CN103168202B - 太阳能蓄热方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种太阳能蓄热方法，能够向外部设备24小时提供约1000～1300K的热。作为解决手段，提供利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热方法，其特征在于，该太阳能蓄热方法包含：会聚光束照射步骤（S1），移动反应性陶瓷层，同时使会聚太阳光而成的会聚光束照射到该反应性陶瓷层上进行加热，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型，在与氧接触时变回氧化型的反应性陶瓷形成的；以及蓄热步骤（S2），使在所述会聚光束照射步骤（S1）中被加热的所述反应性陶瓷层与包含氧的气体接触，同时将从所述反应性陶瓷层发出的热蓄积到蓄热单元。

Description

太阳能蓄热方法以及系统
技术领域
本发明涉及利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热方法以及系统。
背景技术
近年来，基于保护地球环境的观点，对使用太阳光或风力这样的可再生能源进行发电的关注正在提高。但是，由于这些可再生能源的发电量受天气等影响，稳定性不足，因而难以承担基础电源的作用。
对此，在利用太阳热能的太阳能发电中，使用透镜或反射板会聚太阳光，利用其热能产生蒸汽，使涡轮旋转来进行发电。也就是说，只要有几乎始终照射的强烈太阳光，就能够稳定且廉价地进行发电。因此，具有沙漠地带或干燥地带的国家正在不断引进，费效比和可靠性高的太阳热能的需求在国际上不断提高。
关于太阳热能的储藏，由于聚光式太阳能发电（CSP）系统直接储藏收集到的热能，不需要将其转换成其它能量，因而是推荐用于满足费效比和可靠性高的太阳热能需求的方法。另外，热能能够保存在与外界隔绝的容器内，利用能发电的热机等进行回收（也就是说，能够转换成电能）。
关于太阳能发电，例如，在专利文献1中提出了高效率且高质量地回收太阳的热能而蓄积到热介质的太阳光集热器，以及利用该太阳光集热器的太阳光聚光用反射装置、太阳光聚光系统以及太阳光能利用系统。
此外，在该专利文献1中，作为会聚太阳光的系统，公开了光束向下式的太阳光聚光系统。另外，在非专利文献2中，也公开了光束向下式的太阳光聚光系统。
在此，如图6所示，光束向下式的太阳光聚光系统是指，在地面上配置多个反射镜（定日镜）61，通过设在高处的会聚用反射镜62，使来自这些多个定日镜61的太阳光SB的反射光向下反射，会聚于集热器63。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2006/025449号手册
非专利文献
非专利文献1：E.Epstein,A.Segal and A.Yogev,“A molten salt system with aground base-integrated solar receiver storage tank.”J.Phys.IV France9,95-104（1999）
发明内容
发明要解决的课题
但是，专利文献1或非专利文献1公开的光束向下式的太阳光聚光系统存在如下问题：虽然白天能够会聚太阳光而将约1000～1300开尔文（K）（约700～1000℃）的热提供给外部的设备或设施（以下，称作外部设备），但是由于通过在配管内流通的热介质（熔盐）进行蓄热，因而不能在夜间也长时间地（例如，12小时）向外部设备提供如此高温的热。
此外，由于利用高通量的会聚光束的热生成速度快于向蓄热材料的热传导速度，因此，在如专利文献1那样通过热介质进行蓄热的情况下，极难取得热生成速度与热传导速度之间的平衡。这一点虽然可通过使该热介质以非常快的速度进行循环等来解决，但是由于设备复杂化、大型化、热效率下降而并非优选。
