JP2015203515A - 太陽熱蓄熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】安定して熱エネルギーが供給できる太陽熱蓄熱システムを提供する。
【解決手段】太陽熱蓄熱システム１００は、太陽熱を吸収する受熱部１と、受熱部１を通過して太陽熱を吸収した熱媒体からエネルギーを取り出すエネルギー変換部２と、受熱部１とエネルギー変換部２とを接続し、熱媒体が流通する流路配管３と、流路配管３に接続され、熱媒体が通過する緩衝器４と、を備える。緩衝器４は、筐体４４と、筐体４４の内部に設けられ、熱媒体が直接接触するとともに当該熱媒体が透過可能な固体材料４３、４５とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱蓄熱システムに関する。

近年、化石燃料の枯渇、環境破壊への対策が大きな課題となっている。このような課題を解決するために、水力、風力、潮力、波力、地熱、太陽光、太陽熱などの自然エネルギーの検討、利用が進められている。中でも太陽熱を利用した太陽熱発電は、比較的安価な設備で大きなエネルギーを得ることができること、蓄熱器を利用することにより夜間でも発電が可能になることから、自然エネルギーを利用した大規模発電として、注目されている。

太陽電池を用いた太陽光発電は、発電パネルの面積が発電量および設備コストと相関が高い。これに対しミラーを用い集熱する太陽熱発電では、ミラーの面積と発電量との相関はあるが、ミラーはコストの高い設備ではないため、ミラーの面積と発電コストとの相関は高くない。このため、発電設備が大規模になるほど電力コストが安くなる特徴があり、大規模発電に向いている。

しかしながら、太陽熱発電では大規模になるほど、発電量の変動が電力系統に与える影響が大きくなる。例えば、太陽熱発電においては、曇等により急激に発電量が低下することがある。このような問題を解決するために、特許文献１には、夜間の発電のための蓄熱器とは別に短時間の変動に対応する蓄熱器が提案されている。

具体的には、相変化媒体が担持され、熱媒体が流通する複数の第１蓄熱タンクと、相変化媒体を含まない第２蓄熱タンクがソーラーフィールドに対し並列に接続されている。このようなシステムを用いることにより、曇等により太陽光が急に得られなくなったときには、成層化タンク（第１蓄熱タンク）への熱媒体の供給を止め、代わりに、成層化タンク（第２蓄熱タンク）に貯蔵されている熱媒体を外部へ放出する。即ち、急に十分な太陽光が得られなくなった場合には、成層化タンク（第２蓄熱タンク）に貯蔵されていた熱媒体を太陽熱放熱部に供給する。成層化タンク（第２蓄熱タンク）には、直前まで高温の熱媒体が供給されていたため、ほとんど温度が低下していない高温の熱媒体を太陽熱放熱部に供給することができる。このようにすることにより、応答性をより良好なものにすることができる。即ち、雲等により十分な太陽光が得られない時に、発電システムが冷却されることを防止することができる。これにより、気象変化による発電量の低下を抑制することができることが記載されている。

特開２０１４−４７９９２号公報

しかしながら、太陽熱発電が、大規模になるに従って電力系統に与える影響は大きくなる。曇天時に蓄熱器の応答性が悪いと、充分な熱エネルギーを供給できず発電量の低下をきたし、電圧変動、周波数変動の原因となる。

このような課題を鑑み、本発明では安定して熱エネルギーが供給できる太陽熱蓄熱システムを提供することを目的とする。

本発明の太陽熱蓄熱システムは、太陽熱を吸収する受熱部と、前記受熱部を通過して前記太陽熱を吸収した熱媒体からエネルギーを取り出すエネルギー変換部と、前記受熱部と前記エネルギー変換部とを接続し、熱媒体が流通する流路配管と、 前記流路配管に接続され、熱媒体が透過する緩衝器と、を備え、前記緩衝器は、筐体と、当該筐体の内部に設けられ、熱媒体と直接接触する熱媒体が直接接触とともに当該熱媒体が透過可能な固体材料を含む。
このような太陽熱蓄熱システムによれば、急激な出力変動に対応が可能な固体材料を内部に備えた緩衝器を有している。固体材料は、内部に熱媒体が侵入することができ、直接熱媒体と熱交換することができるので、効率良く熱を引き出すことができる。このため、発電時に急激な天候変化があっても電圧変動、周波数変動への影響を小さくすることができる。

