JP2012523815A - 二つの蓄熱槽を有する熱電エネルギー貯蔵システム及び熱電エネルギーを貯蔵するための方法 - Google Patents

Abstract

熱電エネルギー貯蔵システムの中でエネルギーを貯蔵し且つ回収するためのシステム及び方法が、記載される。この熱電エネルギー貯蔵システムは、第一及び第二の熱交換器（１８，１４，３０）の中を通って循環される作業流体と、第一の熱交換器（１８）の中を通って循環される蓄熱媒体と、を有している。第二の熱交換器（１４，３０）は、チャージング・サイクルの間、第一の蓄熱槽（２０）に接続され、ディスチャージング・サイクルの間、第二の蓄熱槽（３４）に接続される。このようにして、チャージングの間、第一の蓄熱槽（２０）と高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差を最小にすることにより、そして、ディスチャージングの間、第二の蓄熱槽（３４）と前記高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差を最大にすることにより、往復効率が改善される。
【選択図】図１

Description

本発明は、広く、電気ネルギーの貯蔵に係る。本発明は、特に、熱エネルギー貯蔵部の中で、熱エネルギー形態で、電気ネルギーを貯蔵するためのシステム及び方法に係る。

原子力発電所などのようなベースロード発電施設、及び風力タービンや太陽電池パネルなどのような、確率的な、間歇的なエネルギー源を有する発電施設は、低い電力需要の時間の間に、過剰な電力を発生させる。大規模な電気エネルギー貯蔵システムは、この過剰なエネルギーを、ピーク需要の時間に転じて、全体的な電気の発生及び消費をバランスさせる手段である。

先行する特許出願 EP1577548 において、出願人は、熱電エネルギー貯蔵（ＴＥＥＳ）システムのコンセプトについて説明した。ＴＥＥＳは、チャージング・サイクルにおいて、過剰な電気を熱に変換して、熱を貯蔵し、必要なときに、ディスチャージング・サイクルにおいて、熱を変換して電気に戻す。そのようなエネルギー貯蔵システムは、頑丈で、コンパクトな、サイトに依存しない、大量の電気エネルギーの貯蔵に適している。熱エネルギーは、温度の変化を介して、顕熱の形態で、または、相の変化を介して、潜熱形態で、または、両方の組合せで、貯えられることが可能である。顕熱のための貯蔵媒体は、固体、液体、または気体であることが可能である。潜熱のための貯蔵媒体は、相の変化を介して生じ、これらの相の何れか、またはそれらの組合せを、直列にまたは並列に含むことが可能である。

電気エネルギー貯蔵システムの往復効率は、ディスチャージングの後のエネルギー貯蔵システムの状態が、貯蔵部のチャージングの前のその最初の状態に戻ると仮定した場合の、貯蔵部をチャージするために使用される電気エネルギーに対する、貯蔵部からディスチャージされることが可能な電気エネルギーのパーセンテージとして規定されることが可能である。このようにして、高い往復効率を実現するために、両方のモード効率が、それらの互いに対する依存性が許す限りにおいて、最大にされる必要がある。

全ての電気ネルギー貯蔵技術は、制約された往復効率を本質的に有していると言うことを、指摘することは、重要である。このようにして、貯蔵部をチャージするために使用される電気エネルギーの全てのユニットに対して、あるパーセンテージだけが、ディスチャージの際に電気エネルギーとして回収される。残りの電気エネルギーは、失われる。もし、例えば、ＴＥＥＳシステムの中に貯えられる熱が、抵抗ヒーターによりもたらされる場合には、約４０％の往復効率を有している。

ＴＥＥＳシステムの往復効率は、チャージングの効率及びディスチャージングの効率から構成される。ＴＥＥＳシステムの往復効率は、熱力学の第二法則に起因する様々な理由のために、制約される。第一の理由は、システムの性能の係数に関係している。システムがチャージング・モードにあるとき、その理想的な効率は、性能係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）により支配される。このＣＯＰは、低温側（Ｔｃ）及び高温側（Ｔｈ）の温度に依存していて、次の式で与えられる：
ＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｃ）
このようにして、入力出力温度レベルと出力温度レベルとの間の相違の増大に伴い、ヒート・ポンプのＣＯＰが低下することが分かる。

第二に、熱機関における機械的な仕事への熱の変換は、カルノー効率により制約される。システムがディスチャージング・モードにあるとき、効率（η）は、次の式により与えられる：
η＝（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｔｈ
このようにして、低温側の温度が減少するとき、効率が増大することが分かる。

第三に、作業流体から蓄熱部へ及びその反対への熱の流れは、それが生ずるために、温度差を必要とする。この事実は、不可避的に、温度レベルを低下させ、従って、熱が仕事をする能力を低下させる。

留意すべきことは、多くの産業プロセスは、熱エネルギーの準備措置、及び熱エネルギーの貯蔵部を含んでいることである。それらの例は、冷凍デバイス、ヒート・ポンプ、空調、及びプロセス産業である。太陽熱発電所において、熱が、供給され、恐らくは、貯えられ、そして、電気エネルギーに変換される。しかしながら、全てのこれらのアプリケイションは、ＴＥＥＳシステムから区別される。その理由は、それらは、専ら電気を貯える目的のための熱に関係していないからである。

