JP6867368B2 - 太陽由来の熱エネルギーを利用するための高エネルギー効率の装置、プラント及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、流動粒子層方式の太陽由来の熱エネルギーの貯蔵及び交換のための装置に関する。本発明はさらに、当該デバイス及び関連の方法を含むエネルギー生成プラントを提供する。

反射鏡上に放射を集光するヘリオスタットを利用した太陽エネルギーの収集は公知の技術である。反射鏡は、流動粒子層方式の熱貯蔵交換装置に放射を搬送する。このタイプのシステムは、例えば、同出願人名で出願されている国際公開第２０１３／１５０３４７（Ａ１）号に記載されている。

熱／電気エネルギー生成プラントは、このような太陽由来の熱エネルギーの貯蔵及び交換のための装置に基づく場合があるが、当該プラントは、求められる熱出力に応じた１つ又は複数の貯蔵及び／又は交換用のユニットを含む。

公知の技術の流動層装置は、２つの主な構造に従って実現される。

国際公開第２０１３／１５０３４７（Ａ１）号に記載されている第１の構造によれば、太陽放射は、装置の金属キャビティの壁で受光される。このキャビティは、粒子層のケーシングの一部を規定し、ケーシングの内部に延びる。粒子の流動層は、キャビティ壁から、集光太陽放射による熱エネルギーを取り出す。

上記構造は、高流量の入射放射の存在下では、キャビティ表面を耐熱機械的特性及び耐久性を損ない得る高い熱温度及び温度勾配に晒すという欠点がある。キャビティ壁が受ける熱流を低減し、制御するために、ヘリオスタットフィールドは、装置の周囲に配置されるいくつかの小部分で編成され、キャビティ表面における熱流を均一にするように構成され得る。しかしながら、このような構成のヘリオスタットフィールドでは、各々の太陽発電ユニット用のかなりの敷地の占有面積が必要である。

さらに、上述の構造では、貯蔵交換装置の最高作動温度は、キャビティ壁を構成する物質の耐熱性に依存するので、最高作動温度は制限される。この作動温度は、キャビティから粒子層に熱エネルギーを伝達する形態及びキャビティ自体を構成する物質の伝導率によっても左右される。

第２の公知の構造では、上述のキャビティは設けられず、貯蔵交換装置の粒子層は、装置のケーシング上に形成された透明物質（典型的には、石英）の窓を通して集光された太陽放射を受光する。

しかしながら、このような第２の構造の重要な点は、透明窓が流動化個体と直接接触することを避ける必要があるということにあり、このことは、時間が経過すると透明物質の受光効果を低下させる透明材料の失透現象が発現するのを抑えることになる。

透明窓を有するタイプの受光手段の使用に関する別の不利点は、研究室又はプロトタイプの種類のプラントで使用されるものより大きなサイズの石英製の窓を製造する難しさに関係する。

さらに、上記の両方の構造に関連する（特に、キャビティ又は窓を有する関連受光手段に関する）別の欠点は、入射太陽エネルギーの一部の外部環境への再放出による熱損失にある。この部分は、受光手段を構成する物質の特性に依存する。

上述の熱損失の結果として、太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置の電気エネルギー生成のコストが高くなる可能性があり、いわゆる「パリティグリッド（ｐａｒｉｔｙ ｇｒｉｄ）」からはほど遠いものとなり得る。

本発明によって提起され、解決される技術的課題は、先行技術に関して上述した欠点を克服することができる太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び伝達するための装置を提供することである。

上記課題は、請求項１に記載の装置によって解決される。

本発明はさらに、請求項１７に記載のプラント及び請求項１８に記載の方法を提供する。

本発明の好適な特徴は従属請求項に従う。

本発明は、粒子流動層方式の太陽由来の熱エネルギーを受光、貯蔵及び伝達するための装置を提供する。流動層には、例えば、キャビティ又は透明窓のような受光手段の介在なしに、集光太陽放射が直接照射される、すなわち、ぶつかる。つまり、流動層は、装置のケーシング内に、好ましくは、ケーシング自体の上壁に形成された照射口を介して外部環境と直接連通する。

従って、本発明の装置は、外部環境／入射太陽放射と粒子層との間に介在される透明窓又は他の構造体を備えない。

有利には、本発明の装置は、一次ヘリオスタットと二次反射手段（例えば、平面鏡）とによって構成された光学系に関連付けられる。この光学系は、装置上に、特に、上記照射口に配置された粒子層の作動領域に太陽放射を集光する。

有利な構成では、照射は、上端から行われ、いわゆる「ビームダウン」式の光学系によって行われる。上記光学系は、地上に配置され、特に、当該装置から一定の高さに配置された１つ又は複数の二次反射鏡に関連付けられたヘリオスタットフィールドを含む。

