CN101946134B

CN101946134B - 太阳热能存储方法

Info

Publication number: CN101946134B
Application number: CN2009801053272A
Authority: CN
Inventors: 中村德彦; 菊池升
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: WO2009104820A1; JP5012559B2; ES2363959A1; ZA201005919B; AU2009216080A1; ES2363959B2; AU2009216080B2; JP2009197733A; EG26154A; IL207472A; MA32187B1; CN101946134A; IL207472A0

Abstract

本发明提供了一种太阳能存储方法。本发明的太阳热能存储方法含有下述工序，取得太阳热能；利用取得的所述太阳热能的一部分，进行由水生成氢气的反应；以及利用取得的所述太阳热能的另一部分，进行由氮气和工序(b)中得到的氢气来合成氨气的反应。

Description

太阳热能存储方法

技术领域

近年来，地球温室化愈加严重，甚至可能会威胁到未来人类的生存。其主要原因在于，进入二十世纪以来大量使用化石燃料作为能源而释放到大气中的二氧化碳(CO₂)。因此，在不远的将来，将不允许我们再继续这样使用化石燃料。另一方面，随着中国、印度、巴西等所谓发展中国家的经济高速增长，能源需求也在增大，曾经被认为是取之不尽的石油、天然气也将逐渐走向枯竭。

根据过去和现在原油价格的急剧上涨也足以推测到，如果以这样的状态发展下去，在二十年至三十年之后将不能利用石油、天然气等化石燃料作为廉价能源。因此，为了实现社会的可持续发展，需要人们探索不排放二氧化碳且不依存于有限的化石燃料的新能源和新燃料。

背景技术

作为替代石油、天然气等化石燃料的替代能源，现在正在研究煤能、生物质能、核能、风能和太阳能等自然能源。

在使用煤能作为替代能源的情况下，存在由于煤的燃烧而释放大量二氧化碳这一问题。对此，虽然提出了在燃烧时回收二氧化碳并将其贮存于地下的方案，并进行了大量的研究，但对于长期稳定的贮存方法仍存在不确定性，另外适于贮存的场所也是分布不均的。而且，二氧化碳的回收、输送、埋入地下都需要大量的成本，这也是一个问题。另外，煤燃烧产生的硫氧化物(SO_x)、烟雾等可能会导致环境问题，这也是一个问题。

近年来，作为替代能源的生物质能、尤其是以乙醇为主的生物燃料备受人们关注。但是，由植物生成乙醇及乙醇的浓缩需要大量的能源，在能源效率方面存在不利之处。而且，在使用玉米、大豆、甘蔗等作为用于制造生物燃料的原料的情况下，由于它们当然也可用作粮食和饲料，所以会导致粮食和饲料的价格高涨。因此，除了巴西等特殊地域，不能考虑将生物质能作为实质性的能源。

利用核能作为替代能源时，由于对于核电站所产生的放射性废弃物的处理尚未找到完善的解决方法，而且基于人们对核扩散的恐慌产生了大量反对意见，所以无法期待在核能的利用上会有全球性的重大进展。相反，长期来看，伴随着核反应堆的老化，废弃的核反应堆会增加，因此预计将会逐渐减少利用核能作为替代能源。

如上所述，不能说煤能、生物质能和核能中的任何一种能源解决了可持续性以及与地球温室化相关的二氧化碳产生的问题。因此，作为理想的能源，必然要考虑风能、太阳能这种自然能源。

关于利用风能作为替代能源，近年来，世界各国正在逐渐推广风力发电。但是，风速稳定、不会遭受台风、飓风、雷击等灾害袭击、且由风力发电机所产生的噪音也不构成问题的条件适宜的场所是有限的。因此，虽然风能是替代能源的重要候选能源，但是仅仅靠它是不够的。

作为替代能源，最稳定且大量的自然能源是太阳能。尤其是在被称为世界阳光带(sunbelt)地带的赤道附近，有着广阔的沙漠，照射到这里的太阳能可以说是真正取之不尽的。与此相关，只要使用在美国西南部漫延的沙漠的仅仅百分之几，就能够实际取得7000GW的能量。还有，只要使用阿拉伯半岛、非洲北部沙漠的仅仅百分之几，就能够完全供应全人类所需要的能量。

虽然太阳能是非常重要的替代能源，但是要想在社会活动中充分利用太阳能，还存在下述问题，即：(1)太阳能的能量密度低，和(2)太阳能难以存储以及输送。

对此，就太阳能的能量密度低的问题，提出了用巨大的聚光装置来收集太阳能的解决方案。但是，太阳能的存储以及输送，尤其是在能量的输送距离长且输送量大的情况下，非常困难。

