(57)【要約】  粒子の内循環流動及び外循環流動を効率よく実現可能な太陽集熱式流動層を提供する。  太陽光集熱装置１は、流動層３と照射部４と気体導入部５とが設けられた集熱容器２を備える。流動層３は、第１・第２開口部３１，３２と、第１仕切板３３と、第１・第２流動空間３４，３５と、粒子Ｐとを備える。集熱容器２は、粒子Ｐを導入・排出する粒子導入口６及び粒子排出口７と、流動層３に接続された第１・第２ループシール部８，９との少なくとも一方を更に備える。第１ループシール部８は、粒子導入口６と流動層３の第１流動空間３４とを接続して、第１流動空間３４へ粒子Ｐを供給する。第２ループシール部９は、流動層３の第２流動空間３５と粒子排出口９とを接続して、第２流動空間３５内の粒子Ｐを粒子排出口９へ供給する。
2018212046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動層と照射部と気体導入部とが設けられた集熱容器を備えた太陽光集熱装置であって、
前記流動層は、前記集熱容器内に設けられた第１・第２開口部と、第１・第２開口部との間に設けられた第１仕切板と、第１仕切板によって仕切られつつ第１・第２開口部に接続された第１・第２流動空間と、第１・第２流動空間内の粒子と、を備え、
前記照射部は、前記集熱容器に設けられた窓を備え、かつ、該窓を通して、集光された太陽光を案内して前記粒子へ照射し、
前記気体導入部は、前記流動層に設けられた第１分散板と、第１分散板を通して気体を第１・第２流動空間に向け導入する第１・第２導入口とを備え、かつ、第１導入口から第１流動空間に導入する気体の線速度を、第２導入口から第２流動空間に導入する気体の線速度より異ならせることで、第１流動空間と第２流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させ、
前記集熱容器は、前記粒子を導入・排出する粒子導入口及び粒子排出口と、前記流動層に接続された第１・第２ループシール部の少なくとも一方を更に備え、
第１ループシール部は、前記粒子導入口と第１流動空間とを接続して、第１流動空間へ前記粒子を供給し、
第２ループシール部は、第２流動空間と前記粒子排出口とを接続して、第２流動空間内の前記粒子を前記粒子排出口へ供給することを特徴とする太陽光集熱装置。
【請求項２】
前記集熱容器には、第１・第２ループシール部の双方が設けられ、
第１ループシール部は前記流動層の一方の側に設けられ、かつ、
第２ループシール部は前記流動層の他方の側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光集熱装置。
【請求項３】
前記照射部の前記窓は前記集熱容器の上部に設けられ、かつ、前記気体導入部の第１分散板は前記流動層の下部に設けられることを特徴とする請求項２に記載の太陽光集熱装置。
【請求項４】
第１ループシール部は、下部開口部と、該下部開口部より上方に延びた第２仕切板と、第２仕切板によって仕切られつつ前記下部開口部で互いに接続された第３・第４流動空間と、第４流動空間と前記流動層の第１流動空間とを区分する第１壁と、第４流動空間の上部に設けられ、第１流動空間に接続するシール出口と、を更に備え、
前記粒子導入口が第３流動空間の上部に接続されることで、新たな粒子が前記集熱容器の外部から第１ループシール部へ導入され、第３・第４流動空間及び前記シール出口を通して、前記流動層の第１流動空間へ案内されることを特徴とする請求項３に記載の太陽光集熱装置。
【請求項５】
第２ループシール部は、上部開口部と、該上部開口部より下方に延びた第３仕切板と、第３仕切板によって仕切られつつ前記上部開口部で互いに接続された第５・第６流動空間と、第５流動空間と前記流動層の第２流動空間とを区分する第２壁と、を更に備え、第５流動空間の下部に設けられ、第２流動空間に接続するシール入口と、を更に備え、
前記粒子排出口が第６流動空間の下部に接続されることで、前記流動層において内循環された前記粒子が前記シール入口から第２ループシール部内へ導入され、第５・第６流動空間を介して前記粒子排出口から前記集熱容器外部へ排出されることを特徴とする請求項３又は４に記載の太陽光集熱装置。
【請求項６】
前記気体導入部は、
第１ループシール部の下部に設けられた第２分散板と、
第２分散板を通して気体を第３・第４流動空間に向け導入する第３・第４導入口と、
を更に備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の太陽光集熱装置。
【請求項７】
前記気体導入部は、
第２ループシール部の下部に設けられた第３分散板と、
第３分散板を通して気体を第５流動空間に向け導入する第５導入口と、
を更に備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の太陽光集熱装置。
【請求項８】
前記太陽光集熱装置には、第１・第２搬送路と、蓄熱容器と、が更に設けられ、かつ、
第１搬送路は、前記粒子排出口と前記蓄熱容器とを連通して前記粒子を前記集熱容器から前記蓄熱容器へ搬送可能であり、