入射太陽放射によって直接照射される粒子層の上記作動領域は、特定の流体力学的（すなわち、ハイドロダイナミック）状態に従って流動化される。従って、当該装置は、流動化ガス（好ましくは、空気）を分配及び供給するためのシステムを備える、又は分配及び供給するためのシステムに関連付けられる。この分配システムは、粒子層の底部に配置され得、照射層領域において前記流体力学的状態を作リ出すのに適している。

上記の流動化空気を分配又は供給するための手段は、粒子層の残りの部分（蓄熱領域と呼ぶ）に対する作動領域において、差別化した流動化を発生させ、次に、異なる流体力学的状態を作り出すように構成される。このような異なる流体力学的状態は、粒子層の２つの領域の異なる流動化速度に関連付けられる。

第１の変形形態によれば、このような異なる流動化速度は、作動領域内に中空容積部（特に、円錐又は略円錐形状）を生成するように制御される。

第２の変形形態では、粒子の循環対流運動を発生させるように、作動領域内でも差別化した流動化速度が確立される。粒子は、連続的に移動する、すなわち、粒子は、作動領域の隣接するサブ領域間で再循環する。

第３の変形形態によれば、上記の流体力学的状態は（また）、照射領域と堆積領域との間に介在される物理的隔壁によっても生成される。この場合も、２つの領域間の隔壁の上下の粒子の対流運動及び変化／再循環が生成される。

これらの変形形態から、同じ装置において、上記の２つの領域内で作り出される流体力学的状態のタイプを選択することができ、特定の作動要求に応じて流体化速度を別々に制御することによってこれを実現することができる。

集光太陽放射がぶつかる粒子層の作動領域で引き起こされる流動化状態は、作動領域自体の全容積における太陽由来の熱エネルギーの高密度の分布を保証するためのものである。このような層領域は、専用の光学系によって集光された太陽放射からの熱エネルギーを吸収する。

蓄熱領域に対する作動領域の流体力学的状態を差別化することにより、太陽放射に直接晒された粒子の交換及び蓄熱領域への熱エネルギーの伝達ならびに分配が可能になる。

好適な構成では、当該装置は、粒子層（特に、照射される層領域）の上端から流出する流動化空気を抽出するための手段を備える、又は手段に関連付けられる。該抽出手段は、典型的には、吸引手段として構成される。

空気を抽出するための手段は、装置の内側及び粒子層のフリーボードの上（いわゆる「フリーボード」空間）の環境を外部環境と圧力平衡状態で、又は好ましくは、外部環境に対してわずかに低い圧力で維持するように構成され得る。このようにして、該手段は、粒子層の空気及び発生し得る粉末が外部環境に向かって流出するのを防止する。

有利には、このような圧力平衡は、粒子層から抽出された空気流が粒子層に流入する流動化空気よりわずかに（例えば、１０％）多くなるように、流動化空気ライン及び空気抽出ラインの両方の専用の制御手段（例えば、流量センサ）によって支援され得る。

集光太陽放射の入射口を通して環境から装置に戻る空気は、熱成分を装置から抽出された空気に触れさせる前記入射口を通過するときに温まる。

さらに有利には、装置から流出する流動化空気の熱成分によって、流入する流動化空気を分配するための手段及び流出する流動化空気を抽出するための手段が、熱を交換する、ひいては再生段階を実行することによって、協働システムとして実現され得る。特に、以前に粒子層の粒子を通過することによって加熱された抽出流動化空気は、再生式交換器に送られ得、再生式交換器は、流動化空気を予熱し、その後、粒子層内に空気を分配／供給するためのシステムに送る。すなわち、粒子層に流入する空気は、粒子層から流出する空気の熱成分を消費して予熱される。

好適な変形形態によれば、ケーシング内側の粒状層のフリーボードより上にある上記空間は、流動化によって引き起こされる粒子層の粒子の運動に対してプレナムチャンバの機能を果たすように構成される。

空気抽出手段を用いた装置内側の環境の外部環境に対する上記閉じ込めシステムの追加の形態又は代替形態では、ケーシングの開口部に空気吸入システムが設けられ得る。流入する空気流は、エアナイフのように、粒子層から流出する流動化空気の外側に向かって流出する空気流と対照をなすように構成される。

一変形形態では、外部環境に向かう粒状物質の損失を制御するための追加又は代替の仕掛け装置として、好ましくは、照射口に配置される閉じ込め構造体が設けられる。このような閉じ込め構造体は、発散円錐として構成され、ケーシングと一体構造であり得る、又はケーシングと一体化され得る。

