JP5722917B2 - 太陽入熱を用いて熱化学プロセスを行う反応器、ならびに関連するシステムおよび方法 - Google Patents

太陽入熱を用いて熱化学プロセスを行う反応器、ならびに関連するシステムおよび方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１０年２月１３日に出願され、参照により本明細書に援用される係属中の米国特許仮出願第６１／３０４，４０３号明細書の優先権を主張する。前述の出願および／または参照により本明細書に援用される範囲までいずれの他の資料も本明細書に示された開示と矛盾する場合には、本明細書の開示が優先する。
本技術は、一般に、太陽入熱を用いて熱化学プロセスを行う反応器、ならびにそれに関連するシステムおよび方法を対象とする。特定の実施形態では、そのような反応器は、広く様々な原料から清浄燃焼性水素ベース燃料を生成するために使用することができ、水素ベースの燃料を形成するとき放出される炭素および／または他の元素から構造用ブロック材料を生成することができる。
太陽エネルギー、風、波、落下水、およびバイオマスをベースとした供給源などの再生可能エネルギー供給源は、重要なエネルギー供給源として極めて大きな可能性を有するが、現時点では、広く採用されるのを妨げる様々な問題を抱えている。たとえば、発電への再生可能エネルギー供給源の使用は、その供給源の利用可能性に依存しており、それは間欠的であり得る。とりわけ、太陽エネルギーは陽光の利用可能性によって制約され（すなわち日中のみ）、風エネルギーは風の変動性によって制約され、落下水エネルギーは渇水によって制約され、バイオマスエネルギーは季節的変化によって制約される。これらおよび他の要因の結果として、再生可能供給源からの、捕捉されまたは捕捉されなかった多量のエネルギーが、無駄になりやすい。
エネルギーの捕捉および保存に関する前述の非効率性は、それらがしばしばエネルギー生成の高コスト化をもたらすので、世界の多くの地域にとって存続可能なエネルギー供給体へと再生可能エネルギー供給源が拡張することを制約している。したがって、少なくとも部分的には、化石燃料に関連する技術開発を支援する政府の助成金および他のプログラムが、そのような燃料を使用することを一見好都合で見かけ上費用が掛からないとするので、世界は、主要なエネルギー供給源として石油および他の化石燃料に頼り続ける。同時に、使い果たされた資源に対する代替コスト、ならびに環境劣化、健康への影響、および化石燃料使用による他の副産物についてのコストは、これら燃料から生じるエネルギーの購入価格に含まれていない。
再生可能エネルギーを継続的に生成することに現時点で関連する前述および他の欠点を考慮すると、上記資源により製品および燃料を製造することに関する効率および商業的成立性を改善する必要性が残る。
１．概要
太陽エネルギーによって引き起こされる反応を行う装置、システム、および方法のいくつかの例が以下に説明される。特定の実施形態による反応器は、作動の一段階中に太陽エネルギーを収集し、作動の別の段階中にその収集装置を使用して熱を遮断することができる。そのような反応器は、水素燃料および／または他の有用な最終製品を製造するために使用することができる。したがって、反応器は清浄燃焼性燃料を生成することができ、ポリマーおよび炭素複合材を含む耐久財に使用するために、炭素および／または他の成分を再利用することができる。以下の説明は、当業者がそれらの例を実施し、製作し、使用することを可能にするために十分なように、下記の例の多くの特定の細部を示すが、以下に説明されるいくつかの細部および利点は、本技術の特定の例を実施するために必要ないこともある。さらに、本技術は、特許請求の範囲には包含されるが、ここでは詳細には説明されていない別の例も含み得る。
この明細書を通して「一例」、「例」、「一実施形態」、または「実施形態」という言及は、その例に関連して説明されている特定の特徴、構造、プロセス、または特性が、本技術の少なくとも１つの例に含まれていることを意味する。したがって、この明細書を通して様々な箇所で語句「一例では」、「例では」、「一実施形態」、または「実施形態」が現れたとき、必ずしもすべてが同じ例を指す訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、ルーチン、ステップ、または特性は、本技術の１つまたは複数の例において任意の適切な態様で組み合わせることができる。本明細書で示される見出しは、単に便宜的なものであり、特許請求の範囲に記載された技術の範囲または趣旨を限定または説明するものではない。
以下に説明される本技術のいくつかの実施形態は、プログラマブルコンピュータまたはコントローラによって実行されるルーチンを含めて、コンピュータで実行可能な命令の形態を取ることができる。当業者は、本技術が、以下に示され説明されるもの以外のコンピュータまたはコントローラシステム上でも実施することができることを理解するであろう。本技術は、以下に説明される１つまたは複数のコンピュータで実行可能な命令を実行するように固有にプログラムされ、構成され、または構築された専用コンピュータ、コントローラ、またはデータプロセッサで具体化することができる。したがって、本明細書に全般的に使用されている用語「コンピュータ」および「コントローラ」は、あらゆるデータプロセッサを指し、インターネット機器、ハンドヘルドデバイス、多重プロセッサシステム、プログラマブルコンシューマエレクトロニクス（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｎｓｕｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、ネットワークコンピュータ、ミニコンピュータなどを含み得る。本技術はまた、タスクまたはモジュールが、通信ネットワークを介してリンクされているリモートプロセッシングデバイス（ｒｅｍｏｔｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）によって実行される分散環境で実施することもできる。以下に説明される本技術の態様は、磁気もしくは光学的可読コンピュータディスクまたは磁気もしくは光学的リムーバブルコンピュータディスク、ならびにネットワーク上で電子的に分散された媒体を含めて、コンピュータ可読媒体上に記憶しまたは分散処理することができる。特定の実施形態では、本技術の態様に特有のデータ構造、およびデータ伝送もまた、本技術の範囲に包含される。本技術は、特定のステップを実施するためにコンピュータ可読媒体をプログラムする方法、ならびにそれらステップを実行する方法を共に包含する。
