JP2018091554A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塊状の蓄熱材料を太陽光の集中照射領域に比較的長い時間位置させ、固体蓄熱材料に万遍なく蓄熱させて十分な熱エネルギーを取り出すことのできる蓄熱装置を提供する。
【解決手段】集光手段Ｅにより集光される太陽光を蓄熱面２１に照射し、蓄熱面２１に熱を蓄積させる蓄熱装置１であって、蓄熱装置１は、前記太陽光の集中照射領域を包囲する筒状の外周壁１１と、外周壁１１内に収容された複数の塊状の固体蓄熱材料２と、を備え、外周壁１１の中には、内底１４と内底１４の外側の外底１３とが互いに相対移動可能に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、集光した熱エネルギーを蓄熱する蓄熱装置に関する。

現代の生活は大量のエネルギーを必要としている。今までは化石燃料や原子力に頼ってエネルギーを作り出していたが、地球温暖化や原発事故などの影響により、安全でクリーンな再生可能エネルギーに注目が集まっている。その中でも太陽エネルギーは膨大なエネルギー量を誇っており、これからの技術開発に期待がかかっている。太陽エネルギーといえば太陽光発電のように光を直接電力に変換し利用する方法が一般的に知られているが、近年、光を集光し熱に変え、その熱を有効利用することへの関心が高まっている。この集光型太陽熱利用は日本のみならず世界中の国々で研究が盛んになっている。

この種の集光型の太陽光集光装置は、太陽光を効率よく集めて熱エネルギーに変えるものであり、例えば、トラフ型やタワー型太陽集光装置が知られている。このような太陽光集光装置を利用するに際しては、集光した熱エネルギーを蓄熱する蓄熱装置の開発が望まれている。

アメリカやスペインにおいては、既に太陽熱を利用した水蒸気タービン発電が実用化されており、この水蒸気タービン発電においての蓄熱装置は、沸騰水を加熱した水蒸気や溶融塩に太陽熱が蓄熱できるようになっている。しかしながら水の臨界温度は３７４℃であり、それ以上の高温に適さないこと、溶融塩は５００℃以上で熱分解することから、これらの蓄熱材料は高温度域での稼働には適さなかった。

高温度域を生成可能な太陽光集光装置として、特許文献１に示されるようなビームダウン式太陽集光装置が知られている。この装置によると１，０００℃以上の高温環境が得られるようになっており、蓄熱材料に珪砂やマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）などの鉄酸化物や、炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる粒子を集熱容器内で気体を用いて循環流動させ、集熱容器上方より集光した太陽光を照射させ、蓄熱できるようになっている。

この特許文献１の太陽光を利用した集熱蓄熱装置によれば、粒子状の蓄熱材料を収容した蓄熱容器に管を挿通させ、管から空気・窒素・水蒸気などを流入させることにより、粒子状の蓄熱材料を気流に乗せて巻き上げて蓄熱材料の流動層を形成し、この蓄熱材料の流動層に、太陽集光手段により集光された太陽光を照射することにより蓄熱材料に蓄熱可能となっている。

他にも、粒子状の蓄熱材料をカーテン状に流下させ、そこに太陽集光手段により集光された太陽光を照射させて蓄熱させる集熱蓄熱装置も知られている。

国際公開２０１４−０３８５５３号公報（第１４頁、第１図）

しかしながら、特許文献１の蓄熱装置は、気流に乗せて巻き上げた蓄熱材料の流動層に太陽光を照射するため、容器内の蓄熱に供される蓄熱材料の質量には限界があり、十分な熱エネルギーを取り出すことはできないばかりか、容器内の気体の取り扱いも煩雑となる。

また、粒子状の蓄熱材料をカーテン状に流下させる方式にあっても、流下時の蓄熱材料に瞬間的に太陽光を照射するため、十分な熱エネルギーを取り出すことはできないばかりか、粒子状の蓄熱材料の流量コントロールも煩雑となる。

そこで、本発明は、塊状の蓄熱材料を太陽光の集中照射領域に比較的長い時間位置させ、該固体蓄熱材料に万遍なく蓄熱させて十分な熱エネルギーを取り出すことのできる蓄熱装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の蓄熱装置は、
集光手段により集光される太陽光を蓄熱面に照射させ、該蓄熱面に熱を蓄積させる蓄熱装置であって、
前記蓄熱装置は、前記太陽光の照射領域を包囲する筒状の外周壁と、該外周壁内に収容された複数の塊状の固体蓄熱材料と、を備え、前記外周壁の中には、内側の内底とその外側の外底とが互いに相対移動可能に配置されていることを特徴としている。

この特徴によると、外周壁内において内底と外底とを、例えば垂直方向に相対移動させることにより、外周壁内における固体蓄熱材料に高低差が発生し、塊状の固体蓄熱材料が外周壁内において対流するかのように移動する。したがって内底と外底の相対移動の速度を制御することで、太陽光の集中照射領域に新たな固体蓄熱材料が出現する時間をコントロールできることになり、蓄熱材料を太陽光の照射領域に比較的長い時間配置させ、固体蓄熱材料に万遍なく十分な熱エネルギーを蓄熱できることとなる。

