(57)【要約】  様々なエネルギー貯蔵および回収システムを述べる。一般に、「高温」熱貯蔵器と「低温」熱貯蔵器が提供される。「高温」貯蔵器は、液相と飽和蒸気相との両方の作業流体を保持する。「低温」貯蔵器は、高温貯蔵器よりも低い温度で作業流体を保持する。熱機関／ヒートポンプユニットは、（ａ）エネルギーの回収を容易にするために、力学的エネルギーを発生する様式で、作業流体蒸気の膨張によって、高温貯蔵器から低温貯蔵器に進む蒸気からエネルギーを抽出し、（ｂ）エネルギーの貯蔵を容易にするために、低温貯蔵器から高温貯蔵器に進む蒸気を圧縮する。いくつかの実施形態では、熱機関／ヒートポンプは、膨張機と圧縮機とのどちらとしても働くことができる可逆的容積式熱機関の形態を取る。電気エネルギーの貯蔵および回収を容易にするために、電気モータ／発電機ユニットが、熱機関／ヒートポンプユニットに機械的に結合されることがある。【選択図】図１
2015503048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー貯蔵および回収システムであって、
液相と飽和蒸気相との作業流体を含む第１の状態で作業流体を保持するように構成されている第１の熱貯蔵器と、
前記第１の熱貯蔵器内の前記作業流体の温度よりも低い温度である第２の状態で作業流体を保持するように構成されている第２の熱貯蔵器と、
熱機関／ヒートポンプユニットと
を備え、前記熱機関／ヒートポンプユニットは、
（ａ）エネルギー貯蔵および回収システムからのエネルギーの回収を容易にするために、力学的エネルギーを発生する様式で、作業流体蒸気の膨張によって、前記第１の熱貯蔵器から前記第２の熱貯蔵器に進む作業流体蒸気からエネルギーを抽出し、
（ｂ）エネルギー貯蔵および回収システム内でのエネルギーの貯蔵を容易にするために、前記第２の熱貯蔵器から前記第１の熱貯蔵器に進む作業流体蒸気を圧縮するように構成されている、
エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項２】
エネルギー貯蔵および回収システムであって、
第１の状態で水と飽和水蒸気とを保持するように構成されている第１の熱貯蔵器と、
前記第１の状態よりも低い温度を有する第２の状態で水および水蒸気を保持するように構成されている第２の熱貯蔵器と、
可逆的容積式蒸気機関とを備え、前記可逆的容積式蒸気機関は、
（ａ）エネルギー貯蔵および回収システムからのエネルギーの回収を容易にするために、力学的エネルギーを発生する様式で、水蒸気の膨張によって、前記第１の熱貯蔵器から前記第２の熱貯蔵器に進む水蒸気からエネルギーを抽出し、
（ｂ）エネルギー貯蔵および回収システム内でのエネルギーの貯蔵を容易にするために、前記第２の熱貯蔵器から前記第１の熱貯蔵器に進む水蒸気を圧縮するように構成され、
水および水蒸気が、エネルギー貯蔵および回収システムのための作業流体として働く、
エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項３】
エネルギー貯蔵および回収システムであって、
液相と飽和蒸気相の作業流体を含む第１の状態で作業流体を保持するように構成されている第１の熱貯蔵器と、
前記第１の状態よりも低い温度を有する第２の状態で蒸気相作業流体を提供するように構成されている低温熱エネルギー源と、
蒸気相作業流体を復水するように構成されている復水器と、
熱機関／ヒートポンプユニットと
を備え、前記熱機関／ヒートポンプユニットは、
（ａ）エネルギー貯蔵および回収システムからのエネルギーの回収を容易にするために、力学的エネルギーを発生する様式で、作業流体蒸気の膨張によって、前記第１の熱貯蔵器から前記復水器に進む作業流体蒸気からエネルギーを抽出し、
（ｂ）エネルギー貯蔵および回収システム内でのエネルギーの貯蔵を容易にするために、前記低温熱エネルギー源から前記第１の熱貯蔵器に進む作業流体蒸気を圧縮するように構成されている、
エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記作業流体は、
（ａ）水、または水を含む混合物と、
（ｂ）フルオロカーボン、またはフルオロカーボンを含む混合物と、
（ｃ）アンモニア、またはアンモニアを含む混合物と、
（ｄ）炭化水素、または炭化水素を含む混合物と、
からなる群から選択される、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、さらに、
熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関に機械的に結合された電気モータ／発電機を備え、前記電気モータ／発電機が、前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関がヒートポンプとして動作されるときには、前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関を駆動させるように構成され、熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関が熱機関として動作されるときには、電気を発生するように構成されている、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関は、ユニフロー式蒸気機関、ユニバーサル−ユニフロー式蒸気機関、および逆流蒸気機関からなる群から選択される、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記第１の熱貯蔵器は、周囲大気圧よりも実質的に高い圧力で前記第１の熱貯蔵器内で前記作業流体を保持するように構成されている圧力容器を含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記第２の熱貯蔵器または前記低温熱エネルギー源は、非加圧作業流体を保持するように構成され、準大気圧チャンバを含み、前記準大気圧チャンバは、蒸気への液体作業流体の準大気圧フラッシング、および／または液相への蒸気作業流体の準大気圧復水を促進する、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記第２の熱貯蔵器または前記低温熱エネルギー源は、作業流体蒸気を準大気圧で保持するように構成されている圧力容器を含み、蒸気への液体の準大気圧フラッシング、および／または液体への蒸気の準大気圧復水を促進するエネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関は、圧縮された作業流体蒸気が前記熱機関／ヒートポンプまたは蒸気機関から前記第１の熱貯蔵器に排気される前に、圧縮のために前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関を通る蒸気相作業流体に液相作業流体を追加するための液体噴射装置を含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関は、前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関を通過する一部膨張された作業流体から液体を除去するための分離器を含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関は、クランクシャフトと、少なくとも１つの作業チャンバとを含み、各作業チャンバは、クランクシャフトに結合されている関連する往復ピストンと、複数の関連する弁とを有し、前記弁は、前記作業チャンバ内への作業流体の導入、および前記作業チャンバからの作業流体の排出を容易にし、前記弁の開閉のタイミングは変更可能であり、それにより、（ａ）同方向に回転する前記クランクシャフトを用いて、前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関を膨張モードと圧縮モードとの両方で動作させることができ、（ｂ）前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関の膨張／圧縮比の変更を容易にするように、前記クランクシャフト角度に対する前記弁の開閉のタイミングを変えることができる、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記エネルギー貯蔵および回収システムのラウンドトリップ効率は少なくとも７０パーセントである、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、さらに、
