JP6257654B2 - 金属蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は外部から伝達される熱を貯蔵するための金属蓄熱装置に関し、特に、太陽光集光装置などを通じて集光された高温の太陽熱エネルギーを高温で貯蔵してから徐々に放出できるようにすることによって、天然エネルギーである太陽熱の貯蔵を画期的に改善することができる金属蓄熱装置に関する。

太陽熱ボイラーの場合、太陽光集光装置を利用して太陽熱を集光して高温の太陽熱エネルギーを取得し、取得した太陽熱エネルギーを貯蔵して用いる。

一般的に用いられる太陽熱ボイラーでの熱貯蔵は多様な方法で行われる。代表例として、韓国公開実用新案２０−１９９９−００３６６９７号公報（１９９９年９月２７日）の太陽熱温水ボイラーが提案されている。この太陽熱温水ボイラーの構成は以下のとおりである。内部に電気ヒーターが設置されたボイラーにおいて、外部ケースの内側に配置されるとともに水を貯蔵する貯水筒と、外部ケースと貯水筒との間に断熱材を充填して形成された断熱壁と、貯水筒の一端に連結されるとともに水を供給する給水管と、貯水筒の他端に連結されるとともに各加熱部を循環した温水を回収する回収管と、回収管上に配置されるとともに温水を強制的に循環させる循環ポンプと、貯水筒上部の一端に連結されるとともに熱を必要とする加熱部に温水を供給する排水管と、によって、温水筒が構成される。さらに、集光装置を備え、集光装置は以下の構成を有する。建物外側の両フレームの回転軸に対し回転可能に設置されるとともに太陽熱を集光するレンズと、レンズの一端に設置された太陽光追尾センサーと、太陽光追尾センサーと連動して太陽の角度に応じてレンズを回転させる駆動モーターと、加熱管を有するとともに支持棒によってレンズの焦点位置に結合される集熱板と、を備え、過熱管の両端と貯水筒の上端及び下端は循環管によって連結され、循環管は貯水筒の上端と結合されて貯水筒に加熱された温水を供給し、循環管は貯水筒の下端に設置されて集熱板に加熱される温水を供給する。

このように構成された太陽熱温水ボイラーは、集光部をからの太陽熱によって水を加熱した後、断熱層で囲まれた保温効率の良い貯水筒に温水を貯蔵してから暖房用水や温水として用いられ、特に、昼間に貯蔵され夜間に暖房用水として用いられる。しかし、水を直接加熱する方法では蓄熱率が低く、長時間使用できない等の問題があった。それゆえ、冬季には実際に使用することが困難であり、実用化には至らなかった。

他の実施例として、韓国登録実用新案２０−０４３８２４５号公報（２００８年０２月１日）の太陽熱ボイラーの蓄熱槽が提案されている。太陽熱ボイラーの蓄熱槽は、太陽熱集熱機の熱伝達媒体を利用して蓄熱槽の本体フレーム内の暖房水を加熱するように設置されたヒーターと、ヒーターで加熱された高温の暖房水と熱交換するように本体フレームの内部上方に設置されるとともに温水を加熱し供給するための熱交換器と、を備える。ヒーターは、第１のヒーターと第２のヒーターとを有し、第１のヒーターは、本体フレームの内部上方に配置された熱交換部の周囲にコイル管を巻き付けることによって水を加熱し、第２のヒーターは、本体フレームの内部下方にコイル管を巻き付けることによって水を加熱する。

このような構成は、太陽熱で熱伝達媒体を加熱し、熱伝達媒体を利用して用水を加熱できるようにしたもので、単純に水を加熱する方法よりも蓄熱率を高めることができる等の長所があるが、この構成においても蓄熱槽が大型化し、曇った天気が続く場合にはその機能が発揮されない等の問題点があった。

韓国公開実用新案第２０−１９９９−００３６６９７号公報 韓国登録実用新案第２００４３８２４５号公報

そこで、本発明者は前述した従来の蓄熱装置の諸問題を解決するため本発明を完成するに至った。本発明では、特に太陽光集光装置などを通じて集光された高温の太陽熱エネルギーを高温で貯蔵してから徐々に放出することができるようにすることで、天然エネルギーである太陽熱の貯蔵を画期的に改善することができる金属蓄熱装置を提供することを目的とする。

