(57)【要約】【課題】  可視域から近赤外域の波長の吸収率が低い反応物であっても効率よく加熱できるようにする。【解決手段】  反応物１２を収容する炉本体１０を、集光装置１３で集光した太陽光７が頂部に照射されるよう設ける。炉本体１０の頂部に太陽光７を高効率で熱エネルギーに変換可能な受光部１１を設けて太陽炉装置９を構成する。集光装置１３で集光した太陽光７を受光部１１で受光して熱エネルギーに変換した後、受光部１１より炉本体１０内の反応物１２に向けて熱輻射させることで、反応物１２に、太陽光７のエネルギーが集中する可視域や近赤外域よりも長波長側にシフトした赤外域にエネルギーが集中する熱輻射の電磁波を作用させて、反応物１２の加熱を行わせる。【選択図】図１
2010144956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物を高温処理するための炉本体の所要個所に、集光装置で集光された太陽光を受光して熱エネルギーに変換するための受光部を設けてなり、集光装置で集光された太陽光より上記受光部で変換された熱エネルギーを、該受光部より熱輻射として上記炉本体内へ放射できるようにした構成を有することを特徴とする太陽炉装置。
【請求項２】
受光部を、集光装置で集光した太陽光が入射する小孔を備えるキャビティ形状とした請求項１記載の太陽炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光を集光することで非常に高い温度を発生させ、その熱で炉本体内に収納した所要の反応物の化学反応を進行させるために用いる太陽炉装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境に負荷を与えることのないクリーンなエネルギーとして太陽エネルギーがあり、該太陽エネルギーの利用形態の１つとして、太陽光を集光し、この集光された太陽光を熱エネルギーに変換することで非常に高い温度を作り出し、その熱を利用して高温の反応環境が必要とされる所定の反応物の化学反応を進行させるようにする太陽熱利用型の反応装置である太陽炉装置が知られている。
【０００３】
図６及び図７は上記太陽炉装置の一種である太陽光利用還元反応器１を示すもので、該太陽光利用還元反応器１は、上端側に透過窓３を気密に設けた太陽熱化学反応炉２を具備してなり、更に、集光装置としてヘリオスタット４と、タワー（図示せず）の頂部に設けた反射ミラー５と、ＣＰＣ６とを付設してなる構成として、太陽光７を、上記ヘリオスタット４と反射ミラー５とＣＰＣ６で順次集光し、この集光された太陽光７を、上記透過窓３を通して上記太陽熱化学反応炉２の内部へ入射させることができるようにしてある。
【０００４】
上記構成としてある太陽光利用還元反応器１によれば、上記太陽熱化学反応炉２に反応物としての石炭とマグネタイトの混合粒子８を供給すると、上記透過窓３を透過した集光状態の太陽光７が炉内の混合粒子８に対して直接照射されるようになることから、該混合粒子８で上記集光状態の太陽光７の吸収を行わせて熱エネルギーへの変換を行わせ、これにより、炉内温度を１２００℃以上の高温に加熱して、石炭の還元反応を起こさせることができるようにしてある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２７９９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記図６及び図７に示した太陽光利用還元反応器１は、太陽熱化学反応炉２内に供給される石炭とマグネタイトの混合粒子８のような反応物に対して集光装置４，５，６で集光された太陽光７を直接照射させるようにすることで、高温の炉内温度環境を得ることができて上記反応物の反応を進行させるのに有効であるが、反応物として、たとえば、酸化亜鉛のように、可視域から近赤外域の波長の電磁波の吸収率が比較的低い吸収波長選択性を有する反応物を用いる場合は、太陽光の利用効率が低下してしまい、１０００℃以上となるような高温の炉内温度環境を効率よく得ることが難しいというのが実状である。
【０００７】
すなわち、上記太陽光利用還元反応器１は、集光した太陽光７を、太陽熱化学反応炉２に設けた透過窓３を通して炉内の反応物に直接照射するようにしてあるが、太陽光７のエネルギーは可視域から近赤外域の波長に集中しているため、反応物の吸収波長選択性が可視域から近赤外域の波長で電磁波の吸収率が低くなっていると、該反応物に太陽光７が直接照射されるようにしても、上記太陽光７のエネルギーが集中している可視域から近赤外域の波長の電磁波が吸収されずに反射されてしまうため、太陽光７の熱エネルギーへの変換にロスが伴われてしまう。そのために、炉内温度が上がり難いというのが実状である。
