JP5225359B2 - 蓄熱装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、太陽熱発電装置等に用いられる蓄熱装置に関する。
地球温暖化の対策として再生可能エネルギー利用の開発が進められており、一部で実用化もされている。その一つに集光型太陽熱発電（ＣＳＰ；Concentrating Solar ThermalPower Plant）がある。集光型太陽熱発電は、図５に示すように、レンズや鏡等からなる集光部材１６で太陽光１５を集光し、その熱で高温になった熱媒体１７により蒸気タービン１８を回転させて発電する。この太陽熱発電の課題の一つに、太陽が出ている日中にしか発電ができないことや、天候により出力が変動する問題がある。この対策の一つとして、太陽熱を貯蔵する蓄熱装置が開発されている。
このような蓄熱装置としては、図５に示すような２容器方式のものがある。この蓄熱装置は高温蓄熱材容器１０ａ、低温蓄熱材容器１０ｂ、蓄熱材用ポンプ１２及び熱交換器１３で構成されている。２つの蓄熱材容器１０ａ、１０ｂには例えば溶融塩からなる蓄熱材が入っており、蓄熱材用ポンプ１２の運転／停止により、一方の容器から熱交換器１３を経由して他方の容器へ蓄熱材を送れるようになっている。
この蓄熱装置に蓄熱する時は、太陽光で高温となった熱媒体１７を分流させて実線矢印２０の方向に熱交換器１３へ流し、低温蓄熱材容器１０ｂから送られる溶融塩と熱交換して溶融塩を加熱し、高温になった溶融塩を高温蓄熱材容器１０ａに蓄える。
放熱時には逆に破線矢印２１の方向に低温の熱媒体１７を流し、高温蓄熱材容器１０ａから送られる溶融塩と熱交換して熱媒体１７を加熱し、高温になった熱媒体１７を発電系に送る。このとき低温になった溶融塩は低温蓄熱材容器１０ｂに蓄えられる。
このような蓄熱装置を用いると、余分な熱媒体の熱を溶融塩に一時的に蓄え、必要に応じて熱を熱媒体１７に戻すことができる。これにより、昼間に蓄えた熱を用いて夜間に発電したり、日照量に変動があっても出力を一定に維持したりできる。
２容器方式の集光型太陽熱発電において、５０ＭＷ級の商用発電プラントでは、蓄熱装置が大型になり初期コストが高くなる問題がある。コスト低減のためには上記の２容器方式を図６に示すような１容器方式にする方法が提案されている。
１容器方式は、１つの蓄熱材容器１０内の下方に低温蓄熱材２ａを、上方に高温蓄熱材２ｂを蓄え、密度の差による温度成層を作ることで、高温層と低温層が混合しないようにする方法である。この１容器方式では、蓄熱材として水を用いた例が知られており、高温層から低温層への熱の漏洩を抑制するために断熱層を設けることが提案されている（特許文献１）。また、大型の装置では一体型の断熱層を設けることは困難であり、多数の小球状の浮体３を用いた断熱方式が提案されている（特許文献２）。
特開平５−２５６５１３号公報 特開平１１−３０４３８５号公報
上述した１容器方式の蓄熱装置において、蓄熱材容器１０中に高温層から低温層への熱の漏洩を低減するために多数の浮体３を用いて断熱層を形成している。しかし、多数の浮体３の浮力は必ずしも同じではなく、浮体３の製造誤差、浮体３内部への蓄熱材の漏れや浮体３の変形などにより浮力が変化する場合がある。その際、浮体３の浮力がばらついて、浮体３が不規則に移動又は回転することにより、断熱層としての機能が損なわれ、熱漏洩量が設計値より大きくなる課題があった。
本実施形態は上述した課題を解決するためになされたもので、熱漏洩量を確実に低減できる高熱効率の蓄熱装置を提供することを目的とする。
本実施形態の蓄熱装置は、下方に低温蓄熱材、上方に高温蓄熱材が蓄えられた蓄熱材容器と、前記低温蓄熱材と高温蓄熱材の間に配置されるとともに前記低温蓄熱材の密度と高温蓄熱材の密度の中間の平均密度を持つ多数の浮体と、を有する蓄熱装置において、前記多数の浮体を浮体収容部材内に収容し、前記蓄熱装置は前記浮体収容部材を上下動可能に吊り下げる吊り下げ手段を有するとともに、当該浮体収容部材に重量調整用おもりを設けたことを特徴とする。
