JP2017523378A - 熱エネルギーを貯蔵するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明はエネルギー貯蔵装置に関する。エネルギー貯蔵装置は、ａ．ＰＣＭと呼ばれる多量の相変化物質であって、相変化物質の相変化温度はＴｃ（３５０）であり、密封容器に含有され、エネルギー貯蔵コア（２００）を構成する相変化物質と、ｂ．熱源と呼ばれる第１の手段であって、温度ＴＡにおいて相変化物質と熱交換し、相変化物質の相変化を起こさせるために適切な第１の手段と、ｃ．復熱装置と呼ばれる第２の手段であって、温度ＴＢにおいて相変化物質と熱交換し、熱源によって生じる相変化とは反対の方向に相変化物質の相変化を起こさせるために適切な第２の手段と、ｄ．いわゆる制御手段であって、相変化物質と熱源と復熱装置との間の熱の流れを制御するために適切な手段とを備える。エネルギー貯蔵装置は、ｅ．開口した支持体と呼ばれる媒体（２４０）であって、密封容器内で相変化物質と接触し、熱源および復熱装置と熱的接触をする媒体を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は熱エネルギーを貯蔵するための装置および方法に関する。本発明はより具体的には、気候機器または建物内の気候環境を制御するための機器を用いる設備を対象とするが、それに限定されない。「気候機器」という用語は、暖房、空調、機械的換気のための任意の装置、または制御した温度で水を製造するための任意の装置を指す。

このような気候機器は一般に、電気に由来するエネルギーを消費する。この電気エネルギーは、たとえば電気抵抗ヒータに電気エネルギーを通すことによって、または熱もしくは冷気を発生させるためのヒートポンプもしくは冷却装置などの熱機関によって、熱を直接発生させるために用いられる。本発明は、電気エネルギーによって操作される気候機器に限定されず、燃焼によって操作される任意の熱機関または気候機器にも適用される。

気候機器によるエネルギーの需要は１日、１週間、または１年を通じて均一ではない。たとえば、都市部では、事務所と住居の両方が占有されているとき、たとえば平日の夕方にピーク期間となる。需要はまた季節によって変化し、温暖な国では冬にピークを迎え、暑い国では夏にピークを迎える。これらの消費ピークはオフピーク期間と交互に訪れ、オフピーク期間ではエネルギー消費は低下する。このように消費が均一ではないことは、エネルギー消費が電気であるため貯蔵できない場合に、特に管理が困難となる。エネルギー製造に風または太陽発電などの手段等、制御できない断続的な製造手段を用いる場合には、条件はさらに困難になる。ピーク期間およびオフピーク期間の両方において問題が発生する。

住居において、エネルギー消費に対する課金システムは、オフピーク時間中の消費を推進し、ピーク時間中の消費を抑制する傾向がある。このように、最善の料金表から恩恵を受けながら、住居のカーボンフットプリントを低減させるためには、エネルギーを貯蔵および回収可能なことが有益であり、特に気候機器が消費するエネルギーを貯蔵および回収することが有益である。

熱貯蔵技術は従来技術から既知であり、冷熱の貯蔵か温熱の貯蔵かの問題によって基本的に以下の２つの原理に基づく。
−顕熱貯蔵
−潜熱貯蔵

顕熱貯蔵は一般に、高い熱慣性を有する物体、たとえば砂をオフピーク期間に高温にするか、または逆に冷気を貯蔵するために低温にすることからなる。次に、顕熱貯蔵では、ピーク期間に熱伝導流体を用いてこの熱を回収して、たとえば建物に空気を流し込むことによって、暖房または冷却する建物に用いる。この空気は該当する物体と接触したことによって加熱または冷却される。顕熱貯蔵によって、比熱容量Ｃｐ（温度で一定）の質量ｍの物体を初期温度Ｔ₁から温度Ｔ₂まで上げる熱量Ｈｓを貯蔵することが可能になる。Ｈｓは以下と等しい。
Ｈｓ＝ｍ．Ｃｐ．（Ｔ₂−Ｔ₁）

潜熱貯蔵には加熱または冷却の効果を受けて相転移を起こす素材を用いる。この相転移は、加熱時には転移の潜熱を吸収し、または冷却時には潜熱を回収することと共に起こる。この目的のために最も用いられることが多い相転移は、融解、結晶化または凝固相変化と呼ばれる固体−液体相変化と、蒸発、液化またはその他の凝固相変化と呼ばれる液体−気体相変化である。このように、質量ｍの物体の融解相変化を例にとると、この物体が温度Ｔ₁から温度Ｔ₂まで加熱される場合、貯蔵されるエネルギーＨｌの量は以下の式で表される。ただし、融解温度Ｔ_FはＴ₁＜Ｔ_F＜Ｔ₂であり、固体状態の熱容量Ｃｐ^sおよび液体状態の熱容量Ｃｐ^lを有し、質量単位当たりの転移の潜熱はＬとする。
Ｈｌ＝ｍ．Ｃｐ^s．（Ｔ_F−Ｔ₁）＋ｍ．Ｌ＋ｍ．Ｃｐ^l．（Ｔ₂−Ｔ_F）

