WO2012063838A1 - 太陽熱蓄熱方法およびシステム - Google Patents

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heat
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裕 玉浦
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Definitions

  • the present invention relates to a solar heat storage method and system for storing heat using solar energy.
  • Solar thermal energy storage is cost effective and reliable because it can directly store the thermal energy collected in a concentrated solar power (CSP) system without having to convert it to another energy This is the recommended method to meet the demand for solar thermal energy.
  • CSP concentrated solar power
  • the heat energy is stored in a container isolated from the outside world and can be recovered by a heat engine or the like that generates electricity (that is, it can be converted into electric energy).
  • Patent Document 1 discloses a solar collector that collects solar thermal energy with high efficiency and high quality and stores the heat in a heat medium, and a solar light collecting reflector using the solar collector.
  • a solar condensing system and a solar energy utilization system have been proposed.
  • Patent Document 1 discloses a beam-down solar condensing system as a system for concentrating sunlight.
  • a beam-down solar condensing system is also disclosed in Non-Patent Document 2.
  • the beam-down-type sunlight condensing system includes a plurality of reflecting mirrors (heliostats) 61 arranged on the ground, and reflection of sunlight SB from the plurality of heliostats 61.
  • the beam-down solar condensing system disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 collects sunlight in the daytime to approximately 1000 to 1300 Kelvin (K) (approximately 700 to 1000 ° C.).
  • Heat can be supplied to external equipment and laying (hereinafter referred to as external equipment), but it is stored in the heat medium (molten salt) that circulates in the piping.
  • external equipment external equipment and laying
  • molten salt molten salt
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a solar heat storage method and system capable of supplying heat of about 1000 to 1300 K to external equipment for 24 hours with a simple configuration. .
  • the present invention that has solved the above problems is a solar heat storage method for storing heat using solar energy, which releases oxygen when heated and changes from an oxidized form to a reduced form, and returns to an oxidized form when contacted with oxygen.
  • Condensed beam irradiation step of moving the reactive ceramic layer formed using ceramics while irradiating the reactive ceramic layer with a condensed beam obtained by collecting sunlight and heating the reactive ceramic layer, and the condensed beam irradiation step
  • a heat storage step of storing heat generated from the reactive ceramic layer in a heat storage means while contacting the reactive ceramic layer heated in step with a gas containing oxygen.
  • the above-mentioned present invention preferably includes a heat extraction step for circulating the heat medium after the heat storage step and taking out the heat stored in the heat storage means to the outside of the heat storage means.
  • the present invention also relates to a solar heat storage system for storing heat using solar energy, wherein a reactive ceramic layer is formed using a reactive ceramic that releases oxygen when heated and changes from an oxidized type to a reduced type.
  • a rotating body formed on the surface, a driving means for rotating the rotating body in the circumferential direction, and an irradiation of the condensed beam, which is provided so as to cover the outer peripheral surface of the rotating body and collects sunlight, to the rotating body
  • a heat insulating member having an opening that enables the heat storage means provided in the vicinity of the rotating body at a position spaced from the opening, and after the rotating rotating body passes through the opening, Gas supply means provided at an arbitrary position up to the heat storage means for supplying a gas containing oxygen toward the rotating body.
  • the reactive ceramic layer is preferably formed of nickel ferrite.
  • the heat storage unit includes a heat extraction unit that circulates a heat medium and extracts heat stored in the heat storage unit to the outside of the heat storage unit.
  • the rotating body is a cylindrical body using alumina fibers.
  • the heat storage means uses a heat storage material formed of at least one of a carbon material and a salt.
  • the present invention it is possible to provide a solar heat storage method capable of supplying heat of about 1000 to 1300 K to external equipment for 24 hours. Further, according to the present invention, it is possible to provide a solar heat storage system capable of supplying heat of about 1000 to 1300 K to external equipment for 24 hours.
  • a horizontal axis shows operation time (daytime) (time).
  • the vertical first axis indicates the accumulated heat storage amount (MJ) (curve B) and the heat storage temperature (0.1 K) (curve D).
  • the vertical second axis represents the amount of heat released per unit time (kJ / h) (curve C).
  • the solar heat storage method according to an embodiment of the present invention includes a focused beam irradiation step S ⁇ b> 1 and a heat storage step S ⁇ b> 2.
  • Condensed beam irradiation step S1 oxygen is released when heated to change from an oxidized type to a reduced type, and when contacted with oxygen, the reactive ceramic layer formed using reactive ceramics that returns to the oxidized type is moved, This is a step of heating the reactive ceramic layer by irradiating a condensed beam obtained by collecting sunlight.
  • a means for obtaining a condensed beam there are a plurality of heliostats and a beam-down solar condensing system in which reflected light from the heliostat is reflected downward by a collecting mirror provided at a high place.
  • a collecting mirror provided at a high place.
  • the means for obtaining the condensed beam is not limited to these.
  • a condensing lens can also be mentioned.
  • the focused beam obtained by the above-described means has a high flux (high flux) of about 1300 to 2000 kW / m 2 . If such a high flux focused beam is used, the reactive ceramic layer 21 can be heated to about 1800 K as described later, and the heat can be stored in the heat storage means as described later.
  • reactive ceramics include iron oxide ceramics.
  • ferrite can be mentioned, and more specifically, spinel ferrite (AFe 2 O 4 (where A is at least one selected from Mn, Co, Ni, Cu, Zn). )).
  • AFe 2 O 4 (where A is at least one selected from Mn, Co, Ni, Cu, Zn).
  • NiFe 2 O 4 Ni ferrite, nickel ferrite
  • Mn 2 O 3 manganese oxide
  • Co 3 O 4 cobalt oxide
  • the movement of the reactive ceramic layer can be performed by any means.
  • a reactive ceramic layer using reactive ceramics is formed on the outer peripheral surface of a cylindrical rotating body and the rotating body is rotated by driving means such as a motor, the reactive ceramic layer is formed as described above. Can be moved.
  • the heat storage step S2 to be performed next is a step of storing heat generated from the reactive ceramic layer in the heat storage means while bringing the reactive ceramic layer heated in the focused beam irradiation step S1 into contact with the gas containing oxygen. is there. In this heat storage step S2, the reactive ceramic layer continues to move.
  • any gas containing oxygen can be used.
  • air can be used.
  • oxygen gas having a high oxygen concentration supplied from an oxygen cylinder or the like can be used alone or mixed with air at an arbitrary ratio.
  • the heat storage means is preferably formed using, for example, a heat storage material formed from at least one of a carbon material and a salt.
  • a heat storage material formed from at least one of a carbon material and a salt.
  • the carbon material include graphite (graphite) and carbon composite.
  • the salt include NaCl and rock salt.
  • the heat storage means is provided at a slight distance from the reactive ceramic layer.
  • heat transfer from the reactive ceramic layer to the heat storage means is performed by heat radiation from the reactive ceramic layer and convection of air generated between the reactive ceramic layer and the heat storage means.
  • the process After transferring heat to the heat storage means in the heat storage step S2, the process returns to the condensed beam irradiation step S1 again and the same operation is repeated.
  • solar heat can be continuously and efficiently stored in the heat storage means.
  • the capacity of the heat storage means is appropriate, heat can be stored with an amount of heat sufficient to supply heat to external equipment at night (about 12 hours) when sunlight cannot be obtained.
  • the solar heat storage method according to the embodiment described above further includes a heat extraction step.
