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公開番号2024171055
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-11
出願番号2023087920
出願日2023-05-29
発明の名称蓄熱システム及び蓄熱方法
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類F28D 20/00 20060101AFI20241204BHJP(熱交換一般)
要約【課題】放熱運転必要温度以上である放熱運転可能時間の減少を抑制可能な蓄熱システム、及び蓄熱方法を提供する。
【解決手段】本実施形態に係る蓄熱システムは、蓄熱運転時に蓄熱用温度以上の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に蓄熱用温度よりも低温の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、蓄熱槽と、配管と、を備える。蓄熱槽は、固体顕熱蓄熱材を有し、1つ以上の蓄熱槽を含む第1群と、第1群と分割された1つ以上の蓄熱槽を含む第2群とを有する。配管は、蓄熱運転時においての、熱媒体を第1群の第1端、内部、第2端の順に流通させた後に第2群の第1端、内部、第2端の順に流通させる流路と、放熱運転時においての、熱媒体を第2群の第1端、内部、第2端の順に流通させた後に第1群の第2端、内部、第1端の順に流通させる流路と、を切替可能である。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
蓄熱運転時に蓄熱用温度以上の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に前記蓄熱用温度よりも低温の前記熱媒体を流通させ前記固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、
前記固体顕熱蓄熱材を有し、１つ以上の蓄熱槽を含む第１群と、前記第１群と分割された１つ以上の蓄熱槽を含む第２群とを有する蓄熱槽と、
前記蓄熱運転時においての、前記熱媒体を前記第１群の第１端、内部、第２端の順に流通させた後に前記第２群の第１端、内部、第２端の順に流通させる流路と、
前記放熱運転時においての、前記熱媒体を前記第２群の前記第１端、前記内部、前記第２端の順に流通させた後に前記第１群の前記第２端、前記内部、前記第１端の順に流通させる流路と、を切替可能な配管と、
を備える、蓄熱システム。
続きを表示（約 1,600 文字）【請求項２】
蓄熱運転時に蓄熱用温度以上の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に前記蓄熱用温度よりも低温の前記熱媒体を流通させ前記固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、
前記固体顕熱蓄熱材を有し、１つ以上の蓄熱槽を含む第３群と、前記第３群と分割された１つ以上の蓄熱槽を含む第４群とを有する蓄熱槽と、
前記蓄熱運転時においての、前記熱媒体を２つ以上に分岐し、分岐したそれぞれの前記熱媒体を前記第３群及び前記第４群それぞれに第１端、内部、第２端の順に流通させる流路と、
前記放熱運転時においての、前記熱媒体を前記第３群の第１端、内部、第２端の順に流通させた後に前記第４群の第２端、内部、第１端の順に流通させる流路と、を切替可能な配管と、
を備える、蓄熱システム。
【請求項３】
前記配管は、
前記蓄熱運転時に、前記熱媒体を前記第１群の第１端、内部、第２群の順に流通させた後に前記第２群をバイパスするように流路の切替が可能である、請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項４】
前記配管は、
前記放熱運転時に、前記熱媒体を前記第２群をバイパスさせた後に前記第１群の第２端、内部、第１端の順に流通させるように流路の切替が可能である、請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項５】
