JPS5848818B2 - 太陽エネルギ−集積方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は太陽エネルギーの利用に関するものであり、後
に、複数の放物面形反射鏡を使用して比較的広い地域に
渡って太陽の輻射熱を集積する方法及び装置に関するも
のである。

技術的手段による大規模な太陽エネルギー利用における
２つの主要な問題点は、広い地域にわたる太陽の輻射熱
の集積と、集積されたエネルギーを各点から低温移送し
て回収地点に集中させることである。

広範囲の地域にわたる太陽エネルギー集積のための従来
技術は次のとおりであった。

（１） ｉエネルギーは熱板吸収器により集積され、
熱板吸収器内で太陽エネルギーから熱に変化する。

この熱は液体を沸騰させるか域いは流体の温度を上昇さ
せ、どちらの場合も、この熱流体の放熱反応により、エ
ネルギーが共通の熱回収装置にもたらされる。

（２）太陽エネルギーが放物面形反射鏡により集積され
、液体の温度を上昇させるか又は液体を沸騰させる焦点
吸収器内で熱に変えられる。

どちらの場合でも熱流体は（１）のように放熱反応をす
る。

（３）太陽エネルギーが平面鏡或いは平面に近い反射鏡
により集積され、それにより輻射エネルギーが普通一段
高い位置にある共通の焦点吸収器に向け直される。

熱エネルギーは熱交換流体により吸収器から回収される
。

本発明による太陽エネルギー集積方法とその装置は、太
陽光線を反射鏡等の集光装置によりそれぞれの集光点に
集め、ここで吸熱反応により分解する流体を用いて吸収
反応させ、この分解生成流体を比較的低温のもとに共通
のエネルギー回収地点へ移送し、分解流体を発熱反応に
より再結合させ、その熱エネルギーを適宜の熱利用装置
に提供するとともに再結合流体を再び吸熱分解反応部位
へ反復的に回流させる連続集積システムである。

すなわち本発明の方法はさらに具体的には次の工程を含
んで戒る。

（ａ） 吸熱を伴って分解し、発熱を伴って再結合す
る加熱されたアンモニアを吸収反応器に導入する工程、 （ｂ） 太陽光線を吸収反応器に集中させる工程、（
ｃ） 太陽光線の集中を継続するため集光装置の方向
づけを絶えず太陽に向かうように調整する工程、 （ｄ） 吸収反応器内で太陽エネルギーによりアンモ
ニアを窒素と水素とに分解する工程、 （ｅ） 吸収反応器に入るアンモニアと吸収反応器よ
り出る窒素及び水素とを熱交換して窒素と水素とを降温
させるとともにアンモニアを加熱する工程、 （ｆ） 窒素及び水素に伴って吸収反応器より出てく
る未分解のアンモニアを分離し吸収反応器へ導入すべき
アンモニアに合流させる工程、 （ｇ） 分解生成した窒素及び水素を放熱反応室に導
入しアンモニアに再結合させて熱エネルギーを熱利用装
置に放出させる工程、 （ｈ） 放熱反応室に導入する以前に窒素及び水素を
放熱反応室より反復使用のため戻されてくる再結合した
アンモニアと熱交換して窒素及び水素を４００〜５００
℃に昇温させるとともにアンモニアを降温させる工程、 （ｉ） 降温されたアンモニアを吸収反応器へ戻す工
程。

太陽光線を吸収反応器に年中させるための装置は、複数
の放物面形反射鏡でもよいし、フレネルの複鏡やフレネ
ルレンズでもよい。

出来れば、放物面形反射鏡は、型押し鋼製が良い。

次に図面に示した実施例により本発明方法の実施に適用
される装置を説明する。

太陽光線１は、各々約１０平方メートルの口径の放物面
形に型押しされた多数の鋼製反射鏡２により集積される
（第１図参照）。

各々の鏡２の焦点には吸収反応器３があり、この反応器
３内で約１００気圧の高圧アンモニアガスが水素と窒素
に分解される。

この反応は吸熱反応であり、反応熱は、吸収された太陽
エネルギーによって与えられる。

吸収反応器３の温度は、供給されるアンモニアに対して
作用する温度感知自動流量調整弁によって、約５００〜
８００℃の範囲内に、出来れば約７００℃の温度にほぼ
一定に維持される。

