特開 2024-110024 蓄熱システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024110024

(43)【公開日】2024-08-15

(54)【発明の名称】蓄熱システム

(51)【国際特許分類】

   F28D 20/00 20060101AFI20240807BHJP

   F28D 21/00 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

F28D20/00 B

F28D21/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023014323

(22)【出願日】2023-02-02

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100132067

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 喜雅

(74)【代理人】

【識別番号】100120444

【弁理士】

【氏名又は名称】北川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】武塙 浩太郎

(72)【発明者】

【氏名】安嶋 賢哲

(72)【発明者】

【氏名】吉田 時空

(72)【発明者】

【氏名】横山 康弘

(72)【発明者】

【氏名】峯松 繁行

(57)【要約】

【課題】エネルギー効率を向上すること。
【解決手段】蓄熱システム（１０）は、作動流体となる水を加熱して過熱蒸気とするボイラ（１１）と、ボイラ（１１）にて加熱された過熱蒸気から動力を発生する蒸気タービン（１２）と、蒸気タービンから供給される蒸気を凝縮して復水とする復水器（１３）と、過熱蒸気及び復水に対して貯留する蓄熱材（ＨＳ）と熱交換する蓄放熱系（２５）とを備えている。蓄放熱系は、過熱蒸気と蓄熱材との間で熱交換する第１蓄放熱部となる気相域蓄放熱部（３０）と、湿り飽和蒸気及び復水と蓄熱材との間で熱交換する第２蓄放熱部とを備えている。第２蓄放熱部は、湿り飽和蒸気と蓄熱材との間で熱交換する高温側蓄放熱部となる気液相域蓄放熱部（４０）と、復水と蓄熱材との間で熱交換する低温側蓄放熱部となる液相域蓄放熱部（５０）とを備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

作動流体を加熱して液相から気相とする加熱装置と、
前記加熱装置にて加熱された気相の作動流体から動力を発生する動力発生装置と、
前記動力発生装置から供給される作動流体を凝縮する凝縮装置と、
作動流体に対して貯留する蓄熱材と熱交換する蓄放熱系と、を備え、
蓄熱運転モードにて、前記加熱装置で加熱された作動流体が前記動力発生装置及び前記蓄放熱系に分配され、該蓄放熱系にて蓄熱材が作動流体によって加熱され、
放熱運転モードにて、前記凝縮装置で凝縮された作動流体が前記加熱装置及び前記蓄放熱系に分配され、該蓄放熱系にて蓄熱材から作動流体に放熱される蓄熱システムであって、
前記蓄放熱系は、気相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する第１蓄放熱部と、
気液相及び液相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する第２蓄放熱部とを備えていることを特徴とする蓄熱システム。

【請求項2】

前記第２蓄放熱部は、気液相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する高温側蓄放熱部と、
液相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する低温側蓄放熱部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項3】

前記第１蓄放熱部、前記高温側蓄放熱部及び前記低温側蓄放熱部は、蓄熱材を収容する高温蓄熱槽及び低温蓄熱槽と、
前記高温蓄熱槽から前記低温蓄熱槽に供給される蓄熱材から作動流体に放熱する加熱用熱交換器と、
前記低温蓄熱槽から前記高温蓄熱槽に供給される蓄熱材によって作動流体を冷却する冷却用熱交換器とをそれぞれ備えていることを特徴とする請求項２に記載の蓄熱システム。

【請求項4】

前記第１蓄放熱部、前記高温側蓄放熱部及び前記低温側蓄放熱部で用いるそれぞれの蓄熱材は、液相の溶融塩であり、作動流体がＨ_２Ｏであることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱システム。

【請求項5】

前記第１蓄放熱部及び前記第２蓄放熱部は、蓄熱材を収容する高温蓄熱槽及び低温蓄熱槽と、
前記高温蓄熱槽から前記低温蓄熱槽に供給される蓄熱材から作動流体に放熱する加熱用熱交換器と、
前記低温蓄熱槽から前記高温蓄熱槽に供給される蓄熱材によって作動流体を冷却する冷却用熱交換器とをそれぞれ備えていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項6】

前記第１蓄放熱部で用いる蓄熱材は、液相の溶融塩であり、前記第２蓄放熱部で用いる蓄熱材は、Ｈ_２Ｏであり、作動流体がＨ_２Ｏであることを特徴とする請求項５に記載の蓄熱システム。

【請求項7】

前記高温蓄熱槽に供給される蓄熱材を加熱するヒータと、前記低温蓄熱槽に供給される蓄熱材を冷却するクーラとを更に備えていることを特徴とする請求項３から請求項６の何れか一項に記載の蓄熱システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蓄熱材を用いた蓄熱システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示されるシステムは、作業流体を熱交換器の中を通って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。蓄熱媒体回路は、熱交換器を介して接続される高温貯蔵タンク及び低温貯蔵タンクを有している。作業流体は熱交換器の中を通るときに、低温貯蔵タンクから高温貯蔵タンクに送り出される蓄熱媒体の中に熱を放出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１５２０７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のシステムは、蓄熱媒体が液相のみの顕熱変化で蓄放熱し、作業流体が例えば水（蒸気）のように顕熱変化の他に潜熱変化でも蓄放熱する場合、熱交換器が単一となるとエネルギー回収率が低くなる、という問題がある。これは、液相のみの蓄熱媒体に対し作業流体が相変化するので、蓄熱媒体の流量を大きくすると作業流体と熱交換できない温度帯が生じ、また、蓄熱媒体の流量を小さくすると作業流体が高温の状態で熱交換器から流出するようになるからである。