本発明では、高温（１００〜１３００℃）の太陽熱エネルギーを貯蔵する金属蓄熱媒体を二重に断熱するように構成され、金属蓄熱媒体と近接するように熱交換器を設置することで、長時間暖房水を加熱することができるように構成される。

上記金属蓄熱媒体を断熱する二重断熱手段として、本発明では、金属蓄熱媒体の内側と外側と底とにそれぞれ断熱内壁と断熱外壁と断熱底壁とを配置して形成された蓄熱媒体装入室と、底壁と中央柱と外壁体と上部蓋とを有するコンクリートで構成された外壁構造体と、上部蓋の下方に設置された赤外線反射鏡と、を利用することにより、熱の損失を最小限にすることができる。

上記金属蓄熱媒体は、鋳物状態のブロック体で構成してもよい。

上記内部断熱壁体は、赤外線反射金属鏡と、高密度耐火断熱材と、多孔質耐火断熱材と、熱抵抗性に優れた保温耐火断熱材とを積層して構成され、赤外線反射金属鏡を金属蓄熱媒体の方に位置されるように配置してもよい。

上記外壁構造体は、耐火セメントを用い、防水剤を含むコンクリートで構成してもよい。

上記金属蓄熱装置は、上記外壁構造体の上部蓋とその下方に設置される赤外線反射鏡との間に、エアロゲルタイプの軽量な材質で構成される耐火断熱材をさらに備えてもよい。

上記高密度光入射部は、上記外壁構造体と上記内部断熱壁体とを貫通するように設置されるとともに上記太陽熱ヒーターに結合される高温断熱パイプと、上記高温断熱パイプの先端に結合される凸レンズと、上記高温断熱パイプ内部の凸レンズの焦点位置に設置されるとともにその中央に通過孔が形成された反射用金属放物鏡と、を含むように構成してもよい。

本発明にかかる金属蓄熱装置は、鋳物状態の金属蓄熱媒体を備え、その外側を内部断熱壁体及びコンクリートをよって二重に断熱することで、熱の損失を完全に防ぐことができ、特に、太陽光集光装置などを通じて集光された高温の太陽熱エネルギーを高温で貯蔵してから徐々に放出することができるため、太陽熱ボイラーに適用することが可能である。

したがって、本発明にかかる実施形態のように太陽熱ボイラーを構成する場合、天然エネルギーである太陽熱を利用して冬季でも暖房を安定的に行うことができる。

本発明の一実施形態にかかるリング状の金属蓄熱装置であって、約１０００ｋＷの蒸気発電に用いることができる金属蓄熱装置の正断面図である。 図１の平断面図である。 本発明の一実施形態にかかる金属蓄熱媒体の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる蓄熱媒体装入室を構成する内部断熱壁体の構成を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかる熱交換器の構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態にかかる高密度光入射部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかる金属蓄熱装置に複数の太陽光集光装置を設置した状態の正断面図及び平面図である。

以下、本発明で提供する金属蓄熱装置の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかるリング状の金属蓄熱装置であって、約１０００ｋＷの蒸気発電に用いることができる金属蓄熱装置の正断面図を示したものであり、図２は図１の平断面図を示したものである。

本実施形態では、特に太陽光集光装置などを利用して集光された熱エネルギーを高温（２００〜１３００℃）で貯蔵することができる金属蓄熱装置１を提供する。

金属蓄熱装置１は、リング状に配置される金属蓄熱媒体２と、金属蓄熱媒体２を断熱するように金属蓄熱媒体２の内側と外側と底とにそれぞれ内部断熱壁体３１を構成する断熱内壁３２と断熱外壁３３と断熱底壁３４とを配置して形成された蓄熱媒体装入室３と、金属蓄熱媒体２をさらに断熱するように底壁４１と中央柱４２と外壁体４３と上部蓋４４を含むコンクリートで構成された外壁構造体４と、金属蓄熱媒体２で発生する赤外線を反射するように外壁構造体４を構成する上部蓋４４の下方に設置された赤外線反射鏡５と、金属蓄熱媒体２の内側に螺旋状に配置されるとともに給水管６１と排水管６２とが外壁構造体４の外部に露出する熱交換器６と、金属蓄熱媒体２に埋設される太陽熱ヒーター７と、太陽熱ヒーター７に太陽熱エネルギーを供給することができるように外壁体４３と断熱外壁３３とを貫通して設置される高密度光入射部８と、を備える。