留意すべきことは、ＴＥＥＳシステムのチャージング・サイクルが、ヒート・ポンプ・サイクルとも呼ばれ、そして、ＴＥＥＳシステムのディスチャージング・サイクルが、熱機関サイクルとも呼ばれることである。ＴＥＥＳのコンセプトにおいて、熱は、チャージング・サイクルの間に、高温側作業流体から蓄熱媒体へ移送され、ディスチャージング・サイクルの間に、蓄熱媒体から作業流体へ戻されることが必要である。ヒート・ポンプは、低温側熱源からより暖かいヒート・シンクへ熱エネルギーを移動させるために、仕事を要求する。高温側（即ち、ＴＥＥＳの蓄熱媒体の部分）に、貯えられるエネルギーの量は、圧縮の仕事と比べて、低温側から引き出されるエネルギー（即ち、低い圧力で作業流体により吸収される熱）に等しい量だけ、大きい。ヒート・ポンプは、仕事入力当り、抵抗加熱と比べてより多くの熱を、高温側貯蔵部に貯える。仕事入力に対する熱出力の比は、性能係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）と呼ばれ、１より大きい値である。このようにして、ヒート・ポンプの使用は、ＴＥＥＳシステムの往復効率を増大させることになる。

既知のＴＥＥＳシステムのチャージング・サイクルは、仕事回収エキスパンダ、蒸発器、圧縮機、及び熱交換器を有していて、全て作業流体回路により直列に接続されている。更に、流体の蓄熱媒体を含む、低温側貯蔵タンク及び高温側貯蔵タンクが、熱交換器を介して共に接続されている。作業流体が、蒸発器の中を通過する間に、作業流体は、環境からまたは蓄熱槽から熱を吸収して、気化する。既知のＴＥＥＳシステムのディスチャージング・サイクルは、ポンプ、凝縮器、タービン、及び熱交換器を有していて、全て、作業流体回路により直列に接続されている。再び、流体の蓄熱媒体を含む、低温側貯蔵タンク及び高温側貯蔵タンクが、熱交換器を介して共に接続される。作業流体が凝縮器の中を通過する間に、作業流体は、環境または蓄熱槽との間で、熱エネルギーを交換し、凝縮する。川、湖または水と氷の混合物のプールなどのような、同一の蓄熱槽が、チャージング及びディスチャージング・サイクルの両方で使用される。

関係するシステム・コストを最小にしながら、高い往復効率を有し、効率の良い熱電エネルギー貯蔵を提供することに対する要求がある。

欧州特許出願第ＥＰ１５７７５４８号明細書

本発明の目的は、改善された往復効率を備えた、電気エネルギーを熱エネルギー（貯えられた後に再び電気エネルギーに変換されて戻されるに変換するための熱電エネルギー貯蔵システムを提供することにある。この目的は、請求項１に基づく熱電エネルギー貯蔵システムにより、及び、請求項５に基づく方法により実現される。好ましい実施形態は、従属請求項から明らかになる。

本発明の第一のアスペクトによれば、熱電エネルギー貯蔵システムが提供され、このシステムは、熱エネルギーを蓄熱部に供給するためのチャージング・サイクル、及び、この蓄熱部から熱エネルギーを回収することにより、電気を作り出すためのディスチャージング・サイクルを有している。この熱電エネルギー貯蔵システムは、第一の熱交換器及び第二の熱交換器の中を通って、作業流体を循環させるための作業流体回路、及び、蓄熱媒体を循環させるための蓄熱媒体回路を有している。この蓄熱媒体回路は、第一の熱交換器を介して低温側貯蔵タンクに結合された、少なくとも一つの高温側貯蔵タンクを有している。チャージング・サイクルの間、第二の熱交換器が第一の蓄熱槽に接続され、第一の蓄熱槽と高温側貯蔵タンクとの間の温度差が最小にされる。ディスチャージング・サイクルの間、第二の熱交換器が第二の蓄熱槽に接続され、第二の蓄熱槽と前記高温側貯蔵タンクとの間の温度差が最大にされる。

換言すれば、前記蓄熱槽の温度は、第一の蓄熱槽が、第二の蓄熱槽と比べて相対的に高い温度にあるように選択される。

蓄熱媒体は、液体であって、好ましくは、水である。本発明の作業流体は、好ましくは、二酸化炭素である。

好ましい実施形態において、冷却デバイスが、チャージング・サイクルの間にまたはその後に、前記低温側貯蔵タンクに接続される。好ましくは、これは、前記低温側貯蔵タンクの中の蓄熱媒体の温度を低下させるために機能し、それにより、低温側貯蔵タンクの温度を、ディスチャージング・サイクルで要求される温度に調整する。

更に好ましい実施形態において、加熱デバイスが、ディスチャージング・サイクルの間にまたはその後で、前記低温側貯蔵タンクに接続される。好ましくは、これは、前記低温側貯蔵タンクの中の蓄熱媒体の温度を上昇させるために機能し、それにより、前記低温側貯蔵タンクの温度を、チャージング・サイクルで要求される温度に調整する。

