特開 2024-113774 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】P2024113774

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】蓄熱システム

(51)【国際特許分類】

   F28D 21/00 20060101AFI20240816BHJP

   F01K 3/02 20060101ALI20240816BHJP

   F01K 3/12 20060101ALI20240816BHJP

   F01K 13/00 20060101ALI20240816BHJP

   F28D 20/00 20060101ALN20240816BHJP

【ＦＩ】

F28D21/00 B

F01K3/02 C

F01K3/12

F01K13/00 B

F28D20/00 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023018948

(22)【出願日】2023-02-10

(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】横山 康弘

(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】武塙 浩太郎

(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、蒸気を生成するボイラ（１１）と、ボイラにて生成した蒸気が供給される蒸気タービン（１２）と、蒸気タービンから排出される蒸気を復水する復水器（１３）と、貯留する蓄熱材によって復水器で生成された復水を加熱して蒸気を生成し、該蒸気を蒸気タービンに供給する蓄放熱系（２１）とを備えている。蓄放熱系は、貯留する蓄熱材を加熱可能なヒータ（３５）を備えている。ヒータは、ボイラ以外の熱源によって蓄熱材を加熱する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気を生成する蒸気生成器と、
前記蒸気生成器にて生成した蒸気が供給される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンから排出される蒸気を復水する復水器と、
貯留する蓄熱材によって前記復水器で生成された復水を加熱して蒸気を生成し、該蒸気を前記蒸気タービンに供給する蓄放熱系とを備えた蓄熱システムであって、
前記蓄放熱系は、貯留する蓄熱材を加熱可能な加熱装置を備え、
前記加熱装置は、前記蒸気生成器以外の熱源によって蓄熱材を加熱することを特徴とする蓄熱システム。

【請求項2】

前記蓄放熱系は、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によって復水を加熱して蒸気を生成する補助蒸気生成器とを更に備え、
前記加熱装置は、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を加熱す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】

前記加熱装置は、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を加熱する加熱炉を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】

前記蒸気タービンにて発生した動力から発電する発電機を更に備え、
前記加熱装置は、前記発電機にて発生した電力によって前記高温蓄熱槽に貯留される蓄熱材を加熱するヒータを備えていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の蓄熱システム。

【請求項5】

前記蒸気タービンにて発生した動力から発電する発電機を更に備え、
前記加熱装置は、前記発電機にて発生した電力によって前記高温蓄熱槽に貯留される蓄熱材を加熱するヒータを備え、
前記蓄放熱系は、前記蒸気生成器で生成される蒸気によって、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を加熱する熱交換器を更に備え、
前記熱交換器と前記ヒータとを選択的に用いて前記蓄放熱系の蓄熱材を加熱す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6】

前記蓄放熱系は、前記高温蓄熱槽から前記低温蓄熱槽に供給する蓄熱材の流量を調整可能な蓄熱材供給ポンプを備え、
前記蓄熱材供給ポンプによる蓄熱材の流量調整によって、前記補助蒸気生成器で生成した蒸気による前記蒸気タービンへのエネルギー供給量を調整する請求項２または請求項３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。熱交換器にて、高温貯蔵タンクから低温貯蔵タンクに送り出される蓄熱媒体から作業流体に熱が伝熱し、熱交換器から出た作業流体がタービンの中に入る。

【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のように、蓄熱媒体が液相のみの顕熱変化で熱交換し、作業流体が例えば蒸気のように顕熱変化及び潜熱変化で熱交換するシステムでは、蓄熱媒体と作業流体とで熱変換形態が異なることとなる。このため、蓄熱媒体の加熱を作業流体だけで行う場合、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し、エネルギー回収率が低くなる、という問題がある。

【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、蒸気を生成する蒸気生成器と、前記蒸気生成器にて生成した蒸気が供給される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出される蒸気を復水する復水器と、貯留する蓄熱材によって前記復水器で生成された復水を加熱して蒸気を生成し、該蒸気を前記蒸気タービンに供給する蓄放熱系とを備えた蓄熱システムであって、前記蓄放熱系は、貯留する蓄熱材を加熱可能な加熱装置を備え、前記加熱装置は、前記蒸気生成器以外の熱源によって蓄熱材を加熱することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、加熱装置によって蓄放熱系の蓄熱材を加熱できるので、蓄熱材の加熱にて、蒸気発生器で生成された蒸気による蓄熱材への伝熱量を少なくしたり無くしたりすることができる。蒸気発生器で生成された蒸気による蓄熱材への伝熱量を少なくした場合、蓄熱材の流量を大きくすることで蒸気による加熱（蓄熱）後の蓄熱材が、まだ所望の温度まで上昇していなくても、加熱装置で蓄熱材を加熱し、蓄放熱系にて蓄熱材を高温として蓄熱材にて蒸気タービンに供給する蒸気を生成することができる。よって、蓄熱材にて蒸気と熱交換できない温度帯が生じることを回避でき、エネルギー回収率及びエネルギー効率を向上することができる。また、蒸気発生器で生成された蒸気によって蓄放熱系の蓄熱材を加熱（蓄熱）しない場合、該蓄熱材を加熱した後の蒸気が高温で流出することを回避でき、エネルギー効率の低下を抑制することができる。

