(57)【要約】  再生式熱エネルギーシステムは、上端入口部分（１１６）、下側入口部分（１２０）、および下端排出部分（１３０）を備える熱交換型反応器（１１０）を備える。前記システムは、また、下側入口部分で少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの流体源（１２２）を備える。前記システムは、また、上端入口部分に少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの低温粒子貯蔵源（１１８）を備える。前記システムは、下端排出部分および上端入口部分のそれぞれで熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）を、さらに備える。熱交換型反応器は、固体粒子と流体との間で直接接触および対向流熱交換を促進するように構成されている。【選択図】図１
2015527526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端入口部分（１１６）、下側入口部分（１２０）、および下端排出部分（１３０）を備える少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）と、
前記下側入口部分（１２０）で、前記少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの流体源（１２２）と、
前記上端入口部分（１１６）で前記少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの低温粒子貯蔵源（１１８）と、
前記下端排出部分（１３０）および前記上端入口部分（１１６）のそれぞれで、前記熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）であって、前記熱交換型反応器（１１０）が、固体粒子（１１９）と流体（１２８）との間の直接接触および対向流熱交換を促進するように構成されている、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）と、
を備える再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流体源（１２２）は、少なくとも１つの流体圧縮機と、少なくとも１つの流体貯蔵源とを備え、前記少なくとも１つの流体圧縮機は、第１温度で流体（１２８）を前記熱交換型反応器（１１０）内に流すように構成され、前記少なくとも１つの流体貯蔵源は、第２温度で流体（１２８）を前記熱交換型反応器（１１０）内に流すように構成され、前記第１温度は、前記第２温度よりも高い、請求項１に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項３】
少なくともいくつかの水分除去装置をさらに備え、前記水分除去装置は、
前記少なくとも１つの流体圧縮機の上流に前記少なくとも１つの流体圧縮機と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの水分除去装置（１２３）と、
前記少なくとも１つの流体圧縮機の下流に前記少なくとも１つの流体圧縮機と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの水分除去装置（１２５）と、
前記少なくとも１つの流体圧縮機内の少なくとも１つの中間段水分除去装置（１２７）との、少なくとも１つを備える、請求項２に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項４】
前記少なくとも１つのＴＥＳ容器（１６０）および前記熱交換型反応器（１１０）の前記上端入口部分（１１６）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの固体移送ポンプ（１６６）をさらに備える、請求項１に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項５】
前記上端入口部分（１１６）と前記下側入口部分（１２０）との間で前記熱交換型反応器（１１０）に流れ連通状態で結合される少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）をさらに備え、前記少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）は、前記熱交換型反応器（１１０）を出る流体（１２８）およびその流体（１２８）中に同伴される固体粒子（１１９）を受け入れるように構成されている、請求項１記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）は、前記少なくとも１つの低温粒子貯蔵源（１１８）と流れ連通状態で結合されている、請求項５に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項７】
前記少なくとも１つのＴＥＳ容器（１６０）は、少なくともいくつかの絶縁体（１６４）を備え、所定期間の間、所定範囲の温度内の固体粒子（１１９）を収納するように構成されている、請求項１に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）は、その中に伝熱空洞（１１４）を画定し、かつ、前記固体粒子（１１９）と前記流体（１２８）との間の前記直接接触および前記対向流熱交換を促進するように構成され、前記伝熱空洞（１１４）は、前記固体粒子（１１９）および前記流体（１２８）の滞留時間を増加させるように構成された少なくとも１つの装置を少なくとも部分的に囲み、前記少なくとも１つの装置は、
少なくとも１つの、流体（１２８）および粒子の偏向装置（１６３）と、
少なくとも１つの伝熱突起（１６７）と、
少なくとも１つの伝熱流路（１６５）と、の少なくとも１つを備える、請求項１に記載の再生式熱エネルギーシステム（１００）
【請求項９】
少なくとも１つの発電設備（５００）と、
