることができる。黒鉛本体は、立方体、三角形プリズム、五角形プリズム、六角形プリズム、八角形プリズム、長方形ブロック又はプリズム、球、楕円、卵形、円筒、円筒形プリズム、不規則プリズム、規則的なプリズム、又は、他の適切な形状とすることができる。
【００２４】
本発明の第２の実施例により、複数の黒鉛本体に高温で熱エネルギーを貯蔵し、複数の黒鉛本体から熱エネルギーを回収する方法であって、熱エネルギーを貯蔵することが必要な場合に黒鉛本体の組立体の内部領域を加熱する工程と、回収が必要な場合に黒鉛本体の組立体から熱エネルギーを回収する工程とを備える方法が、提供される。
【００２５】
本方法は、黒鉛の温度を上昇させるために、黒鉛の本体又は組立体の内部領域に配置することができる、或は、黒鉛の本体又は組立体と熱伝達関係を有することができる抵抗を通して、電流を流す工程を含むことができる。１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０以上の抵抗を備えることができる。
【００２６】
その抵抗又は各抵抗は、オフピーク時に主幹電力システムに接続することができ、また需要がピークにあるか又はピークに接近した場合に、主幹電力システムから遮断することができる電気回路の一部を形成することができる。或は、又は更に、抵抗は、再生可能エネルギー源から電気エネルギーを回収する電力供給部によって電気エネルギーを供給することができる、電気回路に接続することができる。
【００２７】
その抵抗又は各抵抗は、１つ又は２つのコネクタによって、電気回路又は電気供給部に接続されることが好ましい。そのコネクタ又は各コネクタは、鋼又は銅のような金属で製造されることが好ましい。抵抗の劣化を避けるために、電気接点は、同一の材料で、好ましくは銅で、製造されることが好ましい。高温で電気接続部に大電流負荷をかけないように、注意しなければならない。
【００２８】
或は、又は更に、黒鉛材料の本体は、再生可能エネルギー源から回収された熱を使用して加熱することができる。
【００２９】
本発明による方法は、必要な場合に黒鉛材料の本体から熱エネルギーを回収する工程を含む。回収された熱は、熱エネルギーそれ自体として又は電気に変換するために使用することができる。熱エネルギーは、固体又は流体に伝達することによって回収することができる。
【００３０】
熱は、黒鉛材料の本体の内部に少なくとも部分的に、又は近接して、配置することができる熱交換器によって、黒鉛材料の本体から回収することができる。抵抗が黒鉛材料の本体の外側に配置される場合、同一の又は異なる熱交換器を使用して、抵抗により発生した熱を黒鉛材料の本体に伝達することができる。固体黒鉛材料の本体からの熱損失を低減するために、本発明の第１の実施例による方法はまた、黒鉛材料の本体を断熱して、黒鉛材料の本体を制御された環境に収容する工程を、含むことができる。
【００３１】
本発明の第３の実施例により、高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵する装置であって、黒鉛材料の本体の内部領域を加熱する手段を備える装置が提供される。
【００３２】
本発明の第４の実施例により、高温で熱エネルギーを複数の黒鉛材料の本体に貯蔵する装置であって、黒鉛材料の本体の組立体の内部領域を加熱する手段を備える装置が提供される。
【００３３】
黒鉛材料の本体又は組立体の内部領域を加熱する手段は、
抵抗と、
抵抗の温度を上昇させるために、抵抗を通して電流を流す手段と、
抵抗により発生される熱を黒鉛材料の本体に伝達する手段とを、備えることができる。
【００３４】
抵抗は、抵抗を通して電流を流す電気回路に接続されるようにすることができる。
電気回路は、主幹電力源に、又は再生可能エネルギーから生産される電力源に接続することができる。
【００３５】
上述のように、黒鉛本体は別個の部品、層、部分又は領域に分割することができ、これらは、加熱される内部領域の周りに配置されるように、1次元、２次元、又は３次元的に配置することができる。従って、本発明はまた、使用に際して本体の組み合わせの内部領域を構成する領域の周りに配置される、２以上の黒鉛本体を表面又は端部から加熱することを考慮している。
【００３６】
一実施例において、黒鉛材料の本体又は組立体は、心材と、心材を囲むか又は包む１以上の層、部品、部分又はブロックを備える。連続層等及び心材は、相手方から断熱されることができる。
【００３７】
心材の作動温度は、それを囲む第１の層の作動温度よりも高くすることができ、第１の層の作動温度は、次の層の作動温度よりも高くする等ができる。
【００３８】
心材の作動温度は、黒鉛本体の心材を囲む黒鉛材料の第１の層と関連して使用される、構造材料の推奨作動温度を超えることができる。
【００３９】
一実施例として、心材及び黒鉛材料の本体を囲む任意の１以上の層の作動温度は、９００℃を超えることができ、一方、外側の層の作動温度は９００℃未満に維持され、９００℃を超える温度で作動できない構造材料の使用を可能にすることができる。
【００４０】
本発明の装置及び方法の作動温度は、３００℃を超えることができる。この作動温度は、８００℃を超えることが好ましい。最大エネルギー貯蔵密度を達成するためには、１５００℃を超えることがより好ましく、２０００℃を超えることが更に好ましい。本発明の装置及び方法の作動温度は、３００℃から２４００℃、１０００℃から２４００℃、１５００℃から２４００℃、１９００℃から２４００℃、又は２４００℃から３０００℃の範囲とすることができる。
【００４１】
表１に示すように、作動温度が高ければ高いほど、多くの熱エネルギーを黒鉛に貯蔵できることが知られている。表１に含まれるデータは、図７にグラフで示されている。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
固体黒鉛材料の本体は、その熱伝導率ができるだけ高いように選択するのが有利である。材料の１０００℃での熱伝導率は、約８０Ｗ／ｍ°Ｋを超えることが好ましく、約１００Ｗ／ｍ°Ｋを超えることがより好ましく、約２００Ｗ／ｍ°Ｋを超えることが更に好ましい。材料の１０００℃での熱伝導率は、例えば、８０Ｗ／ｍ°Ｋから２５０Ｗ／ｍ°Ｋ、１００Ｗ／ｍ°Ｋから２５０Ｗ／ｍ°Ｋ、１５０Ｗ／ｍ°Ｋから２５０Ｗ／ｍ°Ｋ、又は１８０Ｗ／ｍ°Ｋから２２０Ｗ／ｍ°Ｋとすることができる。
【００４４】
３５００℃を超える黒鉛の昇華点は、本出願の装置の作動温度より高く、好都合である。
【００４５】
黒鉛の高い熱伝導率、高い昇華点、及び低い放射率は、黒鉛を蓄熱用材料として好ましいものにしている。
【００４６】
黒鉛の放射率（同一温度及び同一面積の理想黒体によって放射されるエネルギーに対する、材料本体の表面によって放射されるエネルギーの比率として定義される）は、できるだけ低く選定され、又は黒鉛の適切な精製処理によって低減されることが好ましい。黒鉛の放射率は、約０．３未満であることが好ましい。黒鉛の放射率は、０．３から０．０５、又は０．３から０．１、又は０．３から０．１５の範囲であることが好ましい。
【００４７】
燃焼の危険があるため、酸素が高温の黒鉛材料と接触することを防止することが好ましい。約３００℃を超える温度で黒鉛の表面が活性化し始め、酸素が存在すれば、酸素と反応することが知られている。そのため、本発明による装置はまた、非酸化ガスの雰囲気又は真空中に黒鉛材料を収容するようにした容器を備えることが好ましい。
【００４８】
黒鉛は合成又は天然でよい。黒鉛は、できる限り鉱物不純物が少ないものを選択することが好ましい。高純度を有する黒鉛が使用された場合、より高いエネルギー貯蔵密度が可能となるので、高純度の結晶黒鉛、例えば９５重量％から９９．９重量％の純度を有する黒鉛を使用することが好ましい。更に、低放射率は結晶黒鉛の特徴である。９０から９９重量％、普通は約９３重量％から約９８重量％、より普通には約９５重量％、９６重量％、９７重量％、９８重量％、又は９９重量％、の純度を有する黒鉛を使用すれば、優れた結果が得られる。最良の結果を得るため、黒鉛は非常に高純度、例えば、好ましい結晶である最高９９．９９重量％の純度とすることができる。
【００４９】
少なくとも１．５、普通は１．７５、好ましくは約２．１から約２．２の比重を有する高純度の黒鉛が、貯蔵媒体としての使用に適している。１．５から２．２、１．６から２．２、１．７から２．２、１．８から２．２、１．９から２．２、又は２．０から２．２の範囲の比重を有する高純度の黒鉛が使用されることが好ましい。
【００５０】
黒鉛は、固体黒鉛又は押し固めた黒鉛又は押し固めた粒状黒鉛とすることができる。単一ブロックの黒鉛を使用することができ、又は各ブロックが隣接するブロックと接触する場合にそれらと効率的な熱接触を行うことを確保しつつ、２以上のより小さなブロックを使用することができる。本実施例において、ブロックの周りに又はブロックを通して黒鉛繊維を通し、黒鉛繊維に張力を加えることによって、より小さなブロックを適切に接触保持することができる。或は、自然に生じ、商業的に採鉱される天然黒鉛を、固体材料の本体の製造に使用することができる。採鉱されたままの天然黒鉛、普通約９０重量％の黒鉛のブロックは、例えば、揮発性物質がもはや放出されなくなるまで、真空内で約２２００から３０００℃、普通約２４００℃まで加熱することができ、これにより、普通少なくとも約９５重量％の純度の黒鉛が得られ、本発明の方法及び装置に使用することができる。
【００５１】
本発明のために選択された黒鉛材料の純度は、不純物がその熱伝導率に影響を与えるので重要である。純度はまた、本発明による装置の寿命に影響を与える。黒鉛の場合、その純度は、全燃焼物に対する灰の％として表わすことができる。本発明による装置が容認できる寿命を有するためには、黒鉛は、約５重量％未満、好ましくは約４％、３％、２％、又は１．０％未満、より好ましくは約０．６％未満、特に約０．３％未満の灰含有量を有することが推奨できると考えられる。
【００５２】
更なる実施例として、黒鉛本体は、適切な炭素質材料の本体を形成し、還元又は不活性雰囲気の下で炭素質材料を加熱して、炭素質材料を黒鉛化することによって、所定の場所で製造することができる。この目的のための適切な炭素質材料には、固体又は半固体の比較的炭素含有量の高い炭素質材料が含まれる。例えば、非晶質炭素、タール、瀝青、ピッチ、アスファルト、石炭、石油コークス、及びショ糖である。炭素質材料の本体は、炭素繊維又は炭素布で補強することができる。従って、黒鉛のブロックを調製する普通の方法は、（ｉ）ピッチ又は他の結合剤と黒鉛粉末の混合物を調合する工程、（ｉｉ）混合物を加熱することによって混合物を軟化する工程、（ｉｉｉ）軟化した混合物を所望の寸法及び形状の鋳型内に充填し、鋳型成形されたブロックを焼結炉の中で１２００℃まで温度を上げて炭化する工程、（ｉｖ）鋳型成形されたブロックを、加熱、排気することができる容器に移送する工程、（ｖ）容器を５００Ｐａ以下、普通は１００から５００Ｐａの絶対圧力に排気する工程、（ｖｉ）容器の圧力を５００Ｐａ以下、普通１００から５００Ｐａに保持しつつ、２４から４８時間、ブロックを約２２００から２５００℃、普通は約２４００℃の温度に徐々に加熱して、ピッチ又は他の結合剤を黒鉛化する工程、（ｖｉｉ）ブロックを冷却する工程、（ｖｉｉｉ）空気を容器に入れる工程、及び（ｉｘ）黒鉛化したブロックを取り出す工程、を含む。
【００５３】
装置の作動温度が約５０℃を超える場合、黒鉛本体は、環境から断熱されて熱損失の量を低減することが好ましい。
【００５４】
固体黒鉛材料の本体は、球状に形成することができ、その表面からその中心に延びる孔又はウェルを備えることができる。或は、固体黒鉛材料の本体は、立方体、プリズム等のような他の都合のよい形状を有することができ、又は不規則形状を有することができる。材料コスト、製造コスト、エネルギーコスト、及び材料本体からの熱損失を最小にする必要性を考慮すると、材料本体の表面対容量比は、できる限り小さくすることが好ましいことが分かるであろう。
【００５５】
固体黒鉛材料の本体に抵抗を埋設するために、孔又はウェルを任意に設けることができる。抵抗は、孔又はウェルの内表面と抵抗との間に設けられた電気絶縁材料層によって固体黒鉛材料の本体から任意に絶縁することができ、ウェルの側壁を通って固体黒鉛材料の本体の一部を形成する周囲の材料に流れる電流全体の比率を低減し、電流の大部分が孔又はウェルの内表面の所望の領域を通って確実に流れるようにすることができる。この領域は、固体黒鉛材料の本体内の位置に、表面から遠隔に配置できると都合がよい。
【００５６】
