JP2010144956A - Solar furnace device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽光を集光することで非常に高い温度を発生させ、その熱で炉本体内に収納した所要の反応物の化学反応を進行させるために用いる太陽炉装置に関するものである。 The present invention relates to a solar furnace apparatus used to generate a very high temperature by collecting sunlight and to cause a chemical reaction of a desired reactant stored in the furnace body with the heat.
環境に負荷を与えることのないクリーンなエネルギーとして太陽エネルギーがあり、該太陽エネルギーの利用形態の1つとして、太陽光を集光し、この集光された太陽光を熱エネルギーに変換することで非常に高い温度を作り出し、その熱を利用して高温の反応環境が必要とされる所定の反応物の化学反応を進行させるようにする太陽熱利用型の反応装置である太陽炉装置が知られている。 There is solar energy as clean energy that does not give a load to the environment. As one of the utilization forms of the solar energy, sunlight is condensed and the condensed sunlight is converted into thermal energy. A solar furnace device is known that is a solar-powered reactor that creates very high temperatures and uses that heat to advance the chemical reaction of a given reactant that requires a high temperature reaction environment. Yes.
図6及び図7は上記太陽炉装置の一種である太陽光利用還元反応器1を示すもので、該太陽光利用還元反応器1は、上端側に透過窓3を気密に設けた太陽熱化学反応炉2を具備してなり、更に、集光装置としてヘリオスタット4と、タワー(図示せず)の頂部に設けた反射ミラー5と、CPC6とを付設してなる構成として、太陽光7を、上記ヘリオスタット4と反射ミラー5とCPC6で順次集光し、この集光された太陽光7を、上記透過窓3を通して上記太陽熱化学反応炉2の内部へ入射させることができるようにしてある。
6 and 7 show a
上記構成としてある太陽光利用還元反応器1によれば、上記太陽熱化学反応炉2に反応物としての石炭とマグネタイトの混合粒子8を供給すると、上記透過窓3を透過した集光状態の太陽光7が炉内の混合粒子8に対して直接照射されるようになることから、該混合粒子8で上記集光状態の太陽光7の吸収を行わせて熱エネルギーへの変換を行わせ、これにより、炉内温度を1200℃以上の高温に加熱して、石炭の還元反応を起こさせることができるようにしてある(たとえば、特許文献1参照)。
According to the solar
ところが、上記図6及び図7に示した太陽光利用還元反応器1は、太陽熱化学反応炉2内に供給される石炭とマグネタイトの混合粒子8のような反応物に対して集光装置4,5,6で集光された太陽光7を直接照射させるようにすることで、高温の炉内温度環境を得ることができて上記反応物の反応を進行させるのに有効であるが、反応物として、たとえば、酸化亜鉛のように、可視域から近赤外域の波長の電磁波の吸収率が比較的低い吸収波長選択性を有する反応物を用いる場合は、太陽光の利用効率が低下してしまい、1000℃以上となるような高温の炉内温度環境を効率よく得ることが難しいというのが実状である。
However, the solar-powered
すなわち、上記太陽光利用還元反応器1は、集光した太陽光7を、太陽熱化学反応炉2に設けた透過窓3を通して炉内の反応物に直接照射するようにしてあるが、太陽光7のエネルギーは可視域から近赤外域の波長に集中しているため、反応物の吸収波長選択性が可視域から近赤外域の波長で電磁波の吸収率が低くなっていると、該反応物に太陽光7が直接照射されるようにしても、上記太陽光7のエネルギーが集中している可視域から近赤外域の波長の電磁波が吸収されずに反射されてしまうため、太陽光7の熱エネルギーへの変換にロスが伴われてしまう。そのために、炉内温度が上がり難いというのが実状である。
In other words, the solar
又、上記太陽光利用還元反応器1では、太陽熱化学反応炉2の炉内で蒸散、あるいは、飛散した反応物や反応生成物が上記透過窓3に付着すると、該透過窓3を通して太陽熱化学反応炉2内へ入射される太陽光7の光量が減ってしまうため、定期的に上記太陽光利用還元反応器1の運転を停止させて上記透過窓3のメンテナンスを行う必要が生じるというのが実状である。
In the
そこで、本発明は、可視域から近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物を用いる場合であっても太陽光の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができ、しかも長時間に亘り連続運転することが可能な太陽炉装置を提供しようとするものである。 Therefore, the present invention can suppress the conversion loss of solar light to heat energy even when using a reactant having an absorption wavelength selectivity with a low absorption rate of electromagnetic waves of wavelengths from the visible range to the near infrared range, It is an object of the present invention to provide a solar furnace apparatus that can efficiently obtain a high-temperature furnace temperature environment and that can be continuously operated for a long time.
