拡張空間を含む熱エネルギー貯蔵

本願は、シャフト及び少なくとも一つのトンネルを含み、シャフト及び少なくとも一つのトンネルが互いに流体連通している、熱エネルギー貯蔵のための設備に関する。シャフト及び少なくとも一つのトンネルは、蓄熱のための流体を保持するように適合される。

近代的エネルギー技術の分野において、熱エネルギーの効率的な貯蔵が必要とされている。 熱エネルギーは、断熱材として周辺地盤を用いて、地上の断熱タンク内、地中の断熱ピット内、又は地下の掘られた洞窟内の、流体、例えば水の中に有利に貯蔵され得る。流体の熱エネルギーは、長期間、大量に保存される。今日、これらの方法は異なる季節間における熱エネルギーの貯蔵、例えば後の、その需要があるとき、及び好ましくはその財的価値がより高いときに用いられる一時的余剰熱の貯蔵という必要性を満たすため、世界の様々な場所で用いられている。エネルギーの主な遷移は、加熱の必要性が少ない夏の半期から、加熱の必要性が非常に高い冬の半期においてである。しかしながら、短期的変動のための貯蔵を用い、常に積極的に余剰熱を貯蔵することにより、得るものも多くある。これらの種類の貯蔵も、低温システムにおいて用いられる流体のような中温を有する流体同様、冷却に用いられるため、より冷たい流体の貯蔵のために用いられ得る。

熱エネルギーを地下に貯蔵するとき、流体は温かくなるほどより多く膨張し、それゆえに、より広い空間を必要とするということを考慮しなければならない。また、流体が期待されていない貯蔵領域に入るという漏洩又は事故の可能性を考慮し、それゆえに、そのような流体の簡易で、迅速かつ安全な除去について考慮しなければならない。また、貯蔵が周辺地盤水位上で行われる場合の影響を考慮しなければならない。

特許文献1は、一種類の熱エネルギーの効果的な貯蔵設備を示している。しかしながら、地下における熱エネルギー貯蔵のための、より一層向上した設備が依然として必要とされている。

スウェーデン国特許第0950576−9号

本発明の態様に係る目的は、設備全体の熱エネルギーのロスを低減し得る、地下における熱エネルギー貯蔵のための、環境に優しい設備を提供することにある。さらなる目的は、不必要な構造又は運用コストを招くことなく、十分な膨張及び安全な空間を有する熱エネルギー貯蔵のための向上した設備、及び、拡張空間であって安全な空間に位置する流体が熱エネルギー貯蔵サイクルにおいて用いられ得る設備を提供することにある。

本発明の第一の態様によれば、これらの目的は、シャフト及び少なくとも一つのトンネルを含み、シャフト及び少なくとも一つのトンネルが互いに流体連通しており、トンネルが少なくとも第一、第二及び第三のトンネル部を含み、第二のトンネル部が第一及び第三のトンネル部の間に配置されて、第一及び第三のトンネル部に接続され、第二のトンネル部が第三のトンネル部に接続される端部において密封され、第三のトンネル部がさらにシャフトに接続され、シャフト及び第一、第三のトンネル部が蓄熱のための流体を保持するように適合され、第二のトンネル部が、流体の体積がシャフト及び第一、第三のトンネル部の体積を超えて膨張するときの膨張空間としての用途に適合されることを含む熱エネルギー貯蔵のための設備であって、膨張した流体の体積を一時的にシャフト及び第三のトンネル部の少なくとも一方から第一のトンネル部に移送するための第一の移送手段と、膨張した流体の体積を第一のトンネル部から第二のトンネル部に移送するための第二の移送手段とをさらに含む設備により得られる。

このような設備は、非常に厳しい影響もなく、貯蔵が過剰な流体により溢れること、又は極少量の流体を含むことを可能にする多くの内蔵膨張空間を備えた熱エネルギー貯蔵を促進する。

第一の移送手段は、パイプ又はチャンネルを含み得る。 第二の移送手段は、パイプ、チャンネル、部分壁、又は一方向弁を含み得る。可能な限り、設備は貯蔵の流体を一部分から別の部分に移送するため、重力、すなわち可能な最も容易で安価な解決方法を用いる。

一つの実施形態では、設備はさらに、シャフトに近接して配置される分離した機械室を含み、第三の移送手段が機械室を第二のトンネル部に接続することを含む。移送手段は、機械室からトンネルへの流体の容易で安全な除去を促進する。

第三の移送手段は、パイプ又はチャンネルを含み得る。可能な限り、設備は貯蔵の流体を一部分から別の部分に移送するため、重力、すなわち可能な最も容易で安価な解決方法を用いる。