本開示技術の実施形態によって構成された太陽エネルギー集中装置を有するシステムの部分的に概略化された部分断面図である。 本開示の実施形態による、太陽エネルギー集中装置が冷却プロセスにおいてエネルギーを射出するように構成された図１に示すシステムの実施形態の部分的に概略化された部分断面図である。 本開示の実施形態による、移動可能な太陽エネルギー集中装置パラボラアンテナを有するシステムの部分的に概略化された部分断面図である。 本開示の実施形態による、トラフ状の太陽エネルギー集中装置を有するシステムの部分的に概略化された等角図である。 本開示の実施形態による、フレネルレンズ集中装置を有するシステムの部分概略図である。 本技術の実施形態によって構成された放射制御構造体および再方向付け構成要素を有する反応器の部分概略図である。
特定の実施形態による反応器システムは、反応領域を有する反応器と、反応領域と流体連結して結合された反応体供給源と、太陽エネルギーを焦点域に導くように配置可能な少なくとも１つの集中装置面を有する太陽エネルギー集中装置とを備える。システムは、太陽エネルギー集中装置に結合され太陽エネルギー集中装置を太陽に対して移動させるアクチュエータと、アクチュエータに動作可能に結合されその作動を制御するコントローラとをさらに備え得る。コントローラは、実行時、太陽エネルギーが閾値を上回るとき（たとえば日中）、アクチュエータに指示して太陽エネルギー集中装置を、太陽エネルギーを反応領域に集中させるように配置する命令でプログラムすることができる。太陽エネルギーが閾値を下回るとき、コントローラは、アクチュエータに指示して太陽エネルギー集中装置を、放射エネルギーが比較的小さい空中の場所に向くように配置して焦点域に配置された対象物を冷却することができる。
本技術の別の実施形態によるシステムは、反応器と、反応体供給源と、太陽エネルギー集中装置と、太陽エネルギー集中装置に結合され太陽エネルギー集中装置を太陽に対して移動させる第１のアクチュエータとを備える。システムは、太陽エネルギー集中装置の集中装置面とその関連する焦点域との間に配置された放射制御構造体をさらに備え得る。放射制御構造体は、第１の表面と、第１の表面から外方を向く第２の表面とを有し、その各々は異なる吸収率および射出率を有する。特に、第１の表面は、第１の放射エネルギー吸収率および第１の放射エネルギー射出率を有し得、第２の表面は、第１の放射エネルギー吸収率より小さい第２の放射エネルギー吸収率と、第１の放射エネルギー射出率より大きい第２の放射エネルギー射出率とを有し得る。システムは、放射制御構造体に結合されこの構造体を、第１の表面が集中装置面方向に面する第１の形状から、また第２の表面が集中装置面方向に面する第２の形状から変化させる第２のアクチュエータをさらに備え得る。特定の実施形態では、システムは、太陽エネルギー集中装置によって導かれた太陽エネルギーのレベルに応じて放射制御構造体の作動を指示するコントローラもまたさらに備え得る。
本技術の特定の実施形態による方法は、太陽エネルギー集中装置を用いて太陽エネルギーを集中させるステップと、集中させた太陽エネルギーを太陽エネルギー集中装置の焦点域に配置された反応領域に導くステップと、反応領域において、集中させた太陽エネルギーを用いて水素供与体を分解生成物に分解するステップとを含む。その方法は、分解生成物から、構造用ブロック材料（炭素、窒素、ホウ素、珪素、硫黄、および遷移金属をベースとする）の少なくとも１つおよび水素ベース燃料を供給するステップをさらに含み得る。さらなる特定の実施形態では、その方法は、太陽エネルギーが閾値を上回るか、または下回るかに応じて異なる動作を行うステップをさらに含み得る。たとえば、太陽エネルギーが閾値を上回るとき、これを反応領域に導くことができ、太陽エネルギーが閾値を下回るとき、太陽エネルギー集中装置を太陽からそらして、放射エネルギーが比較的小さい空中の場所に向け、構造用ブロック材料および／または水素ベース燃料を冷却することができる。
２．代表的反応器および関連する方法
図１は、本技術の特定の実施形態による太陽エネルギー集中装置１２０に結合された反応器１１０を有するシステム１００の部分的に概略化された部分断面図である。この実施形態の一態様では、太陽エネルギー集中装置１２０は、台座１２２に装着されたパラボラアンテナ１２１を備える。パラボラアンテナ１２１は、入射太陽エネルギー１２６を受け取る集中装置面１２３を備え得、太陽エネルギーを集束された太陽エネルギー１２７として焦点域１２４方向に導く。パラボラアンテナ１２１は、地球が自転するにつれて太陽エネルギー１２６を効率的に集束するために少なくとも２つの直交軸の周りでパラボラアンテナ１２１を移動させる集中装置アクチュエータ１２５に結合することができる。以下にさらに詳細に説明されるように、集中装置アクチュエータ１２５はまた、冷却作動中、パラボラアンテナ１２１を太陽からそむけるように意図的に配置するように構成することもできる。