【0005】

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、エネルギー効率（回収率）を向上することができる蓄熱システムを提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明における一態様の蓄熱システムは、作動流体を加熱して液相から気相とする加熱装置と、前記加熱装置にて加熱された気相の作動流体から動力を発生する動力発生装置と、前記動力発生装置から供給される作動流体を凝縮する凝縮装置と、作動流体に対して貯留する蓄熱材と熱交換する蓄放熱系と、を備え、蓄熱運転モードにて、前記加熱装置で加熱された作動流体が前記動力発生装置及び前記蓄放熱系に分配され、該蓄放熱系にて蓄熱材が作動流体によって加熱され、放熱運転モードにて、前記凝縮装置で凝縮された作動流体が前記加熱装置及び前記蓄放熱系に分配され、該蓄放熱系にて蓄熱材から作動流体に放熱される蓄熱システムであって、前記蓄放熱系は、気相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する第１蓄放熱部と、気液相及び液相の作動流体と蓄熱材との間で熱交換する第２蓄放熱部とを備えていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、作動流体の気相と気液相及び液相とに分けて第１蓄放熱部及び第２蓄放熱部それぞれの蓄熱材で蓄放熱することができる。これにより、第１蓄放熱部及び第２蓄放熱部では、蓄熱運転モードと放熱運転モードにて蓄熱材の流量がアンバランスになることを解消でき、作動流体の熱エネルギーを蓄熱運転モードにて棄てることなく回収することができる。この結果、エネルギー回収率を改善でき、加熱装置から発生するエネルギーを動力発生装置にて取得するエネルギー効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１の実施の形態に係る蓄熱システムの概略構成図である。

【図2】放熱運転モードの蓄熱システムを示す図１と同様の構成図である。

【図3】比較構造の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。

【図4】第１の実施の形態の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。

【図5】第２の実施の形態に係る蓄熱システムの概略構成図である。

【図6】放熱運転モードの蓄熱システムを示す図５と同様の構成図である。

【図7】第２の実施の形態の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

［第１の実施の形態］
以下、本発明の一実施の形態に係る蓄熱システムについて、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係る蓄熱システムの概略構成図である。図１に示すように、蓄熱システム１０は、例えば、火力発電システムに用いられる。蓄熱システム１０は、作動流体としてＨ_２Ｏを用い、以下において、相変化に応じ、液相の状態では水や復水、気液相の状態では湿り飽和蒸気や蒸気、気相の状態では過熱蒸気や蒸気と称する場合がある。蓄熱システム１０は、過熱蒸気を生成するボイラ（加熱装置）１１と、過熱蒸気から動力を発生する蒸気タービン（動力発生装置）１２と、過熱蒸気を凝縮して復水とする復水器（凝縮装置）１３とを備えている。

【0010】

ボイラ１１は、熱源を介して水を加熱して過熱蒸気を生成（液相から気相と）する。特に限定されるものでないが、ボイラ１１の熱源は火力発電用の燃料の燃焼熱を発生するものであり、前記燃料としては、石炭・石油・天然ガス等の化石燃料、各種バイオマス燃料、水素燃料、アンモニア燃料等を使用することができる。

【0011】

蒸気タービン１２は、配管１５を介してボイラ１１にて生成した過熱蒸気が供給される。蒸気タービン１２は、過熱蒸気の熱エネルギーを吸収して出力軸１２ａを回転する動力を発生し、低温になった蒸気を排出する。蒸気タービン１２には、出力軸１２ａを介して発電機Ｇが接続され、発電機Ｇは、出力軸１２ａの回転により発電する。

【0012】

蒸気タービン１２の出口側には配管２０が接続され、かかる配管２０に復水器１３と、復水ポンプ２１及び給水ポンプ２２とが設けられる。復水器１３は、蒸気タービン１２から供給される蒸気を回収し、該蒸気を凝縮（温度低下）して復水する。復水器１３で生成された復水は、復水ポンプ２１及び給水ポンプ２２によってボイラ１１に向かって送出される。なお、給水ポンプ２２は、ボイラ１１の入口より若干下流側に設けられ、該給水ポンプ２２と復水器１３との中間に復水ポンプ２１が設けられる。

【0013】

蓄熱システム１０は、ボイラ１１からの過熱蒸気及び復水器１３からの復水が供給される蓄放熱系２５と、上述した配管１５、２０を接続して蓄放熱系２５に用いられる配管２６、２７とを更に備えている。蓄放熱系２５は、蓄熱材ＨＳを貯留して用いており、該蓄熱材ＨＳと過熱蒸気及び復水との間で熱交換を行う。ここで、蓄熱材ＨＳは、蒸気や水に対して液相で熱交換する顕熱式の蓄熱材であり、化学的に不活性な溶融塩等が用いられる。

【0014】

配管２６の上流端及び配管２７の下流端は、配管１５におけるボイラ１１と蒸気タービン１２との間に接続される。配管２６の下流端及び配管２７の上流端は、配管２０における復水ポンプ２１と給水ポンプ２２との間に接続される。配管２６には、後述する予冷器３７、凝縮器４７、過冷却器５７が設けられ、配管２７には、後述する過熱器３８、蒸発器４８、予熱器５８が設けられる。配管２６の下流側にはポンプ２８が設けられる。