前記第１の熱貯蔵器から引き出される蒸気相作業流体を、前記作業流体が前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関を通過される前に過熱すること、および
前記熱機関／ヒートポンプユニットまたは蒸気機関の膨張段階の合間に作業流体を再加熱すること、
の少なくとも一方のための加熱器を備える、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１５】
請求項１および請求項３から１４のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記熱機関／ヒートポンプユニットは、少なくとも１つの熱機関と、前記熱機関とは別個の少なくとも１つのヒートポンプとを含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１６】
請求項５から１５のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記電気モータ／発電機は、少なくとも１つのモータと、前記モータとは別個の少なくとも１つの発電機とを含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵および回収システムにおいて、
前記蒸気機関は、
複数の順次膨張段階と、
関連する１対の前記膨張段階の合間に、一部膨張された水蒸気から水を除去するための水蒸気分離器と
を含む、エネルギー貯蔵および回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱エネルギー貯蔵システムに関する。より詳細には、本発明は、液体水／水蒸気など相変化を利用して熱エネルギーを貯蔵するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーの供給と需要との時間的な不一致を解決するために、電気エネルギーを貯蔵することが望ましい多くの状況が存在する。例えば、太陽エネルギーおよび風力エネルギーなど何らかの代替エネルギー源の利用可能性は、１日の中で大きく異なることがあり、そのようなエネルギーを収集するデバイス（例えば光起電力集光器または風力タービン）の出力は、しばしば、そのようなデバイスが発生する電気エネルギーに対する需要に一致しない。供給と需要の不一致の別の例は、原子力発電所などのベースライン発電施設において具現化され、これらの施設は、一般に実質的に安定した電気出力を生成するように設計されるが、電気の需要は、時間と共に変化する傾向がある。
【０００３】
供給と需要の不一致により、バルク電気エネルギー貯蔵が望ましいものとなることがあり、長年にわたって、そのような電気エネルギーの貯蔵および回収を容易にするために多様なシステムおよびデバイスが提案および／または使用されている。電気エネルギーを貯蔵するために設計されるデバイスの最も身近な例の１つは、電池である。電池は、比較的小規模のエネルギー貯蔵用途に関しては良好に機能する傾向があるが、より大規模のエネルギー貯蔵システムにおいては、法外なコストがかかる傾向がある。グリッドスケール電気エネルギー貯蔵用途で使用されているより大規模のエネルギー貯蔵システムの一例は、揚水式水力発電および貯蔵である。揚水式水力発電・貯蔵システムでは、電力は、上側貯蔵器から下側貯蔵器に流れる水の位置エネルギーを抽出するタービンによって発生される。電力の需要が低く、かつ低コストでの他の動力源からの余剰な供給があるとき、タービンを逆動させて、下側の貯蔵器から上側の貯蔵器に水をポンプすることができ、それによりエネルギーを重力位置エネルギーとして貯蔵する。後で、電力の需要がより高くなったときに、上側貯蔵器に貯蔵された水を使用してタービンを駆動させて、電力を発生させることができる。
【０００４】
他の媒体および大規模のエネルギー貯蔵システムは、エネルギー貯蔵メカニズムとして、熱エネルギー、圧縮空気、フライホイール、コンデンサ、および化学エネルギーなどのメカニズムを利用している。そのような従来のエネルギー貯蔵システムはいくつかの利益を有するが、比較的高いラウンドトリップエネルギー回収効率を有する費用対効果が高いエネルギー貯蔵システムを開発するための努力が続けられている。そのようなデバイスは、エネルギー利用可能性が需要よりも高く、エネルギーの価格および／または価値が低いときには、電気を獲得または購入して関連のエネルギーを貯蔵し、エネルギー利用可能性が需要よりも低く、エネルギーの価格および／または価値が高いときには、そのようなエネルギーを回収および利用または販売することを実用的にすることができる。
【発明の概要】
【０００５】
様々なエネルギー貯蔵および回収システムについて説明する。一般に、「高温」熱貯蔵器と「低温」熱貯蔵器が提供される。「高温」熱貯蔵器は、液相状態と飽和蒸気相状態との両方で作業流体を保持するように構成される。「低温」熱貯蔵器は、高温熱貯蔵器内の作業流体よりも低い温度を有する第２の状態で作業流体を保持するように構成される。熱機関／ヒートポンプユニットは、（ａ）エネルギー貯蔵および回収システムからのエネルギーの回収を容易にするために、力学的エネルギーを発生する様式で、作業流体蒸気の膨張によって、高温貯蔵器から低温貯蔵器に進む作業流体からエネルギーを抽出し、（ｂ）エネルギー貯蔵および回収システム内でのエネルギーの貯蔵を容易にするために、低温貯蔵器から高温貯蔵器に進む作業流体を圧縮するように構成される。
【０００６】
作業流体として、様々な異なる材料を使用することができる。いくつかの好ましい実施形態では、作業流体として水が使用される。作業流体として水が使用されるとき、水は、水蒸気として、熱機関／ヒートポンプユニットを通過する。そのような実施形態では、熱機関／ヒートポンプユニットは、蒸気機関の形態を取ることがある。
【０００７】
熱機関／ヒートポンプは、膨張機と圧縮機とのどちらとしても働くことができる可逆的熱機関の形態を取ることがあり、または、膨張機と圧縮機として別個のデバイスが使用されることがある。いくつかの実施形態では、可逆的容積式熱機関（例えば、ピストン蒸気機関）が、熱機関／ヒートポンプとして使用される。例として、ユニフロー式（ｕｎａｆｌｏｗ）、ユニバーサル−ユニフロー式、および逆流蒸気機関が、良好に機能する。いくつかの好ましい実装形態では、熱機関は、調節可能な弁と制御装置とを含み、制御装置は、クランクシャフト角度に対して弁の開閉のタイミングを変えるように構成される。
【０００８】
電気エネルギーの貯蔵および回収を容易にするために、電気モータ／発電機ユニットが、熱機関／ヒートポンプユニットに対して機械的に結合されることがある。電気モータ／発電機は、作業流体の圧縮中には熱機関／ヒートポンプユニットを駆動し、作業流体の膨張中には電気を発生するように構成される。電気モータ／発電機は、単一の逆動可能ユニット、または別個のモータデバイスと発電機デバイスとして実装することができる。
【０００９】
高温貯蔵器および低温貯蔵器は、圧力容器または非加圧式貯蔵器の形態を取ることがある。非加圧式貯蔵器が使用されるとき、準大気圧チャンバを提供して、蒸気への作業流体の（例えば、水蒸気への液体水の）準大気圧フラッシング、および／または液体への蒸気の準大気圧復水を促進することができる。加圧容器が高温貯蔵器として使用されるとき、高温貯蔵器内の作業流体は、周囲大気圧よりも実質的に高い圧力で貯蔵することができる。
【００１０】
いくつかの代替実施形態では、低温貯蔵装置は、蒸気を復水するように構成されている復水器と、高温貯蔵器よりも低い温度を有する水蒸気を提供するように構成されている別個の低温熱エネルギー源との組合せによって置き換えることができる。