さらに、閉じ込め構造体は、粒子層のフリーボードより上に放出された流動化空気及びの固体粒子の表面速度を大幅に低減するために、プレナムチャンバ、プレナムチャンバの一部、又は追加のプレナムチャンバの機能を果たす。

好ましくは、円錐状の閉じ込め構造体の場合、上記抽出手段は、円錐軸に直交するように延在する複数の吸引出口を備える。出口は、空気及び微粉末の浮遊物を吸い込んで、その浮遊物を専用の吸引システムを使用して関連処理システムに搬送し得る。当該出口はさらに、フリーボード環境と連通することが可能であり、この場合、出口は、フリーボードの内側、又はさらに好ましくは円錐によって規定される内側区画の外側にあるフリーボードの一部の浮遊物を搬送する。いずれの場合も、出口の作用は、固体浮遊物の上昇流に対向する吸引空気の運動領域を作り出す。

本発明の装置は、典型的には、粒状層（特に、上記蓄熱領域に配置された）に浸漬された熱交換要素を備える、又は熱交換要素に関連付けられる。該要素は、好ましくは少なくとも装置の動作の選択された段階で作動流体が横断する管束を含み得る。

公知の間接照射装置に対して、本発明の装置は、壁又は他の障壁の介在なしに、入射放射パワーを流動化固体に直接伝達することができる。その結果、実現可能な最高温度は、流動化固体の特性によってのみ制限され、つまり、間接照射の公知のシステムの許容最高温度より本質的に高くなる。

また、流動化固体への入射放射パワーの直接伝達は、透明窓の介在なしに行われるが、透明窓は、結果として失透をもたらす汚れや粒子付着が発生し得ることで、温度を上昇させ、大きい温度勾配を生じる。窓が無いことで、本発明の装置の強度及び耐久性は高くなる。

さらに、例えば、電気エネルギーを生成するための工業プラントの用途における本発明の装置の利点も大きくなる。

第一に、集光太陽放射を受光するための手段が存在しないことで、流動層の作動温度を上昇させることができる。この場合の最も直接的な効果は、装置の伝熱能力の大幅な向上である。

蓄積したい熱量が固定されると、つまり、ソーラーマルチプル（伝達パワーと蓄積パワーとの比）が固定されると、粒子層の作動温度の上昇の可能性は、さらに粒子負荷の減少を伴う。より詳細には、蓄積したい熱エネルギー量「Ｑ」が固定されると、熱エネルギー量「Ｑ」は固体の質量「ｍ」及び固体の温度変化「ΔＴ」

に比例する。公知の技術のプラントでは、粒子層がより高温に達し得るので、温度差（ΔＴ）は増加し、固体質量は減少し得る。

さらに、受光手段に関する物理的抵抗が存在しないので、円環に均一に分布する必要のない集光放射ビームの構成にすることが可能である。

このことから、「ビームダウン」式の光学系の場合でも、一次ヘリオスタットフィールド及び二次反射鏡（単数又は複数）は、敷地占有面積がより効率的になるように、再位置決めされ得る。

本発明のさらなる利点、特徴、及び使用形態は、限定目的でなく単なる例として示されている後述のいくつかの実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。

添付図面の図について説明する。

本発明の第１の好適な実施形態に係る太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び交換するための装置の長手方向断面概略図である。 光学系を備えたエネルギー生成プラントに挿入された図１の装置の概略図である。 図１−２のいくつかの構成要素、特に、図１の装置及びいくつかのプラント構成要素の拡大図である。 本発明の第２の好適な実施形態に係る太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び交換するための装置の長手方向断面概略図である。 図２の装置の上面概略図である。 本発明の第３の好適な実施形態に係る太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び交換するための装置の長手方向断面概略図である。 図１の構成の変形形態に係る太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び交換するための装置の長手方向断面概略図である。

上述の図に示されているサイズ及び傾斜は、単なる例として示されており、必ずしも比例して示されているとは限らない。

以下に、本発明のさまざまな実施形態及び変形形態について、上記図面を参照しながら説明する。

類似の構成要素は、異なる図面において、同じ参照番号で示されている。

以下の詳細な説明において、すでに説明した実施形態及び変形形態に対する追加の実施形態及び変形形態は、すでに説明したものとは異なる点のみを限定して説明されている。

さらに、後述する異なる実施形態及び変形形態は、両立し得る場合に、組み合わせて使用されることがある。

図１を参照すると、本発明の第１の好適な実施形態に係る太陽由来の熱エネルギーを貯蔵及び交換するための装置全体が１で示されている。

図１−２及び図１−３に示されているように、本実施形態の装置１は、エネルギー生成プラント５００（この場合、本明細書で考察される複数の装置を含む）に挿入されるものである。

