(57)【要約】      （修正有）【課題】光エネルギー変換デバイスを用いて、太陽エネルギーを作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、作動媒体が放射エネルギーを直接全方位に吸収することにより、吸熱表面積を大幅に減少させ、吸熱器は構造が簡単であり、高効率、低コストの太陽熱発電方法を提供する。【解決手段】光エネルギー変換デバイスの一側が集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを光エネルギー変換デバイスの他側に伝達して、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、かつ吸熱器キャビティ内に放射して熱交換を行い、再生器を流れて熱交換した後に温度が上昇した作動ガスは、太陽熱吸熱器に入って、光エネルギー変換デバイスから吸熱器キャビティ内に放射された放射エネルギーを全方位に吸収することにより、温度が迅速に上昇し、加熱した作動ガスが膨張して仕事をし、発電サイクルを行う。【選択図】図１
2018025382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギー変換デバイス（７）の一側が集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを光エネルギー変換デバイス（７）の他側に伝達して、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、かつ吸熱器キャビティ（５）内に放射して熱交換を行い、再生器（３）を流れて熱交換した後に温度が上昇した作動ガスは、太陽熱吸熱器（４）に入って、光エネルギー変換デバイス（７）から吸熱器キャビティ（５）内に放射された放射エネルギーを全方位に吸収することにより、温度が迅速に上昇し、加熱した作動ガスが膨張して仕事をし、発電サイクルを行うことを特徴とする特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項２】
前記光エネルギー変換デバイス（７）の材料が金属又は半導体であり、光エネルギー変換デバイス（７）は、光吸収器、中間層及び光放射器を有し、光吸収器が集光太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層が熱エネルギーを伝達し、光放射器が作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射することを特徴とする請求項１に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項３】
前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項４】
前記太陽熱吸熱器（４）の吸熱作動媒体は、二酸化炭素、水蒸気、ヘキサフルオロプロパン、ブタン、ブチレンを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項５】
前記発電サイクルプロセスは、作動ガスが太陽熱吸熱器（４）内で放射エネルギーを全方位に吸収し、温度が上昇した作動ガスがタービン（８）に入って膨張して仕事をし、タービン（８）が軸（１０）によって発電機（９）を発電させるように駆動し、膨張した作動ガスが再生器（３）を流れて熱交換を行い、温度が低下した後に順に冷却器（１）、圧縮機（２）及び再生器（３）に入り、再生器（３）の出口からの作動ガスがさらに太陽熱吸熱器（４）に入って放射エネルギーを全方位に吸収することにより、一つの発電サイクルを完了することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項６】
前記発電サイクルは、ブレイトンサイクル又はランキンサイクルを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項７】
前記太陽熱吸熱器（４）の集光太陽光は、タンク型集光システム、タワー型集光システム、ディッシュ型集光システム又は線形フレネル型集光システムのうちの一種又は多種によって提供されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項８】
