(57)【要約】少なくとも2つの蓄熱質量を備え、内部蓄熱質量(48)が外側蓄熱質量(49)内に収容される熱エネルギー貯蔵システムが提供される。ポンプまたは圧縮機(42)がシステムの周りで圧縮可能な流体に力を加える。第1の貯蔵質量熱交換器(50)は、ポンプまたは圧縮機(42)と流体連通する第1の側と、外側蓄熱質量体(49)と接触する第2の側とを有する。第2の貯蔵質量熱交換器(51)は、第1の蓄熱貯蔵熱交換器(50)の第1の側と流体連通する第1の側と、内部蓄熱質量(48)と接触する第2の側とを有する。タービン(43)は、第2の貯蔵質量熱交換器(51)の第1の側と流体連通するタービン入口、およびタービン出口を有する。発電機はタービン(43)によって駆動される。システムは、蓄熱媒体を含む蓄熱庫(52)をさらに備える。少なくとも1つの熱入力熱交換器(55)は蓄熱庫(52)内に配置され、少なくとも1つの熱入力熱交換器は、外側蓄熱質量(49)から熱を受け取るように適合される第1の側、および蓄熱媒体と接触する第2の側を有する。少なくとも1つの熱出力熱交換器(53)もまた、蓄熱庫(52)内に配置され、少なくとも1つの熱出力熱交換器は、温水および/または加熱供給物と流体連通する第1の側と、蓄熱媒体と接触する第2の側とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギー貯蔵システムであり、前記熱エネルギー貯蔵システムは、
少なくとも２つの蓄熱質量であり、そこにおいて内側蓄熱質量は外側蓄熱質量に収容される、少なくとも２つの蓄熱質量と、
前記熱エネルギー貯蔵システムの周りで圧縮可能な流体に力を加えるポンプ又は圧縮機と、
前記ポンプ又は前記圧縮機と流体連通する第１の側、及び前記外側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第１貯蔵質量熱交換器と、
前記第１貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通する第１の側、及び前記内側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第２貯蔵質量熱交換器と、
前記第２貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通するタービン入口、及びタービン出口を有するタービンと、
前記タービンが駆動する発電機と、
を備え、
前記熱エネルギー貯蔵システムは、
熱貯蔵庫媒体を収容する熱貯蔵庫と、
前記熱貯蔵庫に配置され、前記外側蓄熱質量から熱を受け取るように適合される第１の側、及び前記熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱入力熱交換器と、
前記熱貯蔵庫に配置され、温水及び／または加熱供給物と流体連通する第１の側、及び前記熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱出力熱交換器と、
を更に備える、熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記タービン出口と流体連通する第１の側をそれぞれ有する、第１タービン出口熱交換器及び第２タービン出口熱交換器と、
前記外側蓄熱質量を囲み、前記少なくとも１つの熱入力熱交換器の第１の側と流体連通する液体ジャケットと、を更に備え、
前記第１タービン出口熱交換器の第２の側は、前記外側蓄熱質量と接触し、
前記第２タービン出口熱交換器の第２の側は、前記液体ジャケットと接触する、請求項１に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記熱貯蔵庫に配置される第１熱入口熱交換器及び第２熱入口熱交換器と、
前記外側蓄熱質量と接触する第１の側、及び第１熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有する第３貯蔵質量熱交換器と、
前記タービン出口と接触する第１の側、及び第２熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有するタービン出口熱交換器と、
を更に備える、請求項１に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記タービン出口が排気口又はコンデンサを含む、請求項３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記ポンプ又はコンプレッサの下流に存在し、前記第１貯蔵質量熱交換器及び第２貯蔵質量熱交換器をバイパスしながら、前記圧縮可能な流体を直接前記タービンに選択的に送る貯蔵質量バイパスを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記第２貯蔵質量熱交換器及び前記貯蔵質量バイパスに流体連通する入口、及び前記タービンに流体連通する出口を有する燃焼器と、
流体を、前記第２貯蔵質量熱交換器又貯蔵質量バイパスから、前記燃焼器をバイパスしながら前記タービンに選択的に直接送る燃焼器バイパスと、
を更に備える、請求項５に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
前記内側貯蔵質量は、貯蔵質量を直接加熱する１つ以上の電気加熱要素を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記内側蓄熱質量を囲む第１断熱バリアを更に備え、
前記第１断熱バリアは、
前記内側蓄熱質量の外面に当接する内層と、
内側セラミック層に当接するハニカム層と、
前記ハニカム層から離間し、前記ハニカム層との間に空隙が形成されている外層と、
前記外層上の封入エンベロープと、
を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記空隙に、少なくとも部分的に、前記ハニカム層から前記外層まで延存する１つ以上のアテニュエーターが充填されている、請求項８に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記第１断熱バリアが、複数の別個のバリアパネルから形成され、
各パネルは別個のエンベロープによって取り囲まれる、請求項８又は９に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
各断熱バリアパネルが、前記空隙を通って前記第１断熱バリアの層に全体的に平行な方向に延在する少なくとも１つの構造支持部材を更に備える、請求項１０に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記外側蓄熱質量を囲むとともにセルラ材料及び／又は多孔性材料から形成される第２断熱バリアと、
前記第１断熱バリア及び第２断熱バリアに真空を形成するとともに前記真空の強さを変えるように、前記第１断熱バリア及び第２断熱バリアに流体接続される真空ポンプと、
前記断熱バリア内の前記真空を独立して変える複数のバルブと、
を更に備える、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
入口及び少なくとも１つの出口を画定するバルブ本体と、
前記バルブ本体の一部を通って延在し、前記バルブ本体に対して軸線方向に移動可能であり、近位端部、及びバルブアクチュエータに係合可能な遠位端部を有するバルブステムと、
前記バルブステムの前記近位端部に取り付けられ、前記バルブステムの移動時に、前記少なくとも１つの出口を開閉するバルブ部材と、
を含む少なくとも１つの制御バルブを有し、
前記バルブステム及び前記バルブ部材が第１熱膨張係数を有する材料から形成され、前記バルブ本体が第２熱膨張係数を有する材料から形成される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記第１熱膨張係数が４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１であり、
前記第２熱膨張係数が−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である、請求項１３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記第１熱膨張係数と第２熱膨張係数との間の差が無視でき、
前記制御バルブは、
前記バルブ本体と前記バルブステムとの間に配置される少なくとも１つの第１封止要素と、
前記バルブ本体と前記バルブ部材との間に配置される少なくとも１つの第２封止要素と、
を更に備え、
封止要素は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数を有する材料から構成され、