【０００８】
又、上記太陽光利用還元反応器１では、太陽熱化学反応炉２の炉内で蒸散、あるいは、飛散した反応物や反応生成物が上記透過窓３に付着すると、該透過窓３を通して太陽熱化学反応炉２内へ入射される太陽光７の光量が減ってしまうため、定期的に上記太陽光利用還元反応器１の運転を停止させて上記透過窓３のメンテナンスを行う必要が生じるというのが実状である。
【０００９】
そこで、本発明は、可視域から近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物を用いる場合であっても太陽光の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができ、しかも長時間に亘り連続運転することが可能な太陽炉装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、反応物を高温処理するための炉本体の所要個所に、集光装置で集光された太陽光を受光して熱エネルギーに変換するための受光部を設けてなり、集光装置で集光された太陽光より上記受光部で変換された熱エネルギーを、該受光部より熱輻射として上記炉本体内へ放射できるようにした構成とする。
【００１１】
又、上記構成において、受光部を、集光装置で集光した太陽光が入射する小孔を備えるキャビティ形状とした構成とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の太陽炉装置によれば、以下のような優れた効果を発揮する。  
（１）反応物を高温処理するための炉本体の所要個所に、集光装置で集光された太陽光を受光して熱エネルギーに変換するための受光部を設けてなり、集光装置で集光された太陽光より上記受光部で変換された熱エネルギーを、該受光部より熱輻射として上記炉本体内へ放射できるようにした構成としてあるので、太陽光のエネルギーが集中する可視域から近赤外域にかけての電磁波の保有するエネルギーを上記受光部で効率よく熱エネルギーに変換した後、該受光部より熱輻射として炉本体内へ放射することで、該熱輻射のエネルギーが集中する電磁波の波長域を、上記太陽光のエネルギーが集中する可視域から近赤外域の波長よりも長波長側の赤外域へシフトさせることができる。よって、反応物が、可視域から近赤外域の波長の電磁波に対して吸収率が低い吸収波長選択性を有している場合であっても、該反応物に上記受光部より熱輻射として放射される赤外域の波長の電磁波を吸収させて効率よく加熱することができる。  
（２）したがって、太陽光の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、上記反応物を、上記太陽光に由来する熱エネルギーで効率よく加熱して、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができることから、熱損失を抑えることが可能となる。  
（３）更に、上記炉本体には、太陽光を透過させる透過窓が不要なため、定期的に炉の運転を停止して行う透過窓のメンテナンスが必要ない。よって、長時間の連続運転を実現することが可能になる。  
（４）受光部を、集光装置で集光した太陽光が入射する小孔を備えるキャビティ形状とした構成とすることにより、受光部にて太陽光を熱エネルギーに変換した後に、キャビティ形状としてある該受光部の内側へ熱輻射が行われても、そのエネルギーを受光部自体で再吸収することができる。このため、上記受光部で太陽光より変換した熱エネルギーの大部分を炉本体内へ熱輻射として放射させることができることから、熱変換効率をより高めることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１乃至図４は本発明の太陽炉装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。
【００１５】
すなわち、反応物１２を収容するための炉本体１０を、該炉本体１０の所要個所、たとえば、該炉本体１０の頂部に所要の集光装置１３で集光した太陽光７を受光できるように設ける。更に、上記炉本体１０における上記太陽光７の受光個所である頂部に、受光する太陽光７を高効率で熱エネルギーに変換することができる材質製の受光部１１を設けて、本発明の太陽炉装置９を構成する。
【００１６】
詳述すると、上記炉本体１０は、たとえば、上下方向に所要寸法延びる円筒容器状としてある。更に、側壁部における周方向１８０度対向する個所に、ガス供給管１４と、ガス排出管１５をそれぞれ接続した構成としてある。
