(57)【要約】    電気エネルギーを発生させる発電所は、電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵する少なくとも１つの蓄熱器（１００）を備え、蓄熱器（１００）は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気ヒーター（１０）と、電気ヒーター（１０）の熱エネルギーを取り入れて貯蔵する蓄熱体（３０、３１）と、蓄熱体（３０、３１）から熱エネルギーを取り入れる熱交換器（５０）とを有する。発電所はさらに、タービン（１２０）と、発電機（１２３）とを有する。蓄熱部流体回路（１３０）は１つまたは複数の熱交換器（５０）に接続され、作動流体回路（１４０）はタービン（１２０）に接続される。流体回路熱交換器（１３１）は、蓄熱部流体から作動流体回路（１４０）における作動流体へ熱を伝達する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギーを発生させる発電所であって、
少なくとも１つの蓄熱ユニット（１）を備え、電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵する少なくとも１つの蓄熱器（１００）であって、各蓄熱ユニット（１）は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電気ヒーター（１０）と、前記電気ヒーター（１０）の熱エネルギーを取り入れて貯蔵する少なくとも１つの蓄熱体（３０、３１）と、前記蓄熱体（３０、３１）から熱エネルギーを取り入れる熱交換器（５０）であって、蓄熱部流体を導く熱交換器管（５１）を備えた熱交換器（５０）と、を備える、前記少なくとも１つの蓄熱器（１００）と、
少なくとも第１タービン（１２０）と、
前記タービンからもたらされた回転運動から電気エネルギーを発生させる、前記第１タービン（１２０）と接続された発電機（１２３）と、
前記１つまたは複数の熱交換器（５０）と接続された蓄熱部流体回路（１３０）と、
前記第１タービン（１２０）と接続された作動流体回路（１４０）と、
前記蓄熱部流体から前記作動流体回路（１４０）における作動流体に熱を伝達する少なくとも１つの第１流体回路熱交換器（１３１）と、
を備え、
第２タービン（１２１）と第２流体回路熱交換器（１３２）とが設けられ、
前記第２タービン（１２１）も前記発電機（１２３）に接続されて、前記発電機（１２３）を駆動し、
前記第１タービン（１２０）は、前記作動流体回路（１４０）における前記第１流体回路熱交換器（１３１）の下流に配置され、
前記第２流体回路熱交換器（１３２）は、前記第１タービン（１２０）の下流に配置され、
前記第２タービン（１２１）は、前記第２流体回路熱交換器（１３２）の下流に配置され、
前記第１および前記第２流体回路熱交換器（１３１、１３２）は、前記蓄熱部流体回路（１３０）において、互いに対して並列である２つの導管（１３５、１３６）に配置され、
制御機器が前記蓄熱部流体回路（１３０）に設けられ、前記制御機器は、前記第１流体回路熱交換器（１３１）と前記第２流体回路熱交換器（１３２）とに対する蓄熱部流体の分配を可変設定するように構成されていることを特徴とする、発電所。
【請求項２】
第１バイパスが、前記作動流体回路（１４０）において前記第１流体回路熱交換器（１３１）の周辺に設けられ、前記第１流体回路熱交換器（１３１）を迂回して、作動流体を前記第１タービン（１２０）に導き、
第１バイパス制御機器が設けられ、前記第１流体回路熱交換器（１３１）と第１バイパスとに対する作動流体の分配を可変設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電所。
【請求項３】
第２バイパスが、前記作動流体回路（１４０）において前記第２流体回路熱交換器（１３２）の周辺に設けられ、前記第２流体回路熱交換器（１３２）を迂回して、作動流体を前記第２タービン（１２１）に導き、
第２バイパス制御機器が設けられ、前記第２流体回路熱交換器（１３１）と前記第２バイパスとに対する作動流体の分配を可変設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の発電所。
【請求項４】
