特開 2024-114490 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】P2024114490

(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】

   F28F 9/22 20060101AFI20240816BHJP

   F28D 20/00 20060101ALI20240816BHJP

   F28F 23/00 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

F28F9/22

F28D20/00 A

F28F23/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020292

(22)【出願日】2023-02-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】後藤 功一

【テーマコード（参考）】

3L065

【Ｆターム（参考）】

3L065DA20

(57)【要約】

【課題】放熱運転可能時間がより多い蓄熱システムを提供する。
【解決手段】一つの実施形態によれば、蓄熱システムは、蓄熱物質を含み、水平方向に流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第１蓄熱槽を備える。さらに前記蓄熱システムは、前記第１蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、鉛直方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第２蓄熱槽とを備える。さらに前記蓄熱システムは、蓄熱運転時には、前記第１蓄熱槽から流出した前記流体が前記第２蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の上側から下側に前記流体を流通させる。さらに前記蓄熱システムは、放熱運転時には、前記第２蓄熱槽から流出した前記流体が前記第１蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の下側から上側に前記流体を流通させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

蓄熱物質を含み、水平方向に流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第１蓄熱槽と、
前記第１蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、鉛直方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第２蓄熱槽とを備え、
蓄熱運転時には、前記第１蓄熱槽から流出した前記流体が前記第２蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の上側から下側に前記流体を流通させ、
放熱運転時には、前記第２蓄熱槽から流出した前記流体が前記第１蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の下側から上側に前記流体を流通させる、
蓄熱システム。

【請求項2】

前記蓄熱システムは、前記第１及び第２蓄熱槽を含む複数の蓄熱槽を備え、
前記第２蓄熱槽は、前記複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である、請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項3】

前記複数の蓄熱槽は、前記第１及び第２蓄熱槽とは異なる第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）を含み、
前記第Ｎ蓄熱槽は、前記第１及び第２蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、水平方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う、
請求項２に記載の蓄熱システム。

【請求項4】

前記第２蓄熱槽内に含まれる蓄熱物質の容量は、前記第１蓄熱槽内に含まれる蓄熱物質の容量よりも小さい、請求項1に記載の蓄熱システム。

【請求項5】

前記第２蓄熱槽は、下部の側面に、前記流体を流通させる配管を備える、請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項6】

前記第２蓄熱槽は、内部に、蓄熱物質に含まれる岩石の落下を防止する岩石受け部品を備える、請求項５に記載の蓄熱システム。

【請求項7】

前記配管は、前記岩石受け部品が設けられる位置よりも下部に設けられる、請求項６に記載の蓄熱システム。

【請求項8】

前記第１蓄熱槽及び前記第２蓄熱槽の出入り口には、開閉によって前記流体の流通を制御する弁が設けられる、請求項１に記載の蓄熱システム。

【請求項9】

前記蓄熱システムは、前記弁の開閉を制御する制御部を備える、請求項８に記載の蓄熱システム。

【請求項10】

蓄熱物質を含み、水平方向に流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う複数の第１蓄熱槽であって、前記複数の第１蓄熱槽の各々は、互いに並列に接続された第１から第Ｋ群（Ｋは２以上の整数）のいずれかに含まれる、複数の第１蓄熱槽と、
蓄熱物質を含み、鉛直方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う複数の第２蓄熱槽であって、前記複数の第２蓄熱槽の各々は、前記第１から第Ｋ群のいずれかに含まれ、同じ群の第１蓄熱槽と直列に接続されている、複数の第２蓄熱槽とを備え、
蓄熱運転時には、各群内で前記第１蓄熱槽から流出した前記流体が前記第２蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の上側から下側に前記流体を流通させ、
放熱運転時には、各群内で前記第２蓄熱槽から流出した前記流体が前記第１蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の下側から上側に前記流体を流通させる、
蓄熱システム。

【請求項11】

前記第１から第Ｋ群の各々は、前記第１及び第２蓄熱槽を含む複数の蓄熱槽を備え、
各群内の前記第２蓄熱槽は、各群内の前記複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である、請求項１０に記載の蓄熱システム。

【請求項12】

各群内の前記複数の蓄熱槽は、前記第１及び第２蓄熱槽とは異なる第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）を含み、
各群内の前記第Ｎ蓄熱槽は、同じ群内の前記第１及び第２蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、水平方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う、
請求項１１に記載の蓄熱システム。

【請求項13】

互いに並列に接続され、蓄熱物質を含み、水平方向に流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う複数の第１蓄熱槽と、
蓄熱物質を含み、鉛直方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う１または複数の第２蓄熱槽であって、前記１または複数の第２蓄熱槽の数は、前記複数の第１蓄熱槽の数よりも少なく、前記１または複数の第２蓄熱槽の各々は、互いに並列に接続された、前記複数の第１蓄熱槽と直列に接続されている、１または複数の第２蓄熱槽とを備え、
蓄熱運転時には、前記複数の第１蓄熱槽から流出した前記流体が前記１または複数の第２蓄熱槽に流入し、前記１または複数の第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の上側から下側に前記流体を流通させ、
放熱運転時には、前記１または複数の第２蓄熱槽から流出した前記流体が前記複数の第１蓄熱槽に流入し、前記１または複数の第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の下側から上側に前記流体を流通させる、
蓄熱システム。

【請求項14】

前記蓄熱システムは、前記複数の第１蓄熱槽及び前記１または複数の第２蓄熱槽を含む複数の蓄熱槽を備え、
前記１または複数の第２蓄熱槽は、前記複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である、請求項１３に記載の蓄熱システム。

