JP6165743B2 - 太陽光を利用した集熱蓄熱装置 - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光を利用した集熱蓄熱装置に関する。
これまで、トラフやタワー型装置により太陽光を集光することによって得られる太陽熱は、油、沸騰水、溶融塩などの物質に集熱されるとともに、これらの物質から直接的に熱利用が行われ、又は、これらの物質を媒体とする蓄熱が行われてきた。米国やスペインでは、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は、沸騰水を過熱した乾き水蒸気や硝酸塩系溶融塩に太陽熱が蓄熱され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、それ以上高温での蓄熱に適さないこと、硝酸塩系溶融塩は500℃以上で熱分解することから、それよりも高温度域での太陽熱の集熱、蓄熱技術は未完成である。
なお、500℃以上の高温度域において太陽熱を蓄熱する方法としては、れんが、セラミックス製の多孔体やハニカムを蓄熱材として、空気に集熱してこれらの固体蓄熱材に伝熱する方法が試みられている。しかし、この方法では、空気の熱容量が小さいため熱伝達率が低く、さらに固体蓄熱材の内部の熱移動が熱伝導のみに依存し極めて遅いという問題があり、いずれも実用化には至っていない。
集光系の開発状況としては、ヘリオスタット式タワー集光装置やビームダウン集光装置により、1000ｋＷ／ｍ２以上の太陽光が得られるようになり、500℃以上の高温環境が得られる目途が立っている。しかしながら、高温での太陽熱の集熱、蓄熱技術が未熟なため、その真価は十分発揮できてはいない。
このように、既存の技術では、集熱、蓄熱温度が低いため熱の利用効率が低く、その用途も限られている。しかし、高温度域での熱利用が可能となれば、製鉄、窯業への太陽熱利用やガスタービン複合発電への太陽熱利用が可能となるため、太陽熱の利用分野は拡大し、利用効率も飛躍的に向上するものと期待される。
ところで、非特許文献１には、反応性粒子による内循環流動層を利用したソーラー水熱分解反応器が開示されている。このソーラー水熱分解反応器の流動層の温度は1000℃以上となり、しかも内循環により流動層内部の温度の均一化が促進されることが開示されている。
しかし、非特許文献１に記載されているソーラー水熱分解反応器は、水熱分解による水素の生産を目的とするものであって、太陽熱の蓄熱を考慮したものではなかった。
Nobuyuki Gokon, Hiroki Yamamoto, Nobuyuki Kondo and Tatsuya Kodama, "Internally Circulating Fluidized Bed Reactor Using m-ZrO2 Supported NiFe2O4Particles for Thermochemical Two-Step Water Splitting", ASME Journal of Solar Energy Engineering, 2010, Vol. 132, 021102, 10Pages.
Atsushi Sakurai, So Sakuma, Nobuyuki Gokon, Koji Matsubara and Tatsuya Kodama, "Fundamental Study of Radiative Transfer Analysis of Internally Circulating Fluidized Bed Solar Reactor", Solar PACES-2011, CD-ROM (23796), 6 pages.