一般来说，太阳能可以通过太阳能电池直接转换为作为二次能源的电能，或通过蒸汽涡轮机等间接转换为电能，变为便于利用以及输送的形态。在将太阳能转换为电力的情况下，可通过输电线输送电能，所以从原理方面来说可解决能源输送的问题。但是，在将利用太阳能取得电能的设备设置于太阳能丰富的沙漠地带的情况下，必须新建且维护大容量的输电线，这也是困难重重。而且，将通过例如沙漠地带的设备从太阳能所得到的电能越洋大量输送至其他大陆和/或岛屿，是非常困难的。

另外，有时电力的存储也是个问题。一直以来，世界各国都将用于存储电力的蓄电池的开发作为一个重大课题来进行研究。但是，即使是最尖端的锂离子电池，对于大电力的存储来说仍然不够，尤其是对于大电力用的蓄电池而言，必须进行与安全性相关的进一步的开发。另外，就从太阳能取得电能的设备而言，存在由于气候恶劣等导致发电困难的情况，除了蓄电池外还需要巨大的蓄热装置及辅助锅炉等，这些都会导致建设成本庞大。

另外，对于将作为一次能源的太阳能转换成作为二次能源的氢气，和利用这样所得的氢气作为原料来合成氨气和/或甲烷等这一课题，已经有所研究(特开2006-319291号公报)。

氢气作为清洁能源备受人们关注，但是与电力一样，其存储是个大问题。近年来，为了对燃料电池供给氢气，而进行了大量与氢气的存储相关的研究，也逐渐发现其实用化并非易事。另外，关于氢气的输送，氢气管线的建设比输电线的建设还困难，尤其是建设用于向使用者供给氢气的网状结构氢气管线非常困难。另外，液态氢气的保存必须在-253℃下进行，因此，现在还没有考虑将其应用到宇宙开发这样的特殊用途以外。

发明内容

如上所述，现在全世界正在为将终极可持续能源太阳能转换为作为二次能源的电力、氢气等而努力，但对此存在着与存储以及输送相关的重大问题。如果不解决该与存储以及输送相关的问题，就难以使该能源在世界上流通，也难以将其应用于车辆、航空器、船舶等移动体。

本发明的目的在于，解决与太阳能的存储以及输送相关的问题，由此能够在世界上利用太阳能，解决温室效应气体二氧化碳的产生的问题以及石油枯竭的问题。

意图解决上述问题的第一组的方法，如下述的(A1)～(A20)所记载的那样：

(A1).一种太阳热能转换方法，该方法是将在第一地域得到的太阳热能转换为在日照量少于该第一地域的第二地域中使用的驱动能的方法，其特征在于，具有下述工序：

合成工序，在所述第一地域，作为能源仅使用取得的太阳热能，来由空气和水合成氨气；

输送工序，将所述氨气从所述第一地域输送到所述第二地域；

燃烧工序，在所述第二地域，以生成氮气和水的方式燃烧所述氨气，由此得到驱动能。

(A2).根据上述(A1)项所述的太阳热能转换方法，其中，

在所述输送工序中，利用所述氨气作为燃料，来得到实施所述输送所必需的电力和/或动力的至少一部分。

(A3).根据上述(A1)或(A2)项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过所述燃烧生成的氮气和水，被放入大气中，并能够在所述合成工序中以氨气的形式被再生利用。

(A4).根据上述(A1)～(A3)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

所述驱动能是利用内燃机取得的。

(A5).根据上述(A1)～(A4)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

所述合成工序包括步骤(1)和步骤(2)

步骤(1)：利用所述取得的太阳热能的一部分，来进行由水生成氢气的反应；

步骤(2)：利用所述取得的太阳热能的另一部分，来进行由氮气和在步骤(1)中得到的氢气合成氨气的反应。

(A6).根据上述(A1)～(A5)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

利用所述取得的太阳热能，来得到实施所述合成工序所必需的电力和/或动力的至少一部分。

(A7).根据上述(A1)～(A6)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

利用合成的氨气作为燃料，来得到实施所述合成工序所必需的电力、动力和/或热的至少一部分。

(A8).根据上述(A5)～(A7)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

在所述步骤(1)中，将所述取得的太阳热能直接作为热源来利用，进行由水生成氢气的反应。

(A9).根据上述(A8)项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到在步骤(1)中作为热源利用的所述太阳热能的至少一部分。

(A10).根据上述(A6)或(A7)项所述的太阳热能转换方法，其中，

在步骤(1)中，作为热源利用所述电力，来进行由水生成氢气的反应。

(A11).根据上述(A6)或(A7)项所述的太阳热能转换方法，其中，

在步骤(1)中，利用所述电力对水进行电解，来进行由水生成氢气的反应。

(A12).根据上述(A10)或(A11)项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过槽式抛物面型聚光装置取得所述太阳热能。

