JP2010261416A - エネルギー貯蔵装置及びこれを用いた圧力差発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱等の新エネルギーや、廃熱等の未利用エネルギーの有効利用に好適なエネルギー貯蔵装置及びこれを用いた圧力差発電システムを提供する。
【解決手段】圧力差発電システム１は、圧力容器２と、圧力容器２に太陽熱エネルギーを与える太陽光集光装置５と、圧力容器２の下流側配管Ｌ４に接続する膨張タービン３と、膨張タービン３の回転軸に連結する発電機４と、を主要構成として備えている。圧力容器２は、メタンを主成分とする都市ガス高圧ラインＬ１の分岐配管Ｌ３に接続されている。圧力容器２内部には吸着材１０が充填されている。分岐配管Ｌ４経路内には圧力センサ１１、閉止弁１２が配設されている。膨張タービン３の出口側は配管Ｌ５に接続しており、圧力調整弁８を介して分岐配管Ｌ２に合流するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着材の吸着・脱着特性を利用したエネルギー貯蔵装置及びこれを用いた圧力差発電システムに係り、特に、太陽熱等の新エネルギーや、廃熱等の未利用エネルギーの有効利用に好適なエネルギー貯蔵装置及びこれを用いた圧力差発電システムに関する。

従来、エネルギー分野における吸着材の利用に関しては、燃料ガスの発熱量変動抑制を目的とする吸着塔貯蔵技術が公知である（例えば特許文献１）。また、吸着材の吸着熱、脱着熱を利用してヒートポンプサイクルを稼動させるデシカント空調システムも提案されている（例えば特許文献２）。さらに、吸着材を用いて太陽熱を集熱・蓄熱し、温水、暖房等に利用する技術も提案されている（例えば特許文献３）。
特許文献３のソーラーヒートポンプシステム１００は、太陽熱を集熱する集熱器１０１、内部に吸着材を備え揮発性熱媒体を吸脱着させる吸放熱器１０２、熱媒体を凝縮貯蔵する貯蔵部１０４、蒸発器１０５ａ・放熱器（凝縮器）１０５ｂを備えた冷凍サイクル１０５、冷凍サイクル１０５から受熱する蓄熱部１０６、を主要構成とする。

日射時には、吸着材に吸着されていた吸放熱器１０２内の揮発性熱媒体は蒸発し、貯蔵部１０４との圧力差により連絡配管１０３を経由して貯蔵部１０４に移動する。熱媒体は、冷凍サイクル１０５側の蒸発器１０５ａの冷媒に放熱して凝縮し、液状態で貯蔵部５に貯蔵される。一方、冷凍サイクル１０５側の放熱器（凝縮器）１０５ｂでは、冷媒が蓄熱部１０６内の水に放熱して蓄熱部１０６内の水を加熱する。蓄熱部１０６内の温水は給湯、暖房等に用いられる。
また、非日射時には、貯蔵部１０４と吸放熱器１０２の温度差により圧力差が生じ、揮発性熱媒体は気相状態で吸放熱器１０２側に輸送される。さらに、低外気温時等、貯蔵部１０４と吸放熱器１０２の温度差が小さい場合には、熱交換器１０６ａを介して蓄熱部１０６ａの熱を貯蔵部１０４に与えて、圧力差を生じさせる。
ソーラーヒートポンプシステム１００は上記作用により、太陽熱エネルギー利用を図るものである。

特開２００４−３３１９４８号公報 特開２００８−１５１３８８号公報 特開２００５−２５７１４０号公報

本発明は、上記各先行技術文献に開示されていない、吸着材を用いた新たな熱エネルギー貯蔵技術を提案するものである。

本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るエネルギー貯蔵装置は、
（１）内部に吸着材を充填した圧力容器と、該圧力容器に外部から熱を供給する熱源と、該吸着材に対して吸着、脱着能力を有するガスを、該圧力容器に送入及び該圧力容器から送出する手段と、を備え、該熱源該圧力容器内を高温状態にして、該吸着材に吸着されているガスの脱着による圧力上昇を利用可能に構成したことを特徴とする。