反応器１１０は、第１の反応領域１１１ａおよび第２の反応領域１１１ｂとして図１に示される１つまたは複数の反応領域１１１を備え得る。特定の実施形態では、第１の反応領域１１１ａは、集束された太陽エネルギー１２７を受け取り、分解反応または他の吸熱反応を容易にするために焦点域１２４に配置される。したがって、システム１００は、反応体を反応器１１０に供給し、反応器１１０から受け取った生成物を収集する分散／収集システム１４０をさらに備え得る。この実施形態の一態様では、分散／収集システム１４０は、反応体を第１の反応領域１１１ａへ導く反応体供給源１４１と、反応器１１０から生成物を収集する１つまたは複数の生成物収集器１４２（図１には、第１の生成物収集器１４２ａおよび第２の生成物収集器１４２ｂとして２つが示されている）とを備える。反応器１１０が単一の反応領域（たとえば第１の反応領域１１１ａ）を備えるとき、生成物収集器１４２ａ、１４２ｂは、第１の反応領域１１１ａから生成物を直接収集することができる。別の実施形態では、第１の反応領域１１１ａで生成された中間生成物が、第２の反応領域１１１ｂに導かれる。第２の反応領域１１１ｂでは、中間生成物は発熱反応を受けることができ、結果として生じた生成物は、次いで、生成物流路１５４に沿って生成物収集器１４２ａ、１４２ｂへ送出される。たとえば、代表的実施形態では、反応体供給源１４１は、一酸化炭素および水素を生成するために、第１の反応領域１１１ａに（たとえば個々に制御される方法で）供給され加熱されるメタンおよび二酸化炭素を含み得る。一酸化炭素および水素は、次いで、第２の反応領域１１１ｂに供給され、発熱反応においてメタノールを生成する。この装置および第１の反応領域１１１ａと第２の反応領域１１１ｂの間の関連する熱伝達プロセスのさらなる詳細は、本明細書と同時に出願され、参照により本明細書に援用される、共願の米国特許出願[整理番号６９５４５．８６１６ＵＳ]明細書[名称「REACTOR VESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]により詳細に説明されている。
少なくともいくつかの場合、上記で説明された太陽エネルギー加熱に加えて反応器１１０に冷却をもたらすことが望ましい。たとえば、冷却は、第２の反応領域１１１ｂで行われた発熱反応によって生成された熱を除去するため、したがって反応を継続させるために使用することができる。第２の反応領域１１１ｂでメタノールを含む生成物が生成され、貯蔵および輸送のために、そのメタノールをさらに冷却して液体にするのが望ましい。したがって、システム１００は、集中装置面１２３を使用して反応器１１０における構成要素または成分を冷却することを容易にする特徴を含み得る。特定の実施形態では、システム１００は第１の熱交換器１５０ａを備え、この第１の熱交換器１５０ａは、焦点域１２４に対して第１の熱交換器１５０ａを移動させる熱交換器アクチュエータ１５１に動作可能に結合されている。第１の熱交換器１５０ａは熱交換器流体を含み得、この熱交換器流体は、反応器１１０内の成分と熱的に連通しているが、成分の汚染および／または反応器１１０で生じる反応の妨害を回避するためにこれらの成分から流体分離（ｆｌｕｉｄ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）している。熱交換器流体は、熱交換器流体流路１５３を一巡する形で、第１の熱交換器１５０ａから第２の熱交換器１５０ｂへ、さらに戻るように進行する。第２の熱交換器１５０ｂでは、熱交換器流体は、反応器１１０によって生成された生成物（たとえばメタノール）から、その生成物が第２の反応領域１１１ｂから分散／収集システム１４０へ進むときに熱を受け取る。熱交換器流体流路１５３は、加熱された熱交換器流体を冷却のために第１の熱交換器１５０ａに送出して戻す。熱交換器流体流路１５３内の１つまたは複数の張力緩和フィーチャ１５２（たとえばコイル状導管）は、第１の熱交換器１５０ａの移動を容易にする。システム１００はまた、様々なセンサ、変換器、および／またはシステム１００の他の要素のいずれかから入力信号１９１を受け取るコントローラ１９０も備え得、これらの要素から受け取られた情報に応答して、システム１００の作動パラメータを調整するために制御信号１９２を送出する。
図２は、第１の熱交換器１５０ａに供給された熱交換器流体がそれによって冷却される１つの機構を示している。この実施形態では、コントローラ１９０は熱交換器アクチュエータ１５１に指示して、矢印Ａによって示されるように第１の熱交換器１５０ａを図１に示される位置から焦点域１２４まで進める。加えて、コントローラ１９０は、集中装置アクチュエータ１２５に指示してパラボラアンテナ１２１を、集中装置面１２３が太陽からそらされ、ほとんど放射エネルギーを有さない空の領域に向くように配置することができる。通常、このプロセスは、太陽の放射エネルギーおよび局所環境を避けることがより容易である夜間に完了することができるが、少なくともいくつかの実施形態では、このプロセスは日中でも行うことができる。コントローラ１９０に結合された放射エネルギーセンサ１９３は、入来する太陽放射が閾値を下回るときを検出して、第１の熱交換器１５０ａを図２に示される場所に配置するのに適切な時間を示すことができる。
第１の熱交換器１５０ａが図２に示される位置にあるとき、熱交換器１５０内の高温の熱伝達流体は、集中装置面１２３においてパラボラアンテナ１２１によって収集され、有向性の射出エネルギー１２９として外方向に再方向付けされた射出エネルギー１２８を放射する。焦点域１２４に隣接して配置された絶縁体１３０は、放射エネルギーが集中装置面１２３方向以外の方向に射出されることを防止することができる。集中装置面１２３を、ほとんど放射エネルギーを有さない空間中の領域に向くように配置することにより、空間中のその領域はヒートシンクとして作動することができ、したがって第１の熱交換器１５０ａによって遮断された有向性の射出エネルギー１２９を受け取ることができる。熱交換器流体は、第１の熱交換器１５０ａで冷却された後、生成物流路１５４に沿って流れる生成物から熱をさらに多く吸収するために第２の熱交換器１５０ｂに戻る。したがって、集中装置面１２３は、反応器１１０の要素を冷却するためおよび加熱するために使用することができる。