前記少なくとも１つの発電設備（５００）に結合された少なくとも１つの再生式熱エネルギーシステム（１００）であって、前記少なくとも１つの再生式熱エネルギーシステム（１００）は、
上端入口部分（１１６）、下側入口部分（１２０）、および下端排出部分（１３０）を備える熱交換型反応器（１１０）と、
前記下側入口部分（１２０）で、前記少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの流体源（１２２）と、
前記上端入口部分（１１６）で、前記少なくとも１つの熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの低温粒子貯蔵源（１１８）と、
前記下端排出部分（１３０）および前記上端入口部分（１１６）のそれぞれで、前記熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）であって、前記熱交換型反応器（１１０）は、固体粒子（１１９）と流体（１２８）との間の直接接触および対向流熱交換を促進するように、かつ、前記少なくとも１つの発電設備（５００）に高温加圧空気（１４４）を流すように構成されている、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）と、を備える、少なくとも１つの再生式熱エネルギーシステム（１００）と、
を備える発電設備（５００）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの流体源（１２２）は、少なくとも１つの流体圧縮機と、少なくとも１つの流体貯蔵源とを備え、前記少なくとも１つの流体圧縮機は、前記熱交換型反応器（１１０）に第１温度で流体（１２８）を流すように構成され、前記少なくとも１つの流体貯蔵源は、前記熱交換型反応器（１１０）に第２温度で流体（１２８）を流すように構成され、前記第１温度は、前記第２温度よりも高い、請求項９に記載の発電設備（５００）。
【請求項１１】
前記上端入口部分（１１６）と前記下側入口部分（１２０）との間で前記熱交換型反応器（１１０）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）をさらに備え、前記少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）は、前記熱交換型反応器（１１０）を出る流体（１２８）およびその流体（１２８）内に同伴される固体粒子（１１９）を受け入れるように構成されている、請求項９に記載の発電設備（５００）。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）は、さらに、前記少なくとも１つの低温粒子貯蔵源（１１８）および前記少なくとも１つの発電設備（５００）と流れ連通状態で結合されている、請求項１１に記載の発電設備（５００）。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのＴＥＳ容器（１６０）は、少なくともいくつかの絶縁体（１６４）を備え、所定期間の間、所定範囲の温度内の固体粒子（１１９）を収納するように構成されている、請求項９に記載の発電設備（５００）。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのサイクロンフィルタ（１４０）および前記少なくとも１つの発電設備（５００）と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの燃焼装置（１８１）をさらに備える請求項９に記載の発電設備（５００）。
【請求項１５】
熱交換型反応器（１１０）を介して下方に固体粒子（１１９）を流すことと、
前記熱交換型反応器（１１０）を介して上方に加圧空気（１４４）を流すことと、
前記加圧空気（１４４）から前記固体粒子（１１９）に直接接触を介して熱を伝達することと、
少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）内に前記固体粒子（１１９）を流すことと、を含む、発電設備（５００）を動作させる方法。
【請求項１６】
前記ＴＥＳ容器（１６０）から前記熱交換型反応器（１１０）を介して下方に前記固体粒子（１１９）を流すことと、
前記熱交換型反応器（１１０）を介して上方に加圧空気（１４４）を流すことと、
前記固体粒子（１１９）から前記加圧空気（１４４）に直接接触を介して熱を伝達することと、
少なくとも１つの発電設備（５００）に前記加圧空気（１４４）を流すことと、をさらに含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
熱交換型反応器（１１０）を介して下方に固体粒子（１１９）を流すことは、前記熱交換型反応器（１１０）の上端に前記固体粒子（１１９）を注入することと、重力の助けを借りて下方に前記固体粒子（１１９）を流すこととを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱交換型反応器（１１０）を介して上方に加圧空気（１４４）を流すことは、サイクロンフィルタ（１４０）を介して空気を、その空気に同伴される固体粒子（１１９）の少なくとも一部を除去するように流すことを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器（１６０）内に前記固体粒子（１１９）を流すことは、所定期間の間、所定温度範囲内の前記固体粒子（１１９）を収納することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
第１圧力で前記熱交換型反応器（１１０）を動作させることと、
第２圧力で前記少なくとも１つのＴＥＳ容器（１６０）を動作させることと、を含み、