【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】第２蓄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】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4】比較構造及び第１の実施の形態の交換熱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】蓄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】発電に必要なエネルギーの時間変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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、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、蒸気（過熱蒸気）を生成するボイラ（蒸気生成器）１１と、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、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蒸気を生成する。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にて生成した蒸気が供給される。蒸気タービン１２は、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１６が接続され、かかる配管１６に上流側から下流側に向かって順に復水器１３、復水ポンプ１７、ボイラ給水ポンプ１８及びエジェクタ１９が設けられる。復水器１３は、蒸気タービン１２から排出される蒸気を回収し、該蒸気を凝縮して復水する。復水器１３で生成された復水は、復水ポンプ１７及びボイラ給水ポンプ１８によってエジェクタ１９及びボイラ１１に向かって送出される。なお、エジェクタ１９及びその周辺構造については後述する。

【0013】

蓄熱システム１０は、ボイラ１１からの蒸気及び復水器１３からの復水が供給される蓄放熱系２１を更に備えている。蓄放熱系２１は、蓄熱材ＨＳを貯留して用いており、該蓄熱材ＨＳと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】

蓄放熱系２１は、ボイラ１１と蒸気タービン１２とを接続する配管１５から分岐する配管２２を介してボイラ１１から蒸気が供給される熱交換器２３と、蓄熱材ＨＳを収容する高温蓄熱槽２４及び低温蓄熱槽２５とを備えている。

【0015】

高温蓄熱槽２４は、熱交換器２３で加熱した蓄熱材ＨＳを収容する。低温蓄熱槽２５は、熱交換器２３で放熱した蓄熱材ＨＳを収容する。よって、高温蓄熱槽２４には低温蓄熱槽２５より高温の蓄熱材ＨＳが収容される。

【0016】

高温蓄熱槽２４は高温蓄熱槽用配管２７を介して熱交換器２３に接続される。高温蓄熱槽用配管２７は、高温蓄熱槽２４と熱交換器２３とを接続する主配管２７ａと、主配管２７ａに対して分岐及び合流する副配管２７ｂ（図１中破線で図示）とを備えている。副配管２７ｂには、蓄熱材ＨＳを高温蓄熱槽２４から熱交換器２３を経て低温蓄熱槽２５に送出するポンプ２８が設けられる。更に、副配管２７ｂには、蓄熱材ＨＳの流れを遮断及び許容する弁２９が設けられる。

【0017】

低温蓄熱槽２５は低温蓄熱槽用配管３１を介して熱交換器２３に接続される。低温蓄熱槽用配管３１は、低温蓄熱槽２５と熱交換器２３とを接続する主配管３１ａと、主配管３１ａに対して分岐及び合流する副配管３１ｂ（図１中破線で図示）とを備えている。主配管３１ａには、蓄熱材ＨＳを低温蓄熱槽２５から熱交換器２３を経て高温蓄熱槽２４に送出するポンプ３２が設けられる。更に、副配管３１ｂには、蓄熱材ＨＳの流れを遮断及び許容する弁３３が設けられる。

【0018】

熱交換器２３は、低温蓄熱槽２５から高温蓄熱槽２４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２２を経て通過する蒸気との間で熱交換可能に設けられる。かかる熱交換によって、蓄熱材ＨＳが加熱（蓄熱）され、且つ、ボイラ１１から供給された蒸気が冷却されて該蒸気の熱量が減少する。熱交換器２３で熱量が減少した蒸気は、気相となる他、温度や圧力によっては水を含む気液二相の蒸気（飽和蒸気）となる。

【0019】

蓄放熱系２１は、貯留する蓄熱材ＨＳを加熱可能な加熱装置を構成するヒータ３５を更に備え、ヒータ３５はボイラ１１で生成された蒸気以外の熱源となる。ヒータ３５は、図示構成例では、高温蓄熱槽２４に設けられて高温蓄熱槽２４内に貯留（供給）された状態の蓄熱材ＨＳを加熱可能としているが、これに限られるものでない。例えば、高温蓄熱槽用配管２７の主配管２７ａにヒータ３５を設け、かかるヒータ３５によって低温蓄熱槽２５から高温蓄熱槽２４に貯留（供給）する直前の蓄熱材ＨＳが加熱されるようにしてもよい。ヒータ３５は、発電機Ｇにて発生した電力によって発熱して蓄熱材ＨＳを加熱し、好ましくは、所定の電力供給先での要求電力に対する余剰電力が発電機Ｇから供給されて発熱するよう、不図示の制御部によって制御される。

【0020】

エジェクタ１９は、スチームエジェクタ等により構成され、液流に蒸気を混合してその熱と運動量を渡し、吸引側入口部１９ｂより導入された流体圧より高圧の噴出流体を得る装置とされる。エジェクタ１９は、駆動側入口部１９ａ、吸引側入口部１９ｂ及び吐出側出口部１９ｃを備えている。

【0021】

駆動側入口部１９ａには配管１６の下流側が接続され、復水ポンプ１７及びボイラ給水ポンプ１８によって送出された復水が供給される。吸引側入口部１９ｂには、熱交換器２３に接続される配管３８が接続され、かかる配管３８を通じてボイラ１１で生成されてから熱交換器２３で放熱して排出された蒸気が吸引側入口部１９ｂに供給される。吐出側出口部１９ｃに接続される配管３９は、ボイラ１１の入口に接続される。