同じ質量の素材では、潜熱は一般に高いため、貯蔵されるエネルギー量ははるかに大きい。たとえば、１ｋｇの氷を融解する潜熱は、１ｋｇの水を０℃から８０℃まで加熱するために必要なエネルギーに等しい。

相転移は双方向なため、エネルギー量Ｈｌは物体の冷却および凝固中に回収される。

このように、一般に、相転移を有する素材によって、転移の潜熱において熱エネルギーを貯蔵することは顕熱貯蔵よりもはるかに効果的である。ただし、この熱力学的原理は現実的には困難に直面する。

第１の困難は、相転移の対象となる物体を均一な温度にすることに関連する。実際に、相変化物質（ＰＣＭ）はそれ自体良好な熱伝導体ではない。そのため、相変化物質から潜熱を引き出そうとする熱伝導流体、たとえば空気がブロックの表面を通過するとき、外部の交換面と状態変化面との間に蓄積する熱抵抗は急激に増大し、熱出力が制限される。

この現象を制限するための、従来技術による１つの解決法は、相変化物質を封入することによって交換面を大きくし、交換比表面積が増大させることである。この封入はマイクロビーズまたは織物繊維内で実施される。従来技術からのこの方法は、これらの素材のコスト以外にも実施上の欠点を有する。

このように、相変化物質の固体−液体転移の冷却中に融解温度を超えると、冷熱貯蔵または液相に貯蔵された熱の回収のいずれにおいても、過冷却現象が発生する。この現象は、融解温度に対して、凝固温度が低温に変動するという事実で表される。そのため、融解温度よりもはるかに低い温度であっても液相は凝固しない。ただし、状態変移の潜熱を用いることは、状態の変移および変化が生じることを意味する。実験から、相変化物質の量が少ないほど、過冷却が大きくなることが分かっている。そのため、相変化物質を封入によって少量に分ける従来技術による解決法は、過冷却の観点からは不利である。

本発明は、従来技術の欠点を解決することを目的とし、そのために、以下を備えるエネルギー貯蔵装置に関する。
ａ．ＰＣＭと呼ばれる多量の相変化物質であって、相変化物質の相変化温度はＴｃであり、貯蔵コアを構成する相変化物質と、
ｂ．熱源と呼ばれる第１の手段であって、温度ＴＡにおいて相変化物質と熱交換し、相変化物質の相変化を起こさせることができる第１の手段と、
ｃ．復熱装置と呼ばれる第２の手段であって、温度ＴＢにおいて相変化物質と熱交換し、熱源によって生じる相変化とは反対の方向に相変化物質の相変化を起こさせることができる第２の手段と、
ｄ．制御手段と呼ばれる手段であって、相変化物質と熱源と復熱装置との間の熱の流れを制御することができる手段と、
ｅ．支持体と呼ばれる有孔の媒体であって、相変化物質、熱源および復熱装置と熱的接触をする媒体。

相変化物質を単位体積に分割すると過冷却現象が増大することになるが、このように支持体を用いることによって、相変化物質を単位体積に分割せずに、相変化物質の温度を均一化することができる。

本発明は有利には、以下に開示する実施形態および変形によって実施されるが、それらは個別に、または任意の技術的に効果的な組み合わせで考慮されるべきである。

第１の実施形態の変形によれば、ＴＡ＞ＴｃおよびＴＢ＜Ｔｃである熱の貯蔵に適している。

第２の実施形態の変形によれば、ＴＡ＜ＴｃおよびＴＢ＞Ｔｃである冷熱の貯蔵に適している。

互いに排他的ではない様々な実施形態によれば、支持体は金属の発泡体、メタルウールのブロック、グリッド、ハニカム、または有孔のブロックを備える。これらの様々な要素を単独または組み合わせて用いることによって、密封容器内に、複合素材を生成することが可能となる。複合素材は相変化物質および支持体で形成され、その全体的な熱伝導率は、相変化物質のみの熱伝導率に比べて改善される。実施形態に関わらず、支持体を構成する素材は、具体的には、相変化物質の転移温度Ｔｃに応じて選択される。

一実施形態によると、エネルギー貯蔵コアは熱伝導流体内に浸漬される。このように、ブロックは相変化物質および支持体で充填された密封容器を備える。このブロックは熱を蓄積および回収するブロックを構成し、動作するために電気または流体接続を必要としない。複数のブロックはこのように有利に、熱伝導流体内に配置され、熱伝導流体によって、熱源および復熱装置との熱交換が行われる。本実施形態によって、貯蔵／回収装置の設備が可能となり、状況に応じて既存の設備において、貯蔵／回収装置を容易に統合することが可能となる。

別の実施形態によると、密封容器および支持体は熱交換器を構成する。熱源および復熱装置はプレート交換器内を循環する熱伝導流体である。前述の実施形態とは異なり、本実施形態では、熱伝導流体は容器内を循環する。本実施形態によって、相変化物質との迅速な熱交換が可能となる。このタイプの交換機は目的とする性能およびコストに応じて選択されるが、高温相および低温相との間での相変化物質の体積の変化に応じても選択される。非限定的な例として、熱交換器はプレート交換器、同軸らせん交換器または多管式交換器であるが、これらの例に限定されない。