前記第１熱膨張係数及び第２熱膨張係数が−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である、請求項１３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１６】
熱交換器の少なくとも１つが、
複数の開放要素と、
複数の固体要素と、
を含み、
各開放要素は前記熱交換器の丈に沿って延在する複数の開放セルを含み、
各固体要素は前記熱交換器の丈に沿って延在し、
前記複数の開放要素及び前記複数の固体要素は、前記熱交換器の中心軸線周りの周方向に交互に配置される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１７】
少なくとも１つの流体送出パイプを更に備え、
前記流体送出パイプは、
中心ボアを画定する内側パイプ壁と、
中心パイプ壁の外面に当接するハニカム層と、
前記内側パイプ壁と同心の外側パイプ壁と、
前記内側パイプ壁及び外側パイプ壁と同心のパイプ本体と、
を備え、
前記外側パイプ壁は、前記外側パイプ壁と前記ハニカム層との間に第１空隙を画定し、
前記パイプ本体は、前記パイプ本体と前記外側パイプ壁との間に第２空隙を画定する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１８】
前記流体送出パイプにおける前記第１空隙に、少なくとも部分的に、前記ハニカム層から前記外側パイプ壁まで半径方向に延存する１つ以上のアテニュエーターが充填されている、請求項１７に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１９】
パイプのアテニュエーターは、前記ハニカム層から前記パイプ本体まで半径方向に延存する、請求項１８に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項２０】
前記内側蓄熱質量は、前記外側蓄熱質量から、張力がかかる複数の支持要素によって懸架される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項２１】
要素に対する断熱バリアであり、前記断熱バリアは、
使用時に前記要素の外面に当接する内側層と、
前記内側層に当接するハニカム層と、
前記ハニカム層から離間する外側層と、
前記外側層上に存在する封止エンベロープと、
を含み、
前記ハニカム層と前記外側層との間に空隙が形成される、断熱バリア。
【請求項２２】
前記空隙に、少なくとも部分的に、前記ハニカム層から前記外側層まで延存する１つ以上のアテニュエーターが充填されている、請求項２１に記載の断熱バリア。
【請求項２３】
前記断熱バリアは、複数の別個のバリアパネルから形成され、
各パネルは別個のエンベロープによって取り囲まれる、請求項２１又は２２に記載の断熱バリア。
【請求項２４】
断熱バリアの各パネルは、前記空隙を通って前記断熱バリアの層に全体的に平行な方向に延在する少なくとも１つの構造支持部材を更に備える、請求項２３に記載の断熱バリア。
【請求項２５】
入口及び少なくとも１つの出口を画定するバルブ本体と、
前記バルブ本体の一部を通って延在し、前記バルブ本体に対して軸線方向に移動可能であり、近位端部、及びバルブアクチュエータに係合可能な遠位端部を有するバルブステムと、
前記バルブステムの前記近位端部に取り付けられ、前記バルブステムの移動時に前記少なくとも１つの出口を開閉するバルブ部材と、
を備える制御バルブであり、
前記バルブステム及び前記バルブ部材は、第１熱膨張係数を有する材料から構成され、
前記バルブ本体は、第２熱膨張係数を有する材料から構成される、制御バルブ。
【請求項２６】
前記第１熱膨張係数は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１であり、
前記第２熱膨張係数は、−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である、請求項２５に記載の制御バルブ。
【請求項２７】
前記第１熱膨張係数と第２熱膨張係数との間の差が無視でき、
前記制御バルブは、
前記バルブ本体と前記バルブステムとの間に配置される少なくとも１つの第１封止要素と、
前記バルブ本体と前記バルブ部材との間に配置される少なくとも１つの第２封止要素と、
を更に備え、
封止要素は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数を有する材料から構成され、
前記第１熱膨張係数及び第２熱膨張係数が−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である、請求項２５に記載の制御バルブ。
【請求項２８】
熱交換器であり、前記熱交換器は、
それぞれが、前記熱交換器の丈に沿って延在する複数の開放セルを含む複数の開放要素と、
それぞれが前記熱交換器の丈に沿って延在する複数の固定要素と、
を備え、
前記開放要素及び前記固定要素は、前記熱交換器の中心軸線周りの周方向に交互に配置される、熱交換器。
【請求項２９】
中心ボアを画定する内側パイプ壁と、
中心パイプ壁の外面に当接するハニカム層と、
前記内側パイプ壁と同心の外側パイプ壁と、
前記内側パイプ壁及び外側パイプ壁と同心のパイプ本体と、
を備え、
前記外側パイプ壁は、前記外側パイプ壁と前記ハニカム層との間に第１空隙を画定し、
前記パイプ本体は、前記パイプ本体と前記外側パイプ壁との間に第２空隙を画定する、流体送出パイプ。
【請求項３０】
前記流体送出パイプにおける前記第１空隙に、少なくとも部分的に、前記ハニカム層から前記外側パイプ壁まで半径方向に延存する１つ以上のアテニュエーターが充填されている、請求項２９に記載の流体送出パイプ。
【請求項３１】
パイプのアテニュエーターは、前記ハニカム層から前記パイプ本体まで半径方向に延存する、請求項３０に記載の流体送出パイプ。
【請求項３２】
支持構造体から懸架されるように構成され、複数の支持要素を含む蓄熱質量を含む蓄熱機器であり、
前記蓄熱質量は複数の支持要素を含み、
各支持要素は、前記蓄熱質量に取り付けられる近位端部と、使用時に前記支持構造体に接続可能な遠位端部とを有する、蓄熱機器。
【請求項３３】
前記蓄熱質量は内側熱質量であり、
前記蓄熱機器は、前記支持構造体としての機能を果たす外側熱質量を更に含む、請求項３２に記載の蓄熱機器。
【請求項３４】
前記蓄熱機器は支持要素の対を含み、
対の各支持要素は、前記対の他の要素とクロスオーバーし、
要素の各対がＸ形状を画定する、請求項３２又は３３に記載の蓄熱機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギー貯蔵の分野に関し、より具体的には、873K(600℃)を超える超高温での熱エネルギー貯蔵のためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽、風、波または潮のような再生可能な供給源から供給されるエネルギーは、化石燃料などから供給されるエネルギーよりも著しい環境上の利益を有する。残念ながら、再生可能エネルギーから取り出すことができるエネルギーおよびその需要は、時間および地理的位置の両方の点で変化する。したがって、エネルギー貯蔵は、発電を使用に合わせるために必要とされる。今日まで、グリッド規模のエネルギー貯蔵は、低エネルギー密度、長期性能劣化、低往復の効率又は限られた配置場所によって制限されてきた。蓄熱の使用は、熱損失によって低温に制限されており、エネルギー密度が低く、発電効率が非経済的であることが判明している。
【０００３】
熱エネルギー貯蔵は、例えば電気化学的貯蔵アプローチにおいて見られる、複数のサイクルにわたる副生成物および劣化のいずれも有さない完全に可逆的なプロセスである。これまで熱エネルギー貯蔵は約800K(527℃)の温度に制限されており、エネルギー密度及び熱から電気への転写効率の点では競争力のないものであった。その結果、熱エネルギー貯蔵は、後に再利用するために熱を集めるよう広く普及したにすぎない。エネルギーを熱として超高温(すなわち1100K(827℃)以上)で貯蔵することにより、グリッド規模の蓄熱が技術的にも経済的にも実現可能となる点までエネルギー密度と移動効率を高めることができる。これまで、蓄熱の運転温度は、温度の上昇とともに指数関数的に上昇する熱損失によって制限されてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の目的は、熱損失を最小化及び/又は回収する超高温で作動する熱エネルギー貯蔵システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の第１の態様によれば、熱エネルギー貯蔵システムが提供され、熱エネルギー貯蔵システムは、少なくとも２つの蓄熱質量であり、そこにおいて内側蓄熱質量は外側蓄熱質量に収容される、少なくとも２つの蓄熱質量と、熱エネルギー貯蔵システムの周りで圧縮可能な流体に力を加えるポンプ又は圧縮機と、ポンプ又は圧縮機と流体連通する第１の側、及び外側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第１貯蔵質量熱交換器と、第１貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通する第１の側、及び内側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第２貯蔵質量熱交換器と、第２貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通するタービン入口、及びタービン出口を有するタービンと、タービンが駆動する発電機と、を備え、熱エネルギー貯蔵システムは、熱貯蔵庫媒体を収容する熱貯蔵庫と、熱貯蔵庫に配置され、外側蓄熱質量から熱を受け取るように適合される第１の側、及び熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱入力熱交換器と、熱貯蔵庫に配置され、温水及び／または加熱供給物と流体連通する第１の側、及び熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱出力熱交換器と、を更に備える。