電気制御ユニットが設けられ、前記電気制御ユニットは、瞬間的により多くの電気エネルギーが外部送電網から前記１つまたは複数の電気ヒーター（１０）を通って取り入れられるか、あるいは、より多くの電気エネルギーが前記発電機（１２３）を通って前記外部送電網に対して出力されるかを可変設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の発電所。
【請求項５】
複数の蓄熱器（１００）が設けられ、前記複数の蓄熱器（１００）の少なくともいくつかは、前記蓄熱部流体回路（１３０）に互いに並列に配置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の発電所。
【請求項６】
複数の蓄熱器（１００）が設けられ、前記複数の蓄熱器（１００）の少なくともいくつかは、前記蓄熱部流体回路（１３０）に直列に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の発電所。
【請求項７】
制御機器が設けられ、前記制御機器は、前記直列に配置された蓄熱器（１００）のうち、前方の蓄熱器（１００）を、後方の蓄熱器（１００）よりも広い温度範囲で稼働させるように制御することを特徴とする、請求項６に記載の発電所。
【請求項８】
前記直列に配置された蓄熱器（１００）のうちの前方の蓄熱器（１００）は、前記直列に配置された蓄熱器（１００）うちの後方の蓄熱器（１００）よりも多くの蓄熱ユニット（１）を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の発電所。
【請求項９】
電気エネルギーを発生させる発電所を稼働させる方法において、以下の工程、すなわち、
少なくとも１つの蓄熱器（１００）の蓄熱ユニット（１）の電気ヒーター（１０）を用いて電気エネルギーを熱エネルギーに変換する工程と、
前記蓄熱ユニット（１）の少なくとも１つの蓄熱体（３０、３１）を用いて、前記電気ヒーター（１０）の熱エネルギーを取り入れて貯蔵する工程と、
蓄熱部流体を導く熱交換器管（５１）を備えた熱交換器（５０）を用いて、前記少なくとも１つの蓄熱体（３０、３１）の熱エネルギーを蓄熱部流体に伝達する工程と、
少なくとも第１タービン（１２０）を駆動する工程と、
前記第１タービン（１２０）と接続された発電機（１２３）を用いて、タービン（１２０）によりもたらされた回転運動から電気エネルギーを発生させる工程と、
少なくとも１つの第１流体回路熱交換器（１３１）を備えた蓄熱部流体回路（１３０）に沿って、前記蓄熱部流体を導く工程と、
前記少なくとも第１流体回路熱交換器（１３１）を用いて、熱エネルギーを前記蓄熱部流体から作動流体へと伝達する工程と、
前記第１タービン（１２０）を駆動するために、作動流体回路（１４０）における前記作動流体を前記第１タービン（１２０）に導く工程と、
を含む方法において、
第２タービン（１２１）と第２流体回路熱交換器（１３２）とが設けられ、
前記第２タービン（１２１）も前記発電機（１２３）を駆動し、
前記第１タービン（１２０）は、前記作動流体回路（１４０）における前記第１流体回路熱交換器（１３１）の下流に配置され、
前記第２流体回路熱交換器（１３２）は、前記第１タービン（１２０）の下流に配置され、
前記第２タービン（１２１）は、前記第２流体回路熱交換器（１３２）の下流に配置され、
前記第１および前記第２流体回路熱交換器（１３１、１３２）は、前記蓄熱部流体回路（１３０）において、互いに対して並列である２つの導管（１３５、１３６）に配置されていることを特徴とする、方法。
【請求項１０】
少なくとも以下の工程、すなわち、
前記作動流体回路（１４０）における前記作動流体の圧力を高めるために、作動流体ポンプ（１４５）を稼働させる工程と、
前記蓄熱部流体回路（１３０）における前記作動流体の圧力を高めるために、蓄熱部流体ポンプ（１２５）を稼働させる工程と、
を含み、
前記作動流体ポンプ（１４５）と前記蓄熱部流体ポンプ（１２５）とは、前記作動流体の圧力が前記蓄熱部流体の圧力よりも高くなるように稼働されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも以下の工程、すなわち、
前記蓄熱部流体を液体の形態で、少なくとも１つの蓄熱器（１００）へ、およびこれを通って導く工程であって、前記蓄熱部流体は蒸発させられない、工程と、
前記作動流体を、前記第１流体回路熱交換器（１３１）を通って導く工程であって、前記作動流体は蒸発させられる、工程と、