特定の実施形態では、第１の熱交換器１５０ａは、日中、図１に示されるように配置され、夜間は図２に示されるように配置される。他の実施形態では、加熱および冷却を同時にもたらすために、複数のシステム１００を一緒に結合することができ、いくつかは対応する第１の熱交換器１５０ａが図１に示されるように配置された状態にあり、他のものは第１の熱交換器１５０ａが図２に示されるように配置された状態にある。これらの実施形態のいずれにおいても、冷却プロセスは、メタノールを液化するために、および／または他の機能をもたらすために使用することができる。そのような機能は、他の材料、たとえば二酸化炭素、エタノール、ブタノールまたは水素を液化するまたは凝固させることを含み得る。
特定の実施形態では、反応器１１０へ送出される反応体は水素を含むように選択され、この水素は、反応体の他の要素（たとえば炭素、窒素、ホウ素、珪素、遷移金属および／または硫黄）から分解されて水素ベース燃料（たとえば二原子水素）と、耐久財を生成するためにさらに処理することができる構造用ブロック材料とを生成する。そのような耐久財は、炭素を含有する構造用ブロック材料から生成することができるグラファイト、グラフェン、および／またはポリマーと、水素を含有する構造用ブロック材料または他の構造用ブロック材料から形成された他の適切な化合物とを含む。適切なプロセスおよび生成物のさらなる詳細は、以下の共願の米国特許出願[整理番号６９５４５．８６０１ＵＳ]明細書[名称「CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、米国特許出願[整理番号６９５４５．８７０１ＵＳ]明細書[名称「ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE A PLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS」]、および米国特許出願[整理番号６９５４５．９００２ＵＳ]明細書[名称「CARBON-BASED DURABLE GOODS AND RENEWABLE FUEL FROM BIOMASS WASTE DISSOCIATION」]に開示されており、これらはすべて本明細書と同時に出願され、参照により本明細書に援用される。
図３は、本開示技術の別の実施形態によって構成された移動可能なパラボラアンテナ３２１を備えた反応器３１０を有するシステム３００を示している。この実施形態の特定の態様では、反応器３１０は、第１の反応領域３１１ａおよび第２の反応領域３１１ｂを備え、第１の反応領域３１１ａは、パラボラアンテナ３２１が、図３に実線で示される第１の位置を有するときに集束された太陽エネルギー１２７を受け取る。パラボラアンテナ３２１は、反応領域３１１ａ、３１１ｂに対してパラボラアンテナ３２１を移動させるパラボラアンテナアクチュエータ３３１に結合される。したがって、作動の第２の段階中、コントローラ１９０は、パラボラアンテナアクチュエータ３３１に指示してパラボラアンテナ３２１を図３の点線で示される第２の位置に移動させる。１つの実施形態では、この構成は、パラボラアンテナ３２１が第２の位置にあるとき、反応領域３１１ｂに熱を供給するために使用することができる。別の実施形態では、この構成は、第２の反応領域３１１ｂを冷却するために使用することができる。したがって、コントローラ１９０は集中装置アクチュエータ１２５に指示してパラボラアンテナ３２１を、放射エネルギーをほとんどまたは全く有さない空中の位置に向けることができ、したがって第２の反応領域３１１ｂがパラボラアンテナ３２１に対して、最終的には空間に対して、図１および２を参照して上記で説明されたものとほぼ類似の方法で熱を遮断することを可能にする。
別の実施形態では、システムは、パラボラアンテナ構成以外の構成を有する太陽エネルギー収集器を備え得る。たとえば、図４は、トラフ状太陽エネルギー収集器４２１を備えた太陽エネルギー集中装置４２０に結合された反応器４１０を有するシステム４００を示している。トラフ状太陽エネルギー収集器４２１は、１つまたは複数のトラフアクチュエータ４３１によって回転され、入射太陽エネルギー１２６を加熱のために反応器４１０方向に導く集中装置面４２３を備える。図４に示される特定の実施形態では、反応器４１０は、図１および２を参照して上記で説明されたものとほぼ類似の方法で作動することができる第１の反応領域４１１ａおよび第２の反応領域４１１ｂを備え得る。システム４００は、反応器４１０の下側にトラフ状太陽エネルギー収集器４２１によって設けられた焦点域４２４の方向へまたはそこから外方へ移動することができる第１の熱交換器４５０ａをさらに備え得る。したがって、第１の熱交換器４５０ａは、入射太陽エネルギー１２６が加熱のために第１の反応領域４１１ａに導かれるとき、図４に示されるように配置することができ、また、焦点域４２４上を（矢印Ａによって示されるように）移動して、図１および２に関して上記で説明されたものとほぼ類似の方法で熱を遮断することができる。反応器４１０は、加熱中、反応器４１０からの熱損失を防止するように配置された絶縁体４３０を備え得る。絶縁体４３０はまた、上記で説明されたものとほぼ類似の方法で、熱が射出エネルギー経路１２８に沿わずに反応器４１０を出ることを防止することもできる。
図５は、入射太陽エネルギー１２６を受け取り、集束された太陽エネルギー１２７を反応器５１０へ送出するように配置されたフレネルレンズ５２１を有する太陽エネルギー集中装置５２０を備えるシステム５００の部分概略図である。この構成は、反応器５１０の成分および／または構成要素を加熱および／または冷却するための上記で説明されたシステムおよび構成要素のいずれかと共に使用することができる。
図６は、本開示技術のさらに別の実施形態による、放射を受け取る反応器６１０を有するシステム６００の部分概略図である。これらの実施形態の一態様では、反応器６１０は、図１および２を参照して上記で説明されたものとほぼ類似の全体配置を有し得る。他の実施形態では、反応器は、図３〜５のいずれかに示されるものと同じようにして構成することができ、このとき以下で説明される構成要素もほぼ類似の方法で作動する。