そこで、本発明は、500℃以上の高温度域での熱利用を可能にする、新規の太陽光を利用した集熱蓄熱装置を提供することを目的とする。
本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置は、蓄熱材料粒子からなる流動層を収容する容器と、前記流動層へ太陽光を集光して照射する太陽光集光手段と、前記容器の底部に設けられ前記流動層に気体を導入する気体導入手段と、前記容器の上部に設けられ前記流動層を通過した気体を導出する気体導出手段と、上下方向に開口し前記流動層に埋没して配置された筒状のドラフト管を備え、前記気体導入手段から前記ドラフト管の内側に導入される気体の流量と前記気体導入手段から前記ドラフト管の外側に導入される気体の流量を異ならせることにより前記蓄熱材料粒子を前記ドラフト管の内外において循環流動させるように構成するとともに、前記蓄熱材料粒子の熱により気体を加熱する加熱手段を備え、前記加熱手段により前記ドラフト管が形成されたことを特徴とする。
また、前記加熱手段はらせん状流路を備えたことを特徴とする。
さらに、前記容器の上部には、太陽光が透過可能な石英製の窓が設けられたことを特徴とする。
本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置によれば、容器に収容された流動層が太陽集光手段により集光された太陽光により加熱される。そして、気体導入手段から導入された気体が前記流動層を通過する際に前記流動層の熱により加熱され、気体導出手段から中高温度域の気体が得られる。また、加熱手段に導入された気体が前記加熱手段を通過する際に前記流動層の熱により加熱され、500℃以上の高温度域の気体が得られる。さらに、前記気体導入手段から導入される気体により前記蓄熱材料粒子が前記容器内において循環流動するため、前記流動層内の温度差を小さくすることができる。
以下、本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
はじめに、本実施例の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の構成について説明する。
本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の一実施例を示す図１、図２において、１は耐熱性が高いステンレス鋼またはインコネルからなる円筒形の容器であり、この容器１には、蓄熱材料粒子からなる流動層２が収容されている。蓄熱材料粒子としては、融点が1750℃と高くＳｉＯ２を主成分とする硅砂、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）などの鉄酸化物、ふく射吸収率が高い炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる粒子が好適に用いられる。
容器１の内部には、上下方向に開口した筒状のドラフト管３が備えられ、ドラフト管３は、流動層２に埋没して流動層２の中央部に配置されている。また、容器１の底部には、中央部と周辺部にそれぞれ分散板４，５が設けられている。分散板４，５は、流動層２を構成する蓄熱材料粒子を容器１内に保持するともに、容器１の底部から気体を導入することができるように、多孔質材料から形成されている。分散板４，５の下方には分散板４，５を介して流動層２に気体を導入する気体導入手段としての導入口６，７がそれぞれ設けられている。また、容器１の上部には、太陽光が透過できるように、石英製の窓８が設けられている。そして、容器１の上部の側方には、流動層２を通過した気体を導出する気体導出手段としての導出口９が設けられている。
10はヘリオスタットと呼ばれる地上反射鏡、11は図示しないタワーに設置されたタワー反射鏡であり、これら地上反射鏡10とタワー反射鏡11によりビームダウン型の太陽光集光手段が構成される。そして、この太陽光集光手段により、太陽光Ｓが集光されて容器１に収容された流動層２の上面中央部へ照射されるようになっている。
図２において、容器１の外周部には加熱手段としての加熱器12が密着して設けられている。この加熱器12はらせん状流路13からなり、加熱器12の下部には加熱器12に気体を導入する導入口14が、加熱器12の上部には加熱器12から気体を導出する導出口15がそれぞれ設けられている。らせん状流路13は、流動層２の高さに合わせて設けられている。また、容器１の上面を除く外周は断熱材16により覆われている。さらに、流動層２の上面中央部にのみ太陽光Ｓが照射されるように、容器１の上部には逆裁頭円錐状に形成された拡大部17が設けられている。