装置は、電極を備えることができ、電極の少なくとも一部を抵抗に接続することができる。電極はまた、各孔又はウェルに埋設することができる。孔又はウェルは、高純度の粒状の炭素質材料で少なくとも部品的に充填され、電気抵抗を形成することができる。
【００５７】
各抵抗は、適切な絶縁体によって周囲の材料から絶縁することができ、適切な絶縁体は、管状とすることができ、円筒状の管とすることが好ましく、円筒状の管は、装置の作動条件に耐えることができるアルミナ又は他の誘電体セラミックスのような絶縁材料で製造されると都合がよい。
【００５８】
電源は、直流又は交流とすることができる。
【００５９】
装置は、各電極の抵抗端子で測定した電流密度が、約０．５ワット／ｍｍ2未満であるように作動することができる。粒状材料の灰含有量が低ければ低いほど、装置が耐えることができる電流密度は高くなることが知られている。約０．６重量％未満の灰含有量を有する粒状材料では、０．７ワット／ｍｍ2の電流密度の高さを達成することができる。これらの数字は、外衣、チャンバー、又は容器内の環境によって変化し得る。
【００６０】
抵抗は、電流に対する抵抗を有し、抵抗を通って流れる電流に基づいて、電気エネルギーを熱エネルギーに変換することができる。抵抗は、孔又はウェルに形成するか又は配置することができる。抵抗は、電極に電気的に接続することができ、電極は、電気回路に接続することができる。
【００６１】
抵抗は、孔又はウェルに少なくとも部分的に埋設することができ、孔又はウェルは、より高い電気抵抗又は高い電気抵抗を有する添加物質を含む炭素質材料のような、電気抵抗を高めた適切な材料を含むことができる。高い電気抵抗の添加材料は、アルミナ、ジルコニア、及び他の適切な酸化物、炭化物、又は窒化セラミックスから成るグループから選択することができる。
【００６２】
第１の電極は、抵抗と接触するか、又は抵抗内に挿入されるか、又は抵抗に埋設することができる導電性金属又は黒鉛で製造することができる。
【００６３】
第１の電極材料の抵抗率は、約２０マイクロオームメータ未満が好ましく、約１０マイクロオームメータ未満であることがより好ましく、約５マイクロオームメータ未満であることが更に好ましい。
【００６４】
装置は、材料本体に設けられ、材料本体の表面から材料本体の略中心に延びる第２のウェル又は孔を介して同様に材料本体に接続することができる、第２の電極を備えることができる。或は、第２の電極は、固体材料の本体の表面の少なくとも一部に接続することができる。このようにして、第１の電極と第２の電極との間に導かれる電流の流路は、電気抵抗が最小となるように、熱ができる限り材料本体の中心に発生されるように確保しつつ、材料本体を流れるように、選択することができる。
【００６５】
孔又はウェルに充填された炭素質材料に少なくとも部分的に電極を埋設することによって、電極と、孔又はウェル内の炭素粒子との間の電気的接触を大きく悪化させることなく、電極を孔又はウェルの中にある程度出入りさせることができる。
【００６６】
電極の長さに対する電極の直径は、電極に沿って導かれ、材料本体から逃げていく熱が、確実に最小となるようにするために重要であることが、知られている。電極の電気抵抗及び熱伝導率は、低いことが好ましく、一方、電極の機械的強度は、電極の目的を果たすのに十分であることが好ましい。電流密度は、この電極の断面積の約１Ｗ／ｍｍ2以下であることが好ましく、約０．８Ｗ／ｍｍ2以下であることがより好ましく、約０．５Ｗ／ｍｍ2以下であることが更に好ましい。
【００６７】
材料本体と電極との間の電気的接続をするために、黒鉛管を使用することができる。黒鉛管は、熱硬化性樹脂と結合された精製黒鉛で作られた接着剤によって、材料本体に取り付けることができる。
【００６８】
各電極の合計表面積は、黒鉛が使用され、かつ黒鉛の灰含有量が約０．５重量％である場合に、電極を通過した電流密度が十分高く、電極の表面積ｍｍ2当り約０．５ワットを確実に超えないようにすることが望ましい。灰含有量がより低い黒鉛が使用される場合には、より高い電流密度に耐えることができる。
【００６９】
黒鉛本体の温度が、酸化が発生する温度を超える場合には、上述のような不活性雰囲気又は排気したチャンバー又は容器が使用されることが好ましい。
【００７０】
他の実施例では、真空に耐えるようにされた容器が設けられ、固体黒鉛材料の本体が、容器に触れないように容器の内部に吊るされる。次に、材料の本体と容器との間の空間が真空にされる。望むなら、材料の本体と容器との間の空間は、非酸化ガスの充填物で充たすことができる。真空は、約５から１０ミリバールとされることが好ましい。
【００７１】
非酸化ガスは、高温で水分と炭素質材料との間で水性ガス反応が発生する可能性を低減し、炭素質材料の部分的酸化が生じないようにするために、水分を含まないことが好ましい。
【００７２】
材料本体から周囲への熱損失を低減するために、伝導、対流、及び放射、のうちの１つ以上による熱伝達を妨げるか又は制限することができる。
【００７３】
伝導及び対流による熱伝達を低減するために、固体材料の本体と容器との間を真空にすることが、有効であることが知られている。熱損失を容認できるレベルまで低減するために、材料本体と容器との間の空間に固体断熱材料を使用することと組み合わせて、排気をすることができる。断熱材料は、繊維状であることが好ましい。或は、セノスフェア、パーライト、バーミキュライト、他の断熱粒状体、多孔質材料、又は発泡材料、同様に反射層も、使用することができると有利である。
【００７４】
伝導による熱損失を低減するために、固体黒鉛材料の本体は、適切な断熱材料の１以上の層で覆うことができる。このように、装置は、固体黒鉛材料の本体を覆うか又は本体の周りに配置された断熱材料の１以上の層を備えることができ、断熱材料は、材料本体からの熱損失を阻止するようにする。断熱材は、普通鉱物又はセラミックスである。高温では、炭素又は黒鉛ベースの断熱材料が必要である。
【００７５】
より普通には、装置は、黒鉛ブロックを囲む外衣、チャンバー、又は容器を備え、また外衣、チャンバー、又は容器は、不活性雰囲気を含むか、又は内部を排気される。
【００７６】
放射による熱損失を低減するために、固体材料の本体の外表面上に、また容器の内表面上に反射面を設けることができる。このように、外衣、チャンバー、又は容器の内表面は、放射熱損失を最小にするために十分に磨かれることが好ましい。高温に耐える機械的強度、コスト、及び機能のため、外衣、チャンバー、又は容器は、金属製、好ましくは鋼製、であることが好ましい。外衣、チャンバー、又は容器が、内部を排気される場合には、黒鉛本体は、１以上の断熱スペーサによって外衣、チャンバー、又は容器から分離される。断熱スペーサは、セラミックス材料の１以上の層とすることができ、任意に、例えばモリブデン、タングステン、又はステンレス鋼合金を備えた耐火金属又は低温ではアルミニウムを備えた耐火金属、のような金属の層によって分離することができる。適切なセラミックス断熱材の例は、ベリリウム酸化物、マグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ストロンチウム酸化物、オスミウム酸化物、三酸化ランタン、三酸化イットリウム、三酸化スカンジウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、二酸化ハフニウム、五酸化タンタル、五酸化ニオブ、アルミナ、シリカ、ニッケル酸化物、及び他の無機材料、例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化タングステン、炭化ジルコニウム、アルミ窒化物、ホウ化ジルコニウム、スピネル、ムライト、苦土カンラン石、耐火粘土、ドロマイト、マグネサイト、高アルミナ磁器、高マグネシア磁器、珪線石、藍晶石、ジルコニウムシリケート、及びそれらの混合物、を含む。炭素又は黒鉛の発泡体又は繊維状のものもまた使用できる。
【００７７】
或は、断熱スペーサは、熱交換器と熱接触する１以上の黒鉛含浸セラミックス層を備えることができ、熱交換器は、黒鉛含浸セラミックスを外衣、チャンバー、又は容器から分離することができる。この構成では、熱交換器は、黒鉛本体から外衣、チャンバー、又は容器への熱損失を最小にするために十分低い温度に維持することができ、一方、黒鉛含浸セラミックスを適切に選択することにより、黒鉛本体を非常に高温に維持することができる。普通、外衣、チャンバー、又は容器内の黒鉛本体は、最高２８００℃までの温度で作動する。より普通には、黒鉛本体は、約１４００℃から約２０００℃、約１４００℃から約１９５０℃、約１４００℃から約１９００℃、約１４００℃から約１８００℃、約１４００℃から約１７００℃、約１４００℃から約１６００℃、約１４００℃から約１５００℃の最高温度で、更に、普通には、最高温度約１４００℃、１４５０℃、１５００℃、１５５０℃、１６００℃、１６５０℃、１７００℃、１７５０℃、又は１８００℃で作動する。エネルギー放出中、温度は、２００℃から３００℃に、又は２００℃から５００℃に低下する可能性がある。
【００７８】
チャンバー又は容器は、内部を排気し、次に、内部真空を保持するようにシールすることができ、又は真空を維持するための真空ポンプに接続することができる。普通、真空ポンプが接続された場合、真空ポンプは、例えば、漏れによりチャンバー又は容器内の圧力が所定の値より上に上昇する場合に、断続的にのみ作動するように配置される。チャンバー又は容器内の真空は、普通約１Ｐａ絶対圧力から約５００Ｐａ絶対圧力の範囲、より普通には約２０Ｐａ絶対圧力から約２５０Ｐａ絶対圧力の範囲、更に普通には約５０Ｐａ絶対圧力から約１００Ｐａ絶対圧力の範囲に維持される。
【００７９】
黒鉛本体と、高温空気又は他の酸化ガスとの間の直接接触は、これらのガスの温度が黒鉛本体の酸化をもたらすような場合には、回避されるべきであることが理解されるであろう。そのような酸化が発生する温度は、黒鉛の純度に依存するが、純粋でない黒鉛化炭素では２５０℃まで下がり、純粋な天然黒鉛では４００℃となる可能性がある。
【００８０】
このように、第１の実施例の方法及び第２の実施例の装置では、熱エネルギーの貯蔵用システムを提供するために、高温での黒鉛の高い熱伝導率及びその特異に高い比熱を利用することができる。
【００８１】
材料の比熱は、材料の温度の関数である。初期温度Ｔ1から最終温度Ｔ2まで本体温度を上昇させるために必要な熱エネルギーの合計Ｈは、次式のように表わすことができる。
【数１】
2007528976.tif 000004
ここで、ｃ（ｔ）は温度ｔにおける本体の比熱である。
【００８２】
Ｔ2が本体周りの周囲温度より高い場合には、熱量Ｈ又はその一部が有用な仕事を行うために利用できる。一定質量の黒鉛の温度と、その質量の黒鉛によって吸収されるエネルギー量との間の関係は、約６００℃を超える温度では、高温質量が更にエネルギーを吸収しても、特に鉄のような材料と比較して、比較的僅かな温度上昇にしかならないという関係がある。このように、比較的高い蓄熱能力が黒鉛によって示される。例えば、約１６００℃の温度では、１トンの質量の黒鉛は、２０℃で貯蔵するエネルギーよりも約３．６ＧＪ多いエネルギーを貯蔵する。比較すると、これと同じ温度の同一質量の鉄は、約１．３ＧＪ貯蔵する（この段階で鉄は溶融する）。
【００８３】
更に、黒鉛の高い熱伝導率は、一定質量の黒鉛の局所的な過熱を確実に最小化する。高純度黒鉛ブロックの小さな領域にエネルギーが加えられた場合、これによりブロック全体がほぼ均一に加熱される。黒鉛の熱伝導率はまた、黒鉛で熱伝達手段を構成することによって、さもなければ、上述のように熱伝達手段に黒鉛を利用することによって、本発明の実施例の熱伝達手段に利用することができる。
【００８４】
電源は、どのような電源でもよく、例えば主幹電力源、特に電力需要が低い時間に低価格料率での電力供給が利用できる主幹電力源でよい。電力供給者は、発電機の負荷需要を平滑にするために、同様の戦略をとることができる。
【００８５】
電源は様々であり、風、水力、波、太陽、及び潮汐エネルギーのような再生可能エネルギー源から回収される電力を含むことができ、従って、ある期間、それらの利用可能性が需要を超え、他の期間では、需要が利用可能性を超える。利用可能性過剰の期間、及び需要過剰の期間は、主幹電力源需要で経験される山と谷の場合のように、およそ例えば２０から６０分から数時間の可能性があり、太陽エネルギー発電の利用可能性の場合のように、昼から夜までのようなより長い期間の可能性があり、風及び波のエネルギーの場合のように、数日である可能性がある。豊富なエネルギーが、例えば、１シーズンの間利用可能である場合、そのシーズンから、エネルギーが必要とされる他のシーズンまで、熱の形態でエネルギーを貯蔵することが、本発明と同じ考えを使用して検討できる。このように、本発明の装置の本体に貯蔵された熱エネルギーは、熱又は電気のピーク需要時に使用することができる。