本発明の太陽熱蓄熱システムは、さらに次の態様が望ましい。

前記固体材料は、粒体、板の集合体、発泡体またはハニカム体の少なくとも一つから選択される物体である。
固体材料が粒体、多層板、発泡体またはハニカム体であると、少ない抵抗で熱媒体が内部を通過することができる。例えば、太陽に雲がかかり急激に発生エネルギーが低下したときでも、スムーズに発電量の低下を補う熱量を途切れることなく供給することができる。

前記緩衝器は、前記流路配管に接続された第１接続孔と第２接続孔とを有し、前記固体材料は、前記第１接続孔と前記第２接続孔とを結ぶ熱媒体の流れに沿って流路が配置されたハニカム体である。
ハニカム体は、流路の方向への抵抗は少ないうえに、熱媒体と直接熱交換する内壁の面積を大きくすることができるので、第１接続孔と第２接続孔とを結ぶ熱媒体の流れに沿って流路を配置することにより、ハニカム体内部に蓄えられた熱エネルギーを効率良く引き出すことができる。

太陽熱蓄熱システムは、熱媒体の流れに沿って、前記受熱部、前記緩衝器、前記エネルギー変換部の順に直列接続されている。
受熱部と、緩衝器とエネルギー変換部の順に直列接続されることにより、受熱部で発生した熱エネルギーを中間にある緩衝器で一旦蓄えることによって、エネルギー変換部に供給される熱エネルギーを安定化することができる。なお、受熱部、緩衝器、エネルギー変換部の順に直列接続する場合には、熱媒体を循環させても循環させなくてもよく、循環させない場合には、熱媒体として空気を用いることが好ましい。熱媒体を循環させない太陽熱蓄熱システムで空気を熱媒体として用いた場合には、受熱部近傍の空気を取り込んで、エネルギー変換部で熱エネルギーが取り出された後の空気は、放出させることができる。

前記流路配管が、前記受熱部と前記エネルギー変換部との間を熱媒体が循環する閉回路を構成し、前記緩衝器が前記受熱部及び前記エネルギー変換部と並列となるよう接続されるとともに、前記緩衝器と高温側の流路配管との接続箇所には前記受熱部又は前記緩衝器への熱媒体の流れを閉鎖する第１切替弁を有し、前記緩衝器と低温側の流路配管との接続箇所には前記受熱部又は前記緩衝器への熱媒体の流れを第１切替弁と連動して閉鎖する第２切替弁を有する。
熱媒体が循環するように流路配管が閉回路を構成し、受熱部、エネルギー変換部と並列となるように緩衝器を備えることによっても、太陽に雲がかかり急激に発生エネルギーが低下したときでも、スムーズに発電量の低下を補い熱量を途切れることなく供給することができる。このような流路配管の構成の場合、受熱部で熱エネルギーが発生しているときは、第１切替弁及び第２切替弁ともに全方向を開放し、受熱部で受けた熱エネルギーをエネルギー変換部及び緩衝器に分配する。受熱部で発生する熱エネルギーが低下した場合には、第１切替弁及び第２切替弁の受熱部への流れを絞り、緩衝器とエネルギー変換部とのループが中心となる熱媒体の流れを形成する。このように制御することによって、例えば太陽に雲がかかり急激に発生エネルギーが低下したときでも、スムーズに発電量の低下を補う熱量を途切れることなく供給することができる。

前記緩衝器は、第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を備えたバイパス配管を有する。
前記緩衝器に第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を有するバイパス配管を有することにより、エネルギー変換部への熱エネルギーの量は、受熱部のみからの熱エネルギーと緩衝器のみからの熱エネルギーの範囲で自由に調整することができる。このような調整をすることにより、エネルギー変換部への熱エネルギーの量のハンチングあるいはオーバーシュートを防止することができる。太陽に雲がかかったあと、太陽が照り始めたときなどに能動的に制御することにより、より効果を発揮することができる。

前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置により制御される。
さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置によって、第１流量制御弁及び第２流量制御弁を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

前記緩衝器が第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器よりも熱容量の大きい蓄熱器を有する。
前記緩衝器に第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器より熱容量の大きい蓄熱器を有することにより、受熱部で発生した熱エネルギーを適宜分配することができる。日照が弱いときには、第1流量制御弁を開け、第３流量制御弁を絞り、蓄熱する熱エネルギーの比率を下げ、日照が強いときには、第1流量制御弁を絞り、第３流量制御弁を開け、余剰な熱エネルギーを蓄熱することができる。