【請求項15】

前記複数の蓄熱槽は、前記第１及び第２蓄熱槽とは異なる複数の第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）を含み、
前記複数の第Ｎ蓄熱槽は、前記複数の第１蓄熱槽とそれぞれ直列に接続され、かつ前記１または複数の第２蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、水平方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う、
請求項１４に記載の蓄熱システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、蓄熱システムに関する。

【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、発電量が電力需要を満たさず、電力不足となる場合もある。

【0003】

蓄熱システムは、余剰電力を用いて蓄熱槽内の蓄熱物質に蓄熱する。また、蓄熱システムを用いた発電システムとして、電力不足時に、蓄熱された熱を用いて蒸気を発生し、蒸気タービンを回転させ発電機により発電を行うものがある。

【0004】

図５は、第１従来技術の蓄熱システムにおける全体構成図である。

【0005】

第１従来技術における蓄熱システム１００は、蓄熱槽１、電気ヒータ２、第１送風機３、第２送風機４、復水ポンプ８、ボイラ９、蒸気タービン１０、復水器１１及び複数の弁１２～１５を備える。図５はさらに、蓄熱システム１００内を循環する空気５、水６及び蒸気７を示す。図５に示す蓄熱槽１は、その長手方向が水平方向に平行となり、その短手方向が鉛直方向に平行となるように配置されている。

【0006】

電力が余剰である場合、蓄熱システム１００は、復水ポンプ８、蒸気タービン１０及び第２送風機４を停止し、弁１２及び１３を開き、弁１４及び１５を閉じて、余剰電力を用いて電気ヒータ２と第１送風機３とを稼働させる。蓄熱システム１００は、第１送風機３により、空気５を電気ヒータ２と蓄熱槽１の間を循環させる。空気５は、電気ヒータ２が発生した熱により加熱され、その熱を蓄熱槽１まで輸送し、蓄熱槽１内の蓄熱物質を加熱する。蓄熱システム１００では、このように蓄熱運転が実施される。

【0007】

電力が余剰でない場合、蓄熱システム１００は、電気ヒータ２と第１送風機３を停止し、弁１２及び１３を閉じ、弁１４及び１５を開いて、復水ポンプ８と第２送風機４を稼働させる。蓄熱システム１００は、第２送風機４により空気５を蓄熱槽１とボイラ９との間で循環させる。空気５は、蓄熱槽１の蓄熱物質によって加熱され、その熱をボイラ９まで輸送する。ボイラ９は、復水ポンプ８によって搬入された水６を、空気５からの熱により加熱し、蒸気７を製造し、空気５は温度低下して流出する。蓄熱システム１００では、このように放熱運転が実施される。

【0008】

放熱運転では、蓄熱システム１００によって製造された蒸気７は、蒸気タービン１０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１０を回転駆動させる。蒸気タービン１０に機械的に接続された発電機（不図示）を発電する。蒸気タービン１０から排出された蒸気７は、復水器１１によって海水などの冷却水により冷却され、水に変化する。これにより、蓄熱システム１００は、蓄熱槽１内の蓄熱物質に蓄熱されていた熱により、蒸気７を発生し発電する。

【0009】

上述の通り、蓄熱システム１００は、電力が余剰となっている時は、電力を使って蓄熱運転を行い、電力が不足している時は、放熱運転によって発電する事で電力調整を行っている。

【0010】

図６は、第１従来技術の蓄熱システムにおける蓄熱槽の模式図である。

【0011】

図６は、蓄熱槽１の詳細を表している。第１従来技術の蓄熱システム１００は、１つの蓄熱槽１を備える。蓄熱槽１内には、蓄熱物質が備えられる。蓄熱物質は、例えば、固体顕熱蓄熱材２３であり、ここでは岩石である。蓄熱槽１は、蓄熱運転時及び放熱運転時に、弁１６及び１７を開いて水平方向に空気５を流通させる。図６における実線矢印は、蓄熱運転時の空気流れ方向３２を表しており、破線矢印は、放熱運転時の空気流れ方向３３を表している。

【0012】

図７は、第１従来技術の蓄熱運転終了後における蓄熱槽の温度分布である。

【0013】

図７Ａは、第１従来技術の蓄熱運転終了直後における蓄熱槽の温度分布を表している。

【0014】

蓄熱槽１内に描かれている横線の実線は、固体顕熱蓄熱材温度２４を示しており、横線が上側にあるほど、その蓄熱槽１内部の温度が高い事を表している。各図中の破線は、放熱運転で利用される熱の利用下限温度を指し、放熱運転必要温度２５と呼ぶ事にする。つまり、高温となる領域をより多く有し、放熱運転必要温度２５以下となる領域の減少を抑える事で、蓄熱システム１００は、放熱運転可能時間が増加する。

【0015】

蓄熱運転時、蓄熱槽１内では空気５の流れ方向に、急な温度傾斜を示す温度躍層２６が形成される。蓄熱槽１内の上流側では、蓄熱物質が熱されて高温の部分が生じる。一方、下流側では、温度躍層２６を境として、低温の部分が生じる。この、高温で一定となる領域を高温一定の領域（高温領域）と呼ぶ事にする。蓄熱運転は、蓄熱槽１から流出する空気５の温度が第２送風機４の耐熱温度まで上昇する時まで継続する。

