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JP2018514746A - 蓄熱装置、これを有する発電プラントおよび蓄熱装置の動作方法 - Google Patents

蓄熱装置、これを有する発電プラントおよび蓄熱装置の動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】再生可能エネルギー源と連携可能であり、発電プラントのエネルギー収率を向上させることができる蓄熱装置を提供すること。【解決手段】下位貯水槽と、前記下位貯水槽に水を供給する第１回路と、前記下位貯水槽に浮遊状態で配置された熱交換器と、前記下位貯水槽と熱ポンプとの間で水を循環させる第２回路と、前記熱交換器と前記熱ポンプとの間で冷媒を循環させる第３回路とを有し、前記熱交換器において、前記下位貯水槽の水を冷却または凍結させることで熱を回収し、前記熱を消費者に供給することを特徴とする蓄熱装置。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱装置、これを有する発電プラントおよび蓄熱装置の動作方法に関する。
化石燃料が徐々に枯渇する中、近年、再生可能エネルギーの利用が急速に拡大している。原材料価格の高騰により化石燃料の経済性が低下していることに加えて、大気中の二酸化炭素濃度の上昇による地球温暖化への影響が懸念されることから、再生可能エネルギーの使用は、今後数十年間増加し続けると予測される。
再生可能エネルギーとしては、例えば、太陽光、風力、バイオマスなどが知られている。このうち、太陽光と風力に関しては、自然現象（太陽光、風など）に依存するため、計画的な発電ができないという欠点を有する。この欠点を克服するために、様々な方策が採られている。例えば、一時的な電力不足を補うために、化石燃料をベースとした急速起動が可能な発電プラントを配備するという方法がある。また、例えば、再生可能エネルギーを電気的または機械的に一時的に貯蔵し、必要に応じて電力網に供給する効率的なエネルギー貯蔵法を用いることが知られている。
ドイツ特許出願公開第１０２０１１０５００３２号には、１つまたは複数の風力発電プラントとポンプ貯蔵プラントを有し、風力発電プラントのタワー内部に、ポンプ貯蔵プラントの上位貯水槽として機能する貯水タンクが設置されていることを特徴とする蓄熱装置が開示されている。
ドイツ特許出願公開第２９２６６１０号には、低温側から高温側へ熱を移動させる熱ポンプシステムを有する蓄熱装置が開示されている。本開示に係る蓄熱装置の貯水槽は、傾斜壁、傾斜面および補強材を備えることで、貯水槽を損傷することなく水を凍結させることができ、また、貯水槽の床上または床内に配置された熱交換器によって貯水槽の冷却熱および凍結熱を熱ポンプの低温側に供給できるように構成されている。
また、ドイツ特許出願公開第１０２０１００３７４７４号には、少なくとも１つの貯蔵タンクと、第１熱交換媒体とを有する蓄熱装置が開示されている。上記貯蔵タンクのハウジング内には、貯蔵媒体と、貯蔵媒体に接触して配置され、かつ第１熱伝達媒体を備える少なくとも１つの第１熱交換器とが設けられている。貯蔵タンクのハウジング内には、さらに、少なくとも１つの第２熱交換器と、気体により構成された第２熱交換媒体とが配置されている。
したがって、再生可能エネルギー発電プラントを容易に形成することができ、かつ、ポンプ貯蔵発電プラントによって補充可能な蓄熱装置が必要とされている。
本発明の課題は、再生可能エネルギー源と連携可能であり、発電プラントのエネルギー収率を向上させることができる蓄熱装置を提供することである。
上記課題は、請求項１に記載の構成によって解決される。本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項に記載の技術的構成を含む。これらは、技術的に合理的な方法で相互に組み合わせることができる。以下では、添付の図面を用いて本発明の構成および特徴を説明する。