第２搬送路は、前記蓄熱容器と前記粒子導入口とを連通して前記粒子を前記蓄熱容器から前記集熱容器へ搬送可能であることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
【請求項９】
前記粒子として、石英砂、鉄酸化物、及び、炭化珪素の群のうち少なくとも１種類が選択されることを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
【請求項１０】
前記粒子として、金属酸化物粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として前記粒子を還元可能なガスが選択され、
前記集熱容器を水熱分解法の熱還元反応器として利用することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
【請求項１１】
前記粒子として、石炭コークス粒子及び流動媒体粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として水蒸気が選択され
前記集熱容器を、石炭コークス粒子をガス化させるための反応器として利用することを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
【請求項１２】
請求項２〜１１のいずれかに記載の太陽光集熱装置を用いた太陽光集熱方法であって、
前記流動層及び第１・第２ループシール部に前記粒子を予め充填し、
前記気体導入部から第１分散板を介して、第１・第２流動空間に気体を導入し、
第１グループシール部に接続された前記粒子導入口から前記粒子を新たに導入し、
第２グループシール部に接続された前記粒子排出口から前記粒子を排出し、
第１・第２流動空間へ導入される気体の線速度を異なるように設定して、第１流動空間と第２流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させることを特徴とする太陽光集熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つのループシールで挟まれた二塔式流動層に関し、より具体的には、太陽蓄熱、太陽熱燃料化、バイオマスガス化などの各種化学反応に利用可能な流動層を備えた太陽光集熱装置及びこれを用いた太陽光集熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、集光型太陽集熱を利用したエネルギー貯蔵技術に関する研究が活発化している。この手法は、熱機関が不要でカルノー効率の制約を受けないため、安価でしかも高効率な自然エネルギー貯蔵に応用可能な新技術として注目を集めている。【０００３】
本発明者らは、これまでに、内部で内循環を発生可能な流動層を備えた水熱分解装置や太陽蓄熱装置を提案している（特許文献１，２を参照）。【０００４】
特許文献１では、図７に示すように、水熱分解装置１００内に二塔式流動層１０３を設け、各塔１０１，１０２間で金属酸化物粒子Ｐを内循環させることで、一方の塔１０１を熱還元反応器として、他方の塔１０２を水熱分解（酸化）反応器として使用するものである。【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術は、上記２つの反応（還元と酸化）の全てを一つの二塔式流動層１０３内で発生させるシステムであり、２つの反応を完全に分離できないため、各反応における更なる高効率化を目指すことが困難であった。【０００６】
また、特許文献１に開示の流動層１０３を太陽蓄熱装置の集熱容器として使用する場合、集光された太陽光Ｓを装置１００上部の窓１０４から照射することで、流動層１０３内の粒子Ｐを直接加熱し、顕熱を層状となった粒子Ｐに行き渡らせることができるが、加熱された粒子Ｐを取り出して図示しない別の容器に蓄えるため、太陽蓄熱プロセスがバッチ式となり、蓄熱の効率が下がる原因となっていた。【０００７】
また、本発明者らは、特許文献２において、特許文献１とは異なる構造の流動層を備えた太陽蓄熱装置を開示しており、特に、大規模な集熱・蓄熱を行うために特許文献２の実施例３（及びこれに対応する図面４も参照）では、集熱容器と蓄熱容器とを分離し、これらの容器間で蓄熱粒子を循環させる技術を開示している。【０００８】
しかしながら、特許文献２の実施例３に係る装置では、集熱容器内において、流動層による粒子の内循環流動を起こして粒子の集熱効果を確認することができるが、蓄熱粒子をこの集熱容器から蓄熱容器へと接続する搬送路内に粒子を逐次供給することは、実際上困難であった。すなわち、集熱容器にて内循環を行う粒子の一部を分離して、蓄熱容器へと接続する搬送路内に実際に供給されるよう粒子の流れを作り出す方法（集熱容器−蓄熱容器−集熱容器の間で蓄熱粒子を適切に外循環させること）は、未だ良く解明されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５９８６５８９号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ２０１４／０３８５５３号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粒子の内循環流動及び外循環流動を効率よく実現可能な太陽集熱式流動層を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意検討の末、二塔式流動層にループシール構造を上手く組み合わせることにより、上述の課題を効果的に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。【００１２】