前記外周壁内において、前記内底の下降移動と前記外底の上昇移動とによる両者の相対移動で、前記固体蓄熱材料の表面形状が略テーパ―凹形状になるように制御されることを特徴としている。
この特徴によると、集光された太陽光は集光手段の中心から外側に広がるため、略テーパ―凹形状になる外周部で固体蓄熱材料の高さが高くなることにより、筒状の外周壁の内壁に当たる光が減少し、入射損失を減少させ、集中照射している太陽光を無駄なく固定蓄熱材料へ照射させることができるため、蓄熱効率の向上を図ることができる。

前記内底の総面積と前記外底の総面積とが略同一であり、両者の上下移動速度が略同一に制御されることを特徴としている。
この特徴によると、内底と外底との相対移動時において、外周壁内における蓄熱面の表面が常に一定の高さに保たれることになり、固体蓄熱材料への蓄熱を安定して行うことができる。

前記内底と前記外底とは、該内底が降下する方向に相対移動するようになっていることを特徴としている。
この特徴によると、集光し蓄熱された中央部の固体蓄熱材料が、内周壁内に導入されて内底の底面側へ集中し密になることで、この蓄熱された熱が逃げ難くなり、保温効果を向上できることになる。

前記複数の塊状の固体蓄熱材料は、略球体に形成されていることを特徴としている。
この特徴によると、略球体の固体蓄熱材料は、収容された外周壁内の底面の昇降移動により転動しながら移動するため、固体蓄熱材料の表裏にかけて蓄熱させることができる。

前記複数の塊状の固体蓄熱材料は、それぞれが略同一形状で形成されていることを特徴としている。
この特徴によると、固体蓄熱材料が略同一形状であることから、固体蓄熱材料の均一な移動が可能になり、蓄熱面の形状がより安定するようになっている。

前記固体蓄熱材料は、アルミナ球を少なくとも含むことを特徴としている。
この特徴によると、アルミナは融点が２，０００℃以上と高いばかりか、その形状が球形の為に集光部からの照射により充分に蓄熱できる。また、球体ではない固体蓄熱材料をそのまま使うと内底と外底とが互いに相対移動する際に、往復動駆動装置におけるピストンやシリンダの隙間にかみこんでしまう恐れがあるため、アルミナ球を内底と外底とに数層敷き、球体ではない他の固体蓄熱材料とともに、蓄熱させるようにしてもよい。他の固体蓄熱材料としては、例えばフェロニッケルスラグなどの吸収率が高い個体蓄熱材料などを利用してもよい。

実施例１におけるビームダウン式太陽集光装置の概略図である。 実施例１における蓄熱装置を示す平面図である。 実施例１における蓄熱装置を示す上面図である。 実施例１における蓄熱装置内の時間の経過による動作状況と、固体蓄熱材料群の温度分布図を示す説明図である。 実施例１における蓄熱装置内の時間の経過による動作状況と、固体蓄熱材料群の温度分布図を示す説明図である。 実施例１における蓄熱装置内の固体蓄熱材料群の動きと温度を示すN部の拡大図である。 実施例１における蓄熱装置により蓄熱された固体蓄熱材料の、熱の取り出し方の一例を示す、説明図である。 実施例２におけるビームダウン式太陽集光装置の基本仕様を示す説明図である。 実施例２で用いた薄膜型熱流束計の構成図である。 実施例２における集光手段Ｅの平面上（ｚ＝−１５０ｍｍ）で熱流束分布を計測したときの実験条件を示す説明図である。 実施例２におけるｚ＝−１５０ｍｍからｚ＝−２５０ｍｍまで２５ｍｍずつ下方に位置を変えたときの実験条件を示す説明図である。 実施例２におけるｚ＝−１５０ｍｍのときの放射流束Ｒｆの分布を示す図である。 実施例２におけるｚ＝−１５０ｍｍからｚ＝−２５０ｍｍまで２５ｍｍずつ下方に位置を変えて求めた熱流束分布を示す図である。 実施例２における機械撹拌式顕熱蓄熱装置１の概略図である。 実施例２における蓄熱装置１への熱電対１〜１６の取り付け位置を示す説明図である。 実施例２における蓄熱装置１への熱電対１〜１６の取り付け位置を示す説明図である。 実施例２における蓄熱装置１に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態から定常状態になるまでの固体蓄熱材料群２の形状の変化を示す説明図である。 実施例２におけるビームダウン式太陽集光装置Ａでの蓄熱装置１の加熱実験の実験条件を示す説明図である。 実施例２におけるビームダウン式太陽集光装置での蓄熱装置１の加熱実験の結果を示す説明図である。 実施例２における実験後の内周壁１２内における温度分布図を示す。 実施例２における蓄熱装置１の蓄熱槽内部に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態の位置関係を示す説明図である。

本発明に係る蓄熱装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る蓄熱装置につき、図１から図７を参照して説明する。

本実施例において蓄熱装置は、例えば太陽光を利用したビームダウン式太陽集光装置に設置され、集光された光を蓄熱する装置として説明する。

図１はビームダウン式太陽集光装置の概略図であり、ビームダウン式太陽集光装置Ａは、地上に立設されるタワー８と、同じく地上に配置される複数のヘリオスタットＢ，Ｂ，・・・と、を備えている。タワー８は、その上部に半球状の反射鏡８０，８０が取り付けられ、且つ中央部に載置面８１を備え、この載置面８１には蓄熱装置１が設置されている。また、蓄熱装置１の上方には円筒状の集光手段Ｅが配置されている。