上記のように、高温で熱エネルギーを貯蔵するためには耐熱性の高い金属蓄熱媒体２が必要となるが、本実施形態では、製造費用が低廉でありながらも耐熱性の高い金属蓄熱媒体２を提供する。

図３は本実施形態にかかる金属蓄熱媒体２の斜視図を示したもので、金属蓄熱媒体２は金属スクラップなどを溶かして鋳物状態で構成したユニット部材で製作される。このとき、金属スクラップは加工チップや種々の大きさの金属片をリサイクルすることで、製造費用を最小限にすることができる。

本実施形態において、上記のユニット部材型の金属蓄熱媒体２は、四角形のブロック状に積層可能であり、また、金属蓄熱媒体２には少なくとも１つの太陽熱ヒーター７が設置される。本実施形態では、金属蓄熱媒体２に１つの太陽熱ヒーター７を設置した例を示している。

金属蓄熱媒体２はリング状に配置され、また積層されて多層構造となる。本実施形態では約５０個をリング状に配列し、垂直方向に７層積層した例を示している。

金属蓄熱媒体２を１次断熱する蓄熱媒体装入室３は、断熱内壁３２と断熱外壁３３と断熱底壁３４とを備え、これらの壁は４重構造の内部断熱壁体３１で構成される。

図４は、本実施形態における蓄熱媒体装入室３を構成する内部断熱壁体３１の拡大断面図である。４重構造の内部断熱壁体３１は、図示したように、赤外線反射金属鏡３１ａと、高密度耐火断熱材３１ｂと、多孔質耐火断熱材３１ｃと、熱抵抗性に優れた保温耐火断熱材３１ｄとを積層して構成され、赤外線反射金属鏡３１ａを金属蓄熱媒体２の方に位置するように配置される。

本実施形態における内部断熱壁体３１は、金属蓄熱媒体２において発生する高温の赤外線を赤外線反射金属鏡３１ａによって金属蓄熱媒体２の方に再び反射して、金属蓄熱媒体２を再度加熱し、同時に高密度耐火断熱材３１ｂと多孔質耐火断熱材３１ｃと熱抵抗性に優れた保温耐火断熱材３１ｄなどによって金属蓄熱媒体２を多重に囲むことで外部に熱が放出されることを防止し、金属蓄熱媒体２の潜熱を熱損失なしに長時間貯蔵することができる。

蓄熱媒体装入室３の外部の外壁構造体４はコンクリートで構成される。外壁構造体４は、耐火セメントを用い、また防水剤を含むことで、屋外に設置された場合でも水分を吸収することを防止することができる。

外壁構造体４は上部蓋４４を閉めることで外気と完全に遮断された状態を保持することができる。また、必要に応じて、外壁構造体４の内部を減圧して真空にすることで、高温の空気による金属酸化、並びに、空気の対流及び熱伝導を防止し、その結果、熱損失を防止することができる。

外壁構造体４の上部蓋４４の下方に設置される赤外線反射鏡５は、高温の金属蓄熱媒体２において発生する赤外線を金属蓄熱媒体２の方に再び反射することができる。また、上部蓋４４と赤外線反射鏡５との間には耐火断熱材９が設置される。このとき、外壁構造体４の内部を真空状態に保持することで、内部断熱性をさらに向上させ、熱損失を低減することができる。

耐火断熱材９には軽量な材質を用い、特にエアロゲルタイプの耐火断熱材を用いることが好ましい。

図５は、本実施形態における熱交換器の正面図である。

金属蓄熱媒体２の内側に螺旋形に配置される熱交換器６は、熱交換ができるようにしたもので、下側が狭く、上に行くに従い徐々に広くなる構成であり、金属蓄熱媒体２に近接する上側には給水管６１が配置され、金属蓄熱媒体２から離隔する下側には排水管６２が配置されることで、流体（水）が加熱される。

給水管６１には低温の流体が流入し、螺旋形に形成されている熱交換器６を移動しながら徐々に加熱された後に排水管６２を通じて排出されるため、熱交換時間を充分に確保して流体を高温まで加熱することができる。