【００１７】
なお、上記炉本体１０は、熱伝導率の低い材質を用いるか、又は、受光部１１を除いた個所の外側に図示しない断熱材を設ける等して炉内と外部の断熱を図ることで、炉内の熱が外部へ逃げることを抑制できるようにしてあるものとする。更に、上記炉本体１０の所要個所には、図示しない開閉機構付きの開口部を設けて固体の反応物１２や固体の反応生成物を出し入れすることができるようにしてあるものとする。
【００１８】
上記受光部１１は、たとえば、上下方向に所要寸法延びる円筒状の側壁部１１ａの上端側に中央部に小孔１１ｃを穿設した天井部１１ｂを備え、且つ、上記側壁部１１ａの下端側を底部１１ｄで気密に閉塞させたキャビティ形状としてある。
【００１９】
上記キャビティ形状とした受光部１１は、上記炉本体１０の天井部分の中央に設けた開口１０ａに、側壁部１１ａの上端部外周面を気密に取り付けることで、該側壁部１１ａの上端部を除く部分と、底部１１ｄが炉本体１０の内側へ露出されるようにしてある。
【００２０】
更に、上記所要の集光装置１３は、太陽光７を集光できるようにしてあれば、１段で集光を行うもの、多段階の集光を行うもの等、いかなる形式の集光装置を用いてもよいが、最終的に集光ミラーや集光レンズ等を用いることで、集光した太陽光７を上記太陽炉装置９の受光部１１の天井部１１ｂに設けた小孔１１ｃの内側で一旦集束させることができるようにしてあるものとする。なお、図１では、集光装置１３の一例としてフレネルレンズが示してある。これにより、上記集光装置１３で集光した太陽光７を、上記太陽炉装置９のキャビティ形状としてある受光部１１の天井部１１ｂに設けた小孔１１ｃを通して該受光部１１の内側へ照射させることができるようにしてある。
【００２１】
以上の構成としてある本発明の太陽炉装置９を、たとえば、金属酸化物の還元処理に用いる場合は、炉本体１０の内側に反応物１２として、金属酸化物（ＭｍＯｎ）と炭素（Ｃ）の混合物を入れる。又、上記ガス供給管１４よりアルゴン等の不活性ガスをキャリアガス１６として供給するようにする。
【００２２】
この状態で、太陽光７が上記集光装置１３で集光されて、上記受光部１１の天井部１１ｂに設けた小孔１１ｃを通して該受光部１１の内側に照射されるようになると、この太陽光７を受光した受光部１１で太陽光７の熱エネルギーへの変換が高効率で行われる。これにより、太陽光７のエネルギーが集中している可視域から近赤外域の波長の電磁波も効率よく熱エネルギーに変換される。
【００２３】
上記のようにして受光部１１にて太陽光７の熱エネルギーへの変換が行われると、該受光部１１が発熱して、該受光部１１より熱輻射が生じるようになる。
【００２４】
この際、上記受光部１１は天井部１１ｂの小孔１１ｃのみで外部と連通するキャビティ形状としてあると共に、その内側で太陽光７を受光するようにしてあるため、太陽光７を受光して発熱した部分から該受光部１１の内側へ熱輻射が行われても、そのエネルギーの大部分は受光部１１で再吸収されるようになる。したがって、上記受光部１１では、上記太陽光７を変換して得られた熱エネルギーの大部分が、側壁部と１１ａと底部１１ｄより熱輻射として炉本体１０の内側へ放射されるようになる。
【００２５】
ここで、太陽光７と、上記受光部１１からの熱輻射に着目すると、地表に到達する太陽光７の日射量のスペクトル分布は、図２に示すように、主として可視域や近赤外域の波長に集中しているのに対し、上記受光部１１が１０００Ｋ〜１４００Ｋの温度域となる場合の熱輻射で生じる電磁波のスペクトル分布は、図３に示すように、エネルギーが集中する領域がより長波長側にシフトするようになる。なお、図３より明らかなように、上記１０００Ｋ〜１４００Ｋの温度域では、熱輻射のエネルギーの集中する領域が、図２に示す太陽光７のスペクトル分布のエネルギーが集中する領域とは大きく異なるため、特別な放射特性を有する材質である必要はない。
【００２６】
したがって、上記炉本体１０の内部の反応物１２に対しては、受光部１１より太陽光７よりも長波長側の赤外域にエネルギーが集中する熱輻射が行われるようになる。このために、上記反応物１２が、図４に反射スペクトルを示す酸化亜鉛のように、上記可視域や近赤外域の波長の電磁波の反射率が高い、すなわち、太陽光７のエネルギーが集中する可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物１２であっても、上記受光部１１より熱放射される太陽光７よりも長波長側にシフトした赤外域の波長の電磁波の吸収による熱エネルギーへの変換が行われて、該反応物１２が発熱するため、炉内温度環境が千度から千数百度まで加熱されるようになる。