プラント５００は、装置（単数又は複数）１に入射太陽放射を集束させるように構成された光学系を備える。各々の装置は、自身の光学系に関連付けられ得る。有利には、該光学系は、「ビームダウン」式構成を有する。特に、光学系は、地上に配置され、太陽放射を集めて二次反射鏡５０２又は同等の二次光学要素上に偏向／集光するのに適した複数の一次ヘリオスタット５０１又は同等の一次光学要素を備え得る。二次反射鏡５０２は、地上に配置された装置（単数又は複数）１から一定の高さに配置され、実際に、装置自体（単数又は複数）に太陽放射を搬送する。

プラント５００は、この場合、図１−３に概略的に示されているように、熱交換又はエネルギー変換用の構成要素及び回路要素（例えば、１つ又は複数のポンプ、タービン、コンデンサなど）を含み得る。

再び図１を参照すると、装置１は、第一に、内室２０を規定する閉じ込めケーシング２を備え、内室２０は、流動粒子層３（これについては、簡単に説明する）を収容するのに適している。ケーシング２は、多角形形状（例えば、立方体もしくは平行六面体）、又は円筒形状を有し得る。

装置１の形状に関して、長手方向をＬ、この例では、長手方向Ｌに直交する、この場合、水平方向の垂直横断方向をＴと定義することができる。

ケーシング２は、好ましくはケーシング自体の上壁２１に配置される照射口１０を有する。上記二次反射鏡５０２は、実際に該照射口１０及び内室２０内に入る入射太陽放射を集光する。

照射口１０は、内室２０及びそこに収容される粒子層３を外部環境と直接連通した状態にする。特に、照射口１０には、使用時に、例えば、透明窓などのような閉鎖手段もしくは遮蔽手段がない。すなわち、装置１は、閉鎖手段もしくは遮蔽手段無しで作動するように構成される。非作動時には、照射口は、システム及び外部環境を保護するように遮蔽され得る。

流動粒子層３は、粒状タイプの粒子層である、すなわち、固体粒子で形成される。

装置１の粒子層の好ましいタイプの粒状物質は、高伝導度の熱的特性及び熱拡散性を有し、特に、微細物質の生成を最小限に抑えるために、低摩耗性を有するタイプの物質である。好ましい粒状物質の一例は、川砂である。川砂は、適切な熱的特性を有する点は別にして、粒子の自然な丸い形状を有し、粒子間の相互摩耗現象を最小限に抑える。

粒子層３は、使用時もフリーボード３５より上の自由空間２２又はフリーボードを残すように、内室２０を占める。特に、空間２２は、下側がフリーボード３５によって、上側がケーシング２の壁２１によって囲まれる。

粒子層３は、照射口１０から入射する太陽放射が直接照射されやすい、すなわち、ぶつかりやすい第１の層領域３０を規定する。この第１の領域３０を作動領域もしくは照射領域と呼ぶ。作動領域３０を囲み作動領域３０に隣接する粒子層の残りの部分は、蓄熱領域３１を規定する。

一般的には、作動領域３０は、粒子層３の中心に配置され、蓄熱領域 ３１は、作動領域３０を囲み作動領域３０に長手方向に隣接する。

粒子層３は、内室２０内に流動化ガス（特に、空気）を供給するように構成された流動化手段４によって運動状態に置かれる。この実施形態では、流動化手段４は、ケーシング２（すなわち、粒子層３）の下底２４に配置される流動化空気の供給又は流入のための複数の要素を備える。粒子層３内の流動化空気の経路は、この場合、底部から上端へ、特に、垂直又は略垂直な方向に進む。

この例では、当該供給要素は、蓄熱領域３１の基部及び作動領域３０の基部の両方に配置され、その両方に空気を供給する。図１では、作動領域３０に配置される第１のタイプの供給要素は４０で示され、蓄熱領域３１に配置される第２のタイプの供給要素は４１で示されている。

２つのタイプの供給要素は、粒子層３に流入する流動化空気の流れの流速、場合によっては流量によって異なり得る。該要素４０、４１は、構造的には類似しており、流速及び／又は流量に関して異なるように制御される形態にすることも可能である。

流動化手段４は、蓄熱領域３１の第２の流体力学的流動化状態と異なる作動領域３０の第１の流体力学的流動化状態を決定するように構成される。特に、このような第１及び第２の流体力学的状態は、異なる流動化速度に依存する。

この実施形態では、使用時に、第１及び第２の流体力学的状態の両方が粒子の運動を発生させて、粒子の流動化を引き起こす。特に、この例では、流動化状態は、作動領域３０では、例えば、噴射、噴出、又は振動による噴流型であり、蓄熱領域３１では、図１の気泡Ａで概略的に示されているように沸騰型である。