【００８６】
電極への電気的接続が、比較的低温に保たれることを確実にするために、電気接続部の周りに設けられた外衣を通って循環する水によって、電気接続部を冷却することができる。
【００８７】
使用できる適切なセラミックス断熱体の例は、以上で例示した断熱体を含む。
【００８８】
表面電流密度が約０．５から約１．０ワット／ｍｍ2を確実に超えないようにするために、追加の電極を使用することができる。オフピーク期間にエネルギーを貯蔵するために本発明による装置を使用する場合、比較的高速で装置に及び装置からエネルギーを伝達することが重要である。電力消費期間が２つある場合、例えば早朝に１つ、及び夕方に１つあり、その中間にオフピーク期間がある場合、例えば約２時間の比較的短い期間がエネルギーを貯蔵するために利用可能であり、他の比較的短い２時間の期間が、本発明による装置からエネルギーを回収するために利用可能である。この結果、１日に１つのピークしかない場合よりも、貯蔵すべき電力１キロワット時当りに使用する材料が、より多く必要となる。
【００８９】
本発明による装置の利点の１つは、本発明による装置が比較的汚染のない態様で運転できるということから考えて、装置が、電気が生産される場所よりもむしろ、電気が消費される場所に配置できることである。
【００９０】
熱エネルギーの利用は、熱エネルギーを電気に変換することによって、又は熱エネルギーをそのまま使用することによって、又は熱エネルギーを他の形態に変換することによって、行うことができる。
【００９１】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術の範囲が存在する。これらの技術は、例えば、電磁流体力学、ランキンサイクル（有機流体又は蒸気）、ブレイトンサイクル、熱イオン発電、及び熱光発電を含む。これらの技術の最も一般的なものは、交流発電機又は直流エキサイターの形態の発電機を駆動する蒸気駆動タービンを用いた発電である。この目的のため、本発明により熱が貯蔵された材料本体と接触させることができる伝熱管の中で、水を蒸発させることによって、蒸気を発生することができる。本発明の装置に関連した回収手段の効率を改善するために、本発明による装置の一部の黒鉛材料本体と接触させることができるスーパーヒートチューブの中で、蒸気を過熱することができる。加熱管及びスーパーヒートチューブは、「貫流式蒸気発生器」システムで使用されるような連続管とすることができる。
【００９２】
従って、本発明は、本発明による装置を備えて、電力消費のピーク時に任意に電力を生産するプラントと、この装置に関連しかつこの装置に貯蔵された熱を回収するようにされた伝熱管の中で、電力消費のピーク時に任意に作動流体を蒸発させる手段とに、拡張することができる。
【００９３】
この装置はまた、蒸発手段で発生された蒸気によって駆動されるタービン又はエンジンと、発電のためにタービンによって駆動される発電手段とを備える。この装置の効率的な運転のために、作動流体の状態は、ほぼ一定に維持することができる。
【００９４】
本発明の第５の実施例により、熱を貯蔵し、貯蔵された熱から電力を発生する方法であって、前述で開示した熱エネルギーを貯蔵する工程と、必要な場合に貯蔵された熱エネルギーを回収し、前記回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する工程とを含む、方法が提供される。
【００９５】
このエネルギー回収工程は、作動流体を液相から蒸気相に蒸発させる工程を含むことができる。このエネルギー回収工程はまた、蒸気相を過熱する工程を含むことができる。
【００９６】
上述のエネルギー変換工程は、作動流体の蒸気相を使用してタービンを駆動し、タービンによって駆動される発電機で発電する工程を含むことができる。
【００９７】
本発明の第６の実施例により、前述で開示した熱エネルギーを貯蔵する装置と、この装置に貯蔵された熱エネルギーを回収する手段と、前記回収された熱エネルギーを電気エネルギーに変換する手段とを備える、蓄熱発電プラントが提供される。
【００９８】
熱エネルギーを貯蔵する装置から熱エネルギーを回収する手段は、作動流体を液相から蒸気相に蒸発させる蒸発器を備えることができる。
【００９９】
前記回収熱エネルギーを電気エネルギーに変換する手段は、作動流体の蒸気相によって駆動されるタービンと、発電する発電機とを、備えることができる。
【０１００】
本発明の第７の実施例により、高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵する方法であって、熱エネルギーを貯蔵することが必要な場合に黒鉛本体の内部領域を加熱する工程と、必要な場合に、熱交換器によって熱を回収する工程とを含む、方法が提供される。
【０１０１】
本発明の第８の実施例により、高温で熱エネルギーを黒鉛本体に貯蔵する装置であって、黒鉛材料の本体の内部領域を加熱する手段と、黒鉛材料の本体の内部領域から熱を回収する手段とを備え、黒鉛材料の本体の内部領域を加熱する手段が、抵抗と、抵抗の温度を上昇させるために抵抗を通して電流を流す手段とを備え、また熱の回収手段が、熱交換流体を収容する熱交換器を備える、装置が提供される。
【０１０２】
本発明の第９の実施例により、前述で開示した熱エネルギー貯蔵装置を備える蓄熱発電プラントが提供される。
【０１０３】
本発明の第１０の実施例により、第１の黒鉛ブロックと、少なくとも１つの追加の黒鉛ブロックとを備え、第１の黒鉛ブロックが、追加の黒鉛ブロック各々から断熱される、前述で開示した蓄熱装置が提供される。
【０１０４】
本発明の第１１の実施例により、温度補償された蓄熱及び回収システムであって、
高温で熱エネルギーを貯蔵する固体黒鉛材料の第１の本体と、
固体黒鉛材料の第１の本体から熱エネルギーを回収するために、前記第１の本体と熱交換関係にある第１の熱交換器と、
作動流体源から第１の熱交換器を介して、作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に作動流体を導くために、第１の熱交換器に作用上接続された第１の作動流体回路と、
高温で熱エネルギーを貯蔵するようにされた固体黒鉛材料の第２の本体と、
固体黒鉛材料の第２の本体と熱交換関係にある第２の熱交換器であって、第１と第２の熱交換器の結合された熱交換面積が、黒鉛の第１と第２の本体の温度降下を補償するために増加することができる、第２の熱交換器と、
作動流体源から第２の熱交換器を介して、作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に作動流体を導くために、第２の熱交換器に作用上接続された第２の作動流体回路であって、開閉するための制御弁を備える、第２の作動流体回路と、
熱伝達のために、増大した結合熱交換面積を使用する第２の作動流体回路を介して第２の熱交換器に、作動流体または作動流体以上の量が送られるようにすることによって、固体黒鉛材料の第１の本体の温度低下の結果として、前記第１の本体から回収された熱の低減を補償する、制御システムとを備える、
温度補償された蓄熱及び回収システムが提供される。
【０１０５】
上述のシステムは、高温で熱エネルギーを貯蔵する固体黒鉛材料の１以上の追加の本体を任意に備えることができ、また、固体黒鉛材料の１以上の追加の本体と熱交換関係にある１以上の追加の熱交換器と、作動流体源から追加の熱交換器の１以上を介し、作動流体の熱エネルギーの一部が使用できる装置に作動流体を導くために、追加の熱交換器に作用上接続された１以上の追加の作動流体回路であって、追加の作動流体回路各々が、開閉するための制御弁を備える、１以上の追加の作動流体回路とを、備えることができる。
【０１０６】
従って、上述のシステムは、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０又はそれ以上の更なる熱交換器及び蓄熱ブロック又は蓄熱ブロックの対や組を備えることができる。各蓄熱ブロック又は蓄熱ブロックの対や組は、対応する熱交換器又は熱交換器の対や組と関連付けることができ、本発明によるシステムの構築及び／又は拡張を容易にするために、システムを、ユニット形式で製造できるモジュラーシステムとして製作されるようにすることができる。
【０１０７】
熱は、作動流体に伝達された潜熱及び／又は顕熱の形態で回収することができる。ガス又は液体蒸気の形態で伝達された熱は、タービンを駆動するために利用することができる。作動流体は水とすることができる。
【０１０８】
本発明の第１２の実施例により、蓄熱媒体から熱を回収する場合に、蓄熱媒体の温度低下を補償する方法であって、
固体黒鉛材料の第１の本体に高温で熱を貯蔵する工程と、
固体黒鉛材料の第１の本体と熱交換関係にある第１の熱交換器内の第１の作動流体を加熱することによって、前記第１の本体から熱エネルギーを回収する工程と、
第１の作動流体回路内で、作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に、第１の作動流体を導く工程と、
固体黒鉛材料の第２の本体に高温で熱を貯蔵する工程と、
固体黒鉛材料の第２の本体と熱交換関係にある第２の熱交換器で第１の作動流体を加熱することによって、固体黒鉛材料の第２の本体から熱エネルギーを回収する工程と、
第２の作動流体回路で、作動流体の熱エネルギーの一部を利用できる装置に第２の作動流体を導く工程と、
作動流体又はより大量の作動流体が、第２の熱交換器で加熱されるようにすることによって、黒鉛材料の第１の本体の温度低下の結果としてこの第１の本体から回収された熱の低減を補償する工程とを含む、方法が提供される。
【０１０９】
各熱交換器の伝熱管は、固体黒鉛材料の本体に直接接触することができ、この本体の表面に略平行の関係で配列することができる。或は、各熱交換器の伝熱管を２つの隣接するブロックの間に固定することができる。
【０１１０】
本発明の本実施例及び他の実施例における熱交換器又は例えば伝熱管のような部品が鋼製の場合、及び、熱交換器が高温で黒鉛と直接接触する場合、鋼は、高温の黒鉛から高温の鋼の表面に移動する炭素分子によって浸炭される可能性がある。
【０１１１】
鋼の浸炭を避けるために、適切な熱伝導性材料を熱交換器の伝熱管と黒鉛との間に配置することができる。
【０１１２】
８００又は９００℃までの温度では、高ニッケル合金鋼が、熱交換器の構造材料として使用できる。
【０１１３】
組立を容易にするため、また、熱交換器の検査及び保守を簡単にするために、固体黒鉛の１以上の本体は、空洞を設けることができ、この空洞は、この空洞に収容された１以上の熱交換器の取外し及び交換を可能にするために、ブロックに設けることができるか、又は、分離又は取外しができる挿入部又は部分組立体の部品又は要素との間に形成することができる。
【０１１４】
本発明による方法は、様々なエネルギー源から導かれる熱の形態のエネルギーを捕捉して、貯蔵するために使用することができる。貯蔵装置へのエネルギーの入力は、電気抵抗を有する加熱要素への電気、集光ビームの形態の太陽エネルギー、又は工業プロセスからの廃熱とすることができる。エネルギーが電気である場合、入力は、供給期間中の価格差を利用するために系統に接続された電力から、又は風力タービン又は空気動力式発電機、光電池、又は波又は潮汐流発電機のような再生可能エネルギー源から得ることができる。
【０１１５】
本発明の装置に貯蔵されたエネルギーは、熱を原動力として使用する様々な技術に利用できる。最も簡単なものは、様々なプロセス用途のために蒸気を生産するボイラーとして貯蔵装置を使用することである。電気を発生するために、熱エネルギーを使用して作動流体を加熱し、タービンと発電機又はモーターと発電機を駆動することができる。高温ガスは、ガスタービン又は燃焼モーター発電機用の駆動力として使用することができる。或は、電磁流体（ＭＨＤ）発電、熱イオン放射発電、又はスターリングエンジンによる発電、を使用できるであろう。この装置は、ガスタービン又は内燃機関による発電機用の燃料又は燃焼用空気の予熱器として使用することができる。最も簡単な商業発電を選択すると、それは上述の貯蔵装置を使用して蒸気を発生し、タービン及び発電機又はモーター及び発電機を駆動することである。
【０１１６】
作動流体