を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、請求項１に記載の電気エネルギーを発生させる発電所に関する。さらに、本開示は、請求項９に記載の発電所を稼働させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所とは、例えば、エネルギー担体を燃焼させて、放出された熱エネルギーに基づいて電気エネルギーを発生させるシステムである。これは、例えば、エネルギー担体としてそれぞれ天然ガスまたは石炭を燃焼させるガス発電所および石炭発電所を含む。さらに、例えば、改質剤が、合成ガスまたは水素ガスを発生させ、これを燃焼させることもできる。
【０００３】
複数の生産者により電力系統中に供給された、発生した電気エネルギーの量は、経時的に著しく異なる。特に、再生エネルギー源の使用が増えるにしたがって、発生した電気エネルギーの総量が経時的に大きく変動する。したがって、利用可能な電気エネルギーは、瞬間的な需要を著しく上回ることがある。例えば、このような場合、発生した電気エネルギーを貯蔵することが望ましい。しかしながら、エネルギーを電気的または化学的に貯蔵するエネルギー貯蔵部（例えば、電気化学電池またはキャパシタ）は、手頃なコストでは比較的少量のエネルギーを貯蔵できるのみである。揚水式発電所を用いれば、より多量のエネルギーを貯蔵することができる。しかしながら、揚水式発電所は、大きな高低差を必要とし、通常山間部にのみ建設することが可能である。
【０００４】
本出願人は、以前の発明（特許文献１、特許文献２、特許文献３）において、解決方法を開発してきたが、これらの場合、電気エネルギーは一時的に熱エネルギーとして貯蔵され、発電所において電気エネルギーに変換し戻されうる。一般的な蓄熱器は、例えば、本出願人が特許文献１中に記載している通りである。
【０００５】
この種の一般的な電気エネルギーを発生させる発電所は、電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵するための少なくとも１つの蓄熱器を有する。各蓄熱器は少なくとも１つの蓄熱ユニットを備える。各蓄熱ユニットは、
・電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための電気ヒーター
・電気ヒーターの熱エネルギーを取り入れかつ貯蔵するための少なくとも１つの蓄熱体
・蓄熱体からの熱エネルギーを取り入れるための熱交換器であって、蓄熱部流体を導くための熱交換器管を備えた熱交換器
を有する。
【０００６】
発電所はさらに、少なくとも第１タービンと、この第１タービンからもたらされた回転運動から電気エネルギーを発生させるためにこのタービンと接続された発電機とを有する。
【０００７】
したがって、電気エネルギーは、外部送電網から取られ、電気ヒーターを用いて熱エネルギーに変換される。電気ヒーターは、例えば、抵抗素子を有し、抵抗素子は、電流が抵抗素子を通って流れる際に熱を発生させる。熱エネルギーは蓄熱体に貯蔵される。蓄熱体は、例えば金属板を有してもよい。熱交換器は、蓄熱体に隣接し、蓄熱部流体が通過する管を少なくとも有する。熱交換器の管は、直接蓄熱体と接触してもよいし、あるいは、熱交換器の一部である伝熱材料（例えば金属体）を介して蓄熱体と接続されてもよい。蓄熱部流体が熱交換器を流れる際に蒸発または沸騰するように、すなわち、例えば液体である水が水蒸気に転移するように、熱交換器の管の長さと断面とが選択されてもよい。
【０００８】
この種の発電所では、電気エネルギーは、外部送電網から取り入れられ、蓄熱器を用いて熱エネルギーとして貯蔵される。さらに、貯蔵された熱エネルギーは、電気エネルギーに変換し戻され、外部送電網に出力されてもよい。制御ユニットは、瞬間的により多くの電気エネルギーが、送電網から取られるか又は送電網に出力されるかを設定しうる。これにより、送電網におけるエネルギー量の変動を少なくとも部分的に補償しうる。
【０００９】
同様に、電気エネルギーを発生させるために発電所を稼働させる一般的な方法は、以下の工程、すなわち、
・少なくとも１つの蓄熱器の一部である蓄熱ユニットの電気ヒーターを用いて電気エネルギーを熱エネルギーに変換する工程
・蓄熱ユニットの少なくとも１つの蓄熱体を用いて、電気ヒーターの熱エネルギーを取り入れかつ貯蔵する工程
・蓄熱部流体を導くための熱交換器管を有する熱交換器を用いて、熱エネルギーを蓄熱体から蓄熱部流体に伝達する工程
・少なくとも第１タービンを駆動する工程
・第１タービンと接続された発電機を用いて、タービンによりもたらされた回転運動から電気エネルギーを発生させる工程