冷却器（１）、圧縮機（２）、再生器（３）、太陽熱吸熱器（４）、タービン（８）、発電機（９）及び軸（１０）を有し、太陽熱吸熱器（４）が吸熱器キャビティ（５）、ガラス窓（６）及び光エネルギー変換デバイス（７）を含み、ガラス窓（６）が吸熱器キャビティ（５）内に嵌め込まれ、光エネルギー変換デバイス（７）がガラス窓（６）の表面にコーティングされ、冷却器（１）、圧縮機（２）、再生器（３）、太陽熱吸熱器（４）及びタービン（８）がパイプを介して順に接続され、タービン（８）の出口が再生器（３）の給熱側入口に接続され、再生器（３）の伝熱側出口が冷却器（１）の入口に接続されることにより、密閉サイクルを形成し、圧縮機（２）、タービン（８）及び発電機（９）が同一の軸（１０）を介して連結されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法を実現する装置。
【請求項９】
前記光エネルギー変換デバイス（７）は、コーティング方式でガラス窓（６）の表面にコーティングされ、ガラス窓（６）は、吸熱器キャビティ（５）内に嵌め込まれ、かつフランジで接続し密封されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ガラス窓（６）は、光放射器から放射された光波を透過させることができ、ガラスの材料が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項８又は９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱発電の技術分野に関し、特にガス吸熱による太陽発電方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化石エネルギーの使用の減少、再生可能なクリーンエネルギーの強力な開発及び利用は、エネルギー危機と環境汚染を解決するための重要な手段である。太陽エネルギーは、広く存在し、貯蔵量が豊富であり、経済的で環境にやさしい再生可能なエネルギーであり、太陽熱発電技術は、現在、太陽エネルギー利用技術における研究のホットスポット及びキーポイントの一つである。太陽熱発電技術の基本的な原理は、集光型放物面反射鏡を用いて太陽光を太陽エネルギー収集装置に集光して、収集装置内の吸熱媒体を加熱し、さらに熱交換システムによって発電システムの作動媒体を加熱して、タービンが仕事をして発電するように駆動することである。集光方式によって、光熱発電は、タンク型、タワー型、ディッシュ型及び線形フレネル型の四つの方式に分けられる。これらの発電方式は、全て集光システム、集熱システム、蓄熱システム、発電システムの四つの基本的なシステムで構成される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
太陽熱吸熱器は、太陽熱発電システムのコア構成要素であり、場合に応じて、異なる構造とタイプを有する。太陽熱吸熱器は、作動媒体の吸熱方式に従って、主に間接式と直接式の二つのタイプに分けられる。間接式吸熱器の特徴は、受熱面が入射した集光太陽光を吸収し、温度が上昇した後に壁面によって熱を吸熱媒体に伝達することであり、これは隔壁式熱交換過程である。間接式吸熱器は、最も一般的な太陽熱吸熱器であり、例えば、露出式管状吸熱器及びキャビティ式吸熱器は全て間接式吸熱器に属する。このような吸熱器の利点は、利用可能な吸熱媒体が多く、構造が簡単であり、技術が相対的に成熟していることである。しかし、その欠点は、隔壁式熱交換を行うように大きい吸熱面積又は大量の熱交換パイプを必要とし、吸熱器の効率が低く、コストが高いことである。直接式太陽熱吸熱器は、一般的に吸熱体を含み、吸熱媒体が空気である。多孔質構造を有する吸熱体は、太陽放射を吸収し、空気が吸熱体を通過するように構成され、吸熱体と対流熱交換を行った後に高温に上昇する。このような吸熱器は、吸熱体が高い吸熱性、優れた熱伝導性及び透過性、並びに高い耐熱性及び大きい比表面積を有するように求められる。このような吸熱器は、高い出口空気温度に達することができるが、構造が複雑であり、技術的難易度が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１５９８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、現在の太陽熱吸熱器が大きい吸熱表面積を必要とし、吸熱効率が低い等の欠点を克服するために、特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法及び装置を提供する。現在の太陽熱吸熱器に採用される面吸熱及び隔壁式熱交換方式は、吸熱面が入射した太陽光を吸収してその温度が上昇し、かつ壁面によって熱を吸熱媒体に伝達することである。本発明のガス吸熱方式は、主に光エネルギー変換デバイスが集光太陽光を吸収して作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射し、作動ガスが放射エネルギーを直接全方位に吸収することにより吸熱を完了する。本発明はガス吸熱方式を採用することにより、吸熱器の吸熱及び熱交換の表面積を大幅に減少させることができ、吸熱器は構造が簡単であり、効率が高く、コストが低い。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の具体的な技術的解決手段は以下のとおりである：