前記第１圧力は、前記第２圧力よりも大きく、前記第２圧力は、ほぼ大気圧である値を有する、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、概してエネルギー貯蔵に関し、特に、断熱圧縮空気エネルギー貯蔵（Ａ−ＣＡＥＳ）システムに関連する再生式熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくともいくつかの公知のＡ−ＣＡＥＳシステムは、高温の、圧縮空気を貯蔵するために、広大な格納容器、例えば圧力容器や地下洞窟を使用する。人工の圧力容器を使用する貯蔵設備は、長時間の間、圧縮空気によって誘発される高圧に耐えるために、十分な格納容器壁強度を必要とする。また、これらの既知の圧力容器は、その内に貯蔵された空気の圧縮による高温に曝される。したがって、いくつかの既知の圧力容器は、摂氏約４５０度（℃）（華氏８４２度（°Ｆ））の温度に耐えるように厚い壁を有する高価な金属合金から製造されている。他の既知の格納容器は、高い圧力で気密性を促進するための複雑な構造を有する厚いコンクリート壁を備えている。このようなコンクリートの壁は、典型的には、約１００℃（２１２°Ｆ）の温度に耐えるように構築され、したがって、能動的な冷却システムを必要とする。
【０００３】
そのような既知の貯蔵容器は、人工または天然の洞窟であっても、ローカル環境への伝熱を減少させることを促進するためにかなりの量の断熱を必要とし、それによって、後で変換するために、できるだけ多くの熱エネルギーを保持する。したがって、大容量が必要とされるため、Ａ−ＣＡＥＳシステム内の熱エネルギー貯蔵は、貯蔵された圧縮ガスからの伝熱を単に減少させるために、実質的な設備投資を必要とする。
【０００４】
少なくともいくつかの公知のＡ−ＣＡＥＳシステムは、固体塊の蓄えを備える独立型容器内の固定マトリックス再生器を備える。固体塊は、高温の空気が固体塊の上に送られるので、熱エネルギーを貯蔵する。また、低温の空気が固体塊上を流れるので、固体塊は、熱エネルギーを放出する。しかし、これらの独立型容器の壁は、そこを介して流される空気の圧力に耐えるのに十分な強度を提供しなければならない。そのため、壁を強化することは、Ａ−ＣＡＥＳシステムの主要な建設費を増加させる。また、少なくともいくつかの公知のＡ−ＣＡＥＳシステムは、かなりの熱損失を促進するために機器を使用する間接伝熱システムを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０５３４１０号パンフレット
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、再生式熱エネルギーシステムが提供される。前記システムは、上端入口部分、下側入口部分、および下端排出部分を備える熱交換型反応器を備える。前記システムは、また、下側入口部分に少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの流体源を備える。前記システムは、また、上端入口部分に少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの低温粒子貯蔵源を備える。前記システムは、さらに、下端排出部分および上端入口部分のそれぞれで熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器を備える。熱交換型反応器は、固体粒子と流体との間の直接接触および対向流熱交換を促進するように構成されている。
【０００７】
さらなる態様では、発電設備が提供される。前記設備は、少なくとも１つの発電設備と、少なくとも１つの発電設備に結合された少なくとも１つの再生式熱エネルギーシステムを備える。少なくとも１つの再生式熱エネルギーシステムは、上端入口部分、下側入口部分、および下端排出部分を備える熱交換型反応器を備える。前記システムは、また、下側入口部分に少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの流体源を備える。前記システムは、さらに、上端入口部分に少なくとも１つの熱交換型反応器と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの低温粒子貯蔵源を備える。前記システムは、また、下端排出部分および上端入口部分のそれぞれで熱交換型反応器と流れ連通状態で結合された少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器を、さらに備え、熱交換型反応器は、固体粒子と流体との間の直接接触および対向流熱交換を促進するように、かつ少なくとも１つの発電設備に高温加圧空気を流すように、構成されている。
【０００８】
別の態様では、発電設備を動作させる方法が提供される。前記方法は、熱交換型反応器を介して下方に固体粒子を流すことと、熱交換型反応器を介して上方に加圧空気を流すこととを、を含む。前記方法は、また、加圧空気から固体粒子に直接接触を介して熱を伝達することを、含む。前記方法は、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器内に固体粒子を流すことを、さらに含む。
【０００９】
本発明のこれらのおよびその他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が、図面を通じて同様の文字が同様の部分を表す添付図面を参照して読まれるときに、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な再生式熱エネルギーシステムの第１部分の概略図である。
【図２】図１に示される再生式熱エネルギーシステムを充填する方法のフローチャートである。
【図３】図１に部分的に示される再生式熱エネルギーシステムの第２部分の概略図である。
【図４】図３に示される再生式熱エネルギーシステムを排出する方法のフローチャートである。
【図５】図１および図３に示される再生式熱エネルギーシステムを使用する例示的な発電設備の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