つぎに、本実施例の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の動作について説明する。
導入口６から分散板４を経由してドラフト管３の内側に気体を導入し、同時に、導入口７から分散板５を経由してドラフト管３の外側に気体を導入する。なお、気体としては、例えば、空気、窒素、水蒸気などを用いることができる。そして、ドラフト管３の内側における気体の流量を、ドラフト管３の外側における気体の流量よりも大きくすることにより、流動層２をドラフト管３の内外で循環させる。すなわち、ドラフト管３の内側の領域において流動層２が上昇し、ドラフト管３の外側と容器１の間の領域において流動層２が下降する循環流動を生じさせる。
続いて、地上反射鏡10，タワー反射鏡11により集光された太陽光Ｓを、窓８を通して流動層２の上面中央部へ照射し、流動層２を加熱する。流動層２は循環流動するため、流動層２は全体的に加熱されることになる。その結果、流動層２全体において太陽熱が蓄熱される。
そして、導入口６，７から導入された気体は、流動層２を通過する際に加熱されて、導出口９から導出される。ここで、流動層２を構成する蓄熱材料粒子の表面積が大きいほど気体への伝熱は良好となる。一方、導入口14から導入された気体は、加熱器12のらせん状通路13を通過する際に加熱されて、導出口15から導出される。
ここで、導出口９の位置が流動層２表面よりも上にあるため、導入口６，７から導入された気体の温度は流動層２の温度よりも低くなる傾向がある。したがって、導出口９から導出される気体は中高温度域での熱利用に適している。これに対して、導出口15から導出される気体は、流動層２の高さに合わせて設けられたらせん状通路13により加熱されるため、より高温度域での熱利用が可能である。このように、中高温度域と高温度域の二つの温度域の加熱気体を取り出すことができ、これら二つの温度域の加熱気体をそれぞれの温度域に適した熱利用に供することができる。
なお、流動層２は循環流動するため、流動層２の温度は太陽光の強度の変化による影響を受けにくい。したがって、太陽光が強いときに流動層２に集熱、蓄熱しておき、熱が必要な時にのみ気体を導入口６，７，14から導入することも可能である。
以上のように、本実施例の本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置は、蓄熱材料粒子からなる流動層２を収容する容器１と、この容器１に収容された前記流動層２へ太陽光Ｓを集光して照射する太陽光集光手段としての地上反射鏡10とタワー反射鏡11と、前記容器１の底部に設けられ前記流動層２に気体を導入する気体導入手段としての導入口６，７と、前記容器１の上部に設けられ前記流動層２を通過した気体を導出する気体導出手段としての導出口９と、前記容器１に設けられ前記流動層２の熱により気体を加熱する加熱手段としての加熱器12を備えるとともに、前記導入口６，７から導入される気体により前記蓄熱材料粒子を前記容器１内において循環流動させるように構成したものである。
したがって、容器１に収容された流動層２が地上反射鏡10とタワー反射鏡11により集光された太陽光Ｓにより加熱される。そして、導入口６，７から導入された気体が前記流動層２を通過する際に前記流動層２の熱により加熱され、導出口９から中高温度域の気体が得られる。また、加熱器12に導入された気体が前記加熱器12を通過する際に前記流動層２の熱により加熱され、500℃以上の高温度域の気体が得られる。さらに、前記導入口６，７から導入される気体により前記蓄熱材料粒子が前記容器１内において循環流動するため、前記流動層２内の温度差を小さくすることができる。
また、前記蓄熱材料粒子は、珪砂、鉄酸化物、炭化珪素のいずれかからなるため、効率良く集熱蓄熱を行うことができる。
本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の別の実施例を図３に示す。なお、太陽光集光手段としての地上反射鏡10とタワー反射鏡11は、実施例１と同じであるので図示を省略する。また、実施例１と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施例においては、流動層２に埋没して流動層２の中央部に加熱手段としての加熱器18が設けられている。そして、加熱器18はらせん状流路19を備え、このらせん状流路19により、上下方向に開口した筒状のドラフト管20が形成されている。