噴流型の流動層は、一般に、流体力学的状態が流動層の基部における流動化ガスの中央噴射を特徴とする流動層であり、表面の最小流動化速度と作動速度との大きな差により、実際に噴射の側方部分で引きずられる固体によって形成される中央部分の噴水状効果を作り出すことによって、噴射領域及び高くなった（円筒状）領域とで強調される粒子層の柱によって引きずられる運動を生み出す。

変形形態では、蓄熱領域３１の粒子が少なくとも部分的に安定状態で維持され得る。

異なる流体力学的状態により、作動領域３０の粒子と蓄熱領域３１の粒子との効果的な熱交換が可能になる。さらに、２つの領域に属する粒子は、連続的に交換され、再循環される。特に、作動領域３０の粒子は、使用時に、太陽放射からの熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを蓄熱領域３１の粒子に付与する。

本明細書で考察される特定の実施形態では、流動化手段４は、使用時に、作動領域３０内に中空容積部３６を形成することができるように、作動領域３０の流体力学的状態を決定するように構成される。中空容積部３６は、典型的には、フリーボード３５における断面がより大きく、長手方向Ｌに沿った軸を有する、略円錐形状である。

この例では、供給要素４０（作動領域３０の中央に配置される）は、太陽放射流を受光する前記中空容積部３６を形成するような一定の速度で流動化空気を導入する。作動領域３０から蓄熱領域３１への粒子の交換（集光太陽放射に晒される粒子の表面を最大限に利用することができるようにする）は、中空容積部３６に隣接する蓄熱領域３１の流動化空気のより遅い速度、すなわち、異なる密度によって決定される。

熱交換要素５は、蓄熱領域３１、特に、管束内に収容される。この管束を通って、選択された作動条件下で、すなわち、ある使用条件下で、作動流体（例えば、液体及び／又は蒸気状態の水）が流れ得る。

特に、熱交換段階では、すなわち、保持されている熱エネルギーを使用する段階では、作動流体は、管束５内を流れて、蓄熱領域３１の粒子からの熱を受け取るようになされ得る。一方、蓄熱のみの段階では、管束５は、乾いた状態で、すなわち作動流体の無い状態で作動し得る。

蓄熱段階は、日光の存在下で始動され得る。熱交換の段階、すなわち、熱エネルギーを作動流体に伝達する段階は、日光が存在しない状態でも始動され得る。

粒子層３又は粒子層３の領域３０又は領域３１の流動化は、蓄熱段階のみでも発生し得る。

設計温度及び圧力の条件下で、装置１から流出した作動流体は、電気エネルギーを生成するための発生器に結合されたタービン内で膨張され得る、又は他の工業目的に使用され得る。すなわち、上記で強調したように、管束５は、プラント５００の追加の構成要素、例えば、１つ又は複数のタービン、コンデンサ、熱交換器など（各々はそれ自体公知の構成要素である）に接続される。

装置１はさらに、粒子層３内に流入した流動化空気を吸引するための吸引手段６を備える。この吸引手段６は、ケーシング２内の粒子層３のフリーボード３５より上に配置される。吸引手段６は、照射口１０を通って外部環境の流動化空気及び／又は流動化空気によって引きずられる粒子が流入する、又は大量に流入するのを防ぐように構成される。

この例では、吸引手段６は、ケーシング２の側方スカート部又は側壁２３の上部にある自由空間２２から空気を抜き取るように構成される。

有利には、吸引手段６は、制御手段（図示せず）、好ましくは、流量センサを備え、該制御手段は、流動化手段４に関連付けられた追加の制御手段（図示せず）と協働して、装置１によって抜き取られる空気流量を粒子層に流入した流動化空気の流量以上になるように決定する。

２番目の場合、吸引手段は、集光太陽放射の照射口１０を通って環境から装置に空気を戻す。この空気は、装置１によって抜き取られた空気に含まれている熱成分が混入することによって、照射口１０を通過する際に温まる。

有利には、装置１は、粒子層３のフリーボード３５から流出して吸引手段６によって吸引された（加熱された）流動化空気と、流動化手段４によって粒子層３に流入する流動化空気との間で熱交換を行う。すなわち、熱交換手段によって得られる熱再生が発生する。

この実施形態では、装置１は、粒子層３のフリーボード３５にプレナムチャンバを有する。該プレナムチャンバは、粒子層の粒子の速度が遅い、又はゼロの領域であり、この例では、自由空間２２によって規定される。