本发明正是鉴于这样的状况而完成的，其课题在于，提供结构简单且能够向外部设备24小时提供约1000～1300K的热的太阳能蓄热方法以及系统。
用于解决课题的手段
解决所述课题的本发明是利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热方法，其特征在于，该太阳能蓄热方法包含：会聚光束照射步骤，移动反应性陶瓷层，同时使会聚太阳光而成的会聚光束照射到该反应性陶瓷层上进行加热，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型，在与氧接触时变回氧化型的反应性陶瓷形成的；以及蓄热步骤，使在所述会聚光束照射步骤中被加热的所述反应性陶瓷层与包含氧的气体接触，同时将从所述反应性陶瓷层发出的热蓄积到蓄热单元。
所述本发明优选在所述蓄热步骤后包含取热步骤，在该取热步骤中，使热介质流通而向所述蓄热单元的外部取出蓄积在所述蓄热单元中的热。
此外，本发明是利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热系统，其特征在于，该太阳能蓄热系统具有：表面形成有反应性陶瓷层的旋转体和使该旋转体沿周向旋转的驱动单元，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型的反应性陶瓷形成的；隔热部件，其被设置成覆盖所述旋转体的外周面，具有使得能够向所述旋转体照射会聚太阳光而成的会聚光束的开口部；蓄热单元，其靠近所述旋转体而设置在远离所述开口部的位置；以及气体提供单元，其设置在旋转的所述旋转体通过所述开口部之后到达所述蓄热单元之前的任意位置，向所述旋转体提供包含氧的气体。
在所述本发明中，优选所述反应性陶瓷层由镍铁氧体形成。
此外，在所述本发明中，优选所述蓄热单元具有取热单元，该取热单元使热介质流通而向所述蓄热单元的外部取出蓄积在该蓄热单元中的热。
此外，在所述本发明中，优选所述旋转体是使用了氧化铝纤维的圆筒体。
在所述本发明中，优选所述蓄热单元使用由碳素材料和盐中的至少一方形成的蓄热材料。
发明效果
根据本发明，可提供太阳能蓄热方法，能够向外部设备24小时提供约1000～1300K的热。
此外，根据本发明，可提供太阳能蓄热系统，能够向外部设备24小时提供约1000～1300K的热。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式的太阳能蓄热方法的流程的流程图。
图2是说明反应和传热的概要的说明图。
图3是示出本发明的一个实施方式的太阳能蓄热装置的结构的结构图。
图4是示出日间模式下8小时运转时的模拟结果的曲线图。其中，横轴示出作业时间（日间）（小时）。纵第1轴示出累积蓄热量（MJ）（曲线B）和蓄热温度（0.1K）（曲线D）。纵第2轴示出每单位时间的热量输出（kJ/h）（曲线C）。
图5是示出温度分布（K）和蓄热量分布（MJ/m）与蓄热容器（蓄热单元）的高度之间的关系的曲线图。其中，横轴示出高度（m），横轴示出温度分布（K）和蓄热量分布（MJ/m）。
图6是说明光束向下式的太阳光聚光系统的现有例的概念图。
具体实施方式
以下，适当参照附图，对用于实施本发明的方式（实施方式）进行详细说明。
［太阳能蓄热方法］
首先，参照图1，对本发明的太阳能蓄热方法的一个实施方式进行说明。如图1所示，本发明的一个实施方式的太阳能蓄热方法包含会聚光束照射步骤S1和蓄热步骤S2。
（会聚光束照射步骤）
会聚光束照射步骤S1是如下步骤：移动反应性陶瓷层，同时使会聚太阳光而成的会聚光束照射到该反应性陶瓷层上进行加热，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型，在与氧接触时变回氧化型的反应性陶瓷形成的。