さらなる実施形態では、第一のトンネル部の流体の体積が所定の限界値を下回ったとき、ポンプ手段により、流体が第二のトンネル部から第一のトンネル部に移送される。これは、設備内の圧力を維持するために用いられる別のシンプルな解決方法である。

本発明の第二の態様によれば、これらの目的は、熱エネルギー貯蔵のためのこのような設備を用いることにより得られる。 一般に、特許請求の範囲で用いられるすべての用語は、本明細書中で明示的に別の定義がされない限り、技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきである。「要素、装置、構成要素、方法等」へのすべての参照は、明示的に別の記載がされない限り、前記要素、装置、構成要素、方法等の少なくとも一つの実例を参照するように、公然と解釈されるべきである。また、「含む」という用語は、本出願を通して、「含むが、これらに限定されない」ということを意味する。

本発明のこの態様、及び別の態様は、本発明の現在好ましい実施形態を示す添付図面を参照しながら、より詳細に説明される。

本発明による設備の実施形態の上面図である。

本発明による設備の実施形態の側断面図である。

図1及び2は、地下に熱エネルギーを貯蔵するための設備の一つの実施形態を示す。貯蔵された熱は主に、熱電併給プラントのような地域加熱システムに接続される既存の生産設備から来る。別の可能な熱発生源には、例えば太陽集熱器及び工場排熱がある。

設備は、シャフト1及び少なくとも1つのトンネル2を含む。シャフト1及びトンネル2は、互いに流体連通している。例えば少なくとも一つのトンネル2がシャフト1の上部から下部に、螺旋形にシャフト1を取り囲むように配置される一方で、シャフト1は、実質的に垂直に延びている。

トンネル2は、少なくとも3つのセクション、すなわち第一のトンネル部2a、第二のトンネル部2b、及び第三のトンネル部2cを含む。トンネル部2aから2cは、トンネルの範囲に沿って、すなわち、上部から下部に垂直方向に見て最初に第一セクション2a、その後第二セクション2b、最後に第三セクション2c、の順に、連続的に配置される。第三セクション2cは実際にいくつかのサブセクションを含み得るが、便宜上、以下の説明では常に、一つのセクションとしての第三セクション2cを指す。

第一のトンネル部2aの一端は、しばしば地表レベルに位置し、トンネルへの入り口を構成する。 第一のトンネル部2aはさらに、第一の移送手段5の使用を通して、好ましくは下部において、第三のトンネル部2c及びシャフト1の少なくとも一方に接続される。第一のトンネル部2aの流体の体積が所定の限界値を下回り、それゆえに貯蔵設備内の圧力もまた所定の限界値を下回ったとき、第一の移送手段5は、所定値を超える体積に到達するため、第三のトンネル部2c及びシャフト1の少なくとも一方から第一のトンネル部2aに流体を移送するために用いられ得る。必要に応じて、流体は、第一の移送手段5も用いる対応する方法により、第一のトンネル部2aから第三のトンネル部2c及びシャフト1の少なくとも一方に移送され得る。すなわち、トンネル部2aにおける圧力は、トンネル部2a内の流体の体積を増加又は減少するための第一の移送手段5を用いることにより、バランスがとられる。

第二のトンネル部2bは、第一のトンネル部2aに一方の端部6において、第三のトンネル部2cにもう一方の端部4において接続されるように、第一のトンネル部2a及び第三のトンネル部2cの間に配置される。第一のトンネル部2aに接続される端部6は、以下により詳細に説明される第二の移送手段6の使用を通して、完全にではないが、流体連通のために開放されている。第三のトンネル部2cに接続される端部4は、流体が第三のトンネル部2cから第二のトンネル部2bに移送され得ないように、非透過的に密封される。第三のトンネル部2cのもう一方の端部は、順番に、シャフト1、好ましくはシャフト1の底部に接続される。

シャフト1及び第三のトンネル部2cは、蓄熱のための流体を保持するように適合される。すなわち、貯蔵の通常の使用中、流体を保持する。流体の体積は通常、シャフト1及び第三のトンネル部2cが完全に流体で満たされるようになっている。第一のトンネル部2aは主に、所定の間隔内のレベルに貯蔵設備内の圧力を維持するため、一定レベルの流体を保持する。すなわち、第一のトンネル部2aは通常、蓄熱のために流体を保持し、それゆえに貯蔵設備の一部となっている。しかしながら、それはまた、少量の過剰な流体、又はシャフト1及び第三のトンネル部2cの少なくとも一方における流体の不足に対応した、一時的な短期バッファ領域としての役割がある。すなわち、シャフト1及び第三のトンネル部2cにおける流体の膨張又は収縮に対応して、第一のトンネル部2a内で流体レベルの変化が発生する。