【0015】

蓄放熱系２５は、気相となる過熱蒸気と蓄熱材ＨＳとの間で熱交換する気相域蓄放熱部３０と、気液相となる湿り飽和蒸気と蓄熱材ＨＳとの間で熱交換する気液相域蓄放熱部４０と、液相となる過熱蒸気と蓄熱材ＨＳとの間で熱交換する液相域蓄放熱部５０とを備えている。各蓄放熱部３０、４０、５０は、相互に独立して蓄熱材ＨＳを循環する回路を形成する。ここで、気相域蓄放熱部３０により第１蓄放熱部が構成され、気液相域蓄放熱部４０により高温側蓄放熱部が構成され、液相域蓄放熱部５０により低温側蓄放熱部が構成される。また、気液相域蓄放熱部４０と液相域蓄放熱部５０とにより第２蓄放熱部が構成される。

【0016】

気相域蓄放熱部３０は、蓄熱材ＨＳを収容する第１高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）３１及び第１低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）３２を備えている。また、気相域蓄放熱部３０は、第１低温蓄熱槽３２から第１高温蓄熱槽３１に蓄熱材ＨＳを供給する配管３３及びポンプ３４と、第１高温蓄熱槽３１から第１低温蓄熱槽３２に蓄熱材ＨＳを供給する配管３５及びポンプ３６とを備えている。

【0017】

更に、気相域蓄放熱部３０は、配管３３に設けられる予冷器（冷却用熱交換器）３７と、配管３５に設けられる過熱器（加熱用熱交換器）３８とを備えている。

【0018】

予冷器３７は、第１低温蓄熱槽３２から第１高温蓄熱槽３１に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、ボイラ１１から配管１５、２６を経て通過する過熱蒸気とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、過熱蒸気が冷却されて湿り飽和蒸気に相変化され、蓄熱材ＨＳが加熱（蓄熱）される。予冷器３７により生成された湿り飽和蒸気は、配管２６を経て後述する凝縮器４７に供給される。

【0019】

過熱器３８は、第１高温蓄熱槽３１から第１低温蓄熱槽３２に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、気液相域蓄放熱部４０の後述する蒸発器４８から配管２７を経て通過する湿り飽和蒸気とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、湿り飽和蒸気が加熱されて過熱蒸気に相変化され、蓄熱材ＨＳが放熱される。過熱器３８の加熱により生成された過熱蒸気は、配管２７、１５を経て蒸気タービン１２に供給される。

【0020】

ポンプ３４は、配管３３にて第１低温蓄熱槽３２の下流側であって予冷器３７より上流側に設けられる。配管３３にて、予冷器３７の下流側であって第１高温蓄熱槽３１より上流側には、第１高温蓄熱槽３１に供給される蓄熱材ＨＳを加熱する第１ヒータＨ１が設けられる。

【0021】

ポンプ３６は、配管３５にて第１高温蓄熱槽３１の下流側であって過熱器３８より上流側に設けられる。配管３５にて、過熱器３８の下流側であって第１低温蓄熱槽３２より上流側には、第１低温蓄熱槽３２に供給される蓄熱材ＨＳを冷却する第１クーラＣ１が設けられる。

【0022】

気液相域蓄放熱部４０は、蓄熱材ＨＳを収容する第２高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）４１及び第２低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）４２を備えている。また、気液相域蓄放熱部４０は、第２低温蓄熱槽４２から第２高温蓄熱槽４１に蓄熱材ＨＳを供給する配管４３及びポンプ４４と、第２高温蓄熱槽４１から第２低温蓄熱槽４２に蓄熱材ＨＳを供給する配管４５及びポンプ４６とを備えている。

【0023】

更に、気液相域蓄放熱部４０は、配管４３に設けられる凝縮器（冷却用熱交換器）４７と、配管４５に設けられる蒸発器（加熱用熱交換器）４８とを備えている。

【0024】

凝縮器４７は、第２低温蓄熱槽４２から第２高温蓄熱槽４１に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、予冷器３７から供給されて通過する湿り飽和蒸気とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、湿り飽和蒸気が温度を概ね維持しつつ凝縮され、蓄熱材ＨＳが加熱（蓄熱）される。凝縮器４７により凝縮された湿り飽和蒸気は、配管２６を経て後述する過冷却器５７に供給される。

【0025】

蒸発器４８は、第２高温蓄熱槽４１から第２低温蓄熱槽４２に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、液相域蓄放熱部５０の後述する予熱器５８から配管２７を経て通過する湿り飽和蒸気とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、湿り飽和蒸気が温度を概ね維持しつつ加熱され、蓄熱材ＨＳが放熱される。蒸発器４８により加熱された湿り飽和蒸気は、配管２７を経て過熱器３８に供給される。

【0026】

ポンプ４４は、配管４３にて第２低温蓄熱槽４２の下流側であって凝縮器４７より上流側に設けられる。配管４３にて、凝縮器４７の下流側であって第２高温蓄熱槽４１より上流側には、第２高温蓄熱槽４１に供給される蓄熱材ＨＳを加熱する第２ヒータＨ２が設けられる。

【0027】

ポンプ４６は、配管４５にて第２高温蓄熱槽４１の下流側であって蒸発器４８より上流側に設けられる。配管４５にて、蒸発器４８の下流側であって第２低温蓄熱槽４２より上流側には、第２低温蓄熱槽４２に供給される蓄熱材ＨＳを冷却する第２クーラＣ２が設けられる。