様々な変形によれば、貯蔵および回収温度に応じて適している相変化物質を、水溶液、アルカン、ポリオールまたは塩から選択する。水溶液は、約−３５℃の温度まで低下する低温貯蔵に特に適している。逆に、塩は２００℃を超える高温でのエネルギーの貯蔵に特に適している。パラフィンワックスタイプのアルカンによって、ワックスの性質に応じて、貯蔵温度を約−２０℃から＋６０℃まで拡大することが可能となる。ポリオールはその性質に応じて、約−５０℃から＋１３０℃までの幅広い融解温度を提示する。さらに、ポリオールは温度および熱サイクルに良好な抵抗を示し、過冷却の温度は低い。

有利には、有機性の相変化物質は、多量の固体無機マイクロ粒子またはナノ粒子を備える。これらの粒子によって、相変化物質の見かけの熱伝導率が改善することが可能になる。非限定的な例として、重量で１０％未満の量の六方晶窒化ホウ素粒子、カーボンブラックまたはカーボンナノチューブを添加することによって、転移の潜熱エネルギーを貯蔵する能力を大きく損なわずに、相変化物質の熱伝導率を改善することが可能になる。

本発明はまた、建物を暖房または空調する設備にも関する。本設備は、前述の実施形態の任意の１つによるエネルギー貯蔵装置を備える。このように、設備はエネルギー加熱装置を用いて、オフピーク時にエネルギーを貯蔵し、貯蔵したこのエネルギーをピーク時に回収する。

本発明の主題である設備の一実施形態によると、本設備はエネルギー貯蔵装置を備え、低温貯蔵のためのエネルギー貯蔵装置に適している。このため、本設備は季節に関係なくピーク時の消費の悪影響を限定するために適している。

有利には、本発明の主題である設備のエネルギー貯蔵装置は、本設備の気候機器に含まれる。このように、貯蔵および回収能力は、特にピーク時間消費を減らすためにこのような気候装置を設置することによって、任意の既存の設備に統合可能である。

一実施形態によると、気候機器は電気加熱機器であり、復熱装置はエネルギー貯蔵コア上に掃気流を生成可能なタービンである。エネルギー貯蔵コアの温度は気候機器の操作中に、相変化物質の融解温度と過冷却温度との間でわずかだけ変化する。そのため、本実施形態は、特に調整が容易であり、コアの貯蔵能力が高いため、エネルギーの抽出および貯蔵を同時に機能させることができる。それによって、復熱装置もまた、回収段階以外で、強制対流手段としても用いられる。

有利には、本発明の主題である設備の気候機器のコアのＴｃは約１２０℃であり、コアの相変化物質はエリトリトールを含む。本実施形態は特に、対流加熱モードに適している。

有利には、本発明の主題である設備の気候機器の熱貯蔵コアの支持体はアルミニウム発泡体であり、有孔率は７０％と９５％との間であり、好ましくは９０％である。アルミニウムおよびその合金は高い熱伝導率を有するため、それ自体の温度を均一にし、相変化物質と熱を交換して、熱貯蔵コアの温度を均一にすることができる。有孔率が高いため、相変化物質の分割を減らすことができ、したがって過冷却の温度に対する支持体の効果を限定することができる。金属の発泡体は容易に形成でき、外見および技術的理由の両方から容易に密封容器の任意の形態に適合可能である。

有利には、本発明の主題である設備の気候機器は放射面を備える。このように、本機器は暖房の快適さを改善するために、対流による暖房と放射による暖房を組み合わせる。実施形態の変形によれば、放射正面の加熱は、個別の加熱回路または、熱エネルギーを貯蔵し回収するため回路と同じ回路によって実行される。

本発明はまた、本発明による設備の使用方法に関し、本方法は、
ｉ．消費設定を取得し、解釈するステップと、
ｉｉ．消費設定の解釈が、設備のエネルギー消費の減少からなる場合は、熱源からエネルギー貯蔵コアの相変化物質までの熱流を停止するステップと、
ｉｉｉ．消費設定の解釈がエネルギー貯蔵依頼からなる場合は、熱源からエネルギー貯蔵コアの相変化物質までの熱流を開始するステップと、
を備える。

このように、設備はエネルギーを好ましい消費条件で貯蔵し、好ましくない消費環境でエネルギー消費を低減または停止する。

有利には、本発明の主題である方法は、
ｉｖ．操作設定を取得し、解釈するステップと、
ｖ．操作設定の解釈がエネルギー拡散に対する需要に対応する場合であって、消費設定が設備のエネルギー消費の低下からなるときは、復熱装置手段とエネルギー貯蔵コアの相変化物質との間の熱交換流を開始するステップと、
を備える。

このように、「好ましくない」消費期間であっても、本発明の主題である方法は、エネルギー貯蔵コアで生成されたエネルギーを貯蔵するという有利点を有し、一次エネルギー消費を伴わずに建物内の居住者に快適さを提供することができる。