本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、反応物を高温処理するための炉本体の所要個所に、集光装置で集光された太陽光を受光して熱エネルギーに変換するための受光部を設けてなり、集光装置で集光された太陽光より上記受光部で変換された熱エネルギーを、該受光部より熱輻射として上記炉本体内へ放射できるようにした構成とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention, corresponding to
又、上記構成において、受光部を、集光装置で集光した太陽光が入射する小孔を備えるキャビティ形状とした構成とする。 Moreover, in the said structure, let the light-receiving part be the structure provided with the cavity shape provided with the small hole in which the sunlight condensed with the condensing device injects.
本発明の太陽炉装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)反応物を高温処理するための炉本体の所要個所に、集光装置で集光された太陽光を受光して熱エネルギーに変換するための受光部を設けてなり、集光装置で集光された太陽光より上記受光部で変換された熱エネルギーを、該受光部より熱輻射として上記炉本体内へ放射できるようにした構成としてあるので、太陽光のエネルギーが集中する可視域から近赤外域にかけての電磁波の保有するエネルギーを上記受光部で効率よく熱エネルギーに変換した後、該受光部より熱輻射として炉本体内へ放射することで、該熱輻射のエネルギーが集中する電磁波の波長域を、上記太陽光のエネルギーが集中する可視域から近赤外域の波長よりも長波長側の赤外域へシフトさせることができる。よって、反応物が、可視域から近赤外域の波長の電磁波に対して吸収率が低い吸収波長選択性を有している場合であっても、該反応物に上記受光部より熱輻射として放射される赤外域の波長の電磁波を吸収させて効率よく加熱することができる。
(2)したがって、太陽光の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、上記反応物を、上記太陽光に由来する熱エネルギーで効率よく加熱して、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができることから、熱損失を抑えることが可能となる。
(3)更に、上記炉本体には、太陽光を透過させる透過窓が不要なため、定期的に炉の運転を停止して行う透過窓のメンテナンスが必要ない。よって、長時間の連続運転を実現することが可能になる。
(4)受光部を、集光装置で集光した太陽光が入射する小孔を備えるキャビティ形状とした構成とすることにより、受光部にて太陽光を熱エネルギーに変換した後に、キャビティ形状としてある該受光部の内側へ熱輻射が行われても、そのエネルギーを受光部自体で再吸収することができる。このため、上記受光部で太陽光より変換した熱エネルギーの大部分を炉本体内へ熱輻射として放射させることができることから、熱変換効率をより高めることが可能になる。
According to the solar furnace apparatus of the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A light receiving unit for receiving sunlight collected by the light collecting device and converting it into heat energy is provided at a required portion of the furnace main body for high-temperature treatment of the reaction product. Since the heat energy converted by the light receiving unit from the collected sunlight can be radiated into the furnace body as heat radiation from the light receiving unit, from the visible region where the energy of sunlight is concentrated After the energy held by the electromagnetic wave in the near infrared region is efficiently converted into thermal energy by the light receiving part, it is emitted from the light receiving part into the furnace body as thermal radiation, so that the energy of the electromagnetic radiation in which the heat radiation energy is concentrated. The wavelength range can be shifted from the visible range where the solar energy is concentrated to the infrared range longer than the near-infrared range. Therefore, even when the reaction product has an absorption wavelength selectivity with a low absorptance with respect to electromagnetic waves having wavelengths from the visible region to the near-infrared region, the reaction product radiates as heat radiation from the light receiving unit. It is possible to efficiently heat by absorbing electromagnetic waves having a wavelength in the infrared region.
(2) Therefore, conversion loss of sunlight into heat energy can be suppressed, and the reaction product is efficiently heated with the heat energy derived from the sunlight, thereby efficiently obtaining a high-temperature furnace temperature environment. Therefore, it is possible to suppress heat loss.
(3) Furthermore, since the furnace body does not require a transmission window that allows sunlight to pass through, maintenance of the transmission window that is performed by periodically stopping the operation of the furnace is not required. Therefore, it is possible to realize a long continuous operation.
(4) By making the light receiving part into a cavity shape having a small hole through which sunlight condensed by the light collecting device is incident, after the sunlight is converted into heat energy in the light receiving part, Even if heat radiation is performed inside a certain light receiving part, the energy can be reabsorbed by the light receiving part itself. For this reason, most heat energy converted from sunlight by the light receiving unit can be radiated into the furnace body as heat radiation, so that the heat conversion efficiency can be further increased.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1乃至図4は本発明の太陽炉装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。 1 to 4 show an embodiment of the solar furnace apparatus of the present invention, which has the following configuration.