【０００６】
システムは、タービン出口と流体連通する第１の側をそれぞれ有する、第１タービン出口熱交換器及び第２タービン出口熱交換器と、外側蓄熱質量を囲み、少なくとも１つの熱入力熱交換器の第１の側と流体連通する液体ジャケットと、を更に備えることができ、第１タービン出口熱交換器の第２の側は、外側蓄熱質量と接触し、第２タービン出口熱交換器の第２の側は、液体ジャケットと接触する。
【０００７】
あるいは、システムは、熱貯蔵庫に配置される第１熱入口熱交換器及び第２熱入口熱交換器と、外側蓄熱質量と接触する第１の側、及び第１熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有する第３貯蔵質量熱交換器と、タービン出口と接触する第１の側、及び第２熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有するタービン出口熱交換器と、を更に備え得る。
【０００８】
タービン出口が排気口又はコンデンサを含み得る。
【０００９】
システムは、ポンプ又はコンプレッサの下流に存在し、第１貯蔵質量熱交換器及び第２貯蔵質量熱交換器をバイパスしながら、圧縮可能な流体を直接タービンに選択的に送る貯蔵質量バイパスを更に含み得る。
【００１０】
システムは、第２貯蔵質量熱交換器及び貯蔵質量バイパスに流体連通する入口、及びタービンに流体連通する出口を有する燃焼器と、流体を、第２貯蔵質量熱交換器又貯蔵質量バイパスから、燃焼器をバイパスしながらタービンに選択的に直接送る燃焼器バイパスと、
を更に備え得る。
【００１１】
内側貯蔵質量は、貯蔵質量を直接加熱する１つ以上の電気加熱要素を含み得る。
【００１２】
システムは、内側蓄熱質量を囲む第１断熱バリアを更に備えることができ、第１断熱バリアは、
内側蓄熱質量の外面に当接する内層と、内側セラミック層に当接するハニカム層と、ハニカム層から離間し、ハニカム層との間に空隙が形成されている外層と、外層上の封入エンベロープと、
を含む。
【００１３】
空隙に、少なくとも部分的に、ハニカム層から外層まで延存する１つ以上のアテニュエーターを充填し得る。
【００１４】
第１断熱バリアは、複数の別個のバリアパネルから形成することができ、各パネルは別個のエンベロープによって取り囲まれる。各断熱バリアパネルが、空隙を通って第１断熱バリアの層に全体的に平行な方向に延在する少なくとも１つの構造支持部材を更に備え得る。
【００１５】
システムは、外側蓄熱質量を囲むとともにセルラ材料及び／又は多孔性材料から形成される第２断熱バリアと、第１断熱バリア及び第２断熱バリアに真空を形成するとともに真空の強さを変えるように、第１断熱バリア及び第２断熱バリアに流体接続される真空ポンプと、断熱バリア内の真空を独立して変える複数のバルブと、
を更に備え得る。
【００１６】
システムは、入口及び少なくとも１つの出口を画定するバルブ本体と、バルブ本体の一部を通って延在し、バルブ本体に対して軸線方向に移動可能であり、近位端部、及びバルブアクチュエータに係合可能な遠位端部を有するバルブステムと、バルブステムの近位端部に取り付けられ、バルブステムの移動時に、少なくとも１つの出口を開閉するバルブ部材と、を含む少なくとも１つの制御バルブを有することができ、バルブステム及びバルブ部材が第１熱膨張係数を有する材料から形成され、バルブ本体が第２熱膨張係数を有する材料から形成される。
【００１７】
第１熱膨張係数は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１とすることができ、第２熱膨張係数は、−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１とすることができる。
【００１８】
第１熱膨張係数と第２熱膨張係数との間の差は無視できることがあり、制御バルブは、バルブ本体とバルブステムとの間に配置される少なくとも１つの第１封止要素と、バルブ本体とバルブ部材との間に配置される少なくとも１つの第２封止要素と、を更に備えることができ、封止要素は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数を有する材料から構成され、第１熱膨張係数及び第２熱膨張係数が−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である。
【００１９】
熱交換器の少なくとも１つは、複数の開放要素と、複数の固体要素と、を含むことができ、各開放要素は熱交換器の丈に沿って延在する複数の開放セルを含み、各固体要素は熱交換器の丈に沿って延在し、複数の開放要素及び複数の固体要素は、熱交換器の中心軸線周りの周方向に交互に配置される。
【００２０】
システムは、少なくとも１つの流体送出パイプを更に備えることができ、流体送出パイプは、中心ボアを画定する内側パイプ壁と、中心パイプ壁の外面に当接するハニカム層と、内側パイプ壁と同心の外側パイプ壁と、内側パイプ壁及び外側パイプ壁と同心のパイプ本体と、
を備え、外側パイプ壁は、外側パイプ壁とハニカム層との間に第１空隙を画定し、
パイプ本体は、パイプ本体と外側パイプ壁との間に第２空隙を画定する。
【００２１】
流体送出パイプにおける第１空隙に、少なくとも部分的に、ハニカム層から外側パイプ壁まで半径方向に延存する１つ以上のアテニュエーターを充填することができる。パイプのアテニュエーターは、ハニカム層からパイプ本体まで半径方向に延存することができる。
【００２２】
内側蓄熱質量は、外側蓄熱質量から、張力がかかる複数の支持要素によって懸架され得る。
【００２３】
発明の第２の態様によれば、要素に対する断熱バリアが提供され、断熱バリアは、使用時に要素の外面に当接する内側層と、内側層に当接するハニカム層と、ハニカム層から離間する外側層と、外側層上に存在する封止エンベロープと、を含み、ハニカム層と外側層との間に空隙が形成される。
【００２４】
空隙に、少なくとも部分的に、ハニカム層から外側層まで延存する１つ以上のアテニュエーターを充填することができる。
【００２５】
第１断熱バリアは、複数の別個のバリアパネルから形成することができ、各パネルは別個のエンベロープによって取り囲まれる。断熱バリアの各パネルは、空隙を通って断熱バリアの層に全体的に平行な方向に延在する少なくとも１つの構造支持部材を更に備え得る。
【００２６】
発明の第３態様によれば、入口及び少なくとも１つの出口を画定するバルブ本体と、バルブ本体の一部を通って延在し、バルブ本体に対して軸線方向に移動可能であり、近位端部、及びバルブアクチュエータに係合可能な遠位端部を有するバルブステムと、バルブステムの近位端部に取り付けられ、バルブステムの移動時に少なくとも１つの出口を開閉するバルブ部材と、を備える制御バルブが提供され、バルブステム及びバルブ部材は、第１熱膨張係数を有する材料から構成され、バルブ本体は、第２熱膨張係数を有する材料から構成される。
【００２７】
第１熱膨張係数は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１とすることができ、第２熱膨張係数は、−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１とすることができる。
【００２８】
第１熱膨張係数と第２熱膨張係数との間の差は無視できることがあり、制御バルブは、バルブ本体とバルブステムとの間に配置される少なくとも１つの第１封止要素と、バルブ本体とバルブ部材との間に配置される少なくとも１つの第２封止要素と、を更に備えることができ、封止要素は、４×１０−６〜２４×１０−６Ｋ−１の熱膨張係数を有する材料から構成され、第１熱膨張係数及び第２熱膨張係数が−４×１０−６〜４×１０−６Ｋ−１である。
【００２９】