(A13).根据上述(A5)～(A12)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

在步骤(2)中，直接利用所述取得的太阳热能作为热源且/或作为动力源，来由氮气和氢气合成氨气。

(A14).根据上述(A13)项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过槽式抛物面型聚光装置取得在步骤(2)中作为热源利用的所述太阳热能。

(A15).根据上述(A5)～(A7)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

在步骤(1)中，作为热源直接利用所述取得的太阳热能，来进行由水生成氢气的反应；通过盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到在步骤(1)中作为热源利用的所述太阳热能的至少一部分；在步骤(2)中，作为热源且/或作为动力源直接利用所述取得的太阳热能，来进行由氮气和氢气合成氨气的反应；并且通过槽式抛物面型聚光装置取得在步骤(2)中作为热源利用的所述太阳热能。

(A16).根据上述(A6)或(A7)项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过利用所述电力和/或动力的空气的深冷分离得到所述氮气。

(A17).根据上述(A5)～(A15)中任一项所述的太阳热能转换方法，其中，

通过使步骤(1)中得到的氢气燃烧来消耗空气中的氧气，从而得到所述氮气。

(A18).一种将太阳热能作为驱动能使用的方法，该方法是将在第一地域得到的太阳热能作为在日照量少于该第一地域的第二地域中使用的驱动能来使用的方法，其特征在于，具有下述工序：

在所述第一地域，作为能源仅使用取得的太阳热能，来由空气和水合成氨气；

为了通过以生成氮气和水的方式燃烧所述氨气来取得驱动能，将所述氨气输送到所述第二地域。

(A19).一种将太阳热能作为驱动能使用的方法，该方法是将在第一地域得到的太阳热能作为在日照量少于该第一地域的第二地域中使用的驱动能来使用的方法，其特征在于，具有下述工序：

在所述第二地域，接收通过作为能源仅使用在所述第一地域取得的太阳热能来由空气和水合成的氨气；

在所述第二地域，通过以生成氮气和水的方式燃烧所述氨气来得到驱动能。

(A20).一种将太阳热能转换成驱动能的方法，该方法是将在第一地域得到的太阳热能转换为在日照量少于该第一地域的第二地域中使用的驱动能的方法，其特征在于，具有下述工序：

通过所述第一地域的太阳热能取得设备聚集太阳光，来取得太阳热能；

通过所述第一地域的氨气合成设备，作为能源仅使用所述取得的太阳热能来由空气和水合成氨气；

通过所述第一地域的氨气液化设备使所述氨气液化；

通过氨气输送设施，将所述液氨从所述第一地域输送到所述第二地域；

通过所述第二地域的驱动能生成设备，以生成氮气和水的方式燃烧所述氨气来得到驱动能。

意图解决上述问题的第二组的方法，如下述的(B1)～(B14)所记载的那样：

(B1).一种太阳热能存储方法，含有下述工序，

工序(a)：取得太阳热能；

工序(b)：利用取得的所述太阳热能的一部分，进行由水生成氢气的反应；以及

工序(c)：利用取得的所述太阳热能的另一部分，进行由氮气和工序(b)中得到的氢气来合成氨气的反应。

(B2).如上述(B1)项所述的太阳热能存储方法，利用工序(a)中取得的太阳热能，来得到实施该方法所必需的电力和/或动力的至少一部分。

(B3).如上述(B1)或(B2)项所述的太阳热能存储方法，利用合成的氨气作为燃料，来得到实施该方法所必需的电力、动力和/或热的至少一部分。

(B4).如上述(B1)～(B3)的任一项所述的太阳热能存储方法，仅利用工序(a)中得到的太阳热能作为能源。

(B5).如上述(B1)～(B4)的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中，作为热源直接利用工序(a)中得到的太阳热能，来进行由水生成氢气的反应。

(B6).如上述(B5)项所述的太阳热能存储方法，通过盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到在工序(b)中作为热源利用的所述太阳热能的至少一部分。

(B7).如上述(B2)或(B3)项所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中利用所述电力作为热源，来进行由水生成氢气的反应。

(B8).如上述(B2)或(B3)项所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中利用所述电力使水电解，来进行由水生成氢气的反应。

(B9).如上述(B7)或(B8)的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(a)中通过槽式抛物面型聚光装置来取得所述太阳热能。

(B10).如上述(B1)～(B9)的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(c) 中，将工序(a)中取得的太阳热能直接作为热源、并且/或者作为动力源来利用，由氮气和氢气合成氨气。

(B11).如上述(B10)项所述的太阳热能存储方法，通过槽式抛物面型聚光装置来取得在工序(c)中作为热源利用的所述太阳热能。

(B12).如上述(B1)～(B4)的任一项所述的太阳热能存储方法，

在工序(b)中，将工序(a)中取得的太阳热能直接作为热源利用，进行由水生成氢气的反应；

通过盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到在工序(b)中作为热源利用的所述太阳热能的至少一部分；