導管１２を経て流入するアンモニアと導管５を経て流出
する水素及び窒素は、反射鏡２に取り付けられた第一の
向流式熱交換器４を通り、これによって熱交換器４から
出てくる窒素と水素が流入するアンモニアとほぼ同じ温
度になる。

このようなガスの流出入により、エネルギーは何の熱絶
縁をも必要としない単純なパイプによって鏡から送り出
すことができる。

導管５から流出する窒素と水素は、未分解のアンモニア
を含むので、分離器６へ送られてアンモニアの分離が行
なわれる。

この分離器６を設けたことにより、いずれの反応器３に
むいても２ＮＨ３ Ｎ２＋３Ｈ２の反応をはぼ完全な度
合いに１では行なわせる必要がなくなり、反応器３に対
する温度上の制約がある程度緩和される。

実際原則として２つの反応器の温度が等しい必要はなク
、昔た分解温度よりも合成温度（再結合の温度）が高い
必要もない。

しかしながら、分離器のエネルギー必要条件が、少なく
とも十分なエネルギー伝達の見地からすると、後者の情
況から生ずる側らかの全体の利点を損なわせる。

分離された窒素と水素は、導管７を経て共通の第二の向
流式熱交換器８へ送られ、およそ４００〜５００°Ｃ１
できれば約ｊ５０’ｃｔで加熱される。

これらの窒素と水素は次に反応室９に入り、反応室９で
はアンモニアへの部分的再結合が起る。

この反応は、発熱反応であり、この反応により発生する
熱は鏡２によって最初に集積された太陽エネルギーの総
量にほぼ匹敵する。

反応室９から流出するアンモニアガスは、熱交換器８へ
戻り、向流する窒素と水素の温度捷で冷却される。

その結果、アンモニアのいくらかが液化し、この液化ア
ンモニアは、さらに導管１１を経て分離器６に戻され、
もし未結合の窒素及び水素を伴っているときはそれらを
分離し、前述の未分解のアンモニアと共に導管１２及び
熱交換器４殆経て吸収反応器３へ再循環される。

反応室９は熱エンジン（例えばランキン蒸気サイクル或
はスターリング水素サイクル）の作動流体配管１０に熱
的に連結されることが可能であり、それにより機械的若
しくは電気的動力が得られる。

装置全体がほぼ一定の圧力で作動されるときに唯一必要
な圧縮機は、最初にガスを導入するときと、ガス漏れを
埋め合わせるときのための小さなものですむ。

１つ或いは２つの循環ポンプを合成系統及び放熱装置用
に備えればよい。

吸収反応器３での分解反応が、反応室９での合戒反応の
圧力よりも低い圧力で完了する傾向にあるので、ある情
況では、分離器６に隣接する本装置の回路の導管５に圧
縮ポンプを、導管１２に膨張エンジンを備えることは有
利であり、このようにして吸収反応器３よりも反応室９
の圧力を確実に高くする。

分離器６から流出するアンモニアは導管１２を経て吸収
反応器３に通ずる第一熱交換器４へ流入する。

なむ、例えば導管１３．１４を通して、本装置にアンモ
ニア若しくは窒素と水素を追加したり１た本装置からこ
れらを取り除いたりすることも可能である。

寸た必要に応じて、分離器６から流出する窒素と水素を
貯蔵し、適当な時期に再結合させることも可能であり、
この場合には適当なアンモニア用の貯蔵設備を備える必
要がある。

第２図は吸収反応器を示していて、この吸収反応器は、
管１７に近い吸収反応器の内部高温部に一端が隣接し、
他端が外側の低温部に隣接して絶縁体１５内に位置する
連続コイル状管１６から成る熱交換器を備えている。

第３図は管１６の断面図を示し、１８は圧力に耐えうる
程の厚みの厚壁外管であり、１９は薄壁内管である。

流入流出反応体は２つの通路２０，２１内を流れ、熱は
内管１９の壁を通して伝達される。

第４図は、通路２０．２１が平面で接触し支持部材２２
に保持された別の配列を示している。

次に反射鏡の太陽追跡に用いる減速ユニットの一部を第
５図について述べる。

可動部材２３，固定部材３０，リング部材２７．２９は
共通の中心線３３に対して同軸関係にある。

２６は可動部材２３に対して軸受で支持された軸を備え
た一組の焼入れした円錘形ホイールのうちの一つである
。

円錘形ホイール２６の軸は可動部材２３に対して固定さ
れ、円錘形ホイール２６が回転するにつれてリング部材
２７．２９が互いに反対方向に回転する。

２６′はその軸が固定部材３０に支持され、円錘形ホイ
ール２６と殆んど同じの他の一糺の円錘形ホイールのう
ちの一つである。

円錘形ホイール２６は可動部材２３に支持されたモータ
３１からウオーム歯車機構２５を介して回転される。

ホイール２６．２６’の円錘形の頂点は倒れも中心線３
３上にあり、それぞれの頂角はψ１，ψ２、各円錘中心
線と前記の中心線３３との交差角度はそれぞれθ１，θ
２である。

