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公開番号2025070755
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-02
出願番号2023181274
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】放熱運転終了後の長時間放置の後に実施する蓄熱運転時の蓄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、蓄熱運転時に高温の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に低温の前記熱媒体を、蓄熱運転時と反対向きに流通させ前記固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、蓄熱槽群と、第1弁と、を備える。蓄熱槽は、固体顕熱蓄熱材を内蔵した分割蓄熱槽を、熱媒体の流れ方向に直列に複数接続した蓄熱槽群であって、分割蓄熱槽として第1蓄熱槽と、第1蓄熱槽に隣接した第2蓄熱槽と、を有する。第1弁は、第1蓄熱槽と、第2蓄熱槽との間の流路を開閉する。放熱運転の終了時から蓄熱運転の開始時まで第1弁を閉止する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
蓄熱運転時に高温の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に低温の前記熱媒体を、蓄熱運転時と反対向きに流通させ前記固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、
前記固体顕熱蓄熱材を内蔵した分割蓄熱槽を、前記熱媒体の流れ方向に直列に複数接続した蓄熱槽群であって、前記分割蓄熱槽として第１蓄熱槽と、前記第１蓄熱槽に隣接した第２蓄熱槽と、を少なくとも有する蓄熱槽群と、
前記第１蓄熱槽と、前記第２蓄熱槽との間の流路を開閉する第１弁と、
を備え、
前記放熱運転の終了時から前記蓄熱運転の開始時まで前記第１弁を閉止する、蓄熱システム。
続きを表示（約 780 文字）【請求項２】
前記第２蓄熱槽は、前記蓄熱運転時における最下流の蓄熱槽であり、前記第１蓄熱槽は、前記第２蓄熱槽の上流に隣接した蓄熱槽である、請求項１に記載の蓄熱システム。
【請求項３】
前記第１蓄熱槽は、前記蓄熱運転時における前記第２蓄熱槽の上流に隣接した蓄熱槽であり、前記蓄熱運転時における前記第２蓄熱槽の出口側の流路を開閉する第２弁を、
更に備え
前記放熱運転の終了時から前記蓄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】
前記蓄熱運転時における最下流に位置する前記分割蓄熱槽の出口側の流路を開閉する第２弁を、
更に備え
前記放熱運転の終了時から前記蓄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５】
蓄熱運転時に高温の熱媒体を流通させ固体顕熱蓄熱材に蓄熱し、放熱運転時に低温の前記熱媒体を、蓄熱運転時と反対向きに流通させ前記固体顕熱蓄熱材から放熱させる蓄熱システムであって、
前記固体顕熱蓄熱材を内蔵した分割蓄熱槽を、前記熱媒体の流れ方向に直列に複数接続した蓄熱槽群であって、前記分割蓄熱槽として第１蓄熱槽と、前記第１蓄熱槽に隣接した第２蓄熱槽と、を少なくとも有する蓄熱槽群と、
前記第１蓄熱槽と、前記第２蓄熱槽との間の流路を開閉する第１弁と、
を備え、
前記放熱運転の終了時から前記蓄熱運転の開始時まで前記第１弁を閉止する、蓄熱方法。
【請求項６】
前記蓄熱運転時における前記第２蓄熱槽の出口側の流路を開閉する第２弁を、更に備え、前記放熱運転の終了時から前記蓄熱運転の開始時まで前記第２弁を閉止する、請求項５に記載の蓄熱方法。

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 2,800 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７～１０を用いて説明する。
【０００３】
図７は、従来技術に係る、を含む電力調整システム１の構成例を示す図である。蓄熱システム１００は、蓄熱槽群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を備える。蓄熱槽群３８０は便宜上、群と呼称しているが、複数の蓄熱槽から構成される必要はなく、１個の蓄熱槽で構成してもよい。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４１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３９と第１送風機４０を稼働させる。このとき、第１送風機４０により空気５を電気ヒータ３９と蓄熱槽群３８０の間を循環させる。空気５は、電気ヒータ３９が発生した熱により加熱され、その熱を蓄熱槽群３８０まで輸送し、蓄熱槽群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。これにより蓄熱物質は蓄熱される。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。