【００１１】
本発明およびその利点は、添付図面に関連付けて述べる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による熱機関／ヒートポンプベースのエネルギー貯蔵および回収システムの概略図である。
【００１３】
【図２（ａ）】エネルギー貯蔵モードで動作する、加圧式高温貯蔵器と、準大気圧フラッシングチャンバを備える非加圧式低温貯蔵器とを有するエネルギー貯蔵および回収システムの概略図である。
【００１４】
【図２（ｂ）】エネルギー回収モードで動作する図２（ａ）のエネルギー貯蔵システムの概略図である。
【００１５】
【図３】非加圧式の高温貯蔵器および低温貯蔵器を有するエネルギー貯蔵および回収システムの概略図である。
【００１６】
【図４】加圧式の高温貯蔵器および低温貯蔵器を有するエネルギー貯蔵および回収システムの概略図である。
【００１７】
【図５】低温源と、別の低温シンクとを有するエネルギー貯蔵および回収システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面中、時として、同様の構造要素を表すために同一の参照番号が使用される。また、図面における図示は、概略的であり、正確な縮尺では描かれていないことを理解すべきである。
【００１９】
いくつかの熱エネルギーベースのエネルギー貯蔵および回収システムを述べる。一般に、説明する貯蔵システムは、相当な熱容量を有する作業流体を利用し、システムの貯蔵容量を改良する助けとなるように相変化（例えば、液体水／水蒸気相変化）を利用する。
【００２０】
次に図１を参照して、本発明の一実施形態による熱機関／ヒートポンプベースの電気エネルギー貯蔵および回収の基本的なアーキテクチャについて述べる。貯蔵システム１００は、「高温」熱貯蔵器１０５と、「低温」熱貯蔵器１１０とを含む。熱機関／ヒートポンプ１２０を使用して、２つの熱貯蔵器１０５と１１０の間で作業流体を搬送する。例示される実施形態では、熱機関／ヒートポンプ１２０は、発電機／モータ１３０に結合され、発電機／モータ１３０はさらに、電源および適切であれば電気的負荷に結合される。エネルギーを貯蔵する様式でシステム１００を動作させるとき、電源からの電気がモータ１３０に電力供給し、モータ１３０は、ヒートポンプ１２０を駆動する（作動させる）。ヒートポンプは、低温熱貯蔵器１１０から引き出された蒸気形態の作業流体を圧縮し、これはまた、本来的に作業流体を加熱する。圧縮された作業流体は、次いで、高温熱貯蔵器１０５に貯蔵される。
【００２１】
エネルギーを回収する様式でシステム１００を動作させるとき、熱機関／ヒートポンプ１２０は、熱機関モードで動作される。熱機関１２０は発電機１３０を駆動し（作動させ）、発電機１３０は電気（電力）を発生し、この電気は、電気的負荷に電力供給するために使用することができ、送電網に送ることができ、または任意の他の所望の様式で利用することができる。電気エネルギーを受け取って送給するシステムを例示するが、代替実施形態では、力学的エネルギー（風力タービンまたは他のデバイスによって駆動される回転シャフトなど）がヒートポンプを駆動させることができ、および／または、望まれる場合には、熱機関の力学的出力を直接使用することができる。
【００２２】
高温熱貯蔵器１０５は、低温熱貯蔵器１１０よりも高い温度で作業流体を保持するが、貯蔵器の実際の温度は、広範に変化することがある。したがって、本明細書で使用する際、名称「高温」および「低温」は、貯蔵器内部の作業流体の特定の温度ではなく、貯蔵器の相対温度、または周囲温度もしくは任意の特定の基準温度に対する貯蔵器の温度を示すことのみを意図される。以下でより詳細に述べるように、熱貯蔵器１０５および１１０は、多様な形態を取ることがあり、加圧または非加圧作業流体を貯蔵することがある。
【００２３】
説明する実施形態では、熱機関／ヒートポンプ１２０内での作業流体として水蒸気が使用され、したがって、水／水蒸気が熱貯蔵器１０５および１１０内に貯蔵される。しかし、代替実施形態では、水の代わりに多様な他の作業流体を使用することができることを理解すべきである。例として、代替実施形態では、様々な水ベースの混合物（例えば、水／アンモニア混合物）、フルオロカーボン、アンモニア、炭化水素、および冷媒、および／またはこれらの流体の任意のものを含む混合物を使用することができる。一般に、システムの貯蔵容量を改良するために有利には相変化を使用することができるように、主に液相で作業流体を貯蔵することが望ましい。
【００２４】
エネルギー貯蔵および回収システム１００の動作の説明を容易にするために、図２（ａ）および図２（ｂ）は、システム１００の１つの適切な構成の動作を概略的に例示する。この実施形態では、低温熱貯蔵器１１０（「低温貯蔵装置」とも呼ぶ）は、非加圧水を保持し、一方、高温熱貯蔵器１０５（「高温貯蔵装置」とも呼ぶ）は、加圧水を保持する。図２（ａ）は、エネルギー貯蔵モードでのエネルギー貯蔵システムの動作を概略的に例示し、図２（ｂ）は、エネルギー回収モードでのシステムの動作を例示する。図２（ａ）に例示されるエネルギー貯蔵モードでは、水蒸気が、低温貯蔵装置１１０から引き出され、ヒートポンプ１２０（ａ）によって圧縮される。加圧された水蒸気は、高温貯蔵装置１０５に注入され、そこで、高温貯蔵装置内部の水と接触することによって復水される。圧縮された水蒸気の導入および復水は、高温貯蔵装置を加温する効果を有し、それにより、熱エネルギーの貯蔵を容易にする。当業者には理解されるように、気体（例えば水蒸気）の断熱圧縮は、気体をかなり加温する効果を有し、したがって、圧縮された水蒸気は、一般に、ヒートポンプ１２０（ａ）のための供給源として働いた低温貯蔵装置１１０からの水蒸気よりもはるかに高温になる。
【００２５】
高温貯蔵装置１０５が加圧式であるので、本来的に、高温貯蔵装置内部には飽和水蒸気と加圧水とが存在する。貯蔵器内部にいくらかの温度成層が存在することがあるが、一般に、液体／蒸気境界面（すなわち水面）で、飽和水蒸気と液体水との熱力学的平衡が生じている。圧縮された水蒸気が高温貯蔵装置に導入されるとき、液体／蒸気境界面での熱力学的平衡を概して保ちながら、高温貯蔵装置の温度と圧力がどちらも増加する。高温貯蔵装置内部での温度成層を減少させる助けとなるように、図２（ａ）に例示されるように高温貯蔵装置の底部付近から水蒸気を注入することがしばしば望ましく、注入された水蒸気は、貯蔵器を通って上昇するときに液体水と接触し、それにより、注入された水蒸気の復水を容易にする。ここで例示する、流入する水蒸気の液体水への注入は、復水を促進し、温度成層を減少させるために良好に機能するが、同じ機能を達成するために他のメカニズムを使用することもできるので、これは必須ではない。
【００２６】
高温熱貯蔵器は実質的に閉じた系であるので、任意の時点での高温貯蔵装置の実際の動作圧力は、高温貯蔵装置の現行温度に大きく依存する（すなわち、より高温＝より高圧）。より圧縮された水蒸気が高温貯蔵装置に追加されるとき、高温貯蔵装置の温度と圧力はどちらも上昇し続ける。しかし、高温貯蔵装置に関する最大動作温度／圧力に関して何らかの限度を設定することが望ましい。実際、最大動作温度／圧力は、経済的な制約によって定められる傾向があり、主な制約は、高温熱貯蔵器として使用される容器のコストである。現在、約１７または１８ｂａｒ（ゲージ圧）（すなわち約１７または１８気圧）の圧力を定格とする市販されているいくつかの圧力容器（タンク）が存在する。１７ｂａｒ（ゲージ圧）（約２５０ｐｓｉｇ（ゲージ圧））の圧力では、高温貯蔵装置内部の水および水蒸気の温度は、約２０７℃となる。そのような圧力容器は比較的低価格で市販されているので、高温貯蔵装置１０５の最大動作圧力がその範囲内になるようにシステムを設計することが望ましいことがある。しかし、これは必須要件では全くなく、高温貯蔵装置の最大動作圧力は、任意の特定の用途の要件に見合うように広範に変えることができる。
【００２７】