本発明によれば、下位貯水槽と、前記下位貯水槽に水を供給する第１回路と、前記下位貯水槽に浮遊状態で配置された熱交換器と、前記下位貯水槽と熱ポンプとの間で水を循環させる第２回路と、前記熱交換器と前記熱ポンプとの間で冷媒を循環させる第３回路とを有し、前記熱交換器において、前記下位貯水槽の水を冷却または凍結させることで熱を回収し、前記熱を消費者に供給することを特徴とする蓄熱装置が提供される。
本発明に係る蓄熱装置は、湖などで構成される下位貯水槽を有する。本発明では、下位貯水槽から潜熱の形でエネルギーが回収される。すなわち、下位貯水槽の水を凍結することで生じた潜熱が熱交換器によって回収され、例えば建物の暖房等の用途で消費者に供給される。加えて、下位貯水槽の水の冷却（水温低下）によって生じる顕熱も回収される。そのため、下位貯水槽の水温が太陽光によって上昇するように、下位貯水槽には、第１回路のみを介して水が供給されることが好ましい。熱の回収は、再生可能または二酸化炭素中立エネルギー源から電力供給を受けて動作する熱ポンプによって行われることが好ましい。熱ポンプには、例えば、ポンプ貯蔵ユニットの発電機によって電力が供給される。氷の解凍は、太陽光や大気温度などの通常の環境条件に基づいて行われる。また、春や夏の時期には、氷の冷熱を空調に利用することで氷の解凍を行ってもよい。本発明では、下位貯水槽に氷を形成し、それによって生じる潜熱を利用することができる。
本発明に係る蓄熱装置は、下位貯水槽から回収される顕熱に影響を与える周囲温度や日射量、および季節ごとに変化する消費者からの熱需要に応じて蓄熱量を調整できるように、様々な使用方法および動作モードを有する。すなわち、下位貯水槽からの熱（顕熱または潜熱）回収は、下位貯水槽の立地条件や需要条件にしたがって行われる。
本発明に係る蓄熱装置では、太陽光による集熱（例えば、北半球の春から秋）を行う際、下位貯水槽の水面と周囲空気との間に温度差が生じる。この場合、熱ポンプによって下位貯水槽の水面が冷却されるため、下位貯水槽の水面から周囲空気への放熱が抑制される。上記温度差は、約５℃〜１０℃の範囲内である。秋の終わりには、太陽光による集熱が減少するため、熱ポンプの熱回収により下位貯水槽の水温は約０．５℃まで低下する。冬になると、熱需要の増加に伴い、下位貯水槽から大量の熱が連続的に回収されるため、下位貯水槽の水面が凍結する（すなわち、熱交換器に氷層が形成される）。この場合、熱回収量の増大とともに氷層の規模も大きくなる。春から初夏にかけて、熱需要の低下に伴い熱回収量が減少するため、熱交換器の氷層は融解し、太陽光によって下位貯水槽の水温が上昇する。一定の天候条件下では、下位貯水槽の水面に氷層が形成され、下位貯水槽の水が大気から分離されることで、下位貯水槽からの放熱を低減することができる。
熱交換器において回収された熱は、消費者に供給され、例えば暖房に利用される。この場合、約２０００〜４０００世帯の熱需要に対して約４００００ｍ３の氷が形成される。したがって、本発明では、下位貯水槽として、例えば天然湖が用いられる。
本発明の一実施形態では、前記熱交換器は、前記冷媒が流れるパイプによって形成される。
パイプ状の熱交換器を用いた場合、冷媒の導入口が凍結開始位置となるため、冷媒導入口の位置決めにより凍結開始位置を自由に決定できるという利点がある。したがって、例えば、凍結時に熱交換器に負荷される機械的応力を解消または低減するために、所定の機械的要件に合わせて凍結を制御することができる。
本発明の別の実施形態では、前記パイプは、渦巻環の形態を有する。
天然湖として形成された下位貯水槽の湖岸線に合わせて渦巻環の形状や大きさを調整することで、下位貯水槽の水面を効率的に利用することができる。渦巻環は、円形または略円形の下位貯水槽の湖岸線に囲まれるように配置されることが好ましい。なお、下位貯水槽の湖岸線は楕円形や矩形であってもよい。