すなわち、本発明は、例えば、以下の構成・特徴を備えるものである。【００１３】
（態様１）
流動層と照射部と気体導入部とが設けられた集熱容器を備えた太陽光集熱装置であって、
前記流動層は、前記集熱容器内に設けられた第１・第２開口部と、第１・第２開口部との間に設けられた第１仕切板と、第１仕切板によって仕切られつつ第１・第２開口部に接続された第１・第２流動空間と、第１・第２流動空間内の粒子と、を備え、
前記照射部は、前記集熱容器に設けられた窓を備え、かつ、該窓を通して、集光された太陽光を案内して前記粒子へ照射し、
前記気体導入部は、前記流動層に設けられた第１分散板と、第１分散板を通して気体を第１・第２流動空間に向け導入する第１・第２導入口とを備え、かつ、第１導入口から第１流動空間に導入する気体の線速度を、第２導入口から第２流動空間に導入する気体の線速度より異ならせることで、第１流動空間と第２流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させ、
前記集熱容器は、前記粒子を導入・排出する粒子導入口及び粒子排出口と、前記流動層に接続された第１・第２ループシール部の少なくとも一方を更に備え、
第１ループシール部は、前記粒子導入口と第１流動空間とを接続して、第１流動空間へ前記粒子を供給し、
第２ループシール部は、第２流動空間と前記粒子排出口とを接続して、第２流動空間内の前記粒子を前記粒子排出口へ供給することを特徴とする太陽光集熱装置。
（態様２）
前記集熱容器には、第１・第２ループシール部の双方が設けられ、
第１ループシール部は前記流動層の一方の側に設けられ、かつ、
第２ループシール部は前記流動層の他方の側に設けられていることを特徴とする態様１に記載の太陽光集熱装置。
（態様３）
前記照射部の前記窓は前記集熱容器の上部に設けられ、かつ、前記気体導入部の第１分散板は前記流動層の下部に設けられることを特徴とする態様２に記載の太陽光集熱装置。
（態様４）
第１ループシール部は、下部開口部と、該下部開口部より上方に延びた第２仕切板と、第２仕切板によって仕切られつつ前記下部開口部で互いに接続された第３・第４流動空間と、第４流動空間と前記流動層の第１流動空間とを区分する第１壁と、第４流動空間の上部に設けられ、第１流動空間に接続するシール出口と、を更に備え、
前記粒子導入口が第３流動空間の上部に接続されることで、新たな粒子が前記集熱容器の外部から第１ループシール部へ導入され、第３・第４流動空間及び前記シール出口を通して、前記流動層の第１流動空間へ案内されることを特徴とする態様３に記載の太陽光集熱装置。
（態様５）
第２ループシール部は、上部開口部と、該上部開口部より下方に延びた第３仕切板と、第３仕切板によって仕切られつつ前記上部開口部で互いに接続された第５・第６流動空間と、第５流動空間と前記流動層の第２流動空間とを区分する第２壁と、を更に備え、第５流動空間の下部に設けられ、第２流動空間に接続するシール入口と、を更に備え、
前記粒子排出口が第６流動空間の下部に接続されることで、前記流動層において内循環された前記粒子が前記シール入口から第２ループシール部内へ導入され、第５・第６流動空間を介して前記粒子排出口から前記集熱容器外部へ排出されることを特徴とする態様３又は４に記載の太陽光集熱装置。
（態様６）
前記気体導入部は、
第１ループシール部の下部に設けられた第２分散板と、
第２分散板を通して気体を第３・第４流動空間に向け導入する第３・第４導入口と、
を更に備えることを特徴とする態様４又は５に記載の太陽光集熱装置。
（態様７）
前記気体導入部は、
第２ループシール部の下部に設けられた第３分散板と、
第３分散板を通して気体を第５流動空間に向け導入する第５導入口と、
を更に備えることを特徴とする態様５又は６に記載の太陽光集熱装置。
（態様８）
前記太陽光集熱装置には、第１・第２搬送路と、蓄熱容器と、が更に設けられ、かつ、
第１搬送路は、前記粒子排出口と前記蓄熱容器とを連通して前記粒子を前記集熱容器から前記蓄熱容器へ搬送可能であり、
第２搬送路は、前記蓄熱容器と前記粒子導入口とを連通して前記粒子を前記蓄熱容器から前記集熱容器へ搬送可能であることを特徴とする態様２〜７のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
（態様９）
前記粒子として、石英砂、鉄酸化物、及び、炭化珪素の群のうち少なくとも１種類が選択されることを特徴とする態様２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
（態様１０）
前記粒子として、金属酸化物粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として前記粒子を還元可能なガスが選択され、
