(57)【要約】  気体ベースのナノ流体からなる熱ベクトル流体と、太陽放射線に対して適した形状のレシーバー要素とを有する太陽光線集光システム。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
その焦点位置にレシーバー要素（２）を伴う太陽光線集光鏡（１）を備え、前記レシーバー要素（２）の内部を流れる熱伝導流体が気体ベースのナノ流体（３）からなることを特徴とする、太陽光線集光システム。
【請求項２】
前記熱伝導流体（３）は、ベース流体（空気、窒素、又はその他の気体）とその中に分散したナノ粒子からなる気体の混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の太陽光線集光システム。
【請求項３】
前記レシーバー要素（２）は、複数のガラスの円筒形ダクト（５，６，７）からなり、互いに同心であって、間に透明な断熱材が介在しているか、又は真空を実現していることを特徴とする、請求項１及び請求項２に記載の太陽光線集光システム。
【請求項４】
前記レシーバー要素（２）は、ナノ流体（３）が太陽放射線（４）を直接吸収するための透明な光窓（９）を備えることを特徴とする、請求項１から請求項３に記載の太陽光線集光システム。
【請求項５】
前記レシーバー要素（２）は、断熱材層（８）によって断熱されていることを特徴とする、請求項１及び請求項４に記載の太陽光線集光システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽光線集光システムを使用している、熱力学ソーラープラント。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の太陽光線集光システムを使用している、ソーラータワー型の熱力学ソーラープラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の対象は、気体ベースのナノ流体の使用に基づき、特に高温用途で開発された、特定の種類の熱力学的な太陽光線集光器である。
【背景技術】
【０００２】
高温のソーラーシステムを使用する際の主要な問題の１つは、大きな熱流を輸送する可能性を保証し、操作が容易な熱ベクトル流体を個別化することである。現在の技術状況では、少なくとも２つの異なる種類の熱ベクトル流体、即ち伝熱油と溶融塩の混合物が使用されている。伝熱油はこの分野で使用される最初の流体の１つであり、その特有の性質を失い始める温度である、３９０°の温度を超えることができないというその物理化学的な性質が主に不利である。このような側面は、熱力学ソーラープラントではその性能に悪影響を及ぼす。さらに、伝熱油は環境中に分散された場合、非常に有毒な汚染物質である。
【０００３】
その後、例えば、熱ベクトル流体の温度が約５５０℃に達することが可能な溶融塩の混合物のような他種類の流体が使用されているが、プラントが複雑になるという不利が生じる。熱力学ソーラープラントでの溶融塩の使用に関する主要な問題は、プラント内で溶融塩が凝固する問題が生じないように、常に２５０℃より高い温度に溶融塩を維持する必要があることに関係し、溶融塩の凝固の結果、不可避の機能障害に至り、動作状態をリセットするために高い保守コストを要する。上述の温度の最小レベルでの維持と、熱過渡状態の超過の許容とのために、通常、プラントは太陽光線集光器の下流で２つの熱蓄積システムを構成する。この熱蓄積システムは、いわゆるホット及びコールドウェルであり、一般的に大型の熱貯蔵器からなる。この熱蓄積システムは２４時間およそ一定の電気エネルギーの生成を保証するものの、高い実現コストと維持コストを要することを示唆している。
【０００４】
従って、現在の技術状況では、上記の不利を解決する熱ベクトル流体を個別化すること、及び、個別化された新しい熱ベクトル流体の使用が可能である「レシーバー要素」を備えた集光器に関する研究を同時に行うことの両方が必要なのは明らかである。
【０００５】
この観点で、熱特性と熱力学ソーラープラントの操作の単純性の両方に関して、非常に有益な流体のカテゴリはナノ流体に代表される。高熱伝導性材料粒子を懸濁することにより、流体の熱交換を増加するという考えは、１８８１年の「電気と磁気に関する論文（A Treatise on Electricity and Magnetism）」で、マクスウェル（Maxwell）によって提案された。
【０００６】