発明の第４の態様によれば、熱交換器が提供され、熱交換器は、それぞれが、熱交換器の丈に沿って延在する複数の開放セルを含む複数の開放要素と、それぞれが熱交換器の丈に沿って延在する複数の固定要素と、を備え、開放要素及び固定要素は、熱交換器の中心軸線周りの周方向に交互に配置される。
【００３０】
発明の第５の態様によれば、中心ボアを画定する内側パイプ壁と、中心パイプ壁の外面に当接するハニカム層と、内側パイプ壁と同心の外側パイプ壁と、内側パイプ壁及び外側パイプ壁と同心のパイプ本体と、を備え、外側パイプ壁は、外側パイプ壁とハニカム層との間に第１空隙を画定し、パイプ本体は、パイプ本体と外側パイプ壁との間に第２空隙を画定する、流体送出パイプが提供される。
【００３１】
流体送出パイプにおける第１空隙に、少なくとも部分的に、ハニカム層から外側パイプ壁まで半径方向に延存する１つ以上のアテニュエーターを充填することができる。パイプのアテニュエーターは、ハニカム層からパイプ本体まで半径方向に延存することができる。
【００３２】
発明の第６の態様によれば、支持構造体から懸架されるように構成され、複数の支持要素を含む蓄熱質量を含む蓄熱機器が提供され、蓄熱質量は複数の支持要素を含み、各支持要素は、蓄熱質量に取り付けられる近位端部と、使用時に支持構造体に接続可能な遠位端部とを有する。
【００３３】
蓄熱質量は内側熱質量とすることができ、蓄熱機器は、支持構造体としての機能を果たす外側熱質量を更に含み得る。
【００３４】
蓄熱機器は支持要素の対を含むことができ、対の各支持要素は、対の他の要素とクロスオーバーし、要素の各対がＸ形状を画定する。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態を、以下の図面を参照して、単に例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】超高温エネルギー貯蔵システム(UHTESS)の概略図である。
【図２】超高温エネルギー貯蔵システムに変更されたガスタービン駆動発電所の概略図である。
【図３】超高温エネルギー貯蔵システムに変更された蒸気タービン駆動発電所の概略図である。
【図４】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができる断熱構造の第1の実施形態の断面図である。
【図５】図7に示す断熱構造の斜視図である。
【図６】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができる断熱構造の第2の実施形態の断面図である。
【図７】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができる断熱構造の第3の実施形態の断面図である。
【図８（ａ）】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができるガスバルブの概略図である。
【図８（ｂ）】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができるガスバルブの概略図である。
【図９（ａ）】超高温エネルギー貯蔵システムの蓄熱容器内の蓄熱媒体を溶融するためのプロセスの図である。
【図９（ｂ）】超高温エネルギー貯蔵システムの蓄熱容器内の蓄熱媒体を溶融するためのプロセスの図である。
【図１０】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができる熱交換器を示す図である。
【図１１】超高温エネルギー貯蔵システムで使用することができるガス送出パイプを示す図である。
【図１２】超高温エネルギー貯蔵システム内の蓄熱容器を支持するために使用することができる荷重支持構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図1は主に、排他的ではないが、軽工業用、商業用及び家庭用の敷地内に供給することを目的とした超高温エネルギー貯蔵システム(UHTESS)を概略的に示す。超高温エネルギー貯蔵システムは、熱、電気および温水を提供し、可燃性のガス、液体または粉砕された固体を燃焼させることによって、あるいは媒体に貯蔵されたエネルギーでガスを加熱することによって駆動することができる。あるいは、貯蔵された熱と燃焼との組み合わせを使用することができる。
【００３８】
図示された超高温エネルギー貯蔵システムは、空気が供給される圧縮機1を備える。コンプレッサは、回転可能な軸2を介してタービン3に接続される。タービンは次に、発電のために発電機4に接続される。超高温エネルギー貯蔵システムは一対の蓄熱質量を有し、第1又は内側蓄熱質量5は第2又は外側蓄熱質量7内に位置する。各質量5、7は、それぞれの質量5、7を通って延びるとともに直接ガスを貯蔵媒体に接触させるガス流路6A、6Bのネットワークを含む。内側質量5は金属またはセラミックで作られたブリックから形成され、これらは、互いの重さを支持し、ガス流路6B内でガスがそれらの周りを流れることを可能にするように積み重ねられている。
【００３９】
ヒータ9は、内部貯蔵質量5内に配置され、電気を使用して質量を加熱することを可能にする。ヒータ9は、抵抗または誘導加熱を採用することができる。外側質量7のガス通路6Aは、一次供給ライン25を介して圧縮機1に流体的に接続されている。一対の制御バルブ26,27は、圧縮空気が圧縮機から一次供給ライン25に又は蓄熱質量5,7をバイパスするバイパスライン28に選択的に流れることを可能にする。
【００４０】
圧縮空気が外側質量ガス流路6Aを通過すると、圧縮空気は中間供給ライン29を通過し、中間供給ライン29は外側質量ガス流路6Aと内側質量ガス流路6Bとを接続する。内側質量ガス通路6Bは、それ自体、加熱された圧縮ガスをタービン3に向けるタービン入口ライン30と流体的に連結される。燃焼器8は、空気をさらに加熱し、膨張させることを可能にするタービン入口ライン30上に配置される。任意選択で、燃焼器8は、さらなる加熱が必要でない場合に空気が燃焼器をバイパスすることを可能にする、燃焼器バイパスおよび関連する１つ以上のバルブ(図示せず)を含むことができる。
【００４１】
外側貯蔵質量7を取り囲んでいるのは、熱湯及び加熱に関して失われた熱を集める液体充填ジャケット10である。ポンプ11は、ジャケットから、外部の蓄熱庫13内に配置された熱交換器12に液体を循環させる。温水及び加熱は、庫13の内部と接触しているそれぞれの熱交換器14、15のおかげで、蓄熱庫13から構内に供給される。1つ以上の圧力解放弁16がジャケット回路上に設けられている。
【００４２】
熱損失を低減するために、内部貯蔵質量5は、断熱構造内に収容される。断熱構造(図1のラベル「IV」によって特定される)の詳細図を、特に図4を参照して以下に説明する。
【００４３】
外部貯蔵質量7からの熱損失を低減するために、従来の絶縁層19を使用することができる。この断熱材は、気体または真空によって包囲または充填された、多孔質または発泡材料、セノスフェア、または多孔質セラミックで形成される。第2の従来の絶縁層20は、液体ジャケット10の外側に設けることができる。真空ポンプ21を断熱層18,19に接続して、その中の真空の強さを変えることができる。バルブ22のシステムが使用されて、層18,19内の真空が独立して制御されることを可能にする。
【００４４】
タービン3の下流にはタービン出口ライン31があり、この出口ライン31は外側熱質量7に取り付けられた第1の排気熱交換器23にガスを通す。排気ライン32は、ガスを第2の排気熱交換器24を通し排出路に送る。第2の排気熱交換器は、液体ジャケット10に接触している。排気ライン32は、ガスが第2の排気熱交換器24をバイパスすることを可能にするバイパス(図示せず)を含んでもよい。排気ガスと接触するこれらの排気熱交換器23、24は着脱可能であり、燃焼生成物から汚れを取り除くために役に立つ。排気熱交換器23、24がセラミックに組み込まれている場合には、除去後又はその場のいずれかで非常に高温のガスが流れると、デファウリングが達成される。また、このシステムは、ガスを、タービン排気からのエネルギーを使用して圧縮機から出た後に加熱するレシプロケータを含んでもよい。
【００４５】
図1に示す超高温エネルギー貯蔵システムは、以下のように動作することができる。電力需要がある場合、ガスタービンの構成要素である圧縮機1、軸2、およびタービン3は、圧縮空気、電気モータ、電気モータとして構成された発電機4、空気圧モータまたは油圧モータのいずれかでタービン3を駆動することによって、動作速度まで全体として加速される。タービン3の回転数が、圧縮機1が十分な量の加圧空気を供給するのに十分になると、始動装置をオフにすることができる。次いで、圧縮空気は、圧縮機1から、外側及び内側の熱質量7,5内に形成されるとともにガスを直接貯蔵媒体に接触させる、ガス流路6A,6Bを通過する。これにより、ガスを加熱し、ガスを膨張させる。この段階で、ガスは燃焼器8を通過することができ、そこで燃料を燃焼させて、必要に応じてガスをさらに加熱し膨張させることができる。蓄熱システムが枯渇したら、第2の制御弁27およびバイパスライン28を使用して蓄熱システムをバイパスして、流動損失を減少させることができる。燃焼器8は、必要でなければ、バルブを使用してバイパスすることもできる。