本実施形態では金属蓄熱媒体２を加熱する手段として、太陽熱ヒーター７、及び、集光された太陽熱を太陽熱ヒーター７に供給する高密度光入射部８を用いる。

太陽熱ヒーター７は、入口から徐々に径が大きくなる円錐状の形状を有する。

図６は、本実施形態における高密度光入射部８の拡大断面図である。

高密度光入射部８は、外壁構造体４と内部断熱壁体３１とを貫通するように設置されるとともに太陽熱ヒーター７に結合された高温断熱パイプ８１と、高温断熱パイプ８１の先端に結合される凸レンズ８２と、高温断熱パイプ８１内部の凸レンズ８２の焦点位置に設置されるとともに中央に通過孔８４が形成された反射用金属放物鏡８３とを備える。

高温断熱パイプ８１にはセラミックス材質などを用いることができる。

このような構成によれば、集光装置から供給された太陽光を凸レンズ８２で再度集光した後、反射用金属放物鏡８３の通過孔８４を通じて太陽熱ヒーター７に供給でき、金属蓄熱媒体２を加熱することができる。このとき、太陽熱ヒーター７において反射光が発生するが、本実施形態では、高温断熱パイプ８１の内部に反射用金属放物鏡８３が設置されており、太陽熱ヒーター７において反射される光を再び太陽熱ヒーター７に誘導し供給することで金属蓄熱媒体２を加熱することができ、加熱性をさらに高めることができる。

図７において、符号１００は本実施形態にかかる太陽追尾式集光装置を示す。

以上のように構成される本実施形態にかかる金属蓄熱装置１は、図７に示すように、数個またはｎ個の太陽追尾式集光装置１００と連携して用いることができる。以下、本実施形態を使用した運用について説明する。

太陽追尾式集光装置１００を通じて集光された太陽光エネルギーが高密度光入射部８に供給されると、太陽光エネルギーは高密度光入射部８の高温断熱パイプ８１の先端に設置されている凸レンズ８２を通じて再集光され、金属蓄熱媒体２に埋設されている太陽熱ヒーター７に供給される。

このとき、凸レンズ８２によって集光された太陽光は、高温断熱パイプ８１の途中に設置されている反射用金属放物鏡８３に形成された通過孔８４に焦点が合わせられているので、反射用金属放物鏡８３の通過孔８４を通過した後に徐々に拡散されて太陽熱ヒーター７を加熱する。

太陽熱ヒーター７が加熱されることによって金属蓄熱媒体２が加熱される。このとき、太陽熱ヒーター７は太陽追尾式集光装置１００の大きさによっては２００℃以上、場合によっては１２００〜１３００℃の高温まで鋳物状態の金属蓄熱媒体２を加熱する。

２００℃〜１３００℃の高温で加熱される金属蓄熱媒体２は、鉄スクラップなどを溶かして製作され、鉄の融解点（１５３８℃）以内で熱を貯蔵することができ、金属蓄熱媒体２の体格を小さくしながらも高い熱貯蔵性を実現できる。

また、４重構造の内部断熱壁体３１とコンクリート製の外壁構造体４とによって金属蓄熱媒体２が二重に包囲されているため、金属蓄熱媒体２に貯蔵された熱エネルギーの損失を最小限にして長期貯蔵が可能となり、一度高温まで加熱すると数日以上追加加熱をしなくても金属蓄熱媒体２は冷めなくなる。

一方、本実施形態では、金属蓄熱媒体２の内側に熱交換器６が螺旋形に配置されている。給水管６１には低温の流体が流入し、螺旋形に配置されている熱交換器６を移動しながら徐々に加熱された後に排水管６２を通じて排出されるので、熱交換時間を充分に確保して流体を高温まで加熱することができる。

（比較例）
水１ｍ^３が貯蔵するエネルギー量＝比熱（１）×単位重量（１ｃｍ^３×比重１）×１０００×上昇温度（９０℃−４０℃＝５０℃、水を沸騰させず９０℃まで加熱する場合：４０℃は熱交換可能な温度）＝５００００ｃａｌ
鉄１ｍ^３が貯蔵するエネルギー量＝比熱（０．１０８）×単位重量（１ｃｍ^３×比重７．８７６）×１０００×上昇温度（１２００℃−４０℃＝１１６０℃、鉄を１２００℃まで加熱する場合）＝９７７１８４ｃａｌ