作動流体は、蒸発させて蒸気を発生できる水とすることができる。水及び蒸気の代わりとして、ある範囲の他の作動流体を使用して、熱を伝達するか、又はタービン又はモーターを駆動することができる。作動流体は、気体、液体、又は蓄熱の作動温度範囲内で溶解及び／又は蒸発する限り、室温では固体であることができる。液体の作動流体は、メタノール、エタノール又はイソプロパノールのようなアルコール、エチレンのような炭化水素、又は水銀のような金属から選択することができる。
【０１１７】
作動流体が室温で固体である場合、作動流体は、硝酸リチウムのような塩、硫黄のような非金属元素、又はビスマス、錫、又はアンチモンのような金属元素とすることができる。
【０１１８】
特定の作動流体は、その熱容量、蓄熱の作動温度範囲に関連した融点又は沸点、又は熱交換器材料に対する腐食性及び汚れ効果がないこと、に対して選択することができる。水がステンレス鋼製又は高ニッケル製のチューブ又はパイプの熱交換器に使用される場合、水は、高純度であることが好ましく、最大異物混入レベルは普通５０ｐｐｂである。
【０１１９】
ガス状の作動流体は、アンモニア、窒素、ヘリウム又はアルゴンのような不活性ガス、二酸化炭素、又はブタン又はペンタンのような炭化水素ガス、から選択することができる。
【０１２０】
蓄熱用の断熱材
黒鉛材料の本体からの熱損失を最小にするために、断熱材を使用することができる。熱伝達は、放射、対流、及び伝導、によって行われる。
【０１２１】
放射熱伝達は、熱エネルギーを心材に向けて反射して戻すことにより改善することができる。耐火金属（例えばモリブデン）、黒鉛、ステンレス鋼、又は必要な温度で使用できる他の材料、のような反射材料の層は、反射ライニングとして利用することができる。これらの反射断熱材を、多孔性、繊維状、又は緩く充填された粒状物の形態の、アルミナ、炭素、シリカ、ジルコニア、アルミノケイ酸塩、種々のアルカリケイ酸塩、スピネル、又は、より普通にはこれらの多くの組み合わせ、のような軽量多孔質材料と組み合わせることが、重用ではないが、普通行われる。これらの断熱材料は、板、ブロック、又はレンガ、又はばらばらの繊維や毛布状のフレキシブルな形態とすることができる。粒状の断熱材は、アルミナ、シリカ、アルミノケイ酸塩、アルカリケイ酸塩、アルミナ顆粒、バーミキュライト、パーライト、セノスフェア、又は他の適切な多孔質粒状物とすることができる。
【０１２２】
熱伝導は、断熱材の低い比重によって、又は多数の空隙又は滞留空気又はガスの空間を配置することによって、克服又は改善することができる。断熱層内の対流伝達は、クローズドセル断熱材によって最小にすることができる。
【０１２３】
これらの３つの熱伝達形態は、熱損失を最小にする最適断熱設計を達成するために、バランスさせなければならない。断熱材料の最終選択及びライニング厚さは、内部の必要温度と許容できる熱損失に依存する。
【０１２４】
断熱材の最大作動温度は、材料が使用される状態に依存する。酸化性又は腐食性ガスの存在は、反射断熱材の反射率を低下させ、従って断熱材の効果を低下させる。高真空での黒鉛反射材は、＋３０００℃まで効果を有することができ、これに対し、繊維状の断熱アルミノケイ酸塩耐火材は、普通、約１４００℃までに制限される。繊維状、発泡状、又は粒状の断熱材は全て、もともと表面積が大きく、従って、これらの断熱材はガス状物質による攻撃を受けやすい。
【０１２５】
繊維状アルミナは、約１６００℃まで使用でき、また発泡状炭素は、特定の用途では、約３０００℃まで使用できる。これらの材料は、外衣、チャンバー、又は容器を貫く層を形成する耐火度の低い材料との複合ライニングが普通である、高温面として使用することができる。
【０１２６】
熱交換器チューブ又はパイプ用の金属
蓄熱装置からエネルギーを熱として抽出するために使用される熱交換器は、チューブ又はパイプを備えることができる。作動流体を収容する容器が作動流体の作動温度範囲及び圧力で作動できる限り、どんな形態の金属又は非金属材料でも使用することができる。
【０１２７】
熱交換器は金属製とすることができる。使用される材料は、作動流体、蓄熱体周囲、及び大気の圧力及び温度を含む運転条件に依存する。パイプ又はチューブは、シームレス構造であることが好ましい。熱交換器の構造及び設計に使用される金属又は合金は、以下の設計要求に適合できることが好ましい。
ＡＳ１２１０−１９９７：圧力容器
ＡＳ４０４１−１９９８／Ａｍｄｔ．１−２００１：圧力配管
ＡＳ１２２８−１９９７／Ａｍｄｔ．１−１９９８：圧力設備−ボイラー
ＡＳＭＥボイラー及び圧力容器コード−２００４
ＡＳＭＥ  Ｂ３１．１−２００１：電力配管
ＤＩＮ  Ｅｎ１３４４５−２００２：火なし圧力容器
改正又は同様の関連標準も同時に適用可能。
【０１２８】
低い温度の使用端部では、３００シリーズのステンレス鋼が使用でき、３０４（ＵＮＳ＃Ｓ３０４００）、３１６（ＵＮＳ＃Ｓ３１６００）、３２１（ＵＮＳ＃Ｓ３２１００）、３４７（ＵＮＳ＃Ｓ３４７００）、３０９（ＵＮＳ＃Ｓ３０９００）、３１０（ＵＮＳ＃Ｓ３１０００）、これらの派生物及び類似の合金、を含み、これらに限定されない。他のステンレス鋼は、１５３ＭＡ（ＵＮＳ＃Ｓ３０４１５）、２３５ＭＡ（ＵＮＳ＃Ｓ３０８１５）、及び３５３ＭＡ（ＵＮＳ＃Ｓ３５３１５）、これらの派生物及び類似の合金、を含む。
【０１２９】
（合金３０４、３２１、３４７及び２５３ＭＡは、蒸気用途に最適であり、この場合、普通４００℃未満の蒸気タービンの運転温度に対して、パイプがさらされる最高温度は、５００℃となる可能性がある。）
【０１３０】
運転温度が高くなるにつれ、要求される金属は、６００及び８００シリーズのような高ニッケル合金となり、６００（ＵＮＳ＃Ｎ０６６００）、６０１（ＵＮＳ＃Ｎ０６６０１）、６０２ＣＡ（ＵＮＳ＃Ｎ０６０２５）、６２５（ＵＮＳ＃Ｎ０６６２５）、６９０（ＵＮＳ＃Ｎ０６６９０）、８００（ＵＮＳ＃Ｎ０８８００）、８２５（ＵＮＳ＃Ｎ０８８２５）、これらの派生物及び類似の合金、を含むがそれらに限定されない。また、他の高ニッケル合金系列がハステロイの合金系列にあり、それらは、Ｎ（ＵＮＳ＃１０００３）、Ｘ（ＵＮＳ＃０６００２）を含み、同様に、ヘインズ合金、例えば、ＨＲ−１２０（ＵＮＳ＃Ｎ０８１２０）、ＨＲ−１６０（ＵＮＳ＃Ｎ１２１６０）、２３０（ＵＮＳ＃Ｎ０６２３０）、５５６（ＵＮＳ＃Ｒ３０５５６）、これらの派生物及び類似の合金、がある。
【０１３１】
合金６００、８００Ｈ及びヘインズ５５６が、蒸気用途に最適であり、この場合、約５００℃の蒸気タービン運転温度に対して、パイプがさらされる可能性がある最高作動温度は、９００℃である。ここに挙げた合金は、最高使用温度が上昇する順番である。
【０１３２】
次のコード、すなわち、ＡＳＭＥ  Ｂ３１．１−２００１：発電用配管コード、及びＡＳＭＥボイラー及び圧力容器コード−２００４、は熱交換器チューブの構成材料を選択するのに適している。
【０１３３】
ボイラーチューブで許容することができる最高温度はまた、ボイラーがさらされる圧力に依存する。普通、所定の合金については、内部流体の作動圧力が増加するにつれ、最高使用温度は低下する。これらの変化を概説している表は、ＡＳＭＥ  Ｂ３１．１−２００１：発電用配管、又は関連の同等の標準に含まれている。
【０１３４】
制御フィロソフィ
雰囲気
黒鉛本体は、チャンバー又は容器に配置することができる。黒鉛が酸化から保護されるように、保護雰囲気がチャンバー又は容器内で使用される。これは、部分真空を維持することによって、及び／又は、窒素のような非燃焼ガス、又はヘリウム又はアルゴンのような不活性ガスの１つを使用することによって、達成できる。
【０１３５】
チャンバー又は容器の内部に、低圧の正圧ガスを、所望の制限値内で維持すべきである。この圧力は、約２ｂａｒＡからミリバールレベルまでの設定点を有することができる。この圧力は、設定点の値のプラス又はマイナス５０％の範囲で維持することができるが、プラス又はマイナス１％以下にまで下げることが好ましい。圧力のランプ制御は、普通、ＰＩＤコントローラー（比例積分微分フィードバック制御）を使用して達成される。
【０１３６】
チャンバー又は容器内の雰囲気は、維持すべき特定の圧力に応じて、窒素のような非可燃性ガス、又はヘリウム又はアルゴンのような不活性ガスの１つとすることができる。要求圧力が低下するにつれ、チャンバー又は容器の構造的強度を高くする必要がある。
【０１３７】
一実施例では、５から１５ミリバールの作動圧力を使用することができる。もし圧力が約１ミリバールまで下げられたとすると、電気接続部の周りのコロナ放電が問題になる。しかし、もし作動圧力が更に下げられ、約９００マイクロバールまで下げられたとすると、コロナ放電は回避することができる。
【０１３８】
圧力が雰囲気圧力より上に上昇される場合、チャンバー又は容器の構造的強度もまた高くする必要がある。蓄熱チャンバー又は容器の構造的強度要求を最小にするために、作動圧力は雰囲気圧力のすぐ上に維持することができる。雰囲気は、実際は、非可燃性であるか又は不活性であることが好ましく、酸素の進入を最小にするか又は避けるために、大気圧のすぐ上の圧力に維持することが好ましい。
【０１３９】
作動中、チャンバー又は容器内の圧力は、内部雰囲気の膨張及び収縮のために変動する。圧力制御は、外衣、チャンバー、又は容器内の圧力を監視することによって、また圧力が特定の最高設定点に達した場合に排気弁を開くことによって、又は圧力が最小圧力設定点まで低下した場合に、チャンバー又は容器への雰囲気ガス供給弁を開くことによって、達成される。
【０１４０】
圧力は、普通、２００ＰａＧから４００ＰａＧの間に維持される。
【０１４１】
蓄熱及び暖房システム
黒鉛ブロックは、その中心で加熱されることが好ましく、中心の周りの１以上の黒鉛層と、中心の周りの２以上の（層の）熱交換器モジュールブロックで加熱されることが好ましい。この層は、断熱材をはさむことができる。蓄熱層と熱交換器ブロック層との間にはさまれた断熱層のタイプ及び厚さは、蓄熱の温度、熱エネルギーの抽出速度、及び要求温度特性に依存する。
【０１４２】
上述の装置は、所望の作動温度に達するまで電力が加熱要素に加えられるように運転される。一旦この温度に達すると、要素への電力が遮断され、温度が最小設定点まで低下するまで再び接続されることはない。電力付加速度のランプ制御は、普通、ＰＩＤコントローラー（比例積分微分フィードバック制御）を使用して達成される。
【０１４３】
最高蓄熱温度は、金属製の熱交換器が安全に作動できる温度によって決定される。温度を測定するために、熱電対を備えることができる。熱電対は、最高作動温度を超えないことを確実にするために、熱交換器に隣接して配置することができる。
【０１４４】
加熱要素がある黒鉛ブロックの中心は、加熱要素と熱交換器との間の蓄熱ブロック及び熱交換器ブロックの断熱層に生じる温度勾配を利用できるので、エネルギーがブロックから取出されつつある場合に最高温度まで加熱することができる。
【０１４５】
熱交換器及び蓄熱ブロック
熱交換器に使用する材料は、作動流体、流体作動圧力、及び流体温度に依存する。普通、作動流体は水又は蒸気であるが、これが唯一の選択であると考えてはならない。クローズドサイクルタービンを駆動するために、ガス又は有機作動流体を使用することもまた、本発明によって考えられる。
【０１４６】
普通、蒸気タービンに接続された蓄熱装置の作動流体は、１０から１００ｂａｒの圧力の水又は蒸気である。この蒸気は、９００℃までの温度の蓄熱装置の一部に埋設された熱交換器から発生される。プロセス蒸気に対する通常の要求は、６から１０ｂａｒの飽和蒸気であるのが普通であるが、それに限定されない。蓄熱部からエネルギーを回収するために使用される熱交換器は、普通、金属製の貫流式蒸気発生型システム（ＯＴＳＧ）であり、使用される熱交換器チューブの数は、要求出力に適合するように変えることができる。ブロックの１つの部分で温度が低下する場合、ブロックの他の部分を使用して過熱蒸気を発生することが可能であり、除外された面積は、過熱部用の予熱器として作用することができる。このタイプのボイラーは、飽和前加熱用の第１段と、蒸気を過熱温度まで上昇させる第２段とを備えた、多段ＯＴＳＧと呼ぶことができる。これら２つの段の間には、蒸気ドラムを設けなくてよい。このようにすることによって、蓄熱部から抽出することができるエネルギー量を最大にすることができる。
【０１４７】
２以上の蓄熱ブロック及び２以上の熱交換器ブロックを備えることができる。どの熱交換器ブロックも、蒸気タービン発電機（ＳＴＧ）を運転するのに十分な熱交換器長さを有することができる。可能な場合には、特定の作動圧力の飽和温度に近い温度まで給水を予熱するために、タービン蒸気流から抽出された蒸気を使用することができる。運転時には、両方のブロックを等しい温度に加熱することが好ましいが、少なくとも１つのブロックが常により高温に維持されるように、少なくともブロックのうちの１つは、できる限り最高温度にする必要がある。