作为得到会聚光束的手段，可列举出光束向下式的太阳光聚光系统，其通过设在高处的会聚用反射镜，使来自多个定日镜的反射光向下反射。具体情况记载于国际公开第2006/025449号手册或E.Epstein,A.Segal and A.Yogev,“A molten salt systemwith a ground base-integrated solar receiver storage tank.”J.Phys.IV France9,95-104（1999）。另外，得到会聚光束的手段不限于此。例如，还可列举出会聚透镜等。
通过所述手段得到的会聚光束具有约1300～2000kW/m2左右的高通量（flux）。使用这样的高通量的会聚光束，能够如后所述将所述反应性陶瓷层21加热到约1800K，能够如后所述将其热量蓄积到蓄热单元。
作为反应性陶瓷，例如可列举出氧化铁陶瓷。具体而言，可列举出铁氧体（ferrite），更具体地，可列举出尖晶石型铁氧体（AFe2O4（其中，A是从Mn、Co、Ni、Cu、Zn中选择出的至少1种））。在它们中，最优选采用NiFe2O4（镍铁氧体）。此外，也可采用Mn2O3（氧化锰）或Co3O4（氧化钴）等。
反应性陶瓷层的移动可通过任意的手段来进行。例如，在呈圆筒状的旋转体的外周面形成使用反应性陶瓷的反应性陶瓷层，在通过电机等驱动单元使该旋转体旋转时，能够如上述那样移动反应性陶瓷层。
（蓄热步骤）
接下来进行的蓄热步骤S2是如下步骤：使在会聚光束照射步骤S1中被加热的反应性陶瓷层与包含氧的气体接触，同时将从该反应性陶瓷层发出的热蓄积到蓄热单元。
另外，在该蓄热步骤S2中，反应性陶瓷层继续移动。
作为包含氧的气体，只要含有氧即可，例如，可使用空气。另外，可单独使用或与空气以任意比率混合使用从氧气罐等提供的氧浓度高的氧气。
优选蓄热单元例如使用由碳素材料和盐中的至少一方形成的蓄热材料来形成。作为碳素材料，可列举出石墨（Graphite）、碳纤维复合材料等。此外，作为盐，例如可列举出NaCl或岩盐等。另外，在使用碳素材料的情况下，优选不与氧接触，以防止燃烧。这可通过例如使容纳碳素材料的密闭容器的内部成为真空、或者填充氦或氩等惰性气体来实现。
如后所述，优选蓄热单元被设置成与反应性陶瓷层之间存在一些间隔。在该情况下，通过从反应性陶瓷层散热、以及在反应性陶瓷层与蓄热单元之间产生的空气对流，从反应性陶瓷层向蓄热单元传热。
在蓄热步骤S2中向蓄热单元传热以后，重新返回到会聚光束照射步骤S1，反复进行相同的操作。由此，能够持续且高效地将太阳能蓄积到蓄热单元。此外，如果适当设定蓄热单元的容量，则在无法得到太阳光的夜间（12小时左右），也能够蓄积足以向外部设备供热的热量。
以上说明的一个实施方式的太阳能蓄热方法，优选还包含取热步骤。
（取热步骤）
取热步骤（在图1中省略图示）是如下步骤：使热介质流通而向蓄热单元的外部即外部设备取出蓄积在蓄热单元中的热。该步骤可通过蓄热单元与外部设备之间的热交换来实现，能够向外部设备提供约1000～1300K的热。
（反应和传热的概要）
在以上说明的一个实施方式的太阳能蓄热方法中，通过所述各个步骤，在会聚光束、反应性陶瓷层和蓄热单元之间，进行图2所示的反应或传热。
首先，如图2所示，在会聚光束照射步骤S1的初始，利用1000～2000kW/m2的会聚光束进行比热容吸收，直到比热容吸收上限量（1800K）为止。此外，与此同时，通过不平衡弗兰克尔缺陷生成现象来吸收会聚光束的能量。
该现象是作为与高焓变化相伴的吸热反应而进行的、以固体晶格结构中的配位变化即弗兰克尔缺陷结构的不平衡状态为单位的化学反应。因此，在该步骤中，能够通过反应材料的高焓变化来吸收会聚光束的能量。此外，在该步骤中，由于是晶格结构中的阴离子（或阳离子）的移动，因而可推测出该步骤中的化学反应是随着会聚光束的能量吸收而进行的。另外，该化学反应中的弗兰克尔缺陷结构的不平衡状态是在吸收高通量能量以后形成的。