さらに、プレナムチャンバ２２は、照射口１０を通って空気及び／又は粒子が流出する、又は大量に流出するのを防ぐように寄与する。

この実施形態では、装置１はさらに、閉じ込めガス、特に、層流の形態の空気を吸入するための吸入手段７を備える。層流は、外部に向かって粒子が流出するのを妨げる（追加の）障壁を形成するのに適している。

吸入手段７は、粒子層３のフリーボード３５より上に、特に、照射口１０の位置に配置される。好ましくは、この配置は、照射口１０のある種のガス状の閉鎖窓を形成するように、照射口１０の幅方向Ｔに平行に層流が照射口１０で正確に放出されるようにする。

変形形態は、複数の照射口を備え得る。複数の照射口を備える場合、各々の照射口は、本明細書に示されている１つの照射口を備える場合の効果的な形態に従う。異なる照射口は、共通の作動領域又は異なる作動領域に関連付けられ得る。

図２及び図２−２を参照すると、本発明の第２の実施形態に係る装置全体は１００で示されている。装置１００は、２つの主な態様において、上記装置１とは異なる。

まず１つ目の違いは、作動又は照射領域（本明細書では１３０で示されている）の流体力学的状態にある。この場合、１０４で示されている流動化手段は、使用時に、作動領域１３０内で２つの異なる流動化速度を決定するように構成される。このようにして、作動領域１３０において、固体粒子の循環対流運動が決定される。特に、作動領域１３０の中央長手方向のサブ領域において、粒子速度は、側方長手方向のサブ領域の粒子速度より速い。このときに、内側を循環する同軸の粒子層、又はより十分に循環する同軸の粒子層のサブ領域の流体力学的状態が作り出される。この場合、サブ領域は、長手方向Ｌに沿って隣接する。粒子層の隣接サブ領域の上部における上記対流運動は、遅い流動化速度の隣接サブ領域内に、速い流動化速度のサブ領域の粒子を流入させ、隣接サブ領域の下部にある速い速度のサブ領域内に、遅い速度の隣接サブ領域の粒子を引き込む。

このようなサブ領域の粒子の再混合により、太陽スポット光が照射された粒子層の作動領域の容積全体における大量の熱エネルギー伝達が可能になり、集光太陽放射に晒される粒子表面を最大限に利用することができる。

この場合も、作動領域１３０及び蓄熱領域１３１に配置される供給要素１４０、１４１が設けられる。この場合も、供給要素１４０、１４１は、数及び／又は構造が異なり得る、又は類似の構造を有するが、異なる制御、すなわち、速度及び／又は流量に関して異なる流動化パラメータを有し得る。

第１の実施形態の装置１に対する装置１００の２番目の違いは、照射口１０の入口に配置され、特に、一部が内室２０の自由空間２２内にあり、一部が外側に向かって突出している成形閉じ込め構造体８が存在することにある。閉じ込め構造体８は、照射口１０によってケーシングの内側と外側とが直接連通することができるように、貫通口を有する、すなわち、管状構造を有する。

閉じ込め構造体８は、プレナムチャンバを規定し、空気及び／又は粒子が外側に流出するのを防ぐ、又は低減するように寄与する。

この実施形態では、閉じ込め構造体８は、ケーシング２の内側に向かって断面が小さくなる先細形状である、特に円錐形状である。このような閉じ込め構造体の断面により、専用の光学系によって集光される太陽放射の向きを妨げないようにすることができ、専用の光学系は、この例では、好ましくは四方に沿ってサブフィールドで編成されたヘリオスタットフィールドが地上に配置されたビームダウン式の光学系である。

さらに、構造体８の壁には、フリーボードの環境と連通し得る、すなわち、専用の吸引システムに関連付けられ得る吸気出口６０、又は同等の吸引要素が設けられる。該出口６０は、フリーボードと連通する場合、フリーボード３５及びケーシング２の上壁２１の内側に含まれる空間に、吸い込まれた空気を注入する。この時点から、この空気流はさらに、すでに上述した吸引手段６によって吸い込まれる。

図３を参照すると、本発明の第３の実施形態に係る装置全体は２００で示されている。装置２００は、作動領域（ここでは、２３０で示されている）を蓄熱領域（ここでは、２３１で示されている）から分離するように配置された１つ又は複数の隔壁９が存在することにより、上記装置１とは異なる。

内室２０が円筒形状である場合、同様に円筒形状の１つの隔壁９が設けられ得る。内室２２が多面体形状である場合、平面形状の複数の隔壁が設けられ得る。

さらに、２０４で示されている流動化手段は、使用時に、蓄熱領域２３１に対して作動領域２３０の異なる流動化速度を決定するように構成される。特に、中央領域２３０と側方領域２３１との間の粒子の循環対流運動、及びその後の粒子の交換が決定される。