上述したように、低温貯蔵装置１１０は、ヒートポンプ１２０（ａ）のための水蒸気源として働く。図２（ａ）の実施形態では、低温貯蔵装置１１０は非加圧式である。低温貯蔵装置１１０内の水体積は加圧されないが、水蒸気の準大気圧フラッシング（沸騰）を容易にするためにカラム１１２が提供される。よく知られているように、水は、標準気圧（常圧）では約１００℃の温度で沸騰する。しかし、より低い圧力では、水は、より低温でフラッシュ（沸騰）して水蒸気になる（当然、水は、より高圧ではより高温で沸騰する）。例えば、水は、０．１ｂａｒ（絶対圧）の圧力では、約４６℃の温度で沸騰し、０．０５ｂａｒ（絶対圧）の圧力では、約３３℃の温度で沸騰し、０．０２ｂａｒ（絶対圧）の圧力では、約１７．５℃の温度で沸騰する。水のこの特性を使用して、関連の貯蔵装置内部の水が加圧されていないときでさえ、１００℃よりも十分に低い温度で水蒸気を発生させることができる。
【００２８】
図２（ａ）に例示される実施形態では、フラッシングカラム１１２が、低温熱貯蔵器と併せて提供される。フラッシングカラム１１２は、低温熱貯蔵器１１０内部の水位線よりも下の高さで開いており、貯蔵器１１０内部の水の表面よりも上に延在する。空気がカラムから排気されるとき、カラム内部で（周囲圧に対する）真空が発生され、これは、カラム内部の水の表面を、周囲圧での周囲の水よりも高い水位まで引き上げる効果を有する。カラムの高さが十分であり、空気の排気が完了した場合、カラム内部の水のいくらかがフラッシュ（沸騰）し、それにより、飽和水蒸気が、水位線よりも上でカラムに充満する。水位線よりも上のカラムの部分によって形成されるチャンバを、本明細書では時として、フラッシングチャンバ１１３と呼ぶ。フラッシングチャンバ内部の飽和水蒸気は、カラム１１２内部の水面で水と平衡状態になる温度および圧力に等しくなる。したがって、高温貯蔵装置１０５内と同様に、フラッシングチャンバ１１３内部の水蒸気の温度および圧力は、隣接する水の温度に応じて変化する。フラッシングカラム１１２の実際の高さは、任意の特定の熱貯蔵システムの設計目標に基づいて広範に変えることができるが、作業流体として水蒸気が使用されるときには、フラッシングチャンバ１１３内部で所望の準大気水蒸気圧を発生させるために、少なくとも約９．４メートルのカラム高さが一般に好ましい。
【００２９】
エネルギー貯蔵モードでは、図２（ａ）に例示されるように、水蒸気は、フラッシングチャンバ１１３から引き出され、ヒートポンプ１２０（ｂ）によって圧縮される。水蒸気がフラッシングチャンバから引き出されるとき、フラッシングチャンバ内部の圧力が降下し、これは、より多くの水を蒸発（フラッシュ）させて、チャンバ１１３を平衡状態に戻す。水（および他の作業流体）の蒸発の潜熱は比較的高いので、水蒸気へのいくらかの水の蒸発は、周囲の水から熱を抽出し、それにより周囲の水を効果的に冷却する。したがって、水蒸気がフラッシングチャンバ１１３から引き出されるとき、低温熱貯蔵器１１０内部の水の温度は徐々に降下する。
【００３０】
フラッシングカラムが使用されるとき、カラムの実際の設計は、任意の用途の要件に見合うように広範に変えることができる。典型的には、所望の流量でヒートポンプ１２０（ｂ）に供給するのに十分に高い流量で水蒸気を発生させることができることを保証するために、フラッシングチャンバ内部で十分な水の表面積を提供することが重要となる。いくつかの用途では、低温熱貯蔵器１１０およびフラッシングカラム１１２を巡るように水を循環させるためのメカニズムを提供することも望ましい。水のこの混合は、フラッシングカラム１１２内部での温度成層のリスクを減少させる助けとなる。特に、かなりの量の水蒸気が発生されているとき、フラッシング表面での水は比較的急速に冷却し、サーモサイホン効果のみでは、フラッシング表面での水の温度を、低温貯蔵装置１１０内部の水体本体とほぼ同じ温度に保つのに十分ではないことがあることを理解すべきである。これは特に、カラムの直径または幅（したがってフラッシング表面積）がカラム高さに比べて小さい場合である。一般に、フラッシングチャンバの表面での水が、下にある水体の温度よりもかなり低い温度になることは望ましくない。なぜなら、これは、ヒートポンプ１２０（ｂ）に供給される水蒸気の温度および圧力を減少させ、システムの全体の効率を低下させることになるからである。
【００３１】
低温貯蔵装置およびフラッシングチャンバ内部での水の循環を向上させるために、様々なメカニズムを使用することができる。例えば、循環および混合を向上させるために、インペラ、プロペラ、および他の混合デバイスを、低温貯蔵装置内部（例えばカラム１１２内）に適切に位置決めして使用することができる。様々な他の実施形態では、循環を向上させるために２つ以上のカラムを使用することができる。
【００３２】
次に図２（ｂ）を参照して、エネルギー回収モードでのエネルギー貯蔵システム１００の動作を述べる。エネルギー回収中、図２（ｂ）に例示されるように、水蒸気は、高温貯蔵装置１０５から引き出され、蒸気機関１２０（ｂ）に通される。蒸気機関は、ドライブシャフトの回転など有用な力学的仕事を生み出すように、水蒸気を膨張させて水蒸気からエネルギーを抽出する。次いで、ドライブシャフトを任意の所望の様式で使用することができ、例えば、発電機１３０（ｂ）に動力供給し、発電機１３０（ｂ）が電気を発生して、ポンプを駆動させる、または他の機械類を駆動させる。蒸気機関１２０（ｂ）に供給される水蒸気は、典型的には、高温貯蔵装置の上部付近の位置から引き出されるが、これは必須要件ではない。
【００３３】
水蒸気が高温貯蔵装置１０５から引き出されるとき、貯蔵装置内部の圧力が減少し、これがさらに、より多くの水を蒸発（フラッシュ）させて、高温貯蔵装置１０５を平衡状態に戻す。水蒸気へのいくらかの水のそのような蒸発は、周囲の水から熱を抽出し、それにより周囲の水を効果的に冷却する。したがって、水蒸気が高温貯蔵装置１０５から引き出されるとき、高温貯蔵装置内部の水／水蒸気の温度および圧力が徐々に降下する。
【００３４】
熱機関の当業者には理解されるように、気体の断熱膨張は、膨張プロセス中に気体の温度を大幅に降下させる。したがって、蒸気機関１２０（ｂ）によって排気される膨張後の水蒸気は、吸入時の水蒸気よりもかなり低温になって、低温貯蔵装置１１０に戻されることがある。蒸気機関が、水蒸気から最大限の仕事を取り出す（したがって最も効率的に動作する）ことができるように、一般に、できるだけ低い圧力で水蒸気を排気することが望ましい。したがって、しばしば、大気圧よりも低い圧力で蒸気機関から水蒸気を排気することが望ましい。フラッシングチャンバ１１３内部の圧力は大気圧未満であるので、フラッシングチャンバは、蒸気機関からの排気を受け取るための好適な場所となる。
【００３５】
概念上は、水蒸気がフラッシングチャンバ１１３に送給されるとき、フラッシングチャンバ内部の圧力が増加し、これは、チャンバ１１３内部の水蒸気のいくらかを復水させてチャンバ１１３を平衡状態に戻す。したがって、エネルギー回収モードでは、フラッシングチャンバ１１３は、準大気圧復水チャンバとして効果的に働く。液体水へのいくらかの水蒸気の復水は、低温貯蔵装置に熱を加え、それにより周囲の水を効果的に加温する。したがって、水蒸気がフラッシングチャンバ１１３に導入されるとき、低温熱貯蔵器１１０内部の水の温度は徐々に上昇する。
【００３６】
水蒸気が低温貯蔵装置内に注入されるとき、好ましくは、水蒸気の効率的な復水、および低温貯蔵装置内での復水物と水との良好な熱的混合を保証する助けとなるように対策が取られる。チャンバ１１３内部での復水を向上させるための一方法は、水蒸気がチャンバに導入されるときにチャンバ内に水滴を噴霧することである。水蒸気は水滴上で復水する傾向があるので、水滴は、水蒸気の復水を向上させる。そのような噴霧は、噴霧器１１４によって達成することができ、噴霧器１１４は、低温貯蔵装置から水を引き出し、カラムの上部（または上部付近）から水のシャワーを噴霧し、それにより、復水チャンバ１１３内部に水のシャワーを効果的に生成する。単純なポンプ（図示せず）を使用して、低温貯蔵装置内部の任意の適切な位置から水を引き出し、復水チャンバ内に水を噴霧し、それにより復水を向上させることができる。水の露出表面積（図示せず）を増加させるように構成されるドリップトレイおよびラシヒリング（Ｒａｓｃｈｉｇ  ｒｉｎｇｓ）、トレイ、または他の構造など他の従来の復水向上メカニズムも使用することができる。