本発明に係る特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法は、光エネルギー変換デバイスの一側が集光太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを光エネルギー変換デバイスの他側に伝達して、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、かつ吸熱器キャビティ内に放射して熱交換を行い、再生器を流れて熱交換した後に温度が上昇した作動ガスは、太陽熱吸熱器に入って、光エネルギー変換デバイスから吸熱器キャビティ内に放射された放射エネルギーを全方位に吸収することにより、温度が迅速に上昇し、加熱した作動ガスが膨張して仕事をし、発電サイクルを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
前記光エネルギー変換デバイスは、光吸収器、中間層及び光放射器を含み、三層に積み上げられた構造であり、その材料が金属又は半導体である。光吸収器及び光放射器は、ナノスケールの構造で構成され、例えば銀材料の金属ナノロッドを一定の間隔及び角度で配列するとともに複数層に積み上げると、光吸収器又は光放射器を形成することができる。太陽光が光吸収器の表面に入射すると、光吸収器は、その内部のナノ構造によって太陽光を効率的に吸収して熱エネルギーに変換することにより、光吸収器の温度を上昇させることができ、中間層は、その材料が熱伝導性に優れた金属又は半導体であり、光吸収器からの熱エネルギーを吸収することにより、温度が上昇するが、光吸収器の温度が低下し、光放射器は、中間層からの熱エネルギーを吸収することにより、温度が上昇し、かつ内部のナノ構造によって光波を放射する。光エネルギー変換デバイスは、エネルギーのバランス状態に達すると、その温度が定常値に達することができる。光吸収器と光放射器の原理は類似し、全て材料内部のナノ構造によって光波の吸収又は放射を実現することである。光吸収器は、太陽光を吸収するだけでなく、光波を放射することができ、光放射器は、光波を放射するだけでなく、光波を吸収することができ、それぞれの吸収放射比が異なるだけである。光放射器は、光エネルギー変換デバイスのコア構成要素であり、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射する役割を果たす。該放射エネルギーは、実質的に異なる強度及び異なる波長の光波であり、そのスペクトルが中心波長及びスペクトル線幅を有し、中心波長の値が主に光放射器の温度によって決められ、スペクトル線幅が主に光放射器の材料及びミクロ構造によって決められ、また放射エネルギーの強度が主に入射した太陽光のエネルギーによって決められる。光エネルギー変換デバイスは、エネルギーの伝達及び変換の過程、すなわち、まず太陽放射エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを伝達した後に放射エネルギーに変換する過程を実現する。
【０００８】
前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーである。各作動ガスは、いずれもその特性吸収スペクトルを有し、複数の特性吸収ピークを有し、各吸収ピークが一定のスペクトル線幅を有する。作動ガスは、その特性吸収ピークに近い範囲内の光波に対する吸収強度が大きく、吸収効率が高い。光放射器から放射した放射エネルギーのスペクトル線形と作動ガスの特性吸収ピークの線形は類似し、中心波長及びスペクトル線幅だけが異なる可能性があり、中心波長がスペクトルの波長分布の中心値を決め、スペクトル線幅がスペクトルのエネルギー分布の集中程度を決める。光放射器を設計する原則は、放射された放射エネルギーの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じであり、放射エネルギーのスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりもできるだけ小さくすることである。このような場合、放射エネルギーのエネルギーは作動ガスの特性吸収ピークに近い狭い波長範囲内に多く集中し、このようにして作動ガスの放射エネルギーに対する吸収効率が高くなる。しかし、放射エネルギーのスペクトル線幅が小さければ小さいほど、光放射器の設計難度が大きくなる。一般的には、光放射器は作動ガスのある特性吸収ピークに基づいて設計され、放射エネルギーのスペクトル線幅は主に作動ガスの特性吸収スペクトルと光放射器の材料及び内部構造によって決められる。