【0028】

液相域蓄放熱部５０は、蓄熱材ＨＳを収容する第３高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）５１及び第３低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）５２を備えている。また、液相域蓄放熱部５０は、第３低温蓄熱槽５２から第３高温蓄熱槽５１に蓄熱材ＨＳを供給する配管５３及びポンプ５４と、第３高温蓄熱槽５１から第３低温蓄熱槽５２に蓄熱材ＨＳを供給する配管５５及びポンプ５６とを備えている。

【0029】

更に、液相域蓄放熱部５０は、配管５３に設けられる過冷却器（冷却用熱交換器）５７と、配管５５に設けられる予熱器（加熱用熱交換器）５８とを備えている。

【0030】

過冷却器５７は、第３低温蓄熱槽５２から第３高温蓄熱槽５１に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、凝縮器４７から供給されて通過する湿り飽和蒸気とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、湿り飽和蒸気が冷却されて水に相変化され、蓄熱材ＨＳが加熱（蓄熱）される。過冷却器５７により生成された水は、配管２６から配管２０を経てボイラ１１に供給される。

【0031】

予熱器５８は、第３高温蓄熱槽５１から第３低温蓄熱槽５２に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、配管２７により通過する復水とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、復水が加熱されて湿り飽和蒸気に相変化され、蓄熱材ＨＳが放熱される。予熱器５８の加熱により生成された湿り飽和蒸気は、配管２７を経て蒸発器４８に供給される。

【0032】

ポンプ５４は、配管５３にて第３低温蓄熱槽５２の下流側であって過冷却器５７より上流側に設けられる。配管５３にて、過冷却器５７の下流側であって第３高温蓄熱槽５１より上流側には、第３高温蓄熱槽５１に供給される蓄熱材ＨＳを加熱する第３ヒータＨ３が設けられる。

【0033】

ポンプ５６は、配管５５にて第３高温蓄熱槽５１の下流側であって予熱器５８より上流側に設けられる。配管５５にて、予熱器５８の下流側であって第３低温蓄熱槽５２より上流側には、第３低温蓄熱槽５２に供給される蓄熱材ＨＳを冷却する第３クーラＣ３が設けられる。

【0034】

ここで、蓄熱システム１０は、配管６１を更に備え、配管６１の上流端は、配管２６における過冷却器５７とポンプ２８との間に接続され、配管６１の下流端は、配管２０における復水器１３と復水ポンプ２１との間に接続される。

【0035】

配管６１には、上流から下流側に向かって順に、第１熱利用装置６３、膨張弁６４、第２熱利用装置６５、ポンプ６６が設けられる。

【0036】

第１熱利用装置６３では、過冷却器５７から供給される水や、過冷却器５７を経た後にて液化されずに配管２６、６１に流入した蒸気を熱源として、例えばプラント内で利用する水等の流体を加熱できる。膨張弁６４は、第１熱利用装置６３を経た蒸気を減圧して圧力調整する。第２熱利用装置６５は、膨張弁６４を経た蒸気を凝縮（温度低下）して復水する復水器とされ、第２熱利用装置６５を経た復水がポンプ６６により配管２０に送出される。膨張弁６４及び第２熱利用装置６５での復水によって、復水器１３で生成された復水と配管２０にて合流できるよう調整可能となる。

【0037】

本実施の形態の蓄熱システム１０は、蓄熱運転モードと、放熱運転モードとで選択的に運転される。蓄熱運転モードは、蓄熱材ＨＳに熱エネルギーが蓄積され、発電機Ｇでの出力が相対的に低くなるモードとされる。放熱運転モードは、蓄熱材ＨＳから熱エネルギーが放出され、発電機Ｇでの出力が相対的に高くなるモードとされる。以下、図１を参照して蓄熱運転モードについて説明し、図２を参照して放熱運転モードについて説明する。なお、図１及び図２にて、各運転モードで使用されない配管が破線で図示される。

【0038】

［蓄熱運転モード］
蓄熱運転モードでは、各ポンプ２１、２２、２８、３４、４４、５４、６６が作動され、各ポンプ３６、４６、５６が停止される。

【0039】

蓄熱運転モードにて、ボイラ１１で生成された過熱蒸気は配管１５、２６にて蒸気タービン１２及び蓄放熱系２５に分配される。

【0040】

配管１５から蒸気タービン１２に流入した過熱蒸気は、蒸気タービン１２にて出力軸１２ａの回転動力に変換され、温度低下して排出される。蒸気タービン１２から排出された蒸気は復水器１３で復水される。かかる復水は、復水ポンプ２１及び給水ポンプ２２により配管２０を経てボイラ１１の入口に供給される。

【0041】

また、蓄熱運転モードにて、蓄放熱系２５では、ボイラ１１で生成された過熱蒸気が配管２６を経て気相域蓄放熱部３０の予冷器３７に流入する。予冷器３７では、ポンプ３４の作動によって第１低温蓄熱槽３２から第１高温蓄熱槽３１へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。

【0042】

この状態で、予冷器３７にて、通過する蓄熱材ＨＳがボイラ１１から供給される過熱蒸気と熱交換して加熱（蓄熱）される。第１高温蓄熱槽３１では加熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第１低温蓄熱槽３２の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0043】

予冷器３７にて熱交換された過熱蒸気は、温度低下されて気液相となる湿り飽和蒸気に相変化し、気液相域蓄放熱部４０の凝縮器４７に供給される。

【0044】

気液相域蓄放熱部４０において、凝縮器４７では、ポンプ４４の作動によって第２低温蓄熱槽４２から第２高温蓄熱槽４１へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。この状態で、凝縮器４７にて、通過する蓄熱材ＨＳが予冷器３７から供給される湿り飽和蒸気と熱交換して加熱（蓄熱）される。第２高温蓄熱槽４１では加熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第２低温蓄熱槽４２の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0045】