  • the heat extraction step (not shown in FIG. 1) is a step of extracting the heat stored in the heat storage means by circulating the heat medium to the outside of the heat storage means, that is, to external equipment. This step can be realized by heat exchange between the heat storage means and the external equipment, and heat of about 1000 to 1300 K can be supplied to the external equipment.
  • the specific heat is absorbed to the specific heat absorption limit (1800K) by the focused beam of 1000 to 2000 kW / m 2 .
  • the energy of the focused beam is absorbed by the non-equilibrium Frenkel defect generation phenomenon.
  • Such a phenomenon is a chemical reaction that proceeds as an endothermic reaction accompanied by a high enthalpy change, that is, a coordinate change in a solid lattice structure, that is, a chemical reaction in units of a non-equilibrium state of a Frenkel defect structure. Therefore, in this step, the energy of the focused beam can be absorbed by the high enthalpy change of the reaction material.
  • this step is anion (or cation) movement in the lattice structure, it is presumed that the chemical reaction in this step proceeds according to absorption of energy of the focused beam.
  • the non-equilibrium state of the Frenkel defect structure during this chemical reaction is formed after absorption of high flux energy.
  • the reactive ceramic that has been reduced in the previous step is oxidized with heat generation by the O 2 gas supplied in the heat storage step S2 (exothermic reaction).
  • This oxidation reaction occurs at about 1400 to 1600K, which is about 200 to 400K lower than the focused beam irradiation step S1.
  • enthalpy changes by exothermic reaction exothermic reaction enthalpy change (refer FIG. 2).
  • heat storage step S2 heat corresponding to a temperature drop from 1800K to 1300K, that is, heat for 500K, is transferred to the heat storage means by radiation and convection from the reactive ceramic layer among the specific heat absorption of the reactive ceramic.
  • the heat of the exothermic reaction enthalpy change contained in the reactive ceramic layer is transferred to the heat storage means by radiation or convection (see FIG. 2).
  • about 1000 to 1300 K of heat is stored in the heat storage means.
  • the process After passing through the heat storage step S2, the process returns to the focused beam irradiation step S1, so that the same chemical reaction (reduction reaction with endotherm and oxidation reaction with heat generation) is continued in the reactive ceramic layer heated by the focused beam. Done.
  • the reactive ceramic layer irradiated with the focused beam in the focused beam irradiation step S1 is heated to about 1300 to 1800K.
  • enthalpy change in the Frenkel defect structure of magnetite Fe 3 O 4
  • enthalpy change in the Frenkel defect structure of magnetite is considered to be almost the same as that of Ni ferrite because there is cation movement in the interstitial position. 754 kJ / mol.
  • the thermal equilibrium is reached, and 1400 kW / m 2 of the heat flux is transferred in the heat storage step S2.
  • the length of the thermal gradient region is estimated to be 0.8 m.
  • the reaction in the focused beam irradiation step S1 proceeds rapidly, but the reaction in the heat storage step S2 proceeds slowly. Therefore, the area ratio of the reactive ceramic layers for carrying out these steps is such that if the area for carrying out the heat storage step S2 is larger than that of the focused beam irradiation step S1, the heating in the focused beam irradiation step S1 and the heat transfer in the heat storage step S2 The heat balance is improved.
  • the area ratio of the area where the focused beam irradiation step S1 is performed and the area where the heat storage step S2 is performed is 1: 5
  • graphite heat capacity 20 J / K / mol
  • the focal region where the condensed beam irradiation step S1 is performed is 71 m 2 in the case of an average flux intensity of 1400 kW / m 2 .
  • the size of the heat storage means capable of storing 12 hours is 10.6 m in diameter and 16 m in height.
  • a solar heat storage system 1 includes a rotating body 2, a driving unit (not shown) that rotates the rotating body 2 in the circumferential direction, a heat insulating member 3, and a heat storage unit 4. Gas supply means 5.
  • the rotating body 2 preferably has a cylindrical shape as already described in the condensed beam irradiation step S1.
  • a reactive ceramic layer 21 using the above-described reactive ceramics is formed on the outer peripheral surface of the rotating body 2.
  • the thickness of the reactive ceramic layer 21 is not particularly limited, but may be 2 mm, for example.
  • the rotating body 2 is more preferably formed using alumina fibers.
  • Alumina fiber has less heat shrinkage, is excellent in strength, and has heat insulation properties. Therefore, even if the reactive ceramic layer 21 is heated by irradiation with a high-flux condensed beam CB, it is difficult to release the heat (that is, It is difficult to lose) and is suitable.
  • the reactive ceramic layer 21 heated by the focused beam CB is about 1800K.
  • the rotating body 2 can have a length of about 1 to 5 m and a diameter ⁇ of about 1 m, for example.
  • the drive means for example, an electric motor, a steam turbine, or the like can be used.
  • the drive means is not limited to this, and any drive force that can rotate the rotating body 2 in the circumferential direction can be used. Anything can be used.
  • the heat insulating member 3 prevents the temperature of the reactive ceramic layer 21 that has been heated by being irradiated with the focused beam CB from being reduced until the heat is transferred to the heat storage means 4 described later. It is provided so as not to lower the temperature of the heat-transmitted reactive ceramic layer 21. For this reason, the heat insulation member 3 is provided so that the outer peripheral surface of the rotary body 2 may be covered.
  • the heat insulating member 3 is provided with an opening 31 that allows the rotating body 2 to be irradiated with the condensed beam CB. That is, the upper end portion of the rotating body 2 irradiated with the condensed beam CB is exposed from the heat insulating member 3.
  • Examples of the heat insulating member 3 include aluminum wool, glass wool, rock wool, and ceramic cloth.
  • the heat storage means 4 is preferably formed using, for example, a heat storage material formed of at least one of a carbon material and a salt.
  • a heat storage material formed of at least one of a carbon material and a salt.
  • the carbon material include graphite (graphite) and carbon composite as described above.
  • the salt include NaCl and rock salt.
  • the uppermost portion 41 that is provided in the vicinity of the rotating body 2 and receives heat from the rotating body 2 is made of a material that has particularly good thermal conductivity and excellent oxidation resistance. Is preferred. Examples of such materials include aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, and carbon ceramics.
  • the gas supply means 5 supplies a gas containing oxygen toward the rotating body 2.
  • This gas supply means 5 can be provided at any position from the rotating rotator 2 passing through the opening 31 to the heat storage means 4.
  • the gas supply means 5 can be composed of, for example, an air pump (not shown) and a nozzle (not shown) connected to the air pump and provided with a blowing port toward the reactive ceramic layer 21. Since the gas containing oxygen supplied by the gas supply means 5 has already been described, the description thereof is omitted.
  • the heat storage means 4 described above preferably includes a heat extraction means 6 for circulating the heat medium HC and taking out the heat stored in the heat storage means 4 to the outside of the heat storage means 4.
  • a heat extraction means 6 for circulating the heat medium HC and taking out the heat stored in the heat storage means 4 to the outside of the heat storage means 4.
  • the outside of the heat storage means 4 include external equipment such as equipment for reforming natural gas and methane gas, and gas turbine power generation equipment.
  • Examples of the heat extraction means 6 include a heat exchanger. Specifically, when the heat medium HC is circulated through a hollow tube passing through the heat storage means 4, the heat stored in the heat storage means 4 can be suitably taken out to external equipment.
  • the number of hollow tubes can be set arbitrarily. Further, it is also preferable that the hollow tube is folded back multiple times as necessary so that the heat medium HC can pass through the heat storage means 4 a plurality of times. If it does in this way, the heat of the thermal storage means 4 can be taken out out of the thermal storage means 4 efficiently.