互いに排他的ではない代表的な実施形態によれば、
−消費設定は、エネルギー供給業者からエネルギー配布ネットワークを介して発信される料金表信号を備える。信号はたとえば、電気ネットワークを介して発信されるピーク時間信号からなる。
−消費設定は、設備が作用する建物の内部回路から放出される負荷遮断信号を備える。そのため、設備の消費は、料金表条件に関わらず、好ましい限度内に維持される。
−消費設定は多数の情報を備え、具体的には、設備に接続するテレマティックスネットワークからの気象情報を備える。テレマティックスネットワーク、たとえばインターネットの使用によって、本発明の主題である設備と複雑なデータの交換が可能となる。複雑なデータには、消費予測、用いられるエネルギーミックスの情報、または温室効果ガス放出許可の値段に関するその他の情報が含まれるが、これらに限定されない。

実施形態の変形によれば、消費設定の解釈は、たとえばエネルギー貯蔵装置の制御手段において、設備そのものによって実行される。または本解釈はたとえばエネルギー供給業者によって遠隔から実行され、設備に送信される。

互いに排他的ではない代表的な実施形態によれば、
−操作設定はサーモスタットからの信号を備える。
−操作設定は建物の居住者探知器からの信号を備える。
−操作設定は設備プログラミング手段から発生する信号を備える。

本発明は、以下の図１から図７を参照して以下の好ましい実施形態によって非限定的に開示される。

本発明による設備の実施例の概略図である。 図１に画定する断面１−１の断面図として、本発明による装置のエネルギー貯蔵コアの代表的な実施形態を示す。 加熱または冷却の対象となる相変化物質の温度の変化を例示する。 本発明の主題である装置であり、熱交換器を用いる具体的な代表的実施形態を概略図に表す。 本発明の主題である装置であり、熱交換器を用いる具体的な代表的実施形態を、らせん同軸実施形態により断面図に表す。 本発明の主題である装置であり、流体槽内の複数の貯蔵コアを用いる代表的な実施形態の原理を示す断面図を例示する。 斜視図および分解組立図として、エネルギー貯蔵コアを備える気候機器の代表的な実施形態を表す。 図６の機器の制御環境の概略図である。

図１において、本発明の主題である本装置の概略的実装および実施形態の一例によると、本装置は電気抵抗ヒータなどの熱源（１１０）を備える。抵抗ヒータは電気ネットワークに接続し、その操作は、たとえばトライアック（ＴＲＩＡＣ）（１１１）によって制御される。トライアック（１１１）のトリガゲート（１１２）は制御装置（１３０）によって制御される。代表的な一実施形態によると、制御装置（１３０）は、計算およびメモリ手段と、出力インターフェースおよび入力インターフェースとを備える。トライアック（１１１）のトリガゲート（１１２）は出力インターフェースに接続する。代表的な本実施形態によると、抵抗ヒータ（１１０）は電流を供給されると、断熱チャンバ（１００）に含まれるエネルギー貯蔵コアを加熱する。タービン（１２０）によって空気をチャンバに吹き込むことが可能となり、それによって暖房される建物に向けて送付される前に、空気はエネルギー貯蔵コアと接触して加熱される。タービンはまた、制御装置によって制御される。代替的な実施形態によると、熱源は、たとえばボイラまたはヒートポンプによって加熱された鉱油または水などの熱伝導流体からなる。流体の循環は、たとえば、制御装置（１３０）によって制御される電磁弁によって制御される。本明細書において、本発明は暖房装置の事例で提示するが、別の実施形態によると、熱源は冷蔵ブロックによって冷却される熱伝導流体からなり、それによって空調システムが形成可能となる。具体的な一実施形態によると、暖房／空調設備は２つの貯蔵装置を備える。１つは熱貯蔵を目的とし、もう１つは冷熱貯蔵を目的とする。制御装置（１３０）は入力インターフェースで消費設定（１８１）を受信する。この消費設定は、一例として、電力供給業者がネットワークを通じてキャリア信号によって送信するピーク時間信号である。制御装置（１３０）はまた、入力インターフェースで、代表的な本実施形態によると、操作設定（１９１）を受信する。操作設定は暖房または空調される建物に配置される１または複数のセンサから放出される。センサは、建物の快適さまたは占有条件に関連する１または複数の設定を提供する。非限定的な例として、センサ（１９０）は温度計、居住者探知器、湿度計、窓の開口探知器またはこれらを任意に組み合わせたセンサである。制御装置から受領する消費および操作情報（１８１、１９１）の組み合わせによると、操作情報は、抵抗ヒータ（１１０）に提供される熱力に関する操作モード、または建物にタービン（１２０）から送られる空気流量に関する操作モードを規定する。この操作モードは、以下の３つの基本的な操作原理を有する。
−第１の操作原理によると、熱源（１１０）はエネルギー貯蔵コアに放熱する。本操作モードは純粋な貯蔵に対応する。本事例は、消費設定（１８１）が好ましく、たとえばオフピーク時間である条件、および操作設定（１９１）が建物の気候条件を修正することは有益ではないと示す場合の条件に対応する。
−第２の操作原理によると、熱源（１１０）は何も放出せず、復熱装置、たとえばタービン（１２０）は動作して、貯蔵コアと交換する熱の温度を上昇させる。本操作モードは貯蔵したエネルギーの純粋な復旧に対応し、たとえばピーク時間として消費設定（１８１）が好ましくない場合、および操作設定（１９１）が建物内の気候行動（暖房、空調）を伴う場合に発生する。
− 第３の操作原理によると、熱源（１１０）および復熱装置（１２０）は一緒に動作し、この動作は２つの変形による。
−第１の変形によると、熱源（１１０）によって生じるエネルギーは復熱装置（１２０）によって完全に回収され、建物に伝達される。
−第２の変形によると、熱源（１１０）によって生じるエネルギーは復熱装置（１２０）が抽出するエネルギーより大きく、エネルギー貯蔵コアにはエネルギーの貯蔵がある。