別段の指示がない限り、本明細書に提供される図面は、本発明の鍵となる独創的な特徴を説明することを意図している。これらの鍵となる独創的な特徴は、本発明の１つまたは複数の実施形態を備える様々なシステムに適用可能であると考えられている。このように、図面は、本発明の実施に必要とされる、当業者に知られている従来のすべての特徴を含むことを、意図していない。
【００１２】
以下の明細書および特許請求の範囲において、参照は、以下の意味を有すると定義される多くの用語に対してなされている。
【００１３】
文脈が明確に指示しない限り、単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「前記（ｔｈｅ）」は、複数の参照を含む。
【００１４】
「任意の」または「任意に」は、続いて記載される事象または状況が起こっても起こらなくてもよいことを意味し、その記述は、事象が発生した場合における例および事象が発生しない場合における例を含むことを意味する。
【００１５】
明細書および特許請求の範囲を通じて、本明細書で用いられる近似表現は、それが関係する基本形式に変化を生じることなしに許容範囲内で変わり得る任意の定量的表現を修飾するために、適用され得る。したがって、「約」および「実質的に」のような用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似表現は、値を測定するための計器の精度に対応してもよい。ここで、および、本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限界は、組み合わされ、および／または交換されてもよく、そのような範囲が、文脈または表現がそうでないと明記しない限り、特定され、かつすべての部分範囲を含む。
【００１６】
図１は、例示的な再生式熱エネルギーシステム１００の第１部分１０２の概略図である。第１部分１０２は、すなわち、（以下でさらに説明される）固体塊が、貯蔵のための熱エネルギーで充填されるときの充填動作中に使用されるシステム１００の構成要素を備える。
【００１７】
例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、完全に囲まれた伝熱空洞１１４を画定する複数の壁１１２を備える熱交換型反応器１１０を備える。壁１１２は、また、少なくとも１つの低温粒子貯蔵源１１８と流れ連通状態で結合される上端入口部分１１６を画定する。低温粒子貯蔵源１１８は、本明細書に記載されるように、限定されないが、ホッパ、ビン、サイロ、固体移送装置、および重力送り装置を備える再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の貯蔵および配送システムである。貯蔵源１１８および上端入口部分１１６は、伝熱空洞１１４内に、小さな、低温の、固体粒子１１９を、注入するように協働する。粒子１１９は、本明細書に記載されるように、限定されないが、砂を備える再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の固体である。
【００１８】
また、例示的な実施形態では、壁１１２は、少なくとも１つの流体源、すなわち、空気圧縮機１２２、例えば、限定はしないが、多段階の空気圧縮機と、流れ連通状態で結合される下側入口部分１２０を画定する。代わりに、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする、液体および気体を含む任意の流体が、使用される。また、代わりに、システム１００は、直列に結合された複数の空気圧縮機１２２を有する（図示しない）段階的空気圧縮システムを備える。さらに、代わりに、下側入口部分１２０は、（図示しない）空気入口マニホールドに結合することができる（図示しない）複数の空気入口ポートを画定する。空気圧縮機１２２は、電動モータ１２４に結合されている。代わりに、空気圧縮機１２２は、本明細書に記載されるように、限定されないが、蒸気タービン、ガスタービン、水力タービン、風力タービン、ガソリン燃焼エンジン、およびディーゼルエンジンを備える再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の機構によって駆動され、必要に応じて、すべてがギア結合されている。さらに後述するように、空気圧縮機１２２は、低温の、周囲空気１２６を受け入れ、伝熱空洞１１４内に、高温の、圧縮空気１２８を排出するように、構成されている。
【００１９】
例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、伝熱空洞１１４内への、高温の、圧縮空気１２８の注入の前に、圧縮空気から水分を除去する水分除去装置を備える。このような水分除去装置は、空気圧縮機１２２の上流で空気圧縮機１２２と流れ連通状態で結合される上流水分分離器１２３と、空気圧縮機１２２の下流で空気圧縮機１２２と流れ連通状態で結合される下流水分分離器１２５と、空気圧縮機１２２内の複数の中間段水分分離器１２７のうち少なくとも１つ、を備える。上流水分分離器１２３、下流水分分離器１２５、中間段水分分離器１２７のそれぞれは、空気から水１２９の除去を促進する。
【００２０】
さらに、例示的な実施形態では、壁１１２は、高温の固体粒子１３２の貯蔵を促進するように構成された、内側に傾斜した下端排出部分１３０を画定する。下端排出部分１３０は、また、重力の助けを借りて伝熱空洞１１４から高温の固体粒子１３２の排出を促進するように構成されている。
【００２１】
さらに、この例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、空気排出管路１４２を介して伝熱空洞１１４と流れ連通状態で結合される少なくとも１つのサイクロンフィルタ１４０を備える。管路１４２は、上端入口部分１１６と下側入口部分１２０との間に配置され、伝熱空洞１１４からサイクロンフィルタ１４０に、低温の、加圧空気１４４および同伴粒子１４６を、向けるように構成されている。少なくとも１つの低温の、加圧空気貯蔵容器１４８は、サイクロンフィルタ１４０と流れ連通状態で結合されている。また、サイクロンフィルタ１４０は、同伴粒子１４６を保持するように構成された傾斜部１５０を備える。貯蔵源１１８は、傾斜部１５０と流れ連通状態で結合されている。
