(57)【要約】【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。
2012063838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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）。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００６／０２５４４９号パンフレット
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】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)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】反応と伝熱の概要を説明する説明図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
（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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
［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。
【００４７】
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。
【００４８】
（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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
（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。
【００５８】
（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の効果を確認した実施例について説明する。【００６５】
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。【００６６】
【数１】
2012063838.tif 000003
【００６７】
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。【００６８】
【数２】
2012063838.tif 000004
【００６９】
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。【００７０】
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。【００７１】
【表１】
2012063838.tif 000005
【００７２】
また、併せて表２に物理定数を示す。【００７３】
【表２】
2012063838.tif 000006
【００７４】
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。【００７５】
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。【００７６】
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。【００７７】
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。【００７８】
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。【００７９】
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。【００８０】
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。【００８１】
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。【００８２】
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。
【符号の説明】
【００８３】
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
【図１】
2012063838.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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