を含む。
【００１０】
蓄熱体は、最低温度と最高温度との間で稼働させられる。この温度差により、蓄熱体が稼働中に貯蔵することができかつ蓄熱部流体に放出することができるエネルギー量が決められる。しかしながら、蓄熱体の温度が可変であることは、熱交換器を通過した後の蓄熱部流体の温度も、各蓄熱体の瞬間の温度に依存することを意味する。したがって、蓄熱部流体の温度は、稼働中に非常に著しく変動することがある。
【００１１】
これに加えて、タービンは、特定のおよび好ましくは一定の温度の蒸気で駆動されるべきである。第１に、タービンの効率は、蒸気流の温度に依存し、第２に、蒸気流の温度が急速に変わると、望ましくない材料応力が生じうる。
【００１２】
これらの問題は、公知の発電所では、十分に克服されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】欧州特許出願番号１４１８７１３２
【特許文献２】欧州特許出願番号１５１８３８５５
【特許文献３】欧州特許出願番号１５１８３８５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、エネルギーを特に効率的に一時的に貯蔵しかつ再び電気の形態でエネルギーを出力することができる発電所と、発電所を稼働させる方法とを提供することであると見なされうる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の目的は、請求項１に記載の発電所および請求項９の特徴を有する方法により達成される。
【００１６】
本発明の発電所および本発明の方法の好適な変形例は、従属請求項の主題であり、以下の説明中で取り扱う。
【００１７】
本発明によれば、上記の発電所中では、蓄熱部流体回路は、１つまたは複数の熱交換器と接続されている。作動流体回路は、蓄熱部流体回路とは区別され、かつ第１タービン（かつ、特に任意に設けられたさらなるタービン）と接続される。少なくとも第１流体回路熱交換器が設けられ、蓄熱部流体回路および作動流体回路と接続され、作動流体回路において蓄熱部流体からの熱を作動流体に伝達する。
【００１８】
同様に、上記の方法は、本発明によれば、少なくとも以下の工程、すなわち、
・少なくとも１つの第１流体回路熱交換器を有する蓄熱部流体回路に沿って、蓄熱部流体を移送する工程
・少なくとも第１流体回路熱交換器を用いて、熱エネルギーを蓄熱部流体から作動流体へと伝達する工程
・第１タービンを駆動するために、作動流体回路における作動流体を、第１タービンに移送する工程
を特徴とする。
【００１９】
従って、蓄熱部流体がタービンを通って導かれることはない。むしろ、作動流体のみがタービンを通って導かれる。したがって、蓄熱部流体の温度変動が作動流体の温度に与える影響は僅かである。したがって、タービンは、略一定の温度を有する蒸気により駆動されうるので有利である。さらに、比較的高い圧力例えば１００バールがタービンにおいて要求されるのみである。２つの別個の回路があることにより、蓄熱ユニットへの流体の圧力をタービンへの流体圧力よりも小さくすることができる。
【００２０】
例えば、作動流体ポンプは、作動流体回路中で作動流体を加圧するために稼働されることができ、かつ、蓄熱部流体ポンプは、蓄熱部流体回路中で作動流体を加圧するために稼働されることができる。作動流体ポンプと蓄熱部流体ポンプとは、作動流体の圧力が蓄熱部流体の圧力よりも大きくなるように稼働させられる。或いはまたはこれに加えて、作動流体ポンプの力は、蓄熱部流体ポンプの力よりも大きくなってもよい。より高い圧力とは、例えば、各ポンプ後の圧力比較により定義されてもよい。
【００２１】
作動流体回路と蓄熱部流体回路とは、それぞれ管系を有してもよく、これらの２つの管系は互いに分離している。流体回路熱交換器は、蓄熱部流体と作動流体とについて異なる導管を有する熱交換器であってもよい。熱エネルギーは、蓄熱部流体から作動流体へと、熱橋、例えば別個の導管間での金属接続部を通って伝達される。
【００２２】
蓄熱部流体と作動流体とは、それぞれ一般的に任意の液体または気体でありえる。蓄熱部流体は、特に油、特に熱媒油でありえる。この油は塩を有してもよく、約２００℃で融解してもよく、この温度から約６００℃までで利用可能であってもよい。塩含有熱媒油は、したがって、特に蓄熱ユニットから熱エネルギー取り入れるのに適切である。蓄熱部流体は、熱交換器の通過前後の両方で液相である液体であってもよい。作動流体は、蓄熱部流体とは異なってもよく、特に水または水溶液であってもよい。作動流体は、流体回路熱交換器を通る際に蒸発させられてもよい。特に、蓄熱部流体が瞬間的に高温（約６００℃）または低温（約２５０℃）であるかにかかわらず、作動流体が常に流体回路熱交換器中で蒸発されることが確実となるように、作動流体ポンプによりかけられた圧力における作動流体の沸点は、２００℃未満であってもよい。
