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公開番号2025070745
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-02
出願番号2023181263
出願日2023-10-20
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 20060101AFI20250424BHJP(熱交換一般)
要約【課題】蓄熱運転時の蓄熱量や放熱運転時の放熱量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、蓄熱槽群を備える。蓄熱槽群は、蓄熱運転時の流体の流れに関して直列に、上流側蓄熱槽と下流側蓄熱槽を接続し、固体顕熱蓄熱材を内蔵した第1蓄熱槽を上流側蓄熱槽とし、潜熱蓄熱材を内蔵した第2蓄熱槽を下流側蓄熱槽として最下流に配置する。蓄熱運転時は、第1蓄熱槽、第2蓄熱槽の順番に流体を流通させ、流体の全部あるいは一部の保有熱を吸熱し蓄熱し、放熱運転時は、蓄熱運転時と反対向きに流体を流通させ、固体顕熱蓄熱材と潜熱蓄熱材に蓄熱されている熱量の全部あるいは一部を流体に放熱し、潜熱蓄熱材の相変化温度は固体顕熱蓄熱材の蓄熱温度より低いことを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
蓄熱運転時の流体の流れに関して直列に、１つ以上の蓄熱槽から構成された上流側蓄熱槽と、１つ以上の蓄熱槽から構成された下流側蓄熱槽とを接続し、固体顕熱蓄熱材を内蔵した第１蓄熱槽を前記上流側蓄熱槽とし、潜熱蓄熱材を内蔵した第２蓄熱槽を下流側蓄熱槽として最下流に配置した蓄熱槽群を、備え、
前記蓄熱運転時は、前記第１蓄熱槽、前記第２蓄熱槽の順番に前記流体を流通させ、前記流体の全部あるいは一部の保有熱を吸熱し蓄熱し、
放熱運転時は、前記蓄熱運転時と反対向きに前記流体を流通させ、前記固体顕熱蓄熱材と前記潜熱蓄熱材に蓄熱されている熱量の全部あるいは一部を前記流体に放熱し、
前記潜熱蓄熱材の相変化温度は前記固体顕熱蓄熱材の蓄熱温度より低いことを特徴とする、蓄熱システム。
続きを表示（約 660 文字）【請求項２】
前記第１蓄熱槽と前記第２蓄熱槽の間の流路に第１弁を設け、前記蓄熱運転の終了時から前記放熱運転の開始時まで前記第１弁を閉止する、請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項３】
前記第２蓄熱槽の前記蓄熱運転時における出口側の流路に第２弁を設け、前記蓄熱運転の終了時から前記放熱運転の開始時まで前記第２弁を閉止する、請求項１又は２に記載の蓄熱システム。
【請求項４】
前記潜熱蓄熱材は固体から液体への相変化の潜熱を蓄熱する蓄熱材であり、前記相変化温度は前記潜熱蓄熱材の融点である、請求項１又は２又は３に記載の蓄熱システム。
【請求項５】
蓄熱運転時の流体の流れに関して直列に、１つ以上の蓄熱槽から構成された上流側蓄熱槽と、１つ以上の蓄熱槽から構成された下流側蓄熱槽とを接続し、固体顕熱蓄熱材を内蔵した第１蓄熱槽を前記上流側蓄熱槽とし、潜熱蓄熱材を内蔵した第２蓄熱槽を下流側蓄熱槽として最下流に配置した蓄熱槽群を、備える蓄熱システムの蓄熱方法であって、
前記蓄熱運転時は、前記第１蓄熱槽、前記第２蓄熱槽の順番に前記流体を流通させ、前記流体の全部あるいは一部の保有熱を吸熱し蓄熱し、
放熱運転時は、前記蓄熱運転時と反対向きに前記流体を流通させ、前記固体顕熱蓄熱材と前記潜熱蓄熱材に蓄熱されている熱量の全部あるいは一部を前記流体に放熱し、
前記潜熱蓄熱材の相変化温度は前記固体顕熱蓄熱材の蓄熱温度より低いことを特徴とする、蓄熱システムの蓄熱方法。

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 2,500 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６～８を用いて説明する。
【０００３】
図６は、従来技術に係る蓄熱システム１００を含む電力調整システム１の構成例を示す図である。配管Ｌ１には、ポンプ４５、復水器４６、蒸気タービン４７、ボイラ４８が構成される。接合部ｎ１、ｎ２間には、配管Ｌ２、Ｌ３が接合される。また、接合部ｎ１と、蓄熱槽３８との間には、配管Ｌ４が接合される。さらにまた、接合部ｎ１と、蓄熱槽３８との間には、配管Ｌ５が接合される。蓄熱システム１００は、蓄熱槽３８０、電気ヒータ３９、第１送風機４０、第２送風機４１、弁４９～５２、及び熱供給先であるボイラ４８を備えている。
【０００４】