作動領域２３０の流動化空気の速度が隣接する蓄熱領域２３１の流動化空気の速度より速くなったときに、隔壁９自体の下の底部から粒子を引き込むことによって、作動領域２３０の粒子が隣接する蓄熱領域２３１内の隔壁９より上へ流出する。これが、図３に示されている構成である。

作動流域２３０に属する流動化空気の速度と蓄熱領域２３１に属する流動化空気の速度の大きさを逆にすることによって、隔壁９に対する粒子の再循環が逆転する。

図４に示されている一変形形態によれば、集光太陽放射を受光する作動領域３０及び作動領域３０に隣接する蓄熱領域３１は別として、粒子層はさらに、蓄熱領域の外側で蓄熱領域に隣接する追加の領域３１０（熱交換領域と呼ぶことができる）を含む。３つの領域又は少なくとも追加領域と蓄熱領域の流動化状態において、当該追加領域３１０に熱エネルギーが伝達され得る。該追加領域には、上述の管束５又はその同等の手段が収容され得る。

装置のこのような構成では、粒子層の各部分は、流動化されたときに活性領域になる、すなわち、特定の機能を果たす。特に、粒子層の上記の追加領域では、蓄熱段階と交換段階とを別々に管理することができるように、独立した流動化が行われる。

追加領域３１０は、上記実施形態のそれぞれにおける蓄熱領域のサブ領域として実現可能であり、好ましくは、特定の作動モードで選択的に始動され得る。

全ての記載されている実施形態及び変形形態において、作動領域の寸法設定は、該作動領域が吸収する必要がある熱エネルギーの量及び粒状層を構成する粒子の化学的及び物理的特性によって決まる。この寸法設定の方法は、当業者には公知であるので、これ以上詳細には説明しない。

本発明の装置は、モジュール式である、すなわち、熱交換に関連した１つ又は複数の類似の装置に直列又は並列に接続されるのに十分に適している。

さらに、上述の異なる実施形態に係る上記のタイプの装置は、好ましくは、複数の本発明の装置に基づく工業プラントの製造及び／又は操作におけるより大きな柔軟性に関係し得る。

全ての記載されている実施形態及び変形形態では、集光エネルギーと関連する加熱担体との間に介在させることで物理的分離を決定する膜又は透明窓を有する従来の受光手段とは異なり、集光太陽放射ビームから流動層へのエネルギー輸送は、熱エネルギーの一次担体となる粒状物質に割り当てられる。

ここまで、好適な実施形態に関して本発明を説明した。以下の請求項の保護範囲によって定義されるように、本発明の概念に属する他の実施形態が存在し得るものとする。

Claims (24)