前記第１流量制御弁及び前記第３流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度の一定にする制御装置により制御される。
さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置によって、第１流量制御弁及び第３流量制御弁を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

前記緩衝器に第１流量制御弁と、前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を備えたバイパス配管と、前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器よりも熱容量の大きい蓄熱器と、を有する。
前記緩衝器に第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を有するバイパス配管を有することにより、エネルギー変換部への熱エネルギーの量は、受熱部のみからの熱エネルギーと緩衝器のみからの熱エネルギーの範囲で自由に調整することができる。このような調整をすることにより、エネルギー変換部への熱エネルギーの量のハンチングあるいはオーバーシュートを防止することができる。太陽に雲がかかったあと、太陽が照り始めたときなどに能動的に制御することにより、より効果を発揮することができる。
さらに、前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器より熱容量の大きい蓄熱器を有することにより、受熱部で発生した熱エネルギーを適宜分配することができる。日照が弱いときには、第1流量制御弁を開け、第３流量制御弁を絞り、蓄熱する熱エネルギーの比率を下げ、日照が強いときには、第1流量制御弁を絞り、第３流量制御弁を開け、余剰な熱エネルギーを蓄熱することができる。

前記第１流量制御弁、前記第２流量制御弁または前記第３流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置に接続されている。
さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置によって、第１流量制御弁、第２流量制御弁及び第３流量制御弁を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

本発明の太陽熱蓄熱システムは、急激な出力変動に対応が可能な固体材料を内部に備えた緩衝器を有している。固体材料は、内部に熱媒体が侵入することができ、直接熱媒体と熱交換することができるので、効率良く熱を引き出すことができる。このため、発電時に急激な天候変化があっても電圧変動、周波数変動への影響を小さくすることができる。

本発明の実施形態の太陽熱蓄熱システムを含む太陽熱発電システムのシステム構成図 太陽熱蓄熱システムにおける緩衝器の例であり、（ａ）はハニカム体、（ｂ）は板の集合体、を内部に含んで構成される例の斜視図 受熱部と緩衝器とエネルギー変換部が直列に接続され、流路配管の両端が開放した太陽熱蓄熱システムのシステム構成図 受熱部と緩衝器とエネルギー変換部が直列に接続され、流路配管が閉回路を構成する太陽熱蓄熱システムのシステム構成図 受熱部と緩衝器とエネルギー変換部が並列に接続され、流路配管が閉回路を構成する太陽熱蓄熱システムのシステム構成図 太陽熱蓄熱システムの緩衝器周辺（滞留部）の構成の例を示し、（ａ）は滞留部が緩衝器のみから構成される例であり、（ｂ）は緩衝器とバイパス配管が並列接続された滞留部の例であり、（ｃ）は緩衝器と蓄熱器が並列接続された滞留部の例であり、（ｄ）は緩衝器と蓄熱器とバイパス配管が並列接続された滞留部の例。 太陽熱蓄熱システムの一例のシステム構成図 太陽熱蓄熱システムの他の例のシステム構成図 太陽熱蓄熱システムの更に他の例のシステム構成図

本発明について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態である太陽熱蓄熱システム１００を用いた太陽熱発電システム１０００のシステム構成図である。太陽熱発電システム１０００は、ミラー１２０と、太陽熱蓄熱システム１００と、スチームガスタービン発電機１３０より構成される。本実施形態では、太陽熱蓄熱システム１００とスチームガスタービン発電機１３０を媒介するエネルギー変換部２は熱交換器により構成されている。

本実施形態の太陽熱蓄熱システム１００は、ミラー１２０により導かれた太陽光の太陽熱を吸収する受熱部１と、エネルギー変換部２と、受熱部１とエネルギー変換部２とを接続し熱媒体が流通する流路配管３と、流路配管３に接続され、熱媒体が透過する緩衝器４と、を備える。ここで緩衝器４は、筐体４４（図２参照）と、筐体４４の内部に設けられ、熱媒体が直接接触するとともに当該熱媒体が透過可能な固体材料（図２の例ではハニカム体４３または板の集合体４５）とを含む。受熱部１を通過する熱媒体は、受熱部１が吸収した太陽熱を吸収して流路配管３を流通し、エネルギー変換部２は当該熱媒体から太陽熱に基づくエネルギーを取り出す役割を果たす。取り出されたエネルギーにより、スチームガスタービン発電機１３０が運転し、電力が生成される。