当反应性陶瓷的温度达到1800K附近时，来自晶格氧（O2-）的O2气体形成的反应速度加快。并且，由不平衡弗兰克尔缺陷结构（形成氧空穴）吸收的能量被转换成伴随O2气体产生反应而生成的材料的还原型的化学能。也就是说，是由急速氧释放反应导致的还原体化学能转换（吸热反应）（参照图2）。
即，在会聚光束照射步骤S1中，会聚光束被反应性陶瓷吸收，进而转换成陶瓷材料的还原型的化学能。
并且，在蓄热步骤S2中，由于在该蓄热步骤S2中提供的O2气体，使得在之前的步骤中成为还原型的反应性陶瓷伴随发热而被氧化（放热反应）。在比会聚光束照射步骤S1低200～400K左右的约1400～1600K下发生该氧化反应。另外，由于放热反应，焓发生变化（放热反应焓变化）（参照图2）。
在该蓄热步骤S2中，反应性陶瓷的比热容吸收量中的与温度从1800K下降到1300K相应的热即与500K相应的热，通过从反应性陶瓷层辐射和对流而传递到蓄热单元。此外，与此同时，与反应性陶瓷层中包含的放热反应焓变化相应的热通过辐射和对流而传递到蓄热单元（参照图2）。从而在蓄热单元蓄积约1000～1300K的热。
在经过蓄热步骤S2以后，返回到会聚光束照射步骤S1，因此，在被会聚光束加热的反应性陶瓷层上，持续进行与所述相同的化学反应（与吸热相伴的还原反应以及与发热相伴的氧化反应）。
关于以上说明的概要，以使用镍铁氧体作为反应性陶瓷，使用石墨作为蓄热单元的蓄热材料的情况为例，进行更具体的说明。
在会聚光束照射步骤S1中，被照射会聚光束的反应性陶瓷层被加热到约1300～1800K。在使用镍铁氧体作为反应性陶瓷的情况下，由于存在晶格间位置内的阳离子移动，因而可认为磁铁（Fe3O4）的弗兰克尔缺陷结构中的焓变化与镍铁氧体的弗兰克尔缺陷结构中的焓变化基本相同，是754kJ/mol。
另外，在照射氙（Xe）灯光的高通量会聚光束而加热到1800K，从镍铁氧体产生O2气体时，1800K时的镍铁氧体的密度（脱离的氧离子数/全部的氧离子数）是0.28（0.42mol/铁1mol）。因此，1mol镍铁氧体能够吸收的会聚光束的能量是317kJ/mol。另外，根据传导率的测量，镍铁氧体的导热率在1800K时变为接近金属的金属传导率的值。此外，从FeO到Fe3O4的氧化导致的焓变化是340kJ/mol。
因此，对于各个参数，基于它们的数值，在蓄热步骤S2中，反应性陶瓷（镍铁氧体）的1500K和1273K的蓄热材料（具有800W/m·K的金属传导率的石墨）（散热器温度＝600K）之间达到热平衡，在蓄热步骤S2中传递1400kW/m2的热通量。另外，估计此时热梯度区域的长度是0.8m。
此外，使会聚光束照射步骤S1中的反应急速地进行，使蓄热步骤S2中的反应缓慢地进行。因此，关于实施这些反应的反应性陶瓷层的面积比，当实施蓄热步骤S2的面积比实施会聚光束照射步骤S1的面积大时，会聚光束照射步骤S1中的加热与蓄热步骤S2中的传热的平衡变得更好。当设实施会聚光束照射步骤S1的面积与实施蓄热步骤S2的面积的面积比为1：5时，在1400kW/m2的会聚光束的情况下，将石墨（热容量20J/K/mol）用作蓄热材料的1.4MW蓄热容量的蓄热单元（圆柱，面积5m2×高度16m）能够蓄积与12小时相应的热。
在太阳能发电站是100MW级别的情况下，实施会聚光束照射步骤S1的焦点区域在1400kW/m2的平均通量强度的情况下是71m2。在该情况下，能够蓄积12小时热量的蓄热单元的尺寸是直径10.6m、高度16m。
这样，在使用镍铁氧体作为反应性陶瓷，使用金属石墨作为蓄热材料时，能够通过采用反应性陶瓷来实现结构简单且能够向外部设备24小时提供约1000～1300K的热的太阳能蓄热方法，其中，所述反应性陶瓷利用不平衡弗兰克尔缺陷结构来吸收会聚光束的能量。