前記配管は、
前記放熱運転時に、前記熱媒体を前記第３群をバイパスさせた後に前記第４群の第２端、内部、第１端の順に流通させるように流路の切替が可能である、請求項２に記載の蓄熱システム。
【請求項６】
前記配管は、
前記第１群の前記第１端に接続される第１配管と、
前記第１群の前記第２端と前記第２群の前記第１端に第１弁を介して接続される第２配管と、
前記第２群の前記第２端に第２弁を介して接続される第３配管と、
一端が、前記第１弁の前記第２群側で第３弁を介して前記第２配管に接続され、他端が前記第２弁の前記第２群よりも遠方側で第４弁を介して第２配管に接続される第４配管と、
一端が、前記第１弁の前記第１群側で第５弁を介して前記第２配管に接続され、他端が前記第２弁の前記第２群で第６弁を介して前記第３配管に接続される第５配管と、
を有する、請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項７】
前記配管は、
前記第４群の前記第１端に接続される第６配管と、
前記第３群の前記第２端に第７弁を介して接続される第７配管と、
一端が前記第３群の前記第１端に第８弁を介して接続され、他端が前記第７弁の遠方側に第９弁を介して接続される第８配管と、
一端が前記第６配管に接続され、他端が前記第８弁の前記第３群側に第１０弁を介して接続される第９配管と、
一端が前記第４群の前記第２端に接続され、他端が前記第７弁の前記第３群側に接続される第１０配管と、
を有する、請求項２に記載の蓄熱システム。
【請求項８】
前記第１群、及び前記第２群の少なくとも一方は、直列、又は並列に流路が接続可能である
複数の蓄熱槽を有する、請求項６に記載の蓄熱システム。
【請求項９】
前記第３群、及び前記第４群の少なくとも一方は、直列、又は並列に流路が接続可能である
複数の蓄熱槽を有する、請求項７に記載の蓄熱システム。
【請求項１０】
前記第１群、及び前記第２群の有する蓄熱槽それぞれの第１端、及び第２端に関する温度に基づき、前記第１乃至６弁の少なくともいずれかの開閉制御により、前記流路を切り替える制御を実行可能である制御装置を、更に備える、請求項６に記載の蓄熱システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蓄熱システム、及び蓄熱方法に関する。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギによる発電が増加しており、季節や時間帯によっては、発電量が電力需要より大きくなる地域が発生している。また、季節や時間帯によっては電力需要が大きくなり、発電量が電力需要より小さく電力不足となる時もある。そこで、蓄熱を用いて電力調整を実施する従来技術（特許文献１参照）があり、それについて図１８～２１を用いて説明する。
【０００３】
図１８は全体システム構成例を示す図である。電力が余剰である時、復水ポンプ４６、蒸気タービン４７、発電機４７ａ、および第２送風機４１を停止する。そして、弁４９、５０を開き弁５１、５２を閉じて、余剰電力を用いて電気ヒータ３９と第１送風機４０を稼働させる。このとき、第１送風機４０により空気４２を電気ヒータ３９と蓄熱槽３８０の間を循環させる。空気４２は、電気ヒータ３９が発生した熱により加熱され、その熱を蓄熱槽３８０まで輸送し、蓄熱槽３８内の蓄熱物質を加熱する。蓄熱物質は固体顕熱蓄熱材であり、例えば岩石である。これにより蓄熱物質に蓄熱される。
【０００４】