本太陽熱蓄熱システム１００は、急激な出力変動に対応が可能であり、熱媒体が直接接触するとともに当該熱媒体が透過可能な固体材料を、緩衝器４の内部に有している。この固体材料は、内部に熱媒体が侵入することができ、直接熱媒体と熱交換することができるので、効率良く熱を引き出すことができる。このため、発電時に急激な天候変化があっても電圧変動、周波数変動への影響を小さくすることができる。

また、本太陽熱蓄熱システム１００は、緩衝器４と並列に備えられるバイパス配管７１、蓄熱器７２を備える。緩衝器４周辺の熱媒体が滞留する部分は滞留部Ａとして定義付けられ、緩衝器４、バイパス配管７１、蓄熱器７２、第１〜３流量制御弁６１、６２、６３（図６参照）が滞留部に含まれ得る。

本発明の太陽熱蓄熱システムには、例えば以下の様な各構成要素の変更により、種々の態様が存在する。もちろん、太陽熱蓄熱システムは下記の構成要素に限定されるものではない。

（Ａ）緩衝器の内部に備えられた固体材料の態様
（Ｂ）緩衝器の接続方法
Ｂ１ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が直列で両端が開放
Ｂ２ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が直列で閉回路
Ｂ３ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が並列で閉回路
（Ｃ）緩衝器と並列に備えられるバイパス配管、蓄熱器の有無（滞留部の態様）
Ｃ１ 緩衝器のみ
Ｃ２ 緩衝器とバイパス配管
Ｃ３ 緩衝器と蓄熱器
Ｃ４ 緩衝器とバイパス配管と蓄熱器

＜（Ａ）緩衝器の内部に備えられた固体材料の態様＞
図２は太陽熱蓄熱システム１００に用いられる緩衝器４の実施形態の例を示す斜視図であり、（ａ）は緩衝器４の内部の固体材料がハニカム体の例、（ｂ）は緩衝器４の内部の固体材料が板の集合体の例である。図２では緩衝器４の内部の固体材料を説明するため、緩衝器４の筐体４４を通過して内部が見える状態で示している。

図２（ａ）の例では、筐体４４の両端に流路配管３に接続された第１接続孔４１及び第２接続孔４２が設けられている。筐体４４の内部に固体材料として第１接続孔４１及び第２接続孔４２を結ぶ熱媒体の流れに沿って流路４３ａが配置されたハニカム体４３が備えられている。

図２（ｂ）の例では、筐体４４の両端に流路配管３に接続された第１接続孔４１及び第２接続孔４２が設けられている。筐体４４の内部に固体材料として第１接続孔４１及び第２接続孔４２を結ぶ熱媒体の流れに沿って配置された板の集合体４５が備えられている。板の集合体４５は、互いに平行に配置された複数の板４５ｂからなり、各板４５ｂの間には、流路４５ａが形成される。

上記の例のように、固体材料の種類は特に限定されないが、例えば、ハニカム体、板の集合体、発泡体、粒体などが挙げられる。

ハニカム体としては、ＳｉＣ、コージェライト、アルミナ、黒鉛、炭素などのセラミックのハニカム体のほか鉄、アルミニウムなど金属などのハニカム体も利用することができる。

板の集合体としては、特に限定されないが、例えば、間隔を開けて、好ましくは互いに平行に配置された板の集合体などである。板の材質は特に限定されない。ＳｉＣ、コージェライト、アルミナ、黒鉛、炭素などのセラミックの板のほか鉄、アルミニウムなど金属などの板も利用することができる。

発泡体としては、火山の噴火などによって得られる軽石、発泡フェノール樹脂を炭化して得られるカーボンフォームなどのセラミックの発泡体、金属の内部に気孔を有する金属の発泡体などが挙げられる。

粒体としては、特に限定されないが、金属、セラミックなどが挙げられる。セラミックの場合には、例えばジョークラッシャなどで粗粉砕し得られた粒体などが挙げられる。粒体の粒の平均粒子直径は、特に限定されないが、例えば１〜３０ｍｍである。粒体の粒の平均粒子直径は、多段の篩を用いた分粒法によって測定することができる。具体的には、篩の空隙の大きさと各篩を通過した重量を分析し、得られる。