本発明の好ましい実施形態において、チャージング・サイクルまたはディスチャージング・サイクルの、少なくとも一つの区間が、トランスクリティカルに（transcritically）行われる。

本発明の第二のアスペクトにおいて、熱電エネルギー貯蔵システムの中で、エネルギーを貯蔵し且つ回収するための方法が、提供される。本発明の方法は、下記の工程を有している：
蓄熱媒体を加熱することにより、システムをチャージし、ここで、蓄熱媒体が、低温側貯蔵タンクに結合された少なくとも一つの高温側貯蔵タンクの間で循環し；
蓄熱媒体からの熱を用いて、作業流体回路の中で作業流体を加熱することにより、システムをディスチャージし；
熱力学マシンにより、作業流体を膨張させる。

本発明の方法は、下記の工程を更に有している：
チャージングの間に、第一の蓄熱槽を前記作業流体回路に接続して、第一の蓄熱槽と高温側貯蔵タンクとの間の温度差が最小にされることを可能にし；次いで、
ディスチャージングの間に、第二の蓄熱槽を前記作業流体回路に接続して、第二の蓄熱槽と前記高温側貯蔵タンクとの間の温度差が最大にされることを可能にする。
再び、前記蓄熱槽の温度は、第一の蓄熱槽が、第二の蓄熱槽と比べて相対的により高い温度にあるように選択される。

好ましくは、チャージングの間の、第一の蓄熱槽と高温側貯蔵タンクとの間の温度差の最小化は、電気入力の要求の減少をもたらす。更にまた、ディスチャージングの間の、第二の蓄熱槽と高温側貯蔵タンクとの間の温度差の最大化が、エネルギー回収の増大をもたらす。

好ましい実施形態において、本発明の第二のアスペクトの方法は、チャージング・サイクルの間にまたはその後に、冷却デバイスを前記低温側貯蔵タンクに接続することを、更に有している。

更に好ましい実施形態において、本発明の方法は、ディスチャージング・サイクルの間にまたはその後に、加熱デバイスを前記低温側貯蔵タンクに接続することを、更に有している。

本発明の好ましい実施形態において、チャージング・サイクルまたはディスチャージング・サイクルの少なくとも一つの区間が、トランスクリティカルに（transcritically）実行される。

このようにして、当業者にとって明らかなように、本発明は、相対的に高い往復効率を有する効率の良い熱電エネルギー貯蔵を、関係するシステム・コストを最小にしながら、もたらす。

図１は、本発明に基づく熱電エネルギー貯蔵システムのチャージング・サイクルの単純化された概略図を示す。 図２は、本発明に基づく熱電エネルギー貯蔵システムのディスチャージング・サイクルの単純化された概略図を示す。 図３は、比較的低い温度の蓄熱槽を使用する本発明のＴＥＥＳシステムにおける、サイクルからの熱移送のエントロピ対温度の図を示す。 図４は、相対的に高い温度の蓄熱槽を使用する本発明のＴＥＥＳシステムにおける、サイクルからの熱移送のエントロピ対温度の図を示す。 図５は、本発明の熱電エネルギー貯蔵システムの更なる実施形態の単純化された概略図を示す。 図６は、図５のＴＥＥＳシステムにおける、サイクルからの熱移送のエントロピ対温度の図を示す。

本発明の主題が、以下のテキストにおいて、添付図面の中に示された好ましい代表的な実施形態を参照しながら、より詳細に説明される。
統一性を考慮して、同一の参照符号が、全ての図に亘って示された同様な要素を示すために使用されている。

図１及び２は、本発明の実施形態に基づくＴＥＥＳシステムの、チャージング・サイクル・システム及びディスチャージング・サイクル・システムを、それぞれ、概略的に描いている。

図１に示されているチャージング・サイクル・システム１０は、仕事回収エキスパンダ１２、蒸発器１４、圧縮機１６、及び熱交換器１８を有していて、ここで、蒸発器１４は、第一の蓄熱槽２０に接続されている。作業流体は、図１の中で矢印が付された実線で示されているように、複数のコンポーネントの中を通って循環する。更に、流体の蓄熱媒体を含む低温側貯蔵タンク２２及び高温側貯蔵タンク２４が、熱交換器１８を介して共に接続されている。蓄熱液体は、矢印が付された破線で示されているように、低温側貯蔵タンク２２と高温側貯蔵タンク２４との間を流れる。更に、第一の蓄熱槽媒体は、矢印が付された一点鎖線で示されているように、第一の蓄熱槽２０と蒸発器１４との間を循環する。

運転中、チャージング・サイクル・システム１０は、熱力学サイクルを実行し、作業流体は、下記のやり方で、ＴＥＥＳシステムの周りを流れる。蒸発器１４の中の作業流体は、第一の蓄熱槽媒体から熱を吸収して、気化する。典型的に、第一の蓄熱槽２０の温度は、環境の温度と比べて高く、例えば、２５℃から４００℃まで高い。気化した作業流体は、圧縮機１６に循環され、そして、余剰の電気エネルギーが、作業流体を圧縮して加熱するために使用される。作業流体は、熱交換器１８を通って供給され、ここで、作業流体は、蓄熱媒体に熱を放出する。