前記集熱容器を水熱分解法の熱還元反応器として利用することを特徴とする態様２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
（態様１１）
前記粒子として、石炭コークス粒子及び流動媒体粒子が選択され、かつ、
前記気体導入部から供給される前記気体として水蒸気が選択され
前記集熱容器を、石炭コークス粒子をガス化させるための反応器として利用することを特徴とする態様２〜８のいずれかに記載の太陽光集熱装置。
（態様１２）
態様２〜１１のいずれかに記載の太陽光集熱装置を用いた太陽光集熱方法であって、
前記流動層及び第１・第２ループシール部に前記粒子を予め充填し、
前記気体導入部から第１分散板を介して、第１・第２流動空間に気体を導入し、
第１グループシール部に接続された前記粒子導入口から前記粒子を新たに導入し、
第２グループシール部に接続された前記粒子排出口から前記粒子を排出し、
第１・第２流動空間へ導入される気体の線速度を異なるように設定して、第１流動空間と第２流動空間との間で前記粒子の内循環流動を発生させることを特徴とする太陽光集熱方法。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の太陽光集熱装置及び太陽光集熱方法は、上述したように、その集熱容器内において、流動層に第１・第２ループシール部の少なくとも一方を接続した構成（好ましくは、流動層を両側から第１・第２ループシール部によって挟持した構成）を採用する。これにより、照射部直下の流動層において蓄熱用粒子の組織的な内循環流動を確実に発生させながら、集熱容器の外部から集熱容器への粒子の導入やその後の排出（粒子の外循環流動）も同時に発生させることが可能となる。【００１５】
しかも、本発明の好適な態様の第１・第２ループシール部を採用すれば、各シール部にて逆流防止や所望方向への流動促進が図られるために、粒子導入口〜第１ループシール部〜流動層〜第２ループシール部〜粒子排出口へと蓄熱用粒子を確実に流動させることが可能となる。【００１６】
本発明の太陽光集熱装置は、太陽蓄熱、太陽熱燃料化、石炭コークスガス化、バイオマスガス化、水熱分解法の熱還元反応等の様々な用途に利用できる。これだけでなく、本発明の装置は、装置内外でそれぞれ、粒子の内循環と外循環とを上手に発生させて、粒子に所望の流れを作り出せるため、従来のバッチ式とは異なり、連続的な蓄熱等の反応（高効率な連続稼働）を起こすことができる。【００１７】
言い換えれば、本発明は、装置の大型化に対応し、かつ、高効率な太陽光集熱を可能とするものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施例１の太陽光集熱装置の概略を説明した図である。
【図２】実施例１の集熱容器の斜視図（ａ）及び実施例２の分離型反応システム（ｂ）を示した図である。
【図３】実施例４の可視化流路及び該流路を用いた可視化実験装置を示した図である。
【図４】様々な試験条件での可視化結果を纏めたフローマップを示した図である。
【図５】実施例４のある条件での粒子Ｐの内循環（反時計回り）を示すスケッチ（ａ）と、別の条件にて粒子Ｐの内循環（時計回り）を示す可視化画像である。
【図６】実施例４において、測定開始直後（ｔ＝０［ｓ］）からｔ＝５［ｓ］までの間の一定時間毎の粒子Ｐの流動状況を示す可視化画像である。
【図７】従来の太陽光集熱装置の概略を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施態様に何等限定されるものではない。なお、各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
【実施例１】
【００２０】
（太陽光集熱装置の概略）
図１は、実施例１に係る太陽光集熱装置１の概略を説明した図である。本実施例の太陽光集熱装置１は、流動層３と照射部４と気体導入部５と（さらに好ましくは、気体排出部１０と）が設けられた集熱容器２を備える。なお、図面に示した装置構成は一例であり、各構成要素の構成や配置は図示の例に限定されない。例えば、照射部４や気体導入部５は図示のように流動層３の真上や真下に配置させた構成に限らず、例えば、流動層３の斜め上方や斜め下方に配置させる等、種々の変形例が想定できる。すなわち、これらの変形例によっても本発明の目的を達成し、その作用効果を得ることができる。【００２１】
図２（ａ）は、集熱容器２の斜視図を示した図である。集熱容器２は、後述の窓４１が中央に設けられた天板２１と、前後方向の側板２２，２２と、左右方向の側板２３，２３と、土台となる伸長部２４とを備え、これらによって集熱容器２の外形が構成される。なお、集熱容器２の下側は、上述の気体導入部５が接続されることで、集熱容器２の内部空間（つまり、後述する流動層３や第１・第２ループシール部８，９）が区画される。なお、側板２３，２３は、集光された太陽光Ｓを効率的に照射する照射部４を形成するよう徐々に下方に向かって幅狭になる照射部用側板２３ａが設けられてもよい。【００２２】
（流動層の構造）