もし、この円錘形ホイール２６′の角度が上記円錘形ホ
イール２６の角度と同一であれば、円錘形ホイール２６
′の軸もやはり可動部材２３に関して静止的であるが、
しかし、わずかな角度の差により、可動部材２３と固定
部材３０との間に相対運動が起こる。

この角度の差とモーター速度との比率は、次の式により
決定される。

ホイール間の望１しい摩擦は、はね２４．２８と、小角
ψ，，ψ２によるくさび締め作用とによって得られる。

最大出力トルクはこの摩擦力と、ホイールの数とにより
決定される。

バックラッシュは円錘形ホイールの軸受９ゆるみにより
決定される。

反射鏡の方向づけを規制するセンサー装置（第６図参照
）の望１しい構成要素は、以下に示される。

（ａ） （ｂ） （Ｃ） シャドウディスク（他の形でもよい） 光電池 反射鏡（任意である） 太陽光線３４に対するシャドウディスク３５の陰影端は
半影部３６によって強度が段階付けされる。

この半影部３６内に位置し、との半影部３６の巾よりも
寸法が小さい光電池３７は、陰影の位置の小さな変化に
応じて起動力の強度が変化する。

本発明に使用された装置は、この概念を改良したもので
ある。

一般的に、反射鏡が太陽に面するように向けられる場合
この反射鏡そのものは、上記の構成要素（Ｃ）として使
用される。

光電池３７は従ってシャドウディスク３５の縁近く或い
は縁の下に位置付けられるのが良い。

この機構の一利点は、構成要素の反射鏡に対する正確な
整合若しくは調整が伺ら必要ないことである。

各センサーと共働する重要な構成要素は、例えば反射鏡
上或いはその近くなどセンサーに近い所に位置するのだ
が、次のようなものである。

（ｄ） 電子ランプ波（ ｒａｍｐ）発生機（自動リ
セット式） （ｅ） 電圧比較パルス発生機（等電圧を発見すると
すぐパルスを発生する。

）（ｆ） 次ぎ次ぎとセンサーの構成要素を電圧比較
パルス発生機（ｅ）に切り換える装置。

共通の調整器での共通の回路： 測定されたパルス間の時間間隔は、デジタル表示に変え
られ、緩衝器記録表示器に記録される。

共通調整器ソフトウエア明細： センサーデータ：緩衝器のデジタル表示による情報は、
センサー信号の大きさを引き出すために処理される。

平均的センサー信号は太陽の光度（又はセンサー効果）
の測定標準であり、平均値に対するセンサー信号の偏差
により、方向と大きさの誤差を指示する。

第７図は、顕著な機能とその相関関係によって反射鏡を
太陽に向けるためのコンピュータプログラムの詳細を示
している。

この図式で、矩形はプログラム若しくは機能実行の命令
（ ｒｏｕｔｉｎｅ ）を示し、円や楕円はデータ若し
くは情報ブロックを示す。

部分■は陽光が充分に明るいときに作動する。

この部分では誤差の指摘を認知し、適当に作動速度を調
整して、反射鏡が太陽を追跡することを可能にする。

速度指令信号は監視（ｍｏｎｉｔｏｒ）され、「太陽の
相対的位置」を例えば反射鏡のユニット軸に関して与え
るよう時間に関して調整される。

部分■は部分Ｉと共に作動する。

部分■の目的は、モーターと反射鏡間の速度修正と普遍
的等位装置（座標系）に関するユニット等位装置の方向
付けのようなゝユニットパラメータ“を更新することを
可能にすることである。