【０１４８】
ブロック温度は、飽和近傍の水の加熱又は蒸気の発生のために何本の熱交換チューブを作動させることができるか決定する。作動中の管の数は、必要とされる処理量、及び黒鉛と作動流体との温度差に常に依存する。使用されるチューブ又はパイプの数は、作動温度範囲にわたって５又は２０倍以上に変化する可能性がある。温度差が最大であるが、温度差が減少すると、熱交換面積を増加する必要がある場合、最小数のチューブ又はパイプを使用することができる。
【０１４９】
２つのブロックが異なる温度にあるので、それらは異なる圧力で作動することができる。圧力が高く、温度が低いブロックは、減圧弁を通して、温度の高いブロックに接続することができる。この減圧弁は、設定圧力がＳＴＧの要求によって制御され、第２の、温度の高い方のブロックの圧力を制御することができる。
【０１５０】
下記は、蓄熱装置を操作できる方法に関するいくつかの設計選択である。
【０１５１】
選択１
１つのブロックは、より高温のブロック用の水を予熱するための冷却器ブロックとしていつも使用できるであろう。このようにして、エネルギー抽出を最大にすることができる。この構成は、厳密に言うと、ＯＳＴＧの作動原理を破るが、最も簡単な選択であり、同時に、最も単純なフォワード制御の選択である。
【０１５２】
選択２
他の選択は、普通約１０００℃の高温に上昇させた、蓄熱材の中央心材を有することである。心材は、熱交換器を収容する外層又はブロックから心材を分離する断熱材を有することができる。装置から少なくとも最小のエネルギー回収が存在するので、熱交換器部分の温度は、自己調整していると思われる。また、より低い温度で作動することができる内部の熱交換器層の周りに、第２の層が存在することができる。熱は、最初に、外側熱交換器から、ブロックが満足のいく品質の蒸気を生産できなくなるまで回収される。次に、この外側熱交換器は、内側熱交換器用の水を予熱するために使用することができる。或は、別の蓄熱ブロックの１つを、高温の蓄熱ブロック用の予熱器として使用することができる。この設計の利点は、蓄熱部の外縁の近くのブロック表面をより低い温度とすることができ、従って、チャンバー又は容器の表面温度が低くなり、熱損失を低減することである。
【０１５３】
温度調節及び蒸気品質
質量流量は、給水流量及び給水ラインの温度を監視することによって維持される。蓄熱ボイラーへの給水及び過熱防止器の水の両方のために、１つの給水ポンプを使用することができる。合計流量は、給水制御弁によって設定することができ、一方、過熱防止器制御弁は、過熱防止器によって使用されるこの給水の比率を制御することができる。このことは、蓄熱部から品質可変の蒸気を、プロセス要求又はモーター又はタービンに対して一定の量及び品質で、供給できることを意味する。
【０１５４】
プロセス、モーター、又はタービンに必要な蒸気質量需要が決定され、次に、この設定が給水ポンプで維持される。温度調節器に行くこの水の割合は、熱交換器から出る蒸気の温度によって決定される。過熱防止器の流量は、蓄熱部からの蒸気の温度が増加する場合に増加する。熱交換器によって生産される蒸気量は、蓄熱ブロック温度を操作する熱交換器管の数に応じて変えることができる。
【０１５５】
蒸気生産
蓄熱ブロックは、蒸気生産に使用することができる。熱交換器によって生産される蒸気は、熱交換器の使用面積及び蓄熱ブロック温度に応じて変えることができる。熱交換器を出た後、蒸気は、普通飽和に近く、必要な蒸気条件に温度調節される。
【０１５６】
蒸気タービン運転
普通、高効率蒸気タービンは、約５００℃及び約６０ｂａｒの圧力で運転する。
【０１５７】
蒸気タービンによって要求される蒸気温度は、蒸気が蒸気タービンに達する前に、蓄熱装置を出る蒸気の温度調節をすることによって維持することができる。
【０１５８】
次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図を参照して一例として説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１５９】
図１を参照すると、熱エネルギーを貯蔵する装置１０の一実施例が示されている。装置１０は、０．５重量％未満の不純物を含む高純度黒鉛の本体１２を備える。装置１０は、熱を本体１２に伝達する手段１４を更に備え、手段１４は電極１６と抵抗１８とを備える。抵抗１８は、本体１２の上部表面１２．１から、表面から離れた本体１２内の位置１２．２まで延びる、孔又はウェル２０の内側に配置される。
【０１６０】
セラミックスチューブ２２は、孔又はウェル２０に嵌合する。しかし、セラミックスチューブの直径は、孔又はウェル２０の直径よりも小さく、チューブ２２の外表面と孔又はウェル２０の内表面との間に環状空間２０．１を残す。
【０１６１】
電極１６は、ステム部分１６．１と基礎部分１６．２とを備える。基礎部分１６．２は、セラミックス細粒のあるなしに係わらず抵抗１８を構成する、粒状黒鉛又は炭素の混合物の内側に埋設される。断熱材２４は、基礎部分１６．２の上部表面１６．２１と本体１２の表面１２．１との間の空間を覆う。更なる断熱材（図示せず）を、本体１２から周囲への熱損失を防止するために、本体１２の上部表面１２．１上に設けることができる。
【０１６２】
装置１０はまた、本体１２から熱を除去又は抽出する手段２６を備え、手段２６は、ウェル２０の内側で、環状空間２０．１内に部分的に配置される。手段２６は、螺旋コイル２６．２の形状のチューブ２６．１の形態である。使用時、電気エネルギーが、電極１６のステム部分１６．１を介して装置１０に導かれる。電気は、基礎部分１６．２から、セラミックス細粒のあるなしに係わらず抵抗１８を構成する、粒状黒鉛又は炭素の混合物に伝達される。抵抗１８によって、電気が抵抗１８を通って流れる場合に熱が発生する。熱は、高純度黒鉛１２の本体によって、抵抗の外へ導かれる。装置１０から熱を抽出する必要がある場合、水がチューブ２６．１を通して送られる。高純度黒鉛材料１２の本体の温度が、チューブ２６．１を通して送られる流体の温度よりも高い限り、熱が黒鉛本体１２から流体に流れる。流体は水でよく、また水が管２６．１を通る場合、蒸気に変換される可能性があり、過熱蒸気となる可能性がある。
【０１６３】
図２を参照すると、蓄熱ブロック組立体２１０の形態の、本発明による装置の他の実施例が示されている。蓄熱ブロック組立体２１０は、左側２１２．１、右側２１２．２、底部２１２．３と前後側部（図示せず）とを備えた、ボックス状の外側の鋼製ケーシング２１２を有する。蓋２１２．４が、上部を覆う。底部２１２．３は、装置２１０がフォークリフトによって容易に輸送できるように、１対のビーム２１２．５によって支持される。
【０１６４】
外側の鋼製ケーシング２１２の内側に、５つのセラミックス支持体２１４．１、２１４．２、２１４．３、２１４．４、２１４．５が、熱エネルギーを貯蔵する高純度結晶黒鉛２１６の固体ブロックを支持するために設けられる。蓄熱ブロック２１６は、一般に長方形断面である。蓄熱ブロック２１６は、５つのセラミックス支持体２１４．１、２１４．２、２１４．３、２１４．５の上部表面の上方に置かれた４つのセラミックス断熱タイル２１８．１、２１８．２、２１８．３、２１８．４によって、セラミックス支持体２１４．１、２１４．２、２１４．３、２１４．５から分離される。製造を簡便にするため、蓄熱ブロック２１６は、小さなブロック（図示せず）で構成することができ、狭い公差で仕上げられ、積層される場合に十分に密な接触状態に維持することができ、ブロック２１６に導かれ又はブロック２１６から回収される熱エネルギーを速やかに分散させることができる。使用時は、外側の鋼製ケーシング２１２及びその内容物は、外側の鋼製ケーシング２１２の内部に送られた不活性ガスによって、内圧を僅かに正圧とすることができる。
【０１６５】
蓄熱ブロック２１６の外表面と、鋼製ケーシング２１２の側部２１２．１、２１２．２、底部２１２．３及び蓋２１２．４との間に充填された層に、断熱材料２２０が備えられ、周囲に熱エネルギーが失われるのを防止するか又は少なくとも低減する。断熱材２２０が、装置の作動温度までの温度に耐えられる適切な材料の層の形態で備えられる。１３００℃までの範囲で、「カオウール（Ｋａｏｗｏｏｌ）」又は「ファイバーフラックス（Ｆｉｂｅｒｆｒａｘ）」のような材料を使用することができる。黒鉛貯蔵媒体に接近したより温度の高い領域では、１３００℃より上で、黒鉛をベースとする他の断熱材料、又は酸化物、窒化物、又は炭化物ベースのフェルト状物質を３０００℃の温度まで使用することができる。これらの材料の組み合わせは、これらの層の間の境界温度がこれらの材料の設計最高使用温度に適合するように、使用することができる。
【０１６６】
蓄熱ブロック２１６は、必要な場合には、４つの抵抗２２２、２２４、２２６及び２２８によって加熱することができる。
【０１６７】
抵抗２２２、２２４、２２６、２２８の各々は、蓄熱ブロック２１６に設けられた孔内に充填された高純度粒状炭素組成でできており、蓄熱ブロック２１６の上部表面から蓄熱ブロックの底面に延びている。蓄熱ブロック２１６の底部には、２つの電気コネクタ２３０、２３２が、抵抗２２２、２２４、及び抵抗２２６、２２８それぞれを相互接続するために備えられる。電気コネクタ２３０、２３２は、３０００℃までの温度に耐えることができる適切な熱伝道性黒鉛でできている。電気コネクタ２３０、２３２は、抵抗２２２、２２４、及び抵抗２２６、２２８の下端それぞれと電気的に接触している。炭素を含有する材料が、蓄熱ブロック２１６の孔内に充填され、抵抗２２２、２２４、２２６、２２８を形成し、各抵抗の上部表面は、それぞれ、各上部表面に着座する端子２３４、２３６、２３８、２４０によって覆われる。各端子２３４、２３６、２３８、及び２４０は、基部２３４．１、２３６．１、２３８．１、２４０．１と、基部２３４．１、２３６．１、２３８．１、２４０．１各々の中心に接続され、蓄熱ブロック２１６の上部表面と蓋２１２．４との間に備えられた断熱材２２０の中に垂直に延びる、中央端子ロッド２３４．２、２３６．２、２３８．２、２４０．２とを備える。電気導体２４２、２４４、及び２４６、２４８は、端子２３４、２３６、及び２３８、２４０の中央端子ロッド２３４．２、２３６．２、２３８．２、２４０．２に、それぞれ接続される。中央端子ロッド２３４．２、２３６．２、２３８．２、２４０．２は断熱材２２０の中に延びるので、それらの末端部は、使用時に、それらの各基部２３４．１、２３６．１、２３８．１、２４０．１よりも低い温度で作動する。
【０１６８】
蓄熱ブロック２１６の下側２１６．１は、電気絶縁パッド２５０によって電気コネクタ２３０、２３２から電気的に絶縁される。電気絶縁パッド２５０には４つの孔が設けられ、各々の孔は、抵抗２２２、２２４、２２６、及び２２８のうちの１つの底端部と対応し、抵抗２２２、２２４、２２６、及び２２８は、上述のコネクタ２３０、２３２と電気的に接触することができる。
【０１６９】
取外し可能な熱交換器組立体２５２は、必要な場合に蓄熱ブロック２１６から熱エネルギーを除去するために、蓄熱ブロック２１６の中央に備えられる。取外し可能な組立体２５２は、２つの黒鉛ブロック要素２５４、２５６を備え、これらの要素は、チューブ式熱交換器（図示せず）を収容する空洞２５８をその間に形成し、このチューブ式熱交換器のチューブは、作動中に空洞２５８の内側表面と密着する。
【０１７０】
この熱交換器は、６５０℃より上で９００℃までの温度で作動できる、高ニッケル合金チューブでできている。
【０１７１】
装置２１０を組み立てるためには、断熱材２２０が、外側の鋼製ケーシングの中に、その側面の１つ、例えば側面２１２．１から充填され、次に、セラミックス支持体２１４．１から２１４．５の挿入が行われる。断熱材はまた、隣接するセラミックス支持体２１４．１から２１４．５の間に設けられる。次に、電気絶縁体２１８．１から２１８．４、電気コネクタ２３０、２３２、及び電気絶縁パッド２５０が挿入される。その後、蓄熱ブロック２１６の構成ブロックがケーシング２１２に配置され、抵抗２２２、２２４、２２６、及び２２８が、黒鉛材料ブロックに設けられた孔に粒状炭素質材料を入れ、押し固めることによって装備される。次に、端子２３４、２３６、２３８と２４０が、抵抗２２２、２２４、２２６、及び２２８の上部表面の上に配置される。電気導体２４２、２４４、２４６、及び２４８が、中央端子ロッド２３４．２、２３６．２、２３８．２、２４０．２の末端部に接続される。電気導体２４２、２４４、２４６、及び２４８の自由端は、電気供給部に接続される。最後に、蓄熱ブロック２１６の構成部品をまとめて保持する圧力を加えるために、断熱材２２０の最後の層が、外側の鋼製ケーシング２１２の中に、蓄熱ブロック２１６と側面２１２．２との間に挿入される。