  • air, molten salt, or the like can be used as the heat medium HC.
  • carbonates sodium, potassium, calcium, magnesium
  • the heat extraction means 6 is preferably divided into, for example, an upper part and a lower part of the heat storage means 4, and the upper part is mainly used for daytime operation and the lower part is mainly used for nighttime operation.
  • the laying distance of the hollow tube provided in the upper part is preferably shorter than the laying distance of the hollow tube provided in the lower part.
  • the flow rate of the heat medium HC in the upper hollow tube and the flow rate of the heat medium HC in the lower hollow tube can be arbitrarily set.
  • the thermal equilibrium between the reactive ceramic layer 21 and the heat storage means 4 can be controlled by controlling the flow rate of the heat medium HC. For example, if the flow rate of the heat medium HC is decreased, the temperature of the heat storage means 4 can be increased, and if the flow rate of the heat medium HC is increased, the temperature of the heat storage means 4 can be decreased.
  • the amount of heat transferred from the rotating body 2 is extremely large and the temperature is high. Therefore, sufficient heat can be supplied to the external equipment even in the upper heat extraction means 6u where the installation distance of the hollow tube is short.
  • the amount of heat transferred from the rotating body 2 is extremely large and the temperature is high. Therefore, the heat cannot be supplied to the external equipment by the upper heat extraction means 6u, and the surplus is transferred to the lower part of the heat storage means 4. It is. Therefore, about 1300 K of heat is also stored in the lower part of the heat storage means 4. That is, according to the upper heat extraction means 6u, heat utilization and heat storage can be performed simultaneously. Therefore, at night, the lower heat extraction means 6b can be operated to supply heat stored in the lower part of the heat storage means 4 to the external equipment.
  • the heat extraction means 6 is not divided into two parts, the upper part and the lower part, and may be divided into three or more. This can be set arbitrarily.
  • ⁇ density
  • C p specific heat
  • T temperature
  • t time
  • k thermal conductivity
  • Q out the amount of heat transferred.
  • Q in is the heat of oxidation in the reactive ceramic solar heat release chamber (between the rotator 2 and the uppermost portion 41 of the heat storage means 4; the same applies hereinafter)
  • h conv is the absorption efficiency of the same surface
  • ⁇ is the Stefan-Boltzmann factor
  • T amb is the average temperature of the reactive ceramics of the rotating body 2 in the solar heat discharge chamber.
  • Table 2 shows the physical constants.
  • a curve A indicates the absorbed solar heat amount (cumulative) (MJ) (heat amount in the solar heat discharge chamber).
  • Curve B shows the accumulated heat storage amount (MJ) of the heat storage means 4 using graphite.
  • Curve C shows the amount of heat released (kJ / h) by the heat medium HC operating at 400 to 800 ° C. (673 to 1073 K).
  • Curve D shows the temperature (K) of the uppermost part 41 of the heat storage means 4 using graphite.
  • the amount of heat extracted by the heat medium HC is 1800 to 2000 MJ / h (3 to 5 hours) and 2500 MJ / h (6 to 8 hours). Further, as can be seen from the curves B and C, the amount of heat stored in 1 to 2 hours is very close to saturation, and the amount of heat that can be extracted in 3 hours of operation reaches 1700 MJ / h. In the case of steady operation at 1700-2500 MJ / h (0.47-0.69 MW) for 1-2 hours at start-up, it is preferable to back up with natural gas or the like. After 8 hours of daytime operation, 10320 MJ is stored. The temperature of the uppermost portion 41 of the heat storage means 4 using graphite is 1500 to 1550 ° C. (curve D).
  • FIG. 5 shows the temperature distribution (K) in the heat storage means 4 with respect to the height of the heat storage means 4 using graphite and the heat storage amount distribution (MJ / m) in each operation time in the daytime operation mode. is there.
  • the height width used for heat storage in the heat storage means 4 is 6 to 8 m, and the overall height of the heat storage means 4 is 10 m.
  • the temperature rises by 100 ° C. at a height of 9 to 10 m.
  • the temperature distribution and the heat storage amount distribution in the heat storage means 4 become substantially constant, and the heat storage amount in the daytime operation mode reaches almost saturation.
  • the average heat storage amount is 8464 MJ, and the temperature is 1000 ° C. (about 1300 K).
  • the temperature gradient in the heat storage means 4 is gradually relaxed, and the temperature of the uppermost portion 41 of the heat storage means 4 is also about 1000 ° C. This suggests that the outlet temperature of the heat medium HC can be maintained around 800 ° C. (about 1073 K) even during nighttime operation.
  • the inlet temperature of the heat medium HC is set to 400 ° C. (about 673 K).
  • the amount of heat corresponding to 8464 MJ can be recovered.
  • the heat flow rate per unit time is 1700 MJ / h (0.47 MW), and operation is possible for 4 hours.
  • a 24-hour operation at a high temperature is possible.
  • the simulation results described above can be evaluated as follows. In order to realize 1 MW as a solar heat storage system that stores heat for 4 hours, based on the simulation results evaluated for the practically operable temperature and the size of the heat storage means 4, the size of the heat storage means 4 is A calculation result of 6 m 3 (diameter ⁇ 1 m, height 8 m) was obtained.
  • the condensing heat amount is 100 MW (heat storage amount 60 MW), and the heat storage time is Trial calculation was performed for 12 hours.
  • the diameter was estimated to be 13.5 m, the height was 8 m, and the volume was 1100 m 3 . This size is presumed to be appropriate as the scale of the actual heat storage tank.
  • the diameter of the ground condensing beam CB is 10 to 15 m. This size takes the height of the heat storage tank (heat storage means 4) into consideration, and if the focal position from the ground is increased accordingly, the diameter is further reduced.
  • the rotating body 2 on which the reactive ceramic layer 21 is formed is directly irradiated with the condensing beam CB to store heat in the heat storage means 4.
  • the diameter of the heat storage means 4 using graphite is 13.5 m is a fairly reasonable size.
  • the thermal conductivity of graphite was 2000 W / m / K. This may be applied to 1000 to 100 W / m / K, but some carbon composites and nanotubes can be applied with numerical values like this time. In fact, recently, 500 W / m / K composites are commercially available. Further, even if the material having such high conductivity is not used as it is, the heat input on the heat storage means 4 is forcibly moved to the middle part of the heat storage means 4 by changing the structure and mechanism of the heat exchange system. It is possible. In combination with these, the best thermal conductivity material may be selected. Moreover, it is considered that the capacity itself of the heat storage means 4 can be further reduced by variously examining such application development. As a result, the heat storage capacity increases, leading to cost reduction.
  • the beam-down solar condensing system has an excellent feature that a heavy heat storage facility can be directly heated on the ground because the condensed beam CB can be reproduced near the ground.
  • the solar heat storage method and the solar heat storage apparatus 1 according to the present invention have a unique configuration in which a beam-down solar condensing system and a rotating body 2 having a reactive ceramic layer 21 are combined. It is possible to provide a solar heat utilization technology that can be operated for 24 hours at high temperature and high efficiency.