【０００９】
前記太陽熱吸熱器の吸熱媒体は、二酸化炭素、水蒸気、又はヘキサフルオロプロパン、ブタン若しくはブチレンなどのような有機質を含む。現在の太陽熱吸熱器は、面吸熱及び隔壁式熱交換方式を採用し、吸熱媒体が主に空気、水蒸気及び溶融塩であるが、ガス吸熱方式に基づく太陽熱吸熱器が採用した吸熱媒体は、二酸化炭素、アンモニア、水蒸気などのような無機作動ガスであっても、パーフルオロプロパン、ヘキサフルオロプロパン、ブタン、ブチレンなどのような有機作動ガスであってもよい。各作動ガスは、いずれもその特性吸収スペクトルを有し、複数の特性吸収ピークを有する。ある特性吸収ピークに基づいて特定の光エネルギー変換デバイスを設計することができ、特定の光エネルギー変換デバイスによって作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射することができ、該作動ガスが放射エネルギーを効率的に吸収することができる。一般的には、無機作動ガスは、高温下で分解しにくいので、温度の高いサイクルに適用することができ、有機作動ガスは、耐えられる温度が高くないので、温度の低いサイクルに適用することができる。
【００１０】
前記発電サイクルプロセスは、作動ガスが太陽熱吸熱器内で放射エネルギーを全方位に吸収し、温度が上昇した作動ガスがタービンに入って膨張して仕事をし、タービンが軸によって発電機を発電させるように駆動し、膨張した作動媒体が再生器を流れて熱交換を行い、温度が低下した後に順に冷却器、圧縮機及び再生器に入り、再生器の出口からの作動ガスがさらに太陽熱吸熱器に入って放射エネルギーを全方位に吸収することにより、一つの発電サイクルを完了する。作動ガスが太陽熱吸熱器内で放射エネルギーを全方位に吸収する過程は、主に分子内の化学結合の吸収過程であり、この過程は迅速で、効率的であり、安定である。また、集光太陽光が入射する場合、光エネルギー変換デバイスの温度が上昇する。したがって、太陽熱吸熱器の吸熱室内にいくつかのパイプを配置して補助熱伝達過程を行って、光エネルギー変換デバイスの表面の熱を作動ガスに伝達することができる。このようにして、吸熱器の全体的な効率を高める一方、光エネルギー変換デバイスの表面の温度を低下させ、熱応力を減少させ、吸熱器の耐用年数を延長することができる。
【００１１】
前記発電サイクルは、ブレイトンサイクル又はランキンサイクルを含む。発電サイクルの基本的なタイプは、ランキンサイクルのような蒸気動力サイクルを採用してもよく、作動媒体が水蒸気、二酸化炭素、ブタン又はブチレンなどのような一部の有機ガスであり、また、ブレイトンサイクルのようなガス動力サイクルを採用してもよく、媒体が二酸化炭素などである。実際の発電サイクルは、再加熱、再生式熱交換、再圧縮、部分的冷却、中間冷却などのプロセスを含む可能性があり、サイクルが複雑である。また、太陽熱発電システムにおいて、発電サイクルは、一般的に蓄熱システムと組み合わせことにより発電の安定性を向上させ、蓄熱システムとしては、溶融塩を蓄熱媒体とすることができる。
前記太陽熱吸熱器の集光太陽光は、タンク型集光システム、タワー型集光システム、ディッシュ型集光システム又は線形フレネル型集光システムのうちの一種又は複数種によって提供される。タワー型又はディッシュ型集光システムにおいて、一回集光方式で太陽光を集光させて太陽熱吸熱器に入射し、太陽熱吸熱器及び発電装置の他の主な部品を位置の高い集光システムの周囲に配置することにより、発電装置をよりコンパクトにしても、二回反射後集光方式を採用することにより、発電装置の各部品を地面に配置してもよい。
【００１２】
上述のようなガス吸熱による太陽熱発電方法を実現する装置は、冷却器、圧縮機、再生器、太陽熱吸熱器、タービン、発電機及び軸を含み、太陽熱吸熱器が吸熱器キャビティ、ガラス窓及び光エネルギー変換デバイスを含み、ガラス窓が吸熱器キャビティ内に嵌め込まれ、光エネルギー変換デバイスがガラス窓の表面にコーティングされ、冷却器、圧縮機、再生器、太陽熱吸熱器及びタービンがパイプを介して順に接続され、タービンの出口が再生器の給熱側入口に接続され、再生器の伝熱側出口が冷却器の入口に接続されることにより、密閉サイクルを形成し、圧縮機、タービン及び発電機が同一の軸を介して連結されることを特徴とする。