ここで、流動層３は、二塔式流動層と呼ばれるもので、以下の構造を有する。すなわち、流動層３は、集熱容器２内の上下に設けられた第１・第２開口部３１，３２と、第１・第２開口部３１，３２との間に設けられた第１仕切板３３と、第１仕切板３３によって左右に仕切られつつ第１・第２開口部３１，３２によって互いに接続された第１・第２流動空間３４，３５と、第１・第２流動空間３４，３５内に充填された蓄熱用粒子Ｐと、を備える。蓄熱用粒子Ｐ（以下、単に「粒子」とも呼ぶ。）としては、ＳｉＯ２を主成分としかつ融点が１７５０℃と高い石英砂、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）などの鉄酸化物、輻射吸収率が高い炭化珪素（ＳｉＣ）などからなる粒子が好適に用いられる。【００２３】
（照射部の構造）
照射部４は、集熱容器２の上部に設けられた窓４１を備え、かつ、該窓４１を通して、集光された太陽光Ｓを案内して粒子Ｐへ照射する。窓４１は、太陽光Ｓの透過に適した石英製の窓が好ましい。なお、太陽光Ｓを窓４１に至るまで集光させる方法及び手段は、従来技術を採用することができる。例えば、図示しない地上反射鏡（ヘリオスタッド）及びタワー反射鏡で構成されたビームダウン型集光システム（図示せず）により、太陽光Ｓの集光を実現できる。【００２４】
（窓の冷却）
また、照射部４の窓４１や窓４１の周囲部分は、集光された太陽光Ｓにより極めて高温に加熱されるため、図１及び図２（ａ）に示すように、窓４１付近に冷却流路４２を敷設し、この冷却流路４２に冷媒を流して窓４１や窓４１の周囲部分を冷却することが望ましい。例えば、入口管４２ａと出口管４２ｂとを備えた冷却流路４２を窓４１の外縁を取り囲むように敷設するようにしてもよい。【００２５】
（気体導入部の構造）
気体導入部５は、流動層３の下部に設けられた第１分散板５１ａと、第１分散板５１ａを通して気体Ｇ（Ｇａ，Ｇｂ）を第１・第２流動空間３４，３５に向け導入する第１・第２導入口５２ａ，５２ｂとを備える。第１分散板５１ａは多孔質（例えば、孔径１０〜１００μｍ）の物体で構成されており、これを第１・第２導入口５２ａ，５２ｂと流動層３との間に組み込むことにより、粒子Ｐが気体導入部５に入り込むことを防ぎつつ、整流化された気体Ｇを流動層３に供給することが可能となる。後述の第２・第３分散板５１ｂ，５１ｃも、第１分散板５１ａの上記構成と同様の構成を有し、同様の効果を発揮する。【００２６】
（供給気体間での速度差の付与）
ここで、第１導入口５２ａから第１流動空間３４に導入する気体Ｇａの線速度ＬＶａは、第２導入口５２ｂから第２流動空間３５に導入する気体Ｇｂの線速度ＬＶｂと異なるように設定されている。【００２７】
（気体の線速度）
なお、線速度ＬＶａ，ＬＶｂは、気体Ｇａ，Ｇｂの流量を、各流量に対応する第１・第２導入口５２ａ，５２ｂの断面積で除した値であり、単位時間あたりに第１分散板５１ａ（の単位断面積）を通過する各気体Ｇａ，Ｇｂの速度を意味する。後述する気体Ｇｃ，Ｇｄ，Ｇｅの線速度ＬＶｃ，ＬＶｄ，ＬＶｅについても、同様の方法で定義・導出される。【００２８】
このように供給気体Ｇａ，Ｇｂの間で速度差を付与することにより、第１・第２開口部３１，３２で接続された第１流動空間３４と第２流動空間３５との間で粒子Ｐの組織的な内循環流動を発生させることができる。【００２９】
また、気体Ｇａ，Ｇｂの線速度ＬＶａ，ＬＶｂを適宜調整することで、所望の回転方向（時計回り又は反時計回り）の内循環流動を起こすことができる。例えば、気体Ｇａの線速度ＬＶａ（図４ではＶＬ）が気体Ｇｂの線速度ＬＶｂ（図４ではＶＲ）より大きく設定した場合（つまり、ＬＶａ−Ｌｖｂ＞０）には、時計回りに内循環を起こすことができる。一方、気体Ｇａの線速度ＬＶａ（図４ではＶＬ）が気体Ｇｂの線速度ＬＶｂ（図４ではＶＲ）より小さく設定した場合（つまり、ＬＶａ−Ｌｖｂ＜０）には、反時計回りに内循環を起こすことができる。なお、所望の内循環を発生させる各線速度の条件については、図４に示すフローマップも参照されたい。【００３０】
なお、上述の線速度ＬＶａ，ＬＶｂの調整は、例えば、第１・第２導入口５２ａ，５２ｂに夫々、接続された図示しない空気圧縮機、バルブや流量計等の機器によって、各気体Ｇａ，Ｇｂの流量を調整することによって実行可能である。【００３１】
（気体排出部の構造）
なお、気体導入部５から流動層３へ送り込まれた気体Ｇは、気体排出部１０より集熱容器２の外部へ排出される。なお、実施例２を説明する図２（ｂ）に示すように、気体導入部５から流動層３へ導入された気体Ｇ（図示では、窒素Ｎ２）が、流動層３内で化学反応を起こし、気体排出部１０から排出される際には質・組成の異なる気体（図示では、酸素０２）となる場合があることを留意されたい。【００３２】
（粒子導入口及び粒子排出口並びにループシール部の配設）
また、集熱容器２は、粒子Ｐを導入・排出する粒子導入口６及び粒子排出口７と、流動層３に接続された第１・第２ループシール部８，９の少なくとも一方を更に備えることに留意されたい。ここで、後述する粒子Ｐの内循環及び外循環の促進の観点からは、図示の例のように、第１・第２ループシール部８，９の双方が流動層３の左右（両側）に設置されていることが好ましい。  【００３３】