しかしながら、第二のトンネル部2bは、膨張空間としてのみ使用される。例えば熱により、シャフト1及び第三のトンネル部2cに位置する流体の体積が膨張した場合、過剰な流体の体積は、パイプ又はチャンネルのような第一の移送手段5により、シャフト1又は第三のトンネル部2cから第一のトンネル部2aに移送される。

第一のチャンネル部2aの体積もまた過剰な流体の体積を保持するのに不十分である場合、流体は、第一のトンネル部2a及び第二のトンネル部2bの間に配置されたパイプ、チャンネル、部分壁又は一方向弁のような第二の移送手段6を介し、第一のトンネル部2aから第二のトンネル部2bに移送される。その正確な設計から独立して、第二の移送手段6は、第一のトンネル部2a内において特定の体積が超過されるときのみ、流体を第一のトンネル部2aから第二のトンネル部2bに移送するように配置される。すなわち、第二の移送手段6は基本的に余剰な流体の排出路として機能する。例えば、第一のトンネル部2a及び第二のトンネル部2bの間の接続部6が部分壁を含む場合、この部分壁は、部分壁の高さが第一のトンネル部2a内において常に一定の流体の体積を維持するように適合されるよう、トンネル2内に伸びている。この体積を超えた過剰な流体は、部分壁6の上部を超えて、第二のトンネル部2bに流れるであろう。

設備はさらに、シャフト1に近接して配置される分離した機械室3を含む。すなわち、機械室3及びシャフト1は、例えば、トンネルにより互いに接続されておらず、しかしながらそれにも拘わらず、互いに非常に近接して配置されている。設備はまた、機械室3を第二のトンネル部2bに接続する第三の移送手段7を含む。機械室3は、例えば熱交換器、ポンプ、及び、貯蔵設備のシャフトから流体を抽出し、当該シャフトに流体を戻すために用いられる伸縮抽出パイプといった設備のための処理装置を含む。流体の体積が、例えばシャフト1又はトンネル2aから、漏洩又は事故の結果として機械室3に入った場合、第三の移送手段7は、機械室から流体を除去し、その流体を第二のトンネル部2bに移送するために用いられる。第三の移送手段7は、好ましくは、パイプ又はチャンネルである。機械室3は好ましくは、垂直方向に見てトンネル2bの上部に位置するので、重力により除去を実行するのに適している。

第一のトンネル部2a内の流体の体積が所定の限界値を下回り、それゆえに貯蔵設備内の圧力もまた所定の限界値を下回ったとき、ポンプ手段8は、所定値を超える体積に到達するため、流体を第二のトンネル部2bから第一のトンネル部2aに移送するために用いられ得る。すなわち、トンネル部2aにおける圧力は、トンネル部2a内の流体の体積を増加又は減少するための、ポンプ手段8を用いることによりバランスがとられる。

第二のトンネル部2b内の流体の体積が非常に大きくなり、その流体を第一のトンネル部2aに移送することが不可能となった場合、過剰な流体は、設備の外部に、例えば表面流出として圧送される。しかしながら、水は経済的価値があり、限られた資源であるため、これは可能な限り避けられるべきである。

流体が水で構成されているとき、トンネル部2a内の流体の圧力レベル、及びそれゆえに貯蔵設備内の圧力レベルもまた、周辺の地下水の圧力レベルとバランスがとられるべきである。しかしながら、流体が水でない場合、トンネル部2a内の流体の圧力レベルは、貯蔵設備から周辺の地下水への流体の漏洩を、及びそれゆえに周辺の地下水への影響を排除するため、周辺の地下水の圧力レベルよりもわずかに低いレベルとバランスがとられるべきである。この方法は例えば、化石由来若しくは生物学的由来(バイオ燃料)の炭化水素、塩溶液、塩水、アンモニア、又はいくつかの別の冷媒を素堀りの空洞内に貯蔵するときに用いられる。

当業者は、本発明が決して上述の好ましい実施形態に限定されないことを理解する。逆に、添付の特許請求の範囲内で、多くの修正及び変更が可能である。例えば、ポンプ、チャンネル、パイプ又は弁の用途が特定の貯蔵設備に適合されるように、互いに関連する機械室の構成、移送手段、トンネル部及びシャフトは、垂直方向に変更し得る。