本発明の別の実施形態では、前記パイプは、放射状に配置されたスポークによって固定されている。
このような構成とすることで、渦巻環を少ない材料で安定して配置することができる。また、熱交換器は、下位貯水槽の水面に浮游状態で移動可能に配置されるため、水位の変化に伴う圧力に曝されるが、本実施形態によれば、洪水などで水位が大きく上昇した場合でも、熱交換器はこれらの力に耐えることができる。
本発明の別の実施形態では、前記熱交換器の外周部分は、垂直方向に延びる環状の外壁によって囲まれている。
従来の氷蓄熱機では、熱交換器を密閉して形成することで、熱交換器内に形成される氷と下位貯水槽の水とを分離していた。これに対し、本発明では、熱交換器の上下部分が開放された状態で氷と水を分離することができるため、以下で詳述するように多くの利点を有する。
本発明の別の実施形態では、前記環状の外壁は、直径が約５０〜２００ｍ、好ましくは約１００ｍである。
熱交換器の寸法を本実施形態のように設定することで、数万ｍ３規模の氷を形成することができる。この規模の氷を形成する際に回収される熱は、数ＧＷｈの熱出力に相当し、これにより、数千世帯の熱需要をカバーすることができる。本発明では、地域需要、熱需要、および熱ポンプの動作に利用可能な電力などの条件を考慮して、熱交換器の寸法が正確に設定または調整される。
本発明の別の実施形態では、前記熱交換器は、アンカーによって前記下位貯水槽の底部に接続されている。
本発明では、熱交換器の中央部分に、下位貯水槽の底部に固定された柱状のアンカーが接続されていることが好ましい。この場合、熱交換器は、下位貯水槽の水位に応じて、柱状アンカーとともに軸方向に移動する。柱状アンカーに加えて、または柱状アンカーの代わりに、上記スポークまたは外壁に取り付けられ、かつ適切なプレストレス（予応力）を有する張力ケーブルを用いて、熱交換器を下位貯水槽の底部または水際部に接続してもよい。張力ケーブルのプレストレスや柱状アンカーに対する熱交換器の位置は、外部制御装置によって調整することができる。
本発明の別の実施形態では、前記熱交換器内で、径方向内側から外側に向かって氷層が形成される。
下位貯水槽に浮遊する熱交換器において、氷層を径方向内側から外側に向かって形成することで、複雑な追加的措置をとることなく、氷結時の熱交換器のバランスをより安定させることができる。そのために、熱ポンプから輸送される冷媒は、熱交換器の中央部に供給される。したがって、本発明では、まず始めに水を径方向に氷結させて、熱交換器の中心から外壁に及ぶ氷層を形成した後、氷層を垂直方向に増厚させる。このとき、パイプの表面に最大約１ｍの氷層が形成される。夏の時期には、氷層に蓄えられた冷熱を冷房に利用することができる。また、先述のように、下位貯水槽の水を凍結させる際に熱を回収することもできる。
本発明の別の実施形態では、前記氷層上に水を供給するための供給ラインを有し、前記供給ラインから前記氷層上に水が供給されることで、前記氷層は前記下位貯水槽の水面下に配置される。
本実施形態によれば、氷層を形成する際に、熱交換器に重量が付加され、熱交換器が下位貯水槽に沈み込むため、氷層を下位貯水槽の水面下に配置することができる。これにより、入射する太陽光の多くが水面付近の水に吸収されるため、下位貯水槽の水温を上昇させることができる。
本発明の別の実施形態では、前記供給ラインから供給される水と前記氷層の間に分離層が配置されている。
本実施形態によれば、氷層と外気を分離し、両者間の熱交換を減少させることで、氷層を長時間維持することができる。
本発明の別の実施形態では、前記氷層の下に、前記氷層と前記下位貯水槽の水を分離するための空気クッションが形成される。
本実施形態によれば、氷層と下位貯水槽の水を分離し、両者間の熱交換を減少させることで、氷層を長時間維持することができる。
本発明の別の実施形態では、前記氷層は、複数の氷層が上下に積層されて形成される。