1. 光学系を使用して集光太陽放射を受光するように構成された、太陽由来の熱エネルギーの貯蔵及び交換のための装置（１）であって、
   内室（２０）を規定するケーシング（２）であって、前記ケーシング（２）は、集光太陽放射の入射を可能にするように構成された照射口（１０）を有し、前記照射口（１０）は、使用時に閉鎖手段又は遮蔽手段が無い状態で前記内室（２０）を外部環境と直接連通させる、ケーシング（２）と、
   前記ケーシング（２）の前記内室（２０）内に受容される流動固体粒子層（３）であって、使用時に前記照射口（１０）から入射する集光太陽放射に直接晒される作動領域（３０）及び前記作動領域（３０）に隣接する蓄熱領域（３１）を有する流動固体粒子層（３）と、
   前記内室（２０）内に流動化ガスを供給するように構成された前記粒子層（３）の流動化手段（４）であって、前記蓄熱領域（３１）における第２流体力学的状態とは異なる前記作動領域（３０）における第１流体力学的状態を決定するように構成され、特に、前記第１及び第２流体力学的状態は、異なる流動化速度に依存する、流動化手段（４）と、を備え、
   全体構成は、使用時に、前記作動領域（３０）の粒子が太陽放射からの熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを前記蓄熱領域（３１）の粒子に付与するように構成される、装置（１）。
2. 前記照射口（１０）は、前記ケーシング（２）の上壁（２１）に配置される、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記流動化手段（４）は、使用時に、前記作動領域（３０）における中空容積部（３６）の形成を決定するように構成される、請求項１又は２に記載の装置（１）。
4. 前記流動化手段（１０４）は、使用時に、前記作動領域（１３０）内の少なくとも２つの異なる流動化速度を決定するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置（１００）。
5. 前記流動化手段（１０４）は、使用時に、前記作動領域（１３０）内の粒子の循環対流運動を決定するように構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（１００）。
6. 前記流動化手段（４）は、使用時に、前記作動領域（３０）における噴流型の流体力学的状態を決定するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置（１）。
7. 前記作動領域（２３０）と前記蓄熱領域（２３１）との間に配置される１つ又は複数の分離隔壁（９）を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置（２００）。
8. 前記流動化手段（４）は、前記粒子層（３）又は前記ケーシング（２）の下底（２４）に配置される流動化ガス供給要素（４０，４１）を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置（１）。
9. 前記ケーシング（２）内の前記粒子層（３）のフリーボード（３５）より上に配置される、流動化ガス吸引のための吸引手段（６）を備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置（１）。
10. 前記流動化手段（４）によって前記ケーシング（２）に流入する流動化ガスと前記吸引手段（６）を介して前記ケーシング（２）から流出する流動化ガスとの間の再生熱交換手段を備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置（１）。
11. 前記吸引手段（６）は、前記粒子層（３）に供給される流動化空気の流量以上の流動化ガス流を前記装置（１）から抽出するように構成される、請求項９又は１０に記載の装置（１）。
12. 前記粒子層（３）のフリーボード（３５）より上に、前記粒子層（３）の粒子の流動化運動のプレナムチャンバ（２２）を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置（１）。
13. 前記プレナムチャンバ（２２）は、前記粒子層（３）の前記フリーボード（３５）と前記ケーシング（２）の前記上壁（２１）との間に挟まれた静穏空間によって規定される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置（１）。
14. 前記ケーシング（２）内の前記粒子層（３）の粒子を保持するように構成され、前記照射口（１０）の位置に配置され、少なくとも一部が前記照射口（１０）に対して外側に突出する成形閉じ込め構造体（８）であって、好ましくは、前記プレナムチャンバの少なくとも一部を規定する成形閉じ込め構造体（８）を備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置（１００）。
15. 前記閉じ込め構造体（８）は、前記ケーシング（２）の内側に向かって断面が小さくなる先細形状である、好ましくは円錐形状である、請求項１４に記載の装置（１００）。
16. 前記ケーシング（２）内の前記粒子層（３）のフリーボード（３５）より上に、好ましくは前記照射口（１０）の位置に配置される、閉じ込めガス、好ましくは空気を導入するための吸入手段（７）であって、外部に向かって粒子が漏出するのを妨げる障壁を作り出すのに適したガスの層流を生成するように構成された吸入手段（７）を備える、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置（１）。
17. 使用時に、内部を作動流体が流れる、好ましくは前記流動粒子層（３）の前記蓄熱領域（３１）に配置される熱交換要素（５）を備える、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置（１）。
18. 熱エネルギー生成プラント（５００）であって、
    請求項１〜１７のいずれか１項に記載の太陽由来の熱エネルギーの貯蔵及び交換のための少なくとも１つの装置（１）と、
    前記少なくとも１つの装置（１）の前記照射口（１０）における入射太陽放射を集束するように構成された光学系であって、好ましくは、地上に配置される１つ又は複数の一次光学素子（５０１）と、一定の高さに配置される１つ又は複数の二次反射光学素子（５０２）とを備える「ビームダウン」式構成を有する光学系と、を備えるプラント（５００）。
19. 太陽由来の熱エネルギーの貯蔵及び交換のための方法であって、
    前記方法は、光学系による集光太陽放射で固体粒子の流動層（３）を照射するステップを含み、
    前記粒子層（３）は、集光太陽放射の入射を可能にするように構成された照射口（１０）が設けられたケーシング（２）内に収容され、前記照射口（１０）は、閉鎖手段又は遮蔽手段が無い状態で前記粒子層（３）を外部得環境と直接連通させ、
    前記粒子層（３）は、前記照射口（１０）から入射する集光太陽放射に直接晒される作動領域（３０）及び前記作動領域（３０）に隣接する蓄熱領域（３１）を有し、
    前記粒子層（３）は、前記作動領域（３０）において生成される第１流体力学的状態が、前記蓄熱領域（３１）において生成される第２流体力学状態とは異なるように流動化され、前記第１及び第２流体力学的状態は、特に、異なる流動化速度に依存し、
    全体構成は、使用時に、前記作動領域（３０）の粒子が太陽放射からの熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを前記蓄熱領域（３１）の粒子に付与するように構成される、方法。
20. 前記流動化は、前記作動領域（３０）における中空容積部（３６）の形成を伴う、請求項１９に記載の方法。
21. 前記流動化は、前記作動領域（１３０）内の少なくとも２つの異なる流動化速度を決定する、請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 前記流動化は、前記作動領域（１３０）内の粒子の循環対流運動を決定する、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記流動化は、前記作動領域（３０）における噴流型の粒子層状態を決定する、請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置（１）及びプラントを使用する、請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の方法。

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