すなわち、反応物12を収容するための炉本体10を、該炉本体10の所要個所、たとえば、該炉本体10の頂部に所要の集光装置13で集光した太陽光7を受光できるように設ける。更に、上記炉本体10における上記太陽光7の受光個所である頂部に、受光する太陽光7を高効率で熱エネルギーに変換することができる材質製の受光部11を設けて、本発明の太陽炉装置9を構成する。
That is, the
詳述すると、上記炉本体10は、たとえば、上下方向に所要寸法延びる円筒容器状としてある。更に、側壁部における周方向180度対向する個所に、ガス供給管14と、ガス排出管15をそれぞれ接続した構成としてある。
More specifically, the
なお、上記炉本体10は、熱伝導率の低い材質を用いるか、又は、受光部11を除いた個所の外側に図示しない断熱材を設ける等して炉内と外部の断熱を図ることで、炉内の熱が外部へ逃げることを抑制できるようにしてあるものとする。更に、上記炉本体10の所要個所には、図示しない開閉機構付きの開口部を設けて固体の反応物12や固体の反応生成物を出し入れすることができるようにしてあるものとする。
The
上記受光部11は、たとえば、上下方向に所要寸法延びる円筒状の側壁部11aの上端側に中央部に小孔11cを穿設した天井部11bを備え、且つ、上記側壁部11aの下端側を底部11dで気密に閉塞させたキャビティ形状としてある。
The
上記キャビティ形状とした受光部11は、上記炉本体10の天井部分の中央に設けた開口10aに、側壁部11aの上端部外周面を気密に取り付けることで、該側壁部11aの上端部を除く部分と、底部11dが炉本体10の内側へ露出されるようにしてある。
The cavity-shaped
更に、上記所要の集光装置13は、太陽光7を集光できるようにしてあれば、1段で集光を行うもの、多段階の集光を行うもの等、いかなる形式の集光装置を用いてもよいが、最終的に集光ミラーや集光レンズ等を用いることで、集光した太陽光7を上記太陽炉装置9の受光部11の天井部11bに設けた小孔11cの内側で一旦集束させることができるようにしてあるものとする。なお、図1では、集光装置13の一例としてフレネルレンズが示してある。これにより、上記集光装置13で集光した太陽光7を、上記太陽炉装置9のキャビティ形状としてある受光部11の天井部11bに設けた小孔11cを通して該受光部11の内側へ照射させることができるようにしてある。
Further, the required
以上の構成としてある本発明の太陽炉装置9を、たとえば、金属酸化物の還元処理に用いる場合は、炉本体10の内側に反応物12として、金属酸化物(MmOn)と炭素(C)の混合物を入れる。又、上記ガス供給管14よりアルゴン等の不活性ガスをキャリアガス16として供給するようにする。
When the solar furnace device 9 of the present invention having the above-described configuration is used, for example, for reduction treatment of metal oxide, metal oxide (M m O n ) and carbon ( Add the mixture of C). Further, an inert gas such as argon is supplied as a
この状態で、太陽光7が上記集光装置13で集光されて、上記受光部11の天井部11bに設けた小孔11cを通して該受光部11の内側に照射されるようになると、この太陽光7を受光した受光部11で太陽光7の熱エネルギーへの変換が高効率で行われる。これにより、太陽光7のエネルギーが集中している可視域から近赤外域の波長の電磁波も効率よく熱エネルギーに変換される。
In this state, when the
上記のようにして受光部11にて太陽光7の熱エネルギーへの変換が行われると、該受光部11が発熱して、該受光部11より熱輻射が生じるようになる。
When the
この際、上記受光部11は天井部11bの小孔11cのみで外部と連通するキャビティ形状としてあると共に、その内側で太陽光7を受光するようにしてあるため、太陽光7を受光して発熱した部分から該受光部11の内側へ熱輻射が行われても、そのエネルギーの大部分は受光部11で再吸収されるようになる。したがって、上記受光部11では、上記太陽光7を変換して得られた熱エネルギーの大部分が、側壁部と11aと底部11dより熱輻射として炉本体10の内側へ放射されるようになる。
At this time, the
ここで、太陽光7と、上記受光部11からの熱輻射に着目すると、地表に到達する太陽光7の日射量のスペクトル分布は、図2に示すように、主として可視域や近赤外域の波長に集中しているのに対し、上記受光部11が1000K〜1400Kの温度域となる場合の熱輻射で生じる電磁波のスペクトル分布は、図3に示すように、エネルギーが集中する領域がより長波長側にシフトするようになる。なお、図3より明らかなように、上記1000K〜1400Kの温度域では、熱輻射のエネルギーの集中する領域が、図2に示す太陽光7のスペクトル分布のエネルギーが集中する領域とは大きく異なるため、特別な放射特性を有する材質である必要はない。
Here, paying attention to the