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Abstract

【課題】約１０００～１３００Ｋの熱を外部設備に２４時間供給可能な太陽熱蓄熱方法を提供する。 【解決手段】太陽光エネルギーを用いて熱を蓄熱する太陽熱蓄熱方法であって、加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となり、酸素と接触すると酸化型に戻る反応性セラミックスを用いて形成された反応性セラミックス層を移動させつつ、当該反応性セラミックス層に太陽光を集光した集光ビームを照射して加熱する集光ビーム照射ステップＳ１と、前記集光ビーム照射ステップＳ１で加熱された前記反応性セラミックス層と酸素を含むガスとを接触させつつ、前記反応性セラミックス層から発せられる熱を蓄熱手段に蓄熱させる蓄熱ステップＳ２と、を含むことを特徴とする。

Description

太陽熱蓄熱方法およびシステム
　本発明は、太陽光エネルギーを用いて熱を蓄熱する太陽熱蓄熱方法およびシステムに関する。
　近年、地球環境保護の観点から太陽光や風力といった再生可能エネルギーを用いた発電に対する関心が高まっている。しかしながら、これらの再生可能エネルギーは発電量が天候などに左右され、安定性に欠けるため、ベース電源の役割を担うことは難しいとされている。
　これに対し、太陽の熱を利用する太陽熱発電では、レンズや反射板を使って太陽光を集め、その熱で蒸気を発生させてタービンを回転させることで発電する。つまり、ほぼ常時照りつける強烈な太陽光があれば、安定してかつ安価に発電することが可能である。そのため、砂漠地帯や乾燥地帯を有する国々で導入が進められており、費用対効果と信頼性の高い太陽熱エネルギーの需要が国際的に高まっている。
　太陽熱エネルギーの貯蔵は、それを別のエネルギーに変換する必要がなく、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）システムで集光した熱エネルギーを直接貯蔵することができるので、費用対効果と信頼性の高い太陽熱エネルギーの需要に応えるために推奨される手法である。なお、熱エネルギーは外界から隔絶された容器内に保存され、電気を発生させる熱機関などによって回収することができる（つまり、電気エネルギーに変換することができる）。
　太陽熱発電に関して、例えば、特許文献１には、太陽の熱エネルギーを高効率かつ高品質で回収して、熱媒体に蓄熱する太陽光集熱器と、これを用いた太陽光集光用反射装置、太陽光集光システム、および太陽光エネルギー利用システムが提案されている。
　また、この特許文献１には、太陽光を集光するシステムとして、ビームダウン方式の太陽光集光システムが開示されている。なお、ビームダウン方式の太陽光集光システムは非特許文献２にも開示されている。
　ここで、ビームダウン方式の太陽光集光システムとは、図６に示すように、地上に複数の反射鏡（ヘリオスタット）６１を配置し、これら複数のヘリオスタット６１からの太陽光ＳＢの反射光を、高所に設けられた集光用反射鏡６２によって下向きに反射させて集熱器６３に集光させるシステムをいう。
国際公開第２００６／０２５４４９号パンフレット
E. Epstein, A. Segal and A. Yogev, "A molten salt system with a ground base-integrated solar receiver storage tank."J. Phys. IV France 9, 95-104 (1999)
　しかしながら、特許文献１や非特許文献１に開示されているビームダウン方式の太陽光集光システムは、昼間は太陽光を集光して約１０００～１３００ケルビン（Ｋ）（約７００～１０００℃）の熱を外部の設備や敷設（以下、外部設備という。）に供給することはできるが、配管内を流通する熱媒体（溶融塩）に蓄熱するため、夜間もそのような高温の熱を長時間（例えば、１２時間）外部設備に供給することができないという問題があった。
　また、高フラックスな集光ビームを利用する熱生成速度は、蓄熱材への熱伝導速度よりも速いため、特許文献１のように熱媒体にて蓄熱する場合、熱生成速度と熱伝導速度のバランスをとるのが極めて難しい。これは、当該熱媒体を非常に速い速度で循環させるなどすれば解決可能ではあるが、設備が複雑化し、大型化し、熱効率も低下するため好ましいとはいえない。
　本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でありながら約１０００～１３００Ｋの熱を外部設備に２４時間供給可能な太陽熱蓄熱方法およびシステムを提供することを課題とする。
　前記課題を解決した本発明は、太陽光エネルギーを用いて蓄熱する太陽熱蓄熱方法であって、加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となり、酸素と接触すると酸化型に戻る反応性セラミックスを用いて形成された反応性セラミックス層を移動させつつ、当該反応性セラミックス層に太陽光を集光した集光ビームを照射して加熱する集光ビーム照射ステップと、前記集光ビーム照射ステップで加熱された前記反応性セラミックス層と酸素を含むガスとを接触させつつ、前記反応性セラミックス層から発せられる熱を蓄熱手段に蓄熱させる蓄熱ステップと、を含むことを特徴とする。
　前記した本発明は、前記蓄熱ステップ後、熱媒体を流通させて前記蓄熱手段に蓄熱された熱を前記蓄熱手段外に取り出す熱取り出しステップを含むのが好ましい。
　また、本発明は、太陽光エネルギーを用いて熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システムであって、加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となる反応性セラミックスを用いてなる反応性セラミックス層を表面に形成した回転体およびこれを周方向に回転させる駆動手段と、前記回転体の外周面を覆うようにして設けられ、太陽光を集光させた集光ビームの前記回転体への照射を可能とする開口部を有する断熱部材と、前記開口部から離間した位置で、前記回転体に近接して設けられた蓄熱手段と、回転する前記回転体が前記開口部を通過した後、前記蓄熱手段に至るまでの任意の位置に設けられた、酸素を含むガスを前記回転体に向けて供給するガス供給手段と、を備えることを特徴とする。
　前記した本発明においては、前記反応性セラミックス層が、ニッケルフェライトで形成されているのが好ましい。
　また、前記した本発明においては、前記蓄熱手段が、熱媒体を流通させて当該蓄熱手段に蓄熱された熱を前記蓄熱手段外に取り出す熱取り出し手段を備えているのが好ましい。
　さらに、前記した本発明においては、前記回転体が、アルミナ繊維を用いた円筒体であるのが好ましい。
　前記した本発明においては、前記蓄熱手段が、炭素材料および塩のうちの少なくとも一方で形成された蓄熱材を用いているのが好ましい。
　本発明によれば、約１０００～１３００Ｋの熱を外部設備に２４時間供給可能な太陽熱蓄熱方法を提供することができる。
　また、本発明によれば、約１０００～１３００Ｋの熱を外部設備に２４時間供給可能な太陽熱蓄熱システムを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る太陽熱蓄熱方法の流れを示すフローチャートである。 反応と伝熱の概要を説明する説明図である。 本発明の一実施形態に係る太陽熱蓄熱装置の構成を示す構成図である。 日中モードで８時間運転したときのシミュレーション結果を示すグラフである。なお、横軸は、操業時間（日中）（時間）を示す。縦第１軸は、累積蓄熱量（ＭＪ）（曲線Ｂ）と、蓄熱温度（０．１Ｋ）（曲線Ｄ）を示す。縦第２軸は、単位時間当たりの流出熱量（ｋＪ／ｈ）（曲線Ｃ）を示す。 蓄熱タンク（蓄熱手段）の高さに対する温度分布（Ｋ）と蓄熱量分布（ＭＪ／ｍ）の関係を示すグラフである。なお、横軸は、高さ（ｍ）を示し、横軸は、温度分布（Ｋ）と蓄熱量分布（ＭＪ／ｍ）を示す。 ビームダウン方式の太陽光集光システムの従来例を説明する概念図である。