【0016】

図７Ｂは、第１従来技術の長期間放置後における蓄熱槽の温度分布である。

【0017】

蓄熱運転終了後、蓄熱槽１は、放熱運転開始まで、長時間放置される。蓄熱槽１は、時間の経過に伴い、温度分布が変化し、図７Ｂのようになる。蓄熱槽１内の熱は、温度を平均化しようとし、温度が高い方から低い方へ移動する。これにより、蓄熱槽１は、高温一定の領域が減少する。放熱運転は、ボイラ９などの機器によって利用される熱が利用下限温度まで低下した時までしかできないため、高温一定となる領域が減少すると、放熱運転可能時間が減少してしまう。

【0018】

図８は、第２従来技術の蓄熱システムにおける全体構成図である。

【0019】

第２従来技術の蓄熱システム１００では、蓄熱槽１は３つに分割されており、分割されたそれぞれの蓄熱槽を蓄熱槽２９、３０及び３１とする。また、蓄熱システム１００は、蓄熱運転時及び放熱運転時に空気５の流れを制御する弁１２、１４、１９、２０及び２１が備えられている。

【0020】

蓄熱運転時及び放熱運転時、蓄熱システム１００は、各弁１２、１４、１９、２０及び２１の開閉に基づいて、この３つに分割された蓄熱槽２９、３０及び３１に対して、空気５を水平方向に流通させる。

【0021】

例えば、蓄熱システム１００は、蓄熱運転の際、弁１２、１９、２０及び２１を開き、第１送風機３によって、電気ヒータ２と各蓄熱槽２９、３０及び３１の間で空気５を循環させ、各蓄熱槽２９、３０及び３１に蓄熱を行う。図８では、各蓄熱槽２９、３０及び３１内の蓄熱物質は、この順番で加熱される。

【0022】

蓄熱槽２９、３０及び３１内に描かれている横線は、蓄熱運転中における各蓄熱槽２９、３０及び３１内の温度を表しており、例えば、蓄熱槽３１内に描かれている横線は、空気５の上流下流方向に関して、比較的低い温度で一定となっている事を表している。この図では、蓄熱槽３０内に温度躍層２６が形成されている。

【0023】

蓄熱運転中、蓄熱槽２９、３０及び３１は、固体顕熱蓄熱材２３が熱される事により、温度躍層２６が形成され、空気５の流れ方向に各蓄熱槽２９、３０及び３１の上流側から下流側へ移動する。蓄熱運転は、蓄熱槽３１から流出する空気５の温度が、第２送風機４の耐熱温度まで上昇する時に終了する。蓄熱運転終了直後は、下流側である蓄熱槽３１に温度躍層２６が形成される。

【0024】

蓄熱運転終了後、蓄熱システム１００では、放熱運転開始まで、弁１２、１４、１９、２０及び２１を閉じて、蓄熱槽２９～３１を長時間放置する。蓄熱システム１００は、時間の経過に伴い、蓄熱槽３１内の温度分布が変化する。蓄熱槽３１内では、温度は平均化しようとし、高温一定となる領域が減少する。

【0025】

図９は、第２従来技術の蓄熱システムにおける蓄熱運転終了後の蓄熱槽内の温度分布を示す図である。

【0026】

図９Ａは、第２従来技術の蓄熱システムにおける蓄熱運転終了直後の蓄熱槽内の温度分布を示す図である。

【0027】

図９Ａでは、後述する第１実施形態の構成との比較を説明するため、蓄熱槽２９、３０を合わせて「第１蓄熱槽２７」として表し、蓄熱槽３１を「第２蓄熱槽２８」として表す。また、構成の比較の容易化のため、弁１２、２０及び２１を「弁１６、１８及び１７」として符号を振り直して説明する。また、第１蓄熱槽２７と、第２蓄熱槽２８とを接続する配管を配管２２とする。

【0028】

図９Ａに示す通り、蓄熱システム１００の蓄熱運転終了直後は、第１蓄熱槽２７と、第２蓄熱槽２８の一部とに高温一定の領域が形成されている。

【0029】

図９Ｂは、第１蓄熱槽及び第２蓄熱槽を長時間放置後の温度分布を表す図である。

【0030】

図９Ａの状態から、各１６～１８を閉として、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８を長時間放置した場合、最下流の蓄熱槽である第２蓄熱槽２８内の熱は、温度を平均化しようとし、温度が高い方から低い方へ移動する。これにより、図９Ｂに示す温度分布のように、第１蓄熱槽２７の高温一定の領域は減少しないが、第２蓄熱槽２８は、高温一定の領域が減少する。

【0031】

図９Ｂに示す通り、第２従来技術では、第１蓄熱槽２７は、高温一定の領域が保持されているため、第１従来技術と比較して、放熱運転必要温度２５以上に保たれる放熱時間がより長くなる。これにより、第２従来技術は、放熱運転可能時間の減少は少なくなっている。

【0032】

しかし、第２蓄熱槽２８では、温度の平均化のため、高温一定となる領域が減少してしまっている。この高温一定の領域が減少する事により、蓄熱システム１００は、放熱運転可能時間が減少してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0033】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１６／１５０４６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0034】

第１従来技術では、蓄熱槽１を長期間放置すると、放熱運転可能時間が減ってしまっていた。また、第２従来技術では、蓄熱槽１全体における放熱運転可能時間の減少は少なくなっているが、蓄熱運転における最下流である第２蓄熱槽２８は、長期間放置の際に、温度の平均化により高温一定の領域が減少している。

【0035】

そこで、本発明の実施形態は、高温一定の領域の減少を小さくする事で、放熱運転可能時間がより多い蓄熱システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0036】