在工序(c)中，将工序(a)中取得的太阳热能直接作为热源、并且/或者作为动力源来利用，进行由氮气和氢气合成氨气的反应；并且

通过槽式抛物面型聚光装置来取得在工序(c)中作为热源利用的所述太阳热能。

(B13).如上述(B2)或(B3)项所述的方法，通过利用所述电力和/或动力的空气的深冷分离来得到所述氮气。

(B14).如上述(B1)～(B12)的任一项所述的太阳热能存储方法，通过使工序(b)中得到的氢气燃烧来消耗空气中的氧气，来得到所述氮气。

根据上述的方法，通过转换或存储并利用可谓取之不竭的太阳热能，能够解决地球温室化问题以及石油、天然气枯竭这样的问题。

附图说明

图1是用于说明转换系统1的一例的图。

图2是用于说明转换系统2的一例的图。

图3是用于说明转换系统1的能量流动的图。

图4是表示盘式抛物面型聚光装置的概略的图。

图5是表示太阳塔型聚光装置的概略的图。

图6是表示槽式抛物面型聚光装置的概略的图。

图7是表示实施太阳热能存储方法的设备的例子的图。

具体实施方式

关于太阳能的存储以及输送，作为能够由水、空气和太阳热能制造且容易存储以及输送的液体燃料的候选，可以考虑下面三种物质，即：

(1)过氧化氢(H₂O₂)

(2)肼(NH₂NH₂)

(3)氨气(NH₃)

如果考虑物质的操作难易度，则可以认为，上述三种物质中氨气是有益候选。氨气是强刺激性气体，是吸入高浓度的气体时会造成呼吸系统损伤的剧毒物质，但由于其具有强烈的臭味，所以当泄漏达到5ppm左右时就能够被人们检测到，这是致死量的1/1000以下，因此在实际的市场上，事故案例极少。例如，虽然氨气和氯氟化碳气体(fron gas)并列作为渔船等的冷冻机的制冷介质使用，但氨气泄漏时的死亡事故为无害无味的氯氟化碳气体泄漏时的死亡事故的1/10左右。另外，氨气输送中的爆炸灾害为汽油、液化石油气(LPG)的1/5以下。

另外，现在世界上氨气的产量为每年约1.5亿吨，主要作为肥料大量使用。根据如此在市场上大量使用的业绩，也可以认为，氨气具有足够的社会接受性。

氨气的物理特质与LPG接近，常温下在8个大气压左右即可轻松液化，另外，在其存储以及输送方面也有足够的业绩，不存在特别的问题。另外，氨气被定义为不燃性物质，难以着火，即使着火了，燃烧速度也很缓慢、可燃范围也较窄，所以可以认为在其操作上不存在特别的问题。

虽然氨气的能量密度是汽油的一半左右，与甲醇大致相同，但理论混合比条件下的发热量在汽油以上，因而氨气作为燃料也适合用于移动体。而且，能够用油船将其运送至远方的火力发电站，替代天然气、煤进行燃烧，这种情况下的效率，从理论上可以认为，超过天然气、煤。

可以在氨气的燃烧中进行下面的式A所示的燃烧反应，即：

2NH₃+3/2O₂→N₂+3H₂O+(放热)(式A)

即，在氨气的燃烧中，不生成二氧化碳，因此不存在地球温室化方面的问题。

另外，在例如特开5-332152号等文献中记载有上述那样使氨气燃烧而得到动力的方案。

(能量转换方法)

利用图1来说明将太阳热能转换成驱动能的转换系统1。

转换系统1包括：对太阳光200进行聚光来生成太阳热能的太阳热能取得设备10；利用太阳热能、由水和空气来合成氨气的氨气合成设备20(氨气合成的详细情况将在后文中的“太阳热能存储方法”的相关内容中叙述)；氨气输送设施30；和燃烧氨气来生成驱动能的驱动能生成设备40。

太阳热取得设备10和氨气合成设备20配置在第一地域3，驱动能生成设备40配置在地理上不同于第一地域3的第二地域5。

如后所述，由空气和水合成氨气的反应，整体来看是吸热反应。因此，氨气合成设备20利用太阳热能作为反应热，由空气中所含的氮气(N₂)和水(HO₂)来生成氨气(NH₃)以及氧气(O₂)。所生成的氨气被任意液化，通过氨气输送设施30作为燃料被从第一地域3输送到第二地域5。在第二地域5，通过驱动能生成设备40，以生成氮气和水的方式燃烧氨气，从而生成驱动能240和热能250。

氮气和水是在大气中大量存在的无公害物质。因此，燃烧生成的氮气和水被放入到大气中后，它们可以按照自然界存在的对流进行循环，并可以再次作为位于第一地域3的氨气合成设备20的原料被利用。