【００３７】
また、フラッシングチャンバの表面の水と、下方にある低温貯蔵装置内の水との良好な混合が生じることを保証することも望ましい。良好な混合が生じないと、復水する水蒸気からのエネルギーが表面付近の水を加熱するので、下方にあるプールに比べて表面での温度が上昇する。水／蒸気境界面でのより高い温度は、チャンバ１１３内部の圧力を増加させる効果を有する。チャンバ１１３内部の増加された圧力は、蒸気機関内で水蒸気をあまり膨張させることができないことを意味し、これは、水蒸気から抽出することができる仕事を減少させ、それにより、エネルギー貯蔵および回収プロセスの全体のラウンドトリップ効率を減少させる。水蒸気発生中に低温貯蔵装置内部での水の循環を向上させるために使用されるのと同じ混合メカニズムを、復水中に水を循環させるためにも使用することができる。
【００３８】
説明するエネルギー貯蔵および回収システム１００は、エネルギーの熱貯蔵を容易にするのに良く適している。余剰の電気エネルギーまたは力学的エネルギーが利用可能であるとき、そのようなエネルギーを使用して、低温熱貯蔵器１１０から引き出された作業流体（例えば水蒸気）を、高温熱貯蔵器１０５内に貯蔵するために圧縮および加熱するように、ヒートポンプ１２０（ａ）を駆動させることができる。貯蔵システムからエネルギーを回収することが望ましいとき、高温の高圧水蒸気が、高温貯蔵装置から引き出され、有用な仕事を水蒸気から抽出するために熱機関１２０（ｂ）内で膨張され、この仕事を、電気を発生させるため、または任意の他の所望の目的で使用することができる。熱機関／ヒートポンプ１２０およびモータ／発電機１３０が損失をなんら伴わず、熱貯蔵器内で熱損失または圧力損失（または利得）がない理想的なシステムでは、エネルギー貯蔵のラウンドトリップ効率は、１００％となり得る。すなわち、理論的には、システムから回収することができる有用なエネルギーの量は、システムを駆動させるために使用されるエネルギーの量と同じである。当然、実際のシステムでは１００％のラウンドトリップ貯蔵／回収効率（ＲＴＥ）は可能でないが、システムに動力供給するために電気が使用され、かつシステムによって最終的に出力される動力の形態が電気であるときでさえ、既存の技術を使用して（例えば、以下でより詳細に述べるように、モータ／発電機と併せて容積式蒸気機関／圧縮機を使用して）６０〜８０％程度のラウンドトリップ貯蔵／回収効率が容易に達成可能であると考えられ、さらに高いラウンドトリップ効率も可能であり得る。熱機関／ヒートポンプを駆動する(作動させる)力学的動力を直接供給する、および／または熱機関／ヒートポンプによって出力される力学的動力を直接利用するシステムでは、モータ／発電機１３０の任意の非効率性が省かれるので、より高い効率も可能である。グリッドスケールエネルギー貯蔵用途の当業者には明らかなように、６０〜８０％の範囲内のラウンドトリップ貯蔵および回収効率が経済的に実現可能であるいくつかの用途が存在する。
【００３９】
他の熱貯蔵器構成
図２（ａ）および図２（ｂ）に例示される実施形態では、高温熱貯蔵器１０５は加圧され、一方、低温熱貯蔵器は加圧されない。しかし、これは必須要件ではなく、両方の貯蔵器が、加圧式または非加圧式貯蔵器を利用することもある。例として、図３は、高温貯蔵装置１０５（ａ）と低温貯蔵装置１１０（ａ）の両方が、ある量の水と、湿気を含む水のための空間とを含む非加圧容器である構成を示す。この実施形態では、高温貯蔵装置１０５（ａ）も、図２に関して上述した水蒸気発生カラム１１２と同様の、準大気圧での水蒸気の発生を促進するメカニズム（例えばカラム１０７）を含む。低温貯蔵装置は、図２に関して上述したのと同じ様式で動作することができる。したがって、高温貯蔵装置と低温貯蔵装置はどちらも、準大気圧で水蒸気を発生するためのメカニズムを有する。
【００４０】
図３に例示されるタイプのシステムの利点は、非加圧水容器のコストが、場合によっては加圧容器のコストよりもはるかに安く、これが、全体のシステムコストを減少させる助けとなり得ることである。欠点は、図３の構成では、高温貯蔵装置と低温貯蔵装置の温度差および圧力差がかなり小さくなることである。より小さな温度／圧力差により、所与のシステムエネルギー貯蔵容量に関して、熱機関／ヒートポンプ１２０を通過しなければならない水蒸気の体積がはるかに大きい。したがって、典型的には、かなり大きい熱機関／ヒートポンプおよび大きい熱貯蔵器が必要とされ、これらは共に、追加の出費を要する。任意の特定の実装形態において、どの構成がより費用対効果が高いかは、様々な構成要素の相対コストや、利用可能な空間による。
【００４１】
さらに別の実施形態が図４に例示される。この実施形態では、高温貯蔵装置１０５（ｂ）と低温貯蔵装置１１０（ｂ）がどちらも圧力容器である。高温貯蔵装置１０５（ｂ）は、図２の加圧式高温貯蔵装置１０５に関して上述したのと同様に機能する。低温貯蔵装置１１０（ｂ）も概して同様に動作するが、典型的には、別個のフラッシングカラムの必要性はもはやない。したがって、エネルギーの貯蔵中には、低温貯蔵装置１１０（ｂ）の水蒸気チャンバ領域１１１からヒートポンプのための水蒸気を引き出すことができ、エネルギーの回収中には、蒸気機関から排気された水蒸気を水蒸気チャンバ領域１１１内に向けて戻すことができる。前述した実施形態と同様に、典型的には、水蒸気の復水を向上させるために、水蒸気が低温貯蔵装置に加えられているときに水蒸気チャンバ領域１１１内に水を噴霧することが望ましい。
【００４２】
以上のことから、熱貯蔵器１０５および１１０のサイズ、幾何形状、およびレイアウトは、本発明の範囲内で広範に変えることができることが明らかであろう。実際には、多くのタンクおよび容器が円形断面を有するが、これは必須ではない。加圧式高温貯蔵装置では、図２〜図４に例示されるように、概して水平にタンクの向きを定める（すなわち、それによりタンクの長さがタンクの高さよりも大きくなる）ことがしばしば好ましい。これは、より大きな水の表面積を与えるので望ましいことがあり、より大きな水の表面積は、水の気相と液相の相転移を向上させる。また、水平向きは、場合によってはタンクの上部と底部の間の圧力差を減少させ、これは、例えば図２（ａ）に例示されるように水蒸気がタンクの底部付近の液体水に注入されるときに有用であることがある。水カラム内部の圧力は深さと共に増加し、したがって、タンクの上部での水蒸気チャンバ内部の圧力よりも高い圧力が、タンクの底部で生じていることを理解すべきである。したがって、水カラム内部で、タンク内のより低い位置から水蒸気を注入することは、水蒸気が水位線よりも上で水蒸気チャンバ領域１１１に注入される場合よりも、吸入される水蒸気が圧縮されることを必要とする。過圧縮は、システムの全体のラウンドトリップ効率を減少させるという欠点を有し、したがって、より浅くより広いタンクを使用する利点は、より浅いタンクの底部付近から水蒸気を注入するために、過圧縮がより小さくてよいことである。当然、他の実施形態では、圧縮された水蒸気を水蒸気チャンバ領域１１１内に導入することができ、必要に応じて他のメカニズムを使用して、水蒸気の良好な復水を保証し、タンク内部の熱的成層を最小限にすることができる。
【００４３】
密閉タンクが低温貯蔵装置として使用されるとき、タンクは、フラッシングチャンバの真空圧（例えば、１気圧までの負圧）に耐えることが可能であるべきである。いくつかの用途では、そのような耐真空圧タンクの使用は、フラッシングカラム１１２を有する非加圧タンクを提供するよりも費用対効果が高いことがある。例として、少なくとも１０メートル（例えば、輸送コンテナの長さに適合するように１２メートル）の高さを有する円筒形タンクが、多くの用途で良好に機能する。
【００４４】