一つの実施形態によれば、蓄熱システムは、蓄熱物質を含み、水平方向に流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第１蓄熱槽を備える。さらに前記蓄熱システムは、前記第１蓄熱槽と直列に接続され、蓄熱物質を含み、鉛直方向に前記流体を流通させ、蓄熱及び放熱を行う第２蓄熱槽とを備える。さらに前記蓄熱システムは、蓄熱運転時には、前記第１蓄熱槽から流出した前記流体が前記第２蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の上側から下側に前記流体を流通させる。さらに前記蓄熱システムは、放熱運転時には、前記第２蓄熱槽から流出した前記流体が前記第１蓄熱槽に流入し、前記第２蓄熱槽は、前記鉛直方向の下側から上側に前記流体を流通させる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】第１実施形態の蓄熱システムにおける蓄熱槽の模式図である。

【図2】第１実施形態の蓄熱システムにおける蓄熱運転終了後の蓄熱槽内の温度分布を示す図である。

【図3】第２実施形態における蓄熱システムの蓄熱槽部分の構成図である。

【図4】第３実施形態における蓄熱システムの蓄熱槽部分の構成図である。

【図5】第１従来技術の蓄熱システムにおける全体構成図である。

【図6】第１従来技術の蓄熱システムにおける蓄熱槽の模式図である。

【図7】第１従来技術の蓄熱運転終了後における蓄熱槽の温度分布である。

【図8】第２従来技術の蓄熱システムにおける全体構成図である。

【図9】第２従来技術の蓄熱システムにおける蓄熱運転終了後の蓄熱槽内の温度分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、本開示の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0039】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の蓄熱システムにおける蓄熱槽の模式図である。

【0040】

蓄熱システム１００の全体構成図は、図５と同様であるため説明を省略する。

【0041】

図１は、互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を示している。Ｘ方向及びＹ方向は、重力方向に垂直な横方向（水平方向）に相当し、Ｚ方向は、重力方向に平行な縦方向（鉛直方向）に相当している。また、＋Ｚ方向は上方向に相当し、－Ｚ方向は下方向に相当している。

【0042】

図６の蓄熱槽１と比較して、本実施形態における蓄熱槽１は、空気５の流れ方向に対して、直列に分割している。以下の各実施形態では、説明のため、所定の分割数で分割した例を取り上げて説明を行っているが、分割数はこれに限定されない。蓄熱システム１００は、蓄熱槽１について、空気５の流れ方向に対して、任意の数で直列に分割してもよい。

【0043】

本実施形態では、蓄熱槽１を第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８の２分割した例を示している。また、本実施形態では、第１蓄熱槽２７は、空気５が第１蓄熱槽２７内を水平方向に流れるように配置する。また、第２蓄熱槽２８は、空気５が第２蓄熱槽２８内を鉛直方向に流れるように配置する。また、第１蓄熱槽２７と、第２蓄熱槽２８とは直列に接続される。空気５は、流体の例である。

【0044】

蓄熱運転時には、蓄熱運転時の空気流れ方向３２に示すように、第１蓄熱槽２７は、水平方向の第１側から第２側（この図では、Ｘ方向の負側から正側）に空気５を流通させる。第１蓄熱槽２７から流出した空気５は、第２蓄熱槽２８に流入する。第２蓄熱槽２８は、鉛直方向の上側から下側（この図では、Ｚ方向の正側から負側）に空気５を流通させる。

【0045】

放熱運転時には、放熱運転時の空気流れ方向３３に示すように、第２蓄熱槽２８は、鉛直方向の下側から上側（この図では、Ｘ方向の正側から負側）に空気５を流通させる。第２蓄熱槽２８から流出した空気５は、第１蓄熱槽２７に流入する。第１蓄熱槽２７は、水平方向の第２側から第１側（この図では、Ｘ方向の正側から負側）に空気５を流通させる。

【0046】

第２蓄熱槽２８は、蓄熱運転終了後、上側が高温で下側が低温の状態になる。それにより、固体顕熱蓄熱材２３の間に存在する空気５は、自然対流が少ない。これにより、第２蓄熱槽２８を長時間放置しても、高温の空気５はそのまま上側に滞留し、低温である空気５は、下側に滞留する。第２蓄熱槽２８内の固体顕熱蓄熱材２３の温度は、図９Ｂのように平均化せず、温度躍層２６が変化しないか、または温度躍層２６の高温の部分と低温の部分の温度勾配が強くなる。

【0047】

直列に接続される蓄熱槽の数は、２つに限定されない。蓄熱システム１００は、複数の蓄熱槽を備え、水平方向に空気５を流通させる第１蓄熱槽２７と、鉛直方向に空気５を流通させる第２蓄熱槽２８とを含み、第２蓄熱槽２８は、複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽であればよい。

【0048】

また、複数の蓄熱槽は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８とは異なる第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）を含んでもよい。第Ｎ蓄熱槽は、水平方向に空気５を流通させるように構成される。また、第Ｎ蓄熱槽は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と互いに直列に接続される。また、第２蓄熱槽２８は、複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽として接続される。また、各蓄熱槽の出入り口には、弁が接続される。

【0049】

例えば、Ｎ＝３とした場合、蓄熱システム１００に含まれる複数の蓄熱槽は、水平方向に空気５を流通させる第３蓄熱槽（不図示）を含み、第３蓄熱槽は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と直列に接続される。また、第２蓄熱槽２８は、複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽として接続される。