図３は本発明の作用を示す図であり、（ａ）吸着材を充填した圧力容器に吸着、脱着能力を有するガスを封入し、外部から加熱した場合と、（ｂ）圧力容器にガスのみを封入して加熱した場合の、容器内温度―圧力の関係を比較したものである。吸着材充填容器の場合は、温度上昇に伴ってガスの脱着量が増加するため圧力上昇が大きく、常温では両者はほぼ同一であるが、５０℃では吸着材充填容器の圧力は約２．３倍高くなっている。
本発明は、吸着材充填容器のこのような特性を利用して、熱エネルギーを圧力エネルギーとして貯蔵し、放出時の外気との圧力差を仕事として取り出し可能に構成したものである。

本発明に用いる吸着材としては、加熱された際に吸着している媒質を、大量に脱着する性質を持つことが重要である。脱着したガスによって容器内の圧力を高めるため、吸着時の温度における被吸着物質の吸着能力が高いことも重要である。
また、吸着材形状については容器に充填できるものであればよく、一般的な活性炭形状である粒状・破砕状でもいずれでもよい。ただし、容器に大量の吸着材が充填されることが望ましく、充填密度が高いものが有利である。
吸着材と被吸着物質であるガスの組み合わせは、利用形態により選択することができる。例えば、下記（４）のような都市ガス供給設備に付設される圧力差発電に利用する場合には、メタンをはじめとする炭化水素を吸着する吸着材が望ましい。また、例えばヒートポンプシステム等の一般的な設備に利用する場合には、不活性で安全な二酸化炭素や、空気を圧縮して貯蔵する場合の窒素等が想定され、これらに対する吸着能力が高い吸着材が望ましい。さらに、フロンや代替フロン等も対象となりうる。

（２）上記発明において、前記熱源が太陽光集光装置であることを特徴とする。
本発明に用いる太陽光集光装置としては、タワー型、トラフ型、ディッシュ型等の公知の集光装置を適用することができる。

また、本発明に係る圧力差発電システムは、
（３）上記（１）、（２）のエネルギー貯蔵装置の高圧ガスを利用する圧力差発電システムであって、前記エネルギー貯蔵装置と、膨張タービンと、該膨張タービンに連結する発電機と、を備え、かつ、前記エネルギー貯蔵装置から送出されるガスを、該膨張タービン入口に導入する手段を備えて成ることを特徴とする。
本発明は、エネルギー貯蔵装置で昇圧したガスを膨張タービンに導入し、タービン内部でガスが膨張する際の内部エネルギー減少を軸回転出力として取り出し、発電に供するものである。

（４）上記（３）の圧力差発電システムを、都市ガス供給ライン経路中に組み込んだ圧力差発電システムであって、高圧ガス供給ラインから分岐した減圧ライン経路中の減圧手段の上流側のガスを、前記エネルギー貯蔵装置の前記圧力容器に導入する手段と、前記膨張タービンを出たガスを、該減圧ラインの減圧手段の下流側に戻す手段と、を備えて成ることを特徴とする。
現在、都市ガス供給においては、工場から高圧（１．５ＭＰａ〜７ＭＰａ）で供給されるガスを、各拠点で中圧以下（１ＭＰａ未満）に減圧して需要家に供給している。
本発明は、減圧ラインに至る経路中に上記圧力差発電システムを組み込むことにより、従来利用されていなかった減圧時の圧力差エネルギーを有効利用可能とするものである。
本発明によれば、高圧ガスを直接又は予熱後に膨張タービンに導入する圧力差発電システムと比較して、エネルギー貯蔵装置においてさらに昇温・昇圧されるため、より高効率の発電システムが実現できる。

本発明によれば、未利用エネルギー、再生可能エネルギー等を有効に回収して、圧力エネルギーの形で効率的に貯蔵することができる。
また、本発明による圧力差発電システムによれば、上記エネルギー貯蔵装置に貯蔵された圧力エネルギーにより高効率の圧力差発電システムが実現できる。