凝縮器４７にて熱交換された湿り飽和蒸気は、温度を維持しつつ凝縮され、液相域蓄放熱部５０の過冷却器５７に供給される。

【0046】

液相域蓄放熱部５０において、過冷却器５７では、ポンプ５４の作動によって第３低温蓄熱槽５２から第３高温蓄熱槽５１へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。この状態で、過冷却器５７にて、通過する蓄熱材ＨＳが凝縮器４７から供給される湿り飽和蒸気と熱交換して加熱（蓄熱）される。第３高温蓄熱槽５１では加熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第３低温蓄熱槽５２の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0047】

過冷却器５７にて熱交換された湿り飽和蒸気は、温度低下して水（液相）に相変化し、ポンプ２８によりに送出されて配管２０を流れる復水に合流される。各蓄放熱部３０、４０、５０での各高温蓄熱槽３１、４１、５１では、加熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大するので、蓄放熱系２５での蓄熱エネルギーが増加することとなる。

【0048】

過冷却器５７から配管２６に流出する水や湿り飽和蒸気は、配管２６から分岐する配管６１にも分配され、第１熱利用装置６３、膨張弁６４、第２熱利用装置６５にて上述のように熱利用される（場合もある）。

【0049】

［放熱運転モード］
放熱運転モードでは、各ポンプ２１、２２、３６、４６、５６が作動され、各ポンプ２８、３４、４４、５４、６６が停止される。

【0050】

放熱運転モードにおいても、ボイラ１１で生成された過熱蒸気は蒸気タービン１２に供給され、蒸気タービン１２から排出された蒸気は復水器１３で復水される。かかる復水は、配管２０、２７にてボイラ１１及び蓄放熱系２５に分配される。

【0051】

放熱運転モードにて、蓄放熱系２５では、配管２６を通じて復水が液相域蓄放熱部５０の予熱器５８に流入する。予熱器５８では、ポンプ５６の作動によって第３高温蓄熱槽５１から第３低温蓄熱槽５２へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。

【0052】

この状態で、予熱器５８にて、通過する蓄熱材ＨＳが復水器１３で生成された復水と熱交換して放熱される。第３低温蓄熱槽５２では放熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第３高温蓄熱槽５１の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0053】

予熱器５８にて熱交換された復水は、加熱によって気液相となる湿り飽和蒸気に相変化し、気液相域蓄放熱部４０の蒸発器４８に供給される。

【0054】

気液相域蓄放熱部４０において、蒸発器４８では、ポンプ４６の作動によって第２高温蓄熱槽４１から第２低温蓄熱槽４２へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。この状態で、蒸発器４８にて、通過する蓄熱材ＨＳが予熱器５８から供給される湿り飽和蒸気と熱交換して放熱される。第２低温蓄熱槽４２では放熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第２高温蓄熱槽４１の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0055】

蒸発器４８にて熱交換された湿り飽和蒸気は、温度を維持しつつ加熱され、気相域蓄放熱部３０の過熱器３８に供給される。

【0056】

気相域蓄放熱部３０において、過熱器３８では、ポンプ３６の作動によって第１高温蓄熱槽３１から第１低温蓄熱槽３２へ供給される蓄熱材ＨＳが通過している状態となる。この状態で、過熱器３８にて、通過する蓄熱材ＨＳが蒸発器４８から供給される湿り飽和蒸気と熱交換して放熱される。第１低温蓄熱槽３２では放熱された蓄熱材ＨＳの収容量が増大し、第１高温蓄熱槽３１の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。各蓄放熱部３０、４０、５０では、各高温蓄熱槽３１、４１、５１における蓄熱材ＨＳの収容量が減少し、各低温蓄熱槽３２、４２、５２にて放熱した蓄熱材ＨＳの収容量が増大するので、蓄放熱系２５での蓄熱エネルギーが減少することとなる。

【0057】

過熱器３８にて熱交換された湿り飽和蒸気は、加熱によって気相となる過熱蒸気に相変化し、配管２６を経て配管１５に流入することで、ボイラ１１で生成された過熱蒸気と合流して蒸気タービン１２に供給される。このように、放熱運転モードでは、ボイラ１１だけでなく蓄熱材ＨＳからも熱エネルギーが供給され、蓄熱運転モードに比べて蒸気タービン１２の出力を増大させることができる。

【0058】

続いて、第１の実施の形態の効果について、比較構造を用いて以下に説明する。比較構造は、第１の実施の形態における蓄放熱系２５にて、３つ設けた蓄放熱部３０、４０、５０を何れか１つ（単一）とした構成とされる。また、第１の実施の形態及び比較構造の両方にて、蓄熱材として液相の溶融塩を用いる。

【0059】

図３は、比較構造の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。図３にて、横軸は熱交換量（ｋＷ）、縦軸は温度（℃）とする。図３にて、破線で示すグラフＷｓは、作動流体として用いるＨ_２Ｏの熱交換量と温度の関係を示している。グラフＷｓは、低温側となる液相（水）及び高温側となる気相（過熱蒸気）で顕熱変化となり、それらの間にて気液相（湿り飽和蒸気）となって潜熱変化となる。かかる作動流体に対し、単一の蓄放熱部となる比較構造にて、蓄熱材を放熱及び蓄熱しようとする場合を検討する。