有利には、これらの動作モードは時間が経過すると変化し、それによって、システムの特性に応じて最適な調整と最適な消費を得る。

図２において、エネルギー貯蔵コア（２００）は容器を備える。例示的な本代表的な実施形態によると、容器は成形品として表される。当業者は具体的には組立てまたは加工によって別の実施形態を適応する。代表的な本実施形態によると、タービンから吹き出される空気は、コアの外壁と接触することによってエネルギー貯蔵コア（２００）と熱交換する。このため、コアは、有利にはアルミニウム合金などの熱伝導素材からなり、熱交換および対流効果を促進するためにフィンなどの手段（２１０）を備える。代表的な本実施形態によると、エネルギー貯蔵コア（２００）の内部は、チャンネル（２１０）が延在する交点でフィン（２１５）によって区画される。本実施形態によると、チャンネルはそれぞれ遮蔽抵抗ヒータ（不図示）を受容する。このように、代表的な本実施形態によると、エネルギー貯蔵コア（２００）は抵抗ヒータによって内部から加熱され、空気循環によって外部から冷却される。代替的な一実施形態によると、チャンネル（２１５）の半分、つまり、２つのチャンネルのうち１つを用いて、復熱装置として機能する熱伝導流体を循環させ、チャンネル（２１５）の別の半分を用いて、熱源として機能する熱伝導流体を循環させ、または遮蔽抵抗ヒータの通路とする。これらの技術的解決法の任意の部分または任意の組み合わせは、本発明から逸脱せずに可能であることは明らかである。さらに別の実施形態によると、用いる支持体はアルミニウム発泡体であるため、この発泡体は相変化物質と直接接触する加熱抵抗として用いられる。本事例では、貯蔵コアの容器は断熱素材からなるか、または内部を断熱素材の層で裏打ちされる。断熱素材はたとえば、相変化物質の融解温度に耐えるポリマまたはセラミックである。貯蔵され、回収された熱の交換が内部コアで行われるとき、密封容器は有利には、セラミックなどの断熱素材からなる。または容器は任意の適切な手段によって耐熱である。

代表的な本実施形態によると、内部フィン（２１５）によって区切られるセル（２４０）は複合素材で充填される。複合素材は相変化物質と有孔の支持体とを備える。非限定的な例として、支持体は以下からなる。アルミニウムまたは銅ウールなどのメタルウールのスポンジ、アルミニウムまたはマグネシウム発泡体などの金属の発泡体、金属繊維またはカーボンファイバ繊維、セルの形状に加工したアルミニウムまたはカーボンからなるハニカムブロック、またはその他有孔の黒鉛ブロックである。このような支持体の目的は、相変化物質の温度の均一化を促進することであり、また、相変化物質と熱源または復熱装置との間の熱の伝導を促進することである。相変化物質の性質および支持体の性質は、対象とする適用に応じて選択され、その結果として、用いる相変化物質の相転移温度に応じて選択される。相変化物質に対する支持体の容量は、少なくとも５％に等しく、３０％未満であり、好ましくは約１０％である。相変化物質によるセルの充填度は、相転移中の容量が変化する可能性を考慮する。変換の潜熱を有するすべての相転移を用いて本発明を実施することができる。ただし固体と液体の変換は最も使いやすく、変換による高潜熱を提供する。

図３において、理論的な一概略例によると、グラフは時間（３０１）、温度（３０２）、温度の変化（３５１、３５２）を示す。温度の変化（３５１、３５２）は、融解温度（３５０）を超える温度設定（３１０）にしたがって加熱され、次に、融解温度以下の温度設定（３２０）にしたがって冷却される場合の相変化物質の温度の変化である。本図から、加熱（３５１）時には融解温度にしたがって温度が保持され、冷却（３５２）時には、融解温度（３５０）よりわずかに低い温度で保持されることが分かる。この温度の保持は加熱時の変換の潜熱を反映する。このように、融解中には、素材は温度を上昇することなく熱を吸収し、冷却時には、凝固中に相変化物質は温度を下げずに熱を放出する。加熱（３５１）時と冷却時（３５２）時との間に観測される保持温度の差は、過冷却に対応する。このように、熱貯蔵および回収に関するこの現象から利益を得るために、装置が通常運転中には、相変化物質の融解温度近辺に調整することが好ましい。このように、対流による暖房を用いるには、相変化物質の融解温度が８０℃から１５０℃までであることが有利である。一例として、エリトリトール（Ｃ₄Ｈ₁₀Ｏ₄）は大気圧で約１２０℃の融解温度を有し、この使用には非常に適している。エリトリトール（Ｃ₄Ｈ₁₀Ｏ₄）の沸騰温度は比較的高い約３３０℃であるため、過熱の際の危険性が限定され、さらに不燃性である。さらに、エリトリトール（Ｃ₄Ｈ₁₀Ｏ₄）は吸湿性である。その他類似の特性を持つポリオールをこの温度範囲で用いることができる。たとえば約９５℃の融解温度を持つキシリトール（Ｃ₅Ｈ₁₂Ｏ₅）、約１６５℃の融解温度を持つマニトール（Ｃ₆Ｈ₁₄Ｏ₆）、約１９０℃の融解温度を持つ他のズルシトール（ガラクシトール）などが挙げられる。