【0022】

エジェクタ１９では、駆動側入口部１９ａに高圧の復水が供給され、吸引側入口部１９ｂに蒸気が供給されると、エジェクタ１９内部の駆動ノズル出口で超音速となり、復水の状態は気液二相流となることで静圧が低下し、蒸気を吸引する作用が発生する。また、蒸気と復水との接触により蒸気が凝縮して復水と混合し、吸引側入口部１９ｂから供給される蒸気圧よりも圧力が上昇して吐出側出口部１９ｃから排出される。

【0023】

配管１６において、ボイラ給水ポンプ１８とエジェクタ１９との間には、ボイラ給水ポンプ１８から送出される復水の流れを遮断及び許容する弁４１が設けられる。また、配管３８において、熱交換器２３とエジェクタ１９との間には、熱交換器２３で放熱された蒸気の流れを遮断及び許容する弁４２が設けられる。

【0024】

蓄熱システム１０は、エジェクタ１９を迂回するように配管１６、３９に接続されたバイパス管４３（図１中破線で図示）を更に備えている。バイパス管４３における一端（上流端）の接続位置は、配管１６におけるボイラ給水ポンプ１８とエジェクタ１９の駆動側入口部１９ａとの間とされ、更に具体的には、配管１６におけるボイラ給水ポンプ１８と弁４１との間とされる。バイパス管４３における他端（下流端）の接続位置は、配管３９におけるエジェクタ１９の吐出側出口部１９ｃとボイラ１１の入口との間とされる。

【0025】

バイパス管４３には、ボイラ給水ポンプ１８から送出される復水の流れを遮断及び許容する弁４４が設けられる。

【0026】

蓄熱システム１０は、配管１６と配管３８とを接続して復水が流れる配管４６（図１中破線で図示）を更に備えている。配管４６の具体的な接続位置は、一端が配管１６における復水ポンプ１７とボイラ給水ポンプ１８との間とされ、他端が配管３８における熱交換器２３と弁４２との間とされる。

【0027】

配管４６には、復水器１３から配管１６に流れる復水を配管３８、熱交換器２３に送出するポンプ４７が設けられる。更に、配管４６には、復水の流れを遮断及び許容する弁４８が設けられる。

【0028】

ここで、熱交換器２３は、復水器１３から配管１６、４６、３８を経て通過する復水と、高温蓄熱槽２４から低温蓄熱槽２５に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳとの間で熱交換可能に設けられる（図３参照）。かかる熱交換によって、蓄熱材ＨＳが放熱され、且つ、復水が加熱されて蒸気が生成され、言い換えると復水（蒸気）の熱量が増加する。熱交換器２３で生成された蒸気は配管２２から配管１５を通じて蒸気タービン１２に供給される。ここにおいて、熱交換器２３は、蒸気タービン１２に供給する蒸気を生成可能な補助ボイラ（補助蒸気生成器）として機能する。

【0029】

第１の実施の形態の蓄熱システム１０は、第１蓄熱運転モードと、第２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。第１蓄熱運転モード及び第２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から所定の電力供給先へ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から所定の電力供給先への出力が相対的に高くなるモードとされる。以下、図１を参照して第１蓄熱運転モードについて説明し、図２を参照して第２蓄熱運転モードについて説明し、図３を参照して放熱運転モードについて説明する。なお、図１～図３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。

【0030】

［第１蓄熱運転モード：図１］
第１蓄熱運転モードでは、弁２９、３３、４４、４８が閉塞され、弁４１、４２が開放される。また、復水ポンプ１７、ボイラ給水ポンプ１８及びポンプ３２が作動され、ポンプ２８、４７が停止される。

【0031】

蓄放熱系２１のポンプ３２の作動によって、低温蓄熱槽２５の蓄熱材ＨＳが低温蓄熱槽用配管３１の主配管３１ａを経て熱交換器２３に流入する。熱交換器２３では、蓄熱材ＨＳがボイラ１１にて生成された蒸気と熱交換して温度上昇することで加熱される。熱交換器２３で加熱された蓄熱材ＨＳは、ポンプ３２の動力により高温蓄熱槽用配管２７の主配管２７ａを経て高温蓄熱槽２４に貯留される。

【0032】

よって、高温蓄熱槽２４では高温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が増加し、かつ、低温蓄熱槽２５では低温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が減少する。これにより、蓄熱システム１０としての蓄熱エネルギーが増加することとなる。

【0033】

第１蓄熱運転モードにて、ボイラ１１で生成された蒸気（過熱蒸気）は配管１５、２２にて熱交換器２３及び蒸気タービン１２に分配される。配管２２から熱交換器２３に流入した蒸気は、低温蓄熱槽２５から高温蓄熱槽２４に送出される蓄熱材ＨＳに放熱して冷却され、配管３８を経てエジェクタ１９に吸引側入口部１９ｂに吸引される。