【００１３】
前記光エネルギー変換デバイスは、コーティング方式でガラス窓の表面にコーティングされ、ガラス窓は、吸熱器キャビティ内に嵌め込まれ、かつフランジで接続し密封される。光エネルギー変換デバイスは一般的に薄く、コーティング方式でガラスの表面に堅牢で安定して固定することができる。ガラスと吸熱器キャビティの熱膨張率が異なり、高温接着剤で接続し密封すれば、ガラスは割れやすく、内部の高温高圧環境に耐えられないので、実際の応用に際しては、要件を満たすことができない。適当な方式は、フランジで吸熱器キャビティと接続され、ガラスがフランジ又は吸熱器キャビティ内に嵌め込まれ、ガラスとフランジ又は吸熱器キャビティとの間にガスケットがあることであり、このような方式により、光放射器から放射された光波がガラスを透過して太陽熱吸熱器に入るだけでなく、吸熱室内の高温高圧環境を安全で、安定して維持することができる。
前記ガラス窓は、光放射器から放射された光波に対して高い透過率を有し、その材料が二酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどであり、一般的に光放射器から放射された放射エネルギーのスペクトル、吸熱室内の温度及び吸熱室内の圧力に基づいてガラスの材料を選択する。
【００１４】
従来の技術に比べて、本発明の利点及び有益効果は以下のとおりである。
１、本発明は、ガス吸熱方式を採用し、ガス内部で放射エネルギーを直接吸収することができ、その吸熱過程が迅速で、効率的であり、安定し、採用可能な作動ガスが水蒸気、二酸化炭素又は一部の有機質などの複数種の媒体であり、吸熱量が自由に変化可能であり、該技術は、太陽熱吸熱及び発電を必要とする場合に適用しやすい。
２、本発明は、ガス吸熱方式を採用し、作動ガスが放射エネルギーを全方位に吸収することにより、太陽熱吸熱器の吸熱及び熱交換面積を大幅に減少させ、鋼材を節約することができ、吸熱器は構造が簡単であり、効率が高く、コストが低い。
３、本発明は、光エネルギー変換デバイスで太陽光を吸収して光波を放射することにより、吸熱器の表面の熱交換ニーズを減少させ、吸熱器の表面の温度分布をより均一にし、吸熱表面の局部熱応力を低下させ、吸熱器の耐用年数を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
ここでの図面は、本発明をさらに理解するために提供され、本発明の一部になるが、本発明を限定するものではない。
【図１】特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電装置の概略図である。
【図２】図１の光エネルギー変換デバイスの構造概略図である。
【図３】ガス吸熱及び溶融塩蓄熱に基づく太陽熱発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面と実施例を合わせて本発明を詳細に説明し、その実施例及び説明は、本発明を示すものに過ぎず、本発明を限定するものではない。
【００１７】
実施例１
図１に示すように、特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電装置は、冷却器１、圧縮機２、再生器３、太陽熱吸熱器４、タービン８、発電機９及び軸１０を含む。太陽熱吸熱器４は、吸熱器キャビティ５、ガラス窓６及び光エネルギー変換デバイス７を含む。光エネルギー変換デバイス７は、図２の構造概略図に示すように、光吸収器１１、中間層１２及び光放射器１３を含み、三層に積み上げられた構造である。光エネルギー変換デバイス７は薄く、コーティング方式でガラス窓６の外表面にコーティングされ、ガラス窓６は吸熱器キャビティ５内に嵌め込まれ、フランジで吸熱器キャビティ５とガラス窓６を接続し密封する。ガラス窓６は、その材料が二酸化ケイ素又は酸化アルミニウムなどであり、半透明状態を呈し、光放射器１３から放射された光波を透過させることができる。本発明の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法は、実際に適用されるとき、吸熱媒体及び発電サイクル媒体が水蒸気、二酸化炭素、ヘキサフルオロプロパン、ブタン、ブチレンなどのような一部の有機質を採用することができ、サイクルの基本的なタイプは、ランキンサイクル又はブレイトンサイクルなどを採用することができ、吸熱量が自由に変化可能であるため、タワー型又はディッシュ型太陽熱発電システムのような太陽熱吸熱及び発電の場合に適用しやすい。該実施例では、本発明のタワー型太陽熱発電システムにおける応用を例とし、二酸化炭素を吸熱媒体及び発電サイクル媒体とし、簡易な再生式熱交換ブレイトンサイクルを採用し、かつこれを好適例として詳細に説明する。以下、太陽熱吸熱器の吸熱面積及び吸熱効率の分析と計算を行うとともに、従来の面吸熱方式を採用した太陽熱吸熱器と比較する。さらに、システムの発電効率を計算するとともに、従来の太陽熱発電システムと比較する。