一実施形態によると、見かけの熱伝導を改善するために、六方晶窒化ホウ素またはカーボンブラックナノ粒子を５％未満の重量比で相変化物質に添加する。

図４Ａにおいて、代表的な一実施形態によると、熱貯蔵コアは壁に囲まれた熱交換器（４００）を形成する。壁に囲まれた熱交換器は２つの流体循環回路を備える。２つの流体循環回路は薄い壁によって分離されるため、２つの回路内を循環する流体間の熱交換面を最大限にするが、流体は互いに接触しない。最も一般的な壁に囲まれた熱交換器はプレート交換器および多管式交換器である。本発明の事例では、熱交換器（４００）の回路の１つを用いて熱伝導流体（４１０）を循環する。交換器の別の回路（４４０）は相変化物質で充填され、循環はしない。壁間の距離が小さい場合には、交換器の壁は相変化物質に対する支持体として作用する。本実施形態に対応する代表的な一実施形態によると、熱伝導流体、たとえば水はまず熱源（不図示）によって、任意には別の熱交換器を通して加熱され、次に、熱交換器（４００）を通る。この熱交換器（４００）は回路の１つに相変化物質を備える。その後熱伝導流体は強制空気ヒータなどの気候機器（不図示）に送られ、次に熱源に戻される。このように、熱伝導流体は閉鎖回路を循環する。エネルギー貯蔵段階では、たとえば建物の暖房がないオフピーク時間には、強制空気ヒータの換気は切断され、熱伝導流体はエネルギーのほとんどを相変化物質に伝達する。熱伝導流体が水の場合は、相変化物質の融解温度は１００℃未満になるように選択され、熱源がシステムのエネルギー効率を改善するために地熱エネルギーを用いるヒートポンプである場合は、たとえば６０℃または５０℃または約３５℃のさらに低い温度になるように選択される。ポリオールまたはパラフィンワックスは本事例の相変化物質として適している。純粋な回収段階では、強制空気ヒータの換気が開始するが、熱源のエネルギー製造は停止される。熱交換器（４００）の熱伝導流体の循環によって、相変化物質が凝固し、潜熱が抽出される。このように、同じ熱伝導流体回路がエネルギーの貯蔵と回収を行う。

図４Ｂにおいて、別の代表的な実施形態によると、壁で囲まれた熱交換器（４０１）はらせん同軸タイプを用いる。このタイプの交換器は、２つのらせん同軸回路（４１１、４４１）を備え、図４Ｂで概略的に示すように一方が他方の内部に入る。回路（４１１）の１つは熱伝導流体（４１０）の循環のために用いられ、別の回路（４４１）は適宜メタルウールまたは発泡体タイプの支持体と組み合わされて相変化物質で充填される。これらは容易にこのタイプの交換機に挿入される。操作は図４Ａの実施形態で記載したものと同じである。同軸らせん交換器の有利点は、融解時または凝固時の相変化物質の体積の変動に比較的影響されないことである。相変化物質の体積の変動によって、交換機に簡潔で弾力的な径方向の膨張が起こる。このように、本実施形態によって、２相間で顕著な容量の変動がある相変化物質、具体的には冷気を貯蔵するための水溶液を用いることが可能となる。

図５において、本発明の主題である装置の別の代表的な実施形態によると、流体および加熱手段は何もエネルギー貯蔵コア（５００）を通過しない。コアは、相変化物質および前述の支持体で充填される密封容器からなる。代表的な一実施形態によると、このタイプの複数のエネルギー貯蔵コア（５００）はタンク（５６０）内に配置され、タンク（５６０）は鉱油などの流体で充填される。代替的には、タンクは、家庭用温水で充填される給湯装置である。代表的な一実施形態によると、浸漬ヒータ（５１０）は熱源を構成する。熱伝導流体回路（５２０）は、たとえばコイル形状のタンク（５６０）を流れ、復熱装置を構成する。タンク（５６０）が給湯装置である場合、復熱装置は家庭用温水回路によって形成される。本事例では熱源は、電気給湯装置の事例では浸漬ヒータ（５１０）であるか、または熱力学的給湯装置の事例では、熱伝導流体回路（５２０）であり、またはその両方であることもある。好ましい消費期間では、タンクに含有される流体は、たとえば浸漬ヒータによって加熱され、エネルギーはエネルギー貯蔵コア（５００）に貯蔵される。これらのコアは、流体が加熱されず、その温度がエネルギー貯蔵コア（５００）に含有される相変化物質の過冷却温度以下に下がった場合に、この熱をタンクに含有される流体に伝える。タンクが給湯装置である場合は、用いられる相変化物質の融解温度は５０℃から６０℃との間で選択される。