上述したほとんどの例において、熱貯蔵器は、主に、様々なタンクおよび圧力容器の文脈で説明されている。タンクおよび圧力容器はかなり良好に機能するが、適切であれば、多様な異なる構造を熱貯蔵器として使用することができることを理解すべきである。例として、利用可能であれば、湖、池、または他の定められた水体を、非加圧熱貯蔵器として（特に低温貯蔵装置として）使用することができる。容易に利用可能であるとき、そのような水体の使用は、いくつかの取り得る利点を有することがある。例えば、湖または池内の水の全質量が、エネルギー貯蔵システムによって使用される量よりも大幅に大きい場合、低温貯蔵器として使用される湖の全体の温度は、エネルギー貯蔵および回収サイクルの過程を通じて大幅には変動しないことがある。比較的一定の温度を維持する低温貯蔵装置は、より効率的な貯蔵を容易にする傾向がある。他の実施形態では、熱貯蔵器の一方または両方として、貯水槽および様々な地中貯水装置を使用することができる。
【００４５】
例示するほとんどの実施形態において、熱貯蔵器はそれぞれ、単一の貯水装置の形態を取る。しかし、貯蔵器の一方または両方が、任意の数の個別の貯水構造から形成されることもあることを理解すべきである。実際、いくつかの用途で、モジュール式の貯水装置が好ましいことがある。例えば、１つの特定の用途では、輸送コンテナ内部に適合するようにそれぞれサイズ設定された、いくつかのモジュール式タンクを使用して熱貯蔵器の一方（例えば低温貯蔵装置）を形成することができる。
【００４６】
典型的には、主エネルギー貯蔵装置での熱損失を回避するために高温貯蔵装置を断熱することが望ましい。場所および動作条件に応じて、低温貯蔵装置を断熱することが望ましいことも、望ましくないこともある。低温貯蔵装置に対して断熱があまり望ましくないことがある理由は、貯蔵および回収プロセスの非効率性により、典型的にはシステムに熱が加わり、そのような熱が低温貯蔵装置に移動する傾向があることである。より特定的には、充電／放電サイクル中、圧縮機および熱機関の非効率性により損失されたエネルギーの一部が、低温貯蔵装置内への正味の熱流として現れる。低温貯蔵装置の温度が時間と共に非効率的なレベルまで上昇するのを防止するために、典型的には、この熱量をシステムから除去する必要がある。様々な従来のメカニズムを使用して、低温貯蔵装置１１０の温度を調整することができる。したがって、システムバランスを保つ助けとなるように、低温貯蔵装置のいくらかの自然冷却が望ましいことがある。
【００４７】
次に図５を参照して、さらに別の代替エネルギー貯蔵システム構成を述べる。この実施形態では、前述の実施形態で述べた低温貯蔵装置１１０の機能が、２つの別個の構成要素、すなわち低温シンク１７５と低温エネルギー源１８５とに効果的に分割される。このタイプの構成は、工業プロセスまたは火力発電所からの廃熱など、利用可能な熱源が存在するときに有利であることがある。他の態様では、このシステムは、前述した実施形態の任意のものと実質的に同じでよい。
【００４８】
例示される構成では、高温貯蔵装置１０５（ｃ）は、水と飽和水蒸気空間とを含む断熱圧力容器であり、上述したのと同様に動作する。低温エネルギー源は、任意の適切な熱源によって加熱される非加圧水容器の形態を取ることがある。低温シンク１７５は、利用可能なヒートシンクによって冷却される復水器である。ヒートシンクは、任意の適切な形態を取ることができ、最も適切なヒートシンクは、場所によって変わることがある。例として、水流または他の水体、蒸発冷却器、フィン−ファン冷却器、または様々な他の熱交換器が、復水器を冷却するために使用されることがある。
【００４９】
一般に、低温エネルギー源１８５は、シンク１７５よりも高い温度で維持される。エネルギーを貯蔵するとき、低温貯蔵装置１１０に関して前述したのと同様に、低温エネルギー源１８５内の水がフラッシュされて水蒸気になる。前述したように、カラムまたは他の適切な容器構造を使用して、水蒸気の準大気圧フラッシングを促進することができる。水、したがってエネルギー源１８５によって供給される飽和水蒸気の温度は、一般に、低温貯蔵装置が使用された場合よりも高い。水の温度がより高いので、ヒートポンプ１２０（ａ）に吸入される水蒸気の圧力がより高くなり、これは、高温貯蔵装置１０５内に貯蔵するために水蒸気を圧縮するのにあまりエネルギーが必要とされないことを意味する。
【００５０】
エネルギーを回収するとき、蒸気機関１２０（ｂ）は、（エネルギー源１８５ではなく）低温シンク１７５に水蒸気を排気する。シンク１７５は、水蒸気を復水させ、利用可能なヒートシンクによって冷却される。低温貯蔵装置と同様に、シンク１７５は、準大気圧での排気水蒸気の復水を促進する準大気圧復水器１７７を含む。一般に、シンク１７５の温度は、エネルギー源１８５の温度よりも低い。シンクの復水チャンバ内部の水の温度がエネルギー源の温度よりも低いので、復水器１７７内部の圧力（したがって、復水が生じる圧力）もより低い。したがって、水蒸気がエネルギー源１８５に戻される場合に可能なよりも低い圧力で、蒸気機関１２０（ｂ）から水蒸気を排気することができる。これは、蒸気機関が、水蒸気の膨張からより多くのエネルギーを抽出することができるようにし、それにより貯蔵および回収システムの効率を改良する。
【００５１】
図５の構成で動作する理想的なシステムでは、エネルギー貯蔵中に水蒸気を圧縮するのに必要とされるよりも大きなエネルギーが、高温貯蔵装置１０５内の水蒸気からの抽出に利用可能であることを理解すべきである。したがって、ヒートポンプを駆動させて、蒸気機関からの電気エネルギーを利用する電気システムの観点から、理論的には、電気システムは、貯蔵中に使用されたよりも多くの電気を回収中に引き出すことが可能であり、これは、電気システムの観点から、１００％よりも大きいラウンドトリップ効率を示唆する。当然、これは自由エネルギーではなく、システムは、低温熱源１８５からの熱エネルギーを電気エネルギーに効果的に変換する。しかし、そのような熱エネルギーが廃熱であり、したがって実質的に自由（無料）である場合、エネルギー貯蔵システム１００の見掛けのラウンドトリップ効率を改良する形で利用することができる。
【００５２】
任意の選択により、シンク１７５内の復水器からの復水物を低温熱源１８５に再循環させることができ、ここで、復水物は、水蒸気を発生させるために使用される前に加熱される。そのような再循環の利点は、場合によってはシステムの全体の水の消費を減少させることである。
【００５３】
図５に例示されるタイプのシステムで利用することができる廃熱を発生するいくつかの工業プロセスおよび発電プロセスが存在することが明らかであろう。そのような廃熱が水によって搬送される場合、そのような水は、場合によっては、低温熱源１８５内に直接貯蔵することができる。代替として、熱源１８５内に貯蔵された水を加温するために、１つまたは複数の適切な熱交換器を使用することができる。
【００５４】
高温熱貯蔵器１０５および低温熱貯蔵器１１０として使用するのに適した貯蔵器のサイズは、システムの所望のエネルギー貯蔵容量、貯蔵器および／またはフラッシングカラムとして使用される容器、タンク、または他の構造の圧力定格、動作温度範囲（これは、許容動作圧力範囲によって一部定められることがある）などと共に変わることがある。例として、適切なシステムサイズの大まかな大きさを与えるために、１０時間にわたって１メガワット（ＭＷ）の電力を送給するように設計された（したがって１０メガワット時を超える貯蔵容量を有する）システムを、約１７ｂａｒ（約２５０ｐｓｉ）まで加圧することができる１７００００ガロンの高温貯蔵装置と、５０００００ガロンの非加圧式低温貯蔵装置とを使用して実装することができる。この特定の例では、低温貯蔵装置は、低温貯蔵装置の約３倍の体積を有する。しかし、高温貯蔵装置と低温貯蔵装置との実際の相対体積は広範に変わることがあり、また、熱貯蔵器として使用するのに利用可能な容器の相対価格が、任意の特定の蓄電容量のために選択される最終的な貯蔵器のサイズに大きな影響を及ぼすことがあることを理解すべきである。
【００５５】