转换系统1具有以太阳光200为输入能量，输出驱动能240和热能250的能量守恒，另一方面，具有氮气+水→氨气+氧气(氨气合成)、氨气+氧气→氮气+水(氨气燃烧)的循环环路(circulation loop)的物质守恒。而且，在转换系统1的全部工序中，不需要含有碳原子的化学物质，因此完全不会排放二氧化碳(CO₂)。

这样，转换系统1通过将由空气和水所生成的氨气作为传递太阳热能的物质来使用，能够将在第一地域3取得的太阳热能在第二地域5中作为驱动能来利用。另外，转换系统1通过没有碳原子的化学物质(水、空气中的氮气、氨气)的循环来进行能量的转换，所以在系统中的任何工序中都不会排放二氧化碳。

另外，太阳热取得设备10优选配置在太阳光照射量大的地域，所以将第一地域确定为日照量比利用驱动能的第二地域大的地域。另外，氨气合成设备20也排放氧气。氧气是制造化学制品的贵重物质，所以可以在第一地域设置氧气利用设备。

利用图2来说明转换系统2的一例。

如图所示，氨气合成设备20包括：氨气合成装置22、氨气液化装置24、发电设备25、液氨出厂设备26、和图中未示出的用于冷却水的冷却塔、以及由井水、海水等精制水的水处理装置。所述氨气液化装置24通过冷却水对压缩了的氨气进行液化，通过制冷介质使液氨变为低温，该制冷介质是通过使压缩了的氨气膨胀而得的；所述发电设备25通过使用利用太阳热能而生成的蒸汽的蒸汽涡轮机、或利用氨气燃烧的燃气涡轮机(包括与蒸汽涡轮机的组合型)进行发电。另外，对于氨气合成设备22，可以参考后述的“太阳热能存储方法”中的说明。

氨气输送设施30，在海上输送时使用液氨船32进行输送，在陆路输送时使用油罐车34或管道36进行输送。

在第二地域5，通过氨气接受设备42接受氨气，或者直接将氨气输送至驱动能生成设备40。驱动能生成设备40(燃气涡轮机、机动车等)，使用内燃机来燃烧氨气而取得驱动能。

这样，转换系统2通过将由空气和水所生成的氨气作为传递太阳热能的物质来使用，能够将在第一地域3取得的太阳热能在第二地域5作为驱动能来利用。另外，转换系统2通过没有碳原子的化学物质(水、空气中的氮气、氨气)的循环来进行能量的转换，所以在第一地域的太阳热取得设备10、氨气合成设备20和第二地域的驱动能生成设备40中都不会排放二氧化碳。

利用图3对转换系统1的能量流动进行说明。

太阳光200，经由太阳热取得设备10被转换为太阳热能210。太阳热能210，通过氨气合成设备20，被转换为作为氨气的势能的化学能220。这里，太阳热能210的一部分215，作为热源、动力源和/或电源被氨气合成设备20利用。

化学能220，借助氨气输送设施30被从第一地域3输送到第二地域5。在输送中，氨气输送设施30，可以通过其内燃机燃烧掉化学能的一部分(即，所输送的氨气的一部分)作为输送能量225(输送所必需的电力和/或动力的至少一部分)利用。而且，化学能220，在被氨气输送设施30消耗掉一部分而输送至第二地域5之后，成为化学能230。

在驱动能合成设备40中以产生氮气和水的方式燃烧氨气，化学能230转换为驱动能240和热能250而输出(另外，虽然图中未示出，但是在氨气合成设备20以及氨气输送设施30中，可产生废弃热能)。

这样，通过利用氨气的化学能，将在第一地域3输入的太阳光200输送到第二地域5作为驱动能240以及热能250。而且，转换系统1无需利用太阳光200以外的能源。因此，转换系统1，能够在系统内的任一工序中都不排放二氧化碳的情况下将太阳热能210转换为驱动能240。

(太阳热能存储方法)

存储太阳热能的方法包括：(a)取得太阳热能的步骤；(b)利用取得的太阳热能的一部分作为例如热源、动力源和/或电源，尤其是直接作为热源或作为电源使用，来进行由水生成氢气的反应的步骤；和(c)利用取得的太阳热能的另一部分作为例如热源、动力源和/或电源，尤其是作为热源和/或动力源使用，来进行由氮气以及在步骤(b)中得到的氢气合成氨气的反应的步骤。

根据该能量存储方法，通过利用太阳热能来合成氨气，能够以氨气的化学能的形式存储太阳热能。

在该方法的优选方式中，利用在步骤(a)中取得的太阳热能来得到实施该方法所必需的电力和/或动力的至少一部分。在其他优选方式中，利用合成的氨气作为燃料来得到实施该方法所必需的电力、动力和/或热的至少一部分。另外，在该方法的其他优选方式中，仅利用在步骤(a)中取得的太阳热能作为能源。