反応器６１０は、集束された太陽エネルギー１２７が第１の反応領域６１１ａに入ることを可能にする透過構成要素６１２を備え得る。１つの実施形態では、透過構成要素１１２は、ガラスまたは太陽エネルギー放射に対して極めて透過性である別の材料を含む。別の実施形態では、透過構成要素６１２は、１つの波長におけるエネルギー（たとえば放射エネルギー）を吸収し、別の波長におけるエネルギーを再放射する１つまたは複数の要素を備え得る。たとえば、透過構成要素６１２は、１つの波長において入射太陽エネルギーを受け取る第１の表面６１３ａと、そのエネルギーを別の波長において第１の反応領域６１１ａ内に再放射する第２の表面６１３ｂとを備え得る。このようにして、第１の反応領域６１１ａに供給されたエネルギーは、第１の反応領域６１１ａ内に置かれた反応体および／または生成物の吸収特性に合致するようにまたは近似するように特に調整することができる。たとえば、第１の表面６１３ａおよび第２の表面６１３ｂは、第１のピーク波長範囲を有する第１のスペクトル上の放射を受け取り、第１のピーク波長範囲とは異なる第２のピーク波長範囲を有する第２のスペクトル上で、第１の反応領域６１１ａ内にその放射を再放射するように構成することができる。特定の実施形態では、第２のピーク波長範囲は、第１のピーク波長範囲よりも第１の反応領域６１１ａ内の反応体または生成物のピーク吸収に近くなり得る。代表的な再放射装置のさらなる詳細は、本明細書と同時に出願され、参照により本明細書に援用される、共願の米国特許出願[整理番号６９５４５．８６０３ＵＳ]明細書[名称「CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]に説明されている。
特定の実施形態では、システムはまた、制御構造アクチュエータ６６１によって動力供給される放射制御構造体６６０を含み得る。放射制御構造体６６０は、ベネチアンブラインド方式で対応するピボット継手６６４の周りを旋回する複数の移動可能な要素６６２、たとえばパネルを含み得る。要素６６２の１組が例示の目的で図６に示されており、通常、この組は、反応器６１０の放射を受け取る表面の周りで円周方向に二重にされる。各々の移動可能な要素６６２は、第１の表面６６３ａおよび第２の表面６６３ｂを有し得る。したがって、放射制御構造体６６０は、外部状態（たとえば集束された太陽エネルギー１２７のレベル）に応じて、および／または反応器６１０が加熱モードで使用されているか、または冷却モードで使用されているかに応じて一方の表面または他方の表面を外方向に面するように配置することができる。この実施形態の特定の態様では、第１の表面６６３ａは、比較的高い吸収率および比較的低い射出率を有し得る。したがってこの表面は、日中および／または集束された太陽エネルギー１２７が閾値を上回るときに放射を容易に吸収することができ、吸収されたエネルギーを第２の表面６６３ｂへ（たとえば伝導によって）伝えることができる。第２の表面６６３ｂは、比較的低い吸収率および比較的高い射出率を有し得、したがって、第１の表面６６３ａによってそこに伝導されたエネルギーを射出することができる。１つの配向では、この効果は、第１の反応領域６１１ａを加熱するように作用することができ、反対の配向では、この効果は、たとえば夜間に、第１の反応領域６１１ａ（または反応器１１０の別の構成要素、たとえば上記で説明された第１の熱交換器１５０ａ）を冷却するように作用することができる。したがって、放射制御構造体６６０は、その放射が第１の反応領域６１１ａへ送出される方法および反応器６１０から熱が除去される方法を促進することができる。
さらに別の実施形態では、反応器６１０は、再方向付けアクチュエータ６７１に結合され、収集器表面の収差、環境上の問題、非平行な放射、風および／または他の外乱または歪みにより、「こぼれた」（たとえば正確には透過構成要素６１２上に集束されない）放射を再方向付ける再方向付け構成要素６７０を備え得る。特定の実施形態では、再方向付け構成要素６７０は、上記で論じされたものとほぼ類似のベネチアンブラインド構成で対応するピボット継手６７４の周りを旋回する移動可能な要素６７２を備え得る。したがって、これらの要素６７２は、反応器６１０の放射を受け取る表面の周りで円周方向に配置することができる。この実施形態の一態様では、移動可能な要素６７２の表面は、放射を第１の反応領域６１１ａ内へ簡単に再方向付けるように反射性のものである。他の実施形態では、その表面は、上記で説明され、これまでに参照により援用された共願の米国特許出願[整理番号６９５４５．８６０３]明細書[名称「CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]に説明された波長偏移の特性を含み得る。
図１〜６を参照して上記で説明されたシステムおよびプロセスの実施形態の１つの特徴は、これらが、太陽エネルギー収集器または集中装置面を使用し、実際には集中装置面を反転させて作動させながら、冷却も加熱ももたらすことができることである。この構成は、反応器によって生成された生成物および／または他の成分を冷却する有用な熱伝達プロセスを、これらの機能を提供するための別個の要素（たとえば冷凍システム）の必要性を低減または解消しながら提供することができる。
前述の実施形態の少なくともいくつかの別の特徴は、これらが、入ってくるまたはシステムによって遮断される放射の吸収および／または射出を促進するように特に調整された表面を備え得ることである。これらの要素は、さらなる熱力学的効率性をもたらし、したがって上記で説明された反応体を生成するコストを低減することができる。