ヘリオスタットＢは、太陽追尾装置であり、太陽の動きに追従し、太陽光を平面鏡で反射させて一定の方向に送る装置である。複数のヘリオスタットＢ，Ｂ，・・・で反射された太陽光は、タワー８の反射鏡８０，８０と蓄熱装置１との間の所定位置（第一焦点Ｃ）で集光され、第一焦点Ｃにて集光された太陽光は、タワー８の上部に設置された反射鏡８０，８０で更に反射され、蓄熱装置１の上部に設置された集光手段Ｅ内（第二焦点Ｄ）で集光され直下するように、集光された光を照射させるようになっている。

図２及び図３に示されるように、蓄熱装置１は、耐熱性の高い素材からなる円筒状の外周壁１１と、同様に耐熱性の高い素材からなる円筒状の内周壁１２と、ドーナツ型の外底１３と、円形の内底１４と、外気との対流熱伝達を防止するガラス蓋１５と、から主に構成されている。外周壁１１は、筒状で、中心がくり抜かれており、内底１４と外側の外底１３とにより、外周壁１１の底部が形成されている。外周壁１１で囲まれた固体蓄熱材料群２を収容する部分を外円筒、内周壁１２で囲まれた固体蓄熱材料群２を収容する部分を内円筒ともいう。なお、図３は、図２に示す蓄熱装置１のＭ−Ｍ断面を示している。

図２に示されるように、蓄熱装置１は、外周壁１１内には、内底１４と外側の外底１３とを備え、内底１４と外側の外底１３とには、同一形状の球状に形成されたアルミナを複数集合した固体蓄熱材料群２を収容できるようになっている。固体蓄熱材料群２を構成する球体は、アルミナで構成されているためその融点が２，０００℃以上と高くなっている。外底１３と内底１４との形状は、外周壁１１と内周壁１２の形状に合わせて設けておく。

ガラス蓋１５は、光の透過率が高い石英ガラスで形成されているため、蓄熱装置１の蓋として機能して固体蓄熱材料群２が外気の影響で温度が低下することを防止するとともに、蓄熱装置１の上方に設置された集光手段Ｅから照射される光を外周壁１１内に透過させることができるようになっている。

図２に示される集光手段Ｅは集光強度を約４倍程度高めるＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）を備え、第二焦点Ｄにて集光された太陽光の強度を高め、蓄熱装置１のガラス蓋１５を通して固体蓄熱材料群２の蓄熱面２１へ照射するようになっている。

図３に示されるように、外周壁１１と内周壁１２との間には、外周壁１１の内周面の形状と内周壁１２の外周面の形状に沿ったドーナツ型の外底１３が嵌入されており、内周壁１２の内側には、内周壁１２の内周面の形状に沿った円形の内底１４が嵌入されている。尚、外底１３と内底１４とは、外底１３の上面７０の表面積Ｓと、内底１４の上面７１の表面積Ｕが等しくなるように形成されている。

また、図２に示されるように、外底１３は、その下方に配置された往復動駆動装置４０により昇降移動されるようになっている。同様に内底１４は、その下方に配置された往復動駆動装置４１により昇降移動されるようになっている。また、往復動駆動装置は、ドーナツ型の外底１３の形状に沿って複数配設されている（図３参照）。

往復動駆動装置４０は、ピストンロッド３１と、ピストンロッド３１に外嵌するシリンダ３２とを備え、図示しない駆動制御手段により伸縮することで外底１３を昇降可能となっている。同様に往復動駆動装置４１は、ピストンロッド３３と、ピストンロッド３３に外嵌するシリンダ３４とを備え、図示しない駆動手段により伸縮することで内底１４を昇降可能となっている。尚、これら往復動駆動装置４０と往復動駆動装置４１とは、それぞれ同時に、かつ所定時間単位当たりの移動量が等しく伸縮するように駆動制御手段により制御されるようになっている。

図２に示されるように、太陽光からの蓄熱を行う際には、前述した往復動駆動装置４０と往復動駆動装置４１とをそれぞれ昇降移動させ、外底１３と内底１４との高低差を生じさせることにより、複数の固体蓄熱材料により構成される固体蓄熱材料群２の蓄熱面２１の表面形状が略テーパ―凹形状となっている。略テーパ―凹形状とは、中心部分が下側に窪んで、径が先細りになる形状をいい、外周壁１１と内周壁１２とが円筒状の場合には、全体としてお椀型に凹んだ形状をいう。略テーパ―凹形状には、蓄熱面２１の表面形状を図２に示すように垂直断面で見たときに、放物線形状となるものを含む。これによれば、集光された太陽光は集光手段Ｅの中心から外側に広がるため、略テーパ―凹形状になる外周部で固体蓄熱材料の高さが高くなることにより、筒状の外周壁１１の内壁に当たる光が減少し、入射損失を減少させ、集中照射している太陽光を無駄なく固定蓄熱材料へ照射させることができるため、蓄熱面２１の表面形状が平坦面である場合と比較して、蓄熱効率を向上できる。特に、太陽光の放射方向と蓄熱面２１の表面とが図２に示されるような方向関係にあれば、太陽光を無駄なく効率的に固体蓄熱材料に当てることができる。集光手段Ｅと蓄熱装置１との高さ方向の距離はなるべく近いことが望ましい。

図１に示される反射鏡８０，８０により集光手段Ｅへ反射された太陽光は、図２に示すように、集光手段Ｅによって蓄熱装置１の外周壁１１内に照射されるように設定されており、この無駄なく集光された照射領域を、ここでは集中照射領域Ｌと規定する。なお、後述するが、図面中、最高温域帯Ｆの部分を最も濃い黒で示している。