【００４６】
次いで、エネルギーが、流れから取り出され、タービン3を介して電力に変換される。この回転運動は、発電機4を用いて電気に変換され、回転軸2を介してタービンに接続される。
【００４７】
エネルギーは、電気ヒータ9を用いて内側貯蔵質量5に付加されてもよい。時間が経つにつれて、熱は、外側貯蔵質量7に伝達され、そこで回収される。エネルギーは外側貯蔵質量7から液体ジャケット10に失われ、そこで、エネルギーはその中の液体に移動される。流体は、ポンプ11によってジャケット10を通って、外部の蓄熱庫、すなわちタンク13内にあるジャケット熱交換器12に循環される。温水は、タンク13内に配置された温水熱交換器14を通って水を通すことによって、要求に応じて供給されてもよい。タンク13内の液体加熱熱交換器15への追加の液体は、空間加熱を提供するために使用される液体を加熱するために使用されてもよい。
【００４８】
ガスは、タービン3を出た後、外側の熱質量7に接して第1の排気熱交換器23を通過し、排気ガス熱から蓄熱体に熱を回収する。また、ガスの下流側では、熱エネルギーが第2の排気熱交換器24を介して液体ジャケット10に伝達される。過熱を避けるために、ウォータージャケット熱交換器(24)をバイパスするようパイプとバルブを使用する必要がある場合がある。
【００４９】
図1に示すような小規模のスタンドアロン超高温エネルギー貯蔵システムと同様に、既存の火力発電所を超高温エネルギー貯蔵システムとして運転するように変更し、エネルギーが豊富な場合は熱としてエネルギーを貯蔵し、エネルギーの需要があるときには再供給することができる。このシステムは熱、電気および温水を供給し、このシステムは、可燃性ガス、液体、粉砕された固体を燃焼させること、または媒体に蓄えられたエネルギーでガスを加熱することのいずれかによって駆動することができる。あるいは、貯蔵された熱と燃焼との組み合わせを使用することができる。従って、蓄熱された熱によって日々の需要のためのエネルギーを提供し、予期せぬ又は季節的な需要をサポートするために可燃性ガスを燃焼させるバックアップを提供する。このような変換の2つの例を図2および図3に示す。
【００５０】
図2は、超高温エネルギー貯蔵システムに変更されたガスタービン発電所を模式的に示す。従来のガスタービンは空気入口41を介して大気から空気を吸引し、そこにおいて空気は、圧縮機42で圧縮され、次いで可燃性燃料と混合され、燃焼器45で燃焼される。次いで、タービン43が、排ガスからエネルギーを取り出し、回転軸44を通して電気発生器56と圧縮機42を駆動する。
【００５１】
このガスタービン発電システムは、第1に、圧縮機42によって生成された圧縮ガスをガスタービンから第1及び第2の熱交換器50,51を介して導くことによってエネルギー貯蔵システムに変更されており、第1及び第2の熱交換器50,51はそれぞれ第1及び第2の蓄熱質量48,49に接続され、第2の蓄熱質量49が第1の蓄熱質量48を収容している。あるいは、ガス通路を貯蔵質量48、49内に形成することができ、これにより直接的なガスが貯蔵媒体に接触することを可能にする。
【００５２】
ガスを蓄熱質量48,49に通すことで、ガスを加熱し、ガスを膨張させる。この段階では、ガスを燃焼器45に通すことができ、そこで必要に応じて燃料を燃焼させてガスをさらに加熱し膨張させることができる。蓄熱システムが枯渇した場合、流動損失を減らすために、三方制御弁46を用いて蓄熱システムをバイパスさせることができる。燃焼器45を、必要でない場合には1つ以上の追加の弁(図示せず)を使用してバイパスすることもできる。一対のガス配送管47がガスをガスタービンから蓄熱システムに移送し、そして戻す。これらのパイプ47は、以下により詳細に説明する図11に示すタイプのものであってもよい。
【００５３】
また、このシステムは、温水および暖房に使用できる水を加熱するために使用することもできる。このシステムは、タービン43を出る排気ガスと接触する排気熱交換器54を備えることができる。排気熱交換器54は、蓄熱庫52内に収容された第1の蓄熱熱交換器53に接続されている。また、この蓄熱庫52は、失われた熱を集める第2の貯蔵質量49への接続部で加熱することができる。この接続部は、蓄熱庫52と接触する第2の熱貯蔵熱交換器55を備えてもよく、蓄熱庫52は、第2の貯蔵質量49と接触する第3の熱貯蔵熱交換器58と閉ループ流体連通する。システムにおける熱損失を低減するために、図1のシステムにおいて使用され、本明細書の他の箇所で説明される断熱構造体を、同心の連続的な蓄熱質量48、49と共に使用することができる。代替的に、図1のシステムの貯蔵質量配置が代わりに使用されてもよい。
【００５４】
図3は、超高温エネルギー貯蔵システムに変更された蒸気タービン発電所を概略的な形態で示している。従来の蒸気タービンの水は、ポンプ61を介して蒸気ボイラー63に圧送され、この蒸気ボイラー63は外部加熱される。水は、ボイラー63の内部で加熱され、水蒸気に変わり膨張する。次いで、タービン64が、蒸気からエネルギーを取り出し、電気発生器65を駆動するために使用される。次に、蒸気はコンデンサ66で凝縮し水に戻され、ポンプ61にフィードバックされる。
【００５５】
この蒸気タービン発電システムは、ポンプ61から水を取り出し、水を第1および第2の蓄熱質量67,68のそれぞれに接している第1および第2の熱交換器69,70に運ぶことによって、エネルギー貯蔵システムに変更することができる。水は、水蒸気に変わり、第1および第2の熱交換器69,70を通過するにつれて膨張する。この段階では、蒸気が蒸気ボイラー63を通過することができ、そこで、必要に応じて、蒸気は追加の加熱を受けることができる。蓄熱システムが枯渇した場合、ポンプ61からボイラー63または第1熱交換器69への水の流れも制御する三方制御弁62を使用して、流動損失を低減するために蓄熱システムをバイパスすることができる。蒸気ボイラー63は、必要でない場合には追加の制御弁(図示せず)を用いてバイパスすることもできる。
【００５６】
図2のガスタービンシステムと同様に、図3の蒸気タービンシステムは、温水および暖房に使用できる水を加熱するために用いることもできる。蒸気タービンシステムは、タービン64を出る蒸気と接触する凝縮器熱交換器72を備えることができる。凝縮器熱交換器72は、蓄熱庫71内に収容された第1の熱貯蔵熱交換器73に接続されている。また、この熱貯蔵部71は、第2の貯蔵質量68への接続部で加熱されて、失われた熱を集めることができる。この接続部は、熱貯蔵器71と接触する第2の熱貯蔵熱交換器74を備えてもよく、熱貯蔵熱交換器74は第2の貯蔵質量68と接触する第3の熱貯蔵熱交換器75と閉ループ流体連通する。
【００５７】
図4は、超高温エネルギー貯蔵システムに採用することができる、真空による断熱構造の第1の実施形態の断面を示す。図1のスタンドアロンシステムに関連して上述したように、このバリアは例えば、システムの内部貯蔵容量を断熱するために使用することができる。この統合されたバリアと真空は、超高温で作動するシステム、プラントおよびプロセスにおける対流、照射、および伝導を通じた熱損失を低減するために使用され得る。このようなシステムの例には、本明細書の他の箇所に記載されたタイプのエネルギー貯蔵システム、ならびに熱エンジン、抽出冶金装置、溶解炉および化学処理プラントが含まれるが、これらに限定されない。さらに、構成要素は、構造的支持を提供するために使用することができる。
【００５８】
この構成要素は、高温面と低温面の間の熱伝達を減少させるだけでなく、主に同じ方向の負荷に抵抗する。図1に示すような蓄熱システムにおける熱損失を減少させるために使用されるときに、セラミック材料82の内層が蓄熱質量5とセラミックハニカム84との間に挟まれ、負荷がハニカム84にわたって均等に分散されるようにされる。ハニカムセラミック84の機能は、放射熱伝達を低減する放射バリアとして作用することである。放射バリアは代替的に、シート、箔又はフィルムセラミック又は金属材料の連続した層を用いて形成することができる。
【００５９】
ハニカム84内のセルのサイズ、壁の厚さ、アスペクト比、数及び形状は、使用温度、温度差、負荷及び製造プロセスの制限によって決定されるであろう。これらの要因間の最適化は、テキストまたはグラフィカルインターフェースを有することができる数学的またはコンピュータプログラミング言語内で実装される数値モデルを用いて実施することができる。
【００６０】