【0034】

第１蓄熱運転モードにて、配管１５から蒸気タービン１２に流入した蒸気は、蒸気タービン１２にて熱エネルギーが出力軸１２ａを回転する動力に変換され、温度低下して排出される。出力軸１２ａの回転動力によって発電機Ｇで発電され、所定の電力供給先に電力が供給される。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１７及びボイラ給水ポンプ１８により配管１６を経てエジェクタ１９に供給され、駆動側入口部１９ａに流入される。

【0035】

エジェクタ１９には、駆動側入口部１９ａから復水が供給され、吸引側入口部１９ｂから熱交換器２３で放熱して排出された蒸気が供給される。そして、エジェクタ１９内部にて、復水と蒸気とが接触して蒸気が凝縮して混合され、エジェクタ１９に流入する前と比べて温度上昇した復水として吐出側出口部１９ｃ及び配管３９を経てボイラ１１に供給される。

【0036】

このように、第１蓄熱運転モードにて、ボイラ１１→熱交換器２３→エジェクタ１９→ボイラ１１の流れで蒸気及び水（復水）が循環する循環系を構成することができる。また、第１蓄熱運転モードでは、ボイラ１１で生成された蒸気により熱交換器２３を介して蓄熱材ＨＳを加熱して蓄熱材ＨＳの熱量を増大させることができる。

【0037】

［第２蓄熱運転モード：図２］
第２蓄熱運転モードでは、弁２９、３３、４１、４２、４８が閉塞され、弁４４が開放される。また、復水ポンプ１７及びボイラ給水ポンプ１８が作動され、ポンプ２８、３２、４７が停止される。これにより、第２蓄熱運転モードでは、蓄放熱系２１の運転が停止される。よって、高温蓄熱槽２４と低温蓄熱槽２５との間での蓄熱材ＨＳの移動が停止され、熱交換器２３にて蓄熱材ＨＳによる熱交換も停止される。

【0038】

第２蓄熱運転モードにて、ボイラ１１で生成された蒸気（過熱蒸気）の全てが配管１５を介して蒸気タービン１２に供給される。配管１５から蒸気タービン１２に流入した蒸気は、蒸気タービン１２にて熱エネルギーが出力軸１２ａを回転する動力に変換され、温度低下して排出される。出力軸１２ａの回転動力によって発電機Ｇで発電され、所定の電力供給先に電力が供給され、該電力供給先での要求電力に対する余剰電力がヒータ３５に供給される。これにより、ヒータ３５が発熱し、高温蓄熱槽２４に貯留される蓄熱材ＨＳをヒータ３５によって加熱して蓄熱材ＨＳが温度上昇される。

【0039】

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１７及びボイラ給水ポンプ１８により配管１６を経てバイパス管４３を流れ、配管３９を経てボイラ１１に供給される。

【0040】

このように、第２蓄熱運転モードでは、ボイラ１１で生成された蒸気以外の熱源となるヒータ３５により蓄熱材ＨＳを加熱して蓄熱材ＨＳの熱量を増大させることができる。また、第１の実施の形態では、第１蓄熱運転モードと第２蓄熱運転モードとを選択して実施することで、熱交換器２３とヒータ３５とを選択的に用いて蓄熱材ＨＳを加熱することができる。

【0041】

［放熱運転モード：図３］
放熱運転モードでは、弁４１、４２が閉塞され、弁２９、３３、４４、４８が開放される。また、復水ポンプ１７、ボイラ給水ポンプ１８及びポンプ２８、４７が作動され、ポンプ３２が停止される。

【0042】

ポンプ２８の作動によって、高温蓄熱槽２４の蓄熱材ＨＳが高温蓄熱槽用配管２７の副配管２７ｂを経て熱交換器２３に流入する。熱交換器２３では、蓄熱材ＨＳが復水器１３で生成された復水と熱交換して温度降下することで放熱される。熱交換器２３で放熱された蓄熱材ＨＳは、ポンプ２８の動力により低温蓄熱槽用配管３１の副配管３１ｂを経て低温蓄熱槽２５に貯留される。

【0043】

よって、低温蓄熱槽２５では低温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が増加し、かつ、高温蓄熱槽２４では高温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が減少する。よって、蓄熱システム１０としての蓄熱エネルギーが減少することとなる。

【0044】

放熱運転モードにて、ボイラ１１で生成された蒸気（過熱蒸気）の全てが配管１５を介して蒸気タービン１２に供給される。配管１５から蒸気タービン１２に流入した蒸気は、蒸気タービン１２にて熱エネルギーが出力軸１２ａを回転する動力に変換され、温度低下して排出される。出力軸１２ａの回転動力によって発電機Ｇで発電され、所定の電力供給先に電力が供給される。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１７、ボイラ給水ポンプ１８及びポンプ４７によって配管１６を送出され、配管１６、４６の分岐位置にて分配される。

【0045】

配管４６で分配されずに配管１６を流れる復水はバイパス管４３及び配管３９を経てボイラ１１に供給される。

【0046】

配管４６に流入する復水は、配管３８を経て熱交換器２３に供給される。熱交換器２３に流入した復水は、熱交換器２３にて高温蓄熱槽２４から低温蓄熱槽２５に送出される蓄熱材ＨＳからの放熱で加熱され、熱交換器２３にて蒸気が生成される。熱交換器２３で生成された蒸気は、配管２２を経て配管１５に流入し、ボイラ１１で生成された蒸気と合流して蒸気タービン１２に供給される。