図４及び、図５については、時間経過により外底１３と、内底１４が往復動駆動装置４０、４１によって相対移動していく様子と、固体蓄熱材料２群の高温度域を示す図である。図４（ａ）は蓄熱を開始し３０分経過した蓄熱装置１の図を示し、固体蓄熱材料２群は、集光手段Ｅからの太陽光の照射により蓄熱面２１が最高温度帯Ｆ（約１，２００℃）まで熱されている。

蓄熱装置１の稼働を開始させると、ビームダウン式太陽集光装置Ａにより集光手段Ｅへ反射された太陽光が、予め略テーパ―凹形状に形成された固体蓄熱材料群２の蓄熱面２１に向けて照射される。外底１３と内底１４とは、蓄熱面２１上に配置された固体蓄熱材料群２が充分に蓄熱された３０分後に、相反する方向へ相対移動を開始するようになっている。これによれば、図４（ｂ）に示されるように、外底１３の上昇とともに内底１４が下降していく状況で、外底１３と内底１４の高低差と、その球状からなる特徴から、蓄熱面２１が略テーパ―凹形状の表面形状を維持できる限界を超えると、外底１３上の端部蓄熱面域２２で高温域帯Ｆまで蓄熱された固体蓄熱材料２群は、内底１４上の中央部蓄熱面域２４方向へ滑落するようになっている。（図６、Ｎ部拡大図の黒矢印参照）

また、中央部蓄熱面域２４へ滑落した固体蓄熱材料２群は、内底１４の降下と、蓄熱され滑落してくる固体蓄熱材料２群が順次、中央部蓄熱面域２４で重合していくことから、内底１４上の中央部中層域２５へ沈降されるようになっている。

図４（ｂ）は、外底１３と、内底１４が往復動駆動装置４０、４１によって相対移動を開始し、５分（稼働開始後３５分）経過した図を示している。時間の経過とともに外底１３が上昇し、内底１４が降下するように制御されている。特に７、図４に示すＮ部拡大図を図６に示すように、外底１３上の端部蓄熱面域２２で蓄熱された固体蓄熱材料２群が滑落したことにより、すぐ下の固体蓄熱材料２群が新たな略テーパ―凹形状の蓄熱面を形成し、その後、外底１３上の端部中層域２３に位置していた固体蓄熱材料２群は、外底１３の上昇により端部蓄熱面域２２へ押し上げられ表層に出現することで、新たな略テーパ―凹形状の蓄熱面を形成し蓄熱されるようになっている。このため、固体蓄熱材料群２が外周壁１１内において対流するかのように移動するようになっており、集光手段Ｅからの集中照射領域Ｌに新たな固体蓄熱材料群２が出現することにより、収容された固体蓄熱材料群２に顕熱で十分に蓄熱できることになる。

図５（ａ）は、外底１３と、内底１４が往復動駆動装置４０、４１によって相対移動を開始し、１５分（稼働開始後４５分）経過した図を示している。当初、蓄熱面２１に位置していた固体蓄熱材料群２は内底１４の垂下とともに最高温度帯Ｆ（約１，２００℃）のまま沈降している。一方、その上方においては、蓄熱面２１の略テーパ凹型状の中央部１８まで蓄熱しながら滑落した固体蓄熱材料群２が、高温度帯Ｇ（約１，０００℃〜１，１００℃）と次いで高温となっている。また、隣接する中温度帯Ｈも、約９００℃〜１，０００℃まで蓄熱されている。特に前述したように往復動駆動装置４０と往復動駆動装置４１とは、それぞれ同時に、かつ所定時間単位当たりの移動量が等しく伸縮するように駆動制御手段により制御されるようになっている。ここで前記した駆動制御手段により往復動駆動装置４０と往復動駆動装置４１との相対移動、すなわち外底１３と内底１４の速度を制御し、太陽光の集中照射領域Ｌに新たな固体蓄熱材料群２が出現する時間をコントロールすることにより、蓄熱材料を太陽光の集中照射領域Ｌに比較的長い時間位置させ、固体蓄熱材料群２に万遍なく十分な熱エネルギーを蓄熱できるようになっている。

図５（ｂ）は、外底１３と、内底１４が往復動駆動装置４０，４１によって相対移動を開始し、２３分（稼働開始後５３分）が経過後、蓄熱が完了した図を示している。内底１４の降下により下部まで沈降された最高温度帯Ｆは、周りを取り巻く高温度帯Ｇによって放熱が遮断され保温効果が生じ、保温効果が高まるようになっている。

また、外底１３と内底１４の面積が等しいことから、蓄熱装置１に固体蓄熱材料２群を収容した状態で、外底１３と内底１４が等しい速度で相反する方向へ相対移動したとき、蓄熱面２１の高さが、略面一となるように移動が制御されているため、外周壁１１内における蓄熱面２１の表面が、常に一定の高さに保たれることになり、固体蓄熱材料群２への蓄熱を安定して行うことができる。