【0060】

比較構造にて、蓄熱材を放熱する熱交換量と温度の関係の仮想例として、図３にグラフＧａを示す。グラフＧａは、蓄熱材が液相の溶融塩となるので顕熱変化となり、また、単一の蓄放熱部で放熱するので熱交換量の変化に応じて温度が直線的（傾きが均一）に変化する。また、蓄熱材の放熱では、Ｈ_２Ｏとの間で熱交換を行えるよう、熱交換中にＨ_２Ｏより蓄熱材の温度を高く維持する必要がある。よって、グラフＧａは、グラフＷｓの液相及び気液相の境界点で最接近する図示のようになる。

【0061】

グラフＧａで示すように蓄熱材を放熱する比較構造にて、蓄熱材を蓄熱（加熱）する熱交換量と温度の関係は、図３に示すグラフＧｂ、Ｇｃを例示できる。グラフＧｂ、Ｇｃにおいても、蓄熱材が液相の溶融塩となるので顕熱変化となり、また、単一の蓄放熱部で放熱するので熱交換量の変化に応じて温度が直線的（傾きが均一）に変化する。また、蓄熱材の蓄熱では、Ｈ_２Ｏとの間で熱交換を行えるよう、熱交換中にＨ_２Ｏより蓄熱材の温度を低く維持する必要がある。

【0062】

グラフＧｂは、グラフＷｓの気液相及び液相の境界点で最接近する図示のようになる。グラフＧｂは、グラフＧａと傾きが略同一とされ、該傾きは蓄熱材の質量流量に対応するので、蓄熱材の放熱と蓄熱とで質量流量が略同一とされる。しかしながら、蓄熱材の放熱と蓄熱とで質量流量が略同一の場合、グラフＧｂは、Ｈ_２Ｏの気液相域にて蓄熱材が凝固する温度帯Ｔａに達するため、Ｈ_２Ｏの気液相域の一部及び液相域にて熱交換できなくなる。

【0063】

グラフＧｃは、蓄熱材の蓄熱時の質量流量を放熱時より小さくすることで、気相域での熱交換にて蓄熱材を高温の蓄熱状態にすることができるが、Ｈ_２Ｏの気液相域及び液相域にて熱交換できなくなる。

【0064】

グラフＧｂ、Ｇｃに示す蓄熱材の蓄熱時の熱交換では、Ｈ_２Ｏの熱エネルギーを全て回収できなくなり、熱交換後のＨ_２Ｏが過熱蒸気や湿り飽和蒸気の状態で流出や廃棄されることとなる。つまり、比較構造のように蓄放熱部を単一にすると、熱交換器におけるＨ_２Ｏの熱エネルギーの回収率が低くなる。

【0065】

また、グラフＧｃに示す蓄熱材の蓄熱時の熱交換では、Ｈ_２Ｏの熱エネルギーの回収率が低くなるだけでなく、蓄熱材の放熱時と蓄熱時とで質量流量がアンバランスになり、ひいては、蓄放熱時間のアンバランス化が生じる。

【0066】

図４は、第１の実施の形態の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。図４においても、横軸は熱交換量（ｋＷ）、縦軸は温度（℃）とし、作動流体として用いるＨ_２Ｏの熱交換量と温度の関係となる破線で示すグラフＷｓは、図３のグラフＷｓと同一である。

【0067】

図４にて、グラフＧＡ１は、気相域蓄放熱部３０の過熱器３８にて、Ｈ_２Ｏの気相域での蓄熱材を放熱する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＢ１は、気相域蓄放熱部３０の予冷器３７にて、Ｈ_２Ｏの気相域での蓄熱材を蓄熱（加熱）する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＡ１とグラフＧＢ１とは傾きが略同一、すなわち質量流量が略同一となり、且つ、熱交換量も略同一となる。

【0068】

図４にて、グラフＧＡ２は、気液相域蓄放熱部４０の蒸発器４８にて、Ｈ_２Ｏの気液相域での蓄熱材を放熱する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＢ２は、気液相域蓄放熱部４０の凝縮器４７にて、Ｈ_２Ｏの気液相域での蓄熱材を蓄熱（加熱）する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＡ２とグラフＧＢ２とは傾きが略同一、すなわち質量流量が略同一となり、且つ、熱交換量も略同一となる。

【0069】

図４にて、グラフＧＡ３は、液相域蓄放熱部５０の予熱器５８にて、Ｈ_２Ｏの液相域での蓄熱材を放熱する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＢ３は、液相域蓄放熱部５０の過冷却器５７にて、Ｈ_２Ｏの液相域での蓄熱材を蓄熱（加熱）する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＡ３とグラフＧＢ３とは傾きが略同一、すなわち質量流量が略同一となり、且つ、熱交換量も略同一となる。

【0070】

以上により、第１の実施の形態においては、気相域蓄放熱部３０、気液相域蓄放熱部４０、液相域蓄放熱部５０のそれぞれにて、各相での蓄放熱時における蓄熱材の質量流量が略等しくなる。よって、蓄放熱系２５において、蓄熱材の放熱運転モードと蓄熱運転モードとで質量流量がアンバランスになることを防止でき、蓄放熱時間のバランスを良好に維持することができる。これにより、蓄熱運転モードにてＨ_２Ｏの熱エネルギーを棄てることなく回収でき、ボイラ１１で発生する熱エネルギーを蒸気タービン１２及び発電機Ｇで電気エネルギーとして取得する際のエネルギー効率の向上を図ることができる。