【００１８】
二回反射後集光方式で集光された太陽光は、その集光倍率が１０００で、熱流量密度が６００ｋＷ／ｍ２で、太陽熱吸熱器の光入射口の面積が５０ｃｍ２〜１００ｃｍ２で、吸熱器に入る総熱流量が３ｋＷ〜５ｋＷである。ガス吸熱方式を採用すれば、光エネルギー変換デバイスは一側の表面が集光太陽光を直接吸収し、他側が二酸化炭素の特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射する。吸熱室内には二酸化炭素の作動媒体に満ち、放射エネルギーを直接全方位に吸収するとともに、吸熱室内には少量の熱交換パイプが配置されて、補助熱交換過程を行う。吸熱器の吸熱面積が光入射口の面積の１．５〜２．０倍であり、太陽熱吸熱器の総熱交換表面積が１００ｃｍ２〜２００ｃｍ２である。面吸熱及び隔壁式熱交換方式を採用すれば、吸熱器内に大量の熱交換パイプを配置し、吸熱媒体の二酸化炭素がパイプを流れ、二酸化炭素の熱交換係数が０．５ＫＷ／（ｍ２・Ｋ）〜１．５ＫＷ／（ｍ２・Ｋ）であり、パイプ壁とパイプ内の作動媒体との温度差が５０℃〜８０℃であり、太陽熱吸熱器の総熱交換表面積が４００ｃｍ２〜１２００ｃｍ２である。したがって、面吸熱方式と比べて、ガス吸熱方式を採用すれば、総熱交換表面積が６０％〜８０％減少できる。また、面吸熱及び隔壁式熱交換方式では、吸熱室内に大量の熱交換パイプが配置され、より大きい吸熱室の空間を占め、吸熱室の体積がより大きくなり、パイプの設計及び配置もより複雑になる。パイプ間は一般的に溶接方式で接続され、溶接点の増加によりさらに吸熱器のコストの増加をもたらし、その安全性及び安定性も低下する。したがって、ガス吸熱方式を採用することにより、熱交換パイプを大幅に減少させ、大量の鋼材を節約し、コストを大幅に低減し、吸熱器の構造がより簡単になり、耐用年数を延長することができる。
【００１９】
集光太陽光が光エネルギー変換デバイス７の一側の表面に入射し、他側の光放射器１３が二酸化炭素の４．２μｍを中心波長とする特性吸収ピークに近い光波を放射する。該特性吸収ピークは常温常圧下でスペクトル線幅が約１１２ｃｍ−１であるため、該光放射器を設計するとき、放射された光波の中心波長を４．２μｍにしかつスペクトル線幅を１１２ｃｍ−１よりも小さくする必要がある。光エネルギー変換デバイス７から放射された光波の波長が４．１μｍ〜４．３μｍであり、ガラス窓６の該波長範囲内の光波に対する透過率が９０％〜９５％であり、光波がガラス窓６を透過して太陽熱吸熱器４内に入り、吸熱器内を流れた二酸化炭素の作動媒体によって吸収される。光エネルギー変換デバイスは集光太陽光を吸収するから放射エネルギーを放射するまでの過程は、その効率が主に光吸収器及び光放射器によって決められ、８０％〜８５％である。二酸化炭素の作動媒体は光放射器から放射された特性吸収ピークに近い放射エネルギーを吸収して吸熱昇温を完了する過程は、二酸化炭素分子内の化学結合吸収過程であり、その効率が８５％〜９０％である。ガス吸熱方式を採用する太陽熱吸熱器の効率は、主に上記二つの過程の効率によって決められ、７０％〜７５％であり、従来の太陽熱吸熱器の効率よりも５％〜１０％高い。
【００２０】
再生器３で熱交換を行った二酸化炭素の作動媒体は、温度が４６５℃で、圧力が２０．３Ｍｐａであり、太陽熱吸熱器４に流入して吸熱を行い、光放射器１３から放射された放射エネルギーを全方位に吸収して、温度が６５０℃に迅速に上昇し、圧力が２０．０Ｍｐａになる。次に、二酸化炭素の作動媒体はタービン８に入って膨張して仕事をし、軸１０によって発電機９を発電させるように駆動し、膨張した作動媒体の温度が５１６℃になり、圧力が６．９Ｍｐａになる。再生器３を流れて熱交換を行い、温度が７５℃に低下し、圧力が６．８Ｍｐａになる。その後に、作動媒体は冷却器１に入って冷却水によって冷却され、温度が３５℃に低下し、圧力が６．７Ｍｐａになる。冷却された作動媒体は圧縮機２に入って高圧状態に圧縮され、温度が６５℃になり、圧力が２０．４Ｍｐａになる。圧縮機２は二つの階段で圧縮し、一回圧縮した後に中間冷却を行ってから次回の圧縮を行う。作動媒体は再度再生器３を流れて熱交換を行い、温度が４６５℃に上昇し、圧力が２０．３Ｍｐａになり、さらに太陽熱吸熱器４内に流入して吸熱を行う。ここで、二酸化炭素の作動媒体は、一つの発電サイクルプロセスを完了する。該発電サイクルは、簡易な再生式熱交換ブレイトンサイクルであり、その発電効率が４８％〜５０％である。