本実施形態によれば、単一の氷層からなる場合と比べて、大きな氷層を形成することができる。また、複数の氷層は、それぞれが独立した蓄熱機として、消費者の需要に応じて暖房を供給するために使用される。さらに、上記積層構造において、最上層には薄い氷層が急速に形成される。上記薄層は、冷却パイプの表面に最大約１０ｃｍの厚さで形成される。上記薄層は、熱需要のピークをカバーするだけでなく、下位貯水槽を大気から隔離する機能も有する。したがって、例えば、エネルギー需要が高い夜間は、薄層を形成することで、下位貯水槽と大気を分離することができる。これにより、下位貯水槽から大気中への放熱が抑制される。一方、エネルギー需要が低い昼間は、氷層の上に水を汲み上げることで、下位貯水槽の水に太陽光を吸収させることができる。これにより、氷層が溶融し、下位貯水槽の水温が上昇する。このように、本発明では、下位貯水槽の水温を常に高く維持することができるため、熱ポンプによる熱回収を効率化することができる。
本発明の別の実施形態では、前記複数の氷層は、それぞれ隣接する氷層との間で分離層によって分離されている。
本実施形態によれば、氷層と外気を分離し、両者間の熱交換を減少させることで、氷層を長時間維持することができる。
また、本発明によれば、上述のいずれかの蓄熱装置を有し、前記下位貯水槽は、前記第１回路を介してポンプと接続され、さらに前記第１回路に接続された供給ラインを介して上位貯水槽と接続されていることを特徴とする発電プラントが提供される。
本実施形態によれば、ポンプ貯蔵プラントのエネルギー貯蔵に加えて、下位貯水槽で蓄熱が行われるため、エネルギーバランスを著しく改善することができる。この場合、蓄熱装置に必要な電力は、ポンプ貯蔵プラントによって供給される。
本発明の別の実施形態では、前記上位貯水槽は、風力発電プラントの一部であり、前記ポンプは、前記風力発電プラントで生成された電気エネルギーによって駆動され、前記下位貯水槽から前記上位貯水槽に水を汲み上げる。
本実施形態によれば、風力の変化に起因する風力発電プラントからの供給電力の変動をポンプ貯蔵プラントによって補償することができる。すなわち、弱風時には、ポンプ貯蔵プラントによって電力供給が行われ、十分な風力が得られる場合には、風力発電プラントによって電力供給が行われるとともに、余剰電力がポンプ貯蔵プラントに貯蔵される。
また、ポンプ貯蔵プラントのエネルギー貯蔵に加えて、下位貯水槽で蓄熱が行われるため、エネルギーバランスを著しく改善することができる。この場合、特熱装置に必要な電力は、ポンプ貯蔵プラントによって供給される。
また、本発明によれば、前記下位貯水槽の水から顕熱を回収することができない場合、前記熱ポンプは、前記熱交換器に氷層が形成されるように、周囲温度、日射量および水温の関数として制御されることを特徴とする上述のいずれかの蓄熱装置の動作方法が提供される。
本方法の別の実施形態では、前記氷層を太陽光から保護するために、前記氷層上に水を供給し、前記氷層を前記下位貯水槽の水面下に下降させる。
本実施形態によれば、供給ラインを介して氷層上に供給される水の量を制御することで、氷層への太陽光の入射量を低減することができる。すなわち、太陽光が氷によって反射されることを防止し、より多くの太陽光を水に吸収させることができる。そのため、氷層が水面に浮遊している場合に比べて、下位貯水槽に入射する熱を増大させることができる。
本方法の別の実施形態では、前記熱交換器は、複数の氷層が上下に積層されて形成される多層構造を備え、前記水面に最も近い層には、最初に氷層が形成される。
上記積層構造において、最上層には薄い氷層が急速に形成される。上記薄層は、冷却パイプの表面に最大約１０ｃｍの厚さで形成される。上記薄層は、熱需要のピークをカバーするだけでなく、下位貯水槽を大気から隔離する機能も有する。したがって、例えば、エネルギー需要が高い夜間は、薄層を形成することで、下位貯水槽と大気を分離することができる。これにより、下位貯水槽から大気中への放熱が抑制される。一方、エネルギー需要が低い昼間は、氷層の上に水を汲み上げることで、下位貯水槽の水に太陽光を吸収させることができる。これにより、氷層が溶融し、下位貯水槽の水温が上昇する。このように、本発明では、下位貯水槽の水温を常に高く維持することができるため、熱ポンプによる熱回収を効率化することができる。