特定の実施形態に関連して説明された本技術のいくつかの態様は、他の実施形態において組み合わされ、または削除され得る。たとえば、特定の実施形態は、２つの反応領域を有する反応器に関連して上記で説明されてきた。他の実施形態では、熱を遮断する類似の構成が、単一の反応領域、または３つ以上の反応領域を有する反応器に適用することができる。反応領域（１つまたは複数）は、他の実施形態では、上記で説明されたもの以外の成分を処理するために使用することができる。上記で説明された太陽エネルギー集中装置は、他の実施形態では、他の冷却プロセスに使用することができる。太陽エネルギー集中装置は、他の実施形態では、他の形状（たとえばヘリオスタット形状）を有し得る。少なくともいくつかの実施形態では、反応領域（１つまたは複数）は、太陽エネルギー集中装置が反応領域（１つまたは複数）に対して移動することに加えてまたはその代わりに、太陽エネルギー集中装置に対して移動することができる。上記で説明された再方向付け構成要素および放射制御構造体は、単独で、互いに組み合わせて、および／または図１〜５に関連して上記で説明された構成のいずれかと組み合わせて使用することができる。
さらに、本技術のいくつかの実施形態に伴う利点が、それら実施形態に関連して説明されているが、他の実施形態もそのような利点を示し得、また、本開示の範囲に包含されるためにすべての実施形態がそのような利点を必ずしも示す必要はない。したがって、本開示および関連する技術は、本明細書に明らかに示していないまたは説明されていない他の実施形態を包含することができる。
参照によって本明細書にこれまで援用されなかった範囲まで、本出願は、以下の資料のそれぞれの主題を、それら全体として参照により援用する。すなわち、２０１０年８月１６日出願の米国特許出願第１２／８５７，５５３号明細書[名称「SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, AND NUTRIENT REGIMES」]、２０１０年８月１６日出願の米国特許出願第１２／８５７，５５３号明細書[名称「SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY」]、２０１０年８月１６日出願の米国特許出願第１２／８５７，５５４号明細書[名称「SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCES USING SOLAR THERMAL」]、２０１０年８月１６日出願の米国特許出願第１２／８５７，５０２号明細書[名称「ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８５０５．ＵＳ００]明細書[名称「DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTION DEVICES AND ASSOCIATED METHODS OF OPERATION」]、２０１２年８月１６日出願の米国特許出願第６１／４０１，６９９号明細書[名称「COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０１．ＵＳ００]明細書[名称「CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０２．ＵＳ００]明細書[名称「REACTOR VESSELS WITH TRANSMISSIVE SURFACES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０３．ＵＳ００]明細書[名称「CHEMICAL REACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０４．ＵＳ００]明細書[名称「THERMAL TRANSFER DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０５．ＵＳ００]明細書[名称「CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY POSITIONED DELIVERY AND REMOVAL DEVICES, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６０８．ＵＳ００]明細書[名称「INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６１１．ＵＳ００]明細書[名称「COUPLED THERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１０年９月２２日出願の米国特許出願第６１／３８５，５０８号明細書[名称「REDUCING AND HARVESTING DRAG ENERGY ON MOBILE ENGINES USING THERMAL CHEMICAL REGENERATION」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８６１６．ＵＳ００]明細書[名称「REACTOR VESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８７０１．ＵＳ００]明細書[名称「ARCHITECTURAL CONSTRUCT HAVING FOR EXAMPLE A PLURALITY OF ARCHITECTURAL CRYSTALS」]、２０１０年８月１６日出願の米国特許出願第１２／８０６，６３４号明細書[名称「METHODS AND APPARATUSES FOR DETECTION OF PROPERTIES OF FLUID CONVEYANCE SYSTEMS」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−８８０１．ＵＳ０１]明細書[名称「METHODS, DEVICES, AND SYSTEMS FOR DETECTING PROPERTIES OF TARGET SAMPLES」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−９００２．