また、ピストンによる外底１３と内底１４の相対移動は、固体蓄熱材料２群の蓄熱具合を鑑みて適宜、移動速度を変更できるようになっている。

取り出し方の態様は、種々考えられる。例えば、図７に示されるように、蓄熱が完了後、さらに内底１４を降下させると固体蓄熱材料群２が連結パイプ９を通過して別の蓄熱槽９０へ移動できるようになっている。蓄熱槽９０は、下段パイプ９１より空気や水を送ることで、上段パイプ９２から固体蓄熱材料群２により熱された空気や蒸気を取り出すことができるようになっており、放熱した固体蓄熱材料群２は蓄熱装置１に戻し、再加熱できるようになっている。また、内側のピストン４１の内底１４に粒子が通らない程度の小さい穴をあけるようにしてもよい。固体蓄熱材料群２の加熱完了後に、内側のピストン４１の内底１４から外気を取り入れ、固体蓄熱材料群２の粒子を通った加熱空気を、外周壁１１の上段に別途設けた外側シリンダから取り出すようにしてもよい。固体蓄熱材料群２の粒子の間を通すことで空気との接触面積が大きくなり、効率良く高温空気を得ることができる。

実施例２に係る蓄熱装置及びビームダウン式太陽集光装置につき、図８から図２１を参照して説明する。

実施例２においては、実際に実験で使用したビームダウン式太陽集光装置と、集光された光を蓄熱する蓄熱装置を具体的に説明する。なお、基本的な構成は、特に示さない限り実施例１と同様であり、同一符号により説明する。

宮崎大学には日本最大級のビームダウン式太陽集光装置が設置されており、太陽熱に関する実証実験が進められている。図８にビームダウン式太陽集光装置の基本仕様を示す。ビームダウン式太陽集光装置の構成と集光原理は、上記実施例１においてビームダウン式太陽集光装置Ａと同様である。本実施例２において、ビームダウン式太陽集光装置Ａは、タワーの高さが１６ｍ、土地面積６０ｍ×６０ｍの領域に、ヘリオスタットＢを８８基配置する。この場合、ビームダウン式太陽集光装置Ａの配置領域は１７６ｍ^２、容量は１００ｋＷ時となっている。各ヘリオスタットＢには、それぞれ１０枚の凹面鏡を備え、太陽光を反射させて所定位置（第一焦点Ｃ）の方向に送るために凹面鏡の向きが調整される。ビームダウン式太陽集光装置Ａは、各ヘリオスタットＢにて反射された光をタワー８の上部の回転楕円面を持つ反射鏡８０で再び反射させ、集光手段Ｅ内の第二焦点Ｄに向かって下向きに太陽光を集める方式である。通常のタワー型太陽集光装置に比べて鏡による反射が１回多いため反射による損失は若干増えるが、集光部が地面に近いため、冷却損失が低減でき装置の設置が容易であるという特徴を備える。また、ビームダウン式太陽集光装置Ａは、集光強度を約４倍程度高めるためＣＰＣ（Compound Parabolic Concentrator）を備える集光手段Ｅが設置されており、集光手段Ｅの上部入口は第２焦点に位置している。

上記基本仕様のビームダウン式太陽集光装置Ａを用い、集光手段Ｅの出口での放射流束分布を計測した。計測には、図９に示す薄膜型熱流束計１１２を用いた。図９に示す薄膜型熱流束計のセンサー部は、φ３．２ｍｍで、厚さ１０μｍの銅薄膜（メッキ銅膜）１０１と、コンスタンタンからなるプローブ本体１０３とを表面結合１０２部分で結合させたＴ型熱電対を用いている。このセンサー部を、グラスウールからなるインシュレータ１０４に内蔵し、計測線となる絶縁銅線１０５とコンスタンタンワイヤ１０６とを接続している。薄膜型熱流束計１１２は、５０μｓのサンプリング間隔で温度変化を捉えることが可能である。集光面で薄膜型熱流束計１１２を移動させると、その経路に沿った放射流束分布が求められる。

集光手段Ｅの平面上（ｚ＝−１５０ｍｍ）で、集光手段Ｅの中心軸を通るように薄膜型熱流束計をトラバースさせて熱流束分布を計測したときの実験条件を図１０に示す。ここで、ｚは、集光手段Ｅの基準面（出口面）からの垂直方向の距離を示している。図１０に示すように、２０１５年１２月２５日午前１０時４４分から計測を始めた。この場合の実験条件としては、太陽直接法線入射率（ＤＮＩ）が７３３Ｗ／ｍ^２、この時集光に関与しているヘリオスタットの数７４ユニット、スイングアームの回転速度４．１９ｒａｄ／Ｓ、データ収集間隔５０μｓ、電波フィルタ１ｋＨｚのローパスフィルタを用いている。このｚ＝−１５０ｍｍのときの放射流束Ｒｆの分布を図１２に示す。図１２において、ｘは、集光手段Ｅの第二焦点Ｄ（０ｍｍ）の中心軸からの東西方向の距離で、正方向は東向きを示し、ｙは集光手段Ｅの第二焦点Ｄ（０ｍｍ）の中心軸からの南北方向の距離で正方向は北向きを示し、これらのＸ及びＹにより定まる位置の放射流束Ｒｆを縦軸に示し、その放射流束Ｒｆの等高線をＸ―Ｙ平面に示している。

さらに焦平面位置をｚ＝−１５０ｍｍからｚ＝−２５０ｍｍまで２５ｍｍずつ下方に位置を変えて求めた熱流束分布を図１３に示す。ｚ＝−１５０ｍｍからｚ＝−２５０ｍｍまで２５ｍｍずつ下方に位置を変えたときの実験条件を図１１に示している。実験日、トラバースの角速度およびデータ収録の条件は図１０と同じであるため、それ以外の計測条件を図１１に示している。