（ここに説明される摩擦従動ユニットはこのパラメータ
では負性てある。

）この目的のために、普遍的等位座標で、「実視的な太
陽一地球関係」を算定するために、「太陽の相対位置」
に関してこれらのパラメータに古いデータが使用される
。

この実視的な関係は、太陽−地球の非常に正確な模型か
ら引き出された実際の太陽一地球関係と互いに関係づけ
るように使用される。

この相互関係の結果がユニットパラメータを最新のもの
にするのに使用されるのである。

部分■は、太陽の光度が不十分なとき或は機械操作用の
太陽追跡器を含昔ないときにはいつでも使用される。

部分■は、悪天候により生ずる緊急機械操作を含む。

部分■は、例えば公知の光度と、センサーにより明示さ
れる光度との間の相互関係のようなものの査照に関わる
。

第８図から第１０図を参照すると、反射鏡は３８で示さ
れ、支持アームと共通に固着されたフレームが夫ｂ３９
と４０で示される。

反射鏡３８の回転の共軸は４１で示され、４２はアーム
３９０回りの反射鏡３８の回転軸を示している。

この構造を取り巻く空気の流れが４３で示される。

第９図と第１０図に示さるように一緒に近接して使用さ
れる反射鏡の利点は、反射鏡が閉じ合わされて互いに保
護するので、この組み合わせにより、砂塵嵐中での反射
鏡の表面の風食作用による損害が減少すること、風嵐中
での空気抵抗がわずかですむことである。

第１１図は、単一工程による鋳造若しくはプレス加工に
より製造される円形輪郭の多数の中空翼の型を有し、吸
収部材４４に太陽輻射が降りかかる別の吸収反応器を示
している。

吸収部材４４のフランジは、ハウジング４５と吸収部材
４４の内部がナトリウム又はその合金を含むような連続
的空間を形戒するように、ノ・ウジング４５のフランジ
に対して密封される。

ナトリウム或いはその合金は、太陽に加熱される吸収部
材４４の表面からヒートパイプの原理を用いた管１７の
表面捷で熱を移動させる目的で使用される。

この場合、通例の芯材（Ｗｉｃｋ ）を除外したりその
使用を制限することは有利である。

何故ならば、太陽の輻射が低い数値に下がると、重力に
よる熱の事実上の逆流が不可能になるからである。

吸収反応器への反応体つ−Ｕアンモニアの流れは、出来
れば自動調温式の自動流量調整弁により調整されるのが
良い。

例えば雲の影響により太陽輻射の強度が変化すると、そ
れを補償する反応体の流量の変化がなければ、吸収反応
器の温度も変化する。

何故なら太陽熱を奪うのは反応器に流入する反応体の吸
熱分解反応だからである。

流量調整弁は、その温度を知覚するように、吸収反応器
に隣接して位置する例えばナトリウム及びカリウムの共
融混合物の入った球を使用して自動調温装置によって操
作される。

この球は毛細管によってベロ一式作動弁に連結される。

この毛細管及びその中のナトリウムとカリウムの合金の
温度は、高温からベロ一式作動弁のほぼ外気作動温度１
でその全域にわたって変化する。

本発明に利用される減速機構は第５図に特に示される速
度修正ユニットに限られるのではなく、一組のリング、
ホイール、ローラー１たはボールから成る速度を変える
ための装置と、その接触域での摩擦により部品間の運動
を伝達することが可能なように、部品を一緒に押圧する
ための装置とを含む。

丑た従来知られた種類の触媒が、アンモニアの分解と合
成に有効に使用されうるし、従来からある構造用材が本
装置の各構成要素の製作に使用されうる。

かくて本発明は次のようなすぐれた効果を有する。

（ａ） 太陽光線の集光点において熱を吸収し、この
熱量を太陽エネルギーを利用する適宜の回収システムに
放出する媒体としてアンモニアを用い、吸収点ではアン
モニアが窒素及び水素に分解される吸熱反応を利用し、
放出点では逆に窒素及び水素がアンモニアに再結合され
る発熱反応を利用することによって、吸収点と放出点と
の間の熱移動を可逆反応の可能な比較的普遍的な化学物
質を用いて、常に流体状態で実施することができ、該物
質の循環移動が導管によって容易に行なえる。

（ｂ） 吸収点と放出点とのそれぞれの隣接位置で互
いに向流するアンモニアと窒素及び水素間で熱交換を行
なうので、吸収地点と放出地点とが離れていてもその間
を移動する熱媒体は比較的低温に維持され、導管の大部
分で断熱手段をほとんど必要とせず、移動間の熱損失が
きわめて少ない。