【００２３】
多段階タービンシステムが用いられてもよい。例えば、第２タービンと第２流体回路熱交換器とが設けられてもよい。第２タービンは、発電機または第２発電機に接続され、該発電機を駆動してもよい。作動流体回路において、第１タービンが第１流体回路熱交換器の下流に配置されてもよい。第２流体回路熱交換器は、第１タービンの下流に配置されてもよい。第２タービンは、第２流体回路熱交換器よりも下流に配置されてもよい。これらの変形例においては、作動流体は、まず第１流体回路熱交換器において加熱され（特に、蒸発させられ）、その後第１タービンを通過する。作動流体は、その後第２流体回路熱交換器を通過し、再加熱され、その後第２タービンを駆動する。
【００２４】
第１および第２流体回路熱交換器は、互いに分離して形成されてもよく、特に同じように形成されてもよい。あるいは、第１および第２流体回路熱交換器は、１つのユニットにより形成され、このユニットが、蓄熱部流体用、第１タービン通過前の作動流体用、および、第１タービン通過後の作動流体用に、別個の導管を有してもよい。
【００２５】
第１および第２流体回路熱交換器は、蓄熱部流体回路において、互いに対して並列である２つの導管に配置されてもよい。蓄熱部流体回路は、２つの導管への分岐を有し、蓄熱部流体は、これらの両方の導管を通過する。第１流体回路熱交換器は、これらの導管のうちの一方に配置され、第２流体回路熱交換器は、これらの導管のうちの他方に配置される。２つの導管は、２つの流体回路熱交換器の下流で合流する。「並列」配置とは、幾何学的に平行であると解釈されるべきではなく、流れが次々に２つの流体回路熱交換器を連続的に通る直列配置に対するものとして解釈されるべきである。このようにして、十分大きい伝熱が双方の熱交換器において確保されうるという点が有利である。
【００２６】
制御機器が蓄熱部流体回路中に設けられてもよく、制御機器は、第１流体回路熱交換器と第２流体回路熱交換器とに対して、どのように蓄熱部流体を分配するかを可変設定するように構成されていてもよい。これにより、蓄熱部流体から作動流体への伝熱を、双方の流体回路熱交換器に対して異なるように調節することが可能になる。例えば、第１タービンの通過後、作動流体は冷却されたかもしれないが、第１流体回路熱交換器の通過前よりもまだ温かいかもしれない。この場合、作動流体は、第２流体回路熱交換器において第１流体回路熱交換器においてよりも少ない熱エネルギーを取り入れるべきである。この目的のために、制御機器は、例えば、第２流体回路熱交換器によりも、第１流体回路熱交換器に多くの蓄熱部流体を向けてもよい
【００２７】
第１流体回路熱交換器を迂回して、作動流体を第１タービンに導くために、作動流体回路において、第１流体回路熱交換器の周辺に第１バイパスを設けてもよい。バイパスは、迂回導管を指していてもよい。第１バイパス制御機器を設けてもよく、第１バイパス制御機器は、どのように作動流体が第１流体回路熱交換器と第１バイパスとに分配されるかを可変設定できるように構成されていてもよい。これにより、第１流体回路熱交換器において作動流体への伝熱を変動させる。特に、これにより、蓄熱部流体の温度変動を、部分的にまたは完全に補償することができ、作動流体への伝熱は蓄熱部流体の温度変動によりほとんど影響を受けない。
【００２８】
第１バイパスと制御機器は、第１急冷器を形成してもよい。第１急冷器は、流体をより冷たい流体と混合することにより、この流体を冷却する混合器である。この場合、より冷たい流体は、第１流体回路熱交換器を迂回した作動流体の一部である。
【００２９】
同様に、第２流体回路熱交換器に対して第２バイパスを設けてもよい。すなわち、第２流体回路熱交換器を迂回して、作動流体を第２タービンに導くために、作動流体回路において、第２流体回路熱交換器の周辺に第２バイパスを設けてもよい。第２バイパス制御機器を設けてもよく、作動流体が第２流体回路熱交換器と第２バイパスとのどちらに分配されるかを可変設定するように構成されていてもよい。再度になるが、これにより、２つの流体回路熱交換器を異なって稼働させることができ、各流体回路熱交換器を通過した後の作動流体の所望の温度を設定することができる。