図１３において、縦軸はヘリオスタット１基あたりの集光倍率Ｃｍで、横軸は薄膜型熱流束計中心における集光手段Ｅの中心軸からの距離で正方向は東向きを示している。なお、時々刻々と、直達日射量ＤＮＩならびに集光に関与するヘリオスタットの基数が変化するため、集光倍率Ｃｍは数１のとおり、薄膜型熱流束計によって求まる放射流束Ｒｆを直達日射量ＤＮＩおよびヘリオスタットの基数Ｎで除した値と定義する。
［数１］
Ｃｍ＝Ｒｆ／（ＤＮＩ・Ｎ）

図１３より、高さ位置ｚ＝−１５０ｍｍおよびｚ＝−１７５ｍｍでの水平面上の放射流束分布は、中心部が高く周辺に向かって低くなっており絶対値もほぼ等しい。しかし、集光手段Ｅの特性から高さ位置が低くなるにつれて、中心部がくぼんだ形状が顕著となる。

図１４に、実際に設計・製作を行った機械撹拌式顕熱蓄熱装置１の概略図を示す。この蓄熱装置１は、実施例１において説明したように、ビームダウン式太陽集光装置の集光方向を考慮し、高温蓄熱を実現するため、図１４に示すように固定蓄熱材料表面を直接太陽光で加熱する形式のレシーバ機能を備えた蓄熱装置である。蓄熱槽は、図１４にそれぞれ寸法を示しているように、内外の外周壁１１・内周壁１２、外底１３と内底１４との面積が互いに等しい二つの往復動駆動装置（以下、「ピストン」ということもある。）、すなわち内側の円形ピストンと外側のドーナッツ形ピストンと、外気との対流熱伝達を防止するための透過率σ＝０．９の石英ガラスのガラス蓋１５および固体蓄熱材料群２からなる。両ピストンは互いに逆方向かつ同じ速さで上下方向（ｚ軸方向）に移動することで、蓄熱材料の固体蓄熱材料群２を撹拌する。

固体蓄熱材料群２には、融点が高く、種々の粒径のものが入手しやすいアルミナ球を用いた。また、蓄熱材料の粒径については、粒子中心部まで速く加熱されるため小さいほどが良いが、ピストンとシリンダのすきまを考慮してφ５ｍｍとした。

この蓄熱装置１は次のような特徴を備える。
（１）固体蓄熱材料群２に顕熱で蓄熱を行うため、高温での蓄熱が可能である。
（２）固体蓄熱材料群２を直接太陽光で加熱するため、熱交換を行う間接加熱方式より熱損失が少ない。
（３）ピストンの移動速度を変更することにより、固体蓄熱材料群２の加熱温度を容易に制御できる。また、放射強度に合わせてピストン速度を制御することで、固体蓄熱材料群２温度を設定温度に保つことが可能となる。

図１４に示すような蓄熱装置１を用いる場合、ピストンの動く方向によって固体蓄熱材料群２の受光面の表面形状が変化するが、次のような理由から、固体蓄熱材料群２の蓄熱面２１の表面形状が、下に凸の形状なる略テーパ―凹形状となるようにピストンの内側ピストンが下降する方向で実験を行った。
（１）集光された太陽光は集光手段Ｅの中心から外側に広がるため、外周部でｚ方向の固体蓄熱材料群２の高さが高いほど、外部円筒の内壁に当たる光が減少し、入射損失が減少する。
（２）固体蓄熱材料群２の表面での照射強度が均一に近づき、固体蓄熱材料群２内部の温度ムラが小さくなる。
（３）加熱終了後に蓄熱粒子が内部円筒に集まり、外部円筒が空気の断熱層となるため保温効果が高まる。

蓄熱装置１の蓄熱槽内部に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態の位置関係を図２１に示す。また、蓄熱装置１に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態から定常状態になるまでの固体蓄熱材料群２の形状の変化を図１７に示す。図２１においては、集光手段Ｅの中心軸からの距離を横軸にしめし、集光手段Ｅの底部面からの垂直方向の距離を縦軸で示し、また、後述する熱電対の配置位置も記載している。図１７において、横軸は、蓄熱面２１の中心位置からの距離を示し、縦軸は、集光手段Ｅの底部面からの垂直方向の距離を示している。

図２１に示すように、蓄熱装置１に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態においては、ｚ＝−２１０ｍｍで蓄熱粒子の表面が平面上に形成されている。固体蓄熱材料群２の受光面である蓄熱面２１は、蓄熱装置１に固体蓄熱材料群２を配置した初期状態から、ピストンの移動により、図２１及び図１７に示すように、形状が変化し約２分で定常状態になることが解った。

固体蓄熱材料群２の蓄熱面２１の形状を考慮して１６本の熱電対を取り付け、温度計測を行った。図１４に示すＡ−Ａ断面におけるＫ型シース管熱電対１〜１６の取り付け位置を図１５及び図１６に示す。図１５（ａ）及び図１６（ａ）は、外周壁１１と内周壁１２に固定され定点計測を行うための熱電対の取り付け位置を示し、高さ位置はｚ＝−２７０ｍｍである。また、図１５（ｂ）及び図１６（ｂ）は、ピストンの外底１３、内底１４とともに移動する熱電対の取り付け位置を示し、各ピストン上面から２０ｍｍ上方が計測位置で、初期位置は、内ピストンでｚ＝−２７０ｍｍ、外ピストンでｚ＝−３９０ｍｍである。また、図１６（ａ）及び（ｂ）は温度計測位置である熱電対先端の座標を示し、ｘ座標が東西方向、ｙ座標が南北方向を示す。なお、本明細書においては、図中の丸数字は、数字に対応する番号で示す。