【０１７２】
黒鉛蓄熱ブロック２１６の酸化を防止するために、窒素、アルゴン、又はヘリウムのような不活性ガスが、次にケーシング２１２に導入され、ケーシング内に残されている可能性がある空気を追い出し、また黒鉛及び他の炭素質材料が装置２１０の作動中高温である場合に、空気が進入してくることを妨げる。優れた熱接触が蓄熱ブロック２５４、２５６とチューブ式熱交換器２６０との間に達成される場合、１，０００Ｗ／ｍ2°Ｋよりも大きな総合熱伝達係数が達成されることが分かっている。これは、熱が、対流熱伝達によって、燃料の燃焼で生じる高温の煙道ガスから、ボイラー又は蒸気管内の水又は蒸気に伝達される、従来の燃焼式蒸気ボイラーで達成される約６０Ｗ／ｍ2°Ｋの総合熱伝達係数と比べて、非常に有利である。このようなボイラーの総合熱伝達係数は、ボイラーの高温ガス（燃焼生成物）側で、ボイラーチューブの周りに形成され、チューブ内への熱エネルギーの伝達を妨げるガス膜によって、制限される。
【０１７３】
装置２１０の部分を形成する熱交換器２６０は、従来のボイラー又は過熱器よりもはるかに熱伝達係数が高いため、はるかに小さくすることができる。
【０１７４】
取外し可能な組立体２５２は、小さい寸法公差が確保されるように注意が払われる場合、一方で、ブロック要素２５４、２５６とチューブ式熱交換器のチューブとの間に、他方で、ブロック要素２５４、２５６とブロック２１６との間に密な接触を達成でき、従って熱伝達が促進されるという利点を有する。取外し可能な熱交換器組立体２５２が取外し可能であるということは、熱交換器２６０の検査及び保守を容易にする。
【０１７５】
図２には、取外し可能な熱交換器組立体２５２が１つだけ示されているが、蓄熱ブロック２１６の全体にわたる様々な位置に、このような取外し可能な熱交換器組立体をいくつか備えることができ、必要な場合に、蓄熱ブロック２１６から熱エネルギー回収を容易に行なうことができる。同様に、抵抗は２２２、２２４、２２６、と２２８の４つしか示されていないが、抵抗をいくつも備えて、貯蔵する必要がある熱エネルギーの蓄熱ブロック２１６内への入力を、容易に行うようにすることができる。抵抗及び熱交換器の数と配分は、用途、及び特定の用途に使用される黒鉛材料の熱伝導率及び熱容量のような物理的特性、に依存する。これらは、当業者が、合理的な実験及び試験により決定することができる。使用時、電気エネルギーは、抵抗２２２、２２４、２２６、及び２２８によって熱エネルギーに変換され、熱エネルギーの形態で装置２１０に貯蔵される。これは、電気を、電気導体２４２と２４６を通して端子２３４と２３８に導き、次に、電気を、抵抗２２２と２２６に導くことによって行われる。抵抗２２２、２２４、及び２３８、２４０の下端は、電気導体２３０、２３２によってそれぞれ相互接続されるので、導体２４２を通って抵抗２２２に入る電流は、電気コネクタ２３０を介して抵抗２２４に導かれ、また端子２３６と導体２４４とを介して装置２１０の外に出る。同様に、導体２４６を通って装置２１０に入る電流は、端子２３８を介して抵抗２２６に導かれ、そこから電気コネクタ２３２を介して抵抗２２８に導かれ、端子２４０と電気導体２４８とを介して装置の外に出る。直流電流が使用される場合、電流が流れる方向は、上述した方向と反対にすることもできる。交流電流が使用される場合、電流が流れる方向は交互になる。
【０１７６】
抵抗２３２、２２４、２２６と２２８の電気抵抗によって、電流が抵抗を通って流れる場合に熱が発生される。この熱は、黒鉛ブロック２１６の全体に分散され、必要とされるまで貯蔵される。
【０１７７】
装置２１０から熱エネルギーを引出すことが必要な場合、水のような流体が熱交換器２６０を通して循環される。これにより、黒鉛ブロック２１６の温度が、熱交換器２６０を通過する水の温度よりも高い限り、熱交換器２６０を通る水に熱が伝達される。水は蒸発して蒸気となり、蒸気は、過熱蒸気となるよう更に加熱されることが好ましく、過熱蒸気がタービン又はエンジンの駆動に使用され、電力を発生することができる。
【０１７８】
図３（ａ）を参照すると、発電プラント２８は、電力を発生することができる発電機３２を駆動する蒸気タービン３０を備える。ライン３４により、過熱蒸気は蒸気タービン３０内に送られる。過熱蒸気は、本発明の一実施例による装置の一部を形成する、立方体形状の黒鉛ブロック３６の表面に並んで設置された、過熱器チューブ３５の列で発生されるが、黒鉛ブロック３６には、オフピーク期間中に主幹電力供給ネットワークから引き込まれた電気を使用して、抵抗加熱で得られた熱が貯蔵されている。本発明の本実施例では主幹電力について述べたが、電力源は、上述したように様々であり、ある期間中は利用可能性が、需要を超え、他の期間中は需要が利用可能性を超える、風、水力、波のエネルギーのような再生可能エネルギー源から回収された電力を含むことができる。
【０１７９】
黒鉛ブロック３６は、鋼製ケーシング３８の内部に配置される。蒸気がブロック３６によって過熱されるのと同様の方法で飽和蒸気を生産する、更なる黒鉛ブロック４０が備えられている。黒鉛ブロック４０は、鋼製ケーシング４２の内部に配置される。断熱材４４がケーシング４２とブロック４０との間に、またケーシング３８とブロック３６との間に備えられる。ボイラーチューブ４６がブロック４０の表面に沿って並んで配置される。
【０１８０】
図３（ｂ）は、図３（ａ）のボイラーチューブ４６が並んで配置され、また適切な合金製の伝達プレート４８の外表面に対して長手方向に溶接されている状態を示す。伝達プレート４８の内表面は、低合金が使用される伝達プレート内へ炭素が移動することを防止するために、適切な材料でプラズマコーティングされる。浸炭には、合金の機械的性質を低下させるという影響がある。
【０１８１】
タービン３０に送られる蒸気の温度、圧力及び過熱度を制御するために、蒸気混合及び調整ユニット５０が備えられ、ライン５２を通してケーシング３８から放出される過熱蒸気を、必要ならば、飽和蒸気ライン５４を通してケーシング４２から放出される飽和蒸気と混合することができる。制御弁５６、５８、及び６０が、タービン３０に供給される蒸気の作動条件を制御するために、図示のようにラインに備えられる。
【０１８２】
排気蒸気は、１以上の抽出点７０、７２、７４、７６で蒸気タービン３０から抽出することができ、ボイラー給水が凝縮して再利用のため再循環される復水となる前に、ボイラー給水の予熱用に使用される。復水はボイラー給水タンク８０に戻される。運転時、発電プラント２８は、電力消費のオフピーク期間中に、電力が、黒鉛ブロック３６、４０に埋設された抵抗｛図３（ａ）に図示せず｝によって熱に変換されるように、運転される。ピーク期間中では、ブロック４０に貯蔵された熱は、ブロック４０の外表面に配置されたボイラーチューブ４６内の水を蒸発させるために利用され、水はその後飽和蒸気となり、飽和蒸気は蒸気ドラム５５の水から分離される。飽和蒸気は、ライン５４によって、制御弁５８を通して、黒鉛ブロック３６の外表面に配置された過熱器チューブ３５内に送られる。蒸気は、過熱後に、過熱蒸気ライン５２に設けられた制御弁５６を通して放出される。上述のように、過熱蒸気は、過熱蒸気ライン３４によって蒸気タービン３０に送られる前に、蒸気混合及び調整ユニット５０を通過する。過熱蒸気の過熱度を制御するために、過熱器チューブ３５で生産された過熱蒸気は、タービンの要求以上に過熱することができ、タービン３０に送られる蒸気の過熱度は、制御弁６０を操作して、飽和蒸気をライン６１を介してユニット５０に流し、蒸気ドラム５５から出た飽和蒸気を蒸気混合及び調整ユニット５０内に送ることによって、蒸気混合及び調整ユニット５０で調整することができる。
【０１８３】
図４は、蓄熱及び発電プラント４２８の一実施例を示す。プラント４２８は、発電機４３２を駆動する蒸気タービン４３０を備える。ライン４３４によって、過熱蒸気が蒸気タービン４３０に送られる。過熱蒸気は、高純度黒鉛ブロック４３６．１、４３６．２、４３６．３、４３６．４、４３６．５、４３６．６、４３６．７、４３６．８、４３６．９、４３６．１０、４３６．１１、４３６．１２、４３６．１３、４３６．１４、４３６．１５、４３６．１６、４３６．１７、４３６．１８、４３６．１９の列の内側に配置された１８列の金属チューブ４３５．１、４３５．２、４３５．３、４３５．４、４３５．５、４３５．６、４３５．７、４３５．８、４３５．９、４３５．１０、４３５．１１、４３５．１２、４３５．１３、４３５．１４、４３５．１５、４３５．１６、４３５．１７、４３５．１８の中で発生され、金属チューブ４３５．１、４３５．２、４３５．３、４３５．４、４３５．５、４３５．６、４３５．７、４３５．８、４３５．９、４３５．１０、４３５．１１、４３５．１２、４３５．１３、４３５．１４、４３５．１５、４３５．１６、４３５．１７、４３５．１８の各列は、２つの隣接する黒鉛ブロックの間にそれぞれ挟み込まれている。
【０１８４】
黒鉛ブロック４３６．１、４３６．２、４３６．３、４３６．４、４３６．５、４３６．６、４３６．７、４３６．８、４３６．９、４３６．１０、４３６．１１、４３６．１２、４３６．１３、４３６．１４、４３６．１５、４３６．１６、４３６．１７、４３６．１８、４３６．１９は、鋼製ケーシング４３８の内部に配置され、鋼製ケーシング４３８によって囲まれている。
【０１８５】
断熱システム４３９が、軟鋼製ケーシング４３８と、黒鉛ブロック４３６．１、４３６．２、４３６．３、４３６．４、４３６．５、４３６．６、４３６．７、４３６．８、４３６．９、４３６．１０、４３６．１１、４３６．１２、４３６．１３、４３６．１４、４３６．１５、４３６．１６、４３６．１７、４３６．１８、４３６．１９との間に設けられ、黒鉛ブロックの酸化を防止するために不活性ガスを備えると都合がよい。電気エネルギーは、一連の１９個の抵抗４１８．１、４１８．２、４１８．３、４１８．４、４１８．５、４１８．６、４１８．７、４１８．８、４１８．９、４１８．１０、４１８．１１、４１８．１２、４１８．１３、４１８．１４、４１８．１５、４１８．１６、４１８．１７、４１８．１８、４１８．１９の抵抗加熱によって熱エネルギーに変換され、各抵抗は、図１と図２に関連して説明したように、対応する黒鉛ブロック４３６．１、４３６．２、４３６．３、４３６．４、４３６．５、４３６．６、４３６．７、４３６．８、４３６．９、４３６．１０、４３６．１１、４３６．１２、４３６．１３、４３６．１４、４３６．１５、４３６．１６、４３６．１７、４３６．１８、４３６．１９に埋設されている。
【０１８６】
電気エネルギーは、電力供給系統４４３から電力給電される変圧器４４１に作用上接続された、低電圧の電力給電ライン４３９を介して、抵抗４１８．１、４１８．２、４１８．３、４１８．４、４１８．５、４１８．６、４１８．７、４１８．８、４１８．９、４１８．１０、４１８．１１、４１８．１２、４１８．１３、４１８．１４、４１８．１５、４１８．１６、４１８．１７、４１８．１８、４１８．１９に導かれる。変圧器４４１は、風車４４７によって駆動される発電機４４５から給電を受けることもできる。
【０１８７】
発電機４３２によって発生される電力は、変圧器４３３を介して系統４４３に送られる。ボイラー給水又は復水は、ボイラー給水ライン４４９を介して、金属チューブ４３５．１、４３５．２、４３５．３、４３５．４、４３５．５、４３５．６、４３５．７、４３５．８、４３５．９、４３５．１０、４３５．１１、４３５．１２、４３５．１３、４３５．１４、４３５．１５、４３５．１６、４３５．１７、４３５．１８に供給される。供給量は、制御弁４５１によって制御される。蒸気アキュムレータ４５３は、始動用の蒸気を供給することができる。蒸気アキュムレータ４５３は、ライン４５５と制御弁４５７とを介して、鋼製チューブ４３５．１の蒸気出口端に、また、従来のボイラー又は他の装置４２８のような独立の蒸気供給部に作用上接続され、蒸気は、装置４２８の始動時には、蒸気アキュムレータ４５３から、制御弁４５９を介して、金属チューブの列４３５．１、４３５．２、４３５．３、４３５．４、４３５．５、４３５．６、４３５．７、４３５．８、４３５．９、４３５．１０、４３５．１１、４３５．１２、４３５．１３、４３５．１４、４３５．１５、４３５．１６、４３５．１７、４３５．１８、に供給することができる。
【０１８８】
タービン４３０に送られる蒸気の量を制御するために、制御弁４５６が備えられる。
【０１８９】