【００２７】
上記のようにして炉本体１０の内部で高温の炉内温度条件が得られると、上記反応物１２中の金属酸化物（ＭｍＯｎ）の炭素（Ｃ）による還元反応が進行して、反応生成物として単体の金属（ｍＭ）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成されるようになる。上記単体の金属（ｍＭ）は、炉本体１０内に残る一方、上記一酸化炭素（ＣＯ）は、上記ガス供給管１４より炉本体１０内に供給されるキャリアガスの流れに同伴されてガス排出管１５より炉外へ排出されるようになる。
【００２８】
このように、本発明の太陽炉装置９によれば、集光装置１３で集光した太陽光７を、炉本体１０の受光部１１で受光して熱エネルギーに変換した後、該受光部１１より炉本体１０内の反応物１２に向けて熱輻射させることで、該反応物１２に対しては、太陽光７よりも長波長側にシフトした赤外域にエネルギーが集中する電磁波を作用させて、該電磁波を吸収する反応物１２自体で熱エネルギーへの変換を行わせることで、該反応物１２を高温に加熱することができる。
【００２９】
よって、可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有する反応物１２であっても、太陽光７の熱エネルギーへの変換ロスを抑制できて、該反応物１２を、上記太陽光７のエネルギーに由来する熱エネルギーで効率よく加熱することができ、高温の炉内温度環境を効率よく得ることができることから、熱損失を抑えることが可能となる。
【００３０】
更に、上記炉本体１０には、太陽光７を透過させる透過窓が不要なため、従来要していた如き炉の運転を停止して行う定期的な透過窓のメンテナンスが必要ないため、本発明の太陽炉装置９によれば、長時間の連続運転をすることが可能になる。
【００３１】
上記実施の形態においては、太陽炉装置９の炉本体１０に設ける受光部１１を、キャビティ形状として、その内部で太陽光７を受光するものとして示したが、炉本体１０のサイズや、太陽光７の集光に用いる図示しない集光装置の集光能力に応じて、たとえば、図５に示すように、炉本体１０の上記図示しない集光装置を経て集光された太陽光７が照射される部分に、上記キャビティ形状の受光部１１に代えて、平板状の受光部１１Ａを設けるようにしてもよい。
【００３２】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、太陽光７のエネルギーが集中する可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が低い吸収波長選択性を有している反応物１２であれば、酸化亜鉛以外の反応物１２を高温で処理するための炉として適用してもよい。更には、可視域や近赤外域の波長の電磁波の吸収率が高い吸収波長選択性を有している反応物１２であっても、高温の炉内温度環境で長時間に亘る連続処理が必要な場合の炉として適用してもよい。
【００３３】
炉本体１０に設ける受光部１１の位置や形状は、炉本体１０の形状や、集光装置１３より太陽光７が照射される方向に応じて適宜変更してもよい。
【００３４】
炉本体１０は、反応物１２の供給機構と反応生成物の取出機構を備えて、反応物１２の炉内への供給と反応生成物を炉外への取り出しを連続的に行うことができるようにした形式のものをとしてもよい。
【００３５】
その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の太陽炉装置の実施の一形態を示す概略切断側面図である。
【図２】太陽光のスペクトル分布を示す図である。
【図３】図１の装置の受光部からの熱放射のスペクトル分布を示す図である。
【図４】酸化亜鉛の反射スペクトルを示す図である。
【図５】本発明の実施の他の形態を示す概略切断側面図である。
【図６】従来提案されている太陽光利用還元反応器とそれに付設された集光装置の概要を示す図である。
【図７】図６の太陽光利用還元反応器の部分を示す概要図である。
【符号の説明】
【００３７】
７  太陽光
９  太陽炉装置
１０  炉本体
１１，１１Ａ  受光部
１１ｃ  小孔
１２  反応物
１３  集光装置
【図１】
2010144956.tif 000003
【図２】
2010144956.tif 000004
【図３】
2010144956.tif 000005
【図４】
2010144956.tif 000006
【図５】
2010144956.tif 000007
【図６】
2010144956.tif 000008
【図７】
2010144956.tif 000009