ＵＳ００]明細書[名称「SYSTEM FOR PROCESSING BIOMASS INTO HYDROCARBONS, ALCOHOL VAPORS, HYDROGEN, CARBON, ETC」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−９００４．ＵＳ００]明細書[名称「CARBON RECYCLING AND REINVESTMENT USING THERMOCHEMICAL REGENERATION」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−９００６．ＵＳ００]明細書[名称「OXYGENATED FUEL」]、２００９年８月２７日出願の米国特許出願第６１／２３７，４１９号明細書[名称「CARBON SEQUESTRATION」]、２００９年８月２７日出願の米国特許出願第６１／２３７，４２５号明細書[名称「OXYGENATED FUEL PRODUCTION」]、２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−９１０２．ＵＳ００]明細書[名称「MULTIPURPOSE RENEWABLE FUEL FOR ISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY」]、２０１０年１２月８日出願の米国特許出願第６１／４２１，１８９号明細書[名称「LIQUID FUELS FROM HYDROGEN, OXIDES OF CARBON, AND/OR NITROGEN; AND PRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLE GOODS」]、および２０１１年２月１４日出願の米国特許出願[整理番号６９５４５−９１０５．ＵＳ００]明細書[名称「ENGINEERED FUEL STORAGE, RESPECIATION AND TRANSPORT」]である。

Claims (17)

  1. 反応体を処理する反応器システムであって、
    反応領域を有する反応器と、
    前記反応器の前記反応領域と流体連通して結合された反応体供給源と、
    太陽エネルギーを焦点域に導くように配置可能な少なくとも１つの集中装置面を有する太陽エネルギー集中装置と、
    前記太陽エネルギー集中装置に結合され、前記太陽エネルギー集中装置を太陽に対して移動させるアクチュエータと、
    前記アクチュエータに動作可能に結合されたコントローラであって、
    実行時、前記コントローラは、前記太陽エネルギーが閾値を上回るとき、前記アクチュエータに指示して前記太陽エネルギー集中装置を、前記太陽エネルギーを前記反応領域上に集束させるように配置し、
    前記太陽エネルギーが前記閾値を下回るとき、前記アクチュエータに指示して前記太陽エネルギー集中装置を少なくとも部分的に太陽からそむけるように配置して前記焦点域に配置された対象物を冷却する、
    命令でプログラムされる前記コントローラと、および、
    熱交換器流体を担持する熱交換器であって、前記太陽エネルギーが前記閾値を下回るときに前記焦点域に配置可能であり、その結果前記太陽エネルギー集中装置を経由して前記熱交換器流体から熱を排出する熱交換器と、
    を備える、
    ことを特徴とする反応器システム。
  2. 前記熱交換器および前記太陽エネルギー集中装置の少なくとも１つは、他方に対して、前記焦点域が前記反応領域と整合される第１の形状と、前記焦点域が前記熱交換器と整合される第２の形状との間で前記反応器の軸方向に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 前記反応領域は第１の反応領域であり、前記システムは第２の反応領域をさらに備え、前記太陽エネルギー集中装置、前記第１の反応領域、および前記第２の反応領域の少なくとも１つは、前記焦点域が前記第１の反応領域と整合される第１の形状と、前記焦点域が前記第２の反応領域と整合される第２の形状とを形成するように移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  4. 前記反応体供給源によって担持される反応体であって、炭素、ホウ素、窒素、珪素、遷移金属、および硫黄の少なくとも１つを成分として有する水素供与体を含む反応体をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  5. 反応体を処理する反応器システムであって、
    反応領域を有する反応器と、
    前記反応器の前記反応領域と流体連通して結合された反応体供給源と、
    太陽エネルギーを焦点域に導くように配置可能な少なくとも１つの集中装置面を有する太陽エネルギー集中装置と、
    前記太陽エネルギー集中装置に結合され、前記太陽エネルギー集中装置を太陽に対して移動させる第１のアクチュエータと、
    第１の表面と、前記第１の表面から外方を向く第２の表面とを有する、前記集中装置面と前記焦点域の間に配置された放射制御構造体であって、前記第１の表面は第１の太陽エネルギー吸収率および第１の太陽エネルギー射出率を有し、前記第２の表面は、前記第１の太陽エネルギー吸収率より小さい第２の太陽エネルギー吸収率と、前記第１の太陽エネルギー射出率より大きい第２の太陽エネルギー射出率とを有する放射制御構造体と、
    前記放射制御構造体に結合され、前記構造体を、前記第１の表面が前記集中装置面方向に面する第１の形状から、および、前記第２の表面が前記集中装置面方向に面する第２の形状から変化させる第２のアクチュエータと、
    熱交換器流体を担持する熱交換器であって、前記太陽エネルギーが閾値を下回るときに前記焦点域に配置可能であり、その結果前記太陽エネルギー集中装置を経由して前記熱交換器流体から熱を排出する熱交換器と、
    を備えることを特徴とする反応器システム。