【００２２】
また、例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、下端排出部分１３０で熱交換型反応器１１０と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵（ＴＥＳ）容器１６０を備える。ＴＥＳ容器１６０は、高温の固体粒子１３２をその中に受け入れかつ貯蔵するように構成された粒子貯蔵空洞１６２を画定する。空洞１６２は、本明細書に記載されるような１サイクルを通して再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にするのに十分な大きさである。ＴＥＳ容器１６０は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の１つの完全なサイクルを通じて、所定の温度範囲内に高温の固体粒子１３２を維持することを可能にするのに十分である絶縁層１６４を備える。例えば、限定しないが、絶縁層１６４は、１２から２４時間の間、所定の温度範囲内に高温の固体粒子１３２を維持することを促進する。ＴＥＳ容器１６０は、ほぼ大気圧で動作するように構成されている。
【００２３】
さらに、例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、ＴＥＳ容器１６０と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの固体移送ポンプ１６６を備える。ポンプ１６６は、以下でさらに説明するように、ＴＥＳ容器１６０から高温粒子１６８を移送するように構成されている。例示的な実施形態では、固体移送ポンプ１６６は、ＧＥエナジー、アトランタ、ジョージア州、ＵＳＡから市販されるＧＥ・Ｐｏｓｉｍｅｔｒｉｃ（登録商標）ポンプである。代わりに、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意のポンプ装置が使用される。
【００２４】
また、例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、固体粒子１１９と、高温の、圧縮空気１２８との滞留時間を増加させるように構成された少なくとも１つの装置を備える。例えば、限定するものではないが、複数の、空気および粒子の偏向装置１６３は、伝熱空洞１１４内の壁１１２に結合され、そこから内側に延びている。また、例えば、限定するものではないが、空気および粒子の偏向装置１６３および壁１１２は、曲がりくねった伝熱流路１６５を画定する。また、例えば、限定するものではないが、伝熱突起１６７、例えば、限定するものではないが、熱フィンは、流路１６５内に配置される。偏向装置１６３、流路１６５、および突起１６７は、粒子１１９と空気１２８との間の伝熱をさらに促進するための滞留時間を増加させることを促進する。
【００２５】
図２は、（図１に示される）再生式熱エネルギーシステム１００を充填する方法２００のフローチャートである。充填動作中、（図１に示される）小さな、低温の、固体粒子１１９は、上端入口部分１１６を介して貯蔵源１１８から伝熱空洞１１４に注入される（２０２）（いずれも図１に示される）。粒子１１９は、摂氏約０℃（華氏３２度（°Ｆ））から約４９℃（１２０°Ｆ）までの温度範囲内で注入される。あるいは、粒子１１９は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内で注入される。粒子１１９は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の圧力で注入される。
【００２６】
また、充填動作中に、粒子１１９は、重力の助けを借りて、（図１に示される）熱交換型反応器１１０を介して下方に向けられる（２０４）。（図１に示される）低温の、周囲空気１２６は、（図１に示される）空気圧縮機１２２によって、受け入れられかつ圧縮される（２０６）。周囲空気１２６は、約０℃（３２°Ｆ）から約４９℃（１２０°Ｆ）までの温度範囲にあり、約１気圧の大気圧、すなわち、１．０１５ｂａｒ、１０１．３５３キロパスカル（ｋＰａ）、および平方インチ（ｐｓｉ）あたり１４．７ポンドを、有する。代わりに、空気圧縮機１２２への吸入空気１２６は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の範囲内の温度および圧力を有する。
【００２７】
さらに、充填動作中、空気圧縮機１２２は、約２５０℃（４８２°Ｆ）から約７００℃（１２９２°Ｆ）までの温度範囲で、かつ、約２０ｂａｒ（２０００ｋＰａ、２９０ｐｓｉ）から約７０ｂａｒ（７０００ｋＰａ、１０１５ｐｓｉ）までの圧力範囲で、（図１に示される）高温の、圧縮空気１２８を伝熱空洞１１４内に排出する（２０８）。代わりに、空気圧縮機１２２から排出される高温の、圧縮空気１２８は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の範囲内の温度および圧力を有する。高温の、圧縮空気１２８は、伝熱空洞１１４を介して上方に流される（２１０）。
【００２８】
また、充填動作中、粒子１１９および空気１２８は、互いに反対に流れるので、粒子１１９および空気１２８は、伝熱空洞１１４内で互いに直接接触する。空気１２８と粒子１１９との間のこのような直接接触は、空気１２８が熱エネルギーを粒子１１９に伝達するように、それらの間での熱交換を促進する（２１２）。熱交換は、（いずれも図１に示される）高温の固体粒子１３２、低温の、加圧空気１４４、および同伴粒子１４６を生成する。偏向装置１６３、流路１６５、突起１６７は、粒子１１９と空気１２８との間の伝熱をさらに促進するための滞留時間を増加させることを促進する。
【００２９】