这里，作为实施该方法所必需的电力，可以举出用于驱动使原料等流体流动且/或对其进行压缩的泵/压缩机的电力、用于对热源进一步加热的电力等。作为实施该方法所必需的动力，可以举出用于驱动使原料等流体流动且/或对其进行压缩的泵/压缩机的动力等。另外，作为实施该方法所必需的热，可以举出用于对热源进一步加热的热等。这里，通过电力供给用于热源的热能的一部分，会使得热源的温度高于通过太阳热能直接得到的温度，因此优选。

根据这些方式，可以在减少、优选消除石油之类的现有的化石燃料的使用的情况下实施该方法。

由水以及氮气合成氨气的整个反应，如下面的式B所示：

N₂+3H₂O→2NH₃+3/2O₂(吸热)(式B)

在太阳热能存储方法中，利用太阳热能作为用于反应的能源，由水(H₂O)和氮气(N₂)，经由氢气(H₂)与氮气(N₂)的反应合成氨气(NH₃)。关于太阳热能存储方法，下面将详细说明。

<太阳热能存储方法-步骤(a)(取得太阳热能)>

在太阳热能存储方法中，在步骤(a)中，取得太阳热能。

在步骤(a)中，为取得太阳热能，可利用任意的聚光装置，例如可利用下述(1)～(3)的聚光装置。

(1)盘式抛物面型(parabolic dish tpye)

图4所示的盘式抛物面型聚光装置140具有：通过反射太阳光200来聚光的盘状反射部141；和接受聚集的光的受光部142，在该受光部142取得太阳热能。可随意利用熔融金属钠那样的熔融碱金属、熔融盐、油、水蒸气等热介质，将在受光部142得到的太阳热能移动至必要的位置。

该类型的聚光装置适合规模比较小的设备，作为太阳热能，优选以一万瓦～几十万瓦左右使用。一般来说，就该类型的聚光装置而言，其聚光度大，因而能够得到2000℃以上的高温热源，但是成本比较高。

(2)太阳塔型

图5所示的太阳塔型聚光装置150具有：用于反射并聚集太阳光200的多个定日镜(反射部)151；和接受聚集的光的受光部153，在该受光部153取得太阳热能。这里，该受光部153配置于受光塔152的上部。可随意利用热介质，使在受光部153得到的太阳热能移动至必要的位置。

该类型的聚光装置，适用于十兆瓦～数百兆瓦左右的大规模的设备。一般来说，该类型的聚光装置，其聚光度大，能够得到几千摄氏度(℃)的高温热源，但是太阳塔的建设费用高，反射镜的控制也要求较高的技术。

(3)槽式抛物面型

图6所示的槽式抛物面型聚光装置160具有：用于反射并聚集太阳光200的槽型反射部161；和接受聚集的光的受光部162，在该受光部162取得太阳热能。可通过随意地使热介质经由热介质流路163流通，使在受光部162得到的太阳热能移动至必要的位置。

该类型的聚光装置，其构造简单且成本低廉，适用于大规模的设备。一般而言，适用于数百兆瓦，但其聚光度低，得到的热源为400～500℃的低温热源。

如上所述，聚光装置各有优点以及缺点。因此，在能量存储方法中，可利用它们之中的任一种聚光装置或它们的组合。具体而言，可通过聚光度大的聚光装置(例如盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置)取得用于高温热源的太阳热能，并且通过聚光度小的聚光装置(例如槽式抛物面型聚光装置)取得其它的太阳热能、例如用于产生低温热源、动力的太阳热能。

例如，可将通过聚光度大的聚光装置所得到的太阳热能控制在由聚光度大的聚光装置和聚光度小的聚光装置所得到的太阳热能的合计的1/2以下、例如1/3～1/2的范围内。这样，考虑到聚光设备整体的成本，有时优选限制一般来说成本高的聚光度大的聚光装置的比例。

<太阳热能存储方法-步骤(b)(制造氢气)>

就太阳热能存储方法而言，在步骤(b)中，利用取得的太阳热能的一部分，尤其是仅利用取得的太阳热能作为能源来源，来进行由水生成氢气的反应。

在该步骤(b)中，为了由水得到氢气，可以利用任意方法。具体而言，已知的有水的电解和例如下面(1)～(3)所示的水分解(Water Spritting)方法，在这些方法中，焦点在于如何使水的分解反应所需的反应温度降低。

(1)直接法

这是最基本的方法，通过下面式1所示的反应，在高温下直接将水分解成氢气和氧气，即：

H₂O→H₂+1/2O₂(2000℃以上)(式1)