いずれの形態の固体材料の材質について、特に限定されないが、例えば、黒鉛、ＳｉＣ、コージェライト、アルミナなどのセラミック、鉄、アルミニウムなどの金属を利用することができる。中でもセラミックは、耐蝕性、耐熱性を備えているので好適に利用することができる。

図２（ａ）に示したハニカム体４３は、流路の方向への抵抗は少ないうえに、熱媒体と直接熱交換する内壁の面積を大きくすることが可能である。したがって、第１接続孔４１と第２接続孔４２とを結ぶ熱媒体の流れに沿って流路を配置することにより、ハニカム体４３の内部に蓄えられた熱エネルギーを効率良く引き出すことができる。

＜（Ｂ）緩衝器の接続方法＞
上述したように、緩衝器は、例えば次のように接続される。
Ｂ１ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が直列で両端が開放
Ｂ２ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が直列で閉回路
Ｂ３ 受熱部、緩衝器、エネルギー変換部が並列で閉回路

エネルギー変換部の種類は、特に限定されない。図１の例では、エネルギー変換部２は熱媒体の熱エネルギーを用いて別の熱媒体を暖める熱交換器より構成される。また、エネルギー変換部は、熱媒体の熱エネルギーをそのまま運動エネルギーに変換するタービンなどによっても構成され得る。タービンとしては、熱媒体の種類によって適宜選択され、蒸気タービン、ガスタービンなどが利用できる。

図１の実施形態における受熱部１は、ミラーの集光部に備えられた光−熱変換媒体であり、例えば、ハニカム状、多孔体状など様々な形態の物が利用できる。

図３は、受熱部１と緩衝器４とエネルギー変換部２が流路配管３により直列に接続され、流路配管３の両端が開放された太陽熱蓄熱システム１００の例を示すシステム構成図である（Ｂ１）。受熱部１、緩衝器４、エネルギー変換部２が直列接続で両端が開放の場合、両端が開放されているので熱媒体としては例えば空気を用いることができる。
受熱部１では、周囲の空気を熱媒体として取り込み、受熱部１で加熱したのち、流路配管３を通って緩衝器４を経由した後、エネルギー変換部２に導かれる。エネルギー変換部２では、例えば熱交換または、タービンによる運動エネルギーへの変換が行われる。こののち、熱媒体である空気は、大気中に戻される。この構成の太陽熱蓄熱システム１００においては、緩衝器４に熱エネルギーが蓄積されているので、日照量が減少しても、エネルギー変換部２に届けられる熱エネルギーは急速に減少せず、なだらかに減少し、電力系統に与える影響を少なくすることができる。

図４は、受熱部１と緩衝器４とエネルギー変換部２が流路配管３により直列に接続され、流路配管３が閉回路を構成する太陽熱蓄熱システム１００の例を示すシステム構成図である（Ｂ２）。受熱部１、緩衝器４、エネルギー変換部２が直列接続で閉回路を構成する場合、流路配管３は開放しておらず、熱媒体が、エネルギー変換部２から受熱部１に戻るように構成される。このため、熱媒体は特に限定されず、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気など様々なものが利用できる。

受熱部１では、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気などの熱媒体を受熱部１で加熱したのち、流路配管３を通って緩衝器４を経由した後、エネルギー変換部２に導かれる。エネルギー変換部２では、例えば熱交換または、タービンによる運動エネルギーへの変換が行われる。こののち、冷却した熱媒体は、流路配管３を経由して受熱部１に戻される。この構成の太陽熱蓄熱システム１００においては、緩衝器４に熱エネルギーが蓄積されているので、日照量が減少しても、エネルギー変換部２に届けられる熱エネルギーは急速に減少せず、なだらかに減少し、電力系統に与える影響を少なくすることができる。

図５は、受熱部１と緩衝器４とエネルギー変換部２が流路配管３により並列に接続され、流路配管３が閉回路を構成する太陽熱蓄熱システム１００の例を示すシステム構成図である（Ｂ３）。受熱部１、緩衝器４、エネルギー変換部２が並列接続で閉回路を構成する場合、流路配管３は開放しておらず、熱媒体が、エネルギー変換部２から受熱部１に戻るように構成される。このため、熱媒体は特に限定されず、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気など様々なものが利用できる。