上記の計算式に示すように、本実施形態においては、水を貯蔵媒体として用いる場合より約２０倍以上の熱を貯蔵することができる。従来の水を貯蔵媒体とする場合と同体積の金属蓄熱媒体２を用いる場合、本実施形態を家庭用ボイラーに適用し冬期暖房用として使用することが可能であり、クリーンな太陽熱エネルギーでの暖房が可能となる。

一方、従来用いられていた溶融塩やＰＣＭ物質、熱媒体油は、本実施形態に比べて蓄熱温度が低くなる。また、これらは化学物質から製造されたものであるため、長期間使用する場合には酸化作用により寿命が短くなるという問題がある。一方、本実施形態における金属蓄熱媒体２は鋳物状態なので、表面にのみ酸化防止処理を施すことで永久に用いることができる。

以上において本発明の特定の実施形態についての詳細な説明を行ったが、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様な変形が可能であることは言うまでもない。よって、本発明の技術的範囲は上記で説明した実施形態に限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲、及びそれらの均等な範囲等によって定められるべきである。

本発明にかかる金属蓄熱装置は、家庭用太陽熱ボイラーの他に、産業用太陽熱ボイラー、発電用熱貯蔵装置などに用いることができる。

Claims (6)

1. リング状または方形状に配置される金属蓄熱媒体（２）と、
   前記金属蓄熱媒体（２）を断熱するように、前記金属蓄熱媒体（２）の内側と外側と底とに、それぞれ内部断熱壁体（３１）で構成された断熱内壁（３２）と断熱外壁（３３）と断熱底壁（３４）とが配置された蓄熱媒体装入室（３）と、
   前記金属蓄熱媒体（２）をさらに断熱するように、底壁（４１）と中央柱（４２）と外部壁体（４３）と上部蓋（４４）とを有するコンクリートで構成された外壁構造体（４）と、
   前記金属蓄熱媒体（２）で発生する赤外線を反射するように、前記外壁構造体（４）の前記上部蓋（４４）の下方に設置された赤外線反射鏡（５）と、
   前記金属蓄熱媒体（２）の内側に螺旋状に配置されるとともに給水管（６１）と排水管（６２）とが前記外壁構造体（４）の外部に露出する熱交換器（６）と、
   前記金属蓄熱媒体（２）に埋設される太陽熱ヒーター（７）と、
   前記太陽熱ヒーター（７）に太陽熱エネルギーを供給することができるように、前記外部壁体（４３）と前記断熱外壁（３３）とを貫通して設置される高密度光入射部（８）と、
   を備えることを特徴とする金属蓄熱装置。
2. 前記金属蓄熱媒体（２）は、鋳物状態のブロック体からなることを特徴とする請求項１に記載の金属蓄熱装置。
3. 前記内部断熱壁体（３１）は、赤外線反射金属鏡（３１ａ）と、高密度耐火断熱材（３１ｂ）と、多孔質耐火断熱材（３１ｃ）と、保温耐火断熱材（３１ｄ）とを積層して形成され、
   前記赤外線反射金属鏡（３１ａ）が前記金属蓄熱媒体（２）の方に位置するように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の金属蓄熱装置。
4. 前記外壁構造体（４）は、耐火セメントを使用し、防水剤を含んだコンクリートからなることを特徴とする請求項１に記載の金属蓄熱装置。
5. 前記外壁構造体（４）の前記上部蓋（４４）とその下方に設置される前記赤外線反射鏡（５）との間に、エアロゲルタイプの軽量な材質からなる耐火断熱材（９）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の金属蓄熱装置。
6. 前記高密度光入射部（８）は、
   前記外壁構造体（４）と前記内部断熱壁体（３１）とを貫通するように設置されるとともに前記太陽熱ヒーター（７）に結合される高温断熱パイプ（８１）と、
   前記高温断熱パイプ（８１）の先端に結合される凸レンズ（８２）と、
   前記高温断熱パイプ（８１）の内部の前記凸レンズ（８２）の焦点位置に設置されるとともに中央に通過孔（８４）が形成された反射用金属放物鏡（８３）と
   を有することを特徴とする請求項１に記載の金属蓄熱装置。

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