また、充填動作中に、低温の、加圧空気１４４および同伴粒子１４６は、伝熱空洞１１４から、粒子１４６から空気１４４を分離する（２１６）ためにサイクロン作用を使用するサイクロンフィルタ１４０に、抽出される（２１４）。空気１４４は、少なくとも１つの低温の、加圧空気貯蔵容器１４８に向けられる（２１８）。空気１４４は、約２０℃（６８°Ｆ）から６０℃（１４０°Ｆ）までの範囲内かつ約２０ｂａｒ（２０００ｋＰａ、２９０ｐｓｉ）から約７０ｂａｒ（７０００ｋＰａ、１０１５ｐｓｉ）までの圧力範囲内の温度値を有する。代わりに、空気１４４は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内にある。
【００３０】
さらに、充填動作中に、同伴粒子１４６は、重力の助けを借りて、サイクロンフィルタ１４０を介して下方に向けられ、サイクロンフィルタ１４０の（図１に示される）傾斜部１５０に貯蔵される（２２０）。粒子１４６は、約２０℃（６８°Ｆ）から約６０℃（１４０°Ｆ）までの範囲内の温度値を有する。あるいは、粒子１４６は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内にある。粒子１４６は、再生利用のための低温粒子貯蔵源１１８に流される。
【００３１】
また、充填動作中、高温の固体粒子１３２は、内側に傾斜する下端排出部分１３０に堆積される。高温の固体粒子１３２は、重力の助けを借りて、伝熱空洞１１４からＴＥＳ容器１６０に移される（２２２）。ＴＥＳ容器１６０は、粒子貯蔵空洞１６２内に高温の固体粒子１３２を受け取りかつ貯蔵する。高温の固体粒子１３２は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の１つの完全なサイクルを通じて、約２４０℃（４６４°Ｆ）から約６９０℃（１２７４°Ｆ）までの所定温度範囲内に維持される（２２４）。例えば、限定することなく、高温の固体粒子１３２は、約１２から約２４時間の間、典型的な温度範囲内に維持される。ＴＥＳ容器１６０は、ほぼ大気圧に維持される。
【００３２】
図３は、再生式熱エネルギーシステム１００の第２部分１７０の概略図である。第２部分１７０は、排出動作中に、すなわち、（以下でさらに説明される）高温の固体塊内に貯蔵された熱エネルギーが電力を生成するように遊離するときに、使用されるシステム１００の構成要素を備える。上述の排出動作のために（図１に示される）第１部分１０２で使用されるシステム１００の同じ構成要素の多くは、充填動作のためにも、使用される。
【００３３】
上述したように、例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、ＴＥＳ容器１６０と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの固体移送ポンプ１６６を備える。固体移送ポンプ１６６は、また、上端入口部分１１６を介して熱交換型反応器１１０の伝熱空洞１１４と流れ連通状態で結合されている。固体移送ポンプ１６６は、ＴＥＳ容器１６０から伝熱空洞１１４内に高温粒子１６８を移送するように構成されている。
【００３４】
また、上述したように、貯蔵された、低温の、加圧空気１４４は、約２０ｂａｒ（２０００ｋＰａ、２９０ｐｓｉ）から約７０ｂａｒ（７０００ｋＰａ、１０１５ｐｓｉ）までの圧力範囲内で空気貯蔵容器１４８に収納される。したがって、固体移送ポンプ１６６は、空気１４４の圧力に打ち勝つのに十分な圧力で熱交換型反応器１１０内に粒子１６８を注入するように構成されている。
【００３５】
また、上述したように、サイクロンフィルタ１４０は、空気排出管路１４２を介して伝熱空洞１１４と流れ連通状態で結合されている。サイクロンフィルタ１４０は、同伴粒子戻し管路１７５を介して伝熱空洞１１４と流れ連通状態で結合されている。
【００３６】
さらに、この例示的な実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、機械に、限定されないが、例えば、発電機１８２に回転可能に結合された少なくとも１つの膨張器１８０を備える。膨張器１８０は、サイクロンフィルタ１４０と流れ連通状態で結合されている。
【００３７】
少なくともいくつかの代替の実施形態では、再生式熱エネルギーシステム１００は、サイクロンフィルタ１４０および膨張器１８０と流れ連通状態で結合される少なくとも１つの燃焼装置１８１を備える。燃焼装置１８１は、サイクロンフィルタ１４０に結合された高温空気補助線１８３を備える。燃焼装置１８１は、また、燃料ライン１８５を備える。燃焼装置１８１は、高温空気補助線１８３および燃料ライン１８５に接続された空気／燃料混合器１８６を、さらに備える。燃焼装置１８１は、また、空気／燃料混合器１８６および高温空気補助線１８３に結合された燃焼室１８７を備える。燃焼装置１８１は、燃焼室１８７、高温空気補助線１８３、および膨張器１８０に結合された熱交換装置１８８を、さらに備える。燃焼装置１８１は、熱交換装置１８８を加熱するように結合された排気管１８９を、さらに備える。
【００３８】
図４は、（図３に示される）再生式熱エネルギーシステム１００の排出方法３００のフローチャートである。排出動作中、（図３に示される）高温の固体粒子１３２は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の完全な１サイクルを通じて、２４０℃（４６４°Ｆ）から約６９０℃（１２７４°Ｆ）までの所定温度範囲内に維持される（３０２）。例えば、限定することなく、高温の固体粒子１３２は、１２から２４時間の間、典型的な温度範囲内に維持される。（図３に示される）ＴＥＳ容器１６０は、ほぼ大気圧に維持される。（図３に示される）高温の粒子１６８は、ＴＥＳ容器１６０から（図３に示される）伝熱空洞１１４内に、（図３に示される）上端入口部分１１６を介して、同様な温度範囲内で移される。
【００３９】
また、排出動作中、上述したように、低温の、加圧空気１４４は、（図３に示される）空気貯蔵容器１４８内に収納されている（３０４）。空気１４４は、約２０℃（６８°Ｆ）から６０℃（１４０°Ｆ）までの範囲内かつ約２０ｂａｒ（２０００ｋＰａ、２９０ｐｓｉ）から約７０ｂａｒまでの圧力範囲内（７０００ｋＰａ、１０１５ｐｓｉ）の温度値を有する。貯蔵された、低温の、加圧空気１４４は、伝熱空洞１１４内に排出される（３０６）。空気１４４は、伝熱空洞１１４を介して上方に向けられている（３０８）。（図３に示される）固体移送ポンプ１６６は、空気１４４の圧力に打ち勝つのに十分な圧力で熱交換型反応器１１０内に粒子１６８を注入する（３１０）。