［太阳能蓄热系统］
以下，参照图3，对太阳能蓄热系统的一个实施方式进行说明，该太阳能蓄热系统实现了包含以上说明的各个步骤的太阳能蓄热方法。
如图3所示，本发明的一个实施方式的太阳能蓄热系统1具有：旋转体2、使旋转体2沿周向旋转的驱动单元（图示省略）、隔热部件3、蓄热单元4以及气体提供单元5。
（旋转体）
关于旋转体2，如在会聚光束照射步骤S1中已经说明的那样，优选呈圆筒状。在该旋转体2的外周面形成有使用所述反应性陶瓷的反应性陶瓷层21。反应性陶瓷层21的厚度没有特别限定，例如可以是2mm等。
优选旋转体2使用氧化铝纤维形成。由于氧化铝纤维的热收缩小、强度好、具有隔热性，因而，即使照射高通量的会聚光束CB对反应性陶瓷层21进行加热，其热也难以逸出（也就是说，难以散失），非常合适。另外，被会聚光束CB加热的反应性陶瓷层21变为约1800K。旋转体2例如可以是长度约1～5m、直径约1m等。
（驱动单元）
作为驱动单元（图示省略），可使用例如电机、蒸汽轮机等，但是不限于此，只要能够发出使旋转体2沿周向旋转的驱动力，则可使用任何单元。
（隔热部件）
设置隔热部件3是为了因照射会聚光束CB而被加热的反应性陶瓷层21在向后述的蓄热单元4传热之前，使其温度不会下降，以及使已向后述的蓄热单元4传热的反应性陶瓷层21的温度不会下降。因此，隔热部件3被设置成覆盖旋转体2的外周面。
此外，该隔热部件3设有使得能够向旋转体2照射会聚光束CB的开口部31。也就是说，被照射会聚光束CB的旋转体2的上端部分从隔热部件3露出。
作为隔热部件3，例如可列举出铝棉、玻璃棉、岩棉、陶瓷布等。
（蓄热单元）
蓄热单元4设置在远离隔热部件3的开口部31的位置，并靠近旋转体2。另外，由于被会聚光束CB加热的反应性陶瓷层21成为约1800K的高温，机械强度下降，因此优选不与蓄热单元4接触。通过来自旋转体2的传热，在蓄热单元4蓄积约1300K的热。
如在蓄热步骤S2中已经说明的那样，优选蓄热单元4例如使用由碳素材料和盐中的至少一方形成的蓄热材料来形成。使用这些材料，即使高温也难以产生热收缩或变形等，易于处理。作为碳素材料，如上所述，可列举出石墨、碳纤维复合材料等。此外，作为盐，例如可列举出NaCl、岩盐等。另外，在使用碳素材料的情况下，优选不与氧接触，以防止燃烧。这能够通过例如使容纳碳素材料的密闭容器的内部成为真空、或者填充氦或氩等惰性气体来实现。
另外，在蓄热单元4中，靠近旋转体2设置的接受来自该旋转体2的热的最上部41，优选由导热性特别好、耐氧化型也特别好的材料形成。作为这样的材料，例如可列举出氮化铝、氮化硅、碳化硅、碳陶瓷等。
（气体提供单元）
气体提供单元5向旋转体2提供包含氧的气体。该气体提供单元5可设置在旋转的旋转体2通过开口部31之后到达蓄热单元4之前的任意位置。
气体提供单元5例如可由气泵（图示省略）和与气泵连接的喷嘴（图示省略）构成，其中，喷嘴的出口朝向反应性陶瓷层21设置。对于由气体提供单元5提供的包含氧的气体已经进行了说明，因而其说明省略。
（取热单元）
优选所述蓄热单元4具有取热单元6，该取热单元6使热介质HC流通，向蓄热单元4的外部取出蓄积在该蓄热单元4的热。另外，作为蓄热单元4的外部，具体而言，可列举出天然气或甲烷重整设备、燃气轮机发电设备等外部设备。
作为取热单元6，例如可列举出热交换器。具体而言，在使热介质HC在贯通蓄热单元4内部的中空管内流通时，能够适当地向外部设备取出蓄积在蓄热单元4的热。中空管的条数可任意设定。此外，根据需要，优选中空管弯折多次，使得热介质HC能够多次通过蓄热单元4内部。这样，能够高效地向蓄热单元4的外部取出蓄热单元4的热。另外，作为热介质HC，可使用空气或熔盐等。作为熔盐，可使用碳酸盐（钠、钾、钙、镁）、碳酸盐混合物等。