【００３０】
原則的に、上記のバイパスに代えてまたはこれに加えて、蓄熱部流体回路における蓄熱部流体のために１つまたは２つの対応するバイパスを設けることも可能である。この種のバイパスにより、変動する割合の蓄熱部流体を、関連する流体回路熱交換器を通って導き、作動流体への伝熱を変動させることができる。
【００３１】
発電所の稼働中では、蓄熱部流体が常に液体であり、蒸発させられないことがより好ましいかもしれない。蒸発する場合、蓄熱部流体が蓄熱の境界または始まりに達するとすぐに、蓄熱部流体は、急激に多量のエネルギーを蓄熱部から取り去ることになるだろう。これにより蓄熱部は空間的に不規則的に放出することになり、欠点となるだろう。さらに、急激な蒸発は、材料の摩耗を引き起こすかもしれない。蓄熱部流体が蒸発しない場合には、これらの問題が回避される。しかしながら、対照的に、作動流体は、タービンを駆動するために、気体でありまたは蒸発させられるべきである。これは、２つの別個の流体回路と、異なる流体とを用いることにより可能になる。作動流体は、蓄熱部流体よりも低い沸点／沸騰温度を有し、これにより、作動流体は第１流体回路熱交換器中において蒸発する。作動流体は、任意に設けられた第２流体回路熱交換器に、一般には蒸気として入り、その後さらに加熱／過熱される。
【００３２】
電気ヒーターによる電気エネルギー取り入れは、電気コストが低い場合、すなわち、送電網（ここでは、外部送電網と称する）において電気エネルギーの供給過剰がある場合に、理にかなっている。対照的に、タービンと発電機とは、時間的にむしろ安定的に稼働されてもよく、このようにして、経時的に顕著な変動を示さなくてもよい。電気制御ユニットを設けてもよく、瞬間的により多くの電気エネルギーが外部送電網から電気ヒーターにより取られるのか、または、より多くの電気エネルギーが外部送電網に発電機を通って出力されるのかを可変設定するように構成されてもよい。
【００３３】
本発明の方法の好適な変形例は、本発明の発電所の用途に起因する。さらに、該方法について説明した変形例は、本発明の発電所の変形例としても見なされる。
【００３４】
本発明のさらなる特性および利点を、添付の概略図を参照して、以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の発電所の蓄熱器の斜視図である。
【図２】図１の蓄熱器の断面図である。
【図３】図１および図２の蓄熱器を有する本発明の発電所の例示的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
類似のおよび同様に作用する部材には、図面全体で同じ参照符号で示す。
【００３７】
本発明の発電所１１０の例示的な実施形態を、図３において概略的に示す。
【００３８】
発電所１１０は、第１タービン１２０を有し、第２タービン１２１を有してもよく、また（不図示の）さらなるタービンを有してもよい。タービン１２０、１２１は、これらのタービンを通過する作動流体により駆動される。この作動流体は、蒸気例えば水蒸気であってもよい。発電機１２３は、タービン１２０、１２１と接続され、タービン１２０、１２１から提供された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気エネルギーは、その後外部送電網に出力される。
【００３９】
発電所１１０は、外部送電網における電気エネルギー量の変動を低減するために用いられる。この目的のために、発電所１１０は、特に外部送電網において供給過剰がある場合に外部送電網からの電気エネルギーを取り入れるべきである。供給過剰の場合は、電気コストは一時的に非常に低くなり、またはマイナスになる可能性もあり、電気エネルギーの取り入れのコストがなくなり、場合によっては、そのために利益が上がることにさえなりえる。取り入れた電気エネルギーは、発電所１１０において貯蔵され、電気エネルギーとして別の時に再び出力されるべきである。
【００４０】