【0047】

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、各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。よって、放熱運転モードは、発電機Ｇの電力供給先での出力が相対的に高くなる場合に対応可能なモードとすることができる。一方、第１蓄熱運転モードはボイラ１１からの蒸気が分配される熱交換器２３にて、第２蓄熱運転モードは余剰電力が供給されるヒータ３５にて、蓄熱材ＨＳに熱エネルギーが蓄積される。よって、各蓄熱運転モードは、発電機Ｇの電力供給先での出力が相対的に低くなる場合に対応可能なモードとすることができる。これにより、各蓄熱運転モード及び放熱運転モードの切り替えによって、発電出力要求に応じた発電機Ｇの出力調整を行うことができる。

【0048】

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ヒータ３５を設置しない構成とされる。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。

【0049】

図４は、比較構造及び第１の実施の形態の交換熱量と温度の関係を示すグラフである。図４にて、横軸は交換熱量（ＭＷ）、縦軸は温度（℃）とする。図４のグラフにて、蓄熱材に溶融塩を用いているので、通常運転時にて蓄熱材が高温温度ＴＨと低温温度ＴＬとの間の範囲で温度変化して液相を維持する。よって、蓄熱材は顕熱変化となり、比較構造における蓄熱時の矢印線ＧＨａ、ＧＨ１及び放熱時の矢印線ＧＬのそれぞれにて、熱量の変化に対する温度変化が直線的（傾きが均一）に変化する。

【0050】

一方、図４にて破線ＧＷで示すように、水（蒸気）は、水と蒸気とが混在した気液二相の状態となる飽和蒸気にて潜熱変化となって温度が一定となる。また、破線ＧＷでは、飽和蒸気より熱量が大きくなると過熱蒸気にて顕熱変化となって熱量に応じて直線的に温度が変化し、飽和蒸気より熱量が大きくなると圧縮水にて顕熱変化となって熱量に応じて直線的に温度が変化する。

【0051】

蓄熱材を加熱する場合、蒸気と蓄熱材との間で熱交換を行えるよう、熱交換中に蒸気に比べて蓄熱材の方が温度を低く維持する必要がある。すると、低温温度ＴＬの蓄熱材を加熱する場合の温度変化を示す矢印線ＧＨａ、ＧＨ１は、破線ＧＷの飽和蒸気及び過熱蒸気の境界点で最接近する図示のようになる。矢印線ＧＨａは、加熱後の蓄熱材の温度がより高温になることを優先した場合の温度変化を示しており、該温度変化での矢印線ＧＨａにおける横軸方向の変化量が蓄熱材における蓄熱時の交換熱量Ｑ１となる。

【0052】

また、蓄熱材から放熱する場合、蒸気（水）と蓄熱材との間で熱交換を行えるよう、熱交換中に蒸気（水）より蓄熱材の温度を高く維持する条件（以下、「放熱用温度条件」とする）を満たす必要がある。すると、高温温度ＴＨの蓄熱材を放熱する場合の熱交換の温度変化を示す矢印線ＧＬは、破線ＧＷの飽和蒸気及び圧縮水の境界点で最接近する図示のようになる。かかる矢印線ＧＬの横軸方向の変化量が蓄熱材における放熱時の交換熱量Ｑ２となる。

【0053】

かかる放熱時の交換熱量Ｑ２と、矢印線ＧＨａで示す蓄熱時の交換熱量Ｑ１とを比べると、蓄熱時の交換熱量Ｑ１の方が大幅に小さくなる。しかも、矢印線ＧＨａで示す蓄熱を行うと、交換熱量Ｑ１で表した範囲より図４中左側の範囲での蒸気（水）の交換熱量Ｑ３に対しては、蒸気（水）のエネルギーを蓄熱材に十分に伝えることができなくなる。これにより、比較構造は、運転条件によっては高圧の蒸気の状態で熱交換器から流出して廃棄する場合もあり、エネルギー効率が低くなる、という問題がある。更には、交換熱量Ｑ１が小さいために放熱時の交換熱量Ｑ２に対する不足分の蓄熱に要する時間が長くなり、発電出力要求が高い時間帯（例えば昼間等）での発電電力の調整力が低下してしまう問題が生じる。

【0054】

一方、矢印線ＧＨ１は、加熱後の蓄熱材の交換熱量がより大きくなることを優先した場合の温度変化を示しており、該温度変化での矢印線ＧＨ１における横軸方向の変化量が蓄熱材における蓄熱時の交換熱量Ｑ４となる。矢印線ＧＨ１で示す蓄熱では、交換熱量Ｑ４が上述した放熱時の交換熱量Ｑ２に近付くようになり、矢印線ＧＨａで示す蓄熱に比べてエネルギー回収率を高めてエネルギー効率を向上することができる。