運転時、発電及び蓄熱プラント４２８は、電力消費のオフピーク期間中に、電力が抵抗４１８．１、４１８．２、４１８．３、４１８．４、４１８．５、４１８．６、４１８．７、４１８．８、４１８．９、４１８．１０、４１８．１１、４１８．１２、４１８．１３、４１８．１４、４１８．１５、４１８．１６、４１８．１７、４１８．１８、４１８．１９によって熱に変換されるように、運転される。
【０１９０】
ピーク期間中には、黒鉛ブロック４３６．１、４３６．２、４３６．３、４３６．４、４３６．５、４３６．６、４３６．７、４３６．８、４３６．９、４３６．１０、４３６．１１、４３６．１２、４３６．１３、４３６．１４、４３６．１５、４３６．１６、４３６．１７、４３６．１８、４３６．１９に貯蔵された熱が、金属チューブ４３５．１、４３５．２、４３５．３、４３５．４、４３５．５、４３５．６、４３５．７、４３５．８、４３５．９、４３５．１０、４３５．１１、４３５．１２、４３５．１３、４３５．１４、４３５．１５、４３５．１６、４３５．１７、４３５．１８、の中のボイラー給水及び／又は復水を蒸発させるために利用され、制御弁４５６を介してライン４３４によって送られる過熱蒸気を発生する。図４に示した蓄熱及び発電プラントの実施例は、貫流式蒸気発生器（ＯＴＳＧ）設計に基づいている。本発明の原理が、図５に示すような蒸気ドラム式設計に適用できることもまた、本発明者によって考えられている。
【０１９１】
このように、図５は、蓄熱及び発電プラント５２８の形態の、本発明の他の実施例を示している。プラント５２８は、発電機５３２を駆動する蒸気タービン５３０を備える。ライン５３４によって、過熱蒸気が蒸気タービン５３０に送られる。
【０１９２】
過熱蒸気は、第１の列の９つの高純度黒鉛ブロック５３６．１、５３６．２、５３６．３、５３６．４、５３６．５、５３６．６、５３６．７、５３６．８、５３６．９の内部に配置された８列の過熱器チューブ５３５．１、５３５．２、５３５．３、５３５．４、５３５．５、５３５．６、５３５．７、５３５．８、で発生され、過熱器チューブ５３５．１、５３５．２、５３５．３、５３５．４、５３５．５、５３５．６、５３５．７、５３５．８、の各列は、２つの隣接する黒鉛ブロックの間にそれぞれ挟み込まれる。
【０１９３】
黒鉛ブロック５３６．１、５３６．２、５３６．３、５３６．４、５３６．５、５３６．６、５３６．７、５３６．８、５３６．９は、軟鋼製ケーシング５３８の内部に配置され、軟鋼製ケーシング５３８によって囲まれている。
【０１９４】
黒鉛ブロックの酸化を防止するための真空又は不活性ガスを備える断熱システム５３９．１は、軟鋼製ケーシング５３８と黒鉛ブロック５３６．１、５３６．２、５３６．３、５３６．４、５３６．５、５３６．６、５３６．７、５３６．８、５３６．９との間に設けられる。
【０１９５】
過熱器チューブ５３５．１、５３５．２、５３５．３、５３５．４、５３５．５、５３５．６、５３５．７、５３５．８には、飽和蒸気が、蒸気ドラム５５５から、制御弁５５８及び蒸気ライン５５３と５５４を介して供給される。蒸気ドラム５５５には、飽和蒸気が、第２の列の１９個の高純度黒鉛ブロック５４０．１、５４０．２、５４０．３、５４０．４、５４０．５、５４０．６、５４０．７、５４０．８、５４０．９、５４０．１０、５４０．１１、５４０．１２、５４０．１３、５４０．１４、５４０．１５、５４０．１６、５４０．１７、５４０．１８、５４０．１９内に配置された、１８列のボイラーチューブ５４６．１、５４６．２、５４６．３、５４６．４、５４６．５、５４６．６、５４６．７、５４６．８、５４６．９、５４６．１０、５４６．１１、５４６．１２、５４６．１３、５４６．１４、５４６．１５、５４６．１６、５４６．１７、５４６．１８、から供給され、ボイラーチューブ５４６．１、５４６．２、５４６．３、５４６．４、５４６．５、５４６．６、５４６．７、５４６．８、５４６．９、５４６．１０、５４６．１１、５４６．１２、５４６．１３、５４６．１４、５４６．１５、５４６．１６、５４６．１７、５４６．１８の各列は、２つの隣接する黒鉛ブロックの間に、それぞれ挟み込まれている。黒鉛ブロック５４０．１、５４０．２、５４０．３、５４０．４、５４０．５、５４０．６、５４０．７、５４０．８、５４０．９、５４０．１０、５４０．１１、５４０．１２、５４０．１３、５４０．１４、５４０．１５、５４０．１６、５４０．１７、５４０．１８、５４０．１９は、軟鋼製ケーシング５４２の内部に配置され、軟鋼製ケーシング５４２によって囲まれている。
【０１９６】
断熱システム５３９．２もまた、黒鉛ブロックの酸化を防止するための真空又は不活性ガスを含み、軟鋼製ケーシング５４２と、黒鉛ブロック５４０．１、５４０．２、５４０．３、５４０．４、５４０．５、５４０．６、５４０．７、５４０．８、５４０．９、５４０．１０、５４０．１１、５４０．１２、５４０．１３、５４０．１４，５４０．１５、５４０．１６、５４０．１７、５４０．１８、５４０．１９との間に設けられる。第１の列の９つの高純度黒鉛ブロック５３６．１、５３６．２、５３６．３、５３６．４、５３６．５、５３６．６、５３６．７、５３６．８、５３６．９では、電気エネルギーは、一連の９つの抵抗５１８．１、５１８．２、５１８．３、５１８．４、５１８．５、５１８．６、５１８．７、５１８．８、５１８．９の抵抗加熱によって熱エネルギーに変換され、各抵抗は、図１と図２に関連して説明したように、対応する黒鉛ブロック５３６．１、５３６．２、５３６．３、５３６．４、５３６．５、５３６．６、５３６．７、５３６．８、５３６．９に埋設されている。
【０１９７】
同様に、第２の列の１９個の高純度黒鉛ブロック５４０．１、５４０．２、５４０．３、５４０．４、５４０．５、５４０．６、５４０．７、５４０．８、５４０．９、５４０．１０、５４０．１１、５４０．１２、５４０．１３、５４０．１４、５４０．１５、５４０．１６、５４０．１７、５４０．１８、５４０．１９では、電気エネルギーが、一連の１９の抵抗５１８．１０、５１８．１１、５１８．１２、５１８．１３、５１８．１４、５１８．１５、５１８．１６、５１８．１７、５１８．１８、５１８．１９、５１８．２０、５１８．２１、５１８．２２、５１８．２３、５１８．２４、５１８．２５、５１８．２６、５１８．２７、５１８．２８の抵抗加熱によって熱エネルギーに変換され、各抵抗は、図１と図２に関連して説明したように、対応する黒鉛ブロック５４０．１、５４０．２、５４０．３、５４０．４、５４０．５、５４０．６、５４０．７、５４０．８、５４０．９、５４０．１０、５４０．１１、５４０．１２、５４０．１３、５４０．１４、５４０．１５、５４０．１６、５４０．１７、５４０．１８、５４０．１９に埋設されている。
【０１９８】
電気エネルギーは、低電圧電源供給ライン５３９を介して抵抗５１８．１０から５１８．２８に導かれ、電力供給系統５４３から電力供給を受けることができる変圧器５４１に作用上接続することができる。変圧器５４１はまた、風車５４７によって駆動される発電機５４５から電力供給を受けることができる。発電機５３２によって発生される電力は、変圧器５３３を介して系統５４３に送られる。ボイラー給水又は復水は、ボイラー給水ライン５４９と水ドラム５８０とを介して、ボイラーチューブ５４６．１、５４６．２、５４６．３、５４６．４、５４６．５、５４６．６、５４６．７、５４６．８、５４６．９、５４６．１０、５４６．１１、５４６．１２、５４６．１３、５４６．１４、５４６．１５、５４６．１６、５４６．１７、５４６．１８に供給される。供給水量は、制御弁５５１によって制御される。
【０１９９】
蒸気アキュムレータ５５３が、始動用の蒸気を供給することができる。蒸気アキュムレータ５５３は、ライン５５９と制御弁５５７とを介して、蒸気ドラム５５５に、また、従来のボイラー又は別の装置５２８のような独立の蒸気供給部に、作用上接続され、蒸気は、装置５２８を始動する場合、蒸気アキュムレータ５５３から、制御弁５６２を介して、ボイラーチューブ５４６．１、５４６．２、５４６．３、５４６．４、５４６．５、５４６．６、５４６．７、５４６．８、５４６．９、５４６．１０、５４６．１１、５４６．１２、５４６．１３、５４６．１４、５４６．１５、５４６．１６、５４６．１７、５４６．１８の列に供給することができる。タービン５３０に送られる蒸気の温度、圧力及び過熱度を制御するために、蒸気混合及び調整ユニット５５０が備えられ、ライン５５２を通って、過熱器チューブ５３５．１から５３５．８から出てくる過熱蒸気は、必要ならば、飽和蒸気ライン５５４及びライン５６１を通って蒸気ドラム５５５から送られる飽和蒸気と、混合することができる。
【０２００】
タービン５３０に供給される蒸気の作動条件を制御するために、過熱及び飽和蒸気ラインそれぞれに制御弁５５６と５６０とが設けられる。運転時、発電及び蓄熱プラント５２８は、電力消費のオフピーク期間中に、系統５４３からの電力が発電及び蓄熱プラントに送られる場合に、電力が、抵抗５１８．１０から５１８．２８によって熱に変換されるように運転される。熱は、黒鉛ブロック５３６．１から５３６．９及び５４０．１から５４０．１９に貯蔵される。
【０２０１】
ピーク期間中、黒鉛ブロック５４０．１から５４０．１９に貯蔵された熱は、ボイラーチューブ５４６．１から５４６．１８のボイラー給水及び／又は復水を蒸発させ、蒸気ドラム５５５に送られる飽和蒸気を生産するために、使用される。同時に、黒鉛ブロック５３６．１から５３６．９に貯蔵された熱は、過熱器チューブ５３５．１から５３５．８の飽和蒸気を過熱して、過熱蒸気を生産するために使用され、過熱蒸気は、ライン５５２、蒸気混合及び調整ユニット５５０、及びライン５３４を介して、タービン５３０に送られる。タービン５３０は発電機５３２を駆動し、次に、発電機５３２は、系統５４３に送られる電力を発生する。
【０２０２】
図６を参照すると、本発明による温度補償された蓄熱及び回収システム６１０の概略フローダイヤグラムが示されている。システム６１０は、３対の熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２を備える。各対の熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２の間に、熱交換器チューブ６１８、６２０、６２２の列を固定し、対のブロック６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２の隣接表面の間を密に接触させることができる。熱交換器チューブ６１８、６２０、６２２の各列は、並列接続される３つのチューブ６１８．１、６１８．２、６１８．３と、６２０．１、６２０．２、６２０．３と、６２２．１、６２２．２、６２２．３とから成る。給水供給ライン６２４は、ボイラー給水を、熱交換器チューブ６１８、６２０、６２２の列に導き、一方、過熱蒸気出口ライン又はマニホールド６２６は、熱交換器６１８、６２０、６２２の列からの過熱蒸気を、タービン、エンジン等（図示せず）を駆動するために使用される場所に送る。電力入力供給ケーブル６２８は、電力を、網目状に敷設されたケーブル６３０．１、６３０．２、６３０．３に導き、次に、網目状に敷設されたケーブルは、電力を、熱ブロック要素６１２．１、６１２．２、６１４．１、６１４．２、６１６．１、６１６．２の各々に設けられた３対の抵抗６３２．１、６３２．２、等に導く（分かり易くするために、図では、熱ブロック要素６１２．１、６１２．２の抵抗のみが付番されている）。
【０２０３】
運転時、オフピーク期間中に系統から獲得された、又は太陽、風力、波、又は潮汐エネルギー源のような再生可能エネルギー源から回収された電力は、各熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２の抵抗６３２．１、６３２．２等の抵抗加熱によって、熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２を加熱するために使用される。熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２から熱エネルギーを回収することを望む場合、制御弁６３４を開くことによってボイラー給水が熱交換器６１８に導かれ、ボイラー給水が熱交換器６１８．１、６１８．２、６１８．３を通って流れ、蓄熱ブロック要素６１２．１、６１２．２から熱を抽出する。水は蒸発し、その蒸気は、制御弁６３６を通って過熱蒸気ライン又はマニホールド６２６に出される前に、必要な温度及び圧力に過熱される。
【０２０４】