【0071】

なお、図４にて、上向きの矢印線で示すＧＨ１～ＧＨ３は、第１～第３ヒータＨ１～Ｈ３で蓄熱材を加熱した場合の過程を示す。また、下向きの矢印線で示すＧＣ１～ＧＣ３は、第１～第３クーラＣ１～Ｃ３で蓄熱材を冷却した場合の過程を示す。

【0072】

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いる場合があり、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。

【0073】

本発明の第２の実施の形態について図５から図７を参照して説明する。図５は、第２の実施の形態に係る蓄熱システムの概略構成図であり、蓄熱運転モードを示している。図６は、放熱運転モードの蓄熱システムを示す図５と同様の構成図である。図５及び図６に示すように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態における蓄放熱系２５の気液相域蓄放熱部４０及び液相域蓄放熱部５０に代え、単一の気液相域－液相域蓄放熱部（第２蓄放熱部）７０を設けた構成としている。第２の実施の形態にて、気液相域－液相域蓄放熱部７０と気相域蓄放熱部３０とは、相互に独立して蓄熱材ＨＳを循環する回路を形成する。

【0074】

第２の実施の形態にて、気液相域－液相域蓄放熱部７０で用いられる蓄熱材ＨＳは、Ｈ_２Ｏであり、気液相及び液相で用いられるので湿り飽和蒸気及び水とされる。第２の実施の形態の気相域蓄放熱部３０で用いられる蓄熱材ＨＳは、第１の実施の形態と同様の溶融塩等とされる。

【0075】

気液相域－液相域蓄放熱部７０は、蓄熱材ＨＳを収容する第４高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）７１及び第４低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）７２を備えている。また、気液相域－液相域蓄放熱部７０は、第４低温蓄熱槽７２から第４高温蓄熱槽７１に蓄熱材ＨＳを供給する配管７３及びポンプ７４、７９と、第４高温蓄熱槽７１から第４低温蓄熱槽７２に蓄熱材ＨＳを供給する配管７５及びポンプ７６とを備えている。

【0076】

更に、気液相域－液相域蓄放熱部７０は、配管７３に設けられる過冷却器（冷却用熱交換器）７７と、配管７５に設けられる予熱器（加熱用熱交換器）７８とを備えている。

【0077】

過冷却器７７は、第４低温蓄熱槽７２から第４高温蓄熱槽７１に供給される間に通過する蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳと、予冷器３７から供給されて通過する湿り飽和蒸気及び水とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、湿り飽和蒸気が冷却されて水に相変化され、蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが加熱（蓄熱）されて湿り飽和蒸気に相変化される。過冷却器７７により生成された水は、配管２６から配管２０を経てボイラ１１に供給される。

【0078】

予熱器７８は、第４高温蓄熱槽７１から第４低温蓄熱槽７２に供給される間に通過する蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳと、配管２７により通過する復水とを熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、復水が加熱されて湿り飽和蒸気に相変化され、蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが放熱される。予熱器７８の加熱により加熱された湿り飽和蒸気は、配管２７を経て過熱器３８に供給される。

【0079】

ポンプ７４は、配管７３にて第４低温蓄熱槽７２の下流側であって過冷却器７７より上流側に設けられる。ポンプ７９は、配管７３にて過冷却器７７の下流側に設けられる。配管７３にて、過冷却器７７及びポンプ７９の下流側であって第４高温蓄熱槽７１より上流側には、第４高温蓄熱槽７１に供給される蓄熱材ＨＳを加熱する第４ヒータＨ４が設けられる。

【0080】

ポンプ７６は、配管７５にて第４高温蓄熱槽７１の下流側であって予熱器７８より上流側に設けられる。配管７５にて、予熱器７８の下流側であって第４低温蓄熱槽７２より上流側には、第４低温蓄熱槽７２に供給される蓄熱材ＨＳを冷却する第４クーラＣ４が設けられる。また、配管７５にて、予熱器７８の下流側であって第４クーラＣ４より上流側には、蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳの流量を調整可能な弁８０が設けられる。

【0081】

第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に蓄熱運転モードと、放熱運転モードとで選択的に運転される。

【0082】

蓄熱運転モードにて、気液相域－液相域蓄放熱部７０の過冷却器７７では、ポンプ７４、７９の作動によって第４低温蓄熱槽７２から第４高温蓄熱槽７１へ供給される蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが通過している状態となる。この状態で、過冷却器７７にて、通過する蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが予冷器３７から供給される湿り飽和蒸気と熱交換して加熱（蓄熱）される。第４高温蓄熱槽７１では加熱された蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳの収容量が増大し、第４低温蓄熱槽７２の蓄熱材ＨＳの収容量は減少する。

【0083】

過冷却器７７にて熱交換された湿り飽和蒸気は、温度低下されて水（気相）に相変化し、ポンプ２８によりに送出されて配管２０を流れる復水に合流される。

【0084】

放熱運転モードにて、気液相域－液相域蓄放熱部７０の予熱器７８では、ポンプ７６の作動によって第４高温蓄熱槽７１から第４低温蓄熱槽７２へ供給される蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが通過している状態となる。この状態で、予熱器７８にて、通過する蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳが復水器１３で生成された復水と熱交換して放熱される。第４低温蓄熱槽７２では放熱された蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳの収容量が増大し、第４高温蓄熱槽７１の蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）ＨＳの収容量は減少する。