取热单元6例如可分成蓄热单元4的上部和下部这2个区域，上部主要在日间作业时工作，下部主要在夜间作业时工作。此外，在取热单元6（热交换器）利用所述中空管的情况下，设于上部的中空管的铺设距离可短于设于下部的中空管的铺设距离。另外，上部的中空管内的热介质HC的流通速度以及下部的中空管内的热介质HC的流通速度可以分别任意设定。此外，通过控制热介质HC的流通速度，能够对反应性陶瓷层21与蓄热单元4之间的热平衡进行控制。例如，如果减慢热介质HC的流通速度，则能够提高蓄热单元4的温度，如果加快热介质HC的流通速度，则能够降低蓄热单元4的温度。
在白天，来自旋转体2的传热量非常多，温度也高。因此，即使中空管的铺设距离短的上部的取热单元6u也能够向外部设备提供足够的热。在白天，由于来自旋转体2的传热量非常多，温度也高，因此，不仅通过上部的取热单元6u将其热提供给外部设备，而且将剩余部分传递到蓄热单元4的下部。因此，蓄热单元4的下部也被蓄积约1300K的热。也就是说，通过上部的取热单元6u，热的利用和蓄热可同时进行。因此，在夜间，可使下部的取热单元6b进行工作，将蓄积在蓄热单元4的下部的热提供给外部设备。
取热单元6也可以不是如上所述分成上部和下部这2个区域而是1个区域，或者也可以分成3个以上的区域。这是可任意设定的。
通过这样构成的蓄热单元4和取热单元6，例如，如果将约673K的熔盐导入到该取热单元6，则经过蓄热单元4被加热（热交换）到约1000～1300K，例如约1073K。因此，能够向外部设备提供约1000～1300K的热。
实施例
以下，对确认本发明效果的实施例进行说明。
关于使用图3所示结构的太阳能蓄热装置1（蓄热单元4的直径1.0m，高度10.0m）时的蓄热，利用COMSOL Multiphysics3.5a，通过2D模型来进行研究。控制方程式（Governing equation）由式（1）给出。
[数1]
ρC p ∂ T ∂ t · ▿ · ( k ▿ T ) = Q out - - - ( 1 )
在此，ρ表示密度，Cp表示比热容，T表示温度，t表示时间，k表示导热率，Qout表示移动热量。使用石墨的蓄热单元4的最上部41的临界条件由下述式（2）给出。
[数2]
n · ( k ▿ T ) = Q in + h conv ( T ext - T ) + σω ( T amb 4 - T 4 ) - - - ( 2 )
在此，Qin表示反应性陶瓷的太阳能释放腔（指的是旋转体2与蓄热单元4的最上部41之间，以下相同）中的氧化热，hconv表示其表面的吸收效率，ω表示太阳能释放腔内部的对流热传递率，σ表示斯蒂芬-玻耳兹曼常数（Stefan-Boltzmann常数），Tamb表示旋转体2的反应性陶瓷的太阳能释放腔内的平均温度。
其它临界条件有：周围是隔热的，使用石墨的蓄热单元4的最下部的温度是600℃。此外，用于计算的模型的参数如表1所示。
[表1]
此外，在表2中，一并示出物理常量。
[表2]
名称 值 单位 描述
Qin 1400000 W/m2 氧化能量
k_graphite 2000 W/m/K 石墨的导热率
rho_graphite 2210 kg/m3 石墨的密度
C_graphite 1400 J/kg/K 石墨的比热
h_conv 15 W/m2/K 表面吸收效率
omega 0.3 表面有效辐射
sigma 5.67E-08 W/m2/K4 斯蒂芬-玻耳兹曼常数
图4示出日间模式下8小时运转（Qin＝1300kW/m2、kgraphite＝2000W/m/K、α石墨导热率＝1000W/m3/K、入口温度＝673K、出口温度＝1073K）时的结果。
在图4中，曲线A示出吸收太阳能量（累积）（MJ）（太阳能释放腔中的热量）。曲线B示出使用石墨的蓄热单元4的累积蓄热量（MJ）。曲线C示出在400～800℃（673～1073K）下工作的热介质HC导致的热量输出（kJ/h）。曲线D示出使用石墨的蓄热单元4的最上部41的温度（K）。