第一の実施形態に係る圧力差発電システム１の全体構成を示す図である。 第二の実施形態に係る圧力差発電システム２０の全体構成を示す図である。 吸着材充填の有無による圧力容器内ガスの温度―圧力の関係を比較した図である。 従来の吸着材を用いたソーラーヒートポンプシステム１００の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１、２を参照してさらに詳細に説明する。なお、重複記載を回避するため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態に係る圧力差発電システム１の全体構成を示す図である。圧力差発電システム１は、圧力容器２と、圧力容器２に太陽熱エネルギーを与える太陽光集光装置５と、圧力容器２の下流側配管Ｌ４に接続する膨張タービン３と、膨張タービン３の回転軸に連結する発電機４と、を主要構成として備えている。
圧力容器２は、メタンを主成分とする都市ガス高圧ラインＬ１の分岐配管Ｌ２からさらに分岐する分岐配管Ｌ３に接続されている。圧力容器２内部には吸着材１０が充填されている。吸着材としては、炭化水素に対する吸着能力の高い、例えば石炭原料活性炭を用いることができる。分岐配管Ｌ４経路内には圧力センサ１１、閉止弁１２が配設されており、制御部１３が、圧力センサ１１の計測値に基づいて閉止弁１２を開閉できるように構成されている。膨張タービン３の出口側は配管Ｌ５に接続しており、圧力調整弁８を介して分岐配管Ｌ２に合流するように構成されている。また、圧力容器２の入口側には、容器内圧上昇時の逆流防止のための閉止弁１４が配設されている。
一方、分岐配管Ｌ２経路内には高圧整圧器６ａ、流量調整弁６ｂを含む整圧部６が配設されている。このような配管系統により、膨張タービン３、圧力調整弁８を経由して所定の圧力に減圧されたガスは、分岐配管Ｌ２、整圧部６を経由する減圧ガスと合流してガスホルダ９に一旦貯蔵され、需要に応じて配管Ｌ６を介して供給される。

圧力差発電システム１は以上のように構成されており、次に圧力差発電システム１における太陽熱エネルギーの貯蔵及び発電形態について説明する。
まず、エネルギー貯蔵段階においては、閉止弁１２は閉に設定されている。圧力容器２内に導入される高圧（例えば、１．０ＭＰａ）の都市ガスは吸着材１０に吸着されるが、吸着量は容器内温度、圧力における平衡吸着量となる。その後、圧力容器２は太陽光集光装置５を介して供給される熱エネルギーにより加熱される。容器内温度上昇により吸着材１０に吸着されていたガスは脱着し、容器内圧力は通常の温度−圧力の関係を超えて上昇する。
次に、発電段階においては、圧力センサ１１の計測値が閾値以上となると、制御部１３により閉止弁１２が開弁される。これに伴い容器内のガスは膨張タービン３に導入され、いずれも不図示のノズルから翼部に吹き付けられ、被駆動機である発電機４を駆動させて発電が行われる。発電機４内で発生した電力は、商用電力系統に売電される。
一方、膨張タービン３内で膨張し、減圧されて出口を出たガスは、圧力調整弁８により圧力調整された後に分岐配管Ｌ２に合流して、ガスホルダ９に貯蔵される。

なお、本実施形態では、容器の昇温・昇圧手段として太陽熱エネルギーを用いる例を示したが、これに替えて他の熱源を用いる形態とすることもできる。
また、圧力容器２を分岐配管Ｌ２から取り出した分岐配管Ｌ３に接続する例を示したが、直接高圧ラインＬ１に接続する形態とすることもできる。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図２は、本実施形態に係る圧力差発電システム２０の全体構成を示す図である。圧力差発電システム２０が上述の圧力差発電システム１と異なる点は、並列に接続される複数の圧力容器２１ａ〜２１ｃを備えており、また、各圧力容器とそれぞれ熱的に接続する太陽光集光装置２２ａ〜２２ｃを備えていることである。さらに、各圧力容器の下流側配管Ｌ８ａ〜Ｌ８ｃには、圧力センサ２３ａ〜２３ｃ及び切替弁２４ａ〜２４ｃを備えており、各圧力センサの計測値に基づいて制御部２６が各切替弁を適宜、開閉可能に構成されていることである。また、圧力容器２１ａ〜２１ｃの入口側には、それぞれ逆流防止用閉止弁２７ａ〜２７ｃが配設されている。その他の構成は圧力差発電システム１と同一であるので、重複説明を省略する。