　以下、本発明を実施するための形態（実施形態）について、適宜図面を参照して詳細に説明する。
［太陽熱蓄熱方法］
　はじめに、図１を参照して本発明に係る太陽熱蓄熱方法の一実施形態について説明する。図１に示すように、本発明の一実施形態に係る太陽熱蓄熱方法は、集光ビーム照射ステップＳ１と、蓄熱ステップＳ２と、を含んでなる。
（集光ビーム照射ステップ）
　集光ビーム照射ステップＳ１は、加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となり、酸素と接触すると酸化型に戻る反応性セラミックスを用いて形成された反応性セラミックス層を移動させつつ、この反応性セラミックス層に太陽光を集光した集光ビームを照射して加熱するステップである。
　集光ビームを得る手段としては、複数のヘリオスタットと、ヘリオスタットからの反射光を、高所に設けられた集光用反射鏡によって下向きに反射させるビームダウン方式の太陽光集光システムを挙げることができる。具体的には、国際公開第２００６／０２５４４９号パンフレットやE. Epstein, A. Segal and A. Yogev, “A molten salt system with a ground base-integrated solar receiver storage tank.”J. Phys. IV France 9, 95-104 (1999)に記載されている。なお、集光ビームを得る手段はこれらに限定されるものではない。例えば、集光レンズなどを挙げることもできる。
　前記した手段によって得られた集光ビームは、約１３００～２０００ｋＷ／ｍ2程度の高フラックス（高流束）を有する。このような高フラックスの集光ビームを用いれば、後述するように前記反応性セラミックス層２１を約１８００Ｋに加熱することができ、後述する如くその熱を蓄熱手段に蓄熱させることができる。
　反応性セラミックスとしては、例えば、酸化鉄セラミックスを挙げることができる。具体的には、フェライト（ferrite）を挙げることができ、より具体的には、スピネルフェライト（ＡＦｅ2Ｏ4（ただし、ＡはＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎのうちから選択される少なくとも１つである。））を挙げることができる。これらの中でもＮｉＦｅ2Ｏ4（Ｎｉフェライト、ニッケルフェライト）を最も好適に用いることができる。また、Ｍｎ2Ｏ3（酸化マンガン）やＣｏ3Ｏ4（酸化コバルト）などを用いることもできる。
　反応性セラミックス層の移動は、任意の手段によって行うことができる。例えば、円筒状を呈する回転体の外周面に反応性セラミックスを用いた反応性セラミックス層を形成し、モータ等の駆動手段にて当該回転体を回転させると、前記したように反応性セラミックス層を移動させることができる。
（蓄熱ステップ）
　次に行う蓄熱ステップＳ２は、集光ビーム照射ステップＳ１で加熱された反応性セラミックス層と酸素を含むガスとを接触させつつ、この反応性セラミックス層から発せられる熱を蓄熱手段に蓄熱させるステップである。
　なお、この蓄熱ステップＳ２でも反応性セラミックス層は移動し続けている。
　酸素を含むガスとしては、酸素を含有しているものであればよく、例えば、空気を用いることができる。なお、酸素ボンベ等から供給される酸素濃度の高い酸素ガスを単独でまたは空気と任意の比率で混合して用いることもできる。
　蓄熱手段は、例えば、炭素材料および塩のうちの少なくとも一方で形成された蓄熱材を用いて形成するのが好ましい。炭素材料としては、グラファイト（黒鉛）、カーボンコンポジットなどを挙げることができる。また、塩としては、例えば、ＮａＣｌや岩塩などを挙げることができる。なお、炭素材料を用いる場合は、燃焼を防ぐため酸素と接触しないようにするのが好ましい。これは、例えば、炭素材料を収容した密閉容器内を真空としたり、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを充填したりすることで具現できる。
　後記するように、蓄熱手段は、反応性セラミックス層とは若干の間隔をもって設けられているのが好ましい。この場合、反応性セラミックス層から蓄熱手段への伝熱は、反応性セラミックス層からの放熱と、反応性セラミックス層と蓄熱手段の間で生じる空気の対流によって行われる。
　蓄熱ステップＳ２で蓄熱手段へ伝熱した後は、再び集光ビーム照射ステップＳ１に戻って同じ操作を繰り返し行う。このようにすることで継続的かつ効率的に太陽熱を蓄熱手段に蓄熱することができる。また、蓄熱手段の容量を適切なものとすれば、太陽光を得ることのできない夜間（１２時間程度）に外部設備への熱の供給を実施できるだけの熱量をもって蓄熱することができる。
　以上に説明した一実施形態に係る太陽熱蓄熱方法は、さらに、熱取り出しステップを含むのが好ましい。
（熱取り出しステップ）
　熱取り出しステップ（図１において図示省略）は、熱媒体を流通させて蓄熱手段に蓄熱された熱を蓄熱手段外、つまり、外部設備に取り出すステップである。このステップは、蓄熱手段と外部設備の間の熱交換により具現でき、外部設備に約１０００～１３００Ｋの熱を供給することができる。
（反応と伝熱の概要）
　以上に説明した一実施形態に係る太陽熱蓄熱方法では、前記した各ステップにより、集光ビームと、反応性セラミックス層と、蓄熱手段との間で、図２に示すような反応や伝熱が行われる。
　まず、図２に示すとおり、集光ビーム照射ステップＳ１の初期には、１０００～２０００ｋＷ／ｍ2の集光ビームによって、比熱吸収限界量（１８００Ｋ）まで比熱吸収される。また、これとともに集光ビームのエネルギーが非平衡フレンケル欠陥生成現象により吸収される。
　かかる現象は、高エンタルピー変化を伴った吸熱反応として進行する、固体格子構造中の配位変化、つまり、フレンケル欠陥構造の非平衡状態を単位とした化学反応である。従って、このステップでは、反応材料の高エンタルピー変化により集光ビームのエネルギーを吸収することができる。また、このステップは格子構造中における陰イオン（または陽イオン）移動であるから、当該ステップにおける化学反応は集光ビームのエネルギーの吸収に従って進行すると推察される。なお、この化学反応中のフレンケル欠陥構造の非平衡状態は、高フラックスエネルギーの吸収後に形成される。
　反応性セラミックスの温度が１８００Ｋ付近に達すると、格子酸素（Ｏ2-）からのＯ2ガス形成の反応速度が大きくなる。そして、非平衡フレンケル欠陥構造（酸素空孔形成）によって吸収されたエネルギーがＯ2ガス発生反応を伴って生成される材料の還元型の化学エネルギーに変換される。つまり、急速酸素放出反応による還元体化学エネルギー変換（吸熱反応）である（図２参照）。
　すなわち、集光ビーム照射ステップＳ１では、集光ビームが反応性セラミックスによって吸収され、そしてセラミックス材料の還元型の化学エネルギーへ変換される。
　そして、蓄熱ステップＳ２では、前ステップで還元型となった反応性セラミックスが、当該蓄熱ステップＳ２にて供給されるＯ2ガスによって発熱を伴って酸化される（発熱反応）。この酸化反応は、集光ビーム照射ステップＳ１よりも２００～４００Ｋほど低い約１４００～１６００Ｋ程度で生じる。なお、発熱反応によりエンタルピーが変化する（発熱反応エンタルピー変化）（図２参照）。