図１は、本発明に係る発電プラントの概略図である。 図２は、本発明に係る蓄熱装置の概略図である。 図３は、本発明に係る蓄熱装置の一構成要素である熱交換器の斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の熱交換器の側面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の熱交換器の側面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の熱交換器の側面図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る蓄熱装置の熱交換器の側面図である。
以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、図面において、同一または機能的に同等の構成要素には同一の参照符号が付されている。
図１は、本発明の第１実施形態を示す。図１は、１つまたは複数の風力発電プラントＷＫＡを有する発電プラントの概略図である。風力発電プラントＷＫＡは、例えば、山の尾根等に配置される。風力発電プラントＷＫＡの下方には、ポンプ貯蔵発電プラントＫＲが配置されており、ポンプ貯蔵発電プラントＫＲは、第１回路ＺＵ１を介して風力発電プラントＷＫＡの上位貯水槽ＯＲと接続されている。上位貯水槽ＯＲは、例えば、それぞれに１つの風力発電プラントＷＫＡが配置される複数の貯水槽として構成される。なお、上位貯水槽ＯＲは、風力発電プラントＷＫＡのマストに一体化され、あるいは風力発電プラントＷＫＡに隣接する別個の貯蔵装置として構成されてもよい。
ポンプ貯蔵発電プラントＫＲは、第１回路ＺＵ１に接続された発電機ＧＥを備えており、上位貯水槽ＯＲの水が第１回路ＺＵ１の供給ラインＬＴを介して下位貯水槽ＵＢに向かって流下する際に発電機ＧＥを通過することで、発電が行われる。同様に、下位貯水槽ＵＢの水がポンプＰＵによって上位貯水槽ＯＲに汲み上げられる際にも、発電機ＧＥで発電が行われる。発電機ＧＥは、発電された電気エネルギーを搬送するための電力網ＳＮに接続されている。
ポンプ貯蔵発電プラントＫＲの下位貯水槽ＵＢは、水ＷＡで満たされており、その水面には、図１の矢印ＰＦで示すように、氷層ＥＩが配置されている。下位貯水槽ＵＢは、第２回路ＺＵ２を介して熱ポンプＷＰと接続されている。
他の実施形態では、下位貯水槽ＵＢは、ポンプ貯蔵発電プラントＫＲを備えず、例えば湖や地表水として構成されてもよい。
熱ポンプＷＰから第３回路ＺＵ３を介して、下位貯水槽ＵＢに配置された熱交換器ＷＴＡに氷層ＥＩを形成するための冷媒が供給される。熱ポンプＷＰは、下位貯水槽ＵＢの水ＷＡの温度変化による顕熱や氷層ＥＩの形成による潜熱を回収し、これを複数の消費者ＶＲに地域暖房ＦＷとして供給する。
熱ポンプＷＰの動作に必要な電力は、例えば発電機ＧＥによって供給される。熱ポンプＷＰは、例えば、ポンプ貯蔵発電プラントＫＲ内またはこれに隣接して配置される。ポンプＰＵには、風力発電プラントＷＫＡから電力が供給されることが好ましい。
氷層ＥＩを備える下位貯水槽ＵＢは、熱ポンプＷＰとともに蓄熱貯蔵装置ＥＮを構成する。
図２は、各構成要素間の液体の流れを詳細に示した蓄熱貯蔵装置ＥＮの概略図である。