圧縮された作業流体は、熱交換器１８から出て、エキスパンダ１２に入る。ここで、作業流体は、より低い圧力まで膨張し、その圧力は、蒸発器の入口圧力に対応する。作業流体は、蒸発器１４の中に、エキスパンダ１２から流れて戻る。

流体の蓄熱媒体は、熱交換器１８の中を通って、高温側貯蔵タンク２４へ、低温側貯蔵タンク２２から送り出される。作業流体から蓄熱媒体の中へ放出された熱エネルギーは、顕熱の形態で貯えられる。

図２に示されているディスチャージング・サイクル・システム２６は、ポンプ２８、凝縮器３０、タービン３２、及び熱交換器１８を有していて、ここで、凝縮器３０は、第二の蓄熱槽３４と接触する状態にある。作業流体は、図２の中で矢印が付された点線で示されているように、これらのコンポーネントの中を通って循環する。更に、流体の蓄熱媒体を含む、低温側貯蔵タンク２２及び高温側貯蔵タンク２４は、熱交換器１８を介して共に接続されている。図２の中で破線により示されている蓄熱媒体は、高温側貯蔵タンク２４から、熱交換器の中を通って、低温側貯蔵タンク２２へ送り出される。第二の蓄熱槽媒体は、矢印が付された一点鎖線で示されているように、第二の蓄熱槽３４と凝縮器３０との間を循環する。

運転の際、ディスチャージング・サイクル・システム２６もまた、熱力学サイクルを実行し、作業流体が、下記のやり方でＴＥＥＳシステムの周りを流れる。熱エネルギーは、蓄熱媒体から作業流体へ移送され、作業流体の加熱を生じさせる。作業流体は、その後、熱交換器１８から出て、タービン３２に入り、そこで、作業流体は、それにより膨張され、発電機（図示されていない）に結合されたタービン３２に電気エネルギーを発生させる。次に、作業流体は、凝縮器３０に入り、そこで作業流体は、第二の蓄熱槽媒体と熱エネルギーを交換することにより凝縮される。典型的に、しかし必須ではないが、第二の蓄熱槽３４の温度は、環境の温度にあり、それ故に、第一の蓄熱槽の温度と比べて低く、例えば、０℃から１５℃まで低い。凝縮された作業流体は、出口を介して、凝縮器３０から出て、ポンプ２８を介して、熱交換器１８に再び送り出される。

図１のチャージング・サイクル・システム、及び図２のディスチャージング・サイクル・システムが、別々に示されているが、熱交換器１８、低温側貯蔵タンク２２、高温側貯蔵タンク２４及び蓄熱媒体は、両方で共通である。チャージング及びディスチャージング・サイクルは、同時にではなく、連続的に実行されて良い。

この実施形態において、熱交換器は、向流熱交換器であって、サイクルの作業流体は、好ましくは二酸化炭素である。更に、蓄熱媒体は、液体であって、好ましくは水である。この実施形態の圧縮機は、電動の圧縮機である。

先に示したように、ＴＥＥＳシステムの性能の係数（ＣＯＰ）は、もし、低温側と高温側との間の温度差が減少した場合に、増大する。このようにして、チャージングの間、高温側の温度レベルを低下させること、または、低温側の温度レベルを上昇させることが好ましい。図１に示されている本発明の実施形態において、第一の蓄熱槽２０は、サイクルの低温側の温度を上昇させるように働く。本発明の代替えの実施形態において、付加的な冷却デバイスが、チャージングの間にまたはその後で、低温側貯蔵タンク２２の温度を低下させるように働いても良い。そのようなシステムは、ディスチャージング・サイクルに対して、図５に示されている。当業者は、チャージング・サイクルのための同等の回路が、即ち、付加的な冷却デバイスが低温側貯蔵タンク２２に結合された形態が、予見されることを明確に理解するであろう。

先に記載されているように、ＴＥＥＳシステムの効率は、もし、低温側と高温側との間の温度差が増大する場合に、ディスチャージングの間に、増大する。このようにして、高温側の温度レベルを増大させること、または、低温側の温度レベルを低下させることが、好ましい。図２に示されている本発明の実施形態において、第二の蓄熱槽３４は、サイクルの低温側の温度を低下させるように働く。図５に示されている本発明の代替えの実施形態において、付加的な加熱デバイス３６が、ディスチャージング・サイクルの間にまたはその後に、低温側貯蔵タンク２２の温度を上昇させるように働く。付加的な加熱デバイス３６は、低温側貯蔵タンク２２に結合される。留意すべきことは、本発明の各実施形態において、高温側貯蔵タンク２４の温度が、チャージング・サイクル及びディスチャージング・サイクルの間に適合することである。