図６において、代表的な一実施形態によると、本発明の主題である設備は気候機器（６９０）を備える。気候機器（６９０）はエネルギー貯蔵コア（６００）を備える。代表的な一実施形態によると、本機器は電気暖房機器であり、枠を備える。エネルギー貯蔵コア（６００）の背面（６９１）は、暖房される建物の区切りに固定可能である。枠はまた、機器の正面を形成する放射要素（６９３）も支持する。

代表的な一実施形態によると、エネルギー貯蔵コア（６００）の内部の可動容量は約４０ｄｍ³であり、完全にアルミニウム発泡体および相変化物質で充填される。エネルギー貯蔵コア（６００）は容易に機器の外観の形に形成される。エネルギー貯蔵コア（６００）は、電気抵抗ヒータの形で熱源（６１０）と、タービンの形で復熱装置（６２０）とを備える。可動フラップ（６２１）によって、対流を調整することも可能になる。

放射正面（６９３）はたとえばガラスからなる。放射正面（６９３）はエネルギー貯蔵コア（６００）と接触、または隣接する。それによってこのコアは熱を放射正面（６９３）に伝導および放射によって伝達する。このように、熱源（６１０）が発生する熱、またはエネルギー貯蔵コア（６００）から回収した熱は放射と対流の間で配分される。

有利には、機器は、空気フィルタ、たとえばＨＥＰＡ（高性能粒子捕捉器）タイプのフィルタを備え、それによって、タービン（６２０）からの空気を濾過することができる。

本機器はまた、制御装置（６３０）も備える。制御装置（６３０）は制御キーボードと制御画面とを備え、居住者探知、窓の開口探知、操作パラメータのセルフプログラミングなどの知的機能を制御することができる。制御装置はさらに、パイロットワイヤまたは無線ネットワークで、配置される設備の集中制御部に接続される。または、制御装置は、消費設定を含む信号を電気ネットワーク上で探知する手段を備える。

図７において、代表的な一実施形態によると、本発明の主題である暖房または空調設備はマイクロサーバ（７３１）を備える。エネルギー貯蔵および回収能力を備える本気候機器（６９０）は、ローカル、具体的には無線、ＷＬＡＮタイプのネットワーク、またはＷＰＡＮタイプのパーソナルネットワークによってマイクロサーバ（７３１）に接続する。代表的な一実施形態によると、ネットワークへのこのリンクはＷｉＦｉ（登録商標）プロトコルにしたがってトランシーバ（７９１）によって実行される。接続手段は気候機器（６９０）の電気供給によって電力を受ける。マイクロサーバ（７３１）はローカルネットワークおよびインターネットにルータ（７３５）を介して接続する。代替的には、ルータ（７３５）およびマイクロサーバ（７３０）は同じ機器である。別の実施形態によると、マイクロサーバは気候機器（６９０）に含まれる。このように、本気候機器（６９０）を既存の設備に設置することによって、基本的にそのエネルギー性能を修正することが可能となる。マイクロサーバ（７３１）によって、インターネットネットワークを介して、１または複数の「監督機関」サーバー（７５１）へのデータ送信および通信が可能になる。代表的な一実施形態によると、監督機関（７５１）はマイクロサーバと通信し、想定されるピーク時間の削減計画を通知する。この削減計画は、たとえば、気象学、再生可能エネルギーによるピーク時間の予測およびエネルギー生産の予測を考慮に入れる。マイクロサーバ（７３１）は情報または情報から推定した消費プログラムを気候機器（６９０）にコンピュータを介して通知し、それ以降の数時間または数日の貯蔵および回収サイクルを情報から推定する。

上記の説明および代表的な実施形態は、本発明が対象とする目的を達成することを示す。つまり、本発明の主題であるエネルギー貯蔵装置は分散的エネルギー貯蔵サイトを構成し、分散的エネルギー貯蔵サイトは、家庭レベルに至るまで既存の住居在庫すべてに設置可能であり、したがって電力消費のピークを効率的に平滑にすることに貢献することを示す。

Claims (30)