【００２１】
該実施例において、太陽熱吸熱器は、ガス吸熱方式を採用し、二酸化炭素を吸熱及びサイクルの作動媒体とし、サイクルが簡易な再生式熱交換ブレイトンサイクルである。太陽熱吸熱器に入った熱流量が３ＫＷ〜５ＫＷであり、太陽熱吸熱器の効率が７０％〜７５％であり、従来の太陽熱吸熱器の効率よりも５％〜１０％高く、二酸化炭素の作動媒体の実際の吸熱量が２ＫＷ〜４ＫＷである。また、ガス吸熱方式を採用することにより、太陽熱吸熱器の総熱交換表面積は６０％〜８０％減少することができる。サイクルの発電効率が４８％〜５０％で、太陽熱発電効率が３３％〜３８％であり、従来の面吸熱を採用して水蒸気を媒体とする太陽熱発電システムの発電効率よりも１０％〜１５％高い。
【００２２】
実施例２
太陽放射の不安定性のため、太陽熱発電システムは、発電の持続性及び安定性を保証するように蓄熱システムを必要とする。図３に示すように、ガス吸熱及び溶融塩蓄熱に基づく太陽熱発電システムは、発電サイクルと溶融塩蓄熱システムの二つの部分で構成される。発電サイクルは、図１に示すものと同じであり、簡易な再生式熱交換ブレイトンサイクルであり、冷却器１、圧縮機２、再生器３、太陽熱吸熱器４、タービン８、発電機９及び軸１０を含む。太陽熱吸熱器４は、吸熱器キャビティ５、ガラス窓６及び光エネルギー変換デバイス７を含む。溶融塩蓄熱システムは、バルブ１４、バルブ１５、熱交換器１６、二酸化炭素貯蔵タンク１７、溶融塩冷却タンク１８、溶融塩ポンプ１９、溶融塩蓄熱タンク２０、溶融塩ポンプ２１、熱交換器２２、バルブ２３及びバルブ２４を含む。
【００２３】
発電サイクルの発電過程は実施例１に記載のものと同じであるので、ここで繰り返して説明せず、該実施例は、主に溶融塩蓄熱システムの作動過程を説明する。昼間に太陽放射が十分である場合、発電サイクルを行うことに加えて、蓄熱過程を行うことができる。太陽熱吸熱器４から流出した高温高圧の超臨界二酸化炭素の作動媒体の一部は、バルブ１４を流れて熱交換器１６に入って熱交換過程を行い、温度が低下した後に、二酸化炭素貯蔵タンク１７内に流入する。溶融塩冷却タンク１８内の温度の低い溶融塩を溶融塩ポンプ１９によって熱交換器１６内にポンピングして熱交換を行い、温度が上昇し、さらに溶融塩蓄熱タンク２０内に流入して、蓄熱過程を完了する。二酸化炭素貯蔵タンク１７内の二酸化炭素の作動媒体は、順にバルブ２３と熱交換器２２を流れ、太陽熱吸熱器４からの、バルブ２４を流れた二酸化炭素の作動媒体と合流して、タービン８に入って膨張して仕事をする。太陽放射が十分でない場合、太陽熱吸熱器４から流出した超臨界二酸化炭素の作動媒体は、バルブ１５を流れて二酸化炭素貯蔵タンク１７に入り、さらにバルブ２３を流れて熱交換器２２に流入して熱交換を行い、温度が上昇した後、タービン８に入って膨張して仕事をする。溶融塩蓄熱タンク２０内の温度の高い溶融塩を溶融塩ポンプ２１によって熱交換器２２の給熱側入口にポンピングして、二酸化炭素の作動媒体と熱交換を行い、温度が低下した後に、溶融塩冷却タンク１８に流入して、貯蔵された熱の放出過程を完了する。
【符号の説明】
【００２４】
１  冷却器、２  圧縮機、３  再生器、４  太陽熱吸熱器、
５  吸熱器キャビティ、６  ガラス窓、７  光エネルギー変換デバイス、
８  タービン、９  発電機、１０  軸、１１  光吸収器、１２  中間層、
１３  光放射器、１４  バルブ、１５  バルブ、１６  熱交換器、
１７  二酸化炭素貯蔵タンク、１８  溶融塩冷却タンク、１９  溶融塩ポンプ、
２０  溶融塩蓄熱タンク、２１  溶融塩ポンプ、２２  熱交換器、
２３  バルブ、２４  バルブ。
【図１】
2018025382.tif 000003
【図２】
2018025382.tif 000004
【図３】