このようにして、一方はチャージング・サイクル１０の間に使用するために、そしてもう一方は、ディスチャージング・サイクル２６の間に使用するために、二つの別個の蓄熱槽２０，３４を設けるコンセプトが、大いに好ましいことは、明らかである。特に、より低い電気入力が、チャージング・サイクルで要求され、より多くのエネルギーが、ディスチャージング・サイクルで回収され、それにより、全体の往復効率及びコスト効率が増大する。

重要なことは、低温側貯蔵タンク２２及び高温側貯蔵タンク２４の温度が、チャージングとディスチャージング・サイクルの両方の間で、同様な範囲内にあるべきであると言うことである。当業者にとって明らかであるように、蒸発器及び凝縮器の両方と接触する状態にある環境温度の単一の蓄熱槽を有するＴＥＥＳシステムにおいて、チャージング及びディスチャージング・サイクルの、低温側貯蔵タンク２２及び高温側貯蔵タンク２４の、温度は、当然に、それぞれ適合する。しかしながら、本発明のＴＥＥＳシステムにおいて、チャージング及びディスチャージング・サイクルが、第一の蓄熱槽２０及び第二の蓄熱槽３４の異なる温度レベルのために、適応を要求しても良い。

この適応のための可能性は、次に、以下の点に関して示される：
ｉ） 本発明の実施形態、この場合：
− 低温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間で、同一の温度を有している；
− 高温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間で、同一の温度を有している；
− 蓄熱媒体との熱交換の間、作業流体圧力は、同一のチャージングとディスチャージングの間で、同じである。

ｉｉ） 本発明の実施形態、この場合：
− 低温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間で、異なる温度を有している；
− 高温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間で、同一の温度を有している；
− 蓄熱媒体との熱交換の間の作業流体圧力は、チャージングとディスチャージングの間で、異なる。

ｉ） ＴＥＥＳシステム、この場合：
低温側貯蔵タンク２２は、チャージングとディスチャージングの間で、等しい温度を有している；
高温側貯蔵タンク２４は、チャージングとディスチャージングの間で、等しい温度を有している；
システムのために適切な熱力学サイクルが、第一の蓄熱槽２０の温度により決定される。
もし、第一の蓄熱槽の温度が比較的低く、即ち、３０℃から５０℃までのオーダーの場合には、適切な熱力学サイクルが、図３に示されている。

図３のエントロピ対温度の図において、チャージング・サイクルは、破線で示され、反時計回りの方向に従う、これに対して、ディスチャージング・サイクルは、実線で示され、時計回りの方向に従う。この代表的な実施形態において、両方サイクルは、トランスクリティカルに（transcritically）行われ、作業流体は、二酸化炭素であることが想定されている。チャージング・サイクルは、ポイントＶ−ＶＩの間で、予備加熱、気化及び作業流体の過熱から構成され、その後で、温度Ｔ_TBI が、熱の移送を行わせるために要求される最小のアプローチ温度（即ち、熱を交換する二つの流体の間の最小の温度差）を除いて、作業流体によりほぼ到達される。温度Ｔ_TBI での、第一の蓄熱槽との熱交換は、図３のポイントＶ及びＶＩの間の、臨界未満の（subcritical）領域で部分的に生ずる。

低温側での熱交換に続いて、ポイントＶＩ−ＩＩＩの間での圧縮が行われる、その間、仕事が、電気により駆動される圧縮機により、作業流体に引き渡される。ポイントＩＮ−ＩＶの間で、向流熱交換器の中で、作業流体から流体貯蔵媒体へ熱が移送される。ポイントＩＶ−Ｖの間で、サイクルが、作業流体の膨張により閉じられる。この膨張は、流体が熱交換Ｖ−ＶＩの間に蒸発される圧力に対応する等圧線で、終結される必要がある。

ディスチャージング・サイクルは、シーケンスＩ−ＩＶ−ＩＩＩ−ＩＩの中の実線に従う。区間Ｉ−ＩＶは、チャージングの間の膨張と比べて高い圧縮仕事での、高い圧力への作業流体の送出に対応している。区間ＩＶ−ＩＩＩで示される、超臨界（supercritical）領域の中での熱交換は、作業流体の一定の圧力で、且つ低温側貯蔵タンクの温度と、高温側貯蔵タンクの温度との間で、生ずる。ポイントＩＩＩとＩＩとの間の膨張は、チャージングの間に、先に圧縮ステージの中で使用された仕事（ポイントＶＩとＩＩＩとの間）と比べて、より多くの仕事が作り出されることをもたらす。ポイントＩＩとＩとの間での、作業流体の凝縮は、温度Ｔ_TB2 で、第二の蓄熱槽媒体との熱交換を介して生ずる。

図３の中の熱力学サイクルは、作業流体で得られる最大の温度及び圧力が、チャージング・サイクル及びディスチャージング・サイクルの両方に対して同一であるように、デザインされる。

再び、ＴＥＥＳシステムについて考察する；このシステムでは、低温側貯蔵タンク２２は、チャージングとディスチャージングとの間で、等しい温度を有し、高温側貯蔵タンク２４は、チャージングとディスチャージングの間で等しい温度を有している。もし、第一の蓄熱槽の温度Ｔ_TBI が相対的に高い場合の、即ち、７５℃から１００℃までのオーダーの場合の、適切な熱力学サイクルが、図４に示されている。