下位貯水槽ＵＢは、ポンプ貯蔵発電プラントＫＲの一構成要素として、第１回路ＺＵ１に接続されている。第１回路ＺＵ１では、上位貯水槽ＯＲから下位貯水槽ＵＢに水ＷＡが供給されるとともに、ポンプＰＵによって下位貯水槽ＵＢから上位貯水槽ＯＲに水ＷＡが汲み上げられる。また、下位貯水槽ＵＢは、第２回路ＺＵ２を介して熱ポンプＷＰと接続されている。第２回路ＺＵ２は、下位貯水槽ＵＢから熱ポンプＷＰに水ＷＡを供給するための供給ラインＺＵ２-Ｈと、熱ポンプＷＰで冷却された水ＷＡを下位貯水槽ＵＢに供給するための供給ラインＺＵ２-Ｒを有する。さらに、供給ラインＺＵ２-Ｒは、冷却された水ＷＡを下位貯水槽ＵＢ内に供給するための供給ラインＺＵ２-Ｒ’と、冷却された水ＷＡを下位貯水槽ＵＢに配置された熱交換器ＷＴＡに供給するための供給ラインＺＬを有する。
熱ポンプＷＰは、第３回路ＺＵ３を介して熱交換器ＷＴＡと接続されている。第３回路ＺＵ３は、熱ポンプＷＰから熱交換器ＷＴＡに冷媒を供給するための供給ラインＺＵ３-Ｈと、熱交換器ＷＴＡで加熱された冷媒を熱ポンプＷＰに供給するための供給ラインＺＵ３-Ｒを有する。熱ポンプＷＰは、発電機ＧＥから電力供給を受けて動作し、第２回路ＺＵ２を介して下位貯水槽ＵＢから回収した顕熱および第３回路ＺＵ３を介して熱交換器ＷＴＡから回収した潜熱を地域暖房ＦＷとして消費者ＶＲに供給する。
図３は、熱交換器ＷＴＡの一実施形態を示す。熱交換器ＷＴＡは、渦巻環の形態を有するパイプＲＯを備えており、下位貯水槽ＵＢの水ＷＡに浮遊した状態で配置されている。熱交換器ＷＴＡの外周部分は、外壁ＡＷによって囲まれている。パイプＲＯおよび外壁ＡＷは、放射状に設置されたスポークＲＳＣに固定されている。外壁ＡＷの上部付近には、供給ラインＺＬが配置されている。
図３には、供給ラインＺＵ３-Ｈからの冷媒の供給位置が示されている。図３に示すように、渦巻環状のパイプＲＯの中心に冷媒が導入され、下位貯水槽ＵＢの水ＷＡが冷却されることで、パイプＲＯの周囲に氷層ＥＩが形成される。その際、水ＷＡはパイプＲＯの径方向内側から外側に向かって凍結するため、下位貯水槽ＵＢにおける熱交換器ＷＴＡの浮遊を安定化させることができる。熱交換器ＷＴＡ内の氷層の厚さは、供給ラインの開放時間や冷媒の温度によって制御される。
図４は、図３に示した熱交換器ＷＴＡの中心を通る径方向断面図である。図４に示すように、供給ラインＺＵ３-Ｈの出口は、熱交換器ＷＴＡの中心付近に配置される。一方、供給ラインＺＵ３-Ｒの入口は、外壁ＡＷ付近に配置される。
外壁ＡＷは、渦巻環ＲＳをその高さ方向において完全に覆うように構成される。熱交換器ＷＴＡの渦巻環ＲＳより上側の部分には、冷媒の供給ラインＺＬが配置される。熱交換器ＷＴＡの渦巻環ＲＳより下側の部分には、空気を導入するための空気供給ラインＬＺが配置される。
下位貯水槽ＵＢには、熱交換器ＷＴＡを浮遊状態で配置することを可能にするために、下端が下位貯水槽ＵＢの底部に固定された柱状のアンカー（図４には不図示）が設けられている。熱交換器ＷＴＡは、下位貯水槽ＵＢの水位に応じて、柱状アンカーとともに軸方向に移動する。そのため、熱交換器ＷＴＡは、図４に示すように、適切に移動可能な接続手段を介して柱状アンカーに接続される固定点ＢＳを備える。柱状アンカーの代わりに、または柱状アンカーに加えて、適切なプレストレス（予応力）を有する張力ケーブル（図４には不図示）を用いて、熱交換器ＷＴＡを下位貯水槽ＵＢの底部に接続してもよい。また、張力ケーブルは、下位貯水槽ＵＢの水際部に固定されてもよい。
熱交換器ＷＴＡの機能の詳細については、後述の第１実施例において説明する。
図５は、下位貯水槽ＵＢに配置された熱交換器ＷＴＡを示す。パイプＲＯに冷媒が供給されると、パイプＲＯの周囲に、径方向外側が外壁ＡＷによって囲まれた氷層ＥＩが形成される。下位貯水槽ＵＢに氷層ＥＩが形成されることで生じた潜熱は、熱交換器ＷＴＡを介して、例えば暖房として消費者の建物等に供給される。太陽光が入射する場合でも氷層ＥＩを維持できるようにするため、供給ラインＺＬを介して、水ＷＡが氷層ＥＩの上面に汲み上げられる。その結果、熱交換器ＷＴＡの重量が増加し、氷層ＥＩが下位貯水槽ＵＢの水面下に沈み込むことで氷層ＥＩ上に水ＷＡの層が形成されるため、太陽光が氷層ＥＩに直接当たることを防止できる。氷層ＥＩが周囲空気ＵＬから分離されることで、太陽光が下位貯水槽ＵＢの水ＷＡによって吸収される。すなわち、太陽光が氷層ＥＩによって反射されることを防止できるため、下位貯水槽ＵＢの水ＷＡに供給されるエネルギー量を維持することができる。