したがって、上記炉本体10の内部の反応物12に対しては、受光部11より太陽光7よりも長波長側の赤外域にエネルギーが集中する熱輻射が行われるようになる。このために、上記反応物12が、図4に反射スペクトルを示す酸化亜鉛のように、上記可視域や近赤外域の波長の電磁波の反射率が高い、すなわち、太陽光7のエネルギーが集中する可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物12であっても、上記受光部11より熱放射される太陽光7よりも長波長側にシフトした赤外域の波長の電磁波の吸収による熱エネルギーへの変換が行われて、該反応物12が発熱するため、炉内温度環境が千度から千数百度まで加熱されるようになる。
Therefore, thermal radiation in which energy concentrates in the infrared region longer than the
上記のようにして炉本体10の内部で高温の炉内温度条件が得られると、上記反応物12中の金属酸化物(MmOn)の炭素(C)による還元反応が進行して、反応生成物として単体の金属(mM)と一酸化炭素(CO)が生成されるようになる。上記単体の金属(mM)は、炉本体10内に残る一方、上記一酸化炭素(CO)は、上記ガス供給管14より炉本体10内に供給されるキャリアガスの流れに同伴されてガス排出管15より炉外へ排出されるようになる。
When a high furnace temperature condition is obtained inside the
このように、本発明の太陽炉装置9によれば、集光装置13で集光した太陽光7を、炉本体10の受光部11で受光して熱エネルギーに変換した後、該受光部11より炉本体10内の反応物12に向けて熱輻射させることで、該反応物12に対しては、太陽光7よりも長波長側にシフトした赤外域にエネルギーが集中する電磁波を作用させて、該電磁波を吸収する反応物12自体で熱エネルギーへの変換を行わせることで、該反応物12を高温に加熱することができる。
As described above, according to the solar furnace device 9 of the present invention, the
よって、可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物12であっても、太陽光7の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、該反応物12を、上記太陽光7のエネルギーに由来する熱エネルギーで効率よく加熱することができ、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができることから、熱損失を抑えることが可能となる。
Therefore, even if it is the
更に、上記炉本体10には、太陽光7を透過させる透過窓が不要なため、従来要していた如き炉の運転を停止して行う定期的な透過窓のメンテナンスが必要ないため、本発明の太陽炉装置9によれば、長時間の連続運転をすることが可能になる。
Furthermore, since the
上記実施の形態においては、太陽炉装置9の炉本体10に設ける受光部11を、キャビティ形状として、その内部で太陽光7を受光するものとして示したが、炉本体10のサイズや、太陽光7の集光に用いる図示しない集光装置の集光能力に応じて、たとえば、図5に示すように、炉本体10の上記図示しない集光装置を経て集光された太陽光7が照射される部分に、上記キャビティ形状の受光部11に代えて、平板状の受光部11Aを設けるようにしてもよい。
In the said embodiment, although the light-receiving
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、太陽光7のエネルギーが集中する可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有している反応物12であれば、酸化亜鉛以外の反応物12を高温で処理するための炉として適用してもよい。更には、可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が高い吸収波長選択性を有している反応物12であっても、高温の炉内温度環境で長時間に亘る連続処理が必要な場合の炉として適用してもよい。
In addition, this invention is not limited only to said each embodiment, It has absorption wavelength selectivity with the low absorption factor of the electromagnetic wave of the wavelength of the visible region and the near infrared region where the energy of
炉本体10に設ける受光部11の位置や形状は、炉本体10の形状や、集光装置13より太陽光7が照射される方向に応じて適宜変更してもよい。
The position and shape of the
炉本体10は、反応物12の供給機構と反応生成物の取出機構を備えて、反応物12の炉内への供給と反応生成物を炉外への取り出しを連続的に行うことができるようにした形式のものをとしてもよい。
The
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。 Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
7 太陽光
9 太陽炉装置
10 炉本体
11,11A 受光部
11c 小孔
12 反応物
13 集光装置
7 Sunlight 9
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