第１の実施形態に係る蓄熱材容器の構成図。 第２の実施形態に係る蓄熱材容器の構成図。 第３の実施形態に係る蓄熱材容器の構成図。 （ａ）、（ｂ）は第４の実施形態に係る浮体の構成図。 従来の太陽熱発電装置の構成図 従来の蓄熱材容器の構成図。
以下、本発明に係る蓄熱装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る蓄熱装置を、図１を用いて説明する。
本第１の実施形態の蓄熱装置は、蓄熱材容器１と、蓄熱材容器１内の下方に蓄えられた低温蓄熱材２ａと、上方に蓄えられた高温蓄熱材２ｂと、高温蓄熱材２ｂの密度と低温蓄熱材２ａの密度の中間の平均密度を持つ多数の浮体３と、この多数の浮体３を連結するワイヤー等の連結部材４で構成されている。
図１では浮体３は内部が中空の球状の断熱材から形成されるが、これに限定されず、楕円状、多角形状でもよい。また、密度が上述した中間の平均密度を有するものであれば中実状の断熱材を用いてもよい。断熱材の材質としては、樹脂、セラミック材、合金、等を用いることができる。また、発泡材、多孔質材を用いてもよい。
このように構成された本第１の実施形態において、多数の浮体は高温蓄熱材２ｂと低温蓄熱材２ａとの間の熱の漏洩を低減するための断熱層を形成する。ここで多数の浮体３の内部への蓄熱材の漏洩や浮体の製造誤差又は使用中の変形等により、個々の浮体３の間に浮力のばらつきが発生しても、浮体３同士は連結部材４で連結されているため、図１に示すように多数の浮体３は離間することなく密集して配列される。これにより、浮体３間の隙間は最小限に抑えられ、浮体の移動や蓄熱材の移動による熱漏洩を抑制することができる。
このように本第１の実施形態によれば、高温蓄熱材と低温蓄熱材との間に連結部材で連結された浮体を用いることにより、蓄熱材間の熱漏洩を効率的に抑制することができるので、蓄熱装置の熱効率を大幅に向上させることができる。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る蓄熱装置を、図２を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第２の実施形態では多数の浮体３が、例えば網状のカバーからなる浮体収容部材５内に収容されるように構成されている。
このように構成された本第２の実施形態において、多数の浮体３の浮力にばらつきがあっても多数の浮体３は浮体収容部材５内に密集して収容されるので、浮体の間の隙間は最小限に抑えられる。これにより、浮体の移動や蓄熱材の移動による熱漏洩を抑制できるので、蓄熱装置の熱効率を大幅に向上させることができる。
なお、浮体収容部材として、網状のカバーに換えてシート状のカバー又は網状の容器を用いてもよい（図示せず）。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る蓄熱装置を、図３を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第３の実施形態では、浮体収容部材５におもり６を取り付け、浮体収容部材５をワイヤー等の上下動可能な吊り下げ部材７により所定位置に吊り下げる。また、浮体収容部材５には温度計等の温度検出手段８が設置されている。
このように構成された本第３の実施形態において、浮体収容部材５中の浮体３を高温層と低温層の中間に定常的に配置するように、温度検出手段８の出力を監視しながら吊り下げ部材７によって浮体収容部材の位置を調整する。
本第３の実施形態によれば、浮体の平均密度は高温蓄熱材２ｂの密度と低温蓄熱材２ａの密度の中間の平均密度以上であればよく、また、浮力のばらつきの許容範囲を大きくできるので、浮体の材料選択の自由度及び製造上の自由度が増す。さらに、温度検出手段８の出力を監視しながら浮体収容部材の位置を調整することができるので、蓄熱材間の熱漏洩をさらに効率的に抑制することができるとともに、蓄熱装置の熱効率を大幅に向上させることができる。