【0055】

但し、蓄熱時の矢印線ＧＨ１では、放熱時の矢印線ＧＬに比べると、傾き（熱量変化に対する温度変化）が小さくなり、該傾きは蓄熱材の流量と比例関係になるので、放熱時に比べて蓄熱時の方が蓄熱材の流量が大幅に大きくなる。ところが、高温蓄熱槽及び低温蓄熱槽を用いた蓄放熱系では、各蓄熱槽の体積容量を同じとする必要があり、蓄熱時の方が蓄熱材の流量が大幅に大きくなると、高温蓄熱槽内の蓄熱材の体積容量が増え続けて蓄熱システム全体の運転が継続不能となる。

【0056】

そこで、第１の実施の形態では、蓄熱時にて、第１蓄熱運転モード及び第２蓄熱運転モードを実施している。第１の実施の形態は、第１蓄熱運転モードにて上述の矢印線ＧＨ１で示す蓄熱を行った後、第２蓄熱運転モードにて矢印線ＧＨ２で示す蓄熱を行っている。なお、第１の実施の形態における放熱運転モードは、上述の矢印線ＧＬで示す放熱を行っている。

【0057】

かかる矢印線ＧＨ２で示す蓄熱は、蒸気（水）による蓄熱を停止し、発電機Ｇから供給される余剰電力によってヒータ３５を発熱することで蓄熱材を加熱している。よって、矢印線ＧＨ２で示す蓄熱は、交換熱量を増減せずに蓄熱材の温度を上昇でき、上述した放熱用温度条件を満たすべく放熱時の矢印線ＧＬに達するまで蓄熱材を加熱することができる。これにより、第１の実施の形態は、放熱時と蓄熱時とで蓄熱材の流量を同一に近付けることができ、高温蓄熱槽２４及び低温蓄熱槽２５を用いた蓄放熱系２１を含む蓄熱システム１０全体の運転を継続可能となる。

【0058】

上記第１の実施の形態によれば、蓄熱の第１ステップとなる第１蓄熱運転モードにて、ボイラ１１で生成した蒸気を蓄放熱系２１と蒸気タービン１２とに分配し、放熱運転モードで必要な体積容量の蓄熱材ＨＳを高温蓄熱槽２４に貯留することができる。その後、蓄熱の第２ステップとなる第２蓄熱運転モードにて、該分配を停止してボイラ１１からの全ての蒸気を蒸気タービン１２に供給し、発電機Ｇで発電した余剰電力で高温蓄熱槽２４の蓄熱材ＨＳをヒータ３５により目的温度まで加熱（蓄熱）可能となる。

【0059】

以上により、第１の実施の形態においては、蓄熱時と放熱時の蓄熱材ＨＳの体積容量を同一に近付けつつ蓄熱時と放熱時の交換熱量Ｑ２、Ｑ４も同一に近付けてエネルギー損失を低減でき、蓄熱システム１０のエネルギー効率を高めることができる。また、蓄熱時と放熱時の交換熱量Ｑ２、Ｑ４が同一に近付くことで、ヒータ３５による加熱時間を短くでき、発電電力の調整力を良好に発揮することができる。

【0060】

［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。

【0061】

本発明の第２の実施の形態について図５～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、放熱運転モードを示している。図６は、蓄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の実施の形態の蓄放熱系２１の構成を変更した蓄放熱系５１を備えている。

【0062】

第２の実施の形態における蓄放熱系５１は、配管５２を介してボイラ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。配管５２は、配管１５、１６を接続しており、配管５２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、配管５２の上流端は、配管１６における復水ポンプ１７とボイラ給水ポンプ１８との間に接続される。配管５２には、後述する蓄熱材ボイラ６３の下流側に給水ポンプ５３が設けられる。

【0063】

蓄放熱系５１は、第１の実施の形態と同様に、蓄熱材ＨＳを収容する高温蓄熱槽５４及び低温蓄熱槽５５を備えている。また、蓄放熱系５１は、高温蓄熱槽５４から低温蓄熱槽５５に蓄熱材ＨＳを供給する配管５７及び蓄熱材供給ポンプ５８と、低温蓄熱槽５５から高温蓄熱槽５４に蓄熱材ＨＳを供給する配管６１及び蓄熱材移送ポンプ６２とを備えている。

【0064】

更に、蓄放熱系５１は、配管５７に設けられる蓄熱材ボイラ（補助蒸気生成器）６３と、配管６１に設けられて加熱装置を構成する加熱炉６４とを備えている。

【0065】

蓄熱材ボイラ６３は、高温蓄熱槽５４から低温蓄熱槽５５に供給される間に通過する蓄熱材ＨＳと、復水器１３から配管１６、５２を経て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、復水が加熱されて蒸気（過熱蒸気）に相変化され、蓄熱材ＨＳが放熱される。蓄熱材ボイラ６３の加熱により生成された蒸気は、配管５２、１５を経て蒸気タービン１２に供給される。

【0066】

加熱炉６４は、低温蓄熱槽５５から高温蓄熱槽５４に送出（供給）される蓄熱材ＨＳを加熱可能に設けられる。加熱炉６４としては、加熱の前後にて液相を維持する蓄熱材ＨＳを目的温度まで加熱できれば、熱源として公知の燃料を用いたボイラとすることを採用できる。但し、環境負荷等を考慮すると、バイオマス燃料や太陽光等の自然エネルギーを用いることが好ましい。加熱炉６４は、ボイラ１１で生成された蒸気以外の熱源となる。