该反应原本必须在几千摄氏度(℃)的温度下才能进行，但是通过利用催化剂在2000℃左右就能够实现。

(2)Zn(锌)法

为了降低在上述(1)的方法中所必需的高温，存在借助第三物质使水分解的方法。其代表例是借助Zn使水分解的方法，该情况下的反应式如下所述：

Zn+H₂O→ZnO+H₂(约400℃)(式2)

ZnO→Zn+1/2O₂(约1500℃)(式3)

总反应H₂O→H₂+1/2O₂

在该方法中，需要高温热源(约1500℃)和低温热源(400℃)这两种类型的热源。

(2)I-S(碘-硫)循环法

作为反应温度与上述(2)的方法相比进一步降低的方法，已知I-S(碘-硫)循环法，其反应如下所述：

H₂SO₄→H₂O+SO₂+1/2O₂(约950℃) (式4)

2H₂O+SO₂+I₂→H₂SO₄+2HI(约130℃)(式5)

2HI→H₂+I₂(约400℃) (式6)

总反应H₂O→H₂+1/2O₂

在该方法中，需要高温热源(950℃)和低温热源(400℃)这两种类型的热源。

如上所述，就利用热而由水生成氢气的上述(1)～(3)所述的反应而言，在任何一个反应的至少一部分中都需要温度较高的热源。

可将在步骤(a)中取得的太阳热能直接作为热源利用而提供该温度较高的热源，在这样的情况下，可通过聚光度大的聚光装置、例如盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到所需的太阳热能的至少一部分。

另外，该温度较高的热源还可以利用电力、尤其是通过利用步骤(a)中取得的太阳热能而得到的电力、或者通过利用合成的氨气作为燃料而得到的电力来提供。另外，在不使用温度较高的热源、即通过例如水的电解得到氢气的情况下，可以利用电力、尤其是通过利用步骤(a)中取得的太阳热能而得到的电力、或者通过利用合成的氨气作为燃料而得到的电力。

这样，在利用电力得到温度较高的热源的情况下、或利用电力对水进行电解的情况下，在步骤(a)中，可通过聚光度小的聚光装置、例如槽式抛物面型聚光装置来取得太阳热能。考虑到聚光设备整体的成本，有时优选这种方法。

<太阳热能存储方法-步骤(c)(合成氨气)>

就太阳热能存储方法而言，在步骤(c)中，利用取得的太阳热能的另一部分，尤其是仅使用取得的太阳热能作为能源来源，来由氮气以及在步骤(b)中得到的氢气进行合成氨气的反应。

在该步骤(c)中，可通过任意的方法实现由氮气以及氢气合成氨气的反应。

关于氨气的化学合成，在大约100年前德国研究人员哈伯(Haber)和博世(Bosch)首先成功地大量生产出氨气，其作为氮肥促进了粮食的增产。哈伯-博世合成法为下述的吸热反应，其由于简便且效率较高，所以现在基本上也没有改变，仍然在使用，即使是能量存储方法也可使用该方法：

N₂+3H₂→2NH₃(约400℃)(式8)

即，该反应需要温度较低(400℃)的热源。另外，虽然以往该反应是利用铁催化剂而进行的，但最近也有利用钌催化剂进一步降低反应温度的作法。在反应温度低的情况下，从平衡论的角度来看，氨气的收获率变高，所以现在也还在进行旨在降低反应温度的研究。

用于该反应的温度较低的热源和/或用于该反应的动力，可利用在步骤(a)中取得的太阳热能来得到，在这种情况下，所需的太阳热能可通过聚光度小的聚光装置、例如槽式抛物面型聚光装置来取得。

另外，为了取得用于太阳热能存储方法的氮气，可使用下面的(1)以及(2)所述的方法：

(1)深冷分离

在该方法中，边冷却边压缩空气，制成液态空气，利用氧气和氮气的沸点的不同，将氮气从液态空气中分离出来。该方法虽然可以得到高纯度的氮气，但是需要大规模的设备以及比较多的能量。

这里，为了该空气的深冷分离，可利用通过利用步骤(a)中取得的太阳热能而得到的电力和/或动力、或者通过利用合成的氨气作为燃料而得到的电力和/或动力。在这样的情况下，即使在该步骤中，也可抑制、优选消除由于利用化石燃料而产生二氧化碳的情况。

(2)通过燃烧去除氧气

在利用天然气的现有氨气生产设备中，在用于得到氢气的改性步骤中消耗掉空气中的氧气，从剩余的混合气体中吸收去除一氧化碳以及二氧化碳，从而得到氮气。即使在能量存储方法中也可利用该方法，但是在这种情况下，有时必须进行将氮气中所含的一氧化碳以及二氧化碳的浓度降低至10ppm以下的纯化处理，如果不进行该纯化处理，那么一氧化碳以及二氧化碳就会附着在氨气合成催化剂上而加速其劣化。