さらにこの実施形態では、緩衝器４と高温側の流路配管３との接続箇所には受熱部１又は緩衝器４への熱媒体の流れを閉鎖する第１切替弁５１が設けられている。さらに、緩衝器４と低温側の流路配管３との接続箇所には受熱部１又は緩衝器４への熱媒体の流れを第１切替弁５１と連動して閉鎖する第２切替弁５２が設けられている。

受熱部１では、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気などの熱媒体を受熱部１で加熱したのち、流路配管３を通り、第１切替弁５１で緩衝器４とエネルギー変換部２に分配される。エネルギー変換部２では専ら、例えば熱交換または、タービンによる運動エネルギーへの変換が行われる。また、緩衝器４では、熱エネルギーが貯蔵される。こののち、緩衝器４、エネルギー変換部２を経た熱媒体は、第２切替弁５２で集約され流路配管３を経由して受熱部１に戻される。この構成の太陽熱蓄熱システム１００においては、日照量が減ると、第１切替弁５１および第２切替弁５２の受熱部１側が絞られ、緩衝器４の内部を逆方向に熱媒体が流れるようになる。このような操作により、緩衝器４の内部に蓄積された熱エネルギーがエネルギー変換部２に導かれ、日照量の減少により発生する発電量の低下を補うことができる。

＜（Ｃ）緩衝器と並列に備えられるバイパス配管、蓄熱器の有無（滞留部の態様）＞
次に、緩衝器４と並列に備えられるバイパス配管７１、蓄熱器７２について説明する。本実施形態では緩衝器４周辺の熱媒体が滞留する部分を滞留部Ａ（図１参照）と呼び、緩衝器４の他にバイパス配管７１、蓄熱器７２、第１〜３流量制御弁６１、６２、６３が滞留部に含まれ得る。

図６に示すように、滞留部の例として、例えば以下４つの形態が挙げられる。以下順に説明する。

Ｃ１ 緩衝器のみ
Ｃ２ 緩衝器とバイパス配管
Ｃ３ 緩衝器と蓄熱器
Ｃ４ 緩衝器とバイパス配管と蓄熱器

蓄熱器７２は、緩衝器４よりも熱容量が大きい。蓄熱器７２の内部には、例えば、コンクリートの塊、潜熱蓄熱材などが封入されている。蓄熱器７２に潜熱蓄熱材を用いる場合には、蓄熱器７２の中を流路配管が通っており、流路配管の壁の伝熱によって熱交換が行われる。

図６（ａ）に示すように、滞留部が緩衝器４のみで構成される太陽熱蓄熱システム（Ｃ１）の場合は、簡単な構造で、緩衝器４の作用による日照量の低下を吸収できる太陽熱蓄熱システムを提供することができ、日照量の変化が電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

図６（ｂ）に示すように、滞留部が並列接続された緩衝器４とバイパス配管７１で構成される太陽熱蓄熱システム（Ｃ２）の場合、緩衝器４側には、第１流量制御弁が設けられ、バイパス配管側には第２流量制御弁が設けられている。

緩衝器４の上流側に第１流量制御弁６１を設け、緩衝器４と並列して第２流量制御弁６２を有するバイパス配管７１を設けることにより、エネルギー変換部２への熱エネルギーの量は、受熱部１のみからの熱エネルギーと緩衝器４のみからの熱エネルギーの範囲で自由に調整することができる。このような調整をすることにより、エネルギー変換部２への熱エネルギーの量のハンチングあるいはオーバーシュートを防止することができる。太陽に雲がかかったあと、太陽が照り始めたときなどに能動的に制御することにより、より効果を発揮することができる。

さらに本実施形態の太陽熱蓄熱システムの第１流量制御弁６１及び第２流量制御弁６２は、エネルギー変換部２に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置８０により制御されることが好ましい（図８参照）。

具体的には、制御装置８０は、エネルギー変換部２の入口、緩衝器４の出口、バイパス配管７１の熱媒体の温度を測定し、得られた温度の値に応じて第１流量制御弁６１及び第２流量制御弁６２の開度を調整する。