上記の構成において、導入口６から分散板４を経由してドラフト管20の内側に気体を導入し、同時に、導入口７から分散板５を経由してドラフト管20の外側に気体を導入する。そして、ドラフト管20の内側における気体の流量を、ドラフト管20の外側における気体の流量よりも大きくすることにより、流動層２をドラフト管20の内外で循環させる。すなわち、ドラフト管20の内側の領域において流動層２が上昇し、ドラフト管20の外側と容器１の間の領域において流動層２が下降する循環流動を生じさせる。
続いて、地上反射鏡10，タワー反射鏡11により集光された太陽光Ｓを、窓８を通して流動層２の上面中央部へ照射し、流動層２を加熱する。そして、導入口６，７から導入された気体は、流動層２を通過する際に加熱されて、導出口９から導出される。一方、導入口14から導入された気体は、加熱器18のらせん状流路19を通過する際に流動層２により加熱されて、導出口15から導出される。
ここで、導出口15から導出される気体は、流動層２に埋没して設けられたらせん状流路19において流動層２により加熱されるため、高温度域での熱利用が可能である。
本実施例によれば、加熱器18を構成するらせん状流路19をドラフト管20として用いるため、加熱器18を設けるための余計なスペースが不要となり、装置をコンパクトにできる。また、加熱器18を流動層２に埋没させることができるため、効率的に気体を加熱することができる。
本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置のさらに別の実施例を図４に示す。なお、太陽光集光手段としての地上反射鏡10とタワー反射鏡11は、実施例１と同じであるので図示を省略する。また、実施例１と同じ部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施例においては、より大規模な集熱、蓄熱を行うために、流動層２を収容する容器を集熱容器21と蓄熱容器22に分離して構成されている。
集熱容器21の内部には、整流板23が備えられ、整流板23は、流動層２に埋没して流動層２の中央部に配置されている。また、集熱容器21の底部には、傾斜して分散板24が設けられている。分散板24は、流動層２を構成する蓄熱材料粒子を集熱容器21内に保持するともに、集熱容器21の底部から気体を導入することができるように、多孔質材料から形成されている。分散板24の下方には分散板24を介して流動層２に気体を導入する気体導入手段としての導入口６，７が設けられている。なお、導入口６は、傾斜した分散板24の下部に、導入口７は傾斜した分散板24の上部に、それぞれ気体を導入するようになっている。また、集熱容器21の上部には、太陽光が透過できるように、石英製の窓８が設けられている。そして、集熱容器21の上部の側方には、流動層２を通過した気体を導出する気体導出手段としての導出口９が設けられている。
一方、蓄熱容器22の内部には加熱手段としての加熱器25が密着して設けられている。この加熱器25の下部には加熱器25に気体を導入する導入口26が、加熱器25の上部には加熱器25から気体を導出する導出口27がそれぞれ設けられている。
そして、集熱容器21と蓄熱容器22との間で蓄熱材料粒子を循環させる循環手段として、集熱容器21の導出口９の下方から蓄熱容器22の天井に接続する搬送路28と、蓄熱容器22の底部から集熱容器21の上部に接続する搬送路29が設けられている。搬送路29において、蓄熱容器22の底部近傍には搬送用気体を導入する導入口30が、集熱容器21の上部近傍には搬送用気体を導出する導出口31がそれぞれ設けられている。
つぎに、本実施例の太陽光を利用した集熱蓄熱装置の動作について説明する。
導入口６，７から分散板24を経由して集熱容器21に気体を導入する。導入口６からの気体の流量を、導入口７からの気体の流量よりも大きくすることにより、流動層２を整流板23の左右で循環させる。すなわち、整流板23の導入口６側の領域において流動層２が上昇し、整流板23の導入口７側の領域において流動層２が下降する循環流動を生じさせる。