この一時的なエネルギー貯蔵のために、発電所１１０は、少なくとも１つの蓄熱器１００を有する。図３の例では、いくつかの蓄熱器１００が設けられている。蓄熱器１００は、図１の斜視図および図２の断面図でより詳細に示す。各蓄熱器１００は、少なくとも１つ、好ましくはいくつかの蓄熱ユニット１を有し、これらは、上下に積まれている。各蓄熱ユニット１は、電気ヒーター１０を有する。電気ヒーター１０は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、好ましくは、実質的に完全に、すなわち、電気ヒーター１０により取り入れられたエネルギーの９０％を超えるエネルギーが熱エネルギーに変換される。電気エネルギーは、外部送電網から取り入れられる。各蓄熱ユニット１はさらに、少なくとも１つ、とりわけまさに２つの蓄熱体３０、３１を有する。これらは、金属体または金属板であってもよく、熱エネルギーを貯蔵するために役立つ。蓄熱体３０、３１は、電気ヒーター１０の隣に配置され、電気ヒーター１０から熱エネルギーを取り入れる。最後に、各蓄熱ユニットは、いくつかの熱交換器管５１を有する熱交換器５０も有する。各熱交換器５０は、蓄熱体３０のうちの少なくとも一つに隣接する。このようにして、熱エネルギーは、蓄熱体３０から熱交換器管へと伝達され、蓄熱部流体はその中で移送される。分配管４５を通って、蓄熱部流体は、異なる熱交換器５０に分配される。熱交換器５０を通過した後、蓄熱部流体は収集管５５に集められる。
【００４１】
蓄熱部流体の熱エネルギーは、ここで電気エネルギーを発生させるために使用されてもよい。しかしながら、本発明の本質的な思想では、蓄熱部流体は、タービン１２０、１２１を通っては導かれない。むしろ、蓄熱部流体からの熱は別の作動流体に伝達され、作動流体は別個の回路、すなわち作動流体回路１４０において移送される。蓄熱部流体は、それ自身の回路、すなわち蓄熱部流体回路において循環する。
【００４２】
これにより、１つのみの回路が使用された場合に生じうる次のようないくつかの欠点が克服される。水蒸気がタービンを駆動するためにしばしば用いられる。水が蓄熱部流体として用いられると、蓄熱ユニットにより蒸発させられるであろう。このような相転移により、とりわけ多量の熱エネルギーが蓄熱ユニットの端で（すなわち、蓄熱部流体が蓄熱ユニットに到達する入口領域で）蓄熱ユニットから取られてしまうであろう。このようにして、蓄熱が不規則的に放出され、材料の摩耗が著しくなるであろう。さらに、タービンにおける流体の圧力は比較的高くなくてはならない。単一の回路であれば、蓄熱ユニットへの全ての導管が、より高い圧力に対しても設計されていなければならないとの結果にもなる。蓄熱部流体の温度は、蓄熱ユニットの瞬間的な温度にも依存し、したがって変動する。対照的に、タービンは衝突する流体の特定の温度／圧力特性に対してのみ、最大限の効率を有する。
【００４３】
これらの欠点は、異なる２つの回路、すなわち、作動流体回路１４０と蓄熱部流体回路１３０とを使用することにより、完全にまたは少なくとも部分的に克服される。
【００４４】
蓄熱部流体ポンプ１２５は、蓄熱部流体回路１３０に配置され、蓄熱部流体を回路１３０において循環させる。さらに、作動流体ポンプ１４５は、作動流体回路１４０に配置され、作動流体を回路１４０において循環させる。作動流体ポンプ１４５は、蓄熱部流体ポンプ１２５よりも著しく高い圧力を付加し、この圧力は、例えば、少なくとも１０倍大きくてもよい。
【００４５】
蓄熱部流体は作動流体よりも高い沸点を有してもよく、これにより蓄熱部流体は液体で、蓄熱ユニットからの熱により蒸発させられなくてもよい。対照的に、作動流体は蓄熱部流体からの熱エネルギーにより蒸発させられ、タービン１２０、１２１を通過した後に、コンデンサ１２４において液化される。コンデンサ１２４は、示したように熱交換器を有してもよく、これを通って、熱が作動流体から除かれ、例えば加熱の目的のためにさらに使用されうる液体に伝えられてもよい。蓄熱部流体が蒸発しないことにより、上記の欠点、すなわち蒸発が急激に多量のエネルギーを蓄熱体３０の一部から取り去るとの欠点が回避される。例えば、蓄熱部流体は油であってもよく、作動流体は水または水溶液であってもよい。
【００４６】
熱エネルギーを蓄熱部流体から作動流体に伝達するために、少なくとも第１流体回路熱交換器１３１が設けられている。図示した例では、第２流体回路熱交換器１３２も設けられている。これらの各熱交換器１３１、１３２を通って、作動流体およびこれとは別に蓄熱部流体も導かれ、ここで、各管は、より伝熱を高めるために互いに対して熱的に接続されている。
【００４７】
第１流体回路熱交換器１３１は、作動流体回路１４０に関して、タービン１２０の上流に配置されている。対照的に、第２流体回路熱交換器１３２は、作動流体回路１４０に関して２つのタービン１２０、１２１の間に配置されている。
【００４８】