上述した位置に熱電対を設置し、ビームダウン式太陽集光装置により、太陽光を集光し、蓄熱装置１に蓄熱させる加熱実験を行った。

ビームダウン式太陽集光装置Ａでの蓄熱装置１の蓄熱槽の加熱実験は、開始から３０分間は、ピストンを静止した状態で太陽光を照射し、その後ピストンを２３分間でｚ方向に１６０ｍｍ移動するように等速運動させた。実験条件は図１８に示すとおりである。図１８に示すように、２０１６年１月２０日正午１２時から計測を始めた。この場合の実験条件としては、ピストン停止時の平均の太陽直接法線入射率（ＤＮＩ）が９５３Ｗ／ｍ^２、ピストン移動時の平均の太陽直接法線入射率（ＤＮＩ）が９６２Ｗ／ｍ^２、この時集光に関与しているヘリオスタットの数７９ユニット、ピストン速度０．１１６ｍｍ／Ｓ、データ収集間隔１ｓである。

このような条件で行ったビームダウン式太陽集光装置での蓄熱装置１の加熱実験の結果を図１９に示す。図１９（ａ）は上述した外周壁１１と内周壁１２に固定した熱電対による計測結果を示し、図１９（ｂ）は内底１４に取り付けられた熱電対による計測結果であり、図１９（ｃ）は外側ピストンの外底１３に取り付けられた熱電対による計測結果である。また、図１９（ａ）の一点鎖線はＤＮＩを示す。図１９より内底１４の中心位置である１番位置のみ最高温度が１０７０℃となり、目標の１０００℃に達したことがわかった。

図１９（ａ）より、ＤＮＩの変動は小さく、ピストン停止時で９４２〜９６３ｋＷ／ｍ^２、ピストン駆動時で９５３〜９６９ｋＷ／ｍ^２で実験中ほぼ一定であるとみなすことができる。また、外周壁１１と内周壁１２のｚ＝−２７０ｍｍの位置に固定された熱電対で計測した結果は、中心部に近づくほど温度が高くなり、実験開始後３０分にピストンが移動を開始するためその差は大きくなる。これは、ピストンの移動により、図１７に示す開始から２分以降のような固体蓄熱材料群２が略テーパ―凹形状の表面形状になり、中心に近づくほど、固体蓄熱材料群２の受光面から熱電対までのｚ方向の距離が短くなるためである。実験開始後３０〜４０分で、静止状態のとき表面にあった固体蓄熱材料群２の蓄熱粒子が移動して熱電対に触れるため温度が急激に上昇し、実験開始後４０分で最高温度１０７０℃となるが、固体蓄熱材料群２表面にあった蓄熱粒子への加熱量が一定値に近づくため、温度が下降しはじめる。

図１９（ｂ）より、５番位置は１番位置と開始後３０分まではほぼ同じ位置にあるため、同様の温度経過を示しているが、移動開始後、温度上昇割合は減少する。これはピストンが下降し表層の蓄熱粒子からの距離が長くなり伝導熱量が減少していくためである。内側ピストンに取り付けられた熱電対は中心に近いほど同時刻における温度は高いが、５番位置と同様の温度経過を示す。一方、図１９（ｃ）外側ピストンでは、入射光を受ける表層の蓄熱粒子から熱電対取り付け位置までの距離が長いため温度の上昇が小さい。実験開始後４５分から温度上昇割合がわずかに増加しているのは、内側にある高温の蓄熱粒子によるｘ方向からの熱伝導の影響と考えられる。

以上の実験結果より、この固体蓄熱材料群２内では、熱伝導による伝熱量は小さく、主として太陽光による直接加熱によって温度変化が生じていることがわかる。また、蓄熱槽に入射されたエネルギーＱｉｎは、静止した状態の固体蓄熱材料群２の表面位置がｚ＝−２１０ｍｍなので、図１３においてｚ＝−２００ｍｍの値を参考にして求めると、集光倍率Ｃｍの面積平均値は、２．６となる。また、図１８に示すＤＮＩの時間平均値９５７Ｗ／ｍ^２、石英ガラスの透過率σ＝０．９、ヘリオスタット数Ｎ＝７９を掛け合わせると平均入射流束は１７７ｋＷ／ｍ^２となる。これに加熱時間５３分、蓄熱槽の断面積Ａ＝０．１２６ｍ^２を掛け合わせると入射エネルギーはＱｉｎ＝７１ＭＪとなる。なお、ＤＮＩの時間平均値９５７Ｗ／ｍ^２は、実験中の平均DNIであり、ピストン停止時23分，移動時30分を含めて、太陽光を照射している時間におけるＤＮＩから平均値を求めたものである。