また、集熱容器21中の流動層２を構成する蓄熱材料粒子は、集熱容器21中の循環流動により搬送路28を経由して蓄熱容器22に移動する。蓄熱容器22中の蓄熱材料粒子は、導入口30に導入される搬送用気体により搬送路29を経由して集熱容器21に搬送される。なお、本実施例では、搬送路29における蓄熱材料粒子の搬送をエアレーションで行う例を示したが、スクリューによる搬送も可能である。
続いて、太陽光Ｓを、窓８を通して集熱容器21中の流動層２の上面中央部へ照射し、流動層２を加熱する。流動層２は循環流動するため、流動層２は全体的に加熱されることになる。その結果、流動層２全体において太陽熱が蓄熱される。
そして、集熱容器21において、導入口６，７から導入された気体は、流動層２を通過する際に加熱されて、導出口９から導出される。一方、蓄熱容器22において、導入口26から導入された気体は、加熱器25を通過する際に加熱されて、導出口27から導出される。
このように、集熱容器21において加熱された蓄熱材料粒子は、蓄熱容器22に移動し、加熱器25に熱を放出し、その後、集熱容器21に戻るループ状システムとなっている。
以上のように、本実施例の本発明の太陽光を利用した集熱蓄熱装置は、蓄熱材料粒子からなる流動層２を収容する集熱容器21，蓄熱容器22と、この集熱容器21に収容された前記流動層２へ太陽光Ｓを集光して照射する太陽光集光手段と、前記集熱容器21の底部に設けられ前記流動層２に気体を導入する気体導入手段としての導入口６，７と、前記集熱容器21の上部に設けられ前記流動層２を通過した気体を導出する気体導出手段としての導出口９と、前記蓄熱容器21に設けられ前記流動層２の熱により気体を加熱する加熱手段としての加熱器25を備えるとともに、前記導入口６，７から導入される気体により前記蓄熱材料粒子を前記集熱容器21内において循環流動させるように構成したものである。
したがって、集熱容器21に収容された流動層２が太陽光集光手段により集光された太陽光Ｓにより加熱される。そして、導入口６，７から導入された気体が前記流動層２を通過する際に前記流動層２の熱により加熱され、導出口９から中高温度域の気体が得られる。また、加熱器25に導入された気体が前記加熱器25を通過する際に前記流動層２の熱により加熱され、500℃以上の高温度域の気体が得られる。さらに、前記導入口６，７から導入される気体により前記蓄熱材料粒子が前記集熱容器21内において循環流動するため、前記流動層２内の温度差を小さくすることができる。
また、前記集熱容器21と前記蓄熱容器22との間で前記蓄熱材料粒子を循環させる循環手段としての搬送路28，29を備えたため、より大規模な集熱蓄熱を行うことができる。
また、前記循環手段としての搬送路29は気体により前記集熱容器21と前記蓄熱容器22との間で前記蓄熱材料粒子を循環させるように構成したため、装置の構成を簡略にすることができる。
実施例１の太陽光を利用した集熱蓄熱装置について、数値解析を行った。図５〜９にその結果を示す。
図５に計算領域を示す。計算領域は、高さ100ｍｍの円筒容器とした。
数値解析では、流体運動を圧縮性ナビエストークス式、温度場をエネルギー方程式で解き、混相流をオイラー・グラニュラーモデルで扱った。ふく射輸送は、球面調和関数法で計算した。そして、下方からの中心部の気体流速を0.35ｍ／ｓ、周囲部のそれを0.03ｍ／ｓ、上部からの集光太陽光を５ｋＷとした場合について計算した。
図６に瞬時の粒子体積分率を示す。流動層内部に気泡が発生し、それに伴い中心部では上昇運動が生じる。図７に示した粒子の平均流速から、粒子は全体的に循環することが分かる。図８は、気体の平均流速であり、粒子運動に関わらず、全体的に上昇する傾向がある。
図９は、粒子温度を示しており、粒子層表面で温度勾配が大きいが、その部分を除くと温度分布は平坦であり、全体的に1700Ｋ（約1400℃）以上の高温加熱が達成できることが分かる。
実施例４で数値解析を行ったものと同様のサイズの円筒容器を備えた集熱蓄熱装置を準備した。５ｋＷｔの模擬太陽光を流動層に照射し、流動層を通過する気体を加熱した。容器の各部と気体の温度は、Ｋ型熱電対により測定した。気体のドラフト管の内管側流速は５Ｌ／分、外管側流速は10Ｌ／分とした。粒子として、106μｍ〜710μｍのセラミクス（セリア ＣｅＯ２）粒子を929ｇ使用した。
容器の出口部である導出部において気体温度は762℃であり、本発明の集熱蓄熱装置によって気体を十分高温に加熱できることが示された。
実施例３の太陽光を利用した集熱蓄熱装置を高温空気タービン発電に応用した例を図１１に示す。なお、実施例１、３と同じ部分には同じ符号を付す。