　この蓄熱ステップＳ２では、反応性セラミックスの比熱吸収分のうち１８００Ｋから１３００Ｋに温度低下する分の熱、すなわち５００Ｋ分の熱が、反応性セラミックス層からの放射や対流によって蓄熱手段に伝熱される。また、これとともに反応性セラミックス層に含まれている発熱反応エンタルピー変化分の熱が放射や対流によって蓄熱手段に伝熱される（図２参照）。その結果、蓄熱手段には約１０００～１３００Ｋの熱が蓄熱される。
　蓄熱ステップＳ２を経た後、集光ビーム照射ステップＳ１に戻るので、集光ビームによって加熱された反応性セラミックス層では前記と同様の化学反応（吸熱を伴う還元反応と発熱を伴う酸化反応）が継続して行われる。
　以上に説明した概要について、反応性セラミックスとしてＮｉフェライトを用い、蓄熱手段の蓄熱材として黒鉛を用いた場合を例に挙げて、より具体的に説明する。
　集光ビーム照射ステップＳ１で集光ビームが照射された反応性セラミックス層は、約１３００～１８００Ｋに加熱される。反応性セラミックスとしてＮｉフェライトを用いた場合、格子間位置内における陽イオン移動があるため、マグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）のフレンケル欠陥構造中のエンタルピー変化は、Ｎｉフェライトのそれとほとんど同じであると考えられ、７５４ｋＪ／ｍｏｌとなる。
　なお、キセノン（Ｘｅ）ランプ光の高フラックス集光ビームを照射して１８００Ｋに加熱し、ＮｉフェライトからＯ2ガスを発生させると、１８００ＫでのＮｉフェライトの密度（離脱した酸素イオン数／全酸素イオン数）は０．２８（０．４２ｍｏｌ／鉄１ｍｏｌ）となる。従って、Ｎｉフェライト１ｍｏｌに吸収することができる集光ビームのエネルギーは３１７ｋＪ／ｍｏｌとなる。なお、Ｎｉフェライトの熱伝導率は、伝導率の測定から、１８００Ｋになると金属の金属伝導率に近い値となる。また、ＦｅＯからＦｅ3Ｏ4への酸化によるエンタルピー変化は３４０ｋＪ／ｍｏｌである。
　従って、各パラメータについてこれらの数値に基づくと、蓄熱ステップＳ２で反応性セラミックス（Ｎｉフェライト）の１５００Ｋと、１２７３Ｋの蓄熱材（８００Ｗ／ｍ・Ｋの金属伝導率を備えた黒鉛）（ヒートシンク温度＝６００Ｋ）の間で熱平衡に達し、熱フラックスの１４００ｋＷ／ｍ2が、蓄熱ステップＳ２で伝熱される。なお、この場合の熱勾配域の長さは０．８ｍになると推定される。
　また、集光ビーム照射ステップＳ１での反応は急速に進行するものであるが、蓄熱ステップＳ２での反応は緩慢に進行する。従って、これらを実施する反応性セラミックス層の面積比は、集光ビーム照射ステップＳ１よりも蓄熱ステップＳ２を実施する面積を大きくすると、集光ビーム照射ステップＳ１での加熱と蓄熱ステップＳ２での伝熱のバランスがよくなる。集光ビーム照射ステップＳ１を実施する面積と蓄熱ステップＳ２を実施する面積の面積比を１：５とすると、１４００ｋＷ／ｍ2の集光ビームの場合、蓄熱材として黒鉛（熱容量２０Ｊ／Ｋ／ｍｏｌ）を用いた１．４ＭＷの蓄熱容量の蓄熱手段（円柱、面積５ｍ2×高さ１６ｍ）に１２時間分蓄熱できる。
　太陽熱発電所が１００ＭＷ級である場合、集光ビーム照射ステップＳ１が実施される焦点領域は、１４００ｋＷ／ｍ2の平均フラックス強度の場合で、７１ｍ2となる。この場合、１２時間分を蓄熱できる蓄熱手段のサイズは直径１０．６ｍ、高さ１６ｍとなる。
　このように、反応性セラミックスとしてＮｉフェライトを使用し、蓄熱材として金属黒鉛を使用すると、簡易な構成でありながら約１０００～１３００Ｋの熱を外部設備に２４時間供給可能な太陽熱蓄熱方法は、非平衡フレンケル欠陥構造による集光ビームエネルギーの吸収を利用した反応性セラミックスを採用することにより具現できる。
［太陽熱蓄熱システム］
　以上に説明した各ステップを含んでなる太陽熱蓄熱方法を具現した太陽熱蓄熱システムの一実施形態について、図３を参照して以下に説明する。
　図３に示すように、本発明の一実施形態に係る太陽熱蓄熱システム１は、回転体２と、これを周方向に回転させる駆動手段（図示省略）と、断熱部材３と、蓄熱手段４と、ガス供給手段５と、を備えている。
（回転体）
　回転体２については、集光ビーム照射ステップＳ１でも既に説明しているとおり、円筒状を呈するのが好ましい。この回転体２の外周面には、前記した反応性セラミックスを用いた反応性セラミックス層２１が形成されている。反応性セラミックス層２１の厚みは特に限定されるものではないが、例えば、２ｍｍなどとすることができる。
　回転体２は、アルミナ繊維を用いて形成するのがより好ましい。アルミナ繊維は、熱収縮が少なく、強度に優れており、断熱性を有するため、高フラックスな集光ビームＣＢが照射されて反応性セラミックス層２１が加熱されてもその熱を逃がし難く（つまり、ロスし難く）、好適である。なお、集光ビームＣＢによって加熱された反応性セラミックス層２１は約１８００Ｋになる。回転体２は、例えば、長さ約１～５ｍ、直径φ約１ｍなどとすることができる。
（駆動手段）
　駆動手段（図示省略）としては、例えば、電気モータ、蒸気タービンなどを用いることができるが、これに限定されるものではなく、回転体２を周方向に回転させる駆動力を発揮できるものであればどのようなものでも用いることができる。
（断熱部材）
　断熱部材３は、集光ビームＣＢが照射されて加熱された反応性セラミックス層２１が後記する蓄熱手段４に伝熱するまでその温度を低下させないようにするため、また、後記する蓄熱手段４に伝熱した反応性セラミックス層２１の温度を低下させないようにするために設けられる。このため、断熱部材３は、回転体２の外周面を覆うようにして設けられている。
　また、この断熱部材３は、回転体２への集光ビームＣＢの照射を可能とする開口部３１が設けられている。つまり、集光ビームＣＢが照射される回転体２の上端部分が断熱部材３から露出している。
　断熱部材３としては、例えば、アルミウール、グラスウール、ロックウール、セラミッククロスなどを挙げることができる。
（蓄熱手段）
　蓄熱手段４は、断熱部材３の開口部３１から離間した位置で、回転体２に近接して設けられている。なお、集光ビームＣＢによって加熱された反応性セラミックス層２１は約１８００Ｋもの高温となっており、機械的強度が低下しているため、蓄熱手段４と接触させないようにするのが好ましい。回転体２からの伝熱により、蓄熱手段４には約１３００Ｋの熱が蓄熱される。
　蓄熱手段４は、蓄熱ステップＳ２で既に説明しているとおり、例えば、炭素材料および塩のうちの少なくとも一方で形成された蓄熱材を用いて形成するのが好ましい。これらの材料を用いると、高温になっても熱収縮や歪みなどが生じ難く、扱い易い。炭素材料としては前記したとおり、グラファイト（黒鉛）、カーボンコンポジットなどを挙げることができる。また、塩としては、例えば、ＮａＣｌや岩塩などを挙げることができる。なお、炭素材料を用いる場合は、燃焼を防ぐため酸素と接触しないようにするのが好ましい。これは、例えば、炭素材料を収容した密閉容器内を真空としたり、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスを充填したりすることで具現できる。
　なお、蓄熱手段４のうち、回転体２と近接して設けられ、当該回転体２からの熱を受け取る最上部４１は、特に熱伝導性が良く、耐酸化性にも優れた材料で形成するのが好ましい。そのような材料としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、カーボンセラミックスなどを挙げることができる。
（ガス供給手段）