从曲线C可知，由热介质HC取出的热量为1800～2000MJ/h（3～5小时）、2500MJ/h（6～8小时）。此外，从曲线B和曲线C可知，1～2小时内蓄积的热量相当接近饱和，运转3小时而取出的热量也达到1700MJ/h。
在使启动时的1～2小时在1700～2500MJ/h（0.47～0.69MW）下平稳运转的情况下，使用天然气等作为后备是合适的。经过日间8小时运转后，蓄热10320MJ。此外，使用石墨的蓄热单元4的最上部41的温度为1500～1550℃（曲线D）。
图5按照日间运转模式的各运转时间示出相对于使用石墨的蓄热单元4的高度的、蓄热单元4内部的温度分布（K）和蓄热量分布（MJ/m）。蓄热单元4内部用于蓄热的高度范围为6～8m，蓄热单元4整体高度为10m。在日间运转时间1～3小时的情况下，在6～8m的高度范围内，温度上升约200℃。
此外，在9～10m的高度范围内，温度上升100℃。运转6小时以后，蓄热单元4内部的温度分布和蓄热量分布几乎固定，日间运转模式下的蓄热量几乎达到饱和。
运转8小时后，平均蓄热量达到8464MJ，温度也达到1000℃（约1300K）。日落后，蓄热单元4内部的温度梯度逐渐缓和，蓄热单元4的最上部41的温度也处于1000℃附近。这表明即使在夜间运转中，热介质HC的出口温度也能够维持在800℃（约1073K）附近。本次的计算结果是，虽然热介质HC的入口温度为400℃（约673K），但是在该情况下，能回收与8464MJ相当的热量。假定取出与该热量的约70％相当的6000MJ，则每单位时间的热流量为1700MJ/h（0.47MW），可运转4小时。为了增大该热量，如下所述增大蓄热面积即可。而且，在高温下也能够运转24小时。
根据以上说明的模拟结果，可做出如下评价。
根据对可实用化且可运转的温度以及蓄热单元4的尺寸进行评价的模拟结果，得到的计算结果是，为了实现1MW作为蓄积4小时热量的太阳能蓄热系统，需将蓄热单元4的尺寸设为6m3（直径1m、高度8m）。
据此，着眼于将24小时蓄热型的塔顶聚光系统（GEMA Solar）作为聚光太阳能电厂进行商用运转，设聚光热量为100MW（蓄热量60MW）、蓄热时间为12小时，对该电厂的规模进行计算。在蓄热单元4使用石墨的情况下，计算出直径为13.5m、高度为8m、容积为1100m3。作为实际设备的蓄热容器的规模，可认为该尺寸是妥当的。
此外，在光束向下式的太阳光聚光系统中，100MW级别的系统在地面上的会聚光束CB的直径为10～15m。关于其大小，如果考虑到蓄热容器（蓄热单元4）的高度，相应地增高距地面的焦点位置，则直径变得更小。在考虑这些情况时，在将100MW级别的光束向下式的太阳光聚光系统作为对象的情况下，在本发明的太阳能蓄热系统1中，可认为设使用石墨的蓄热单元4的直径为13.5m是相对妥当的尺寸，其中，本发明的太阳能蓄热系统1将会聚光束CB直接照射到形成有反应性陶瓷层21的旋转体2上，在蓄热单元4进行蓄热。
在所述模拟结果中，设石墨的导热率为2000W/m/K。虽然该值应使用1000～100W/m/K，但是，对于碳纤维复合材料或碳纳米管，也存在可使用本次这样的数值的情况。实际上，最近在工业中能够得到500W/m/K的复合材料。此外，也可以不直接利用具有如此高传导率的材料而改变热交换系统的结构或机构，从而能够强制地使蓄热单元4上部的热量向蓄热单元4的中层部移动。在与它们组合时只要选择最好的导热率材料即可。此外，通过对这样的应用展开进行各种各样的研究，能够使蓄热单元4的容量自身更小。相应地，蓄热容量增大，成本下降。
光束向下式的太阳光聚光系统具有如下优点：能够使会聚光束CB靠近地面实现，从而能够在地面上直接加热又重又大的蓄热设备。
如上所述，能够提供如下太阳能利用技术：本发明的太阳能蓄热方法以及太阳能蓄热装置1，通过组合光束向下式的太阳光聚光系统和形成有反应性陶瓷层21的旋转体2这样的独特结构，能够在高温下高效地24小时运转。