ここで、第１ループシール部８は、粒子導入口６と流動層３（の第１流動空間３４）とを接続して、第１流動空間３４へ逐次、粒子Ｐを供給する。一方、第２ループシール部９は、流動層３（の第２流動空間３５）と粒子排出口７とを接続して、流動層３から粒子排出口７へと粒子Ｐを供給する。なお、図示の例のように、逐次（連続的に）粒子Ｐを供給してもよいし、断続的（例えば、周期的又は不定期）に粒子Ｐを供給してもよい。【００３４】
（内循環及び外循環が同時に発生する多重循環）
以上のように構成された第１・第２ループシール部８，９を採用した太陽光集熱装置１は、照射部４直下の流動層３において粒子Ｐの組織的な内循環流動を確実に発生させつつ、集熱容器２の外部から内部への粒子Ｐの導入及び集熱容器２の内部から外部への粒子Ｐの排出（粒子の外循環流動）も同時に発生させること（多重循環）が可能となる。なお、第１・第２ループシール部８，９の好適な形態を以下に例示する。【００３５】
（第１ループシール部の好適な形態）
第１ループシール部８は、下部開口部８１と、下部開口部８１より上方に延びた第２仕切板８２と、第２仕切板８２によって左右に仕切られつつ下部開口部８１で互いに接続された第３・第４流動空間８３，８４と、第４流動空間８４と流動層３の第１流動空間３４とを区分する第１壁８５と、第４流動空間８４の上部に設けられ、第１流動空間３４と接続するシール出口８６と、を更に備えることが好ましい。【００３６】
（第１ループシール部での粒子Ｐの流動）
そして、粒子導入口６が第３流動空間８３の上部に接続されることで、新たな粒子Ｐが逐次、集熱容器２の外部から第１ループシール部８へ導入され、第３・第４流動空間８３，８４及びシール出口８６を通して、流動層３の第１流動空間３４へ順次、案内されるようになる。【００３７】
（第２ループシール部の好適な形態）
第２ループシール部９は、上部開口部９１と、上部開口部９１より下方に延びた第３仕切板９２と、第３仕切板９２によって左右に仕切られつつ上部開口部９１によって互いに接続された第５・第６流動空間９３，９４と、第５流動空間９３と流動層３の第２流動空間３５とを区分する第２壁９５と、第５流動空間９３の下部に設けられ、流動層３の第２流動空間３５に接続するシール入口９６と、を更に備えることが好ましい。【００３８】
（第２ループシール部での粒子Ｐの流動）
そして、粒子排出口７が第６流動空間９４の下部に接続されることで、流動層３において内循環された粒子Ｐが逐次、シール入口９６から第２ループシール部９内へ導入され、第５・第６流動空間９３，９４を介して粒子排出口７から集熱容器２外部へ排出されるようになる。【００３９】
以上のように好適な形態の第１・第２ループシール部８，９を採用すれば、夫々の部分８，９にて粒子Ｐの逆流防止や所望方向への流動促進が図られるために、粒子導入口６〜第１ループシール部８〜流動層３〜第２ループシール部９〜粒子排出口７への望ましい方向で粒子Ｐを確実に流動させることが可能となる。【００４０】
（気体導入部の好適な形態）
次に、気体導入部５の好適な形態についても例示する。好適な気体導入部５は、第１ループシール部８の下部に設けられた第２分散板５１ｂと、第２分散板５１ｂを通して気体Ｇ（Ｇｃ，Ｇｄ）を第３・第４流動空間８３，８４に向け導入する第３・第４導入口５２ｃ，５２ｄと、を更に備える。【００４１】
そして、第３・第４導入口５２ｃ，５２ｄから第３・第４流動空間８３，８４に導入する気体Ｇｃ，Ｇｄの線速度ＬＶｃ，ＬＶｄが、流動層３内に供給される気体Ｇａ，Ｇｂの線速度Ｌｖａ，ＬＶｂのいずれかと異なるように設定されることが好ましい。さらに好ましくは、線速度ＬＶｃ，ＬＶｄが、線速度Ｌｖａ，ＬＶｂのうち比較的大きい線速度より小さく設定される。これにより、第１ループシール部８から流動層３へ向かう粒子Ｐの流動を促進させつつ、流動層３から第１ループシール部８への粒子Ｐの逆流を確実に防止することができる。【００４２】
第２ループシール部９においても、第１ループシール部８と同様の好適な構造を採用することができる。具体的には、気体導入部５は、第２ループシール部９の下部に設けられた第３分散板５１ｃと、第３分散板５１ｃを通して気体Ｇｅを第５流動空間９３に向け導入する第５導入口５２ｅと、を更に備えることが好ましい。【００４３】
そして、第５導入口５２ｅから第５流動空間９３に導入する気体Ｇｅの線速度Ｌｖｅが、流動層３内に供給される気体Ｇａ，Ｇｂの線速度Ｌｖａ，ＬＶｂのいずれかと異なるように設定されることが好ましい。さらに好ましくは、線速度ＬＶｅが、線速度Ｌｖａ，ＬＶｂのうち比較的大きい線速度より小さく設定される。これにより、流動層３から第２ループシール部９へ向かう粒子Ｐの流動を促進させつつ、第２ループシール部９から流動層３への粒子Ｐの逆流を確実に防止することができる。【００４４】
（集熱容器外側の好適な構成）
また、太陽光集熱装置１には、第１・第２搬送路１１，１２と、蓄熱容器１３と、が更に設けられることが好ましい。ここで、第１搬送路１１は、粒子排出口７と蓄熱容器１３とを連通して粒子Ｐを集熱容器２から蓄熱容器１３へ搬送可能である。一方、第２搬送路１２は、蓄熱容器１３と粒子導入口６とを連通して粒子Ｐを蓄熱容器１３から集熱容器２へ搬送可能であることを特徴とする。なお、蓄熱容器１３には、粒子Ｐから熱の授受を行う熱交換器１４が設けられてもよい。熱交換器１４には、気体を導入する入口管１５と、熱交換器１４から熱を受け取った気体が排出される出口管１６とが設けられてもよい。【００４５】