【0050】

また、本実施形態における第１蓄熱槽２７と、第２蓄熱槽２８とは、配管２２によって接続され、また、蓄熱または放熱運転時の空気５の出入り口には、弁１６、１７及び１８が備えられる。

【0051】

これら弁１６～１８は、例えば、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）といった制御部３７によって開閉が制御される。制御部３７から出力された制御信号は、アクチュエータ（不図示）に伝達され、バルブの開閉が行われる。また、弁１６～１８は、人力で開閉が行われてもよい。

【0052】

また、第２蓄熱槽２８の下部の側面には、配管３４が接続される。固体顕熱蓄熱材２３は、例えば岩石である。配管３４を第２蓄熱槽２８の底面に設けると、岩石の粒子が大きい場合には、配管３４の出入り口を岩石が塞いでしまい、岩石の粒子が小さい場合は、配管３４内で詰まってしまう。そのため、第２蓄熱槽２８内には、配管の位置よりも上に、網状の岩石受け部品３５を設ける。岩石受け部品３５は、岩石がすり抜けて落ちない程度で、かつ、蓄熱運転や放熱運転の際に、空気５が抜けていく程度の格子の大きさが望ましい。

【0053】

蓄熱運転時には、第２蓄熱槽２８は、配管３４から空気５を流出させ、放熱運転時には、第２蓄熱槽２８は、配管３４から空気５を流入させる。

【0054】

運用では、第２蓄熱槽２８は、蓄熱システム１００の運転に伴う振動や空気流通によって、岩石から細かい石片が剥がれ落ちる。また、石片や剥がれた石片の粉末は、重力で岩石受け部品３５よりも下に落下し、第２蓄熱槽２８の内部に少しずつ堆積する。各配管や第１または第２送風機３、４の異常を防止するため、第２蓄熱槽２８の定期的なメンテナンスが必要になる。メンテナンスは、岩石を全て除去して行う必要がある。また、第２蓄熱槽２８は、総重量の大きい岩石を網状の岩石受け部品３５によって支えるのは強度上困難である。そのため、本実施形態では、蓄熱槽の全てを鉛直方向に配置するのではなく、第２蓄熱槽２８だけを鉛直方向に配置している。

【0055】

また、配管３４は、空気５の流入または流出に支障がないように、第２蓄熱槽２８内に備えられる岩石受け部品３５の位置よりも下部に設けられる。これにより、岩石受け部品３５から石片や粉末が落下してきた場合でも、ただちに配管３４が塞がれる事がないため、蓄熱システム１００は、運転を継続する事ができる。

【0056】

また、本実施形態における蓄熱システム１００は、メンテナンス時における岩石の除去の容易性や岩石受け部品３５の強度の観点から、第２蓄熱槽２８の方が、第１蓄熱槽２７よりも固体顕熱蓄熱材２３の容量が小さい。

【0057】

また、蓄熱システム１００は、蓄熱運転終了後、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８の空気５の出入り口にある弁１６、１７及び１８を閉とする。これにより、第１及び第２蓄熱槽２７、２８を長時間放置しても、熱が移動しにくく、高温状態が保持される。

【0058】

なお、本実施形態の第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽では、蓄熱運転時及び放熱運転時において空気５が±Ｘ方向のみに流通しているが、第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽内の空気５は、主に±Ｘ方向に流通すれば、±Ｘ方向だけでなく、±Ｙ方向や±Ｚ方向にも流通してもよい。例えば、空気５は、第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽内の固体顕熱蓄熱材２３内で、Ｙ方向の速度成分やＺ方向の速度成分よりも大きいＸ方向の速度成分を有していればよい。このような態様での空気５の流通も、水平方向への空気５の流通に含まれる。これは、後述する第２及び第３実施形態でも同様である。

【0059】

また、本実施形態の第２蓄熱槽２８では、蓄熱運転時及び放熱運転時において空気５が±Ｚ方向のみに流通しているが、第２蓄熱槽２８内の空気５は、主に±Ｚ方向に流通すれば、±Ｚ方向だけでなく、±Ｘ方向や±Ｙ方向にも流通してもよい。例えば、空気５は、第２蓄熱槽２８内の固体顕熱蓄熱材２３内で、Ｘ方向の速度成分やＹ方向の速度成分よりも大きいＺ方向の速度成分を有していればよい。このような態様での空気５の流通も、鉛直方向への空気５の流通に含まれる。これは、後述する第２及び第３実施形態でも同様である。

【0060】

図２は、第１実施形態の蓄熱システムにおける蓄熱運転終了後の蓄熱槽内の温度分布を示す図である。

【0061】

図２は、第１及び第２蓄熱槽２７、２８を長時間放置した際の温度分布である。図２の横軸は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８における位置を示しており、縦軸は固体顕熱蓄熱材温度２４である。配管２２には、蓄熱機能はないため、この図では、対応する配管２２内の温度分布図の記載は省略する。図２に示す通り、放熱運転開始まで第１及び第２蓄熱槽２７、２８を長時間放置しても、温度躍層２６が変化しないか、または温度躍層２６の高温の部分と低温の部分の温度勾配が強くなる。つまり、第２蓄熱槽２８は、高温一定の領域がより大きくなる。

【0062】

放熱運転時、空気５は第２蓄熱槽２８、第１蓄熱槽２７の順に流通する。第２蓄熱槽２８は、空気５が下側から上側に流通する際に、高温一定となる領域を多く確保する事ができる。これにより、蓄熱システム１００は、放熱運転可能時間をより多く確保する事ができる。