なお、バイパス配管７１の熱媒体の温度は、受熱部１からバイパス配管７１または緩衝器４入口の範囲の中であれば同等の温度であるので、どこで測定しても良い。

なお、入口及び出口とは、熱媒体の流れの方向に対して定義される。このため、図５のように受熱部１、緩衝器４、エネルギー変換部２が並列となった閉回路を構成している場合（Ｂ３）、緩衝器４に対する熱媒体の流れる方向が入れ替わるので、熱媒体の流れる方向によって、入口及び出口が変わる。

さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置８０によって、第１流量制御弁６１及び第２流量制御弁６２を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

図６（ｃ）に示すように、滞留部が並列接続された緩衝器４と蓄熱器７２で構成される太陽熱蓄熱システム（Ｃ３）の場合、緩衝器４側には、第１流量制御弁６１が備えられ、蓄熱器７２側には第３流量制御弁６３が備えられている。

緩衝器４の上流側に第１流量制御弁６１を設け、緩衝器４と並列して第３流量制御弁６３を備えた緩衝器４より熱容量の大きい蓄熱器７２を設けることにより、受熱部１で発生した熱エネルギーを適宜分配することができる。日照が弱いときには、第１流量制御弁６１を開け、第３流量制御弁６３を絞り、蓄熱する熱エネルギーの比率を下げ、日照が強いときには、第１流量制御弁６１を絞り、第３流量制御弁６３を開け、余剰な熱エネルギーを蓄熱することができる。

本実施形態の太陽熱蓄熱システムの第１流量制御弁６１及び第３流量制御弁６３は、エネルギー変換部２に導入される熱媒体の温度の一定にする制御装置８０により制御されることが好ましい（図８参照）。

具体的には、エネルギー変換部２の入口、緩衝器４の出口、蓄熱器７２の出口の熱媒体の温度を測定し、得られた温度の値に応じて第１流量制御弁６１及び第３流量制御弁６３の開度を調整する。

さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置８０によって、第１流量制御弁６１及び第３流量制御弁６３を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

図６（ｄ）に示すように、滞留部が並列接続された緩衝器４とバイパス配管７１と蓄熱器７２とで構成される太陽熱蓄熱システム（Ｃ４）の場合、緩衝器４側には、第１流量制御弁６１が設けられ、バイパス配管７１側には、第２流量制御弁６２が設けられ、蓄熱器７２側には第３流量制御弁６３が設けられている。

緩衝器４の上流側に第１流量制御弁６１を設け、緩衝器４と並列して第２流量制御弁６２を有するバイパス配管７１を有することにより、エネルギー変換部２への熱エネルギーの量は、受熱部１のみからの熱エネルギーと緩衝器４のみからの熱エネルギーの範囲で自由に調整することができる。このような調整をすることにより、エネルギー変換部２への熱エネルギーの量のハンチングあるいはオーバーシュートを防止することができる。太陽に雲がかかったあと、太陽が照り始めたときなどに能動的に制御することにより、より効果を発揮することができる。

さらに、緩衝器４と並列して第３流量制御弁６３を備えた緩衝器４より熱容量の大きい蓄熱器７２を有することにより、受熱部１で発生した熱エネルギーを適宜分配することができる。日照が弱いときには、第１流量制御弁６１を開け、第３流量制御弁６３を絞り、蓄熱する熱エネルギーの比率を下げ、日照が強いときには、第１流量制御弁６１を絞り、第３流量制御弁６３を開け、余剰な熱エネルギーを蓄熱することができる。

本実施形態の太陽熱蓄熱システムの第１流量制御弁６１、第２流量制御弁６２または第３流量制御弁６３は、エネルギー変換部２に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置８０に接続されていることが好ましい（図８参照）。

さらに、熱媒体の温度を一定にする制御装置８０によって、第１流量制御弁６１、第２流量制御弁６２及び第３流量制御弁６３を能動的に制御することにより、発電量の変動を抑制することができ、電力系統へ与える影響を小さくすることができる。

図７は太陽熱蓄熱システム１００の一例を示し、図３に示した流路配管３の両端が開放された構成に、図６（ｃ）に示した滞留部が組み込まれている。このような構成の太陽熱蓄熱システム１００は、空気を熱媒体として好適に利用できる。

図８は太陽熱蓄熱システム１００の他の例を示し、図４に示した流路配管３の閉回路の構成に、図６（ｄ）に示した滞留部が組み込まれている。熱媒体は特に限定されず、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気など様々なものが利用できる。なお、本図においてのみ制御装置８０が示されているが、制御装置は他の図に示した形態にも当然適用可能である。