バリアからの構造的支持が必要とされる場合、高アスペクト比のセラミックセルで作られた伝導アテニュエーター85を使用することができる。アテニュエーター85内のセルのサイズ、壁の厚さ、アスペクト比、数及び形状は、必要な負荷を支持しながら伝導熱伝達を減少させるように選択されるであろう。荷重支持が必要とされない場合、伝導アテニュエーターの代わりに空隙83が存在する。伝導アテニュエーター85のハニカム84から反対側は、密封された金属製又はセラミック製の覆い87にわたって均等に負荷を分配するセラミック材料86の外層に接続されている。この覆い87は蓄熱質量5および断熱構造を完全に囲み、外囲構造の内側に真空を引き込んで伝導性および対流性の熱伝達を最小限に抑えることができるようにする。この覆い87は、金属製またはセラミック製のフレームワークで内部または外部から支持することができる。
【００６１】
図4に示される構成は蓄熱質量5を真空内に配置することになり、したがって、エネルギーをそれとの間で移動させるために、個別の密封された熱交換器を必要とするであろう。もし、2つの蓄熱質量を有する蓄熱配置が採用されたならば、図1のシステムのように、追加の金属またはセラミックの覆いが貯蔵媒体周囲に必要とされ、それは、負荷を分散させるために、内部セラミック層で支持されてもよい。
【００６２】
必要な負荷を支持しながら、伝導および放射熱伝達をさらに最適化するために、バリア84内のハニカムセルの分布を変化させることが有用であり得る。例えば、バリアの多孔構造内に空隙を形成することができる。
【００６３】
セラミックハニカム84及び伝導アテニュエーター85は、押出、乾燥及び焼成プロセスを用いて製造することができる均一な二次元プロファイルを有することができる。これらのプロファイルは図5に示すように、単一の軸線の周りに湾曲させて、変更された押出プロセスを用いて円筒形状を形成することができる。しかしながら、図5は構造が外側の覆い内に封入されている図7の断熱構造を示すことに留意されたい。セルラプロファイルから形成されたこれらの環は、積層されて、熱システムの周囲に円筒状熱損失低減および構造支持体を形成することができる。あるいは、押出成形されたセルラ部分を螺旋の周りに回転させて、円筒状の熱損失低減および構造的支持を連続的に形成することができる。また、他の三次元オブジェクト形状を取り囲むために、例えば他のそのような押出物と共に積み重ねたときに、立方体形状を絶縁し支持するであろう略正方形押出のような、代替の押出形状を生成することが有用になり得る。
【００６４】
図6は、ハニカム押出し成形体を使用し、結合ハニカム放射バリア84、伝導アテニュエーター85および支持構造要素82、86を単一の均質なセラミック片内に備える、断熱構造の第2の実施形態を示す。また、ウェブ92のような要素を、負荷抵抗及び熱伝達を更に最適化する設計に追加することも可能である。
【００６５】
図7は、断熱構造の第3の実施形態を示す。少なくとも図1に示すシステム並びに断熱構造の第1および第2の実施形態では、内側貯蔵質量の周囲に、全体的な覆いが構築されるため、真空を維持することができる。また、個々に断熱されたパネルの集合体を用いて熱損失低減及び負荷支持構造体を構築することも好都合であり、その一つは図7に断面で示されている。この実施形態では、放射バリア84及び伝導アテニュエーター85が、完全に密封された金属製又はセラミック製の覆い93を支持するセラミック製の外層94で囲まれている。真空によって引き起こされる負荷を支持するために、追加の支持構造95および関連する支持ウェブ96を含むことが必要となり得る。追加の支持構造体及びウェブ95,96内のセルのサイズ、壁の厚さ、アスペクト比、数及び形状は、必要な荷重を支持しつつ、伝導性及び放射性の熱伝達を低減するように選択されるであろう。
【００６６】
図8(a)および図8(b)は、対流、照射および伝導による熱損失を最小限に抑えながら、ガスの流れを方向付けまたは制御するために使用されるガスバルブ構成要素を概略的に示す。このバルブは、本明細書の他の箇所に記載されている種々の貯蔵、ならびに超高温で作動する他のシステム、プラントおよびプロセスでの使用を意図している。このような他のシステムの例として加熱エンジン、抽出冶金装置、溶解炉及び化学処理プラントが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６７】
バルブは、バルブ本体101と、要求される方向の流れを制限またはブロックするように移動するバルブ部材すなわちディスク102と、バルブディスク102を外部アクチュエータ(図示せず)に接続するバルブステム103とから形成される。超高温作動に関して、シールには、温度上昇による材料の膨張差を利用する要素が設けられている。一実施形態では、本体101が低い熱膨張係数を有する材料で構成されるが、ディスク102及びステム103は高い熱膨張係数を有する材料で作製される。この場合、バルブが低温にあるとき、バルブは、本体101、ディスク102及びステム103の間の隙間のために自由に動くことができる。ディスク102およびステム103に十分な熱が加えられると、それらは膨張してバルブをシールする。バルブ本体101は、入口105と、第1および第2の出口106、107とを有する。図8(a)および図8(b)は、入口105から第1および第2の出口106、107にそれぞれガス流を導くために、バルブ位置がどのように変化するかを示す。
【００６８】
代替の実施形態では、本体101、ディスク102および軸103は類似する熱膨張係数および十分なクリアランスを有する材料から作製され、全温度範囲にわたる移動を可能にする。このシナリオでは、ステム103と本体101との間、およびディスク102と本体101との間に位置する封止要素104によって封止が提供されるであろう。これらのシール要素104は、本体、ディスク及びステムよりも大きな熱膨張係数を有する。
【００６９】
低い熱膨張係数を有する好適な材料の例は、コージライトおよび窒化ケイ素である。好ましい実施形態では、低熱膨張率が -4 × 10-6 K-1 〜 4 × 10-6 K-1 であってもよい。高い熱膨張係数を有する適切な材料の例はアルミナである。好ましい実施形態では、高熱膨張率が 4 × 10-6 K-1 〜 24 × 10-6 K-1であってもよい。
【００７０】
バルブ本体からの熱損失を下げるために、バルブ本体を、上述の断熱構造を用いて断熱し支持することができる。ステムは、それらの図に関連して説明されたバリア及びアテニュエーターを形成するために使用されるのと同じ技術及びアプローチを使用して、同じタイプのハニカムセラミック押出しにより作製され、それにより、必要な負荷に抵抗しながら熱損失を最小限に抑えることができる。
【００７１】
作動を可能にし、従ってガスの流れを制御するために、超高温バルブを冷却することが必要であろう。このことは、バルブの外部冷却によって、および上流または下流のバルブまたは切換可能な制限を使用してバルブを通過する高温ガス流の低下によって達成され得る。
【００７２】
ここで、本明細書に記載されるシステムにおいて、超高温での固相から液相への貯蔵の使用を可能にする制御された溶融加工を、図9(a)および9(b)を参照して説明する。ほとんどの材料が加熱されるときに、それらは通常熱膨張を受け、固体から液体へそして再び固体へ戻る転移が必要とされる場合、この材料を含む貯蔵容器の多大なダメージにつながる。この問題は、液状媒体が凝固するとき貯蔵媒体の形成をとり、次いでそれが再溶融されるときに膨張し、それを保持する容器を損傷するという事実から生じる。この膨張の損傷作用は、集中され、指向され及び制御された溶融加工によって回避することができる。
【００７３】
制御された溶融プロセスの第1の実施形態が、図9(a)に示されている。エネルギー貯蔵媒体113は、容器111内に収容され、媒体113は貯蔵媒体と反応しないであろうガス112で覆われている。エネルギーは、エネルギー貯蔵媒体113の表面の点114に集中される。エネルギーは、例えばレーザーによって供給され得る集中照射として入力される。エネルギーは、大きな加熱なしに、従って、溶融材料115を取り囲む固体物質116を膨張させることなく、集束点114に直接隣接する材料115の液体への急速な転移を達成するのに十分な速度で入力される。このエネルギーの入力は、溶融材料115のプールを、大きな加熱、したがって固体の膨張なしに、その周りの固体物質116を急速に溶融させるのに十分な温度に保つのに必要なレベルに維持される。エネルギー入力は、貯蔵材料の沸騰を回避するように制限される。
【００７４】
図9(b)には、過剰な材料膨張なしに貯蔵媒体を加熱する代替方法が示されており、これは媒体113を外側から内側へ急速に加熱することである。このことは、容器111の壁内に埋め込まれた抵抗発熱体を使用して、または誘導加熱によって達成することができる。再び、エネルギーは、顕著な加熱、したがってその溶融領域に隣接する固体物質116の膨張なしに、外側溶融材料115の液体への急速な転移を達成するのに十分な速度で入力される。
【００７５】