電力が余剰でない時、電気ヒータ３９と第１送風機４０を停止し、弁４９、５０を閉じて弁５１、５２を開いて、復水ポンプ４５と第２送風機４１を稼働させる。第２送風機４１により空気４２を蓄熱槽３８０とボイラ４８の間を循環させる。空気４２は、蓄熱槽３８０の蓄熱物質から加熱され、その熱をボイラ４８まで輸送する。ボイラ４８では、復水ポンプ４６により搬入された水４３を、空気４２からの熱により加熱し蒸気４４を製造し、空気４２は温度低下して流出する。このように放熱運転が実施される。蒸気は、蒸気タービン４７内を低温低圧になりながら流通する事で、羽根車である蒸気タービン４７を回転駆動させ、蒸気タービン４７に機械的に接続させた発電機４７ａが発電する。蒸気タービン４７から排出された蒸気は、復水器４６にて冷却水例えば海水により冷却され水４３に変化し、循環する。これにより蓄熱槽３８０内の蓄熱物質に蓄熱されていた熱により、蒸気４４を発生し発電する。このように、電力余剰である時は電力を使い、電力余剰でない時は発電する事で、電力調整が実施される。
【０００５】
図１９は、従来の蓄熱槽３８０内の状態を示す図である。詳細説明は後述するが、蓄熱運転時、蓄熱槽３８０内部に流れ方向に急な温度傾斜を示す温度躍層５５を形成し、それが上流側から下流側へ移動していき、蓄熱槽３８０から流出する空気４２の温度が、第２送風機４１の耐熱温度まで上昇する時までで、蓄熱運転は終了する。その時の蓄熱槽３８０の温度分布を図１９（ａ）に示す。蓄熱運転時の空気４２は、左から右へ流れる。蓄熱槽３８０内に描かれている線は温度を表している。さて、蓄熱運転終了から放熱運転開始まで蓄熱槽３８０を長時間放置するのだが、時間経過に伴い温度分布が変化し図１９（ｂ）のようになる。
【０００６】
図１９（ｂ）に示すよう、温度は蓄熱物質や蓄熱物質付近の空気の伝熱により平均化され、温度躍層５５はよりなだらかになる。これにより、高温一定部分５３の領域が減る。一方で、放熱運転時の空気４２は右から左へ流れるのだが、この時、よりなだらかになった温度躍層５５が時間の経過に従い右から左へ移動していく。放熱運転は放熱された利用先の利用下限温度５４まで下がった時までしかできないために、高温一定部分５３の領域が減ると、放熱運転可能時間が減ってしまう。
【０００７】
上記について、本願と比較しやすいように図２０を用いて説明する。図２０は、（ａ）～（ｅ）の順で、蓄熱槽３８０の内部状態の時系列な変化例を示す図である。従来技術における蓄熱槽３８０を、空気流れ方向に直列に分割する。何分割でもよいが図２０では、蓄熱運転時の空気流れに関して、第１蓄熱槽１と、第２蓄熱槽２の２分割とする。
【０００８】
図２０（ａ）、（ｂ）は蓄熱槽３８０の蓄熱運転時であり、空気は左から右へ流れている。高温の空気７は第１蓄熱槽１の第１端３から流入し、内部を流通し、第２端４から流出し、空気８となる。空気８は第２蓄熱槽２の第１端５から流入し、内部を流通し、第２端６から流出し空気９となる。第１蓄熱槽１ａ、第２蓄熱槽２ａの内部に描かれた線は、固定顕熱蓄熱材やその付近の空気の温度を示しており、温度躍層１０が第１蓄熱槽１ａ内に存在しており、第２蓄熱槽２ａ内は全てまだ低温である。蓄熱運転が進むと、温度躍層１０は第２蓄熱槽２ａ内に移動し、第１蓄熱槽１ａ内は全て高温になっている。
【０００９】
図２０（ｂ）は第２蓄熱槽２ａの第２端６が高温になる直前であり、この時、蓄熱運転を終了する。蓄熱運転終了から放熱運転開始まで、例えば数時間の長期保管を実施する。図２０（ｃ）のように、急峻だった温度躍層１０は、熱の移動によって温度が平均化していき、よりなだらかになる。
【００１０】
図２０（ｄ）、（ｅ）は放熱運転時であり、空気は蓄熱運転時と逆方向に、即ち右から左へ流れており、温度躍槽１０は右から左へ移動していく。図２０（ｄ）では、温度躍層１０は第２蓄熱槽２の内部に存在しており、第１蓄熱槽１内は全てまだ高温である。放熱運転が進むと、温度躍層１０は第１蓄熱槽１ａ内に移動し、第２蓄熱槽２ａ内は全て低温になっている。図２０（ｅ）では、第１蓄熱槽１ａの第１端３が、放熱された利用先の利用下限温度５４（図１９参照）、即ち放熱運転必要温度まで下がる直前であり、この時、放熱運転を終了する。なお、従来技術では、蓄熱システムから放熱した熱を、蒸気タービンの熱源として使用している構成だが、空調などの用途に使用してもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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