(3)对此，在能量存储方法的一个方式中，如下面的式7所示，通过在空气(4N₂+O₂)中燃烧所制造出的氢气(H₂)从而消耗掉空气中的氧气，也能制造氮气：

2H₂+4N₂+O₂→4N₂+2H₂O (式7)

在这种情况下，燃烧生成物仅为水，燃烧生成物中不包括一氧化碳以及二氧化碳，因此去除一氧化碳以及二氧化碳的必要性变小，或者有时没有此必要性。另外，该反应为放热反应，所以也可根据需要利用此时产生的热能来产生在能量存储方法中所必需的电力等。

太阳热能存储方法的一个例子，可使用图7所示那样的设备来实施。

在该图7所示的设备中，通过聚光度较大的太阳塔型聚光装置150取得太阳热能，将在此取得的太阳热能通过流通有熔融盐热介质的配管178输送至反应装置171。另外，通过聚光度较小的槽式抛物面型聚光装置160取得太阳热能，将在此取得的太阳热能通过流通有水蒸气热介质的配管179输送至反应装置171。

该反应装置171利用由聚光度较大的太阳塔型聚光装置150供给的热能作为高温热源，并且利用由聚光度较小的槽式抛物面型聚光装置160供给的热能作为低温热源和/或动力源，来进行由水生成氢气的反应，从而得到氢气。

另外，通过聚光度较小的槽式抛物面型聚光装置160取得太阳热能，通过流通有水蒸气热介质的配管179将该取得的太阳热能输送至反应装置173，在该反应装置173中利用该太阳热能作为热源且/或作为动力源，来进行由氮气以及氢气合成氨气的反应，从而得到氨气。这里，供给至该反应装置173的氮气是通过空气深冷分离装置172对空气进行深冷分离而得到的，另外，供给至该反应装置173的氢气是在反应装置171中得到的。

即，在该例子的方法中，对实施太阳热能存储的设备700的系统仅供给了太阳光(能量)200、水(H₂O)以及空气(Air)，由这些得到了氨气(NH₃)。因此，在该例子中，由于以氨气的化学能的形式存储太阳热能，所以没有二氧化碳产生。

将反应装置173所得到的氨气随意地在液化装置174中液化，之后直到出厂之前一直存储在存储罐175中。这里，作为用于液化装置的动力源，也可使用太阳热能。

另外，在该图7所示的例子中，可以使用聚光度比较大的其它聚光装置、例如盘式抛物面型聚光装置来替代太阳塔型聚光装置150。另外，也可以仅使用一种类型的聚光装置，来替代使用太阳塔型聚光装置150和槽式抛物面型聚光装置160这两种类型的聚光装置。

Claims

1.一种太阳热能存储方法，含有下述工序，

工序(a)：取得太阳热能；

2.如权利要求1所述的太阳热能存储方法，利用工序(a)中取得的太阳热能，来得到实施该方法所必需的电力和/或动力的至少一部分。

3.如权利要求1或2所述的太阳热能存储方法，利用合成的氨气作为燃料，来得到实施该方法所必需的电力、动力和/或热的至少一部分。

4.如权利要求1～3的任一项所述的太阳热能存储方法，仅利用工序(a)中得到的太阳热能作为能源。

5.如权利要求1～4的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中，作为热源直接利用工序(a)中得到的太阳热能，来进行由水生成氢气的反应。

6.如权利要求5所述的太阳热能存储方法，通过盘式抛物面型聚光装置和/或太阳塔型聚光装置得到在工序(b)中作为热源利用的所述太阳热能的至少一部分。

7.如权利要求2或3所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中利用所述电力作为热源，来进行由水生成氢气的反应。

8.如权利要求2或3所述的太阳热能存储方法，在工序(b)中利用所述电力使水电解，来进行由水生成氢气的反应。

9.如权利要求7或8的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(a)中通过槽式抛物面型聚光装置来取得所述太阳热能。

10.如权利要求1～9的任一项所述的太阳热能存储方法，在工序(c)中，将工序(a)中取得的太阳热能直接作为热源、并且/或者作为动力源来利用，由氮气和氢气合成氨气。

11.如权利要求10所述的太阳热能存储方法，通过槽式抛物面型聚光装置来取得在工序(c)中作为热源利用的所述太阳热能。

12.如权利要求1～4的任一项所述的太阳热能存储方法，

13.如权利要求2或3所述的方法，通过利用所述电力和/或动力的空气的深冷分离来得到所述氮气。

14.如权利要求1～12的任一项所述的太阳热能存储方法，通过使工序(b)中得到的氢气燃烧来消耗空气中的氧气，来得到所述氮气。