1. エネルギー貯蔵装置であって、
   ａ．ＰＣＭと呼ばれる多量の相変化物質であって、前記相変化物質の相変化温度はＴｃ（３５０）であり、密封容器に含有され、エネルギー貯蔵コア（２００、５００、６００）を構成する相変化物質と、
   ｂ．熱源と呼ばれる第１の手段（１１０、４１０、４１１、５１０、６１０）であって、温度ＴＡにおいて前記相変化物質と熱交換し、前記相変化物質の相変化を起こさせることができる第１の手段と、
   ｃ．復熱装置と呼ばれる第２の手段（１２０、５２０、６２０）であって、温度ＴＢにおいて前記相変化物質と熱交換し、前記熱源によって生じる前記相変化とは反対の方向に前記相変化物質の相変化を起こさせることができる第２の手段と、
   ｄ．制御手段と呼ばれる手段（１３０、６３０）であって、前記相変化物質と前記熱源と前記復熱装置との間の熱流を制御することができる手段と、
   を備えるエネルギー貯蔵装置であって、
   ｅ．有孔の支持体と呼ばれる媒体（２４０、４４１）であって、前記密封容器内で前記相変化物質と接触し、前記熱源および前記復熱装置と熱的接触をする媒体を備えることを特徴とする、エネルギー貯蔵装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、ＴＡ＞ＴｃおよびＴＢ＜Ｔｃである、熱貯蔵のための装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、ＴＡ＜ＴｃおよびＴＢ＞Ｔｃである、冷熱貯蔵のための装置。
4. 請求項１に記載の装置であって、前記支持体は金属の発泡体を備える、装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、前記支持体はメタルウールのブロックを備える、装置。
6. 請求項１に記載の装置であって、前記支持体はグリッドを備える、装置。
7. 請求項５に記載の装置であって、前記支持体はハニカムを備える、装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記支持体は有孔のブロックを備える、装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、前記エネルギー貯蔵コア（５００）は熱伝導流体内に浸漬される、装置。
10. 請求項１に記載の装置であって、前記密封容器および前記支持体は熱交換器（４００、４０１）を構成し、前記熱源および前記復熱装置は前記熱交換器内を循環する熱伝導流体である、装置。
11. 請求項１に記載の装置であって、前記相変化物質は水溶液である、装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、前記相変化物質はポリオールである、装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、前記相変化物質はアルカンである、装置。
14. 請求項１に記載の装置であって、前記相変化物質は塩である、装置。
15. 請求項１２または請求項１３に記載の装置であって、前記相変化物質は、多量の固体の無機マイクロ粒子またはナノ粒子を備える、装置。
16. 建物を暖房または空調するための設備であって、請求項１に記載のエネルギー貯蔵装置を備えることを特徴とする、設備。
17. 請求項１６に記載の設備であって、請求項２に記載の熱貯蔵のためのエネルギー貯蔵装置と、請求項３に記載の冷熱貯蔵のためのエネルギー貯蔵装置を備える、設備。
18. 請求項１６に記載の設備であって、前記エネルギー貯蔵装置は前記設備の気候機器（６９０）内に含まれる、設備。
19. 請求項１８に記載の設備であって、前記気候機器は電気暖房機器であり、前記復熱装置はタービン（６２０）であり、前記エネルギー貯蔵コア（６００）から気流を排気可能である、設備。
20. 請求項１９に記載の設備であって、前記気候機器の前記エネルギー貯蔵コア（６００）のＴｃは約１２０℃であり、前記エネルギー貯蔵コアの前記相変化物質はエリトリトールを備える、設備。
21. 請求項１９に記載の設備であって、前記気候機器の前記エネルギー貯蔵コアの前記支持体はアルミニウム発泡体であり、孔の割合は７０％から９５％の間であり、好ましくは９０％である、設備。
22. 請求項１９に記載の設備であって、前記気候機器は放射正面（６９３）を備える、設備。
23. 請求項１６に記載の設備を使用する方法であって、
    ｉ．消費設定（１８１）を取得し、解釈するステップと、
    ｉｉ．前記消費設定の前記解釈が、前記設備のエネルギー消費の減少からなる場合は、前記熱源から前記エネルギー貯蔵コアの前記相変化物質までの前記熱流を停止するステップと、
    ｉｉｉ．前記消費設定の前記解釈がエネルギー貯蔵依頼からなる場合は、前記熱源から前記エネルギー貯蔵コアの前記相変化物質までの前記熱流を開始するステップと、
    を備えることを特徴とする、方法。
24. 請求項２３に記載の方法であって、
    ｉｖ．操作設定（１９１）を取得し、解釈するステップと、
    ｖ．前記操作設定の前記解釈がエネルギー拡散に対する需要に対応する場合、および前記消費設定が前記設備の前記エネルギー消費の低下からなるときは、前記復熱装置と前記エネルギー貯蔵コアの前記相変化物質との間の熱交換流を開始するステップと、
    を備える、方法。
25. 請求項２３に記載の方法であって、前記消費設定（１８１）は、エネルギー供給業者からエネルギー配布ネットワークを介して発信される料金表信号を備える、方法。
26. 請求項２３に記載の方法であって、前記消費設定（１８１）は、前記設備が作用する前記建物の内部回路から放出される負荷遮断信号を備える、方法。
27. 請求項２３に記載の方法であって、前記消費設定（１８１）は多数の情報を備え、具体的には、前記設備に接続するテレマティックスネットワークからの気象情報を備える、方法。
28. 請求項２４に記載の方法であって、前記操作設定（１９１）はサーモスタットからの信号を備える、方法。
29. 請求項２４に記載の方法であって、前記操作設定（１９１）は、建物の居住者探知器からの信号を備える、方法。
30. 請求項２４に記載の方法であって、前記操作設定（１９１）は、設備プログラミング手段（７３１）から発生する信号を備える、方法。

Images