（ｃ）吸収反応器より分解されて出てくる窒素及び水素
に未分解のアンモニアが若干含１れていても、このアン
モニアは直ちに分離再使用されるので、吸収反応器にお
ける化学反応に高度の厳密さが要求されず、従って太陽
の放射熱の増減に際して行程又は装置において保持すべ
き温度、圧力、ガス成分等の条件が比較的ゆるやかでよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の望１しい実施例の概略系統図で
あり、第２図は第一熱交換器を備えた吸収反応器の部分
断面図であり、第３図は第一の向流式熱交換器の管の断
面図であり、第４図はこの第一の向流式熱交換器の別の
配管例を示し、第５図は摩擦駆動遊星速度修正ユニット
を示し、第６図はセンサー装置を示す説明図であり、第
７図は顕著な機能及びその相関関係によりコンピュータ
ープログラムを示し、第８図は太陽追跡位置にある２枚
の反射鏡の立面図であり、第９図はその反射面に対して
互いに保護し合うように方向付けられた第８図の２枚の
反射鏡の立面図であり、第１０図は第９図の反射鏡の平
面図であり、第１１図は望１しい吸収反応器の部分断面
図であり、第１２図は第１１図のＡ−Ａ線での断面図で
ある。 １・・・太陽エネルギー、２・・・反射鏡、３・・・吸
収反応器、４，８・・・熱交換器、５，７，１１．１２
・・・導管、６・・・分離器、９・・・反応室、１０・
・・作動流体配管（熱回収システム）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 太陽エネルギーを利用するために、 （ａ） 吸熱を伴って分解し、発熱を伴って再結合す
   る加熱されたアンモニアを吸収反応器に導入する工程、 （ｂ） 太陽光線を吸収反応器に集中させる工程、（
   ｅ） 太陽光線の集中を継続するため集光装置の方向
   づけを絶えず太陽に向かうよう調整する工程、（ｄ）
   吸収反応器内で太陽エネルギーによりアンモニアを窒
   素と水素とに分解する工程、 （ｅ） 吸収反応器に入るアンモニアと吸収反応器よ
   り出る窒素及び水素とを熱交換して窒素と水素とを降温
   させるとともにアンモニアを加熱する工程、 （ｆ） 窒素及び水素に伴って吸収反応器より出てく
   る未分解のアンモニアを分離し吸収反応器へ導入すべき
   アンモニアに合流させる工程、 （ｇ） 分解生成した窒素及び水素を放熱反応室に導
   入しアンモニアに再結合させて熱エネルギーを回収シス
   テムに放出させる工程、 （ｈ） 放熱反応室に導入する以前に窒素及び水素を
   放熱反応室より反復使用のため戻されてくる再結合した
   アンモニアと熱交換して窒素及び水素を４００〜５００
   ℃に昇温させるとともにアンモニアを降温させる工程、 （ｉ） 降温されたアンモニアを吸収反応器へ戻す工
   程、 を含んで成るを特徴とする太陽エネルギー集積方法。 ２ 太陽エネルギーを利用するために、 （ａ） アンモニアを太陽の熱エネルギーによって窒
   素及び水素に分解するための受熱反応管を有する吸収反
   応器と、 （ｂ） 太陽光線を吸収反応器に集中させる集光装置
   と、 （ｃ） 集光装置を太陽に向けて方向づけるセンサと
   コンピュータプログラムによる調整装置と、（ｄ）
   窒素及び水素とアンモニアとの間で熱交換するため吸収
   反応器に隣接して設けた第１向流式熱交換器と、 （ｅ） 吸収反応生戒物をアンモニアに富んだ流体成
   分と窒素及び水素に富んだ流体戒分とに分離するため第
   １向流式熱交換器に近接して設けられ、少なくとも２組
   の出入導管を有する分離器と、（ｆ） 分解生成した
   窒素及び水素をアンモニアに再結合させるスペースと熱
   回収作動流体の配管とを接触させた発熱反応室と、 （ｇ） 再結合したアンモニアと発熱反応室へ導入さ
   れる窒素及び水素との間で熱交換するため発熱反応室に
   隣接して設けた第２向流式熱交換器と、（ｈ） 吸収
   反応器、第１熱交換器、分離器、第２熱交換器及び発熱
   反応器の間を順次結んで反応流体を循環させる導管と吸
   収反応器への流量調整手段と を含んで構成されたことを特徴とする太陽エネルギー集
   積装置。