　ガス供給手段５は、酸素を含むガスを回転体２に向けて供給する。このガス供給手段５は、回転する回転体２が開口部３１を通過した後、蓄熱手段４に至るまでの任意の位置に設けることができる。
　ガス供給手段５は、例えば、エアポンプ（図示省略）と、これに接続され、吹き出し口が反応性セラミックス層２１に向けて設けられたノズル（図示省略）とで構成することができる。ガス供給手段５によって供給される、酸素を含むガスについては既に説明しているので説明を省略する。
（熱取り出し手段）
　前記した蓄熱手段４は、熱媒体ＨＣを流通させて当該蓄熱手段４に蓄熱された熱を蓄熱手段４外に取り出す熱取り出し手段６を備えているのが好ましい。なお、蓄熱手段４外として具体的には、天然ガスやメタンガスを改質する設備、ガスタービン発電設備などの外部設備を挙げることができる。
　熱取り出し手段６としては、例えば、熱交換器を挙げることができる。具体的には、蓄熱手段４内を貫通する中空管内に熱媒体ＨＣを流通させると蓄熱手段４に蓄熱された熱を好適に外部設備に取り出すことができる。中空管の本数は任意に設定することができる。また、中空管は、必要に応じて複数回折り返し、熱媒体ＨＣが複数回蓄熱手段４内を通過できるようにするのも好ましい。このようにすると効率良く蓄熱手段４の熱を蓄熱手段４外に取り出すことができる。なお、熱媒体ＨＣとしては、空気や溶融塩などを用いることができる。溶融塩としては、炭酸塩（ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム）、炭酸塩混合物などを用いることができる。
　熱取り出し手段６は、例えば、蓄熱手段４の上部と下部、２つの領域に分けて、上部を主に昼間操業用、下部を主に夜間操業用として動作させるとよい。また、前記した中空管を用いた熱取り出し手段６（熱交換器）の場合、上部に設ける中空管の敷設距離は、下部に設ける中空管の敷設距離よりも短くなるようにするとよい。なお、上部の中空管内の熱媒体ＨＣの流通速度および下部の中空管内の熱媒体ＨＣの流通速度はそれぞれ任意に設定することができる。また、熱媒体ＨＣの流通速度を制御することによって反応性セラミックス層２１と蓄熱手段４の熱平衡の制御を行うことができる。例えば、熱媒体ＨＣの流通速度を遅くすれば蓄熱手段４の温度を高くすることができ、熱媒体ＨＣの流通速度を速くすれば蓄熱手段４の温度を低くすることができる。
　昼間は回転体２からの伝熱量が極めて多く、温度も高い。従って、中空管の敷設距離が短い上部の熱取り出し手段６ｕでも十分な熱を外部設備に供給することができる。昼間は回転体２からの伝熱量が極めて多く、温度も高いので、上部の熱取り出し手段６ｕによってもその熱を外部設備に供給しきれるものではなく、余剰分は蓄熱手段４の下部に伝熱される。従って、蓄熱手段４の下部にも約１３００Ｋの熱が蓄熱される。つまり、上部の熱取り出し手段６ｕによれば、熱の利用と蓄熱を同時に行うことができる。そのため、夜間は、下部の熱取り出し手段６ｂを動作させて蓄熱手段４の下部に蓄熱された熱を外部設備に供給することができる。
　熱取り出し手段６は、前記したように上部と下部の２つに分けず、１つとしてもよいし、３つ以上に分けてもよい。これは任意に設定し得る。
　このような構成の蓄熱手段４と熱取り出し手段６によれば、例えば、約６７３Ｋの溶融塩を当該熱取り出し手段６に導入すると、蓄熱手段４を経て約１０００～１３００Ｋ、例えば約１０７３Ｋに加熱（熱交換）される。よって、外部設備に約１０００～１３００Ｋの熱を供給することができる。
　以下、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
　図３に示す構成の太陽熱蓄熱装置１（蓄熱手段４の直径φ１．０ｍ、高さ１０．０ｍ）を用いた場合の蓄熱について、ＣＯＭＳＯＬ　Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ　３．５ａを用いて２Ｄモデルで検討を行った。Ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ　ｅｑｕａｔｉｏｎは式（１）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ρは密度、Ｃpは比熱、Ｔは温度、ｔは時間、ｋは熱伝導率、Ｑoutは移動熱量を表す。黒鉛を用いた蓄熱手段４の最上部４１の境界条件は下記式（２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｑinは反応性セラミックスの太陽熱放出室（回転体２と、蓄熱手段４の最上部４１との間をいう。以下同じ。）における酸化熱、ｈconvは同表面の吸収効率、ωは太陽熱放出室内の対流熱伝達率、σはＳｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ因子、Ｔambは回転体２の反応性セラミックスの太陽熱放出室内での平均温度を表す。
　その他の境界条件は、周囲が断熱であること、黒鉛を用いた蓄熱手段４の最下部の温度は６００℃である。また、計算に用いたモデルのパラメータは表１に示したとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　また、併せて表２に物理定数を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　図４に、日中モードで８時間運転（Ｑin＝１３００ｋＷ／ｍ2、ｋgraphite＝２０００Ｗ／ｍ／Ｋ、α；グラファイト熱伝導率＝１０００Ｗ／ｍ3／Ｋ、入口温度＝６７３Ｋ、出口温度＝１０７３Ｋ）した時の結果を示す。
　図４中において、曲線Ａは、吸収太陽熱量（累積）（ＭＪ）（太陽熱放出室における熱量）を示す。曲線Ｂは、黒鉛を用いた蓄熱手段４の累積蓄熱量（ＭＪ）を示す。曲線Ｃは、４００～８００℃（６７３～１０７３Ｋ）で動作する熱媒体ＨＣによる流出熱量（ｋＪ／ｈ）を示す。曲線Ｄは、黒鉛を用いた蓄熱手段４の最上部４１の温度（Ｋ）を示す。
　曲線Ｃから分かるように、熱媒体ＨＣによって取り出される熱量は１８００～２０００ＭＪ／ｈ（３～５時間）、２５００ＭＪ／ｈ（６～８時間）である。また、曲線Ｂと曲線Ｃに見られるように、１～２時間で蓄熱される熱量はかなり飽和に近くになり、３時間運転で取り出せる熱量も１７００ＭＪ／ｈに到達する。
　スタートアップ時の１～２時間を１７００～２５００ＭＪ／ｈ（０．４７～０．６９ＭＷ）で定常運転する場合、天然ガス等でバックアップするのが好適である。８時間日中運転後には１０３２０ＭＪが蓄熱されている。また、黒鉛を用いた蓄熱手段４の最上部４１の温度は１５００～１５５０℃（曲線Ｄ）となっている。
　図５は、黒鉛を用いた蓄熱手段４の高さに対する蓄熱手段４内温度分布（Ｋ）と、蓄熱量分布（ＭＪ／ｍ）と、を日中運転モードの各運転時間で示したものである。蓄熱手段４内で蓄熱に使用される高さ幅は６～８ｍで、蓄熱手段４全体の高さは１０ｍである。日中運転時間１～３時間では、６～８ｍの高さ幅で温度が約２００℃上昇する。
　また、９～１０ｍの高さ幅では温度が１００℃上昇する。６時間運転以降は、蓄熱手段４内の温度分布と蓄熱量分布もほぼ一定となり、日中運転モードでの蓄熱量がほぼ飽和に達する。
　８時間運転後では、平均蓄熱量は８４６４ＭＪとなり、温度も１０００℃（約１３００Ｋ）となる。日没後は、蓄熱手段４内の温度勾配が徐々に緩和され、蓄熱手段４最上部４１の温度も１０００℃付近となっている。これは、夜間運転においても、熱媒体ＨＣの出口温度は８００℃（約１０７３Ｋ）付近に維持できることを示唆している。今回の計算結果は、熱媒体ＨＣの入口温度を４００℃（約６７３Ｋ）としたが、この場合には、８４６４ＭＪに相当する熱量を回収できる結果となった。この熱量の約７０％に相当する６０００ＭＪが取り出せると仮定すると、単位時間当たりの熱流量は１７００ＭＪ／ｈ（０．４７ＭＷ）で、４時間運転が可能となる。この熱量を増大するには、下記のように蓄熱面積を増やすことによっても可能である。また、高温での２４時間運転も可能である。