【０００４】
電力が余剰でない時、電気ヒータ３９と第１送風機４０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４１を稼働させる。第２送風機４１により空気５を蓄熱槽群３８０とボイラ４８の間を循環させる。空気５は、蓄熱槽群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。これにより蓄熱槽群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。
【０００５】
図８は、従来技術に係る蓄熱システム１００の蓄熱槽群３８０内の状態を示す図である。図８（ａ）は、蓄熱槽群３８０の空気５の流れ方向を示し、図８（ｂ）は、蓄熱槽群３８０の温度分布を示す。蓄熱運転時、蓄熱槽群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、蓄熱槽群３８０から流出する空気５の温度が、例えば第１送風機４０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、蓄熱槽群３８０内の固体顕熱蓄熱材２３の温度分布を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）に描かれている線は温度を表している。第１蓄熱温度１４は、蓄熱運転の途中における一例である。蓄熱温度上昇２８により、第２蓄熱温度１５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１４と第２蓄熱温度１５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（一点鎖線で示す温度躍層２６が蓄熱運転終了温度２７に達した状態）に、蓄熱運転を終了する。
【０００６】
図９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群３８０内の状態を示す図である。図９（ａ）は、蓄熱槽群３８０の空気５の流れ方向を示し、図９（ｂ）は、蓄熱槽群３８０の温度分布を示す。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。その時の蓄熱槽群３８０の温度躍層２６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、その時の温度分布を図９（ｂ）に示す。放熱運転の終了は熱利用負荷側の運転時間によって定められ、第３蓄熱温度３１は放熱運転終了時の温度分布である。なお、第３蓄熱温度３１のグラフ線は温度躍層２６を含んでいる。このように蓄熱した熱量のうちの充分多い量が放熱運転終了時に残っている事が多い。放熱運転終了時から蓄熱運転開始時までの長時間、蓄熱槽群３８０は放置されるが、その間に温度分布は変化し、蓄熱運転開始時には第４蓄熱温度１８のようになる。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。
【０００７】
図１０は、従来技術に係る蓄熱システム１００の蓄熱運転時における蓄熱槽群３８０内の状態を示す図である。図１０（ａ）は、蓄熱槽群３８０の空気５の流れ方向を示し、図１０（ｂ）は、蓄熱槽群３８０の温度分布を示す。第４蓄熱温度１８の状態から蓄熱運転を開始すると、第４蓄熱温度１８から蓄熱温度上昇２８が施され、第５蓄熱温度１９になる。なお、第５蓄熱温度１９のグラフ線は温度躍層２６を含んでいる。温度躍層２６より下流側を進む空気５が、蓄熱温度が平らに近い領域に存在しても、下流側がより温度が低いために、空気５が固体顕熱蓄熱材２３を加熱するので、蓄熱温度は上昇する。蓄熱運転時における蓄熱槽出口温度が蓄熱運転終了温度２７に達した時（一点鎖線で示す温度分布の状態）に、蓄熱運転を終了するのだが、図８の場合よりも蓄熱運転終了温度２７に早く達する。図８における第２蓄熱温度２５の温度プロファイルと、図１０における第５蓄熱温度１９の温度プロファイルとを比較すると、後者がより低温の領域が多くなり、蓄熱槽群３８０に蓄積される蓄熱量が小さくなっている。
【０００８】
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】
【０００９】
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】
【００１０】
放熱運転終了後の長時間放置にて、蓄熱温度分布が平均化するため、その後に実施する蓄熱運転時における出口の温度が高くなる。出口温度上昇によって終了する蓄熱運転終了時刻が早まるために、蓄熱量が小さくなるという課題がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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