同様に、エントロピ対温度の図の中で、チャージング・サイクルは、破線で示され、ディスチャージング・サイクルは、実線で示されている。この代表的な実施形態において、チャージング・サイクルは、全て超臨界的に行われ、ディスチャージング・サイクルは、トランスクリティカルに行われる。温度Ｔ_TB1 での第一の蓄熱槽との熱交換は、図４のポイントＶとＶＩとの間の、超臨界領域の中で生ずる。図３の中と比べて、図４のチャージング・サイクルの中で、作業流体の圧力の比がより小さいことに、当業者は留意するであろう。これは、好ましい。その理由は、比較的低い仕事入力が、圧縮機１６により要求され、従って、要求される電気的な入力エネルギーもまた、それに比例してより低くなるからである。

ディスチャージング・サイクルは、図３に示されたものと類似している。

再び、図４の中の熱力学サイクルは、作業流体で得られる最大の温度及び圧力が、チャージング・サイクル及びディスチャージング・サイクルの両方に対して同一であるように、デザインされる。

ｉｉ） ＴＥＥＳシステムにおいて、この場合：
作業流体は、チャージングとディスチャージングの間で異なる圧力で作業する；
低温側貯蔵タンク２２は、チャージングの間とディスチャージングの間で、異なる温度を有していても良く、その場合に、高温側貯蔵タンク２４の最大の温度は、チャージング及びディスチャージング・サイクルの両方で同一であることが要求される。
例えば、図５及び６は、ＴＥＥＳシステムの実施形態に関係していて、この場合、作業流体の圧力は、チャージング・サイクルの間、ディスチャージング・サイクルの間と比べて高く、低温側貯蔵タンクの温度Ｔ_ColdStorageは、チャージング・サイクルとディスチャージング・サイクルの間で、異なる。先にも指摘したように、図５は、ディスチャージング・サイクルを示しているが、図１と同様なチャージング・サイクルが同様に予見されることに、当業者は気づくであろう。

図５及び６に示されているように、チャージングの間、貯蔵媒体の最小の温度は、ディスチャージングのために必要とされる低温側貯蔵の温度と比べて高い。チャージング・サイクルとディスチャージング・サイクルとの間でチャージするときの、温度Ｔ_ColdStorageを調整するために、加熱または冷却デバイスに対する、低温側貯蔵タンク付加的なの結合が、使用される。特に、低温側貯蔵タンクの中の蓄熱媒体が、要求に応じて、クーラーの中を通ってまたはヒーターの中を通って、送り出されることが可能である。その代わりに、加熱が、温度Ｔ_TBI での、また別個のループの中での、第一または第二の蓄熱槽に対する低温側貯蔵タンク２２の結合を介して、実現されることが可能である。

図６は、図５のＴＥＥＳシステムに対するエントロピ対温度の図を示している。チャージング・サイクルは、破線で示され、反時計回りの方向に従い、これに対して、ディスチャージング・サイクルは、実線で示され、時計回りの方向に従う。この代表的な実施形態において、両方サイクルは、トランスクリティカルに行われる。

ポイントＶ−ＶＩとの間のチャージング・サイクルにおいて、作業流体の気化が、温度Ｔ_TBI で生ずる。ポイントＶＩ−ＶＩＩの間の圧縮が、機械的な仕事を作業流体に引き渡す。ポイントＶＩＩ−ＶＩＩＩとの間で、熱が、作業流体から流体貯蔵媒体へ移送される。ポイントＶＩＩＩからポイントＶへの膨張は、圧縮仕事の部分を回収して、サイクルを閉じる。

チャージングとディスチャージングとの間の、付加的なステップとして、低温側貯蔵タンク２２の中に残る流体貯蔵媒体の温度が下げられて、ディスチャージングの間の低温側貯蔵温度に到達する。これを実現するための最も単純な方法は、それを第二の蓄熱槽３４に結合することから構成される。

ディスチャージング・サイクルにおいて、区間Ｉ−ＩＶは、作業流体の圧縮に対応している。区間ＩＶ−ＩＩＩで示された、超臨界領域の中での熱交換は、作業流体の一定の圧力で、且つ、低温側貯蔵タンクの温度と高温側貯蔵タンクの温度との間で、生じる
ポイントＩＩとＩとの間の、作業流体の凝縮は、温度Ｔ_TB2 で、第二の蓄熱槽媒体との熱交換を介して生ずる。チャージングの前に、低温側貯蔵タンク２２の中の蓄熱媒体の温度が、チャージングのために必要とされる温度まで高められることが必要であり、それは、例えば、付加的な低いグレード廃熱源から加熱することにより、または、おそらく二次のヒート・ポンプとともに、電気的に加熱することにより、実現されることが可能である。