図６は、図５に示す熱交換器ＷＴＡにおいて、氷層ＥＩと周囲空気ＵＬを確実に分離するための実施形態を示す。本実施形態では、氷層ＥＩと、供給ラインＺＬを介して氷層ＥＩ上に形成される水層ＷＡとの間に分離層ＩＳが配置される。
図７は、氷層ＥＩと下位貯水槽ＵＢ内の水ＷＡを確実に分離するための実施形態を示す。本実施形態では、空気供給ラインＬＺを介して、氷層ＥＩの下に氷層ＥＩと水ＷＡを分離するための空気クッションＬＰが形成される。
図５〜図７に示す実施形態は、例えば、分離層ＩＳと空気クッションＬＰとを備えた熱交換器ＷＴＡというように、相互に組み合わせることができる。また、熱交換器ＷＴＡのパイプＲＯを複数段設置することで、熱交換器ＷＴＡ内に複数の氷層ＥＩを上下に積層させてもよい。この場合、各氷層ＥＩは、図６に示す分離層ＩＳと同様の分離層によって、それぞれ隣接する氷層ＥＩとの間で分離される。さらに、上記積層された各氷層は各々が冷媒供給ラインを備えており、互いに独立して制御される。この場合、最上層には薄い氷層が急速に形成される。上記薄層は、冷却パイプの表面に最大約１０ｃｍの厚さで形成される。上記薄層は、電力需要のピークをカバーするだけでなく、下位貯水槽を大気から分離する機能も有する。したがって、例えば、エネルギー需要が高い夜間は、薄層を形成することで、下位貯水槽と大気を分離することができる。これにより、下位貯水槽から大気中への放熱が抑制される。一方、エネルギー需要が低い昼間は、氷層の上に水を汲み上げることで、下位貯水槽の水に太陽光を吸収させることができる。これにより、氷層が溶融し、下位貯水槽の水温が上昇する。このように、本発明では、下位貯水槽の水温を常に高く維持することができるため、熱ポンプによる熱回収を効率化することができる。
蓄熱装置ＥＮでは、太陽光による集熱（例えば、北半球の春から秋）を行う際、下位貯水槽ＵＢの水面と周囲空気ＵＬとの間に温度差が生じる。この場合、熱ポンプＷＰによって下位貯水槽ＵＢの水面が冷却されるため、下位貯水槽ＵＢの水面から周囲空気ＵＬへの放熱が抑制される。上記温度差は、約５℃〜１０℃の範囲内である。
秋の終わりには、太陽光による集熱が減少するため、熱ポンプの熱回収により下位貯水槽ＵＢの水温は約０．５℃まで低下する。
冬になると、熱需要の増加に伴い、下位貯水槽ＵＢから大量の熱が連続的に回収されるため、下位貯水槽ＵＢの水面が凍結する（すなわち、熱交換器ＷＴＡに氷層ＥＩが形成される）。この場合、熱回収量の増大とともに氷層ＥＩの規模も大きくなる。
春から初夏にかけて、熱需要の低下に伴い熱回収量が減少するため、熱交換器ＷＴＡの氷層ＥＩは融解し、太陽光によって下位貯水槽ＵＢの水温が上昇する。
熱交換器ＷＴＡにおいて回収された熱は、消費者ＶＲに供給され、例えば暖房に利用される。この場合、約２０００〜４０００世帯の熱需要に対して約４００００ｍ３の氷が形成される。したがって、本発明では、下位貯水槽ＵＢとして、例えば天然湖が用いられる。
気温が高い時期には、氷層ＥＩは消費者ＶＲに冷房を供給するために使用されてもよい。
上述の説明、特許請求の範囲および図面に示された特徴は、個々に、または相互に組み合わせて実施することができる。本発明は、上述の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々の変形および修正が可能である。

Claims (18)

  1. 下位貯水槽と、
    前記下位貯水槽に水を供給する第１回路と、
    前記下位貯水槽に浮遊状態で配置された熱交換器と、
    前記下位貯水槽と熱ポンプとの間で水を循環させる第２回路と、
    前記熱交換器と前記熱ポンプとの間で冷媒を循環させる第３回路とを有し、