【0063】

上記の例では、蓄熱システム１００によって放熱した熱を、蒸気タービン１０の熱源として使用する構成を取り上げたが、空調などの用途に使用してもよい。

【0064】

本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、蓄熱槽１を一部分割し、鉛直方向に空気５が流れるように配置する事により、放熱運転可能時間の減少が小さくなる。

【0065】

また、本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、蓄熱槽１の一部のみを分割し、第２蓄熱槽２８として鉛直方向に空気５が流れるように配置する。これにより、蓄熱システム１００は、第２蓄熱槽２８内に、網状の岩石受け部品３５を設けた際に、固体顕熱蓄熱材２３を保持する強度を保つ事ができる。また、メンテナンスの際に、第２蓄熱槽２８内の固体顕熱蓄熱材２３を取り除いて作業する事が可能となり、保守性を担保した構造とする事ができる。

【0066】

また、本実施形態によれば、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８には、水平方向に空気５を流通させる第Ｎ蓄熱槽が接続されていてもよい。第Ｎ蓄熱槽は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と互いに直列に接続される。これにより、第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽は、蓄熱運転後に高温一定の領域を保つ事ができ、また、第２蓄熱槽２８については、放熱運転可能時間の減少を小さくする事ができる。

【0067】

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態における蓄熱システムの蓄熱槽部分の構成図である。

【0068】

蓄熱システム１００の全体構成図は、図５と同様であるため説明を省略する。

【0069】

第１実施形態では、蓄熱システム１００は、１つの第１蓄熱槽２７と、１つの第２蓄熱槽２８とが直列に接続されている。一方、本実施形態では、蓄熱システム１００は、１つの第１蓄熱槽２７と、１つの第２蓄熱槽２８とが直列に接続され、１つの群を構成しており、さらにこのような構成を有する複数の群を備える。また、それぞれの蓄熱槽の群は、並列に接続される。

【0070】

第１実施形態と同様に、本実施形態では、第１蓄熱槽２７は、空気５が第１蓄熱槽２７内を水平方向に流れるように配置する。また、第２蓄熱槽２８は、空気５が第２蓄熱槽２８内を鉛直方向に流れるように配置する。

【0071】

図３の例では、３つの群の蓄熱槽がそれぞれ並列に接続されている。この例では、３つの群をそれぞれ、第１群４０、第２群４１及び第３群４２と呼ぶ。

【0072】

また、それぞれの群を構成する第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８は、配管２２によって接続され、また、蓄熱または放熱運転時の空気５の出入り口には、弁１６、１７及び１８が備えられる。本実施形態における矢印の向きは、蓄熱運転時の空気流れ方向３２を表しており、放熱運転時は、蓄熱運転時とは逆方向に空気５を流通させる。

【0073】

蓄熱運転の際、空気５は配管３６側で分岐し、第１群４０、第２群４１及び第３群４２それぞれの蓄熱槽に流通し、その後、配管３４側で合流する構成となっている。蓄熱運転の際、蓄熱システム１００は、第１群４０、第２群４１及び第３群４２の蓄熱槽における弁１６及び１７の開閉を行う事によって、空気５を３組全てに流通させたり、３組のうち、どれか１組のみであったり、どれか２組のみに流通させる事ができる。

【0074】

また、上述の各弁１６～１８は、例えば、制御部３７によって開閉が制御される。また、弁１６～１８は、人力で開閉が行われてもよい。

【0075】

また、放熱運転の際、空気５は配管３４側で分岐し、第１群４０、第２群４１及び第３群４２それぞれの蓄熱槽に流通し、その後、配管３６側で合流する構成となっている。放熱運転の際、蓄熱システム１００は、第１群４０、第２群４１及び第３群４２の蓄熱槽における弁１６及び１７の開閉を行う事によって、空気５を３組全てに流通させたり、３組のうち、どれか１組のみであったり、どれか２組のみに流通させる事ができる。

【0076】

蓄熱槽が構成する群の数は、３つに限定されない。蓄熱システム１００は、水平方向に空気５を流通させる複数の第１蓄熱槽２７を備え、それぞれの第１蓄熱槽２７は、互いに並列に接続された第１から第Ｋ群（Ｋは２以上の整数）に含まれていればよい。また、蓄熱システム１００は、鉛直方向に空気５を流通させる複数の第２蓄熱槽２８を備え、それぞれの第２蓄熱槽２８は、第１～第Ｋ群のいずれかに含まれ、同じ群の第１蓄熱槽２７と直列に接続されていればよい。

【0077】

１つの群を構成する蓄熱槽の数は、２つに限定されない。蓄熱システム１００における第１から第Ｋ群のそれぞれは、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８を含む複数の蓄熱槽を備えており、各群における第２蓄熱槽２８は、各群における複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽であればよい。

【0078】

また、各群における複数の蓄熱槽は、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８とは異なる複数の第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）を含んでもよい。複数の第Ｎ蓄熱槽のそれぞれは、水平方向に空気５を流通させるように構成される。また、複数の第Ｎ蓄熱槽のそれぞれは、第１から第Ｋ群のいずれかに含まれ、同じ群の第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と直列に接続される。また、各群における第２蓄熱槽２８は、各群における複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である。また、各蓄熱槽の出入り口には、弁が接続される。