本実施例は、ビームダウン型の太陽光集光手段により蓄熱材料粒子を加熱して太陽熱を蓄熱材料粒子に蓄熱し、その熱によって高温空気タービンを駆動して発電するシステムである。通常のガスタービンは内燃機関であるが、ここでは外燃式空気タービンを用いており、外部からの加熱を利用することができる。
図１１において、複数の地上反射鏡10で反射された太陽光は第一焦点Ａに集光された後に楕円鏡からなるタワー反射鏡11で反射され、第二焦点Ｂに集光され、さらに集熱容器21の上方に設けられた複合放物面型集光器41により集熱容器21に導かれる。集熱容器21に収容された蓄熱材料粒子からなる流動層２は、集光された太陽光により加熱され、高温槽42、蓄熱容器22、低温槽43の順に移送され、再び集熱容器21に戻る。集熱容器21に収容された流動層２のエアレーションに用いられた空気は集熱容器21を出た後、熱交換器44へ送られ、これから流動層２のエアレーションに用いられるために集熱容器21に導入される空気の予熱に用いられる。蓄熱容器22に設けられた加熱器25には、高温空気タービンの動作流体である空気が導通している。高温槽42、蓄熱容器22、低温槽43への蓄熱材料粒子の移動は、空気によるエアレーション、又は、スクリューによる機械的搬送によって行われる。
そして、蓄熱容器22に設けられた加熱器25により加熱された空気によって高温空気タービンが動作し、発電が行われる。高温空気タービンは、圧縮機45、タービン46、熱交換器47により構成され、タービン46は、圧縮機45と発電機48に接続している。圧縮機45により加圧された空気は、加熱器25において加熱され、タービン46を回転させた後、排気される。タービン46は発電機47を駆動し、発電が行われる。タービン46から排気された高温空気は、熱交換器47において、圧縮機45により加圧された空気の予熱に用いられる。
以上のように、本実施例は、ビームダウン型の太陽光集光手段によって得られた熱を利用することにより高温空気タービンを駆動して発電するシステムである。システムから排出される空気は、すべて熱交換器44，47を通して十分に冷却されてから捨てられるため、太陽熱を効率的に利用することができる。通常の太陽熱発電は水蒸気タービンを用いるが、本システムは高温空気タービンを利用するため、水が不要であり、乾燥地での利用に適し、また、ビームダウン型の太陽光集光手段を利用することにより得られる高温環境を利用して、効率的に発電することができる。
１ 容器
２ 流動層
６，７ 導入口（気体導入手段）
９ 導出口（気体導出手段）
10 地上反射鏡（太陽光集光手段）
11 タワー反射鏡（太陽光集光手段）
12，18 加熱器（加熱手段）
21 集熱容器
22 蓄熱容器
25 加熱器（加熱手段）
28，29 搬送路（循環手段）
Ｓ 太陽光
２ 流動層
６，７ 導入口（気体導入手段）
９ 導出口（気体導出手段）
10 地上反射鏡（太陽光集光手段）
11 タワー反射鏡（太陽光集光手段）
12，18 加熱器（加熱手段）
21 集熱容器
22 蓄熱容器
25 加熱器（加熱手段）
28，29 搬送路（循環手段）
Ｓ 太陽光
Claims (3)
- 蓄熱材料粒子からなる流動層を収容する容器と、前記流動層へ太陽光を集光して照射する太陽光集光手段と、前記容器の底部に設けられ前記流動層に気体を導入する気体導入手段と、前記容器の上部に設けられ前記流動層を通過した気体を導出する気体導出手段と、上下方向に開口し前記流動層に埋没して配置された筒状のドラフト管を備え、前記気体導入手段から前記ドラフト管の内側に導入される気体の流量と前記気体導入手段から前記ドラフト管の外側に導入される気体の流量を異ならせることにより前記蓄熱材料粒子を前記ドラフト管の内外において循環流動させるように構成するとともに、
前記蓄熱材料粒子の熱により気体を加熱する加熱手段を備え、
前記加熱手段により前記ドラフト管が形成されたことを特徴とする太陽光を利用した集熱蓄熱装置。 - 前記加熱手段はらせん状流路を備えたことを特徴とする請求項１記載の太陽光を利用した集熱蓄熱装置。
- 前記容器の上部には、太陽光が透過可能な石英製の窓が設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の太陽光を利用した集熱蓄熱装置。
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