２つの流体回路熱交換器１３１、１３２は、蓄熱部流体回路１３０に関して、互いに対して並列に配置されてもよい。蓄熱部流体の１つの導管が、２つの流体回路熱交換器１３１、１３２の前で２つの導管１３５、１３６に分岐し、２つの導管１３５、１３６が、それぞれ２つの流体回路熱交換器１３１、１３２のうちの１つを通って導かれる。その後、２つの導管１３５、１３６は合流する。
【００４９】
図示したように、少なくとも一部の蓄熱器１００は、互いに対して並列である導管に配置されてもよい。これによる利点は、互いに対して並列に配置された蓄熱器１００が、実質的に同様に放出を行い、すなわち、とりわけ実質的に同じ量のエネルギーが、通過する蓄熱部流体に伝達されるという点である。これにより、ある蓄熱器１００が最高温度に達してさらなるエネルギーを外部送電網から取り入れて貯蔵することができなくなる一方で、他の蓄熱器１００がその最高温度よりずっと低いという事態が回避される。蓄熱器１００の多くが電気エネルギーを同時に取り入れることができれば、電気エネルギーの最大限可能な取り入れ量を、より大きくすることができるので利点となる。
【００５０】
さらに、一部の蓄熱器１００が、蓄熱部流体回路１３０に順に配置され、蓄熱部流体がこれらを連続的に通過されてもよい。この場合、連続的に配置された蓄熱器１００に関して、排熱（すなわち、蓄熱媒体への伝熱）は変わる。しかしながら、この配置も次のような利点がある。蓄熱部流体は、最低温度（低温閾値）未満になるべきではないので、蓄熱器１００が最低温度になる。しかしながら、蓄熱器１００の最低温度は低いことが望ましく、なぜならば、これにより蓄熱器１００の可能な温度差が高まり、蓄熱器１００の貯蔵能力が高まるからである。２つまたはそれ以上の蓄熱器１００が前後に配置されている場合、異なる最低温度で稼働させることができる。これらの蓄熱器１００のうちの前方の（前の）蓄熱器の最低温度は、蓄熱器１００のうちの後方の（後ろの）蓄熱器の最低温度よりも低くてもよい。後方の蓄熱器１００により、蓄熱部流体の所望の最低温度／低温閾値が確保される。対照的に、前方の蓄熱器１００は、非常に広い温度範囲にわたって（すなわち、後方の蓄熱器１００よりも広い温度範囲にわたって）稼働されてもよく、特に、高い貯蔵能力を有する。或いはまたはこれに加えて、連続的に配置された蓄熱器１００の各最高温度が異なっていてもよい。
【００５１】
換言すると、制御機器を設けて、これを、連続的に配置された蓄熱器１００のうちの前方の蓄熱器１００を後方の蓄熱器１００よりもより広い温度範囲にわたって稼働させるように構成してもよい。
【００５２】
蓄熱体３０の温度範囲、すなわち、稼働中に用いられる最低温度と最高温度との間の範囲に加えて、それらの蓄熱体３０の全質量も、蓄熱器１００の全貯蔵能力にとって重要である。いくつかの連続的に配置された蓄熱器の後方の蓄熱器１００が、いずれにせよ狭い温度範囲にわたって稼働させられるのみの場合には、蓄熱体の質量が前方の蓄熱器１００の蓄熱体よりも質量が小さいように選択される場合に、得策である。これは、例えば、前方の蓄熱器が後方の蓄熱器よりも多くの蓄熱ユニットを有することにより実現されてもよい。ちなみに、前方の蓄熱ユニットと後方の蓄熱ユニットの蓄熱器１００は同様であってもよい。
【００５３】
図示した部品に加えて、発電所１１０は、（化石）エネルギー担体用の燃焼器、例えば石炭、天然ガスまたは合成ガスを燃焼するための燃焼器を有してもよい。このようにして放出された熱も、作動流体または蓄熱部流体に伝達されてもよい。燃焼器の出力を電気ヒーター１０による電力消費/取り入れに依存して制御するようにしてもよい。特に、（または専ら）電気エネルギーの供給過剰がある場合に、電力は消費される。この期間の間は、より少ない電気エネルギーが発生させられ、燃焼器の出力がより低減することが望ましい。燃焼器の出力は、蓄熱器１００が充電される場合、特にこの電力取り入れが所定の閾値を上回る場合には、低い値に下げることができる。対照的に、電気ヒーターが取り入れる電力が閾値を上回らない場合には、燃焼器の出力は、低い値に下がらず、より高い値に保たれる。
【００５４】
本発明の発電所を用いて、多量の電気エネルギーが熱エネルギーとして貯蔵され、その後簡単でコスト効率の良い方法で電気エネルギーに変換し戻されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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