熱ブロック要素６１４．１、６１４．２、及び６１６．１、６１６．２の熱交換器列６２０と６２２には、制御弁６３８、６４０をそれぞれ操作することによって、給水ライン６２４からの給水を供給することができる。或は、熱交換器列６２０と６２２には、制御弁６４４を開き、加熱されたボイラー給水又は飽和蒸気が熱交換器６１８から熱交換器６２０、６２２の一方又は両方に流れるようにすることによって、別の制御弁６４６と６４８が開いている場合には、ライン６４２を通して、加熱されたボイラー給水又は飽和蒸気を供給することができる。或は（また好ましくは）、飽和蒸気又は加熱されたボイラー給水の温度が、所望の温度及び圧力の過熱蒸気の生産には低すぎる場合、別の制御弁６４６と６４８を操作し、飽和蒸気又は加熱されたボイラー給水の流れを、熱交換器６１８から熱交換器６２０を通って熱交換器６２２へ確実に導き、制御弁６５０、６５２を通って過熱蒸気ライン６２６に出る前に、蒸発、過熱させる。制御弁６５４、６５６はそれぞれ、各熱交換器で発生した過熱蒸気が過熱蒸気マニホールド６２６に出る前に、飽和蒸気及び／又は加熱されたボイラー給水を、熱交換器６２０から熱交換器６２２に、又は熱交換器６２２から熱交換器の連なりの、次の熱交換器（熱交換器の連なりの残りは図示せず）に導くために、備えられる。例えば熱が各蓄熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２に貯蔵される場合、給水ライン６２４と、過熱蒸気ライン又はマニホールド６２６の両方から、熱交換器６１８、６２０、６２２のうちのどれか１以上を切り離すことも可能である。
【０２０５】
蓄熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２の各組には、熱交換器６２０と６２２にそれぞれ給水する制御弁６５８、６６０のうちの１つを開くことによって、ボイラー給水ライン６２４から別々に給水することができる。
【０２０６】
蒸気によって駆動されるタービン又はエンジンは、効率的に運転できるように、普通、非常に制限された温度及び圧力の範囲で蒸気が供給されることを要求する。従来のボイラー及び過熱器で生産される蒸気は、このようなボイラーの比較的一定の温度及び熱変動のため、従って、エネルギー伝達速度及びその結果の蒸気温度及び圧力が普通かなり一定であるため、比較的容易に制御することができる。蓄熱ブロック６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２では、熱の抽出は、蓄熱ブロックの温度低下が進む結果となる。エネルギー伝達速度は、関連ブロック６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２と、熱を受け取る流体との間の温度差（ΔＴ）、及びエネルギー伝達が行われる面積の関数である。この関係は、次式によって表すことができる。
【数２】
2007528976.tif 000005
ここで、
「ｑ」＝エネルギー伝達速度
「Ａ」＝熱交換面積。
【０２０７】
均一なエネルギー伝達速度を維持するため、従って、生産された蒸気の一貫した状態を維持するため、またΔＴが変化するため、伝達面積（熱交換表面）が変えられる必要がある。運転時、システム６１０は、熱ブロック要素６１２．１と６１２．２、６１４．１と６１４．２、６１６．１と６１６．２から順次熱を取出すように、制御弁６３４、６３６、６３８、６４０、６４４、６４６、６４８、６５０、６５２、６５４、６５６、６５８、６６０を操作することによって制御される。熱ブロック要素６１２．１、６１２．２の温度が低下して、熱ブロック要素６１２．１、６１２．２と、熱交換器６１８の蒸気又は水との間の温度差（ΔＴ）が、所望の温度及び圧力の過熱蒸気が熱交換器６１８でもはや生産することができない点まで下がった場合に、制御弁６３６が閉じられる一方、制御弁６４４が開かれ、蒸気及び／又は加熱されたボイラー給水がライン６４２を通って熱交換器６２０に流れることを可能にし、熱交換器６２０で、蒸気及び／又は加熱されたボイラー給水は蒸発させられるか、又は制御弁６５０を通って過熱蒸気マニホールド６２６に出る前に、更に蒸発させられ、過熱される。運転の初めには、ボイラー給水は、ボイラー給水ライン６２４から制御弁６３８を通って熱交換器６２０には送られない。制御弁６３８は、熱ブロック要素６１２．１、６１２．２からなお抽出できる熱量が、熱交換器６１８を通ってボイラー給水を循環させることがもはや経済的でないレベルまで低下した場合にのみ、開かれることが好ましい。その時点で、制御弁６３４が閉じられる一方、制御弁６３８が開かれる。その場合、制御弁６４０はなお閉じられているが、ある時間の後、蓄熱ブロック要素６１４．１、６１４．２から熱を抽出することがもはや経済的に又は技術的に実行可能でない場合、制御弁６３８と同様の方法で、制御弁６４０を開くことができる。
【０２０８】
熱ブロックの対６１２．１と６１２．２について上に説明したのと同一のプロセスが、熱ブロックの対６１４．１と６１４．２、及び６１６．１と６１６．２について繰り返される。
【０２０９】
制御弁の操作は、自動化することができ、またプログラム可能な装置（図示せず）によって制御することができ、制御弁の開閉が、タービン又はエンジンへの蒸気供給のために、マニホールド６２６での要求条件に予備設定された温度及び圧力状態に確実に応答するようにすることができる。
【０２１０】
使用される熱交換器チューブは、適切な設計標準に従って、システムの温度及び圧力によって発生する応力に耐えるように選択されることが好ましい。８５０℃までの要求を満たす合金には、アロイ６００、アロイ８００Ｈ、及びアロイ５５６を含む。
【０２１１】
始動は、飽和水（所定の圧力で蒸気になる直前の温度の水）を使用して行なうことができ、約３００℃で、熱ショックを制御する圧力の下で行うことが好ましい。飽和水の流量は、必要な流量に達するまで徐々に増加され、チューブ内の温度低下率及びその結果として生じる熱応力を制御する。
【０２１２】
本発明の熱エネルギー貯蔵システムは、大きな出力容量の範囲（５ｋＷの出力の小型発電機から数１００ＭＷの出力の発電機まで）に応用する設計ができ、また数週間、必要ならば更に長期間電力を貯蔵する大きさのモジュールで構成されるように、設計することができる。
【０２１３】
このシステムは、エネルギーを利用できる場合にエネルギーを回収及び貯蔵し、また利用できない期間や利用低下期間には貯蔵部からエネルギーを放出して、再生可能エネルギー（風力、太陽、潮汐、及び波エネルギー）の断続的な利用の間のギャップをカバーするように、設計することができる。図２に関連して説明したような取外し可能な挿入部は、図４、図５、及び図６の黒鉛ブロックの間に任意に備えることができる。
【０２１４】
本発明による装置及び方法の使用範囲は、次のものを含むが、それらに限定されない。
・オフピーク時に利用可能余剰エネルギーを貯蔵し、ピーク時に放出して、既存の発電資産をより良く利用する。
・既存の発電容量を、ピーク期間に利用するために、負荷中心に再配置し、送配電系統の高価なネットワーク改良の必要性を回避する。
・単一の供給ラインであるため停電し易い配電システムに、安全対策として発電容量（発電の配分）を備える。
・ネットワークに再生可能エネルギー源を組み込み、風力のような不規則な電力源を使いこなす。
・化石燃料で運転される、高コストで汚染をもたらす系統外システム又は「島」系統システムを、信頼性の高い再生可能エネルギー電力源に交換する。
【０２１５】
図７を参照すると、３００℃から２４００℃の蓄熱温度で黒鉛に貯蔵できるエネルギー（メガワット時で表示）が示されている。図７のグラフは、表１に含まれるデータのグラフ表示である。下方のグラフは、黒鉛１トン当りの貯蔵エネルギーを表し、一方、上方のグラフは、黒鉛１立方メートル当りの貯蔵エネルギーを表している。図８を参照すると、本発明による蓄熱装置８００の更なる実施例が示されている。装置８００は、中間温度の層８０４によって囲まれた立方体形状の高温心材８０２を備え、中間温度層８０４は低温層８０６によって囲まれている。
【０２１６】
高温心材８０２、中間温度層８０４、及び低温層８０６は、すべて高純度黒鉛でできており、また容器８０８内に完全密閉されている。
【０２１７】
高温断熱材料８１０は、高温心材８０２を中間温度層８０４から分離し、一方、中間温度断熱材料８１２は、中間温度層８０４を低温層８０６から分離する。更なる断熱層８１４が、低温層８０６と容器８０８との間に備えられている。
【０２１８】
電気導体８１６は、高温心材８０２に埋設された４９個の抵抗８１８の列に電気を導く。抵抗８１８は、図８に示すように、７個の抵抗が７列に配置されている。
【０２１９】
熱交換器チューブ８２０、８２２、８２４、及び８２６の４つの列が、低温層８０６に設けられ、１つの面を中間温度層８０４の４つの側面の各々の上に配置されている。熱交換器チューブ８２８、８３０、８３２、及び８３４の４つの更なる列が、中間温度層に設けられ、１つの面を高温心材８０２の側面の各々の上に配置されている。
【０２２０】
図８に示されるように、熱交換器チューブ８２０、８２２、８２４、及び８２６と、８２８、８３０、８３２、及び８３４は、それぞれ一続きに相互接続される。しかし、本発明の更なる実施例では、それらは別の蒸気又は温水回路に接続することができ、又は、更に別の実施例では、それらの２以上を同様の蒸気又は温水回路に並列に接続することができ、又は各黒鉛層及び蒸気又は過熱蒸気によって加熱されたチューブにボイラー給水を送るように設計し、運転することができる。
【０２２１】
使用時、オフピーク電力、又は風力発電場、太陽光集光装置等の様々な電力源で発電された電力を、電気導体８１６を介して蓄熱装置８００に導き、抵抗８１８によって熱エネルギーに変換することができる。
【０２２２】
熱エネルギーが必要な場合、熱エネルギーは、熱交換器チューブの１以上の列に水又は蒸気を通すことによって、中間温度層８０４又は低温層８０６から抽出することができる。
【０２２３】
熱が低温層８０６又は中間温度層８０４から抽出される場合、それらの温度は図７に示すグラフに従って低下する。中間温度層８０４の温度が高温心材８０２の温度より下に低下するにつれ、中間温度層８０４と高温心材８０２との温度差は、熱が高温心材８０２から高温断熱材料８１０を通って中間温度層８０４に導かれるようにする。同様に、低温層８０６の温度が、中間温度層８０４の温度より下に下がる場合、熱は、中間温度断熱材料８１２を通って低温層８０６に導かれる。
【０２２４】
蓄熱装置８００の層状構造のため、また高温心材８０２と中間温度層８０４との間、及び中間温度層８０４と低温層８０６との間の断熱材料のため、高温心材８０２の高い作動温度に耐える必要のない、熱交換器チューブ用構造材料を使用することができる。このようにして、他の構造よりも低コストの材料を使用することができる。しかし、熱交換器チューブの作動温度が製造業者によって設定された安全運転限度を超えないように、蓄熱装置８００の運転を制御することが重要になる。
【０２２５】
更に、高温心材８０２を中央に配置し、黒鉛層が高温心材８０２を囲み、最も作動温度が低い層を最も外側近くに配置することによって、更なる断熱材料８１４を通る、装置からのエネルギー損失を、最小にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０２２６】
【図１】本発明による装置の一実施例の概略図である。
【図２】本発明による装置の他の実施例の概略図である。
【図３ａ】本発明による装置を組み込んだ発電プラントの一実施例を示す概略フローダイヤグラムである。
【図３ｂ】図３ａの装置の一部を形成するボイラーチューブ及び過熱器チューブの典型的な配置を示す図である。
【図４】本発明による装置の他の実施例を組み込んだ蓄熱及び発電プラントを示す概略フローダイヤグラムである。
【図５】本発明による装置の更なる実施例を組み込んだ蓄熱及び発電プラントを示す概略フローダイヤグラムである。
【図６】本発明の他の実施例による温度補償された蓄熱及び回収システムの分解図を示す概略フローダイヤグラムである。
【図７】１トンの黒鉛の温度上昇に対して貯蔵できるエネルギーの量を表すグラフである。
【図８】本発明による蓄熱装置の更なる実施例の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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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【図８】
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【国際調査報告】
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