図10は、本明細書に記載される超高温エネルギー貯蔵システムにおいて使用され得る気体から固体または液体への熱交換器を示す。セラミックス製熱交換器は、押出、乾燥及び焼成法を用いて形成される。この熱交換器は、外壁123とそれを通って流れるガスとの間で熱を伝達する。セルラ要素121は、熱が固体伝導性要素122を使用して外壁123に伝導される前に、ガスから固体にこの熱を伝達する。セルラ要素の形状、サイズ及び量は、体積空間要求及び圧力損失と共に必要な熱伝達速度を最適化するために、固体導電性要素の厚さ、量、テーパー及び配置と組み合わせて決定される。この最適化は、テキストまたはグラフィックインターフェースを有することができる数学的またはコンピュータプログラミング言語内で実装される数値モデルを用いて行われる。例えば、図10に示すような円形ではなく、正方形断面のような任意の二次元プロファイル形状で、固形からガスへの熱交換器を作製することが有利である場合がある。
【００７６】
熱交換器プロファイルは、図5に示す断熱構造形状と同じ種類の変更押出工程を用いて、固体から気体への熱伝達要素を形成する長さに切断されてもよく、又は円筒形状を形成するために単一軸線の周りに湾曲されてもよい。押出セラミックプロファイルから形成されたこれらのリングを積み重ねて、熱システムの周り及び内部に構造的支持を提供することもできる円筒形の熱交換器を形成することができる。あるいは、押出ハニカム部を螺旋周りに回転させて、円筒状の熱損失低減および負荷支持構造を連続的な方法で形成することもできる。
【００７７】
図11は、超高温エネルギー貯蔵システムおよび同様の用途のような超高温動作での使用に適したガス送出パイプの断面を示す。このパイプは、熱損失を最小限に抑えながら超高温でシステムを通してガスを移送することを可能にする。超高温のガスは、ボア131を有するセラミック中央パイプ132を通って送出される。パイプからの熱損失を低減するために使用される方策は、断熱構造の実施形態に関して上述したものと同様である。パイプ132は、セラミック材料のハニカム層133によって囲まれており、放射バリアとして作用し、放射熱伝達を低減する。セルのサイズ、壁の厚さ、アスペクト比、個数および形状は、使用温度、温度差、負荷および製造プロセスの制限によって決定できる。構造的支持が必要な場合には、高アスペクト比のセラミックセルで作られた伝導アテニュエーター138がハニカム層133から半径方向に延在してもよい。セルのサイズ、壁の厚さ、アスペクト比、数及び形状は、必要な荷重を支えながら伝導熱伝達を低減するように選択されるであろう。この最適化は、テキストまたはグラフィックインターフェースを有することができる数学的またはコンピュータプログラミング言語内で実装される数値モデルを用いて行われる。荷重支持が必要でない場合には、内部空隙134が伝導アテニュエーターの代わりにハニカム層133の外側に存在するであろう。
【００７８】
伝導アテニュエーター138は、シール壁135を形成するために、セラミック又は金属材料の外層で囲まれている。シール壁135とパイプ132との間に真空が引き込まれ、伝導性および対流性の熱伝達が最小限に抑えられる。シール壁135と外壁137との間に外側ボイド136が形成される。例えば加熱のためにクーラーガスがガスタービンからエネルギー貯蔵システムに輸送され、次いでガスタービンに戻されるような二方向のガスの流れが必要とされる場合、クーラーガスは外側ボイド136を通過し、高温ガスは中央パイプ132を通って戻るであろう。このようにすることにより、高温ガスから失われたエネルギーは回収され、全体の熱損失を下げることになる。代替的に、一方向のガス流のみが必要とされる場合、外側空隙は省略されてもよい。
【００７９】
完全な断熱パイプは、セラミック押出プロセスを用いて単片に形成されるであろう。パイプ内の曲線およびターンは、乾燥および焼成プロセス中にそれを支持するのであろう曲線の周囲にセラミックプロファイルを導くことによって達成されるであろう。断熱パイプは、構造的支持のために直接接触が必要とされる箇所とは離れて、断熱パイプの外面137と金属パイプとの間に従来の断熱の層を有する金属パイプ内に支持されてもよい。
【００８０】
図12は、構造的支持を提供しながら伝導熱損失を低減するために、超高温用途で使用され得る荷重支持構成を示している。例えば図1に示すシステムに採用されている内側蓄熱質量5であり得る加熱される構成要素は、張力がかかっている支持要素142上に懸架されている。これらの要素142は安全に引張荷重に抵抗するために必要な最小限の断面積を有し、一方、その長さは、伝導性損失を低減するために最大化される。各要素は、第1の端部で内側熱質量に固定され、第2の端部で外側蓄熱質量7のような支持構造体に固定されて、例えば負荷をさらに伝達する。支持要素142は、支持要素142とバリア17との間の何らの接触なしに、内側蓄熱質量5を取り囲む断熱構造17を通過してもよい。支持要素の長さを最大化するために、支持要素はクロスオーバーし一般に「X」を形成し、それによって、各要素は外側支持構造の上隅に接続された第1の端部と、内側加熱構成要素の反対側の下隅に接続された第2の端部とを有し得る。クロスオーバー要素間には接触がない。
【００８１】
図1のスタンドアロン超高温エネルギー貯蔵システムに関して説明した特定の構成要素のいずれも、必要に応じて図2および図3のシステムに組み込むことができることを理解されたい。
【００８２】
本明細書に記載されるシステムの内部貯蔵質量であってもよい高温の構成要素またはシステムとの間でガスを移送する必要がある場合には、パイプが必要とされる。このパイプは、内部貯蔵質量を囲む断熱構造内に形成される真空内に配置されてもよい。パイプは、その長さを最大にするために、利用可能な空間内で回旋状とすることができ(例えば、スパイラル、c形状またはe形状として)、したがって、パイプの開始部とその終了部との間の伝導性損失を最小限に抑えることができる。パイプの断面、長さ、壁の厚さおよび形状は、必要な荷重を支えながら、伝導熱伝達および圧力損失を低減するように選択される。この最適化は、テキストまたはグラフィックインターフェースを有することができる数学的またはコンピュータプログラミング言語内で実装される数値モデルを用いて行われる。このパイプに、追加の支持体を、外部支持構造体に接合される追加の材料とともに、または図12を参照して説明された支持要素を使用する追加の材料を使用して、設ける必要がある場合がある。熱損失を最小限に抑えるために、これらのパイプは図11に示された形態で構築されるか、または別の方法で、放射バリアを形成するために、材料の連続した層によって取り囲まれることになる。
【００８３】
本発明による蓄熱システムは、可燃性ガス、液体、粉砕固形を燃焼させることによって、または媒体に貯蔵されたエネルギーでガスを加熱することによって、タービン入口で必要な温度を達成することができる抽出サイクルを有することができる。あるいは、貯蔵された熱と燃焼との組み合わせを逐次使用して、必要なタービン入口温度を達成することができる。
【００８４】
図1に示される超高温エネルギー貯蔵システムに追加のシステムを追加して、その有用性をさらに改善することが有利であり得る。ヒートポンプは、液体ジャケットと外側の貯蔵質量との間、または内側に熱をポンピングするために内側貯蔵質量と外側貯蔵質量との間に付加されてもよい。これらのヒートポンプは、外側貯蔵質量であってもよい低温リザーバ内の独立した又は一体化される熱交換器と、圧縮機と、内部貯蔵質量であってもよい高温リザーバ内の独立した又は一体化された熱交換器と、十分な圧力降下で軸又は他の装置を有し圧縮機を駆動するタービンと、圧縮機を駆動するモータと、を備えてもよい。
【００８５】
外側貯蔵質量と液体ジャケットとの間、または外側に、スターリングエンジンのような追加の熱エンジンを設置して、追加の電力を発生させることもできる。熱を、独立した又は外側の蓄熱質量と一体化される熱交換器でこのエンジンに供給することができる。この熱交換器が第1の排気熱交換器と一体化され又は接続される場合、熱エンジンはガスタービンのボトミングサイクルとして作用するであろう。また、追加のバルブシステムを使用して追加の熱エンジンに熱を供給するために、外部貯蔵質量及び一対の排気熱交換器を使用することが有利である場合がある。
【００８６】
電力需要に対する時間的応答を改善するために、エネルギー貯蔵フライホイールをシステムに間接的に統合することが可能であり、当該システムは、発電機と同じ電力エレクトロニクスを利用するが、一旦ガスタービンが作動速度になるとスイッチを切るであろう。また、クラッチ機構を介してガスタービンの回転軸に直接連結されたフライホイールを使用して、運転回転速度に到達するまでの時間を減少させることも可能であろう。また、一連のバルブを通して、貯蔵された圧縮空気をタービンに供給することによって、スタートアップ時間の短縮を達成することができる。あるいは、ガスタービンが始動される前に電気を供給するために、スーパーキャパシタ又は電気化学電池を使用することもできる。
【００８７】