高温貯蔵装置として使用される容器がより高い動作温度および圧力に耐えることができる場合には、一般には、高温貯蔵装置のサイズを減少させることができることを理解すべきである。逆に、使用される容器がより低い動作温度および圧力にしか耐えることができない場合、または高温貯蔵装置が非加圧式である場合には、高温貯蔵装置のサイズは増加しなければならない。さらに、低温貯蔵器の体積も、高温貯蔵器の所要の体積に大きな影響を及ぼすことがあることを理解すべきである。より特定的には、上述したように、エネルギー貯蔵モードでの動作中、熱エネルギーが低温貯蔵装置１１０から引き出され、それにより低温貯蔵装置を冷却し、熱エネルギーが高温貯蔵装置１０５に追加され、それにより高温貯蔵装置を加熱する。したがって、熱貯蔵器の温度は、エネルギー貯蔵中に収束する。逆に、エネルギー回収中には、熱エネルギーが高温貯蔵装置１０５から引き出され、それにより高温貯蔵装置を冷却し、熱エネルギーが低温貯蔵装置１１０に追加され、それにより低温貯蔵装置を加熱する。したがって、熱貯蔵器の温度は、エネルギー回収中には発散する。温度が収束するとき、高温貯蔵装置から引き出された水蒸気から回収することができるエネルギーの量は減少する。
【００５６】
高温貯蔵装置と同じサイズの低温貯蔵装置の温度は、高温貯蔵装置の３倍（３Ｘ）の体積を有する低温貯蔵装置の温度よりも大きく変化することを理解すべきである。したがって、同一の高温貯蔵装置を仮定すると、３倍の低温貯蔵装置を有するシステムは、高温貯蔵装置と同じサイズの低温貯蔵装置を備えるシステムよりも大きなエネルギーを抽出することができる能力を有する。拡張して、さらに大きな低温貯蔵装置（例えば１０倍の低温貯蔵装置）が使用される場合、同じサイズの高温貯蔵装置からさらに多くのエネルギーを抽出することが可能である。高温貯蔵装置よりも何倍も大きい体積を有する湖など比較的大きな水体が使用される場合、低温貯蔵装置は、エネルギー貯蔵および回収サイクルを通じて実質的に同じ温度を保つことができる。そのようなシステムは、同一の高温貯蔵装置を仮定して、さらに大きなエネルギーを抽出することができる能力を有し、これは、より大きな使用可能なエネルギー貯蔵容量を提供する。したがって、高温貯蔵器と低温貯蔵器との相対サイズの選択は、しばしば、利用可能な貯蔵器、タンク、および圧力容器を仮定して、主に費用便益分析に基づくことが明らかであろう。
【００５７】
高温熱貯蔵器と低温熱貯蔵器のいずれかが、単一のタンク、容器、または貯蔵器として実装されることがあり、あるいは複数のタンク、容器、および／または貯蔵器として実装されることがある。例として、５０００００ガロン（２２７３．０４５立方メートル）高温貯蔵装置を、１７個の３００００ガロン（１３６．３８２７立方メートル）圧力容器として実装することができ、各圧力容器は、長さ約４０フィート（１２．１９２ｍ）、直径１２フィート（３．６５７６ｍ）でよい。
【００５８】
蒸気機関
熱機関／ヒートポンプ１２０は、様々な異なる様式で実装することができる。水蒸気タービンを含む様々なヒートポンプおよび熱機関が使用されることがあるが、熱機関／ヒートポンプ１２０として使用するのに特に良く適した熱機関の１つのクラスは、容積式ピストン蒸気機関である。ピストン蒸気機関が有する、タービンならびに他の従来のヒートポンプおよび熱機関に勝る１つの利点は、広範な吸気および排気圧力および温度にわたるそれらの比較的高い動作効率である。これは、説明するエネルギー貯蔵および回収システムで特に有用である。なぜなら、これにより、システムのラウンドトリップエネルギー貯蔵および回収効率を大幅に減少させることなく、エネルギー貯蔵および回収サイクルの過程にわたって、高温熱貯蔵器と低温熱貯蔵器との両方の温度および圧力を大きく変化させることができるようになるからである。
【００５９】
ピストン蒸気機関の別の利点は、ある範囲の水蒸気質量流量にわたって比較的効率的に動作することができ、それにより、変動するエネルギー供給と需要に直面した場合でさえ、システムがエネルギーを効率的に引き出すまたは送給することができるようにすることである。この性能は、ソーラーファームおよびウィンドファームで本来的であるように、１日の中で、貯蔵のために利用可能なエネルギーが任意の所与の時間に大きく異なることがある用途に特に適する。また、回収中にエネルギーの需要が変化する用途にも非常に良く適している（このような用途は多い）。
【００６０】
多くのピストン蒸気機関は、熱機関（膨張機）としてもヒートポンプ（圧縮機）としても動作することができるので、逆動可能である。これは、単一の機械をヒートポンプと熱機関のどちらとしても使用できるようにするので有利であることがある。逆動可能デバイスは多くの用途で有用であるが、必須ではない。望まれるときには、ヒートポンプと熱機関として別個のデバイスを使用することができ、図面に示されるヒートポンプ／熱機関は、両方の手法を表すように意図されている。これは、例えば、別個の膨張機と圧縮機が、逆動可能デバイスよりも安価および／または効率的であるときに望ましいことがある。さらに、所望のスループットを提供するために、複数の蒸気機関（または他のデバイス）を熱機関／ヒートポンプとして並列して使用することができることを理解すべきである。
【００６１】
また、容積式ピストン蒸気機関は現在それほど多くは用いられていないものの、ピストン蒸気機関は非常に成熟した技術であることを理解すべきである。実際、ピストン蒸気機関は、２０世紀には、主流の動力源であった。したがって、熱機関／ヒートポンプとして使用することができるいくつかの既存のピストン蒸気機関設計が存在する。これらは、単式蒸気機関および複式（複数の膨張段階）蒸気機関などを含む。いくつかの特定の用途では、単式または複式ユニフロー式、ユニバーサル−ユニフロー式、または逆流ピストン蒸気機関が使用されることがある。１つのそのような機関は、本出願人によって開発されており、１９３０年代からのスキナー・ユニバーサル−ユニフロー式（Ｓｋｉｎｎｅｒ  Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ−Ｕｎａｆｌｏｗ）蒸気機関に基づく。
【００６２】
任意の特定の用途に望ましくかつ適切な連続段階の実際の数は、期待される熱貯蔵器間の温度差、水蒸気分離器および水噴射装置の利用可能性、コスト、および他の因子を含めたいくつかの因子に従って変わる。いくつかの用途では、ただ１つの膨張段階が好ましいことがあり、他の用途では、複数の段階（典型的には２〜５個の範囲内の連続段階）が好ましい。
【００６３】
ユニフロー式蒸気機関およびユニバーサル−ユニフロー式蒸気機関は、膨張チャンバとして働くシリンダ内への水蒸気の導入を制御するためにポペット弁を利用するピストンベースの蒸気機関である。従来、弁のタイミングは、カムシャフトによって制御されている。しかし、他の既知の弁タイミング制御メカニズムを使用することもできることを理解すべきである。例えば、電子ソレノイドを使用して弁を開閉することができ、これは、望まれる場合には、弁の開閉のタイミングの電子制御を容易にする。使用されるメカニズムに関係なく、弁の開閉の相対タイミングに関する広範な制御を提供するいくつかの利点が存在する。例えば、効率を最大にするために、一般に、蒸気機関／ヒートポンプの圧縮比が、高温貯蔵装置の圧力と低温貯蔵装置の圧力との圧力比と比較的厳密に一致することが好ましい。吸気弁と排気弁の開閉のタイミングの変更は、機関の圧縮比を正確に制御するための好適な一方法である。吸気弁カットオフタイミングの変更も、蒸気機関を通る水蒸気の質量流量を制御するための良好なメカニズムを提供し、これは、膨張中に蒸気機関によって発生される動力の良好な制御を可能にする。
【００６４】