図１９に示す実験終了後の内周壁１２内における温度を求めるため、外周壁１１と内周壁１２とに固定された熱電対で計測した３０〜５３分の時刻での温度を蓄熱槽内のｚ＝−４３０〜−２７０ｍｍの位置での温度とみなすと、直線補間によるシミュレーションにより図２０に示す温度分布が得られた。図２０に、内周壁１２内における温度分布図を示し、横軸は集光手段ＥのＣＰＣの中心軸からの距離を示し、縦軸ｚは、集光手段Ｅの基準面（第二焦点Ｄ）からの垂直方向の距離を示し、各位置における温度分布を示している。また、蓄熱量を求めると１２ＭＪとなり、入射エネルギーの１７％が蓄熱されたことがわかった。この図２０に示される温度分布は、実験開始から５３分後の図５（ｂ）に示す模式図にも対応する。計算方法としては、同じ半径位置では温度が同じとして、z=-270mmの位置に固定した熱電対１番位置〜４番位置をもとに計算し、熱電対に接触した蓄熱粒子はピストンとともに移動し、温度変化しないものとして、熱電対から下方向（z方向）の温度分布を求めた。また、熱電対より上は、熱電対位置と同じ温度とし、半径方向については，直線的に補間して温度分布を求めている。

以上説明したような、実施例２における実験の結果、次の結論を得ることができた。
（１）φ５ｍｍのアルミナ球を固体蓄熱材料群２として用い、ピストンを３０分間停止した後、２３分間で１６０ｍｍの速さで移動させる条件で太陽光を照射すると、蓄熱槽の中心部で最高温度が１０７０℃となった。
（２）蓄熱粒子間の熱伝導による伝熱量は小さく、主として太陽光による直接加熱によって温度変化が生じている。
（３）今回の実験条件では、入射エネルギーに対して１７％が蓄熱できた。

上記実施例１、２によれば、外周壁内において内底と外底とを、垂直方向に相対移動させることにより、外周壁内における固体蓄熱材料に高低差が発生し、塊状の固体蓄熱材料が外周壁内において対流するかのように移動するため、内底と外底の相対移動の速度を制御することで、太陽光の集中照射領域に新たな固体蓄熱材料が出現する時間をコントロールできることになり、蓄熱材料を太陽光の照射領域に比較的長い時間配置させ、固体蓄熱材料に万遍なく十分な熱エネルギーを蓄熱できる。

また、上記実施例１、２においては、固体蓄熱材料としてアルミナ球を用いる場合を示したが、これ以外の吸収率が高い個体蓄熱材料などを利用してもよい。他の固体蓄熱材料としては、例えばフェロニッケルスラグなどを利用できる。フェロニッケルスラグなどの球体ではない固体蓄熱材料をそのまま使う場合には、内底と外底とが互いに相対移動する際に、往復動駆動装置におけるピストンやシリンダの隙間にかみこんでしまう恐れがあるため、アルミナ球を内底と外底とに数層敷き、球体ではない他の固体蓄熱材料をその上に敷きつめて、蓄熱させるようにしてもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、外周壁１２内には外周壁１１と内周壁１２が配置されていたが、これに限らず３つ或いは４つの底を設けて、それぞれ相対移動するようにしてもよい。

また、前記実施例では、外周壁１１と内周壁１２とは、円筒状としているが、これに限らず角筒状にしてもよい。この場合、外底１３、内底１４の形状も円形に限らず、外周壁１１と内周壁１２の形状に応じて楕円形・三角形・正方形・長方形等にしてもよい。

１ 蓄熱装置
２ 固体蓄熱材料（群）
８ タワー
９ 連結パイプ
１１ 外周壁
１２ 内周壁
１３ 外底
１４ 内底
１５ ガラス蓋
２１ 蓄熱面
３１，３３ ピストンロッド
３２，３４ シリンダ
４０，４１ ピストン
７０ 外底１３の上面
７１ 内底１４の上面
８０ 反射鏡
８１ 載置面
９０ 蓄熱槽
９１ 下段パイプ
９２ 上段パイプ
１０１ 銅薄膜（メッキ銅膜）
１０２ 表面結合
１０３ プローブ本体（コンスタンタン）
１０４ インシュレータ（グラスウール）
１０５ 絶縁銅線
１０６ コンスタンタンワイヤ
１１２ 薄膜型熱流束計
Ａ ビームダウン式太陽集光装置
Ｂ ヘリオスタット
Ｃ 第一焦点
Ｄ 第二焦点
Ｅ 集光手段
Ｆ 最高温度帯
Ｇ 高温度帯
Ｈ 中温度帯
Ｌ 集中照射領域
Ｓ 外底１３の上面７０の表面積
Ｕ 内底１４の上面７１の表面積

Claims (7)

1. 集光手段により集光される太陽光を蓄熱面に照射させ、該蓄熱面に熱を蓄積させる蓄熱装置であって、
   前記蓄熱装置は、前記太陽光の照射領域を包囲する筒状の外周壁と、該外周壁内に収容された複数の塊状の固体蓄熱材料と、を備え、前記外周壁の中には、内側の内底とその外側の外底とが互いに相対移動可能に配置されていることを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記外周壁内において、前記内底の下降移動と前記外底の上昇移動とによる両者の相対移動で、前記固体蓄熱材料の表面形状が略テーパ―凹形状になるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記内底の総面積と前記外底の総面積とが略同一であり、両者の上下移動速度が略同一に制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄熱装置。
4. 前記内底と前記外底とは、該内底が降下する方向に相対移動するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の蓄熱装置。
5. 前記複数の塊状の固体蓄熱材料は、略球体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の蓄熱装置。
6. 前記複数の塊状の固体蓄熱材料は、それぞれが略同一形状で形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の蓄熱装置。
7. 前記固体蓄熱材料は、アルミナ球を少なくとも含むことを特徴とするとする請求項１ないし６のいずれかに記載の蓄熱装置。

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