    前記熱交換器において、前記下位貯水槽の水を冷却または凍結させることで熱を回収し、前記熱を消費者に供給することを特徴とする蓄熱装置。
  2. 前記熱交換器は、前記冷媒が流れるパイプによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
  3. 前記パイプは、渦巻環の形態を有することを特徴とする請求項２に記載の蓄熱装置。
  4. 前記パイプは、放射状に配置されたスポークによって固定されていることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱装置。
  5. 前記熱交換器の外周部分は、垂直方向に延びる環状の外壁によって囲まれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の蓄熱装置。
  6. 前記環状の外壁は、直径が約５０〜２００ｍであることを特徴とする請求項５に記載の蓄熱装置。
  7. 前記熱交換器は、アンカーによって前記下位貯水槽の底部に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の蓄熱装置。
  8. 前記熱交換器内で、径方向内側から外側に向かって氷層が形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の蓄熱装置。
  9. 前記氷層上に水を供給するための供給ラインを有し、
    前記供給ラインから前記氷層上に水が供給されることで、前記氷層は前記下位貯水槽の水面下に配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の蓄熱装置。
  10. 前記供給ラインから供給される水と前記氷層の間に分離層が配置されていることを特徴とする請求項９に記載の蓄熱装置。
  11. 前記氷層の下に、前記氷層と前記下位貯水槽の水を分離するための空気クッションが形成されることを特徴とする請求項９または１０に記載の蓄熱装置。
  12. 前記氷層は、複数の氷層が上下に積層されて形成されることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の蓄熱装置。
  13. 前記複数の氷層は、それぞれ隣接する氷層との間で分離層によって分離されていることを特徴とする請求項１２に記載の蓄熱装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の蓄熱装置を有し、
    前記下位貯水槽は、前記第１回路を介してポンプと接続され、さらに前記第１回路に接続された供給ラインを介して上位貯水槽と接続されていることを特徴とする発電プラント。
  15. 前記上位貯水槽は、風力発電プラントの一部であり、
    前記ポンプは、前記風力発電プラントで生成された電気エネルギーによって駆動され、前記下位貯水槽から前記上位貯水槽に水を汲み上げることを特徴とする請求項１４に記載の発電プラント。
  16. 前記下位貯水槽の水から顕熱を回収することができない場合、前記熱ポンプは、前記熱交換器に氷層が形成されるように、周囲温度、日射量および水温の関数として制御されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の蓄熱装置の動作方法。
  17. 前記氷層上に水を供給することで、前記氷層を前記下位貯水槽の水面下に下降させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記熱交換器は、複数の氷層が上下に積層されて形成される多層構造を備え、
    前記水面に最も近い層には、最初に氷層が形成されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
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