電力が余剰である時、ポンプ４５、蒸気タービン４７、発電機４７ａ、および第２送風機４１０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３９０と第１送風機４００を稼働させる。このとき、第１送風機４００により空気５を電気ヒータ３９０と蓄熱槽３８０の間を循環させる。空気５は、電気ヒータ３９０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３８０内の蓄熱物質を加熱する。蓄熱物質は固体顕熱蓄熱材２３であり、例えば岩石である。これにより蓄熱される。実線矢印は蓄熱運転時の空気流れ方向３２であり、点線矢印は放熱運転時の空気流れ方向３３である。
【０００５】
電力が余剰でない時、電気ヒータ３９０と第１送風機４００を停止し、弁４９、５０を閉じて弁５１、５２を開いて、ポンプ４５と第２送風機４１０を稼働させる。第２送風機４１０により空気５を蓄熱槽３８０とボイラ４８の間を循環させる。空気５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、ポンプ４５により搬入された水４３を、空気５からの熱により加熱し蒸気４４を製造し、空気５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４４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。
【０００６】
図７は、従来技術に係る蓄熱システム１００の蓄熱槽３８０内の状態を示す図である。図７（ａ）は、蓄熱槽３８０の空気５の流れ方向を示し、図７（ｂ）は、蓄熱槽３８０の温度分布を示す。横軸は、蓄熱槽３８０における位置を示しており、縦軸は固体顕熱蓄熱材２３の温度であり、近傍の空気５の温度はほぼ同じである。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２６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５の温度が、例えば第１送風機４００あるいは弁５０の耐熱温度まで上昇する時までで、蓄熱運転は終了する。最初の蓄熱運転における蓄熱運転終了時の、蓄熱槽３８０内の固体顕熱蓄熱材２３の温度分布を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）に描かれている線は温度を表している。第１蓄熱温度２４は、蓄熱運転の途中における一例である。蓄熱温度上昇により、第２蓄熱温度２５になり、温度躍層２６は蓄熱運転時における出口に達している。なお、第１蓄熱温度２４と第２蓄熱温度２５のグラフ線は、それぞれ温度躍層２６を含んでいる。蓄熱槽出口温度が蓄熱運転終了温度２７に達した時に蓄熱運転を終了する。
【０００７】
図８は、従来技術に係る蓄熱システム１００の放熱運転時における蓄熱槽３８０内の状態を示す図である。図８（ａ）は、蓄熱槽３８０の空気５の流れ方向を示し、図８（ｂ）は、蓄熱槽３８０の温度分布を示す。
【０００８】
蓄熱運転終了時から放熱運転開始時までの長時間の間、蓄熱槽３８０は放置されるが、その間に第２蓄熱温度２５から温度分布は変化し、放熱運転開始時には図８（ｂ）の第３温度５５のようになる。なお、第３温度５５のグラフ線は一点鎖線のうちの水平部分を含んでいる。相対的に温度が高い領域では温度低下し、相対的に低い領域では温度上昇し、温度は平均化していく。急峻な温度躍層２６は、第３温度５５の傾斜線部分のようになる。
【０００９】
放熱運転時は、蓄熱運転時の反対の方向に空気５を流通させる。図８（ｂ）に示す第３温度５５が放熱運転開始時であり、第４温度１８が放熱運転終了時である。なお、第４温度１８のグラフ線は、第３温度５５の傾斜部分が移動してきたものである温度躍層２６ａと、放熱運転開始時に発生した急峻な温度躍層の部分を含んでいる。温度躍層２６の傾斜から、より平均化された温度躍層２６ａを含む温度躍層が、放熱運転における上流側から下流側へ移動していくが、放熱運転の終了は、放熱運転時における蓄熱槽出口温度が放熱運転終了温度３１に達した時である。放熱運転終了温度３１は、例えば、ボイラ４８の稼働に必要な最低温度といった熱需要側の許容温度である。なお、従来技術では、蓄熱システム１００から放熱した熱を、蒸気タービン４７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】
【００１０】
特開２０２１－１５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
（【００１１】以降は省略されています）

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