2018025382.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月1日(2017.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光エネルギー変換デバイス（７）の一側が集光された太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、熱エネルギーを光エネルギー変換デバイス（７）の他側に伝達して、作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーに変換し、かつ吸熱器キャビティ（５）内に放射して熱交換を行い、再生器（３）を流れて熱交換した後に温度が上昇した作動ガスは、太陽熱吸熱器（４）に入って、光エネルギー変換デバイス（７）から吸熱器キャビティ（５）内に放射された放射エネルギーを全方位に吸収することにより、温度が迅速に上昇し、加熱した作動ガスが膨張して仕事をし、発電サイクルを行う特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法であって、光エネルギー変換デバイス（７）の材料が金属又は半導体であり、光エネルギー変換デバイス（７）は、光吸収器、中間層及び光放射器を有し、光吸収器が集光太陽光を吸収して熱エネルギーに変換し、中間層が熱エネルギーを伝達し、光放射器が作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーを放射することを特徴とする特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項２】
前記作動ガスの特性吸収ピークに近い放射エネルギーは、放射スペクトルの中心波長が作動ガスの特性吸収ピークの中心波長と同じでスペクトル線幅が作動ガスの特性吸収ピークのスペクトル線幅よりも小さい放射エネルギーであることを特徴とする請求項１に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項３】
前記太陽熱吸熱器（４）の作動ガスは、二酸化炭素、水蒸気、ヘキサフルオロプロパン、ブタン、ブチレンを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項４】
前記発電サイクルプロセスは、作動ガスが太陽熱吸熱器（４）内で放射エネルギーを全方位に吸収し、温度が上昇した作動ガスがタービン（８）に入って膨張して仕事をし、タービン（８）が軸（１０）によって発電機（９）を発電させるように駆動し、膨張した作動ガスが再生器（３）を流れて熱交換を行い、温度が低下した後に順に冷却器（１）、圧縮機（２）及び再生器（３）に入り、再生器（３）の出口からの作動ガスがさらに太陽熱吸熱器（４）に入って放射エネルギーを全方位に吸収することにより、一つの発電サイクルを完了することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項５】
前記発電サイクルは、ブレイトンサイクル又はランキンサイクルを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項６】
前記太陽熱吸熱器（４）の集光太陽光は、タンク型集光システム、タワー型集光システム、ディッシュ型集光システム又は線形フレネル型集光システムのうちの一種又は多種によって提供されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法。
【請求項７】
冷却器（１）、圧縮機（２）、再生器（３）、太陽熱吸熱器（４）、タービン（８）、発電機（９）及び軸（１０）を有し、太陽熱吸熱器（４）が吸熱器キャビティ（５）、ガラス窓（６）及び光エネルギー変換デバイス（７）を含み、ガラス窓（６）が吸熱器キャビティ（５）内に嵌め込まれ、光エネルギー変換デバイス（７）がガラス窓（６）の表面にコーティングされ、冷却器（１）、圧縮機（２）、再生器（３）、太陽熱吸熱器（４）及びタービン（８）がパイプを介して順に接続され、タービン（８）の出口が再生器（３）の給熱側入口に接続され、再生器（３）の伝熱側出口が冷却器（１）の入口に接続されることにより、密閉サイクルを形成し、圧縮機（２）、タービン（８）及び発電機（９）が同一の軸（１０）を介して連結されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の特性吸収スペクトルに基づくガス吸熱による太陽熱発電方法を実現する装置。
【請求項８】
前記光エネルギー変換デバイス（７）は、コーティング方式でガラス窓（６）の表面にコーティングされ、ガラス窓（６）は、吸熱器キャビティ（５）内に嵌め込まれ、かつフランジで接続し密封されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ガラス窓（６）は、光放射器から放射された光波を透過させることができ、ガラスの材料が酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。