次に、圧力差発電システム２０における発電制御について説明する。エネルギー貯蔵段階については、上述の実施形態と同様であるので説明を省略する。次に、発電段階においては、まず切替弁２４ａ開、２４ｂ及び２４ｃ閉とすることにより、容器２１ａ内のガスが膨張タービン３に導入され、被駆動機である発電機４を駆動させて発電が行われる。膨張タービン３を出たガスの挙動は、上述の実施形態と同様であるので説明を省略する。
圧力容器２１ａの圧力が下限値（膨張タービン３の能力に合わせて設定される）を下回ったときは、切替弁２４ｂ開、２４ｃ及び２４ａ閉のように切り替えて、容器２１ｂから容器２１ｂ内のガスを膨張タービン３に導入する。このように、順次ローテーションさせることにより、所定圧力以上のガスを連続的に膨張タービン３に導入することが可能となる。

なお、本実施形態では圧力容器３台を用いる例を示したが、吸着材充填量、膨張タービン能力等に合わせて適切な台数に設定することができる。

本発明は発電に限らず、例えば供給ガスの昇圧装置としても応用可能である。現状圧力より高い圧力にすることにより、昇圧に必要なエネルギーをセーブすることができる。
さらに、圧縮空気自動車への応用も可能である。本発明による貯蔵装置により昇圧した圧縮空気を供給源として、駆動源（エンジン、タービン等）に供給することができる。
このように、圧力差を利用してエネルギーを取り出す装置・システムに広く応用可能である。

１、２０・・・・圧力差発電システム
２、２１ａ〜２１ｃ・・・・圧力容器
３・・・・膨張タービン
４・・・・発電機
５、２２ａ〜２２ｃ・・・・太陽光集光装置
９・・・・ガスホルダ
６・・・・整圧部
８・・・・圧力調整弁
１０・・・・吸着材
１１、２３ａ〜２３ｃ・・・・圧力センサ
１２、１４、２７ａ〜２７ｃ・・・・閉止弁
２４ａ〜２４ｃ・・・・切替弁
Ｌ１・・・・都市ガス高圧ライン

Claims (4)

1. 内部に吸着材を充填した圧力容器と、
   該圧力容器に外部から熱を供給する熱源と、
   該吸着材に対して吸着、脱着能力を有するガスを、該圧力容器に送入及び該圧力容器から送出する手段と、を備え、
   該熱源該圧力容器内を高温状態にして、該吸着材に吸着されているガスの脱着による圧力上昇を利用可能に構成したことを特徴とするエネルギー貯蔵装置。
2. 前記熱源が、太陽光集光装置であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置。
3. 請求項１又は２に記載のエネルギー貯蔵装置の高圧ガスを利用する圧力差発電システムであって、
   前記エネルギー貯蔵装置と、膨張タービンと、該膨張タービンに連結する発電機と、を備え、かつ、
   前記エネルギー貯蔵装置から送出されるガスを、該膨張タービン入口に導入する手段を備えて成ることを特徴とする圧力差発電システム。
4. 請求項３に記載の圧力差発電システムを、さらに都市ガス供給ライン経路中に組み込んだ圧力差発電システムであって、
   高圧ガス供給ラインから分岐した減圧ライン経路中の減圧手段の上流側のガスを、前記エネルギー貯蔵装置の前記圧力容器に導入する手段と、
   前記膨張タービンを出たガスを、該減圧ラインの減圧手段の下流側に戻す手段と、
   を備えて成ることを特徴とする圧力差発電システム。
   

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