【0079】

例えば、Ｋ＝３、Ｎ＝３とした場合、第１から３群のそれぞれの複数の蓄熱槽は、水平方向に空気５を流通させる複数の第３蓄熱槽（不図示）を含み、複数の第３蓄熱槽のそれぞれは第１から第３群に含まれる。また、複数の第３蓄熱槽のそれぞれは、同じ群の第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と直列に接続される。各群における第２蓄熱槽２８は、各群における複数の蓄熱槽のうち、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽として接続される。

【0080】

本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、各群を構成する蓄熱槽の一部を鉛直方向に設ける事により、放熱運転可能時間の減少が小さくなる。

【0081】

また、本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、各群を構成する蓄熱槽の一部のみを分割し、第２蓄熱槽２８として鉛直方向に空気５が流れるように配置する。これにより第２蓄熱槽２８内に網状の岩石受け部品３５を設けた際に、固体顕熱蓄熱材２３を保持する強度を保つ事ができる。また、メンテナンスの際に第２蓄熱槽２８内の固体顕熱蓄熱材２３を取り除いて作業する事が可能となり、保守性を担保した構造とする事ができる。

【0082】

また、本実施形態によれば、それぞれの第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８には、水平方向に空気５を流通させる第Ｎ蓄熱槽が接続されていてもよい。複数の第Ｎ蓄熱槽のそれぞれは、各群のいずれかに含まれ、同じ群の第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８と直列に接続される。これにより、第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽は、蓄熱運転後に高温一定の領域を保つ事ができ、また、第２蓄熱槽２８については、放熱運転可能時間の減少を小さくする事ができる。

【0083】

また、本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、蓄熱槽の各群を並列に接続し、弁１６～１８の開閉を操作する事で、蓄熱運転または放熱運転を行う蓄熱槽の群を選択する事ができる。これにより、運転の自由度や柔軟性が向上する。

【0084】

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態における蓄熱システムの蓄熱槽部分の構成図である。

【0085】

蓄熱システム１００の全体構成図は、図５と同様であるため説明を省略する。

【0086】

第１実施形態では、蓄熱システム１００は、１つの第１蓄熱槽２７と、１つの第２蓄熱槽２８とが直列に接続されている。一方、本実施形態では、蓄熱システム１００は、複数の第１蓄熱槽２７と、第１蓄熱槽２７の数よりも少ない１または複数の第２蓄熱槽２８とを備える。また、それぞれの第１蓄熱槽２７は、互いに並列に接続され、第２蓄熱槽２８は、第１蓄熱槽２７と直列に接続される。

【0087】

第１実施形態と同様に、本実施形態では、第１蓄熱槽２７は、空気５が第１蓄熱槽２７内を水平方向に流れるように配置する。また、第２蓄熱槽２８は、空気５が第２蓄熱槽２８内を鉛直方向に流れるように配置する。

【0088】

図４の例では、蓄熱システム１００は、３つの第１蓄熱槽２７と、１つの第２蓄熱槽２８とを備える。３つの第１蓄熱槽２７は、互いに並列に接続され、第２蓄熱槽２８は、互いに並列に接続された３つの第１蓄熱槽２７と直列に接続されている。

【0089】

また、３つの第１蓄熱槽２７と、１つの第２蓄熱槽２８とは、配管２２によって接続される。また、３つの第１蓄熱槽２７及び１つの第２蓄熱槽２８の空気５の出入り口には、弁１６、１７及び１８が備えられる。本実施形態における矢印の向きは、蓄熱運転時の空気流れ方向３２を表しており、放熱運転時は、蓄熱運転時とは逆方向に空気５を流通させる。

【0090】

蓄熱運転の際、空気５は配管３６側で分岐し、３つの第１蓄熱槽２７にそれぞれ流通し、その後、配管２２側で合流する構成となっている。また、合流した高温の空気５は、配管２２を通じて第２蓄熱槽２８に流通する。蓄熱運転の際、蓄熱システム１００は、各第１蓄熱槽２７における弁１６及び１８の開閉を行う事によって、高温の空気５を３組全てに流通させたり、３組のうち、どれか１組のみであったり、どれか２組のみに流通させる事ができる。

【0091】

また、放熱運転の際、空気５は配管２２側で分岐し、３つの第１蓄熱槽２７にそれぞれ流通し、その後、配管３６側で合流する構成となっている。放熱運転の際、蓄熱システム１００は、各第１蓄熱槽２７における弁１６及び１８の開閉を行う事によって、空気５を３組全てに流通させたり、３組のうち、どれか１組のみであったり、どれか２組のみに流通させる事ができる。

【0092】

並列に接続される第１蓄熱槽２７の数は、３つに限定されない。蓄熱システム１００は、水平方向に空気５を流通させる複数の第１蓄熱槽２７を含む複数の蓄熱槽を備え、第１蓄熱槽２７が、互いに並列に接続されていればよい。

【0093】

第１蓄熱槽２７と直列に接続される第２蓄熱槽２８の数は、１つに限定されない。蓄熱システム１００は、複数の第１蓄熱槽２７と、鉛直方向に空気５を流通させる１または複数の第２蓄熱槽２８とを備え、１または複数の第２蓄熱槽２８は、互いに並列に接続された複数の第１蓄熱槽２７と直列に接続されていればよい。また、第２蓄熱槽２８の数は、第１蓄熱槽２７の数よりも少ない個数で構成される。また、１または複数の第２蓄熱槽２８は、それぞれ蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である。