本発明の代替えの実施形態において、付加的な高温側貯蔵タンクが、オリジナルの高温側貯蔵タンクに接続して、組み込まれても良い。この付加的な高温側貯蔵タンクは、オリジナルの高温側貯蔵タンクと並列に、チャージされ、ディスチャージング・サイクルの後で使用されて、低温側貯蔵タンクの温度を、要求されるレベルまで高める。このオプションは、もし、第一の蓄熱槽が、恒久的に利用可能でない場合に、特に好ましい。

更なる代替えの実施形態において、この場合には、相対的に高温側熱源、即ち、第一の蓄熱槽が利用可能であり、且つ、高温側貯蔵タンクの温度を上回る温度（例えば、１５０℃から４００℃までのオーダーの温度）を有していて、その場合、高温側熱源が、チャージング・モードにおいて、高温側貯蔵タンクを直接的に加熱するために使用されることが可能である。この場合には、チャージング・サイクルが、単一の熱交換器のみを有するシステムで置き換えられ、この熱交換器は、熱源の熱をＴＥＥＳの高温側貯蔵タンクに移送する。結果として、電気的な仕事入力が必要とならず、チャージング・サイクルは、それ故に、電気の入手可能性及びコストに対して依存しない。

また更なる実施形態において、第一の蓄熱槽は、環境の温度であっても良く、第二の蓄熱槽は、湖などのような、環境と比べて低い温度を有する水のボディであっても良い。このようにして、システムの低温側を確保する要求は、ディスチャージング・サイクルが満たされている間のクーラーである。

本発明のＴＥＥＳシステムにおいて、更なる実施形態が予見され、そこでは、低温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間に、異なる温度を有し、高温側貯蔵タンクは、チャージングとディスチャージングの間に、同一の温度を有し、蓄熱媒体との熱交換の間の、作業流体の圧力は、チャージングとディスチャージングの間で、同一である。結果として、チャージング及びディスチャージング・サイクルは、低温側貯蔵タンクの異なる温度のために、適応を要求する。

他の実施形態は、一つの単一の蓄熱槽を使用することが可能であって、その温度は、ソーラー・ポンドなどのような、二つの蓄熱槽温度レベルの間で変動する。そのようなソーラー・ポンドは、日中の間、温度Ｔ_TBi まで、加熱されても良く、チャージングのために第一の蓄熱槽に対応する熱を供給する。温度Ｔ_TB2 まで、使い尽くされて冷却されたとき、ディスチャージングのために、より低い温度で第二の蓄熱槽に提供しても良い。この場合には、一つの単一の蓄熱槽が、時間により変わる先に記載された二つの異なる温度レベル蓄熱槽として、振る舞うことが可能である。

蓄熱槽の一部のタイプが、一日の中で温度変動に曝されても良いと言うことも可能である。そのような場合には、第二の蓄熱槽は、ＴＥＥＳディスチャージング・サイクルのために、高い十分な温度を供給しなくても良いと言うことも可能である。この場合には、付加的なタンクが、チャージング・サイクルの間、高温側蓄熱媒体で満たされることが可能であり、それは、後に、ディスチャージング・サイクルの間に使用されて、低温側貯蔵タンクを要求される温度レベルにすることになる。

当業者にとって明らかように、チャージング・サイクルのために及びディスチャージング・サイクルのために、ＴＥＥＳシステムの低温側で、二つの異なるタイプの熱交換器を使用することが可能である。これは、もし、材料および／または温度に関して、第一及び第二の蓄熱槽が異なる場合に、技術的に好ましい。更にまた、第一及び第二の蓄熱槽が、材料および／または温度に関して大きく異なる場合には、チャージング・サイクル及びディスチャージング・サイクルのために、異なる作業流体が使用されることが可能である。その場合、二つのサイクルは、高温側と低温側貯蔵タンクの結合を除いて、完全に分離されることになる。使用されても良い作業流体の例は、ディスチャージング・サイクルの低い温度レベルと高い温度レベルとの間の臨界温度を有する冷却材である。

もし、蓄熱槽自身の温度が、ソーラー・ポンド（solar pond）の場合と同様に、変動することが可能である場合には、同一の熱交換器が、チャージング・サイクル及びディスチャージング・サイクルのために、ＴＥＥＳシステムの低温側で使用されても良いこともまた、予見される。

好ましくは、チャージング・モードのための付加的な蓄熱槽は、ＴＥＥＳの貯蔵部の場所に存在する他の熱源により、供給されることが可能である。そのような付加的な蓄熱槽の様々な形態は、ＴＥＥＳ施設の場所に依存して、可能である。適切なほどほどの温度の熱源の例は、発電所の蒸気タービン サイクルからの廃熱、システムにより使用される前に太陽により加熱されたソーラー・ポンド、または、地熱である。産業プロセスからの廃熱もまた、可能性のある候補であって、利用可能な広い温度範囲（６０℃から４００℃まで）をもたらす。これらの熱源の全ては、典型的に、環境と比べて高い温度を有している。それらの温度レベルは、廃熱回収、または家屋の暖房のような他の用途のために適切である程には、しばしば、十分に高くないが、本発明のＴＥＥＳサイクルの中での使用のためには好ましい程度に十分である。