【0067】

配管５７に設けられる蓄熱材供給ポンプ５８は、高温蓄熱槽５４の下流側であって蓄熱材ボイラ６３より上流側に設けられる。蓄熱材供給ポンプ５８は、蓄熱材ボイラ６３に供給する蓄熱材ＨＳの流量が不図示の制御部によって制御される。配管６１に設けられる蓄熱材移送ポンプ６２は、低温蓄熱槽５５の下流側であって加熱炉６４より上流側に設けられる。

【0068】

蓄放熱系５１は、第１の実施の形態のヒータ３５と同様に、貯留する蓄熱材ＨＳを加熱可能な加熱装置を構成するヒータ６５を更に備え、ヒータ６５はボイラ１１で生成された蒸気以外の熱源となる。ヒータ６５は、図示構成例では、高温蓄熱槽５４に設けられて高温蓄熱槽５４内に貯留（供給）された状態の蓄熱材ＨＳを加熱可能としているが、これに限られるものでない。例えば、配管６１にヒータ６５を設け、かかるヒータ６５によって低温蓄熱槽５５から高温蓄熱槽５４に貯留（供給）する直前の蓄熱材ＨＳが加熱されるようにしてもよい。ヒータ６５は、発電機Ｇにて発生した電力によって発熱して蓄熱材ＨＳを加熱し、好ましくは、所定の電力供給先での要求電力に対する余剰電力が供給されて発熱する。

【0069】

第２の実施の形態においては、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。なお、以下では、蓄熱運転モード及び放熱運転モードの何れにおいても、ボイラ１１及び加熱炉６４が定格運転として一定出力で運転されている場合を説明するが、各種の条件下で出力調整することを妨げるものでない。

【0070】

［蓄熱運転モード及び放熱運転モード共通］
蓄熱運転モード及び放熱運転モードの両方にて、ボイラ１１で生成された蒸気（過熱蒸気）の全てが配管１５を介して蒸気タービン１２に供給される。配管１５から蒸気タービン１２に流入した蒸気は、蒸気タービン１２にて熱エネルギーが出力軸１２ａを回転する動力に変換され、温度低下して排出される。出力軸１２ａの回転動力によって発電機Ｇで発電され、所定の電力供給先に電力が供給される。

【0071】

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１７及びボイラ給水ポンプ１８により配管１６を経てボイラ１１に供給、言い換えるとボイラ１１に戻されて循環される。

【0072】

また、蓄熱運転モード及び放熱運転モードの両方にて、蓄放熱系５１の蓄熱材移送ポンプ６２の作動によって、低温蓄熱槽５５の蓄熱材ＨＳが配管６１を経て加熱炉６４に流入する。加熱炉６４にて蓄熱材ＨＳが所定温度まで加熱された後、高温蓄熱槽５４に加熱された蓄熱材ＨＳが供給される。続いて、放熱運転モード、蓄熱運転モードの順に説明する。

【0073】

［放熱運転モード：図５］
放熱運転モードにて、蓄熱材供給ポンプ５８の作動によって、高温蓄熱槽５４の蓄熱材ＨＳが配管５７を経て蓄熱材ボイラ６３に流入する。また、蓄熱材ボイラ６３には、給水ポンプ５３の作動によって、復水器１３で生成された復水が配管５２を経て流入し、該復水が蓄熱材ＨＳと熱交換される。また、かかる熱交換により、復水が加熱されて蒸気が生成される。生成された蒸気は、配管５２を経て配管１５に流入し、ボイラ１１で生成された蒸気と合流して蒸気タービン１２に供給される。

【0074】

ここで、不図示の制御部によって蓄熱材供給ポンプ５８の作動が制御され、蓄熱材ボイラ６３に供給する蓄熱材ＨＳの流量が調整される。これにより、蓄熱材ボイラ６３から蒸気タービン１２に供給される蒸気の交換熱量（エネルギー量）を調整することができる。

【0075】

蓄熱材ボイラ６３では、復水器１３で生成された復水と熱交換された蓄熱材ＨＳが温度降下することで放熱される。蓄熱材ボイラ６３で放熱された蓄熱材ＨＳは、配管５７を経て低温蓄熱槽５５に貯留される。よって、放熱運転モードでは、低温蓄熱槽５５にて低温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が増加し、かつ、高温蓄熱槽５４では高温となる蓄熱材ＨＳの貯留量が減少する。これにより、蓄熱システム１０としての蓄熱エネルギーが減少することとなる。

【0076】

［蓄熱運転モード：図６］
蓄熱運転モードでは、放熱運転モードに対し、給水ポンプ５３及び蓄熱材供給ポンプ５８が停止され、蓄熱材ボイラ６３への蓄熱材ＨＳと復水との流入が停止される。一方、発電機Ｇでは発電されるので、所定の電力供給先に電力が供給されつつ、該電力供給先での要求電力に対する余剰電力がヒータ６５に供給される。これにより、ヒータ６５が発熱し、高温蓄熱槽５４に貯留される蓄熱材ＨＳをヒータ６５によって加熱して蓄熱材ＨＳが温度上昇される。