いずれにしても、ナノ流体は比較的新しい。ナノ流体は、熱交換のための新しい流体のカテゴリを代表しており、ベース流体中にベース流体よりも高い熱伝導性を有する５０ｎｍよりも小さい寸法の固体粒子を分散することによって得ることができる。実験的には、ナノ流体の熱伝導性の増加量は、単体の熱伝導性の計測値の単純平均によって得られる熱伝導性の増加量よりも大きいことが観測されている。さらにナノ粒子は、ベース流体表面の場合に対して、ナノ流体表面の対流による熱交換係数の増加を決定する。熱伝導流体（合成油又は溶融塩）についての上記の技術的制限を克服するために、プラントの作動流体として空気を使用した、いくつかの実験が世界中で行われてきた。しかしながら、これらの実験は、プラントを動作させるために高圧高温の組合せを要することに主に関連する、技術的な特徴についての重要な問題を明らかにした。熱伝導流体として空気を基にした太陽光線集光器に関するそれらの最初の経験によると、ナノ粒子によって熱伝導流体の熱容量割合の増加が可能であり、それによって動作圧力が低減され、いくつかの技術的問題が解決される。
【０００７】
ナノ粒子は、減少した寸法のため、非常に低流速で懸濁を維持し、従って、大きな直径を持つ粒子で起こる場合とは異なり沈殿を回避する。さらに非常に小さい直径のため、ナノ粒子の熱交換面はマイクロ粒子で得られる熱交換面よりも約１０００倍大きい。大きな熱交換面と低質量は、熱伝達に適した懸濁を行うために特に示されたナノ粒子を使用する２つの基本的な特徴である。
【０００８】
流体の熱特性を改善するために、金属及び非金属の両方の性質の粒子が、様々な濃度で使用され得る。ナノ流体に関する研究では、ベース流体の熱特性を大きく改善するために、低濃度のナノ粒子が使用可能であることを示している。
【０００９】
一般的なナノ流体の他の優位性は、ベース流体に関する光吸収係数の増加に関係する。吸収は、物質の一部を電磁放射線と接触させることで、同じ放射線からエネルギーを吸収できるときに実現される光学特性である。このような吸収は、物質の性質によるだけでなく、放射線、特に波長によっても機能する。ナノ流体の吸収係数は、とりわけ可視領域で高い。
【００１０】
気体ベースのナノ流体を使用すると、レシーバー内部で太陽放射線を直接吸収する効果により、熱力学ソーラーシステムの性能を大幅に増すことができる。さらに、気体ベースのナノ流体を使用すると、溶融塩を使用するプラントでは熱ベクトル流体として現在不可欠である大きな熱蓄積システムを要しないので、熱力学ソーラープラントの制御が容易である。
【発明の概要】
【００１１】
本発明では、気体ベースのナノ流体が太陽放射線を直接吸収できるように透明なソーラーレシーバーを使用することで、従来の熱伝導流体（溶融塩、合成油及び類似物）又は液体ベースのナノ流体の使用に代わる解決法を提案し、ソーラーシステムの熱力学的性能を改善する。
【００１２】
従って、本発明の目的は、太陽放射線を直接吸収できる気体ベースのナノ流体を熱ベクトル流体（即ち熱伝導流体）として使用する太陽光線集光システムである。本発明の他の目的は、上記の集光システムのレシーバー要素を適切に設計することである。
【００１３】
本説明は以下の図表１／３から３／３に言及し、これは本発明の好ましい、完全に非限定的な実施形態である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】集光システムの基本要素を表す、太陽放射線を受けるためのシステムの機構の仕組み図。
【図２】太陽光線集光器及びレシーバーチューブの軸測概観図。
【図３】太陽光線集光器が備えるレシーバーチューブの好ましい実施形態の詳細図。
【図４】太陽光線集光器が備えるレシーバーチューブの第２の好ましい実施形態の詳細図。
【図５】太陽光線集光器が備えるレシーバーチューブの第３の好ましい実施形態の詳細図。
【図６】ソーラーレシーバーシステムに関連する熱力学的なプラントの平面図。
【図７】ソーラータワー型の高温の熱力学的なプラントの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付図面１と２に示されているように、本発明は、太陽１７から来る太陽放射線４を集中させ、直接吸収することで自身を暖める気体ベースのナノ流体３が内部を流動するように新規に設計されたレシーバー２を、太陽光線集光鏡１の焦点位置に配置することを提供する。
【００１６】
ナノ流体とは、その内部でナノ粒子が分散され、対流伝導性とベース流体の放射熱交換性を改善可能なあらゆる流体を意味している。特に、ナノ流体は熱伝導流体の熱特性を最適化するために、金属酸化物（ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｏＯ３など）又は他の金属のナノ粉末が添加されたベース流体からなる。前述のように、提案された発明の熱伝導流体は、サブミクロン粒子（ＣｕＯ、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＭｏＯ３、又は例えば金属の他の材料）を吸収する気体の混合物であってもよい。気体ベースのナノ流体は、実際にはベース流体（空気、窒素、又は他の気体）と、その中に分散したナノ粒子からなる混合物であってもよい。
【００１７】