好ましくは、比較的低いグレードの熱が、ＴＥＥＳシステムの往復効率を増大させるために、使用されることが可能である。例えば、本発明において、比較的低いグレードの熱が、低いコストの電気の期間の間に、貯えられた熱にアップグレードされても良く、その貯えられた熱が、後に、高い電気需要時間に使用されても良く、チャージングの間の第一の蓄熱槽温度、または、ディスチャージングの間の低温側貯蔵タンクを増大させる。更に、廃熱が利用可能であるが、低いコストの電気の期間の間ではないときに、熱が、低いコストの電気の期間まで、例えば付加的な温水プールの中に、保持されることが可能であり、その低いコストの電気の期間に、廃熱が高いグレードの熱までアップグレードされて、貯えられることが可能である。

当業者にとって明らかなように、本発明の熱力学サイクルは、サイクルの全てのステージが臨界未満の（subcritical）領域の中で実行される場合に、既に、往復効率の増大をもたらす。本発明のシナリオの中で、熱力学サイクルの一つまたはそれ以上の区間が、トランスクリティカルに実行されるときに、より大きな優位性が得られる。

蓄熱媒体は、一般的に、水（必要な場合には、加圧容器内の水）であるが、油または溶融塩などのような、他の材料が使用されても良い。

当業者は、ＴＥＥＳシステムの中の凝縮器及び蒸発器が、両方の役割を担うことが可能である多目的熱交換デバイスと置き換えられても良いことに、気付くであろう。その理由は、チャージング・サイクルの中での蒸発器の使用、及びディスチャージング・サイクルの中での凝縮器の使用が、異なる期間に実行されることになるからである。同様に、タービン及び圧縮機の役割が、両方のタスクを実行することが可能な、同一のマシンにより実行されることが可能であり、そのようなマシンは、この明細書の中で、熱力学マシンと呼ばれている。

Claims (8)

1. 熱電エネルギー貯蔵システムであって、
   熱エネルギーを蓄熱部に供給するためのチャージング・サイクル（１０）と、
   前記蓄熱部から熱エネルギーを回収することにより、電気を作り出すためのディスチャージング・サイクル（２６）と、を有し、
   当該熱電エネルギー貯蔵システムは；
   第一の熱交換器（１８）及び第二の熱交換器（１４，３０）により、作業流体を循環させるための作業流体回路と、
   蓄熱媒体を循環させるための蓄熱媒体回路と、を有していて、
   この蓄熱媒体回路は、第一の熱交換器（１８）を介して低温側貯蔵タンク（２２）に結合された、少なくとも一つの高温側貯蔵タンク（２４）を有し、
   チャージング・サイクルの間（１０）、第二の熱交換器（１４）が、第一の蓄熱槽（２０）に接続されて、第一の蓄熱槽（２０）と高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差が最小にされること、及び、
   ディスチャージング・サイクルの間（２６）、第二の熱交換器（３０）が、第二の蓄熱槽（３４）に接続されて、第二の蓄熱槽（３４）と前記高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差が最大にされること、
   を特徴とする熱電エネルギー貯蔵システム。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の熱電エネルギー貯蔵システム、
   冷却デバイスが、チャージング・サイクルの間、前記低温側貯蔵タンク（２２）に接続されている。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の熱電エネルギー貯蔵システム、
   加熱デバイス（３６）が、ディスチャージング・サイクルの間、前記低温側貯蔵タンク（２２）に接続されている。
4. 下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載の熱電エネルギー貯蔵システム、
   チャージング・サイクルまたはディスチャージング・サイクルの少なくとも一つの区間が、トランスクリティカルに行われる。
5. 熱電エネルギー貯蔵システムにおいてエネルギーを貯蔵し且つ回収するための方法であって；
   蓄熱媒体を加熱することにより、システムをチャージし、ここで、蓄熱媒体は、低温側貯蔵タンク（２２）に結合された少なくとも一つの高温側貯蔵タンク（２４）との間で循環し、
   蓄熱媒体からの熱を用いて、作業流体回路の中で作業流体を加熱することにより、システムをディスチャージして、熱力学マシン（３２）により、この作業流体を膨張させ、
   チャージングの間、第一の蓄熱槽（２０）を前記作業流体回路に接続して、第一の蓄熱槽（２０）と高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差が最小にされることを可能にし、
   ディスチャージングの間、第二の蓄熱槽（３４）を前記作業流体回路に接続して、第二の蓄熱槽（３４）と前記高温側貯蔵タンク（２４）との間の温度差が最大にされることを可能にすること、
   を特徴とする方法。
6. 下記特徴を有する請求項５に記載の方法、
   チャージング・サイクルの間、冷却デバイスを前記低温側貯蔵タンク（２２）に接続することを、更に有している。
7. 下記特徴を有する請求項５または６に記載の方法、
   ディスチャージング・サイクルの間、加熱デバイス（３６）を前記低温側貯蔵タンク（２２）に接続することを、更に有している。
8. 下記特徴を有する請求項５から７の何れか１項に記載の方法、
   チャージング・サイクルまたはディスチャージング・サイクルの少なくとも一つの区間が、トランスクリティカルに実行される。

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