上記のような好適な構成部材を集熱容器２の外側に付加することにより、本発明の太陽光集熱装置１は大型化及び連続運転化に対応し、かつ、高効率な太陽光集熱が可能となる。
【実施例２】
【００４６】
（水熱分解装置の熱還元反応器への応用）
なお、本発明の集熱容器２を、以下のように水熱分解装置２ｄｓ用の熱還元反応器２ａ（図２（ｂ）を参照）として利用してもよい。この実施例の場合、粒子Ｐとして、酸化セリウム又は酸化セリウムを担持したジルコニア、或いは、フェライト又はフェライトを担持したジルコニアなどの金属酸化物粒子が選択されることが好ましい。なお、金属酸化物の粒径は、１００〜７５０μｍの程度が好ましい。また、気体導入部５から供給される気体Ｇとして、粒子Ｐを還元可能なガス（例えば、窒素又はアルゴンなどの低酸素分圧ガス）が選択されることが好ましい。【００４７】
なお、特許文献１に示すような従来技術では二塔式流動層の一方の塔を熱還元反応器として、他方の塔を水熱分解（酸化）反応器として使用するものであった。これに対して、実施例２では、二塔式の流動層３を含んだ集熱容器２全体を熱還元反応器２ａとして利用することができ、酸化反応器２ｂ（図２（ｂ）を参照）を集熱容器２から分離して、その外側に設ければよい。これにより、実施例２の装置１は分離型反応システム２ｄｓとなり、連続的で高効率な反応を発生・継続させることができるようになる。
【実施例３】
【００４８】
（石炭コークス粒子をガス化させるための反応器への応用）
また、本発明の集熱容器２を、以下のように、石炭コークス粒子をガス化させるための反応器（図示せず）として利用してもよい。この実施例３の場合、粒子Ｐとして、石炭コークス粒子と流動媒体粒子（例えば、石英砂）とが選択されることが好ましい。流動媒体粒子の粒径は、３００μｍ以下がさらに好ましい。、流動層３内では、石炭コークス粒子と流動媒体粒子（例えば、石英砂）との体積比を、２：８〜８：２程度に設定することが好ましい。また、気体導入部５から供給される気体Ｇとして、水蒸気が選択される。【００４９】
（様々な用途への応用可能性）
以上の実施例２，３に示すように、本発明の太陽光集熱装置１は、太陽蓄熱、太陽熱燃料化、石炭コークスガス化、バイオマスガス化、水熱分解法の熱還元反応等の様々な用途に利用できることが理解できよう。さらに、本発明の装置１は、上述したように、粒子Ｐの内循環と外循環とを上手に組み合わせて発生できる（粒子Ｐの多重循環が可能である）ため、従来のバッチ式とは異なり、連続的な蓄熱等の反応（高効率な連続稼働）を起こすことができる。
【実施例４】
【００５０】
（粒子の可視化実験装置）
本発明者らは、粒子Ｐの流動挙動を明らかにすべく、可視化実験装置を製作した。なお、可視化実験装置では、太陽光Ｓの集熱や照射を考慮に入れないモデル（ｃｏｌｄ  ｍｏｄｅｌ、図３（ａ）及び（ｂ）参照）とした。集熱容器２を模擬した可視化流路はアクリル樹脂製の透明素材で作成され、この流路内に粒子Ｐを供給した。粒子Ｐとして、流路内の粒子Ｐの流動状況を可視化し易くするため、青と白の２色の発泡性ポリスチレン製ビーズ（粒子Ｐの直径は約０．７ｍｍ〜１．４ｍｍ、比重は１．０４）を使用した。【００５１】
（可視化流路の寸法）
また、可視化流路（集熱容器２）の全幅は約３００ｍｍ（第１〜第５流動空間３４，３５，８３，８４，９３の各幅５０ｍｍ）であり、奥行きは３０ｍｍである（図３（ａ）を参照）。すなわち、このコールドモデルでは、夫々の流動空間の断面積は同一となるため、各流動空間を通過する流量の比率と、線速度の比率とは比例するようになる。【００５２】
（気体Ｇの流量（線速度）の調節）
粒子Ｐは、フィーダーによって、１７ｇ／ｍｉｎの流量で第１ループシール部８の上方から供給した。気体導入部５における第１〜第５流動空間３４，３５，８３，８４，９３への気体Ｇ（Ｇａ〜Ｇｅ）として空気を使用し、各気体Ｇａ〜Ｇｅの流量を、Ｇｃ＝Ｇｄ＝Ｇｅ＝２０  ＮＬ／ｍｉｎ（一定量）とし、ＧａとＧｂについては、０〜８０  ＮＬ／ｍｉｎの間で夫々の流量を変化させた。【００５３】
（気体Ｇの流量（線速度）の検討結果）
以上の条件で実験した可視化結果を、図４のようにフローマップとして纏めた。図４中の縦軸のＶＬと横軸のＶＲは、左塔（第１流動空間３４）と右塔（第２流動空間３５）の各線速度（すなわち、上述のＬＶａ，Ｌｖｂ）を示す。図４中の符号「●」は、粒子Ｐの動きが観察されなかった状態を示す。なお、「△」は流動層３の左側（第１流動空間３４）のみに気泡の発生が観察された状態を示し、「□」は流動層３の右側（第２流動空間３５）のみに気泡の発生が観察された状態を示し、「○」は両側（第１・第２流動空間３４，３５）にて気泡の発生が観察された状態を示す。また、「▲」は、流動層３内で時計回り方向の粒子Ｐの循環（及び気泡の発生）が観察された状態を示し、一方、「■」は、流動層３内で反時計回り方向の粒子Ｐの循環（及び気泡の発生）が観察された状態を示す。【００５４】
なお、図５（ａ）は、反時計回り方向の循環が観察された粒子Ｐの流動状況の一例を示す。以上のように、供給空気Ｇ（Ｇａ、Ｇｂ）の線速度を適宜、変更することで二塔式流動層３での粒子Ｐの循環方向を変更できることも確認できた。【００５５】