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る蓄熱装置を、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第４の実施形態では、浮体３として図４（ａ）に示すように、浮力の異なる２つの浮体３ａ及び３ｂを連結部材で連結して浮体３を形成する。これにより、浮体３を直立させる方向に力が働くため浮体３の回転を抑制することができるため、多数の浮体３を直列に密集整列させた浮体の集合体を形成することが可能となる。その結果、蓄熱装置の熱効率を大幅に向上させることができる。
なお、浮力の異なる浮体を３個以上連結しても、同様な効果が得られる。
また、第４の実施形態の変形例では、図４（ｂ）に示すよう、浮体３に例えば板状の突起９が取り付けられている。これにより、浮体を直立させる力が働くとともに、外力により浮体が回転しそうになった場合にも、板状突起が抵抗となって回転を抑止することができるため、多数の浮体３を直列に密集整列させた集合体を形成することが可能となる。
本第４の実施形態によれば、浮体３の不規則な移動、回転を防止し、多数の浮体３を直列に密集整列させた浮体の集合体を形成することが可能となるため、蓄熱材間の熱漏洩をさらに効率的に抑制することができるとともに、蓄熱装置の熱効率を大幅に向上させることができる。
（第５の実施形態）
本第５の実施形態では、上述した実施形態で用いられる浮体３をマンガン窒化物等の負熱膨張率を持つ物質で構成する。これにより製造上のばらつきによって大きい浮力を有する浮体３が高温側に浮上した場合には、暖められて収縮することで沈み、小さい浮力を有する浮体３が低温側に沈降した場合には、冷却されて膨張することで浮かび、その結果として浮力のばらつきが抑制され、浮体３は所望の位置で密集して整列されることになる。
本第５の実施形態によれば、浮体を負熱膨張率を持つ物質で構成することにより蓄熱材間の熱漏洩をさらに効率的に抑制することができるとともに、蓄熱装置の熱効率をさらに大幅に向上させることができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…蓄熱材容器、２ａ…低温蓄熱材、２ｂ…高温蓄熱材、３…浮体、４…連結部材、５…浮体収容部材、６…おもり、７…吊り上げ手段、８…温度検出手段、９…突起、１０…蓄熱材容器、１０ａ…高温蓄熱材容器、１０ｂ…低温蓄熱材容器、１２…蓄熱材用ポンプ、１３…熱交換器、１５…太陽光、１６…集光部材、１７…熱媒体、１８…蒸気タービン。

Claims (5)

  1. 下方に低温蓄熱材、上方に高温蓄熱材が蓄えられた蓄熱材容器と、前記低温蓄熱材と高温蓄熱材の間に配置されるとともに前記低温蓄熱材の密度と高温蓄熱材の密度の中間の平均密度を持つ多数の浮体と、を有する蓄熱装置において、
    前記多数の浮体を浮体収容部材内に収容し、
    前記蓄熱装置は前記浮体収容部材を上下動可能に吊り下げる吊り下げ手段を有するとともに、当該浮体収容部材に重量調整用おもりを設けたことを特徴とする蓄熱装置。
  2. 前記浮体収容部材に温度検出手段を設け、検出温度に応じて前記吊り下げ手段により前記浮体収容部材の高さを調整することを特徴とする請求項１記載の蓄熱装置。
  3. 前記浮体収容部材は網状のカバー、網状の容器又はシート状のカバーであることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄熱装置。
  4. 前記多数の浮体は浮力の異なる浮体からなり、当該浮力の異なる浮体を連結部材で連結したことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の蓄熱装置。
  5. 前記浮体に突起を設けたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の蓄熱装置。
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