　以上に説明したシミュレーション結果から以下のように評価できる。
　実用化可能で運転可能な温度と蓄熱手段４のサイズに対して評価を行ったシミュレーション結果から、４時間分の熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システムとして１ＭＷを実現するには、蓄熱手段４のサイズを６ｍ3（直径φ１ｍ、高さ８ｍ）とする計算結果が得られた。
　これに基づき、集光太陽熱プラントとして２４時間蓄熱型のタワートップ集光システム（ＧＥＭＡ　Ｓｏｌａｒ）が商用運転されていることに着目し、そのプラント規模として集光熱量１００ＭＷ（蓄熱量６０ＭＷ）、蓄熱時間１２時間として試算を行った。黒鉛を用いた蓄熱手段４の場合、直径φ１３．５ｍ、高さ８ｍ、容積１１００ｍ3と試算された。このサイズは実機の蓄熱タンクの規模として妥当なものと推察される。
　また、ビームダウン方式の太陽光集光システムにおいて１００ＭＷ級のものは、地上の集光ビームＣＢの直径は１０～１５ｍとなる。この大きさは、蓄熱タンク（蓄熱手段４）の高さを考慮して、地面からの焦点位置がその分高くなるとすると、直径はさらに小さくなる。これらを考慮すると、１００ＭＷ級のビームダウン型太陽光集光システムを対象とした場合、反応性セラミックス層２１を形成した回転体２に集光ビームＣＢを直接照射して蓄熱手段４に蓄熱する本発明に係る太陽熱蓄熱システム１において、黒鉛を用いた蓄熱手段４の直径を１３．５ｍとするのは、かなり妥当なサイズであると推察される。
　前述のシミュレーション結果においては、黒鉛の熱伝導率を２０００Ｗ／ｍ／Ｋとした。これは１０００～１００Ｗ／ｍ／Ｋを適用すべきかもしれないが、カーボンコンポジットやナノチューブによっては、今回のような数値が適用できるものも存在する。実際に最近では５００Ｗ／ｍ／Ｋのコンポジットが工業的に入手可能である。また、このような高い伝導率を有する材料をそのまま利用しなくても、熱交換システムの構造や機構を変えることによって、蓄熱手段４上部の入熱を強制的に蓄熱手段４中層部へ移動させることが可能である。これらとの組み合わせで、ベストな熱伝導率材料を選択すればよい。また、このような応用展開を様々に検討すれば、蓄熱手段４の容量そのものをさらに小さくすることも可能と考えられる。その分、蓄熱容量が増大し、コスト低下にもつながる。
　ビームダウン方式の太陽光集光システムは集光ビームＣＢが地上近くに再現できるので、重量のある大型の蓄熱設備を地上において、それを直接加熱できるという優れた特長を有する。
　以上に説明したように、本発明に係る太陽熱蓄熱方法および太陽熱蓄熱装置１は、ビームダウン方式の太陽光集光システムと反応性セラミックス層２１を形成した回転体２とを組み合わせるという独自の構成によって、高温で高効率な２４時間運転可能な太陽熱利用技術が提供可能である。
　Ｓ１　　集光ビーム照射ステップ
　Ｓ２　　蓄熱ステップ
　１　　　太陽熱蓄熱システム
　２　　　回転体
　２１　　反応性セラミックス層
　３　　　断熱部材
　３１　　開口部
　４　　　蓄熱手段
　４１　　最上部
　５　　　ガス供給手段
　６　　　熱取り出し手段
　６ｕ　　上部の熱取り出し手段
　６ｂ　　下部の熱取り出し手段
　ＣＢ　　集光ビーム

Claims (9)

  1. 　太陽光エネルギーを用いて熱を蓄熱する太陽熱蓄熱方法であって、
    　加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となり、酸素と接触すると酸化型に戻る反応性セラミックスを用いて形成された反応性セラミックス層を移動させつつ、当該反応性セラミックス層に太陽光を集光した集光ビームを照射して加熱する集光ビーム照射ステップと、
    　前記集光ビーム照射ステップで加熱された前記反応性セラミックス層と酸素を含むガスとを接触させつつ、前記反応性セラミックス層から発せられる熱を蓄熱手段に蓄熱させる蓄熱ステップと、
    　を含むことを特徴とする太陽熱蓄熱方法。
  2. 　請求の範囲第１項に記載の太陽熱蓄熱方法であって、
    　前記蓄熱ステップ後、熱媒体を流通させて前記蓄熱手段に蓄熱された熱を前記蓄熱手段外に取り出す熱取り出しステップを含むことを特徴とする太陽熱蓄熱方法。
  3. 　太陽光エネルギーを用いて熱を蓄熱する太陽熱蓄熱システムであって、
    　加熱されると酸素を放出して酸化型から還元型となり、酸素と接触すると酸化型に戻る反応性セラミックスを用いてなる反応性セラミックス層を表面に形成した回転体およびこれを周方向に回転させる駆動手段と、
    　前記回転体の外周面を覆うようにして設けられ、太陽光を集光させた集光ビームの前記回転体への照射を可能とする開口部を有する断熱部材と、
    　前記開口部から離間した位置で、前記回転体に近接して設けられた蓄熱手段と、
    　回転する前記回転体が前記開口部を通過した後、前記蓄熱手段に至るまでの任意の位置に設けられた、酸素を含むガスを前記回転体に向けて供給するガス供給手段と、
    　を備えることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  4. 　請求の範囲第３項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記反応性セラミックス層が、ニッケルフェライトで形成されていることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  5. 　請求の範囲第３項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記蓄熱手段が、熱媒体を流通させて当該蓄熱手段に蓄熱された熱を前記蓄熱手段外に取り出す熱取り出し手段を備えていることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  6. 　請求の範囲第４項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記蓄熱手段が、熱媒体を流通させて当該蓄熱手段に蓄熱された熱を前記蓄熱手段外に取り出す熱取り出し手段を備えていることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  7. 　請求の範囲第３項から請求の範囲第６項のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記回転体が、アルミナ繊維を用いた円筒体であることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  8. 　請求の範囲第３項から請求の範囲第６項のいずれか１項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記蓄熱手段が、炭素材料および塩のうちの少なくとも一方で形成した蓄熱材を用いていることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
  9. 　請求の範囲第７項に記載の太陽熱蓄熱システムであって、
    　前記蓄熱手段が、炭素材料および塩のうちの少なくとも一方で形成した蓄熱材を用いていることを特徴とする太陽熱蓄熱システム。
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