（色分け実験）
次に、第１〜第５流動空間３４，３５，８３，８４，９３を順番に青色の粒子Ｐと白色粒子Ｐとに分けて充填し、フィーダーから供給される粒子Ｐも白色の粒子Ｐを選択して、粒子Ｐの可視化を行った。なお、各気体Ｇａ〜Ｇｅの流量として、Ｇｂ＝Ｇｃ＝Ｇｄ＝Ｇｅ＝２０  ＮＬ／ｍｉｎとし、Ｇａ＝５５  ＮＬ／ｍｉｎ（Ｇａ＞Ｇｂ）に設定した。【００５６】
（色分け実験の結果）
図６に測定開始直後（ｔ＝０［ｓ］）からｔ＝５［ｓ］までの間の一定時間毎の粒子Ｐの可視化画像を示す。なお、図５（ｂ）はｔ＝４［ｓ］時の粒子Ｐの可視化画像に粒子Ｐの流れ方向を示す矢印を追加した図である。この試験条件では、中央部の二塔式流動層３において「時計回り」の粒子Ｐの内循環を起こしながら、第２ループシール部９へ粒子Ｐを安定に供給して粒子排出口７から粒子Ｐを排出することを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の太陽光集熱装置及び太陽光集熱方法は、上述したように、その集熱容器内において、流動層に第１・第２ループシール部の少なくとも一方を接続した構成（好ましくは、流動層を両側から第１・第２ループシール部によって挟持した構成）を採用する。これにより、照射部直下の流動層において粒子の内循環流動を確実に発生させながら、集熱容器の外部からの粒子の導入及び／又は外部への排出（粒子の外循環流動）も同時に発生させることが可能となった。【００５８】
しかも、本発明の好適な態様の第１・第２ループシール部を採用すれば、各シール部にて逆流防止や所望方向への流動促進が図られるために、粒子導入口〜流動層〜粒子排出口へと粒子を確実に流動させることが可能となる。【００５９】
本発明の太陽光集熱装置は、太陽蓄熱、太陽熱燃料化、石炭コークスガス化、バイオマスガス化、水熱分解法の熱還元反応等の様々な用途に利用できる。これだけでなく、本発明の装置は、粒子の内循環と外循環とを上手に組み合わせた構成であるため、従来のバッチ式とは異なり、連続的な蓄熱等の反応（高効率な連続稼働）を起こすことができる。【００６０】
言い換えれば、本発明は、装置の大型化に対応し、かつ、高効率な太陽光集熱を可能とするものとなる。【００６１】
このように、本発明は、産業上の利用価値及び産業上の利用可能性が非常に高い。【００６２】
１    太陽光集熱装置
２    集熱容器
２ａ    熱還元反応器
２ｂ    酸化反応器
２ｄｓ    水熱分解装置（分離型反応システム）
３    流動層
４    照射部
５    気体導入部
６    粒子導入口
７    粒子排出口
８    第１ループシール部
９    第２ループシール部
１０    気体排出部
１１，１２    第１・第２搬送路
１３    蓄熱容器
１４    熱交換器
１５，１６    熱交換器の入口管，出口管
２１    集熱容器の天板
２２    集熱容器の前後方向の側板
２３    集熱容器の左右方向の側板
２３ａ    照射部用側板
２４    伸長部
３１，３２    流動層の第１・第２開口部
３３    第１仕切板
３４，３５    流動層の第１・第２流動空間
４１    照射部の窓
４２    冷却流路
４２ａ，４２ｂ    冷却流路の入口管，出口管
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ    気体導入部の第１・第２・第３分散板
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅ    第１・第２・第３・第４・第５導入口
８１    第１ループシール部の下部開口部
８２    第２仕切板
８３，８４    第１ループシール部の第３・第４流動空間
８５    第１壁
８６    シール出口
９１    第２ループシール部の上部開口部
９２    第３仕切板
９３，９４    第１ループシール部の第５・第６流動空間
９５    第２壁
９６    シール入口
Ｇ（Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃ，Ｇｄ，Ｇｅ）    気体導入部より供給する気体
ＬＶａ，ＬＶｂ，ＬＶｃ，ＬＶｄ，ＬＶｅ    気体導入部より供給する気体の線速度
Ｐ    蓄熱用粒子
Ｓ    集光された太陽光
【図１】
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【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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【図７】
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【国際調査報告】
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2018212046.tif 000012
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