【0077】

また、高温蓄熱槽５４からの蓄熱材ＨＳの送出が停止されつつ、上述した加熱炉６４での蓄熱材ＨＳの加熱及び高温蓄熱槽５４への供給は継続される。よって、蓄熱運転モードでは、低温蓄熱槽５５にて蓄熱材ＨＳの貯留量が減少し、かつ、高温蓄熱槽５４では蓄熱材ＨＳの貯留量が増加する。これにより、蓄熱システム１０としての蓄熱エネルギーが増加することとなる。

【0078】

このように、第２の実施の形態では、放熱運転モードにて加熱装置を構成する加熱炉６４によって蓄熱材ＨＳを加熱でき、蓄熱運転モードにて加熱装置を構成する加熱炉６４及びヒータ６５の両方で蓄熱材ＨＳを加熱することができる。

【0079】

図７は、発電に必要なエネルギーの時間変化を示すグラフである。図７にて、横軸は時刻（ｈｒ）、縦軸は発電機Ｇの発電に必要なエネルギー（％）とする。図７のグラフでは、夜間に比べて昼間の方が発電に必要なエネルギーが大きくなり、正午前がピークになる場合を想定条件とする。

【0080】

また、図７のグラフに示すように、２４時間のエネルギーの平均値を破線で示すように１００％とし、夜間に一定となるエネルギーの値が平均値（１００％）に対して６０％である場合を想定条件とする。

【0081】

かかる想定条件にて、夜間のエネルギーの値（６０％）とボイラ１１の負荷とが同一になるように設定される（図７の網点領域参照）。また、２４時間のエネルギーの平均値（１００％）から夜間のエネルギーの値（６０％）を差し引いた値（４０％）と、加熱炉６４の負荷とが同一になるように設定される（図７の網点領域と破線との間の領域参照）。

【0082】

上記の条件において、夜間のエネルギーが一定となる時間では、ボイラ１１の負荷だけで発電に必要なエネルギーを満たすことができる。よって、蓄熱運転モードが実施され、加熱炉６４の負荷により発生したエネルギーは蓄熱材ＨＳに蓄熱される（図７のハッチング領域参照）。

【0083】

また、上記の条件において、夜間のエネルギーが一定となる時間以外にあっては、必要なエネルギーの値が６０％～約１５０％の範囲内で増減する。かかる範囲では、放熱運転モードが実施され、加熱炉６４の負荷により発生したエネルギーが蓄熱材ボイラ６３における復水との熱交換によって蓄熱材ＨＳから放熱されて供給される。そして、必要なエネルギーの増減量に応じて、蓄熱材ボイラ６３に供給する蓄熱材ＨＳの流量が蓄熱材供給ポンプ５８により調整され、蓄熱材ＨＳから復水への放熱量が調整される。

【0084】

なお、必要なエネルギーの値が６０％～１００％の範囲では、蓄放熱系５１にて、蓄熱材ＨＳに対し放熱するエネルギーより蓄熱するエネルギーの方が大きくなる。必要なエネルギーの値が１００％を超えると、蓄放熱系５１にて、蓄熱材ＨＳに対し蓄熱するエネルギーより放熱するエネルギーの方が大きくなる。

【0085】

上記第２の実施の形態では、蓄放熱系５１の蓄熱材ＨＳを加熱する熱源を加熱炉６４及びヒータ６５としている。これにより、ボイラ１１にて生成された蒸気を用いることなく、蓄熱材ＨＳを蓄熱するエネルギーを付与可能となり、該蒸気が高温で流出することを回避することができる。よって、第２の実施の形態においても、エネルギー回収率を高めてエネルギー効率を向上することができる。

【0086】

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。

【0087】

例えば、上記第２の実施の形態の蓄放熱系５１にて、ヒータ６５により蓄熱材ＨＳを加熱可能としたが、ヒータ６５を設けずに加熱炉６４だけで蓄熱材ＨＳを加熱する構成としてもよい。

【0088】

また、図７のグラフにおけるエネルギー変化は一例を示すに過ぎないものであり、昼夜の出力を逆にしたり、増減するタイミングを変えたりしても上述と同様にして対応可能である。

【0089】

また、ボイラ１１は、上記各実施の形態と同様に蒸気を生成して供給可能であれば、他の蒸気生成器としてもよい。

【0090】

また、蓄熱材ＨＳを加熱するヒータは、高温蓄熱槽２４、５４に設けることに加え、保温用等として低温蓄熱槽２５、５５や上述の各配管に設けることを妨げるものでなく、これらが発電機Ｇからの電力によって発熱するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0091】

１０ ：蓄熱システム
１１ ：ボイラ（蒸気生成器）
１２ ：蒸気タービン
１３ ：復水器
２１ ：蓄放熱系
２３ ：熱交換器（補助蒸気生成器）
２４ ：高温蓄熱槽
２５ ：低温蓄熱槽
３５ ：ヒータ（加熱装置）
５１ ：蓄放熱系
５４ ：高温蓄熱槽
５５ ：低温蓄熱槽
５８ ：蓄熱材供給ポンプ
６３ ：蓄熱材ボイラ（補助蒸気生成器）
６４ ：加熱炉（加熱装置）
６５ ：ヒータ（加熱装置）
Ｇ ：発電機
ＨＳ ：蓄熱材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】