図９は太陽熱蓄熱システム１００の他の例を示し、図５に示した流路配管３の閉回路の構成において、第１切替弁５１と第２切替弁５２との間に、第１流量制御弁６１および緩衝器４の直列接続と、第３流量制御弁６３と蓄熱器７２の直列接続とが、互いに並列接続された状態で設けられている。熱媒体は特に限定されず、各種の熱媒オイル、ガス、蒸気など様々なものが利用できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更又は応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

本発明の太陽熱蓄熱システムによれば、急激な天候変化があっても電圧変動、周波数変動への影響を抑制することが可能なため、安定した熱エネルギーの供給が可能となり、自然エネルギーの利用が促進され得る。

１ 受熱部
２ エネルギー変換部
３ 流路配管
４ 緩衝器
４１ 第１接続孔
４２ 第２接続孔
４３ ハニカム体（固体材料）
４４ 筐体
４５ 板の集合体（固体材料）
５１ 第１切替弁
５２ 第２切替弁
６１ 第１流量制御弁
６２ 第２流量制御弁
６３ 第３流量制御弁
７１ バイパス配管
７２ 蓄熱器
８０ 制御装置
１００ 太陽熱蓄熱システム
１１０ 太陽
１２０ ミラー
１３０ スチームガスタービン発電機
１０００ 太陽熱発電システム

Claims (11)

1. 太陽熱を吸収する受熱部と、
   前記受熱部を通過して前記太陽熱を吸収した熱媒体からエネルギーを取り出すエネルギー変換部と、
   前記受熱部と前記エネルギー変換部とを接続し、熱媒体が流通する流路配管と、
   前記流路配管に接続され、熱媒体が透過する緩衝器と、を備え、
   前記緩衝器は、筐体と、当該筐体の内部に設けられ、熱媒体が直接接触するとともに当該熱媒体が透過可能な固体材料と、を含む、
   太陽熱蓄熱システム。
2. 前記固体材料は、粒体、板の集合体、発泡体またはハニカム体の少なくとも一つから選択される物体である、請求項１に記載の太陽熱蓄熱システム。
3. 前記緩衝器は、前記流路配管に接続された第１接続孔と第２接続孔とを有し、前記固体材料は、前記第１接続孔と前記第２接続孔とを結ぶ熱媒体の流れに沿って流路が配置されたハニカム体である、請求項２に記載の太陽熱蓄熱システム。
4. 前記太陽熱蓄熱システムは、熱媒体の流れに沿って前記受熱部、前記緩衝器、前記エネルギー変換部の順に直列接続されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
5. 前記太陽熱蓄熱システムは、
   前記流路配管が、前記受熱部と前記エネルギー変換部との間を熱媒体が循環する閉回路を構成し、前記緩衝器が前記受熱部及び前記エネルギー変換部と並列となるよう接続されるとともに、
   前記緩衝器と高温側の流路配管との接続箇所には前記受熱部又は前記緩衝器への熱媒体の流れを閉鎖する第１切替弁を有し、
   前記緩衝器と低温側の流路配管との接続箇所には前記受熱部又は前記緩衝器への熱媒体の流れを前記第１切替弁と連動して閉鎖する第２切替弁を有する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
6. 前記緩衝器は第１流量制御弁を有し、前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を備えたバイパス配管を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
7. 前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置により制御される、請求項６に記載の太陽熱蓄熱システム。
8. 前記緩衝器は第１流量制御弁を有し、
   前記太陽熱蓄熱システムは、
   前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器よりも熱容量の大きい蓄熱器を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
9. 前記第１流量制御弁及び前記第３流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度の一定にする制御装置により制御される、請求項８に記載の太陽熱蓄熱システム。
10. 前記緩衝器は第１流量制御弁を有し、
    前記太陽熱蓄熱システムは、
    前記緩衝器と並列して第２流量制御弁を備えたバイパス配管と、
    前記緩衝器と並列して第３流量制御弁を備えた前記緩衝器よりも熱容量の大きい蓄熱器と、
    を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システム。
11. 前記第１流量制御弁、前記第２流量制御弁または前記第３流量制御弁は、前記エネルギー変換部に導入される熱媒体の温度を一定にする制御装置に接続されている、請求項１０に記載の太陽熱蓄熱システム。

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