【００４０】
さらに、排出動作中に、粒子１６８および空気１４４は、互いに反対に流れるので、粒子１６８および空気１４４は、伝熱空洞１１４内で互いに直接接触する。空気１４４と粒子１６８との間のこのような直接接触は、粒子１６８が熱エネルギーを空気１４４に移すように、それらの間での熱交換を促進する（３１２）。熱交換は、（いずれも図３に示される）高温の、加圧空気１７２、同伴粒子１７４、および低温粒子１９０を生成する。
【００４１】
また、排出動作中に、高温の、加圧空気１７２および同伴粒子１７４は、伝熱空洞１１４から、粒子１７４から空気１７２を分離する（３１６）ためにサイクロン作用を使用する（図３に示される）サイクロンフィルタ１４０に、抽出される（３１４）。高温の、加圧空気１７２および同伴粒子１７４は、約２４０℃（４６４°Ｆ）から約６９０℃（１２７４°Ｆ）までの温度範囲内にある。
【００４２】
また、排出動作中に、同伴粒子１７４は、重力の助けを借りて、サイクロンフィルタ１４０を介して下方に向けられ（３１８）、サイクロンフィルタ１４０の（図３に示される）傾斜部１５０に貯蔵される。いくつかの再利用可能な、すなわち、未だ伝達可能な、熱エネルギーは、粒子１７４内に存在することができる。したがって、約２４０℃（４６４°Ｆ）から約６９０℃（１２７４°Ｆの）までの温度範囲内にあるこのような粒子１７４は、空気１４４へのさらなる熱エネルギー伝達のために、伝熱空洞１１４内に再注入される（３２０）。あるいは、粒子１７４は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内で伝熱空洞１１４に再注入される。粒子１７４の温度は、約２０℃（６８°Ｆ）から約６０℃（１４０°Ｆ）までの所定範囲内の値に達するので、粒子１７４は、再生使用のための低温粒子貯蔵源１１８に移される（３２２）。代わりに、粒子１７４は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内で低温粒子貯蔵源１１８に向けられる。
【００４３】
さらに、排出動作中に、実質的に伝達可能な熱エネルギーを使い果たした低温粒子１９０は、（図３に示される）内側に傾斜した下端排出部分１３０に堆積される。粒子１９０は、重力の助けを借りて、高温の固体粒子１３２に貯蔵された熱エネルギーを転換利用する確率を減少させる方法で、伝熱空洞１１４からＴＥＳ容器１６０に、移される（３２４）。ＴＥＳ容器１６０は、粒子貯蔵空洞１６２内に低温粒子１９０を受け取りかつ貯蔵する。低温粒子１９０は、再生利用のための低温粒子貯蔵源１１８に移される（３２６）。
【００４４】
また、排出動作中に、約２４０℃（４６４°Ｆ）から約６９０℃（１２７４°Ｆ）までの範囲内の温度値を有し、かつ約２０ｂａｒ（２０００ｋＰａは、２９０ｐｓｉ）から約７０ｂａｒ（７０００ｋＰａ、１０１５ｐｓｉ）の圧力範囲内にある、高温の、加圧空気１７２は、（図３に示される）膨張器１８０に向けられる（３２８）。代わりに、空気１７２は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の温度範囲内および任意の圧力範囲内にある。（図３に示される）膨張器１８０は、（図３に示される）発電機１８２を駆動し（３３０）、（図３に示される）膨張空気１８４は、本明細書に記載されるような再生式熱エネルギーシステム１００の動作を可能にする任意の場所に排出される。
【００４５】
少なくともいくつかの代替の実施形態では、サイクロンフィルタ１４０からの高温空気は、管路１８３を介して燃焼装置１８１に流される。高温の空気および燃料の一部は、管路１８３および燃料ライン１８５を介して、空気／燃料混合器１８６に流され、それぞれ、そこで混合される。空気／燃料混合物は、燃焼室１８７に流され、追加の高温空気が管路１８３から燃焼室１８７内に注入される。高温ガスが生成され、熱交換装置１８８を加熱するように流される。ガスから管路１８３から流される高温空気への伝熱は、膨張器１８０の前に、空気１７２の温度をさらに上昇させる。燃焼ガスは、排気管１８９を介して流される。
【００４６】
図５は、再生式熱エネルギーシステム１００を使用する例示的な発電設備５００の概略図である。例示的な実施形態では、発電設備５００は、これらに限定されないが、蒸気タービン発電機、ガスタービン発電機、水車発電機、風力発電機、ガソリン燃焼エンジン駆動の発電機、ディーゼルエンジン発電機、およびそれらの任意の組み合わせを備える、複数の発電機５０２を備える。
【００４７】
限定するものではないが、発電設備５００を動作させることの一例は、非ピーク期間の間に熱エネルギーを貯蔵することと、ピーク期間の間に貯蔵された熱エネルギーを消費することとを、含む。非ピーキング発電期間中に、発電設備の自身／オペレータ（ｏｗｎ／ｏｐｅｒａｔｏｒ  ｏｆ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｆａｃｉｌｉｔｙ）は、将来のピーク期間中の追加の発電の必要性を予想する。発電機５０２は、（図１に示される）空気圧縮機１２２の電動モータ１２４に電力を送り、熱エネルギーは、上述したように、再生式熱エネルギーシステム１００に貯蔵される。ピーキング期間中、再生式熱エネルギーシステム１００は、貯蔵された熱エネルギーを実質的に回収し、発電機１８２によって生成される電力は、伝達のため、発電機５０２によって生成される電力に加えられる。充填動作および排出動作を含むそのような再生動作は、再生式熱エネルギーシステム１００の完全なサイクルを表す。例として、限定するものではないが、そのようなサイクルは、平日に２回発生する可能性があり、すなわち、排出動作は、午前約５：００から午前約９：００までの間、そして再び、午後約５：００から午後約１０：００までの間に、発生する。充填動作は、排出動作が進行中でないときに、これらの２つの期間の間に行われる。代わりに、発電設備５００のいくつかの実施形態は、１つのシステム１００が充填しかつ排出している第２システム１００に供給するように、再生式熱エネルギーシステム１００の複数の反復を含むことができる。