【0085】

予熱器７８にて熱交換された復水は、加熱によって気液相となる湿り飽和蒸気に相変化し、気相域蓄放熱部３０の過熱器３８に供給される。

【0086】

図７は、第２の実施の形態の熱交換量と温度の関係を示すグラフである。図７にて、グラフＧＡ１、ＧＢ１は、第１の実施の形態と同一となり、気相域蓄放熱部３０の過熱器３８、予冷器３７におけるＨ_２Ｏの気相域で蓄熱材が蓄放熱する熱交換量と温度の関係を示している。よって、グラフＧＡ１とグラフＧＢ１とは傾きが略同一、すなわち質量流量が略同一となり、且つ、熱交換量も略同一となる。

【0087】

図７にて、グラフＧＡ４は、気液相域－液相域蓄放熱部７０の予熱器７８にて、Ｈ_２Ｏの気液相域及び液相域での蓄熱材を放熱する熱交換量と温度の関係を示している。グラフＧＢ４は、気液相域－液相域蓄放熱部７０の過冷却器７７にて、Ｈ_２Ｏの気液相域及び液相域での蓄熱材を蓄熱（加熱）する熱交換量と温度の関係を示している。第２の実施の形態にて、蓄熱材はＨ_２Ｏであるので、作動流体となるＨ_２Ｏの気液相域では蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）も気液相となり、作動流体となるＨ_２Ｏの液相域では蓄熱材（Ｈ_２Ｏ）も液相となる。よって、グラフＧＡ４、ＧＢ４は、気液相域と液相域との境界位置で傾きが変化する折れ線状のグラフとなる。グラフＧＡ４とグラフＧＢ４とは傾きが略同一、すなわち質量流量が略同一となり、且つ、熱交換量も略同一となる。

【0088】

以上により、第２の実施の形態の気相域蓄放熱部３０及び気液相域－液相域蓄放熱部７０は、図４と図７とのグラフの対比から明らかなように、第１の実施の形態の構成と同じ過程で蓄放熱を行うことができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。しかも、第２の実施の形態では、蓄放熱系２５の一部にて、蓄熱材としてＨ_２Ｏを利用することが可能となる。

【0089】

なお、図７にて、上向きの矢印線で示すＧＨ４は、第４ヒータＨ４で蓄熱材を加熱した場合の過程を示す。また、下向きの矢印線で示すＧＣ４は、第４クーラＣ４で蓄熱材を冷却した場合の過程を示す。

【0090】

本発明の実施の形態は上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

【0091】

例えば、上記各実施の形態にて、熱交換器として機能する予冷器３７、過熱器３８、凝縮器４７、蒸発器４８、過冷却器５７、７７、予熱器５８、７８は、単一の熱交換器として図示したが、これに限られるものでない。例えば、これらにあっては、複数の熱交換器を直列または並列に設けた構成としてもよく、かかる複数の熱交換器が相互に異なる構造を採用してもよい。

【0092】

また、作動流体の気相域においては、全体のうちの大部分が気相であれば、温度や圧力等の条件によって液相を含むことを妨げるものでない。同様に、作動流体の液相域においては、全体のうちの大部分が液相であれば、温度や圧力等の条件によって気相を含むことを妨げるものでない。

【0093】

また、ボイラ１１は、作動流体として、Ｈ_２Ｏ以外の流体を用いる場合には該流体を液相から気相とする他の加熱装置としてもよい。

【0094】

また、蒸気タービン１２は、上記各実施の形態と同様に作動流体から熱エネルギーを取り出して動力を発生可能であれば、他の動力発生装置や熱利用装置としてもよい。

【0095】

また、復水器１３は、上記各実施の形態と同様に作動流体を凝縮可能であれば、他の凝縮装置としてもよい。

【符号の説明】

【0096】

１０ ：蓄熱システム
１１ ：ボイラ（加熱装置）
１２ ：蒸気タービン（動力発生装置）
１３ ：復水器（凝縮装置）
２５ ：蓄放熱系
３０ ：気相域蓄放熱部（第１蓄放熱部）
３１ ：第１高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）
３２ ：第１低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）
３７ ：予冷器（冷却用熱交換器）
３８ ：過熱器（加熱用熱交換器）
４０ ：気液相域蓄放熱部（第２蓄放熱部、高温側蓄放熱部）
４１ ：第２高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）
４２ ：第２低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）
４７ ：凝縮器（冷却用熱交換器）
４８ ：蒸発器（加熱用熱交換器）
５０ ：液相域蓄放熱部（第２蓄放熱部、低温側蓄放熱部）
５１ ：第３高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）
５２ ：第３低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）
５７ ：過冷却器（冷却用熱交換器）
５８ ：予熱器（加熱用熱交換器）
７０ ：気液相域－液相域蓄放熱部
７１ ：第４高温蓄熱槽（高温蓄熱槽）
７２ ：第４低温蓄熱槽（低温蓄熱槽）
７７ ：過冷却器（冷却用熱交換器）
７８ ：予熱器（加熱用熱交換器）
Ｃ１ ：第１クーラ（クーラ）
Ｃ２ ：第２クーラ（クーラ）
Ｃ３ ：第３クーラ（クーラ）
Ｃ４ ：第４クーラ（クーラ）
Ｈ１ ：第１ヒータ（ヒータ）
Ｈ２ ：第２ヒータ（ヒータ）
Ｈ３ ：第３ヒータ（ヒータ）
Ｈ４ ：第４ヒータ（ヒータ）
ＨＳ ：蓄熱材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】