  6. 前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータに動作可能に結合されたコントローラであって、実行時、
    前記太陽エネルギーが前記閾値を上回るとき、前記第１のアクチュエータに指示して前記太陽エネルギー集中装置を、前記太陽エネルギーを前記反応領域上に集束させるように配置し、
    前記太陽エネルギーが前記閾値を上回るとき、前記第２のアクチュエータに指示して前記放射制御構造体を前記第１の形状に配置し、
    前記太陽エネルギーが前記閾値を下回るとき、前記第１のアクチュエータに指示して前記太陽エネルギー集中装置を、前記太陽からそらした、前記太陽エネルギーが比較的小さい空中の場所に向くように配置して前記焦点域に配置された対象物を冷却し、
    前記太陽エネルギーが前記閾値を下回るとき、前記第２のアクチュエータに指示して前記放射制御構造体を前記第２の形状に配置する、
    命令でプログラムされるコントローラをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  7. 前記放射制御構造体は複数の旋回可能な要素を備え、個々の旋回可能要素は、第１の表面と、前記第１の表面から外方を向く第２の表面とを有することを特徴とする請求項６に記載のシステム。
  8. 前記太陽エネルギー集中装置および前記反応領域の近位に配置された再方向付け構成要素であって、前記太陽エネルギー集中装置によって導かれた前記太陽エネルギーの少なくとも一部分を受け取り、前記一部分を前記反応領域内に再方向付けるように配置された少なくとも１つの移動可能な表面を有する再方向付け構成要素をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  9. 前記再方向付け構成要素は、複数の移動可能な表面を備えることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
  10. 前記移動可能な表面は、反射面を備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
  11. 前記移動可能な表面は、第１のピーク波長範囲を有する第１のスペクトル上で太陽エネルギー放射を受け取り、前記第１のピーク波長範囲とは異なる第２のピーク波長範囲を有する第２のスペクトル上で前記太陽エネルギー放射を前記反応領域内に再放射するように配置された再放射構成要素を備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
  12. 前記反応体供給源によって担持される反応体であって、炭素、ホウ素、窒素、珪素、遷移金属、および硫黄の少なくとも１つを成分として有する水素供与体を含む反応体をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  13. 炭化水素供与体を処理する反応器システムであって、
    反応領域を有する反応容器と、
    前記反応容器の前記反応領域と流体連通して結合され、炭化水素供与体を担持する炭化水素供与体供給源と、
    前記反応領域に結合され、前記炭化水素供与体を前記反応領域で分解することによって生成された水素ベース燃料を受け取る第１の生成物収集器と、
    前記反応領域に結合され、前記炭化水素供与体を分解することによって生成された炭素および炭素化合物の少なくとも１つを受け取る第２の生成物収集器と、
    焦点域を有し、太陽エネルギーを前記焦点域方向に導くように配置可能である少なくとも１つの集中装置面を有する太陽エネルギー集中装置と、
    前記太陽エネルギー集中装置に結合され、前記太陽エネルギー集中装置を太陽に対して移動させるアクチュエータと、
    前記アクチュエータに動作可能に結合されたコントローラであって、
    実行時、前記コントローラは、日照時間の間、前記太陽エネルギー集中装置に指示して太陽方向に向かせ、前記太陽エネルギーを前記反応領域に集束させ、
    日照時間後、前記太陽エネルギー集中装置に指示して少なくとも部分的に太陽からそむけるように配置し、前記焦点域に配置された対象物を冷却する命令でプログラムされる前記コントローラと、
    熱交換器流体を担持する熱交換器であって、前記太陽エネルギーが閾値を下回るときに前記焦点域に配置可能であり、その結果前記太陽エネルギー集中装置を経由して前記熱交換器流体から熱を排出する熱交換器と、
    を備えることを特徴とする反応器システム。
  14. 前記反応領域は第１の反応領域を備え、
    前記アクチュエータは第１のアクチュエータを備え、
    前記システムは第２の反応領域をさらに備え、前記システムは、
    前記第２の反応領域と流体連通する熱交換器流体を担持する熱交換器と、
    前記熱交換器および前記太陽エネルギー集中装置の少なくとも１つに結合された第２のアクチュエータと、をさらに備え、
    前記コントローラは、実行時、
    日照時間の間、前記第２のアクチュエータに指示して前記焦点域を前記第１の反応領域に整合させ、
    日照時間後、前記第２のアクチュエータに指示して前記焦点域を前記熱交換器に整合させる、
    さらなる命令でプログラムされる、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記太陽エネルギー集中装置は、パラボラアンテナ状の集中装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  16. 前記太陽エネルギー集中装置は、トラフ状の集中装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  17. 前記太陽エネルギー集中装置は、フレネルレンズを備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
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