【００４８】
上述の再生式熱エネルギーシステムは、後で使用するために熱エネルギーを生成しかつ貯蔵するための費用対効果の高い方法を提供する。本明細書に記載される実施形態は、ピーク電力使用期間中の将来の使用のために、低電力使用期間中に、熱エネルギー貯蔵容器に熱エネルギーを貯蔵することを促進する。具体的には、本明細書に記載される装置、システム、および方法は、高温の圧縮空気から重力の助けを借りて、低温の、固体粒子に、直接接触を介して、熱を伝達することを促進する。さらに具体的には、本明細書に記載される装置、システム、および方法は、低電力使用期間中に空気圧縮機を駆動するために、その中で生成される電力の少なくともいくつかを使用するように、発電設備を用いることを促進する。高温の、小さな粒子に、今、収納されている熱エネルギーは、大気圧で一定時間の間、特定の温度範囲内に粒子を維持するように構成される絶縁容器内における粒子を用いて、貯蔵されている。低温の、加圧された空気は、貯蔵容器に流される。高電力使用の期間中に、高温の粒子は、空気中に戻って熱エネルギーを伝達するために、貯蔵された、低温の、加圧空気と混合するように、流される。再加熱された空気は、発電機に結合された膨張器に送られる。したがって、小さな高温の粒子が、空気を貯蔵するために使用する容器よりも小さい容器に貯蔵されているので、より堅牢な構造材料および空気貯蔵用の断熱材の使用が、不要となる。さらに、粒子および空気が直接接触しているので、間接的な熱エネルギー伝達を促進するのに必要な機器は、必要としない。
【００４９】
本明細書に記載される方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）熱エネルギーを貯蔵するために使用される容器の容積を減少させることと、（ｂ）高温の空気と低温の粒子とを、および高温の粒子と低温の空気とを、それらの間の熱エネルギーを再生可能に伝達させるために、直接に接触させること、の少なくとも１つを含む。
【００５０】
発電設備および動作させるための方法のための再生式熱エネルギーシステムの例示的な実施形態は、詳細に上述されている。再生式熱エネルギーシステム、発電設備、およびそのようなシステムおよび設備を動作させる方法は、本明細書に記載される特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載される他の構成要素および／またはステップから独立してかつ別個に、利用することができる。例えば、方法は、また、熱エネルギー貯蔵を必要とする他のシステムおよび方法と組み合わせて使用することができ、本明細書に記載されるような、再生式熱エネルギーシステム、発電設備、および方法を用いた実施に限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、他の多くの熱エネルギー貯蔵および伝達の適用に関連して、実施されかつ利用されることができる。
【００５１】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面には示すことができ、他の図面には示されていないが、これは単に便宜のためである。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて、参照され、および／または要求され得る。
【００５２】
本明細書は、本発明を開示するために、また、当業者が本発明を実施することができるように、最良の形態を含む実施例を使用し、実施例は、任意の装置またはシステムを作ることおよび使用することと、任意の組み込み方法を実行することと、を含んでいる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文言と実質的な差を有しない等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００５３】
１００  再生式熱エネルギーシステム、第２システム
１０２  第１部分
１１０  熱交換型反応器
１１２  壁
１１４  伝熱空洞
１１６  上端入口部分
１１８  低温粒子貯蔵源、貯蔵源
１１９  固体粒子、粒子
１２０  下側入口部分
１２２  空気圧縮機、流体源
１２３  上流水分分離器
１２４  電動モータ
１２５  下流水分分離器
１２６  吸入空気、周囲空気
１２７  中間段水分分離器
１２８  圧縮空気、空気
１２９  水
１３０  下端排出部分
１３２  高温粒子
１４０  サイクロンフィルタ
１４２  空気排出管路、管路
１４４  加圧空気、空気
１４６  同伴粒子、粒子
１４８  加圧空気貯蔵容器、空気貯蔵容器
１５０  傾斜部
１６０  ＴＥＳ容器、容器
１６２  粒子貯蔵空洞、空洞
１６３  偏向装置
１６４  絶縁層
１６５  伝熱流路、流路
１６６  固体移送ポンプ、ポンプ
１６７  伝熱突起、突起
１６８  高温粒子、粒子
１７０  第２部分
１７２  加圧空気、空気
１７４  同伴粒子、粒子
１７５  同伴粒子戻し管路
１８０  膨張器
１８１  燃焼装置
１８２  発電機
１８３  管路、高温空気補助線
１８４  膨張空気
１８５  燃料ライン
１８６  燃料混合器
１８７  燃焼室
１８８  熱交換装置
１８９  排気管
１９０  低温粒子、粒子
２００  方法
３００  排出方法
５００  発電設備
５０２  発電機
【図１】
2015527526.tif 000003
【図２】
2015527526.tif 000004
【図３】
2015527526.tif 000005
【図４】
2015527526.tif 000006
【図５】
2015527526.tif 000007
【国際調査報告】
2015527526.tif 000008
2015527526.tif 000009
2015527526.tif 000010