図1の超高温エネルギー貯蔵システムは、内側及び外側の熱質量を通って延びるガス流路の代わりに、圧縮空気から熱質量に熱を伝達するために1つ以上の熱交換器を使用することができる。このような配置では、貯蔵質量を構成するブリックを隙間なく積み重ねて熱質量を形成し、又は各熱交換器をこの質量に直接接触させてガスへ及びガスから熱を伝達するように配置することができる。さらに、図1のシステムにおいて2つの熱質量のみが使用されているが、より多くの熱質量を、熱システム損失を低減するために、または特定の温度で熱を供給するために、追加してもよい。
【００８８】
温水及び暖房を採用する代わりに、温水及び暖房のための蓄熱庫の熱交換器、代替の配置を使用することができる。例えば、温水は、液体ジャケットから直接供給されてもよい。あるいは、ガスを、ジャケットに通過させて、直接、空間暖房システムに送ってもよく、又は蓄熱質量のいずれかに取り付けられる熱交換器構成を、温水または空間暖房システムに接続してもよい。
【００８９】
追加の電気を発生させるために、外側の同心円状の貯蔵質量とジャケット又は外側との間に、スターリングエンジンのような追加の熱エンジンを設置することもできる。
【００９０】
電力需要に対する時間的応答を改善するために、発電機と同じ電力エレクトロニクスを利用するであろう、エネルギー貯蔵フライホイールを、間接的にシステムに統合することが可能であろう。また、クラッチ機構を介してガスタービンのシャフトに直接連結されたフライホイールを使用して、作動回転速度に到達するまでの時間を減少させることも可能である。また、貯蔵された圧縮空気を供給することにより、起動時間の減少を達成することができた。
【００９１】
異なる応答特性を有する付加的なエネルギー貯蔵庫(例えば、スーパーキャパシタ又は電気化学電池)を使用して、ガスタービンが作動速度になる前に電気を供給することができる。
【００９２】
構成要素がセラミック材料から形成されるものとして本明細書に記載される場合、本発明は、そのような構成要素に対してこの材料の使用に限定されないことを理解されたい。例えば、本明細書に記載されるセラミック構成要素および層は代替的に、適切な金属材料から形成されてもよい。
【００９３】
これらおよび他の変更および改善は、本発明の範囲から逸脱することなく組み込むことができる。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年1月27日(2021.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギー貯蔵システムであり、前記熱エネルギー貯蔵システムは、
少なくとも２つの蓄熱質量であり、そこにおいて内側蓄熱質量は外側蓄熱質量に収容される、少なくとも２つの蓄熱質量と、
前記熱エネルギー貯蔵システムの周りで圧縮可能な流体に力を加えるポンプ又は圧縮機と、
前記ポンプ又は前記圧縮機と流体連通する第１の側、及び前記外側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第１貯蔵質量熱交換器と、
前記第１貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通する第１の側、及び前記内側蓄熱質量と接触する第２の側を有する第２貯蔵質量熱交換器と、
を備える、熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記第２貯蔵質量熱交換器の第１の側と流体連通するタービン入口、及びタービン出口を有するタービンと、
前記タービンが駆動する発電機と、
を更に備える、請求項１に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
熱貯蔵庫媒体を収容する熱貯蔵庫と、
前記熱貯蔵庫に配置され、前記外側蓄熱質量から熱を受け取るように適合される第１の側、及び前記熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱入力熱交換器と、
前記熱貯蔵庫に配置され、温水及び／または加熱供給物と流体連通する第１の側、及び前記熱貯蔵庫媒体と接触する第２の側を有する少なくとも１つの熱出力熱交換器と、
を更に備える、請求項２に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記タービン出口と流体連通する第１の側をそれぞれ有する、第１タービン出口熱交換器及び第２タービン出口熱交換器と、
前記外側蓄熱質量を囲み、前記少なくとも１つの熱入力熱交換器の第１の側と流体連通する液体ジャケットと、を更に備え、
前記第１タービン出口熱交換器の第２の側は、前記外側蓄熱質量と接触し、
前記第２タービン出口熱交換器の第２の側は、前記液体ジャケットと接触する、請求項３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記熱貯蔵庫に配置される第１熱入口熱交換器及び第２熱入口熱交換器と、
前記外側蓄熱質量と接触する第１の側、及び第１熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有する第３貯蔵質量熱交換器と、
前記タービン出口と接触する第１の側、及び第２熱入力熱交換器の第１の側に流体連通する第２の側を有するタービン出口熱交換器と、
を更に備える、請求項３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記タービン出口が、排気熱交換器又はコンデンサと流体連通する排気口を含む、請求項５に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
前記ポンプ又はコンプレッサの下流に存在し、前記第１貯蔵質量熱交換器及び第２貯蔵質量熱交換器をバイパスしながら、前記圧縮可能な流体を直接前記タービンに選択的に送る貯蔵質量バイパスを更に含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記第２貯蔵質量熱交換器及び前記貯蔵質量バイパスに流体連通する入口、及び前記タービンに流体連通する出口を有する燃焼器と、
流体を、前記第２貯蔵質量熱交換器又貯蔵質量バイパスから、前記燃焼器をバイパスしながら前記タービンに選択的に直接送る燃焼器バイパスと、
を更に備える、請求項７に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記内側貯蔵質量は、貯蔵質量を直接加熱する１つ以上の電気加熱要素を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記内側蓄熱質量を囲む第１断熱バリアを更に備え、
前記第１断熱バリアは、
前記内側蓄熱質量の外面に当接する内層と、
内側セラミック層に当接するハニカム層と、
前記ハニカム層から離間し、前記ハニカム層との間に空隙が形成されている外層と、
前記外層上の封入エンベロープと、
を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
前記空隙に、少なくとも部分的に、前記ハニカム層から前記外層まで延存する１つ以上のアテニュエーターが充填されている、請求項１０に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記第１断熱バリアが、複数の別個のバリアパネルから形成され、
各パネルは別個のエンベロープによって取り囲まれる、請求項１０又は１１に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
各断熱バリアパネルが、前記空隙を通って前記第１断熱バリアの層に全体的に平行な方向に延在する少なくとも１つの構造支持部材を更に備える、請求項１２に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記外側蓄熱質量を囲むとともにセルラ材料及び／又は多孔性材料から形成される第２断熱バリアと、
前記第１断熱バリア及び第２断熱バリアに真空を形成するとともに前記真空の強さを変えるように、前記第１断熱バリア及び第２断熱バリアに流体接続される真空ポンプと、
前記断熱バリア内の前記真空を独立して変える複数のバルブと、
を更に備える、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記内側蓄熱質量は、前記外側蓄熱質量から、張力がかかる複数の支持要素によって懸
架される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
【国際調査報告】
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2021525333.tif 000017
2021525333.tif 000018
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