図３に、レシーバー本体２の第１の好ましい、完全に非限定的な実施例が示されており、これは互いに同心の複数のガラスの円筒形の管ないしダクトからなる。２つのダクトを有する構成の例では、最も内側のダクトから始めて、５は熱ベクトル流体として気体ベースのナノ流体３が渡されるダクトを示し、６は外側のダクトを示しており、ダクト５とダクト６の間に太陽光では透明な断熱材料（例えば空気、アルゴン、エアロゲルなど）が介在し、又は真空が実現されている。レシーバー２を断熱する目的は、内部の流体を高温にしやすくするためである。図４に示されているように、これに代えて３つ以上の同心のダクトを使用しても同様の結果を得ることができる。
【００１８】
代わって、図５は断熱コーティング８によって断熱され、且つ、透明な光窓９を備えるダクト３（ナノ流体がこの内部を流れる）を使用するレシーバー２の代替実施形態を示している。
【００１９】
気体ベースのナノ流体による太陽放射線の光吸収の原則が維持されるならば、同心管５、６、及び７を有するか、又は光窓９を有するレシーバーを実現する形状と材料は様々であってもよい。従って、ソーラーレシーバー２は、異なる幾何構成（円筒形、楕円、矩形、多角形など）を有していてもよいし、対応する種類の太陽光線集光器に厳密に結びついていれば、光学経路は異なる幾何形状を有していてもよい。
【００２０】
前述のように、高温の熱力学ソーラープラントの分野において熱ベクトル流体として気体ベースのナノ流体を使用することで、溶融塩を熱ベクトル流体として代わりに使用している現在の太陽光線集光システムの下流で生じるプラント全体の複雑性を除去できる。実際には、この技術分野の公知のシステムでは、溶融塩の混合物が設定温度閾値を下回らないことを保証するために、大きな熱蓄積貯蔵器をシステムに設ける必要がある。さらに気体ベースのナノ流体の場合、シミュレーションは、７００Ｋより高い温度での太陽放射線の熱エネルギーへの推定変換効率は８０％よりも高くなることを示している。
【００２１】
図６に示されているように、熱ベクトル流体としてナノ流体を使用する熱力学ソーラーシステムが機能するレイアウトは、溶融塩の使用に基づく従来のシステムのものと同様であるが、唯一の違いは、システムに対して２５０℃という機能を果たすための最小の温度を保証する必要がないので、内蔵する蓄熱部（thermal accumulation）を非常に抑制された寸法にできることである。この観点では、熱蓄積は、太陽放射線の突然の増減に関連した熱過渡状態を超過することのみに役立つ。図５に示された簡略化された仕組みに従って、ソーラーレシーバー１０が存在する範囲は、太陽放射線を集め、その太陽放射線をナノ流体３が熱ベクトル流体として内部を流れるレシーバーチューブ１１を有するシステムに集中する。（公知の古いシステムに設けられた蓄熱部に代わる）熱交換器１２の内部では、熱ベクトル流体は、第２の流体に熱を与える。第２の流体は、電気エネルギーを最終的に生成する目的のために選択された、図式化されていない熱力学サイクル１３（例えばランキンサイクル）で使用されてもよい。
【００２２】
同じ種類のプラントは、図７に概略的に示されているように、太陽放射線のレシーバーシステムがソーラータワーの種類のものである場合に保証できる。熱ベクトル流体として気体ベースのナノ流体を使用する優位性は、集光システムを構成する要素が変更されても不変である。通常、ソーラータワープラントでは、プラントの中央に位置し、その頂点に太陽放射線のレシーバー要素１６が設けられているタワー１５の周りに配置された、複数のわずかに凹面形状の反射鏡１４（ヘリオスタット）を使用している。通常、ヘリオスタット１４は、日中、タワーの頂部に向かって常に太陽放射線を反射するように協調して移動する。図７の機能の概略図に示されているように、太陽放射線４は、地面に配置されたそれぞれの単一のヘリオスタット４に当たり、次に、気体ベースのナノ流体からなる熱ベクトル流体の通路がその内部に設けられた太陽放射線のレシーバー装置１６が配置されているタワー１５の頂部に向かって反射される。この場合のナノ流体の温度は８００℃を超えてもよい。熱ベクトルとしてのナノ流体によって収集された熱エネルギーは、図６に示された熱力学的機構と同様の方法で電気エネルギーを最終的に生成するために熱力学サイクルに転送される。
【符号の説明】
【００２３】
１  太陽光線集光鏡
２，１６  レシーバー要素
３  ナノ流体（熱ベクトル流体）
４  太陽放射線
５，６，７  ダクト
８  断熱材層
９  光窓
１０  ソーラーレシーバー
１１  レシーバーチューブ
１２  熱交換器
１３  熱力学サイクル
１４  反射鏡（ヘリオスタット）
１５  タワー
１７  太陽
【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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