また、調節可能な弁タイミングは、蒸気機関を膨張機（従来の蒸気機関）として、または圧縮機（ヒートポンプ）として動作させることができるように蒸気機関の逆動を容易にするのに非常に有用であることがある。概念上、ピストンおよび他の容積式蒸気機関を含む多くの蒸気機関を、膨張機または圧縮機として動作させることができる。主な相違点は、膨張機モードでは、高圧水蒸気が膨張チャンバ内に引き入れられ、ピストンを駆動させるために使用され、ピストンが有用な仕事をクランクシャフトに送り、一方、圧縮機モードでは、電気モータ（または他の適切な動力源）がクランクシャフトに動力供給し、クランクシャフトがピストンを駆動させて、チャンバ（ここでは膨張チャンバではなく圧縮チャンバとして働く）内部の水蒸気を圧縮することである。弁の開閉のタイミングが（クランク角度に対して）変わらない場合、膨張から圧縮に変更するために、クランクシャフトの回転方向を逆にしなければならない。これは、蒸気機関の停止および蒸気機関の方向の逆転を必要とする。これは、電気使用率が低い夜間に貯蔵が主に行われることが期待され、電気使用率がより高い１日の他の時間帯に回収が主に行われることが期待されるときなど、電力消費と発電との間の急速なシフトが必要とされないエネルギー貯蔵システムにおいては良好に動作する。しかし、蓄電モードと送電モードとの間で急速にシフトする（すなわち数分ではなく数秒でモードをシフトする）ことができる機能がかなり有益である、負荷分散などのいくつかの用途も存在する。ピストンベースの蒸気機関では、発電モードと蓄電モードとのこのタイプの急速なシフトは、モードをシフトするときにクランクシャフトが同じ方向に回転し続けることができる場合に可能である。これは、弁の開閉の相対タイミングを変えることによって達成することができる。当然、動作モードが逆にされるとき、弁の機能（吸気および排気）が逆にされる。
【００６５】
よく知られているように、水蒸気の断熱圧縮に近い状態は、水蒸気の過熱を引き起こす。水蒸気の過剰な過熱は、システムでの熱損失をもたらす可能性があるので望ましくないことがある。したがって、いくつかの実施形態では、１つまたは複数の水噴射装置が提供されて、圧縮前または圧縮中に水を水蒸気中に噴霧し、それにより、圧縮中に発生される熱エネルギーのいくらかが、注入された水の蒸発によって吸収される。噴射装置は、圧縮中に各シリンダに水を直接注入するように構成されることがあり、または、圧縮シリンダへの水蒸気の導入前に水蒸気に水を注入するように構成されることがある。一般に、過剰な過熱が生じないように、圧縮中に蒸気機関から出る圧縮水蒸気を飽和に近い状態で保つことが望ましい。しかし、これは必須要件ではない。現在使用中の圧縮比、シリンダを通過する水蒸気の質量流量、入口温度および圧力などいくつかの異なる因子に応じて、注入すべき所望の水量が変わることを理解すべきである。したがって、蒸気機関から出る圧縮水蒸気で飽和に近い点を実現することができるように、機関の動作状態に基づいて、任意の所与の時点で注入される水の体積を制御することが好ましい。複数の圧縮段階が使用される場合、各圧縮段階ごとに水を注入することが望ましいことがあるが、これも必須要件ではない。
【００６６】
逆に、飽和水蒸気の断熱膨張は、膨張中に水蒸気のいくらかを復水させることがある。一般に、復水が入口弁ポートを腐食することがあるので、湿り蒸気（すなわち水滴を含む水蒸気）をシリンダに導入することは望ましくない。したがって、複式蒸気機関では、水滴の大半を水蒸気から除去するために、順次段階の合間に水蒸気を水蒸気分離器（図示せず）に通すことがしばしば望ましい。また、水蒸気が第１の（またはただ１つの）膨張チャンバ（シリンダ）に入る前に水蒸気を水蒸気分離器に通すことも望ましいことがある。水蒸気分離器によって復水された水は、その水に含まれるエネルギーを捕捉する助けとなるように熱貯蔵器の一方（典型的には低温貯蔵器）に戻すことができる。水蒸気から水滴を除去するために、様々な従来の異なる水蒸気分離器を使用することができる。例として、メッシュ水蒸気分離器が良好に機能する。
【００６７】
他の実施形態では、水蒸気が蒸気機関に入る前に水蒸気を過熱すること、および／または順次段階の合間に水蒸気を再加熱することが望ましいことがある。これは、高温貯蔵装置から引き出された水蒸気を、蒸気機関に入る前に加熱する任意選択の過熱器、および／または蒸気機関の順次段階の合間に水蒸気を加熱する任意選択の再加熱器の使用によって達成することができる。過熱器および／または再加熱器の使用が可能であるが、それらは、過熱器および／または再加熱器に供給するために使用される熱源が、廃熱源または他の非常に低コストのエネルギー源でない限り、しばしば費用対効果が低い。
【００６８】
さらなる特徴
様々な上記のエネルギー貯蔵システムは、高いラウンドトリップ効率で低コストのバルクエネルギー貯蔵および回収を提供するのに良く適していることが明らかであろう。貯蔵および回収の間隔は、数秒程度と短くても、数時間または数日程度と長くてもよい。風や太陽など不連続な電力源は、エネルギーの供給と需要の不一致を悪化させる傾向があり、したがって、そのようなエネルギー貯蔵および回収システムの必要性を高める。
【００６９】
いくつかの実施形態のみを詳細に説明してきたが、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明を多くの他の形態で実施することができることを理解すべきである。例えば、高温熱貯蔵器および低温熱貯蔵器の特定の構成およびレイアウト、ならびにヒートポンプおよび熱機関として使用される特定のデバイスは、広範に変えることができる。高温貯蔵装置と低温貯蔵装置とはそれぞれ、単一のタンクとして実装されることも、複数の別個のタンクとして実装されることもある。貯蔵装置の１つに関して複数のタンクが使用されるとき、その貯蔵装置での異なるタンク内の作業流体は、実質的に同じ温度であることも、異なる温度であることもある。前述したように、１つまたは複数の逆動可能熱機関／ヒートポンプが膨張機／圧縮機として使用されることがあり、または膨張と圧縮に関して別個のデバイスが使用されることもある。同様に、電気貯蔵および回収用途において、熱機関／ヒートポンプを駆動させるように、または熱機関／ヒートポンプによって駆動されるように可逆的モータ／発電機を使用することができ、あるいは別個のモータおよび発電機が使用されることがある。上記のシステムは容易にスケール変更可能であり、グリッドスケールエネルギー貯蔵および回収用途を含めた様々な異なるエネルギー貯蔵用途で使用することができる。
【００７０】
また、低コストの熱源が容易に利用可能である場合には、システムの効率を改良する助けとなるようにそのような熱を使用することができることを理解すべきである。１つのそのような構成は、図５に例示したものであり、その構成では、廃熱を使用して水を加温（または提供）し、この水が、圧縮のために使用される低温水蒸気源として働く。他の実施形態では、適切な加熱器または熱交換器を使用して、高温貯蔵装置１０５からの水蒸気を、水蒸気が熱機関１２０（ｂ）に導入される前に過熱することができ、または膨張段階の合間に水蒸気を再加熱することができる。当業者には理解されるように、膨張前の水蒸気の過熱、および／または膨張段階の合間の水蒸気の再加熱は、膨張プロセス中の水蒸気の復水によって誘発されることがある問題および非効率性をなくす助けとなり、水蒸気分離器の使用の必要性を減少させる、またはなくすことができる。当然、利用可能な熱の最大限の使用は、一部は、得ることができる温度に依存する。したがって、望まれるときおよび適切なときには、過熱器（図示せず）を高温貯蔵装置１０５と熱機関との間に提供して、水蒸気が蒸気機関１２０（ｂ）に入る前に水蒸気を過熱することができ、および／または１つまたは複数の再加熱器（図示せず）を提供して、膨張プロセスにおける適切な段階で水蒸気を再加熱することができる。
【００７１】
上記の手法を使用して、少なくとも６０、７０、さらには８０％の実効ラウンドトリップ効率を達成することができる。より高いラウンドトリップ効率が一般に望まれるが、コストの考慮が、システム設計、したがって達成可能なラウンドトリップ効率を定めることがある。しかし、いくつかの特定の用途では、６０〜８０％（以上）のラウンドトリップ効率を有するシステムが経済的に実現可能であると考えられる。
【００７２】
上記の実施形態は、限定ではなく例示とみなされるべきであり、本発明は、本明細書に提示された詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲および均等物の範囲内で変更することができる。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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