【0094】

また、それぞれの第１及び第２蓄熱槽２７、２８の出入り口には弁１６、１７及び１８が含まれていてもよい。

【0095】

蓄熱システム１００は、複数の第２蓄熱槽２８を備える場合、弁１８などの開閉に基づいて、空気５を流通させる第１蓄熱槽２７の組み合わせを選択する事ができる。

【0096】

蓄熱システム１００が備える蓄熱槽は、複数の第１蓄熱槽２７と、１または複数の第２蓄熱槽２８とに限定されない。蓄熱システム１００は、複数の蓄熱槽を備え、複数の第１蓄熱槽２７と、１または複数の第２蓄熱槽２８とを含み、１または複数の第２蓄熱槽２８は、互いに並列に接続された複数の第１蓄熱槽２７と直列に接続されていればよい。また、第２蓄熱槽２８の数は、第１蓄熱槽２７の数よりも少ない個数で構成される。また、１または複数の第２蓄熱槽２８は、それぞれ蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽である。

【0097】

また、それぞれの第１蓄熱槽２７には、第１蓄熱槽２７及び第２蓄熱槽２８とは異なる第Ｎ蓄熱槽（Ｎは３以上の整数）が接続されてもよい。第Ｎ蓄熱槽それぞれは、水平方向に空気５を流通させるように構成される。また、第Ｎ蓄熱槽のそれぞれは、第１蓄熱槽２７のそれぞれと直列に接続される。また、１または複数の第２蓄熱槽２８のそれぞれは、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽として接続される。また、各蓄熱槽の出入り口には、弁が接続される。

【0098】

例えば、蓄熱システム１００は、水平方向に空気５を流通させる第３蓄熱槽（不図示）を含み、第３蓄熱槽のそれぞれは、第１蓄熱槽２７のそれぞれと直列に接続される。また、１または複数の第２蓄熱槽２８のそれぞれは、蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽として接続される。

【0099】

本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、蓄熱槽の一部分割し、鉛直方向に空気５が流れるように配置する事により、放熱運転可能時間の減少が小さくなる。

【0100】

また、本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、蓄熱槽の一部のみを第２蓄熱槽２８として鉛直方向に空気５が流れるように配置する。これにより、第２蓄熱槽２８内に、網状の岩石受け部品３５を設けた際に、固体顕熱蓄熱材２３を保持する強度を保つ事ができる。また、メンテナンスの際に第２蓄熱槽２８内の固体顕熱蓄熱材２３を取り除いて作業する事が可能となり、保守性を担保した構造とする事ができる。

【0101】

また、本実施形態によれば、それぞれの第１蓄熱槽２７には、水平方向に空気５を流通させる第Ｎ蓄熱槽が接続されていてもよい。第Ｎ蓄熱槽のそれぞれは、第１蓄熱槽２７のそれぞれと直列に接続される。これにより、第１蓄熱槽２７及び第Ｎ蓄熱槽は、蓄熱運転後に高温一定の領域を保つ事ができ、また、第２蓄熱槽２８については、放熱運転可能時間の減少を小さくする事ができる。

【0102】

また、本実施形態によれば、蓄熱システム１００は、各第１蓄熱槽２７を並列に接続し、弁１６及び１８の開閉を操作する事で、蓄熱運転または放熱運転を行う蓄熱槽を選択する事ができる。これにより、運転の柔軟性が向上する。

【0103】

また、第２実施形態では、蓄熱運転時に、例えば全ての第２蓄熱槽２８に高温の空気５を流通させると、温度躍層２６が全ての第２蓄熱槽２８に発生する。一方、本実施形態によれば、温度躍層２６は、より少ない第２蓄熱槽２８にしか発生しない。図３の例では、３個の第２蓄熱槽２８に温度躍層２６が発生するが、図４では、１個の第２蓄熱槽２８にしか温度躍層２６が発生しない。そのため、蓄熱システム１００は、蓄熱運転を行った場合、放熱運転必要温度２５以上となる領域の合計は、第２実施形態よりも多くなる。

【0104】

放熱運転必要温度２５以上となる領域の合計がより多くなるため、蓄熱システム１００は、放熱運転の際に、例えば、蒸気タービン１０の熱源や空調などの用途に利用できる熱をより多くする事ができる。

【0105】

なお、第１から第３実施形態の蓄熱システム１００は、蓄熱システム１００を利用して発電を行う発電システムの一部となっているが、その他のシステムの一部となっていてもよい。例えば、第１から第３実施形態の蓄熱システム１００は、蓄熱システム１００を利用して空調を行う空調システムの一部となっていてもよい。

【0106】

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定する事を意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施する事ができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行う事ができる。添付の特許請求の範囲及びこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

【符号の説明】

【0107】

１：蓄熱槽、２：電気ヒータ、３：第１送風機、４：第２送風機、
５：空気、６：水、７：蒸気、８：復水ポンプ、９：ボイラ、
１０：蒸気タービン、１１：復水器、１２：弁、１３：弁、
１４：弁、１５：弁、１６：弁、１７：弁、１８：弁、
１９：弁、２０：弁、２１：弁、２２：配管、２３：固体顕熱蓄熱材、
２４：固体顕熱蓄熱材温度、２５：放熱運転必要温度、
２６：温度躍層、２７：第１蓄熱槽、２８：第２蓄熱槽、
２９：蓄熱槽、３０：蓄熱槽、３１：蓄熱槽、
３２：蓄熱運転時の空気流れ方向、３３：放熱運転時の空気流れ方向、
３４：配管、３５：岩石受け部品、３６：配管、３７：制御部、
４０：第１群、４１：第２群、４２：第３群

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】