符号说明
S1会聚光束照射步骤
S2蓄热步骤
1太阳能蓄热系统
2旋转体
21反应性陶瓷层
3隔热部件
31开口部
4蓄热单元
41最上部
5气体提供单元
6取热单元
6u上部的取热单元
6b下部的取热单元
CB会聚光束

Claims (9)

1.一种利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热方法，其特征在于，该太阳能蓄热方法包含：
会聚光束照射步骤，移动反应性陶瓷层，同时使会聚太阳光而成的会聚光束照射到该反应性陶瓷层上进行加热，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型，在与氧接触时从还原型变回氧化型的反应性陶瓷形成的；以及
蓄热步骤，使在所述会聚光束照射步骤中被加热的所述反应性陶瓷层移动的同时，在与所述会聚光束照射步骤的位置不同的位置处与包含氧的气体接触，将从所述反应性陶瓷层发出的热蓄积到蓄热单元，
所述蓄热单元被设置成与所述反应性陶瓷层之间存在间隔，通过从所述反应性陶瓷层散热、以及在所述反应性陶瓷层与所述蓄热单元之间产生的空气对流，从所述反应性陶瓷层向所述蓄热单元传热，
反复进行所述会聚光束照射步骤和所述蓄热步骤。
2.根据权利要求1所述的太阳能蓄热方法，其特征在于，
该太阳能蓄热方法在所述蓄热步骤后包含取热步骤，在该取热步骤中，使热介质流通而向所述蓄热单元的外部取出蓄积在所述蓄热单元中的热。
3.一种利用太阳光能进行蓄热的太阳能蓄热系统，其特征在于，该太阳能蓄热系统具有：
表面形成有反应性陶瓷层的旋转体和使该旋转体沿周向旋转的驱动单元，其中，所述反应性陶瓷层是使用在被加热时释放出氧而从氧化型变为还原型，在与氧接触时变回氧化型的反应性陶瓷形成的；
隔热部件，其被设置成覆盖所述旋转体的外周面，具有能够向所述旋转体照射会聚太阳光而成的会聚光束的开口部；
蓄热单元，其靠近所述旋转体而设置在远离所述开口部的位置；以及
气体提供单元，其设置在旋转的所述旋转体通过所述开口部之后到达所述蓄热单元之前的任意位置，向所述旋转体提供包含氧的气体，
所述蓄热单元被设置成与所述反应性陶瓷层之间存在间隔，通过从所述反应性陶瓷层散热、以及在所述反应性陶瓷层与所述蓄热单元之间产生的空气对流，从所述反应性陶瓷层向所述蓄热单元传热。
4.根据权利要求3所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述反应性陶瓷层由镍铁氧体形成。
5.根据权利要求3所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述蓄热单元具有取热单元，该取热单元使热介质流通而向所述蓄热单元的外部取出蓄积在该蓄热单元中的热。
6.根据权利要求4所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述蓄热单元具有取热单元，该取热单元使热介质流通而向所述蓄热单元的外部取出蓄积在该蓄热单元中的热。
7.根据权利要求3～6中的任意一项所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述旋转体是使用了氧化铝纤维的圆筒体。
8.根据权利要求3～6中的任意一项所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述蓄热单元使用由碳素材料和盐中的至少一方形成的蓄热材料。
9.根据权利要求7所述的太阳能蓄热系统，其特征在于，
所述蓄热单元使用由碳素材料和盐中的至少一方形成的蓄热材料。
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